肠道菌群与儿童呼吸系统疾病

杨斌,纪建建,钱桂英,时晨,单进军

(1.南京中医药大学中医儿科学研究所,江苏省儿童呼吸疾病(中医药)重点实验室,江苏 南京 210023;2.南京中医药大学医学代谢组学中心,江苏 南京 210023;3.南京中医药大学常熟附属医院,江苏 苏州 215500)

呼吸系统疾病为儿科临床常见病,主要病变部位是气管、支气管、肺部和胸腔,严重危害儿童身心健康及正常生长发育。儿童因呼吸系统解剖结构异于成人,且身体各项功能尚未发育成熟、机体免疫功能较弱,而对外界环境气候温度变化敏感,易受到多种病原物的侵袭与感染,诱发一系列呼吸系统相关疾病。近年来,随着临床研究的不断深入,儿童呼吸系统疾病的诊治取得了长足进展,但呼吸系统疾病仍然排在儿童疾病构成顺位和儿童死因顺位前端。微生物组学技术的发展使得肠道微生态对人体生理及病理过程的重要调控作用逐渐显现,结合现代医学提出的“肺-肠”轴理论进一步揭示了肠道菌群在儿童呼吸系统疾病发生、发展、预后等方面的重要影响(图1)。本文旨在介绍肠道菌群与儿童呼吸系统疾病的相关性,为通过改善肠道微生态治疗儿童呼吸系统疾病提供参考[1]。

图1 中药调控肠道菌群治疗儿童呼吸系统疾病Fig. 1 Chinese medicine regulates gut microbiome to treat respiratory diseases in children

1 肠道菌群的建立与演替

肠道菌群是位于胃肠道(GI)的复杂微生物群落,对维持代谢和免疫健康至关重要[2]。人体肠道菌群的种类丰富多样,由原生微生物和外来微生物两大部分组成[3],其成员主要为拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、梭杆菌门(Fusobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)等。肠道菌群受宿主遗传影响,并随时间、环境发生变化,和人体建立了包括共生、寄生在内的复杂营养关系。肠道微生物会协助宿主消化食物,释放出人体无法直接获得的营养物质,促进宿主细胞分化,保护宿主肠道稳态,以及刺激、调节免疫系统。与此同时一些病原体也会成为肠道菌群的一员,不过只有在肠道生态系统受到干扰,肠道菌群稳态被破坏的时候才会对宿主构成健康威胁。

新生儿的肠道菌群定植始于出生前,早在胎儿开始吞咽羊水时,微生物就开始在胃肠道定居,它的快速定植会促进新生儿肠道免疫系统发育[4]。人类自降生后经历了由少到多、由简单到复杂、由不稳定到稳定的菌群定植过程,2～3岁左右的儿童与成人肠道菌群相似并保持稳定和动态平衡[5-6]。婴幼儿时期肠道菌群的初期定植可抵抗病原体的定植、促进免疫系统的发育成熟和宿主的新陈代谢,对生长发育至关重要。多项流行病学研究和动物实验结果表明,生命早期的肠道微生物菌群失调与后期的疾病风险(如哮喘、严重呼吸道感染和自身免疫性疾病)存在密切关联[7]。新生儿肠道微生态受到遗传、分娩方式、胎龄、早期喂养方式、抗生素应用和环境等多种因素的影响[8-9]。母乳喂养是婴幼儿肠道菌群组成和生命早期免疫系统发育的重要影响因素,人类母乳较配方奶有更多的益生菌和益生元,因此能保护婴幼儿免受过敏性疾病的侵扰[10]。

2 肠道菌群与呼吸道免疫

“肺与大肠相表里”是中医学的经典理论,最早揭示肺和胃肠道具有相关性[11]。临床研究也发现哮喘、慢性阻塞性肺病(Chronic obstructive pulmonary disease,COPD)等多种肺部疾病患者常常伴随炎症性肠病(Inflammatory bowel disease,IBD)或肠易激综合征(Irritable bowel syndrome,IBS)等胃肠道疾病,与此同时,将近50%的成人IBD患者也存在肺部炎症或者肺功能下降,因此,现代医学提出“肺-肠”轴概念[12-13]。多项研究表明,肠道微生物组成会影响个体生命早期的先天性免疫和适应性免疫系统,在小儿急、慢性呼吸系统疾病进展中发挥重要作用,而这种作用主要是依靠其对远端呼吸道免疫的调控。呼吸道免疫在生理特性上属黏膜免疫范畴,呼吸道黏膜屏障是机体最先接触病毒、细菌、变应原等吸入性抗原的部位[14]。肠道作为机体内最大的免疫器官,可通过共同的黏膜免疫系统对呼吸道免疫产生影响[15]。肠道菌群通过黏膜免疫影响呼吸道,是驱动个体出生后免疫系统发育和维持免疫平衡的关键因素。目前肠道菌群的作用可以归纳为:①促进出生后肠道黏膜免疫和全身免疫系统的发育成熟[16];②刺激肠道分泌特异性免疫球蛋白A(Secretory immunoglobulin A,sIgA)[17];③参与口服诱导免疫耐受的形成,包括对易致敏的无害食物和肠道菌群的耐受[18-19];④调节肠道免疫炎症反应,均衡细胞因子的合成和释放,避免因肠道黏膜炎症因子的过度生成而激活全身性免疫应答[20]。

