基于微生物视角的“皮-肺-肠”轴与过敏性疾病

董洁,陈军

(南京中医药大学药学院,江苏省中医外用药开发与应用工程研究中心,江苏 南京 210023)

近几十年来,过敏性疾病的发病率呈逐年增高趋势,影响全球约20%的人口,降低了个体生活质量,也造成巨大的社会经济负担[1]。过敏性疾病包括特应性皮炎(Atopic dermatitis, AD)、过敏性哮喘、过敏性鼻炎、食物过敏等。过敏性疾病的发生遵循时间顺序:从婴儿时期的特应性皮炎和食物过敏到儿童时期逐渐发展为过敏性哮喘和过敏性鼻炎。在解剖结构上,遵循皮肤-胃肠道-呼吸道的空间演化,这种现象被定义为“特应性进程”(Atopic march)。AD是一种较常见的慢性、复发性皮肤病,好发于儿童,大多数在婴儿期发病,我国1～7岁儿童的AD发病率约为13%[2],大约50%的AD儿童后来出现过敏性哮喘和鼻炎[3]。那么,机体对环境过敏原的致敏到底发生在哪种组织中?敏化过程的机制是什么?皮肤、胃肠道和呼吸道之间存在何种关联?本文从微生物视角，探讨了“皮-肺-肠”轴与过敏性疾病的关联，以期为中药外用制剂的研究提供新思路。

1 中医传统理论对“皮-肺-肠”的关系探讨

《内经》的藏象理论体系,阐释了人体脏腑的功能活动规律，基于肺藏象理论指导下构成的“皮-肺-肠”循环体系,包含了“皮-肺”“肺-肠”“皮-肠”为主的闭环型脏腑功能活动体系[4]。

1.1 “皮-肺”轴

“皮-肺”轴是基于《内经》“肺合皮毛”“肺主身之皮毛”而言。《素问·五脏生成》曰:“肺之合皮也,其荣毛也,肺主皮毛,肺与皮毛内外通应”[5]。《素问·经脉别论》曰:“肺朝百脉,输精于皮毛”[5]。在生理状态下,肺通过宣发卫气散布于肌表,温养肌肤,润泽皮毛,而皮毛能宣散肺气，助肺呼吸。在病理上二者也相互影响,有研究表明,与普通人群8%的哮喘患病率相比,严重的AD患者中近70%发展为哮喘,而轻度AD的哮喘患病率也达到20%～30%[6]。此外,皮痹与肺痹在病因病机上具有高度的相关性,并在一定条件下出现前者向后者的转归[7]。

1.2 “肺-肠”轴

肺与大肠的关系首见于《灵枢·本输》:“肺合大肠,大肠者,传导之腑”[8]。唐代孙思邈在评注《华佗神方》中,第一次明确提出了“肺与大肠相表里”的说法,从此成为中医经典理论之一[9]。生理上,肺与大肠密切相关。《素灵微蕴·卷四》曰:“肺与大肠表里同气,肺气化精,滋灌大肠,则肠滑便易。”[10]病理上,肺与大肠功能失调相互影响。孙思邈云:“肺与大肠相表里,肺疾则大肠之力不足,故便不畅,或便后失力,上无感,下不应也。若大肠过疾,则肺之鼓动力受阻,故气常不舒,或增咳嗽。”[8]研究表明,肺部疾病如哮喘、慢性阻塞性肺病(COPD)等常伴有慢性肠道疾病,COPD患者同时患上炎症性肠病的危险性更高,哮喘患者和COPD患者通常伴随着肠黏膜结构和功能的变化[11]。现代医家在大肠癌的临床研究过程中,也发现其发生肺部转移的风险较高,进一步印证了肠病可及肺这一临床现象[12]。“肺与大肠相表里”涉及的核心理论主要有经脉络属、藏象理论、气机升降以及津液代谢等,近年来,很多学者从肠道菌群的角度验证“肺与大肠相表里”的合理性,为这一理论的研究提供了新的视角[13]。

1.3 “皮-肠”轴

《内经》中即提出皮肤作为“应合者”与大肠具有生理、病理共通性[5]。《灵枢·本藏》记载:“肺应皮,皮厚者,大肠厚,皮薄者,大肠薄……皮肉不相离者,大肠结。”[8]《脾胃论》载:“大肠主津……乃能行津液于上焦,溉灌皮毛,充实腠理。”[14]最具代表性的肠病性肢端皮炎是一种由于肠道对锌的吸收异常而引起的遗传性锌缺乏证,皮肤和肠道都会表现症状,出现肢端皮炎、脱发和腹泻[15]。其他皮肤疾病与肠道也存在密切联系,痤疮患者出现胃肠道不适的风险非常高,亦有运用从肠论治痤疮的记载,栀子、黄连及大黄是临床常用的治疗痤疮的药物,其发挥作用主要是通过调节肠道。现代研究发现,很多皮肤病伴随着皮肤菌群和肠道菌群的改变,如特应性皮炎、牛皮癣、痤疮、头皮屑,甚至皮肤癌[16]。

