Abstract
Thegut microbiota plays a pivotal role in immune system development and function.Modification in the gut microbiota composition (dysbiosis) early in life is acritical factor affecting the development of food allergy. Many environmental factors including caesarean delivery, lack ofbreast milk, drugs, antiseptic agents, and a low-fiber/high-fat diet can inducegut microbiota dysbiosis, and have been associated with the occurrence of foodallergy. New technologies and experimental tools have provided informationregarding the importance of select bacteria on immune tolerance mechanisms.Short-chain fatty acids are crucial metabolic products of gut microbiotaresponsible for many protective effects against food allergy. These compoundsare involved in epigenetic regulation of the immune system. These evidencesprovide a foundation for developing innovative strategies to prevent and treatfood allergy. Here, we present an overview on the potential role of gutmicrobiota as the target of intervention against food allergy.
關(guān)鍵詞
牛奶過敏、飲食、免疫耐受、生態(tài)失調(diào)、益生菌、短鏈脂肪酸、丁酸鹽
1.
前言
過去的幾十年里，食物過敏的流行病學(xué)模式逐漸發(fā)生變化，表現(xiàn)在其患病率逐年增加、臨床表現(xiàn)嚴(yán)重程度不斷加重，并且過敏癥狀持續(xù)到晚年的風(fēng)險(xiǎn)也在增加。家族過敏史、種族身份、過敏性皮炎和相關(guān)遺傳多態(tài)性均與食物過敏發(fā)展有關(guān)。
雖然遺傳因素可能導(dǎo)致個體食物過敏的易感性增加，但卻無法解釋流行病學(xué)在短期內(nèi)的變化，這說明環(huán)境因素促使了食物過敏的發(fā)生。機(jī)體喪失免疫耐受后，食物過敏癥狀便會發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致過敏反應(yīng)和疾病繼發(fā)性的表現(xiàn)和進(jìn)展。
機(jī)體最初接觸食物過敏原主要是通過胃腸道或皮膚。受損的皮膚屏障可增加抗原經(jīng)皮傳輸量，進(jìn)而導(dǎo)致過敏。研究已證實(shí)，過敏性皮炎的早期發(fā)作與食物過敏之間具有相關(guān)性。
在胃腸道中，影響免疫耐受的兩個主要因素是飲食和微生物群的組成及功能。Kim等人的研究表明，在正常生理?xiàng)l件下，食物中的大分子可以誘導(dǎo)大量的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞增殖，調(diào)節(jié)性T細(xì)胞對于抑制對食物抗原的默認(rèn)免疫反應(yīng)至關(guān)重要。
觀察性研究表明，生命早期食用花生、雞蛋或牛奶可阻止機(jī)體對這些食物過敏的發(fā)生。一項(xiàng)隨機(jī)對照試驗(yàn)(早期了解花生過敏，Learning Early about Peanut Allergy, LEAP)表明，對于患有嚴(yán)重濕疹、雞蛋過敏或兩者兼有的高風(fēng)險(xiǎn)嬰兒，如果在其生命早期食用花生，可使其5歲時(shí)對花生過敏的發(fā)生率降低80％?；ㄉ诜褪艿某志眯裕ê喎QLEAP-On）研究表明，這些受試者會免于過敏反應(yīng)。
腸道微生物群是指寄居在腸腔內(nèi)的數(shù)萬億微生物，并且越來越多的證據(jù)表明，生命早期微生物接觸模式的改變（菌群失調(diào)），可對免疫系統(tǒng)發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而導(dǎo)致食物過敏。因此，腸道微生物群可以認(rèn)為是預(yù)防和治療食物過敏的潛在靶標(biāo)。
最新研究也報(bào)道了干預(yù)腸道微生物群對食物過敏的療效。本綜述回顧了腸道微生物群作為預(yù)防食物過敏的潛在目標(biāo)的相關(guān)研究。
2.
