肠道菌群在食物过敏发生和发展中的作用机制

杜志荣，尹佳，李论，刘娟，李俊达，高翔

食物过敏是一种机体暴露于致敏食物后出现的异常免疫反应。病因尚不明确，遗传因素与环境因素参与其中。目前全球食物过敏的发病率显著升高，在发达国家，其发病率高达10%。我国0～36月龄婴幼儿食物过敏患病率高达9.82%[1]。配方奶喂养、剖宫产、生命早期抗生素使用可增加过敏性疾病的风险，而婴儿早期家畜和宠物暴露可以降低该风险[2]。由此可见，环境因素在食物过敏的发生与发展中发挥重要作用。

人体肠道内定居着数量庞大、种类繁多的微生物群落，这些微生物与宿主构成了复杂的共生关系。生活方式及环境暴露因素可影响人类肠道菌群的组成及功能，从而影响免疫功能。越来越多的证据表明肠道菌群与食物过敏的发生和发展密切相关[3- 4]。本文对肠道菌群与食物过敏的关系，及其在食物过敏发生和发展中的作用机制进行综述。

1 肠道菌群与食物过敏的关系

“卫生学假说”首次指出微生物在过敏性疾病发生中的潜在作用[5]。后续多项研究表明，肠道菌群与食物过敏的发生发展密切相关[6]，且不同种类的食物过敏肠道菌群特征不同[6- 8]。美国一项多中心队列研究表明，毛螺菌科与疣微菌科与鸡蛋致敏相关(PERMANOVAP=5.0×10-4)[7]。意大利一项研究发现，牛奶过敏婴儿肠道菌群Shannon多样性指数更高，毛螺菌科及疣微菌科含量更丰富[9]。Savage等[10]研究发现食物过敏儿童肠道菌群中枸橼酸杆菌属、颤螺菌属、乳球菌属及Dorea表达减少。尹佳等[11]研究表明，肠道微生物的改变可能与小麦依赖-运动诱发严重过敏反应的发病存在潜在关联。动物研究进一步证实了肠道菌群与食物过敏的关系。在易患食物过敏的Il4raF709小鼠模型中，患有食物过敏的小鼠肠道中毛螺菌科，乳杆菌科，理研菌科及紫单胞菌科存在过表达[4]。为进一步探究肠道菌群在食物过敏中的作用，人们逐渐开始开展粪便菌群移植。将食物过敏小鼠的肠道菌群移植到无菌小鼠中，无菌小鼠容易出现食物过敏[4]。正常婴儿的肠道菌群可保护无菌小鼠免于出现牛奶过敏[12-13]。梭菌属组合(Ⅳ，ⅩⅣa，ⅩⅧ)及拟杆菌目则可保护小鼠避免出现食物过敏[14-16]。

肠道菌群与食物过敏的临床发展进程相关。寄居人体的肠道菌群处于不断变化当中，但它在生命早期的变化速度最快。Bunyavanich等[8]对226例牛奶过敏婴儿进行长期随访，发现3～6月大婴儿的肠道菌群组成与8岁前牛奶过敏是否缓解有关(PERMANOVAP=0.047)，其中发生牛奶过敏缓解的婴儿，其肠道菌群中富含梭状芽胞杆菌与厚壁菌门，但在牛奶过敏未缓解的儿童中，其早期的肠道菌群无此特征。而且超过6月大婴儿的肠道菌群与牛奶过敏进程无关。Tanaka等[17]对56名日本婴儿进行随访，发现2月大时的肠道菌群与2岁时是否发生食物过敏相关。2岁时出现食物过敏的儿童，2月大时的肠道菌群中明串珠菌属、魏斯菌属、韦荣球菌属含量减少。小鼠模型也支持肠道菌群对机体的影响受时间影响，早期将多种微生物定植到无菌小鼠体内，可防止食物过敏的发生[18]。

2 肠道菌群对食物过敏的作用机制

2.1 调节宿主免疫应答

食物过敏反应与Th2型免疫应答过强，特异性IgE抗体产生有关。无菌小鼠模型证明菌群可调节Th2型免疫反应。与野生型小鼠相比，无菌小鼠更容易被牛奶致敏，且致敏的无菌小鼠对激发试验反应更强烈、系统性Th2免疫应答更强[12]。Ohnmacht等[19]发现一类表达转录因子维甲酸相关孤核受体γt(RORγt+)的Foxp3+ Treg细胞，微生物可以通过维甲酸依赖途径诱导产生RORγt+Treg细胞。RORγt+Treg细胞可有效抑制Th2型免疫应答[19]。菌群移植对食物过敏易感的无菌小鼠具有保护作用[14]，此过程与RORγt+Treg细胞的扩增有关。RORγt+Treg细胞可抑制IgE应答，增强IgA应答[14]。在生命早期，需多种微生物定植以抑制单克隆IgE产生，降低过敏性疾病的易感性[18]。与野生型小鼠相比，无菌小鼠体内存在CD4+T细胞依赖的单克隆高IgE应答[18]。鼠李糖乳杆菌GG(LGG)可减少IL- 4表达，增强IL-10及IFN-γ表达，从而减少Th2应答[20]。