肠道菌群调控全身免疫平衡特别是肺部免疫的机制主要包括:产生多种代谢产物、通过模式识别受体(Pattern recognition receptor,PRR)信号以及分节丝状菌(Segmented filamentous bacteria,SFB)作用。①短链脂肪酸(Short chain fatty acids,SCFAs)被认为是最重要的肠道微生物代谢产物,主要为非支链饱和脂肪酸,如乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等,它们是难消化的食物纤维经由盲肠和结肠部位的厌氧菌群代谢产生[21]。肠腔中的SCFAs为结肠细胞的主要能量来源,可增强肠道屏障的完整性以及促进sIgA和抗菌肽的产生[22]。此外,SCFAs可进入血液循环和外周组织并对免疫系统产生调控作用,如SCFAs可作用于Ⅱ型辅助性T(Th2)细胞缓解微生物引起的过敏性肺部炎症、抑制中性粒细胞的细胞毒性、引起树突状细胞的凋亡并抑制巨噬细胞的功能、诱导初始T(Tn)细胞向效应T细胞和调节T(Treg)细胞的分化等[23-24]。SCFAs通过抑制组蛋白去乙酰化酶(HDAC)[25]进行表观遗传调控或通过SCFAs-G蛋白偶联受体(GPR43、GPR41、GPR109A)转导途径激活细胞发挥免疫调控功能[26]。②病原体相关分子模式(Pathogen-associated molecular patterns,PAMP)是指高度保守的微生物组分被固有免疫细胞的PPR所识别[27]。目前最为广泛研究的PPR为跨膜Toll样受体(Toll-like receptors,TLR),该受体对肠道黏膜内免疫平衡的重要性已在小鼠模型中得到证明[28]。TLR在树突状细胞向呼吸道黏膜的迁移以及诱导T细胞的过程中发挥重要作用,有研究表明肠道菌组分LPS可通过PAMP诱导肺泡巨噬细胞和II型肺泡上皮细胞表达IL-1β防御细菌性肺炎[29]。③SFB是梭菌属(Clostridium)有关的特定共生细菌,它们紧密的附着在回肠末端并可以直接与上皮细胞和免疫细胞相互作用[30]。SFB可诱导sIgA的产生和T细胞的分化。与SFB相关的一个特定的T细胞亚群是抗原特异性、促炎性的Th17 CD4+T细胞,其特点是产生IL-17,这种细胞因子已知可直接激活肠细胞,导致抗菌肽的分泌和中性粒细胞的招募[31]。有研究表明,肺部病毒感染会减少肠道中SFB的数量,而SFB可通过Th17细胞防止耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus,MRSA)[32]和烟曲霉(Aspergillusfumigatus)[33]造成的肺部感染。

3 肠道菌群与儿童呼吸系统疾病的关系

3.1 肠道菌群与儿童感染性肺炎

微生物侵袭是呼吸道感染最常见的病因。呼吸道承担着与外界进行气体交换的重要生理功能,时刻遭受外界环境的刺激,细菌、真菌、病毒等微生物突破呼吸道免疫防线即会引起宿主感染呼吸道疾病。呼吸道感染性疾病与肠道菌群之间会交互影响,表现为呼吸道感染会引起肠道菌群改变和肠道功能变化,而肠道菌群失调也可以通过影响肺部微生物群来加重呼吸道疾病,甚至成为呼吸系统疾病的不良预后因素[34]。感染性肺炎是一种小儿常见病,多属于中医“肺炎喘嗽”的范畴,病机关键为肺气郁闭。现多依据病原体进行分类,将其分为病毒性肺炎、细菌性肺炎、非典型病原体肺炎等,婴幼儿常见病毒-细菌、病毒-病毒混合感染,年长儿童多为细菌-非典型病原体混合感染。

