短鏈脂肪酸與兒童哮喘的關系及治療研究進展*

吳玉苗，吳要偉，朱萬青，雍亞云，李偉偉

（1.廣西中醫藥大學第一臨床醫學院，廣西 南寧 530001；2.廣西中醫藥大學第一附屬醫院 兒科，廣西 南寧 530023）

支氣管哮喘（以下簡稱哮喘）是以慢性氣道炎癥和氣道高反應為特點的異質性疾病[1]，是兒科臨床中常見的慢性疾病之一，近年兒童發病率呈上升趨勢[2]。許多研究認為腸道菌群失調與多種呼吸系統疾病聯系緊密，進而提出了“肺-腸軸”的觀點[3]。短鏈脂肪酸作為腸道微生物的眾多代謝產物之一，在肺腸交流的環節中有著重要的作用[4]。故本文綜述了短鏈脂肪酸通過肺腸軸參與兒童哮喘相關發病機制及防治方案。

1 腸道菌群與肺的關系

健康人體有大量微生物定植，包括細菌、病毒、真菌，其中細菌是腸道和肺部最大的微生物群[5]，對宿主有防御感染、維護屏障、免疫、代謝、營養等生理功能[6]。人類腸道每毫升腸腔內含有10 萬～1000 億個細菌，是細菌定植最密集的器官，包括擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門、放線菌門和特尼古菌門，并且以厚壁菌門和擬桿菌門為主[7]。許多研究表明腸道菌群對肺部健康有著重要的影響，并且生命早期是腸道菌群失調導致許多呼吸系統疾病發展的最重要時期[8]。STOKHOLM等[9]研究發現兒童早期發育過程中腸道微生物的成熟對哮喘的預防起關鍵作用。尤其生命早期腸道菌落中鏈球菌、擬桿菌及梭菌屬的豐度的增加及雙歧桿菌、糞桿菌屬、毛螺菌屬、韋永菌屬和羅氏菌屬數量減少與哮喘風險增加有關[10-11]。在卵清蛋白（OVA）誘導的氣道炎癥小鼠模型中，將毛螺菌屬、韋氏菌屬、羅氏菌屬和糞桿菌接種進無菌小鼠腸道可減輕炎癥，表明這些類菌群對氣道炎癥和哮喘具有保護作用[12]。進一步證實了腸道菌群的變化對肺的生理、病理具有重要作用。

以往的理論認為肺部是無菌的，然而近年大量研究表明，健康人的肺部也居住著與腸道不完全相同的微生物種群，其優勢菌門為厚壁菌門、變形菌門、擬桿菌屬、梭桿菌屬、酸桿菌屬和放線菌門[5]，而與成人的微生物組略有不同，足月嬰兒的微生物組由鏈球菌、普雷沃菌、奈瑟球菌、韋永菌、卟啉單胞菌和梭狀芽胞桿菌組成[13]。有研究顯示肺部疾病與肺部微生物群落的變化相關，如變形菌門（克雷伯菌）及厚壁菌門（鏈球菌屬）數量在嚴重哮喘患者中顯著增多，且變形桿菌門似乎是哮喘患者的主要的細菌門[14-15]。而肺中擬桿菌和梭桿菌豐度減少也可能與哮喘發病有關[16]。肺微生物群落變化不僅可以影響肺部疾病，當肺部發生炎癥時，同樣也會影響腸道微生物群。動物模型中用脂多糖刺激小鼠肺部會導致盲腸細菌（梭菌屬和毛螺菌科）數量顯著增加[17]；有研究表明，長期的抗結核治療會廣泛改變結核病患者的腸道微生物群，如治療組經抗結核藥處理后，丹毒梭菌、梭桿菌、普氏菌數量增加，而布勞特菌、乳桿菌、糞球菌、瘤胃球菌、雙歧桿菌均顯著減少，并且這種失調狀態在停止治療后仍持續存在，但不會影響腸道菌群的整體多樣性[18]。以上表明了肺腸間的交流是雙向的。然而，仍缺乏關于腸道菌群和肺菌群微生物之間轉移的直接證據。