微生物接觸對免疫耐受形成的重要性
免疫耐受是免疫系統(tǒng)對可能引起免疫反應(yīng)的物質(zhì)或組織無反應(yīng)的狀態(tài)。耐受主要是通過中樞耐受機(jī)制和外周耐受機(jī)制實(shí)現(xiàn)。免疫耐受形成所涉及的確切機(jī)制尚未完全確定。目前證據(jù)表明，腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物(主要是短鏈脂肪酸)，以及生命早期接觸的飲食因素對食物抗原免疫耐受的建立有重要影響。無菌小鼠無法實(shí)現(xiàn)對食物抗原的免疫耐受。
新生兒時(shí)期，腸道微生物群的繁殖與免疫系統(tǒng)的建立同步進(jìn)行。在陰道分娩過程中，嬰兒從母體陰道、皮膚組織和糞便中接受第一次細(xì)菌接種，使新生兒不成熟的免疫系統(tǒng)暴露在大量的細(xì)菌負(fù)荷之下。
生命早期的健康腸道微生物群的成熟導(dǎo)致輔助性T2細(xì)胞/ 輔助性T1細(xì)胞平衡的改變，并趨向于輔助性T1細(xì)胞反應(yīng)。而菌群失調(diào)會改變宿主微生物群穩(wěn)態(tài)，并導(dǎo)致輔助性T1細(xì)胞 / 輔助性T2細(xì)胞因子平衡向輔助性T2細(xì)胞反應(yīng)轉(zhuǎn)變。腸道微生物誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞活化，而無菌小鼠正缺少這種調(diào)節(jié)性T細(xì)胞。
在正常生理?xiàng)l件下，通過飲食獲得的大分子可誘導(dǎo)小腸固有層調(diào)節(jié)性T細(xì)胞增殖，這對于抑制對機(jī)體食物抗原的默認(rèn)強(qiáng)免疫反應(yīng)至關(guān)重要。因此，可能需要同時(shí)存在飲食誘導(dǎo)的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞群和微生物群誘導(dǎo)的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞群以完成對食物抗原的完全耐受。
腸腔免疫耐受系統(tǒng): 生命早期微生物群與腸道免疫系統(tǒng)的相互作用。免疫耐受系統(tǒng)主要由不同組分的調(diào)節(jié)活性組成: 腸道微生物群（若無腸道微生物群，則口服耐受根本無法實(shí)現(xiàn)）；飲食因素（主要是膳食肽，因?yàn)榘被岵荒茯?qū)動免疫耐受）；上皮細(xì)胞；樹突細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞。食物抗原和腸道微生物群構(gòu)成了腸道內(nèi)大部分的抗原負(fù)載. CX3CR1 +細(xì)胞(可能是巨噬細(xì)胞)在腸上皮細(xì)胞之間擴(kuò)展樹突，在腸腔內(nèi)收集抗原樣本，并通過縫隙連接將捕獲的抗原轉(zhuǎn)移到CD103 + CCR7 +樹突細(xì)胞中。這部分樹突狀細(xì)胞子集從固有層遷移到引流淋巴結(jié)，其中樹突細(xì)胞表達(dá)了轉(zhuǎn)化生長因子-β、視黃酸、白細(xì)胞介素-10及吲哚胺2,3-雙加氧酶，從而誘導(dǎo)CD4 + T細(xì)胞分化成調(diào)節(jié)性T細(xì)胞。巨噬細(xì)胞也會分泌白細(xì)胞介素-10，引導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞增殖。調(diào)節(jié)性T細(xì)胞表達(dá)整合素α4β7，導(dǎo)致其在腸道聚集抑制免疫反應(yīng)。CD103 加樹突細(xì)胞也可以通過M細(xì)胞介導(dǎo)的轉(zhuǎn)胞吞作用或通過M細(xì)胞的胞外孔延伸過程來取樣穿過上皮屏障的抗原。最近的證據(jù)表明，調(diào)節(jié)性B細(xì)胞在由toll樣受體識別的微生物因子刺激后對激活調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的作用。表達(dá)食物過敏原特異性抗體的B細(xì)胞克隆借助于濾泡性T輔助細(xì)胞可能在次級淋巴器官發(fā)生同型轉(zhuǎn)換。食物耐受性與IgA有關(guān)。廣義來講，腸內(nèi)容物與免疫和非免疫細(xì)胞之間的復(fù)雜相互作用，創(chuàng)造了一種有利于通過誘導(dǎo)IgA抗體和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的耐受性的環(huán)境，使其產(chǎn)生的白細(xì)胞介素-10。白細(xì)胞介素-10是對誘導(dǎo)對食物抗原的耐受性至關(guān)重要的分子。
最近的研究結(jié)果還顯示，新生兒腸道微生物群失調(diào)可促進(jìn)與過敏相關(guān)的CD4 +T細(xì)胞功能障礙[29]，且機(jī)體與微生物群的相互作用呈現(xiàn)年齡敏感性。鑒于腸道微生物群與食物過敏結(jié)果之間的年齡相關(guān)性，生命早期可能是干預(yù)的關(guān)鍵時(shí)期。
3.