腺病毒感染在各年龄段人群中均有发生,但最多见于儿童,尤其是幼儿和婴儿。腺病毒感染会损害儿童肺部上皮组织完整性并抑制他们的免疫反应,促进细菌在肺部滋生,直接影响儿童呼吸道菌群的定植[35]。腺病毒肺炎儿童与正常儿童相比,气道入口的扁桃体上奈瑟菌(Neisseria)和双歧杆菌(Bifidobacterium)丰度在属水平显著增加,而链球菌(Streptococcus)、苍白杆菌属(Ochrobactrum)和乳杆菌(Lactobacillus)的丰度会有所降低,这样的改变往往会导致继发性的细菌感染[36]。不仅是腺病毒感染单方面影响呼吸道菌群,菌群的变化及其代谢物的改变对后续腺病毒的再激活感染也有很大的影响。儿童腺病毒肺炎发病急、变化快,中医属“肺炎喘嗽”“风温”“外感热病”范畴,痰热闭肺是其主要病机,常用五虎汤合葶苈大枣泻肺汤加减进行治疗,可改善腺病毒感染导致的肠道菌群变化[37]。

流行性感冒是一种急性传染性呼吸道疾病,具有典型的季节性特征,可影响上下呼吸道,严重危害儿童健康。流行性感冒病原体多样,常见的有甲、乙、丙三型。甲型流感病毒感染会影响小鼠肠道微生物群多样性,使肠道微生物群衍生产物短链脂肪酸(SCFAs)的产量减少,从而导致肠道菌群微生态失调[38]。H7N9禽流感病毒感染人体后,会引起内源性动物双歧杆菌在宿主肠道丰度增加,帮助宿主调节免疫反应抵抗流感病毒感染[39]。有研究表明植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)和肠膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)对H7N9、甲型H1N1等流感病毒感染也会有一定的抵御作用[40-41]。梭状芽胞杆菌(Clostridium)可以通过代谢黄酮类物质,合成益生元通过I型干扰素通路预防流感[42]。流感病毒导致的肺炎多属“疫病”范畴[43],复方中药桂枝麻黄各半汤和参苓白术散均能有效恢复甲型流感病毒FM1感染小鼠被破坏的肠道菌群,缓解小鼠体质量下降程度,减轻肺部和盲肠组织炎症[44]。中药单体成分小檗碱可以调节优势菌群的丰度以及肠道菌群的整体结构,显著增加瘤胃球菌科的占比,改善流感病毒感染导致的小鼠肠道损伤[45]。

呼吸道合胞病毒(Respiratory syncytial virus,RSV)肺炎是一种儿童常见的间质性肺炎,婴幼儿高发。RSV感染会改变人体肠道微生物组成,主要表现为S24_7、梭菌目(Clostridiales)、臭杆菌科(Odoribacteraceae)、乳杆菌科、放线菌科(Actinomyces)的显著富集,随着疾病的严重程度,菌群的丰富度和均匀度均会有所下降[46]。此外,RSV还会破坏呼吸道菌群的结构和关系,梭状芽孢杆菌、芽孢杆菌(Bacilli)和葡萄球菌(Staphylococcus)会因感染而持续减少,α-变形菌纲(Alpha-proteobacteria)和γ-变形菌纲(Gamma-proteobacteria)菌群会大量增加[47]。研究发现口服约氏乳杆菌(Lactobacillusjohnsonii)可以通过全身性的代谢重编程以及调节肠道代谢物,来显著改善RSV诱导的肺部病理炎症[48]。中医将RSV肺炎归属于“肺炎喘嗽”的范畴,主要病机是痰热闭肺证。研究报道定喘汤不仅可以直接作用于RSV感染引起的肺部炎症,调节免疫平衡,还可以有效调节RSV感染后大鼠血清中胆汁酸代谢的失衡,进而维持肠道菌群微生态的稳定性,实现“肺肠同治”[49]。

新型冠状病毒肺炎(SARS-CoV-2)会导致严重的呼吸道疾病,传染性极强,死亡率较高,是现今困扰世界各国医学工作者的难题之一。儿童感染SARS-CoV-2后,肺部微生物群会有很大的改变,肠道菌群也会失调。研究发现,儿童感染新型冠状病毒肺炎后,肠道中拟杆菌门和厚壁菌门丰度显著增多,变形菌门丰度降低,呼吸道与肠道恰恰相反,拟杆菌门和厚壁菌门在患新型冠状病毒肺炎儿童的上呼吸道中丰度降低,变形菌门的丰度在上呼吸道增多。绝大多数微生物在健康儿童的呼吸道和肠道中丰度均显著高于新冠肺炎儿童,并且在后者身上检测到机会致病菌和环境细菌的丰度显著增加,表现为假胞单菌属(Pseudomonas)、草本菌属(Herbaspirillum)和伯克霍尔德氏菌属(Burkholderia)在新冠肺炎儿童的上呼吸道和肠道中的显著富集,丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)在上呼吸道中显著富集[50]。新冠肺炎以寒湿戾气为病因,病机演变以伤阳为主线,兼有化热、化燥、伤阴、致瘀、闭脱等变证,属中医“寒湿疫”[51]。临床研究发现,金水宝胶囊可以调节体内激素水平、改善肠道菌群,通过多种形式协助机体改善新型冠状病毒肺炎后遗症状[52]。