短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids,SCFAs）是腸道微生物群的代謝產物，來源于難消化的膳食纖維的發酵，其中丁酸、丙酸和乙酸是人類和鼠類腸道中最豐富的短鏈脂肪酸，占總量的90%～95%[19]。腸道細菌中擬桿菌門（20%）和厚壁菌門（60%）是產生SCFAs 的優勢細菌門，兩者均可生成乙酸[20]；丁酸主要由厚壁菌門中瘤胃球菌屬、梭菌屬、糞球菌屬等產生；而擬桿菌門中如普氏菌屬、擬桿菌屬等則產生丙酸[21-22]。雖未完全清楚肺腸交流的機制，但腸道微生物發酵食物產生的多種SCFAs 能通過血液循環進入肺組織；未被代謝的SCFAs 能進入外周血液循環系統和骨髓進一步影響其免疫細胞和發育[23]，這是近年研究認為SCFAs 參與肺腸交流的兩條途徑。

2 SCFAs在兒童哮喘的發病中的作用機制

哮喘是一種復雜的炎癥性疾病，其發病機制復雜，目前尚未完全明確，多認為與免疫、遺傳、環境、感染和營養等因素有關，尤其是多種免疫細胞的驅動在哮喘的發病中起著重要的作用，如嗜酸性粒細胞、Th2 細胞、Th9 細胞、樹突細胞、B細胞、肥大細胞均可參與哮喘氣道炎癥的啟動、慢性炎癥持續過程及氣道重塑[24]。其中氣道炎癥是哮喘的本質；氣道高反應性（airway hyperresponsiveness,AHR）是哮喘的重要病理、生理改變。

2.1 SCFAs引起氣道炎癥

2.1.1 激活G 蛋白偶聯受體（GPCRs）GPCRs 是最大和最多樣化的跨膜蛋白家族，其中GPR41 和GPR43 可以被SCFAs 激活，故也稱為游離脂肪酸受體2（free fatty acid receptor 2,FFAR2）和FFAR3[25]。腸道中結腸近端的SCFAs 水平最高，可以被腸上皮細胞局部利用或通過腸道上皮細胞運輸進入血液，激活G 蛋白偶聯受體（GPR43、GPR41 和GPR109A）是SCFAs 的信號轉導機制之一[26]。通過對基因敲除小鼠的研究表明，GPR41 和GPR43 與哮喘、結腸炎和關節炎等慢性炎癥性疾病有關[27]。HALNES 等[28]發現SCFAs 可以上調GPR41、GPR43基因表達，對哮喘氣道有急性抗炎作用。然而，也有研究表示SCFAs 對過敏性炎癥的影響是通過結合GPR41 減少樹突狀細胞介導的Th2 反應，抑制過敏反應，而不是取決于GPR43[29]。有研究發現在急性過敏性氣道炎癥模型中，GPR43缺陷型（Gpr43-/-）小鼠較野生型同窩小鼠表現出更嚴重的炎癥，且喂食醋酸鹽小鼠的炎癥顯著減少，而這種保護作用是通過與GPR43 結合實現[30]。另一種由丁酸鹽激活的GPCR是GPR109A，通過信號傳導激活結腸巨噬細胞和樹突細胞中的炎癥小體通路。導致調節性T 細胞和產生白細胞介素10（Interleukin-10,IL-10）的T 細胞分化，在促進腸道穩態和調節炎癥反應方面同樣發揮著重要作用[31]。

2.1.2 激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）MAPK信號通路可以調節多種細胞機制參與生物過程，包括增殖、分化、凋亡和應激反應，同時也是參與哮喘的一條重要通路[32]。MAPK 是GPCRs 的下游信號級聯反應，其中細胞外信號調節蛋白激酶1/2（ERK1/2）、Jun N-末端激酶（JNK）、p38MAPK 和ERK5 信號轉導通路是在真核細胞中鑒定出的4 種MAPK 級聯，在信號轉導中起關鍵作用[33]。哮喘氣道中細胞因子和生長因子水平的提高導致ERK1/2的持續激活，產生趨化因子和持續氣道炎癥[34]。因此通過抑制ERK 信號通路可能具有治療過敏性氣道炎癥的潛力。KIM 等[35]研究則發現激活ERK1/2介導的信號傳導通路，增加小鼠糞便中SCFAs 豐度，減輕腸道炎癥，并且ERK1/2 激活是由SCFAs信號通過GPR41 和GPR43 誘導，這些信號通路介導了小鼠的保護性免疫和組織炎癥，故認為SCFAs可以激活ERK1/2 介導的信號通路緩解氣道炎癥。