综上可见,“肺合大肠,大肠者,皮其应”之理,表明皮肤与肺、大肠之间存在的相关联系,三者在生理上相互依存,相互协调,共同维持机体健康;在病理上相互影响、相互传变;在临床上指导疾病的治疗,如内病外治,肺病治肠。

2 “皮-肺-肠”微生物与过敏性疾病

人体微生物种类繁多,数量巨大,存在于所有黏膜部位,它们共同组成了人体微生态系统。包括口腔微生态系统、胃肠道微生态系统、呼吸道微生态系统、皮肤微生态系统、泌尿和生殖道微生态系统。正常微生物群与人体处于共生状态,对促进人体生理机能的完善尤其是免疫功能的调节起非常重要的作用。反之,生态失调会导致疾病恶化或增加对疾病的易感性。

2.1 皮肤微生物

皮肤是一个复杂而动态的生态系统,居住着细菌、古细菌、真菌和病毒,这些微生物统称为皮肤微生物群,是皮肤生理和免疫的基础[17]。皮肤微生物和宿主之间的相互作用可以发生在共生和致病性之间。人类皮肤上1 cm2约有104～107个微生物存在[18]。皮肤微生物在表皮所接触的外环境影响下,形成了其独特且复杂的菌群结构。常驻菌群是皮肤的核心菌群,皮脂腺和毛囊是这些常驻菌群的主要寄居地,在整个皮肤区域、腺体和毛囊的密度和种类差异很大,形成了一个复杂的物理和化学景观,具有不同的微生物生长生态位。例如,丙酸杆菌和葡萄球菌在皮脂区(如面部和躯干)占主导地位,而棒状杆菌、葡萄球菌和β-变形菌则在潮湿区域(如腋窝、肘部和腘窝皱褶)中发现[17]。皮肤生态位的化学组成驱动其微生物组成。对于某些物种,例如痤疮丙酸杆菌,倾向于定植在同一个体的多个部位,其他的,如表皮葡萄球菌,在个体的不同部位分布不同,但往往相似,例如腋窝[19]。皮肤微生物群组装的过程从出生时开始,根据身体部位不同进行数周。微生物群在青春期发生显著变化,棒状杆菌和丙酸杆菌增加,而厚壁菌(包括葡萄球菌和链球菌)的丰度减少。在成年期,尽管皮肤持续暴露在环境中,但微生物组成非常稳定[20]。

皮肤上的共生微生物能够为宿主抵御致病菌的入侵,对皮肤免疫系统的形成及维持具有重要的作用。皮肤配备了高度复杂的免疫监视系统,该系统由分布在表皮和真皮中的丰富的上皮细胞、淋巴细胞和抗原呈递细胞网络共同作用产生。与肠道微生物群在控制肠道相关淋巴结构发育方面的已知作用相反,皮肤免疫细胞的接种和整体组织不需要皮肤共生体。然而,皮肤上的微生物确实控制着各种先天免疫因子的表达,包括抗菌肽(AMPs)。因此,皮肤除了为机体提供有效的物理屏障,还提供了高效的免疫学屏障。皮肤表面的微生物组成、丰度和分布可能因内部和外部因素而异(图1)。最佳的皮肤微生物群是皮肤免疫系统的基础。反之,微生物组成、相互作用以及与身体其他部位之间的关系紊乱,会导致不仅限于皮肤的病理变化[21]。

图1 影响皮肤微生态的内因和外因[21]Fig. 1 The intrinsic and extrinsic factors that influence the skin microbiome

研究已发现多种皮肤疾病均存在局部菌群平衡被打破,例如:特应性皮炎、湿疹、银屑病、痤疮等。生态失调,是AD的标志,在AD发作期,皮肤细菌多样性随着金黄色葡萄球菌的增加和表皮葡萄球菌的减少而降低,缓解期与表皮葡萄球菌和链球菌、棒状杆菌和丙酸杆菌种类增多的细菌多样性增加有关。这种暂时的皮肤微生物群落的变化可能与皮肤屏障缺陷有关,该缺陷允许致病物种渗透和保护物种的丧失。最近的研究结果表明,皮肤屏障遗传性和获得性缺陷都可以增强过敏原渗透和全身性Th2反应,此外,皮肤、肠道和肺上皮细胞中的调节性T细胞(Treg)水平降低[22](图2)。因此,当皮肤的屏障功能缺损时,环境过敏原的表皮吸收增加和免疫反应失调,易导致进一步的食物过敏和哮喘。这可以解释为什么AD往往是“特应性三联症”中第一个出现的疾病。