引起食物過敏的腸道微生物群
流行病學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)，在生命早期破壞微生物群的因素與生命后期的免疫和代謝狀況之間的相關(guān)性。諸如剖腹產(chǎn)、母乳不足、藥物使用（主要是抗生素和胃酸抑制劑）、防腐劑和低纖維/高脂肪飲食等多種因素均會引發(fā)食物過敏癥狀。
研究顯示，抗菌藥物的使用與食物過敏的增加具有相關(guān)性。新生兒抗生素治療降低了糞便和回腸樣本中的微生物多樣性和細(xì)菌負(fù)荷，并增強(qiáng)了其對食物過敏原的敏感性。即使生命早期接觸低劑量的抗生素也會對代謝和免疫反應(yīng)產(chǎn)生長期的影響。孕婦在懷孕前和懷孕期間使用抗生素，以及新生兒初期使用抗生素均與嬰兒患牛奶過敏的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。
由于多種環(huán)境刺激都可顯著影響腸道微生物群的組成，因此針對食物過敏患者微生物群特征的研究還處于初級階段。盡管目前有確切的證據(jù)表明腸道菌群失調(diào)與食物過敏之間存在某種關(guān)聯(lián)，但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的異質(zhì)性使得很難在特定菌群與過敏發(fā)展之間建立起明確的相關(guān)性。這些實(shí)驗(yàn)異質(zhì)性包括取樣時(shí)間點(diǎn)、用于表征微生物群的方法，以及過敏表型的不同。為了更好地識別與食物過敏出現(xiàn)相關(guān)的微生物群變化，我們需要對表型良好的出生隊(duì)列進(jìn)行長期隨訪研究。
首次使用細(xì)菌培養(yǎng)的研究表明，對牛奶過敏的嬰兒體內(nèi)存有更高的細(xì)菌總數(shù)和厭氧菌數(shù)量。以三組18個月大的歐洲嬰兒為研究對象，研究結(jié)果表明培養(yǎng)細(xì)菌與食物敏化之間并無關(guān)聯(lián)。Kendler等人發(fā)現(xiàn)，可培養(yǎng)的腸道細(xì)菌與牛奶、雞蛋、花生和榛子等食物敏化之間沒有關(guān)聯(lián)。
與傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法相比，利用焦磷酸測序技術(shù)可以識別80%的腸道細(xì)菌，揭示了腸道微生物群的高度復(fù)雜性和多樣性。最新的研究表明，在發(fā)生食物過敏之前，腸道菌群會優(yōu)先失調(diào)。而且生命早期的影響會影響繼發(fā)性食物過敏疾病的發(fā)生。
Nakayama等人對過敏和非過敏嬰兒的糞便細(xì)菌組成進(jìn)行了分析，并將腸道菌群組成的變化與生命后期過敏的易敏性聯(lián)系起來。經(jīng)過他們研究發(fā)現(xiàn)，相對于非過敏組嬰兒，過敏組嬰兒在出生1個月時(shí)的擬桿菌屬（Bacteroides）和出生2個月時(shí)的丙酸桿菌屬（Propionibacterium）和克雷伯菌屬（Klebsiella）較為豐富，并且過敏組嬰兒在出生1個月時(shí)的不動桿菌屬（Acinetobacter）和梭菌屬（Clostridium）相對較少。同時(shí)除克雷伯菌屬外，過敏組嬰兒在出生1個月時(shí)的總變形菌門（Proteobacteria）相對豐度明顯低于非過敏組嬰兒。具有高度定植擬桿菌屬和/或克雷伯菌屬的過敏嬰兒在主要系統(tǒng)型中梭菌屬定植較少，說明腸道中這些細(xì)菌群之間存在拮抗作用。擬桿菌科細(xì)菌在低pH條件下對短鏈脂肪酸相對敏感，這表明拮抗作用是由梭菌產(chǎn)生的短鏈脂肪酸引起的。
Azad等人發(fā)現(xiàn)，在嬰兒期腸道菌群豐度較低的情況下，腸桿菌科/擬桿菌科（Enterobacteriaceae/Bacteroidaceae）比值的增加和瘤胃球菌科(Ruminococcaceae，梭狀芽胞桿菌類)的低豐度與繼發(fā)食物敏化有關(guān)，說明早期腸道菌群失調(diào)與繼發(fā)食物過敏發(fā)生相關(guān)。通過觀察發(fā)現(xiàn)，過敏患者腸道微生物群多樣性較低，并伴有梭狀芽胞桿菌減少和擬桿菌增多的現(xiàn)象。