短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)包括醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐，是由细菌降解膳食纤维产生的代谢产物。SCFAs可调节Treg细胞池的大小及功能[21]，促进肠道调节T细胞抑制肥大细胞增殖及脱颗粒[22]，对许多免疫疾病具有保护作用[23]。高纤维膳食可通过SCFAs与免疫细胞及上皮细胞上的受体GPR43和GPR109a作用，保护小鼠避免出现食物过敏[24]。给小鼠喂食外源性SCFAs，可以增加RORγt+Treg细胞[19]。但外源性SCFAs是否可以保护机体免于出现食物过敏尚无定论。此外，高脂饮食的小鼠肠道菌群多样性减少，肠道肥大细胞聚集，食物过敏风险增高。将小鼠体内高脂饮食相关的微生物移植到无菌小鼠体内，受体小鼠食物过敏易感性增加，表明高脂饮食导致的肠道菌群改变可能通过调节肥大细胞增殖和/或招募，增加食物过敏易感性[25]。

2.2 调节免疫成熟和免疫耐受

小鼠免疫成熟需要小鼠特异性微生物的定植。无菌小鼠与人体微生物定植的小鼠相比，CD4+和CD8+T细胞水平低，T细胞增殖速度低，树突状细胞少，以及抗菌肽的表达低。可能是由于小鼠中的人体菌群利用树突状细胞从肠腔摄取变应原的能力减低，从而减少下游T细胞活化和增殖。将小鼠的共生菌群-分段丝状细菌定植到无菌小鼠中，可部分恢复CD4+RORγt+T细胞计数，但无法增加CD4+Foxp3 细胞计数，表明特定的宿主特异性微生物参与特定的免疫成熟过程[26]。

Treg细胞在维持免疫耐受和调节适应性免疫应答中发挥主要作用。微生物可通过促进Treg细胞增殖[27- 28]，从而保护机体免于出现食物过敏[29]。将梭状芽胞杆菌菌株定植到小鼠口腔，可刺激肠道上皮细胞分泌转移生长因子β(TGF-β)，促进结肠Treg细胞增殖。菌株特异性梭状芽胞杆菌定植可诱导Treg细胞中的关键抗炎分子(IL-10和ICOS)，抑制促炎性细胞因子、趋化因子及趋化因子受体的产生，减轻过敏症状[16]。此外，特定的梭状芽胞杆菌菌株可增加Treg细胞中ICOS+细胞的比例，增加细胞毒T淋巴细胞抗原- 4(CTLA- 4)的表达，两者均是Treg细胞发挥抑制作用的重要表面分子。虽然多项动物研究发现梭状芽胞杆菌对宿主有保护作用，但在人体研究中，梭状芽胞杆菌与特应性疾病风险的相关性尚不明确。此外，Treg细胞异质性高，不同Treg细胞亚型调节活性不同，如表达GATA- 3的Foxp3+Treg细胞可产生IL- 4，促进食物过敏的发生[30]。

微生物可生成一系列产物作用于人体免疫系统。它们可将色氨酸代谢为芳香基碳氢化合物受体配体，这些配体可促进Treg细胞发育[31- 32]，抑制花生过敏[33]。此外，部分微生物产物也可促进过敏性疾病的发生。12，13-diHOME 是一种由肠道细菌产生的亚麻油酸代谢物[34]，其可作用于树突状细胞及T细胞，促进Th2型免疫应答。在易患哮喘或特应性疾病的新生儿粪便中12，13-diHOME含量高，它可增加肺部炎症，减少抗炎性细胞因子的分泌并减少体外Treg细胞的数量。

2.3 调节肠道黏膜屏障

肠道菌群可促进IgA分泌，减少过敏原摄入，提高肠道黏膜屏障功能[24]。例如，花生灌胃后，梭状芽胞杆菌定植的无菌小鼠循环中花生Arah2 和Arah6蛋白浓度减少，从而推测梭状芽胞杆菌可影响肠道屏障对食物变应原的通透性[15]。IL- 22是一种通过促进杯状细胞粘液分泌，保护肠道上皮屏障的细胞因子。在梭状芽胞杆菌定植的无菌小鼠的固有层淋巴细胞中，IL- 22的基因表达上调，产粘液的杯状细胞数量增加，其粪便中IgA的水平得到恢复[15]。丁酸盐可通过促进紧密连接的组装，增强肠道屏障[35]。肠道菌群也可通过刺激肠道连蛋白释放而影响肠道屏障功能[36]。但并未发现食物过敏相关肠道菌群与小鼠肠道屏障相关基因表达水平的关联[25]。故肠道菌群与肠道屏障之间的关系尚待进一步研究。

综上所述，肠道菌群失衡可能通过增强Th2型免疫应答，干扰免疫成熟，减少Treg细胞，破坏肠道黏膜屏障，从而促进食物过敏的发生。但不同研究的结论不完全一致，而且这些机制的探讨大部分肠道菌群与固有免疫，适应性免疫及肠道黏膜之间相互作用：(1)调节2型免疫应答：微生物可以通过维甲酸依赖途径诱导产生RORγt+Treg细胞，调节树突状细胞(DC)的共刺激功能，有效的抑制Th2型免疫应答，在肠道菌群信号缺失的情况下，肠道上皮IL- 33表达增强，可刺激Th2细胞；(2)肠道微生物可影响免疫发育及免疫耐受：微生物的定植可促进Treg细胞的增殖，从而抑制肥大细胞增殖及脱颗粒；(3)肠道菌群可促进IgA分泌，减少过敏原摄入，提高肠道黏膜屏障功能基于动物模型，尚未在人体得到证实。肠道菌群干预治疗可能有助于缓解食物过敏，但其有效性尚待进一步研究。

图1 肠道菌群在食物过敏发生发展中的作用机制