皮损性银屑病是一种慢性T细胞介导的皮肤病,患者的病变皮肤更加多样化,链球菌增多,痤疮丙酸杆菌减少。痤疮是一种累及毛囊皮脂腺的慢性炎症性皮肤病,其发病与皮质过度分泌、毛囊皮脂腺导管的过度角化、微生物的定植和炎症反应等因素密切相关。最新的研究表明,皮肤菌群与痤疮丙酸杆菌之间的平衡可能在痤疮的发病中发挥重要的作用[23]。

2.2 肺微生物

呼吸道上皮是与微生物和过敏原等接触的第一个部位。由于传统分离和鉴定方法的局限性,肺长期以来被认为是无菌的。随着非培养微生物鉴定技术的出现,对人体各器官的微生物组探索与日俱增。2010年,Hilty等[24]首次采用16S RNA基因测序技术证实了健康人肺部菌群的存在。肺部微生物与上呼吸道微生物组成类似,目前已知主要包括放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、梭杆菌门、变形菌门和酸杆菌门[25]。其中厚壁菌门是呼吸道的优势菌群,拟杆菌门的普雷沃菌属和厚壁菌门的链球菌属是呼吸道的优势菌。健康状态下的肺部存在着一种微生物“迁入迁出”的稳态平衡。

肺部的这些微生物群既能通过影响机体的免疫系统产生作用,又对宿主维持正常的生理功能发挥免疫屏障、能量代谢等作用。肺部微生物的一个重要功能是促进和维持免疫耐受状态,防止吸入无害物质引起的不受控制的炎症反应。这种效应是由共生细菌和驻留在肺部的免疫细胞之间的持续对话介导的。肺部微生物群也可以被认为是反映肺健康状况的一个指标。研究表明,在肺部疾病发生期间,肺部细菌组成会发生显著变化，例如慢性阻塞性肺病(COPD)、囊性纤维化(CF)、肺癌(LA)和哮喘(BA)[26-27],表明肺部微生物失衡会影响呼吸系统健康产生疾病。和健康人相比,哮喘患者呼吸道微生物组发生了改变,肺部变形菌门细菌、嗜血杆菌、假单胞菌、肺炎克雷伯菌明显增加,而拟杆菌门中的普雷沃菌比例则低于正常人群[28]。呼吸道中微生物的代谢产物直接或间接影响支气管哮喘的发生,如短链脂肪酸(SCFAs)与支气管哮喘风险密切相关[29]。与肠道类似,肺部微生物组在人体生命的最初几年迅速变化,然后才开始稳定。幼年时期生活在具有多种微生物菌群的环境中会降低过敏性疾病的发生率。急性和慢性肺系疾病会导致肠道微生态失衡及菌群移位[30-31]。肠道微生物组稳态已被证明通过肠-肺轴的方式影响气道免疫反应[32-33]。肠道菌群可以通过模式识别受体的直接作用以及其代谢产物的间接作用而影响肠道上皮细胞、树突细胞、T淋巴细胞等,使其共同参与免疫应答,并且诱导Th细胞向Th1方向分化,同时抑制Th2型炎性反应,来维持Th1/Th2的免疫平衡,从而缓解哮喘的进一步发展。

注:A.健康皮肤;B.屏障功能受损皮肤图2 皮肤微生物组失调和受损的屏障功能导致对环境抗原的过敏[34]Fig. 2 Skin microbiome dysregulation and impaired barrier function lead to hypersensitivity to environmental antigens

2.3 肠道微生物

迄今为止,胃肠道仍然是研究得最好的微生态系统。人类肠道是微生物定植最密集的器官,居住着数以亿计的共生微生物。肠道微生物赋予宿主多种功能,包括产生维生素、吸收离子、抵御病原体、组织发育、增强免疫功能和食物发酵[35]。肠道微生物组的高度多样性控制着整个身体的免疫[36]。共生菌与宿主免疫平衡的维持一方面需将共生细菌限制在肠道内,同时共生菌可抑制病原微生物的定植。一旦稳态被打破,多种免疫细胞及细胞因子或引发肠道炎症,或激活肠道黏膜免疫以恢复肠道稳态。除引起炎症性肠病等肠道局部疾病外,肠道微生物与多种远端组织疾病存在相互关联,从脑[37]、心血管[38]到呼吸系统[39]和皮肤疾病[40]。肠道微生物会通过免疫、代谢和神经内分泌途径影响皮肤。肠道菌群产生的脂多糖(LPS)以及SCFAs、胆汁酸(BA)、三甲胺(TMA)等代谢产物也塑造人体的免疫系统[41],参与多系统疾病发生。人类肠道菌群的基因图谱测序进一步揭示机体正常免疫系统的建立是由宿主和共生菌相互作用共同决定。微生物与宿主之间的免疫失衡可引起哮喘、过敏等多种免疫性疾病。研究发现,在患有哮喘的儿童中,产生丁酸盐的粪杆菌细菌和罗氏菌含量减少,而梭状芽孢杆菌增加[42]。有研究对成人过敏性哮喘患者粪便菌群进行检测,发现长期哮喘患者体内双歧杆菌水平明显降低[43],通过调控部分肠道菌群可显著改善哮喘病理。皮肤微生物对肠道免疫系统的影响程度目前主要在食物过敏领域。食物过敏与AD的病因病理学密切相关。AD患者会绕过口腔免疫,通过皮肤屏障接触食物过敏原,当肠道再次暴露于食物过敏原时,会导致更严重的食物过敏和相关皮肤症状,例如瘙痒。