此外，橫斷面研究還比較了食物過敏的腸道微生物組成。采用16 S rRNA測序方法，評估糞便微生物組成以確定食物過敏嬰兒（以17例患有IgE介導(dǎo)的食物過敏嬰兒， 17例非IgE介導(dǎo)食物過敏嬰兒對研究對象）和45例健康嬰兒對照組之間的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩組間的微生物多樣性并沒有差異。當(dāng)嬰兒產(chǎn)生IgE介導(dǎo)的食物過敏癥狀時(shí)，其體內(nèi)的狹義的梭菌屬（Clostridium sensu stricto，嚴(yán)格的厭氧芽孢桿菌）和厭氧桿菌屬（梭菌綱）含量增高，擬桿菌和XVIII型梭狀芽胞桿菌含量降低。因此，嚴(yán)格的厭氧芽孢桿菌（Clostridium sensu stricto）含量也與IgE水平相關(guān)。
Chen等人的研究表明，與健康嬰兒對照組相比，生命早期換食物過敏的嬰兒的糞便微生物群發(fā)生了改變，并且體內(nèi)的微生物群多樣性降低。與健康嬰兒對照組相比，食物過敏嬰兒的擬桿菌門數(shù)量明顯減少，但其厚壁菌門（Firmicutes）數(shù)量增加較為顯著。食物過敏嬰兒體內(nèi)差異最大的類群為IV型梭狀芽胞桿菌（Clostridium IV）和罕見小球菌屬(Subdoligranulum，梭菌綱)豐度增加，擬桿菌屬和韋榮氏球菌屬 (梭菌綱) 豐度減少。
新近觀察獲得，嬰幼兒體內(nèi)的梭菌綱和厚壁菌門類群豐度較高時(shí)，發(fā)生牛奶過敏癥狀相對較輕。因此，梭狀芽孢桿菌某些亞類群的低豐度可能與食物過敏的發(fā)生有關(guān)。梭狀芽孢桿菌已成為最大的細(xì)菌屬之一，目前約有100多種亞群。有些梭狀芽孢桿菌屬具有致病性；而大多數(shù)梭狀芽孢桿菌與宿主是共生關(guān)系
與此觀點(diǎn)一致的是，Atarashi等人的一項(xiàng)關(guān)鍵研究表明，腸道微生物群的孢子形成成分，特別是梭狀芽孢桿菌屬的IV類群和XIVa類群，會促進(jìn)了結(jié)腸粘膜中的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的增殖。通過采用特定的混合梭狀芽胞桿菌菌株在小鼠體內(nèi)定殖的方式，使小鼠體內(nèi)形成富含TGF-β的環(huán)境，并影響其結(jié)腸中調(diào)節(jié)性T細(xì)胞表達(dá)Foxp3轉(zhuǎn)錄因子的數(shù)量和功能。Foxp3 和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞一起在口服耐受中扮演著重要作用。在隨后的研究中，Atarashi等人從人類糞便樣本中分離出17株XIVa、IV和XVIII型梭狀芽胞桿菌簇內(nèi)的菌株，并證明這些菌株影響小鼠結(jié)腸中調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化、聚集和功能。
4.
對引起食物過敏的腸道微生物群的調(diào)節(jié)
微生物群靶向治療作為一級預(yù)防手段，對于降低過敏的發(fā)病率具有重要意義。接觸過農(nóng)場環(huán)境的嬰幼兒的過敏易感性相對較低。盡管還沒有明確的證據(jù)能夠證明這一點(diǎn)，但微生物群的作用似乎可以解釋生命早期農(nóng)場生活的保護(hù)作用。主要是因?yàn)橄鄬τ谄渌罘绞降膫€體，與農(nóng)場環(huán)境接觸過的個體含有不同的微生物組成成分。
預(yù)防食物過敏的其他流行病學(xué)因素也包括在生命早期與哥哥姐姐和寵物的接觸。飼養(yǎng)寵物與家庭環(huán)境中的微生物多樣性有一定關(guān)系。
最近的一項(xiàng)研究考察了飲食模式對兩歲幼兒食物過敏發(fā)生的影響，該研究表明，飲食習(xí)慣通過改變腸道微生物群的組成來影響食物過敏的易感性。在新生兒時(shí)期，母乳為新生兒提供了各種好處。富含低聚糖的母乳有利于產(chǎn)生短鏈脂肪酸的雙歧桿菌的定殖。母乳為嬰兒提供了共生細(xì)菌的初始來源，在腸道微生物群的成熟過程中起著至關(guān)重要的作用。最近已經(jīng)證實(shí)，母乳中較高水平的TGF-β2與多種細(xì)菌的相對豐度增加有關(guān)，比如，鏈球菌科和瘤胃球菌科類群以及較低豐度的不同葡萄球菌分類群。
