肠道微生物-免疫功能与儿童营养不良之间的研究进展

毛娇,金红娇,李竹,黄睿,林勇（贵州省遵义市第一人民医院/遵义医科大学第三附属医院,贵州 遵义 563000）

美国胃肠营养学会（American Society for Parenteral and Enteral Nutrition，ASPEN）将儿童营养不良定义为“营养需求和摄入之间的不平衡，导致能量、蛋白质或微量营养素的累积不足，并对生长、发育产生负面影响”[1]。据联合国儿童基金会、世界卫生组织统计，发育迟缓影响大约22.2%的5岁以下儿童，而营养不良威胁着大约7.5%的5岁以下儿童的生命安全[2]。营养不良儿童面临着一系列健康问题，直接或间接导致每年有310万儿童死亡，占全球儿童死亡率的45%[3]，故儿童营养不良已成为当今危害儿童健康的疾病之一。

有学者指出，营养不良是一种“恶性循环”的核心，在这种“恶性循环”中，肠道微生物群的改变引发了一系列亚临床的肠道问题，包括炎症、屏障功能障碍、病原体侵袭、转运改变和吸收不良，统称为肠道环境功能障碍（Environmental Enteric Dysfunction，EED），进而导致生长发育障碍和持续的肠道功能失调，其致病机制可能涉及肠道渗漏和通透性增加、肠道炎症和细菌易位、全身炎症和营养吸收不良[4]。近年来，研究肠道屏障、营养吸收与疾病之间的相互作用已取得一定进展，本综述将详细探讨肠道屏障功能调节中微生物群-免疫-宿主营养之间的关联，并探讨改善营养不良儿童肠道微生物的治疗策略。

1 黏液屏障介导肠道微生物并调节宿主营养吸收

肠道屏障的作用已被研究了数十年，其主要负责吸收营养物质、调节机体稳态和感知免疫，同时限制潜在有害抗原和微生物从肠腔通过[5]。其中，黏液屏障的完整性是胃肠道的第一道防线，可维持肠道菌群稳态[6]。研究表明，黏液合成、分泌、厚度和黏度的减少，黏液降解和渗透性的增加以及黏蛋白糖基化特征和黏液成分的改变，使得共生微生物和病原微生物到达肠上皮，从而导致感染和炎症的发生。在肠道微生物菌群组成与黏液层破坏相关的原因中，已表明饮食成分具有重要作用[7-8]。膳食纤维等营养元素的缺乏引起黏液层厚度减少和黏液渗透性增加，如黏蛋白2（MUC2）的O联糖基化以及营养微生物的代谢产物短链脂肪酸（SCFAs）产量减少，将导致黏液屏障被破坏[9-10]。MUC2是表征最好的胃肠道分泌黏蛋白，在缺乏MUC2黏蛋白的小鼠中，与上皮直接接触的细菌入侵结肠并向下渗透到隐窝和上皮细胞中，从而诱导结肠免疫炎症反应，可间接引起营养微生物的丢失和营养物质的消化吸收障碍。以上研究表明，肠道微生物及代谢产物参与保护肠道黏液屏障，从而维持机体营养。

2 肠道微生物-上皮细胞相互作用是肠道功能屏障发挥作用的关键因素

人类肠道中拥有数万亿的微生物细胞，大多数肠道微生物对宿主都是有益或无害的，微生物群在肠道隔室中达到最高密度，从而形成一个复杂的生态群落，称为肠道微生物群[11]。肠上皮是将固有层与管腔分开的物理肠道屏障的最重要组成部分[10]，最新的进展为使用新型的体外细胞模型，即上皮类器官，研究肠道微生物-上皮细胞的相互作用。

鼠李糖乳杆菌GG（Lactobacillus rhamnosus GG, LGG）是一种源自健康人肠道的益生菌，Han[12]等人利用类器官研究了LGG对上皮屏障功能的保护作用，发现在没有LGG的条件下，肠上皮通透性增加，补充LGG能够防止IFN-γ诱导的上皮损伤。Pradhan[13]等人采用两种主要形式的志贺毒素（Stx），即Stx1和Stx2a，研究其对肠道屏障功能的影响。研究发现，无论是腔室还是基底外侧腔室，随着时间及剂量的改变，其上皮细胞通透性均增加。艰难梭菌菌株在上皮类器官的定植引发了上皮的破坏，并使MUC2表达下调。艰难梭菌感染还与黏膜促炎细胞因子（如IFN-γ和TNF-α）水平升高有关，这些细胞因子能够破坏上皮完整性。宿主STAT5依赖的JAK2信号通路对启动抗炎细胞因子的产生和促进肠上皮修复是必要的。Liu[14]等人证明了JAK2-STAT5信号通路的缺陷参与了艰难梭菌的易感性。