2.1.3 抑制組蛋白脫乙酰酶（HDAC）HDCA 是存在于真核細胞中一類蛋白酶，有研究表明抑制HDAC 活性可以減少小鼠呼吸道疾患[36]。SCFAs 信號傳導另一機制則是抑制HDAC，在SCFAs 中，丁酸鹽抑制HDAC 活性作用最有效[37]，但其機制尚不清楚，可能與劑量依賴方式增加組蛋白乙?；嘘P[38]。FOLKERTS 等[39]研究發現丁酸鹽阻止了OVA致敏豚鼠精確切割肺切片中過敏原誘導的組胺釋放和氣道收縮，是以濃度依賴性方式抑制免疫球蛋白E（Immunoglobulin E,IgE）和非IgE 介導的肥大細胞脫顆粒，并且這些效應均與HDAC 的抑制有關，而與SCFAs 的受體GPR41、GPR43 的刺激無關。最終的結果表明SCFAs 通過抑制HDAC 和表觀遺傳機制對關鍵肥大細胞信號轉導器的轉錄下調，抑制人類肥大細胞脫顆粒、細胞因子產生和過敏原誘導的氣道收縮。

2.2 SCFAs引起氣道高反應

哮喘的發病與免疫系統關系密切，尤其是Th2介導的炎癥反應被認為是哮喘的核心分子機制。2 型固有淋巴樣細胞（type 2 innate lymphoid cells,ILC2）具有產生Th2 型細胞因子的能力，是Th2 細胞因子IL-5 和IL-13 的重要來源，在哮喘發病機制中起著關鍵作用[40]。有研究人員證實腸道炎癥性ILC2可以通過血液循環或者淋巴細胞從腸道遷移到肺，引起肺部炎癥[41]。而肺ILC2 的激活可以迅速產生大量的IL-5 和IL-13，導致嗜酸性粒細胞增多和AHR[42]。嗜酸性粒細胞是2 型炎癥環境的啟動子，具有抗原呈遞和細胞因子介導的局部淋巴細胞調節等作用，有證據表明氣道嗜酸性粒細胞增多以及效應細胞因子（如IL-13）可能最終導致哮喘的AHR[43]。

THEILER 等[44]研究發現SCFAs，尤其是丁酸對人嗜酸性粒細胞的黏附、遷移和存活有直接作用，并與抑制Ⅱa 類HDAC 有關。丁酸鹽改善了過敏原誘導的小鼠氣道和肺嗜酸性粒細胞增多癥，降低了支氣管液中的Th2 細胞因子水平，改善了小鼠的AHR。THIO 等[45]發現抑制HDAC 活性的丁酸鹽可以作為ILC2 增殖和功能的關鍵調節因子，抑制小鼠ILC2 產生的IL-13 和IL-5，調節過敏小鼠模型中的AHR。進一步研究顯示GATA-3 是ILC2 發育和功能的關鍵轉錄因子，丁酸鹽可使其顯著下調，而丁酸鹽降低GATA3 表達會減少細胞代謝，限制氧化磷酸化和糖酵解潛力，抑制ILC2 驅動的AHR[46]。

3 治療

基于肺腸軸的理論，調節腸道菌群，提高體內短鏈脂肪酸的水平可以對防治哮喘產生積極作用，但SCFAs 的直接口服給藥不是人類的最佳選擇，因為口服給藥的大部分醋酸鹽被氧化，血漿水平僅保持升高60 min[47]，故可以通過飲食，口服益生菌、益生元或糞菌移植等途徑提高SCFAs 豐度以防治哮喘。

3.1 飲食

由于腸道細菌通過食物纖維來生物合成SCFAs，因此攝入更多富含膳食纖維的水果和蔬菜可能對減輕哮喘風險和控制哮喘產生積極影響。歐洲過敏與臨床免疫學會在臨床實踐中建議增加水果和蔬菜的凈攝入量，以降低哮喘風險，尤其是在兒童飲食中[48]。TROMPETTE 等[29]發現喂食高纖維飲食可以改變小鼠腸道和肺微生物群的組成，增加了擬桿菌和雙歧桿菌的比例，提高了循環中的SCFAs 水平，保護小鼠免受肺部過敏性炎癥的影響，而低纖維飲食則降低了SCFAs 的水平并增加了過敏性氣道疾病。