2.4 基于微生物组的“皮-肺-肠”轴

多细胞生物是由宿主和共生微生物群组成的超生物体。免疫系统的发展,特别是适应性免疫,与复杂微生物群的获得同时发生。反过来,微生物群可以调节免疫系统的多个方面(表1)。肠道、皮肤和肺部微生物组在过敏性疾病中的潜在作用已经得到证实,随着微生物组研究的不断深入,微生物组如何影响远端部位的免疫引起越来越多的关注。肠道菌群对肺和皮肤的影响已经得到证实,并且这种影响是双向的。特应性进程疾病中皮肤和肺部微生物群的相互串扰也引起关注(表2)。

表1 皮肤、肠道和肺部微生物组的比较以及对免疫系统的影响[48,28]Table 1 Comparison of skin， gut and lung microbiome communities and effect on the immune system

表2 皮肤、肠和肺在AD中的异常特征[22]Table 2 Characteristics of skin, gut and lung abnormalities in atopic dermatitis

最近的研究已经确定了消化道上皮层、气道和皮肤层之间的巨大相似性和干扰性,三者间的关系与信号通路、细胞成分和代谢特征有关,并产生了肠-肺-皮屏障的定义。越来越多的研究讨论了这些结构中免疫反应的相似性和相互作用。

Th17细胞亚群及其调节途径进一步证实了肠-肺-皮屏障中免疫反应和调节的统一性[44]。这些细胞能够产生各种细胞因子,如粒细胞集落刺激因子(G-CSF)和IL-8、IL-22,并触发产生IL-17和干扰素-γ(IFN-γ)的合成。此外,Th17细胞参与特定组织的微生物群与宿主之间的相互作用,调节免疫反应[45]。然而,肠-肺-皮屏障串扰不限于Th17细胞的活性。上皮细胞产生胸腺基质淋巴细胞生成素(TSLP),这是一种类似于IL-7的细胞因子,它参与过敏反应,是皮肤、肺和胃肠道过敏性炎症发作的关键因素[46]。TSLP被认为是上皮完整性破坏的生物标志物,并被认为是多种过敏模型中的决定性和加重因素,包括卵清蛋白(OVA)诱发的哮喘、特应性皮炎和过敏性腹泻[47]。

3 小结

在中医藏象理论的基础上,“皮”“肺”“肠”在生理、病理的密切关系构成了闭环型体系,介于此闭环型体系下的三者在各自疾病系统中相互影响。现代研究从微生物组对远处器官免疫调节的角度提出了“特应性进程”疾病发病机制的皮-肠-肺模型,为理解皮肤疾病如何影响远处器官系统提供了依据。

空气污染、饮食、化学物质和微生物接触减少等因素与过敏性疾病增加密切相关。这些环境因素改变了定居在皮肤和黏膜表面的微生物的组成和功能。特应性皮炎作为“特应性进程”的第一步,皮肤屏障功能损伤和皮肤微生态失衡的表皮致敏足以在包括肠道和下呼吸道的远处部位诱发全身性Th2过敏性炎症,并被认为是特应性进程的诱因。由于食物过敏或过敏性哮喘和鼻炎没有立即治愈的方法,保护皮肤屏障和调节皮肤微生态的早期干预可能会改善长期结果并减少过敏原对气道和肠道的敏感性。

中药外治历史悠久,疗效确切,但机制研究仍有待探索。中药外用直接作用于局部可发挥局部治疗作用,或可少量经局部吸收后产生全身治疗作用。如穴位敷贴产生全身治疗作用,可应用于呼吸、消化、循环、妇科疾病的治疗中,尤其在呼吸系统疾病的应用最为广泛,以支气管哮喘、慢性支气管炎、过敏性鼻炎为优势病种。有研究发现,穴位贴敷给药后,哮喘豚鼠肠道菌群多样性升高,普氏菌属显著增多,拟杆菌门减少,变形菌增多[49]。中药外治与内服一样,讲究“整体观念、辨证论治”,基于“皮-肺-肠”轴的皮肤微生态调节为中药外用制剂机制研究提供了新思路,也为过敏性疾病的预防和治疗提供了新视角。