因此，肠道微生物群的发育和成熟是一个动态的、非随机的过程，从人类或动物体内分析肠道物种与疾病之间的关联是极其复杂的。而体外细胞模型类器官为研究单个肠道微生物或更复杂的细菌群落提供了机会，能全面了解肠道微生物群对肠道屏障功能的作用，并进一步揭示肠道屏障破坏下的病理特点，也为儿童营养不良靶向治疗策略提供了新的可能。

3 肠道微生物-免疫系统与营养代谢之间的相互作用

机体通过后天饮食摄入，微生物群多样性增加，并参与能量的收集、储存和代谢，提供促进免疫细胞和组织成熟的关键信号，从而防止病原体感染，维持宿主正常免疫功能[15]。肠道菌群可发挥诸如营养物质吸收、免疫功能调节、能量代谢调控等多方面的功能作用[16]。近年来，越来越多的证据表明，肠道菌群和免疫系统之间的相互作用由肠道微生物调节，这种调节对肠道稳态和疾病有重大影响[17]。肠道免疫细胞主要存在于固有层和肠道相关淋巴组织（GALT）中，GALT含有高达70%的机体免疫细胞，包括B细胞和T细胞。此外，它还参与对病原微生物的响应，并提供对共生细菌的免疫耐受[18]。结肠细菌裂解物或特定物种（如脆弱拟杆菌）已被证明可以刺激产生IL-10的B细胞，这些B细胞能够抑制T细胞介导的炎症。IL-10也可下调微生物群激活的黏膜炎性细胞因子，通过加强肠道上皮屏障并控制肠道通透性，促进免疫调节活性，这些相互作用都是维持肠道稳态的重要因素[19]。

肠道菌群产生的代谢物（SCFAs、脂质、维生素）在免疫调节中也发挥着重要作用。SCFAs是保护黏膜免疫的基础，厚壁菌门主要产生丁酸盐，丁酸盐具有抗炎特性，可诱导抗原呈递细胞和肠上皮细胞产生TGF-β、IL-18和IL-10，同时刺激幼稚T细胞分化为Treg细胞[20]。寄居菌通过产生SCFAs正向影响肠上皮细胞的分化和增殖，并介导其他代谢效应，为细菌的生长和增殖提供能量和营养。研究发现，在消瘦儿童的粪便中发现发酵植物寡糖和肽聚糖的微生物基因严重缺乏，这些都是促进肠道微生物能量吸收、儿童生长发育的重要物质。Moreau[21]等人使用靶向代谢组学首次揭示了代谢物特征与营养不良儿童生长和神经发育的关联。研究[22]发现，较高浓度的羟基鞘磷脂和必需氨基酸以及较低水平的酰基肉碱和胆汁酸结合与改善儿童的健康结果有关，且发现儿童营养摄入不足，宿主肠道代谢产物的生产能力也较低，同时肠道微生物群减少与营养不良和氨基酸水平降低有关，且维生素A和维生素D共同调节肠道上皮和黏膜免疫系统，以改善肠道中的微生物群落，维持体内平衡[23]。以上研究表明，肠道微生物菌群参与调节机体免疫，并通过代谢组学方法，进一步阐述了其代谢产物与儿童营养不良之间的关系，但未能发现特异性肠道微生物。

4 营养不良儿童的肠道微生物结构特点

Velly H[24]等研究者揭示了营养不良儿童和健康儿童肠道微生物群组成和功能的差异，并指出营养不良儿童具有独特的肠道菌群结构模式。首先，营养不良与粪便微生物群丰富程度（即丰度）降低有关，其中特有微生物群显著减少。研究发现，营养不良儿童的粪便中所含的微生物群丰度仅为健康受试者的57%。其次，营养不良儿童变形菌门致病菌属的相对丰度增加，包括肠杆菌、大肠埃希氏菌、克雷伯氏菌和志贺氏菌。在一项针对孟加拉国学龄前儿童的研究中发现，营养不良儿童的克雷伯菌属和埃希氏菌属，分别是健康儿童的174倍和9倍[25]，在营养不良儿童的肠道中，有益菌属的相对丰度减少，如双歧杆菌、丁酸弧菌、粪钙杆菌、乳杆菌和玫瑰杆菌，它们在减轻炎症、增强肠道屏障功能、抑制病原体等方面都有积极作用[26]。进一步研究发现，拟杆菌与体重减轻呈正相关，而厚壁菌和变形菌通常与低质量饮食和代谢并发症呈正相关[27]。在我国，中西部地区幼儿肠道菌群结构差异不大，但有益菌含量存在显著差异，肠道菌群与膳食及营养健康状况之间存在一定关系[28]。有学者进一步研究了膳食营养介导的肠道微生物及代谢产物影响人体健康的重要机制[29]。生理状态下，从肠道黏液层到上皮细胞的保护性屏障功能，肠道微生物广泛参与宿主营养代谢，维持机体稳态。而营养不良可能涉及各个环节，肠黏膜通透性增加、肠道微生物紊乱（主要是菌群及代谢产物失调）、免疫细胞损伤和凋亡环环相扣，这种影响机制是多个系统所驱动的。