飲食是最能顯著改變腸道微生物群的一種干預(yù)手段，除了可以引入新物種或細(xì)菌基因，還可以調(diào)節(jié)腸道現(xiàn)有群落的微生物豐度。研究還發(fā)現(xiàn)，如果嬰兒飲食中含有較多的水果、蔬菜和家庭自制食品均可減少食物過敏的易感性。高纖維飲食有利于發(fā)酵膳食纖維的細(xì)菌的生長，如雙歧桿菌和乳酸菌，進(jìn)而增加血清中短鏈脂肪酸含量。新生兒益生菌補(bǔ)充研究暫時(shí)無法證明益生菌對食物過敏有直接影響，但其對濕疹等其他過敏癥狀有積極效果。
與微生物接觸有關(guān)的環(huán)境和生活方式及其對發(fā)生食物過敏風(fēng)險(xiǎn)的假定影響
益生菌是為宿主提供健康益處的攝入型微生物，可通過改變微生物群發(fā)揮作用。世界過敏組織最近發(fā)布的《過敏性疾病預(yù)防指南》指出，使用益生菌預(yù)防有過敏性疾病家族史的嬰幼兒濕疹可能有好處，但相關(guān)證據(jù)質(zhì)量很低。使用益生菌對抗過敏的最重要因素是其對免疫系統(tǒng)的影響具有菌株特異性。因此，對所選菌株的研究結(jié)果不適用于其他益生菌菌株。
以所選菌株鼠李糖乳桿菌GG株為例，其可以降低嬰兒濕疹的風(fēng)險(xiǎn)，通過孕晚期、哺乳期服用益生菌，或者嬰兒直接服用。而目前對益生菌治療食物過敏的有效性的研究，卻得到了相互矛盾的結(jié)果。最近的研究表明，輔以益生菌鼠李糖乳桿菌CGMCC 1.3724菌株的口服免疫療法能夠使82%的花生過敏嬰幼兒的易感性降低。
在一項(xiàng)隨機(jī)、雙盲、安慰劑對照的研究中，連續(xù)12個月對患有牛奶過敏的嬰幼兒給予干酪乳桿菌CRL431和雙歧桿菌Bb12并未影響其獲得牛奶耐受性。相比之下，我們在不同的研究中證明，含有鼠李糖乳桿菌GG的廣泛水解酪蛋白配方能夠加速嬰幼兒對牛奶耐受性的獲得，并降低其他過敏癥狀的發(fā)生率。研究還顯示，服用含有益生菌的水解酪蛋白配方奶粉的嬰兒糞便微生物群中，丁酸鹽的豐度和糞便丁酸鹽濃度的增加之間呈現(xiàn)正相關(guān)性。
丁酸鹽的作用機(jī)制是多種多樣的，但其中許多均涉及表觀遺傳調(diào)控，通過抑制組蛋白脫乙酰酶調(diào)控基因表達(dá)。組蛋白脫乙酰酶 9和組蛋白脫乙酰酶 6的抑制增加了FoxP3基因的表達(dá)，并抑制了調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的功能。利用啟動子區(qū)域甲基化水平的顯著差異方法，我們證明了使用廣泛水解酪蛋白配方和鼠李糖乳桿菌GG株能夠誘導(dǎo)輔助性T1細(xì)胞和輔助性T2細(xì)胞因子基因呈現(xiàn)較強(qiáng)的表觀遺傳學(xué)調(diào)控。
與其他飲食策略治療的嬰幼兒相比，使用廣泛水解酪蛋白配方和鼠李糖乳桿菌GG株治療的嬰幼兒體內(nèi)的FoxP3 調(diào)節(jié)性T細(xì)胞特異性去甲基化區(qū)域的去甲基化和表達(dá)相對較高。這些研究結(jié)果更加確定地表明，干預(yù)腸道微生物群的組成和功能可以對食物過敏患兒產(chǎn)生長期的保護(hù)作用。
5.
結(jié)論
對于腸道微生物群在食物過敏發(fā)生的作用，我們的認(rèn)識也在不斷加深。但仍需進(jìn)行更多更大型的研究，比如選用具有同質(zhì)設(shè)計(jì)的縱向出生隊(duì)列研究為對象，以證明是否存在與食物過敏有關(guān)的特定菌群失調(diào)特征。
此外，需要更大規(guī)模的介入試驗(yàn)來評估不同的益生菌菌株在調(diào)節(jié)腸道菌群組成和功能方面的作用。將這些研究結(jié)果與表觀遺傳和代謝組數(shù)據(jù)相結(jié)合，有助于開發(fā)靶向微生物群的新療法，以預(yù)防和管理食物過敏。
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