细菌性肺炎也是常见的感染性呼吸道疾病之一,常见病原体包括肺炎链球菌(Streptococcuspneumoniae)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、肺炎克雷伯杆菌(Klebsiellapneumoniae)等。细菌性肺炎的症状变化较大,可轻可重,决定于病原体和宿主的状态,对儿童的健康威胁极大。肺炎链球菌是一种在上呼吸道定植的革兰氏阳性菌,是导致社区获得性肺炎的最常见原因,也是全世界肺炎高发病率和死亡率的重要原因。肺炎链球菌感染人体后会显著扰动肠道菌群,在门水平上,主要表现在变形菌门的丰度升高[53]。研究发现肠道菌群可以帮助肺炎链球菌感染小鼠恢复体内TNF-α和IL-10的水平,增强肺泡巨噬细胞的吞噬能力,从而帮助机体抵御肺炎链球菌[54]。中医常用清肺饮治疗细菌性肺炎疾病,最近的研究发现,清肺饮可以逆转细菌感染导致的肠道微生物群缺陷,将肠道菌群谱恢复到健康水平,提高粪便中醋酸盐和丁酸盐水平,在一定程度上抑制NF-κB-NLRP3通路的激活,恢复肺炎链球菌感染诱导的炎症损伤[53]。另一种威胁儿童生命安全的革兰氏阳性菌——金黄色葡萄球菌,感染宿主后也会导致人体肠道变形菌门水平升高。动物模型发现肥大细胞在治疗金黄色葡萄球菌感染的过程中扮演重要角色,同时也会改善肠道菌群稳态[55]。肠道菌在治疗金黄色葡萄球菌感染中同样扮演着重要的角色,SFB可以通过调节Th17通路增加宿主的抵抗力[32]。肺炎克雷伯杆菌是一种革兰氏阴性菌,与肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌的感染机制有所不同,肺炎克雷伯杆菌感染在引起肠道中变形菌门升高的同时还会引起疣微菌门(Verrucomicrobia)水平升高。有学者通过动物模型研究发现,共生拟杆菌通过调节IL-36的信号转导以及巨噬细胞的发育来干预肺炎克雷伯杆菌的定植,从而保护人体[56]。

除此之外,支原体肺炎也是学龄儿童及青少年常见的一种肺炎,在流行年间肺炎支原体感染约占社区获得性肺炎的20%～40%。肺炎支原体是一种介于细菌和病毒之间的小型原核细胞型微生物,肺炎支原体感染主要会引起厚壁菌门、放线菌门和芽孢杆菌门的减少以及拟杆菌门的增加[57]。临床研究发现,丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)和婴儿双歧杆菌(Bifidobacteriuminfantis)可以帮助感染儿童重建肠道菌群,恢复肠道黏膜屏障功能,与阿奇霉素联合给药治疗支原体肺炎颇有前景[58]。中医将支原体肺炎归为“肺热”,治疗以清热解毒为主。芩百清肺浓缩丸是现代中医根据古籍中的止咳散改良而成,可以清肺热,润肺通络,对肺炎支原体有很好的治疗作用。动物模型发现,芩百清肺丸可以恢复肠道中革兰氏阴性菌与革兰氏阳性菌的比例以及乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸的分泌,调节免疫系统治疗肺炎支原体肺炎[53]。