5 儿童营养不良的靶向治疗策略

鉴于肠道微生物及代谢物在导致儿童营养不良中的可能机制，微生物组靶向疗法有望作为营养康复的辅助治疗方法。已有研究表明，特定的肠道微生物有助于调节肠道和宿主营养吸收。益生菌通过影响肠道微生物群、肠道上皮细胞以及宿主免疫系统发挥治病作用。譬如传统的乳酸菌和双歧杆菌，以及最新发现的特定菌属A.muciniphila和F.prausnitzii，它们可以通过减轻炎症反应和加强上皮屏障来恢复肠道健康，并作为主要的短链脂肪酸生产者为肠细胞提供能量来源[30]。益生菌有助于增加黏蛋白基因的表达，如黏附的乳杆菌属，能够刺激人肠上皮细胞中的MUC 2及MUC3的产生和分泌。双歧杆菌丰度与黏液生长呈正相关，该菌群可以防止饮食引起的微生物群介导的黏液层功能障碍。A.muciniphila是一种具备降解黏蛋白功能，并使其成为维持肠道黏膜屏障的关键微生物，在潜在机制中，已经表明A.muciniphila在其外膜上表达特定蛋白质，如蛋白质Amuc_1100，这种蛋白质结合并激活了TLR2[31-32]。上文提到的LGG益生菌也能改善上皮屏障功能以维持肠道微生物稳态，这些证据可能解释了肠道微生物群、肠道屏障和宿主营养吸收之间存在关联，但其背后的复杂机制仍需要进一步探索。

迄今为止，微生物靶向疗法对营养不良的疗效有限。双歧杆菌可纠正胃癌患者化疗所致的肠道菌群紊乱，并改善化疗所致的胃肠道不良反应及营养不良，提高生存质量[33]。粪菌移植（Fecal Microbiota Transplants，FMT）作为重建肠道菌群的最有效手段，2015年，Alang[34]等人报道了一位因艰难梭菌感染入院的女性在接受来自超重供体的粪便后体重显著增加的案例。另一项研究对肥胖小鼠的粪便进行宏基因组分析显示[35]，与体重较低的小鼠相比，参与短链脂肪酸产生的基因数量减少，但参与支链氨基酸代谢的基因数量增加。然而，几乎没有关于FMT和营养不良更为深入的研究。

6 儿童营养不良的预防管理

儿童营养不良是一个严重的公共卫生问题，特别是在贫困的发展中国家，预防工作更加难以实现。由于地理位置、经济环境、饮食文化等因素可能引起微生物群的差异，因此，建立“正常”肠道微生物群特征数据库是非常有意义的。虽然目前主要的治疗手段包括微量元素营养补充剂、治疗性食品、抗生素、静脉或口服体液疗法，譬如通过补充膳食纤维能够促进肠上皮细胞增生、益生菌生长，维持肠黏膜的屏障作用，也能够改善肠道微环境，提高肠胃耐受性，改善消化吸收障碍和营养代谢紊乱[36]，但考虑到导致营养不良的各种影响因素，单一的治疗剂不太可能适用于所有营养不良儿童[37-39]，因此，有必要从便于获取的体液中（如唾液、血液、粪便、小便）分析出特定的生物标记物，通过恰当的微生物靶向制剂组合形成个性化治疗，以此解决个体营养障碍和功能缺陷[40-41]。

目前对于肠道微生物与儿童营养不良相关性的研究仍存在许多不足：首先，未能发现特异性肠道微生物，且研究热度较低；同时，已证实儿童营养不良与肠道菌群失衡相关，粪菌移植为重建肠道菌群的最有效手段，但关于粪菌移植与肠道菌群二者共同研究很少。其次，肠道菌群代谢物参与调节肠道屏障和宿主营养吸收机制存在关联，但目前研究未能阐明其内在作用机制。故在未来的研究中，分析营养不良儿童的特异性肠道微生物群，挖掘营养、能量代谢和免疫调节之间的相互作用具有重要价值。利用代谢组学研究揭示肠道微生态系统失衡导致儿童营养不良的可能机制，同时需要进一步的干预研究来证明这些机制的潜在作用靶点以实施特定的营养补充计划，从而改善全球儿童营养不良问题，具有重大意义。