3.2 益生菌

益生菌作為膳食產品的補充劑，已被證實其在調節腸道微生物組中的功效及對結腸中SCFAs 含量的影響[49]。在哮喘小鼠模型中，雙歧桿菌可以通過促進Th1 細胞和抑制Th2 細胞因子水平，減輕氣道炎癥，降低ARH[50]。WU 等[51]發現鼠李糖乳桿菌可顯著減少OVA 致敏小鼠支氣管肺泡灌洗液、血清中浸潤性炎癥細胞及Th2 細胞因子的數量以抑制過敏性氣道反應。在屋塵螨誘導的哮喘模型小鼠中，羅氏伊乳桿菌減輕了氣道炎癥，減少了總IgE及HDM-IgG1，也減少Th2 相關的促炎細胞因子，增加小鼠盲腸中的丁酸鹽[52]。近年乳桿菌、丁酸梭菌和雙歧桿菌雖已被臨床用來防治哮喘[53]，但益生菌對肺的影響和調節免疫反應等確切機制在很大程度上仍然未知。世界過敏組織（WAO）指南指出，目前的研究仍缺乏益生菌在過敏性疾病中一級預防作用的明確證據[54]。因此，需要更多的研究知悉益生菌治療哮喘的效果，制定益生菌防治哮喘的明確建議，并在更長時間的隨訪中評估其遠期療效。

3.3 益生元

世界胃腸病學組織的全球指南指出益生元是人類宿主攝取的不易消化的物質，當攝入足夠量時，通過選擇性地刺激宿主的生長和代謝活動，對宿主產生有益的生理作用[55]。常見的益生元為低聚果糖補充劑、低聚半乳糖、菊粉、乳果糖和母乳寡糖，并可與益生菌合用而成合生元。1 項安慰對照試驗表明在攝入菊粉及益生菌后，雙歧桿菌和厭氧菌豐度顯著增加，痰細胞中GPR41、GPR43基因表達上調，HDAC9基因表達降低，哮喘氣道炎癥顯著減少，但SCFAs 水平僅略有提高[56]。WAO指南建議非純母乳喂養的嬰兒可使用益生元，而純母乳喂養的嬰兒則不使用[57]。但是同益生菌一樣，益生元防治哮喘的明確療效有待更多研究證實。

3.4 糞菌移植

糞菌移植（fecal microbiota transplantation,FMT）是指將健康人糞便中的功能菌群，移植到患者胃腸道內，以恢復正常的微生物群，是一種普遍安全且副作用較少的治療方法[58]。雖然吳誠等[59]研究發現通過糞菌移植減輕了哮喘小鼠模型的氣道過敏性炎癥，且與調節性T 細胞的增生抑制有關。表明FMT 或許代表了一種潛在的改善哮喘的治療方法，但是目前FMT 治療哮喘的相關文獻鮮有報道，仍缺乏足夠的證據證明應用FMT 對哮喘有確切療效。今后若將FMT 用于治療哮喘，需要更深入地闡明腸道菌群與宿主相互作用的機制，確定FMT如何調節腸道菌群以及與哮喘的相關性，明確其臨床穩定性和安全性。

雖然諸多證據表明，腸道微生物組的變化在哮喘的發病與治療中起著重要作用，但迄今為止，通過飲食、益生菌、益生元及FMT 改變或恢復微生物群，以預防或治療哮喘尚不是臨床常規方案[60]。因此，需要進一步的研究明確微生物影響哮喘的機制，逐漸完善可以防治氣道疾病的方案。

4 小結

綜上所述，目前研究顯示SCFAs 主要通過激活G 蛋白偶聯受體及下游絲裂原活化蛋白激酶信號通路、抑制組蛋白脫乙酰酶的途徑參與哮喘發病機制。通過補充膳食纖維、服用益生菌、益生元，或糞菌移植調節腸道菌落提高SCFAs 水平對兒童哮喘有保護作用。雖然越來越多的研究證明腸道菌群與肺部疾病之間的聯系密切，但目前SCFAs 通過于肺腸軸參與兒童哮喘的發病機制仍有待進一步深入研究，亟待更多的理論和實驗為兒童哮喘的治療提供更有力的科學證據。