3.2 肠道菌群与儿童哮喘

哮喘在全球范围发病率较高,且患者常从幼儿期就开始表现出反复发作的喘息、咳嗽、气促和胸闷等症状。哮喘的发病与免疫调节密切相关,中医认为儿童哮喘内因责之于素体肺、脾、肾不足,痰饮留伏,当易感个体受到细菌、病毒感染或暴露于特定过敏原时引起免疫失衡即发哮喘,并以慢性气道炎症和气道高反应性为病理特征。动物模型中发现,健康小鼠与哮喘小鼠粪便中的肠道菌群结构发生明显改变,哮喘小鼠双歧杆菌、乳酸杆菌数量均低于正常小鼠,而肠杆菌、白色念珠菌均高于正常小鼠。多项临床研究也表明哮喘患儿的肠道菌群组成与健康儿童存在明显差异。临床研究表明,在哮喘风险儿童的粪便中毛螺菌属(Lachnospira)、韦荣氏菌属(Veillonella)、粪杆菌属(Faecalibacterium)和罗斯氏菌属(Roseburia)等细菌属的相对丰度明显下降,且细菌分类群的减少伴随着粪便中乙酸盐水平的降低和肠肝代谢物的失调[59]。另一项队列研究证实,若3月龄儿童的粪便样本中链球菌(Streptococcus)和拟杆菌(Bacteroides)的相对丰度增加,且双歧杆菌和瘤胃球菌(Ruminococcus)相对丰度降低,则在其5岁时患特应性喘息的风险更高。此外有研究表明肠道中双歧杆菌、阿克曼菌属(Akkermansia)和粪杆菌属相对丰度较低,念珠菌(Candida)和红酵母(Rhodotorula)相对丰度较高的儿童发生特应性哮喘的风险升高[60-61]。肠道菌群对儿童哮喘的免疫调节作用依赖于肠道细胞因子微环境对远端呼吸道免疫反应的影响。肠道菌可通过调节Th1/Th2平衡、Treg细胞的免疫功能,影响呼吸道上皮细胞、DCs、2型固有淋巴样细胞(ILC2)、Th17细胞干预儿童哮喘的发生发展[62]。中医治疗哮喘具有优势,异功散是健脾益气的代表方剂之一,可通过恢复肠道菌群的丰富度和多样性以及调节菌群结构的平衡改善哮喘小鼠的症状[63];芍药甘草汤出自张仲景的《伤寒杂病论》,研究发现可通过改善肠道菌群的稳态来实现治疗哮喘的目的[64];葶苈大枣泻肺汤最早出自《金匮要略》,可通过调节哮喘大鼠体内免疫炎症反应和肠道菌群从而改善大鼠哮喘症状[65]。

3.3 肠道菌群与儿童过敏性鼻炎

儿童过敏性鼻炎(Allergic rhinitis,AR)为常见的儿童上呼吸道疾病,表现为鼻痒、喷嚏、流涕和鼻塞等鼻部超敏反应。AR是由易感儿童接触吸入性变应原后由特异性免疫球蛋白E(Immunoglobulin E,IgE)介导的鼻黏膜非感染性炎症性疾病。临床研究表明,AR患儿较正常儿童的肠道菌结构发生了明显改变,菌群多样性变差,厚壁菌门明显降低。另一项针对屋尘螨引起的儿童过敏性鼻炎研究发现,气道中定植的纤毛菌属(Leptotrichia)与粪便中的多尔氏菌属(Dorea)和瘤胃球菌属密切相关,它们与粪便IgE水平和过敏性鼻炎风险成反比[66]。肠道微生物失调的特定亚群与IgE介导的对过敏原的反应之间的相互作用可能导致儿童早期对过敏性鼻炎的易感性[67]。AR属中医理论中的“鼻鼽”范畴,病机关键为邪聚鼻窍,肺气不宣,津液骤停。针灸治疗过敏性鼻炎在临床上具有良好的治疗效果,研究表明针灸疗法可以改善肠道菌群的多样性,提高益生菌的数量,保护肠黏膜屏障,有效调节炎症信号转导通路,发挥黏膜免疫归巢作用,从而利于变应性鼻炎的防治[68]。

4 小结

呼吸系统疾病是儿科临床常见病,对儿童身心健康及正常生长发育产生严重的负面影响。儿童因呼吸系统的生理解剖特点与成年人不同,且身体各项机能尚未发育成熟,免疫功能未完善,易受到多种病原物的侵袭与感染而诱发呼吸道疾病。中医理论“肺与大肠相表里”及现代医学提出的“肺-肠”轴理论为儿童呼吸系统疾病的治疗和预防展开了新的视野。肠道菌群通过多种代谢产物、PAMP信号和SFB等影响呼吸道免疫,进而在感染性肺炎、哮喘和变应性鼻炎等多种儿童呼吸系统疾病的发生发展中发挥重要作用。此外,肠道菌群与呼吸道微生态的串扰对儿童呼吸道健康的影响引起越来越多的关注,我国学者正针对中药独特的改善肺、肠微生态紊乱的作用机制开展多方面的研究。鉴于肠道菌群与儿童呼吸系统疾病的密切关联,有相关预防和保护作用的益生菌和益生元正在研究和开发中,该领域将为儿童呼吸系统疾病的防治提供更多的新思路。