引用本文： 廖萬忠, 蔣偉哲, 何碧鉆, 覃久蕓, 劉雪萍, 付書婕. 腸道菌群及其代謝物在哮喘中的作用研究進展. 中國呼吸與危重監護雜志, 2023, 22(9): 666-672. doi: 10.7507/1671-6205.202305029 復制
哮喘是一種慢性疾病，目前全球3億多人受其影響，預計到2025年將增加到4億人。據報道，每年與哮喘相關的死亡人數約25萬例。哮喘的發病機制尚未清楚，目前已確定該病與遺傳、環境、感染和營養等因素有關[1]。哮喘的特征主要是可逆性氣流受限、氣道高反應性、黏液高分泌以及慢性氣道炎癥[2]。腸道菌群約含1 000種微生物，由6~10個主要門和3 000~5 000種組成，質量約1~2 kg[3]，主要由擬桿菌門（Bacteroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、變形菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）四個門類主導。近十年來對人體微生物群的研究證據表明，腸道菌群賦予宿主多種功能，包括機體發育、抵御病原體等，最重要的是，它們還可以通過調節胃腸系統和遠端器官的免疫反應來影響和維持體內穩態，從而在保持機體健康和治療疾病方面發揮重要作用[4]。盡管胃腸道和呼吸道在生理上有所不同，但它們具有共同的胚胎起源和許多結構上的相似性，這就使得兩者可能以多種方式雙向相互作用，此現象即肺-腸軸[5]。肺-腸軸通過免疫系統、微生物及其代謝物相互溝通，實現雙向、互惠的控制。因此，腸道菌群失調可能通過改變免疫、激素和代謝穩態等多種途徑促進肺部疾病的發展[6]。本文綜述了近年來腸道微生物群與哮喘之間的關聯性，探尋兩者之間的病理和生理聯系機制，并對針對腸道微生物組的治療策略進行了總結，旨在更新這一熱門領域的信息和證據，突出通過腸-肺軸治療哮喘的潛力。
1 腸道菌群及其代謝物與哮喘之間的關聯性
1.1 腸道菌群及其代謝物與生命早期哮喘的關聯性
生命早期是腸道微生態系統和免疫系統建立和發展的關鍵時期，此時腸道微生物的失調與增加哮喘和過敏性疾病的風險有關[7]。人類胎兒樹突狀細胞對于有效的免疫和耐受至關重要，它可以遷移到淋巴結并對微生物配體作出反應，以誘導減少子宮內炎癥的發生[8]。最近的研究證據表明，腸道與細菌的初次接觸始于子宮內，主要由數量有限的稀疏菌落定殖，微生物的存在啟動了胎兒免疫系統，如乳酸桿菌屬（Lactobacillus）和葡萄球菌屬（Staphylococcus）可以誘導胎兒淋巴記憶T細胞的激活[9]。另一項研究結果顯示，在人類胎兒腸道樣本中檢測到的黃體微球菌（Micrococcus luteus），與宿主腸道上皮核轉錄因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）蛋白的表達相關，并調節胎兒特異性T細胞的積累，有助于免疫程序的啟動，并誘導γ干擾素（interferon-γ，IFN-γ）的表達[10]。
在生命第2至12個月期間，腸道菌群的成熟為抑制哮喘發生提供了強大的支持作用[11]。因此，腸道菌群發育遲緩是兒童哮喘風險顯著增高的原因，在此期間補充特定的微生物將給哮喘高風險兒童帶來潛在的有益影響[12]。例如，嬰兒腸道微生物如雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）、阿克曼菌屬（Akkermansia）和糞便桿菌屬（Faecalibacterium）的發育，不僅與兒童后期抵御特異反應和哮喘發展相關，而且會影響器官和細胞的正常功能發育和生理代謝[13-14]。另有研究表明，在出生后的1個月之前腸道微生物多樣性低下與后期的哮喘發生概率顯著相關，這可能與早期腸道微生物的多樣性可以通過調節輔助性T細胞1/2（Th1/Th2）的平衡來避免哮喘患者氣道炎癥的功能相關[12-15]。
大量臨床及臨床前研究表明，生命早期的哮喘風險還與腸道菌群代謝物有關。生命早期易受外界環境的影響，人體出生后直接與環境相互作用，在之后的幾個小時內，微生物在體表開始定植，此時腸道菌群擴張并產生代謝物，這些代謝物如短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）、色氨酸代謝物給予嬰兒黏膜免疫刺激并促進免疫系統的發育和成熟[16-18]。
1.2 腸道菌群物種的失調與哮喘的關聯性
腸道菌群的失調表現在各物種相對豐度的不平衡，可概括為益生菌數量的減少且致病菌增多。厚壁菌門和擬桿菌門的比值失衡是多種疾病的誘因。例如厚壁菌門的相對豐度顯著下降是哮喘風險增加的原因之一[19]，而擬桿菌門為主的菌群特征則可能會使嬰兒患支氣管炎的風險增加[20]。在屬水平，一項針對嬰兒早期微生物的研究結果顯示，哮喘患兒腸道內的菌群數量是不平衡的，表現為與腸道微生物的成熟相關的毛螺菌屬（Lachnospira）、韋榮氏球菌屬（Veillonella）、羅氏菌屬（Rothia）、糞桿菌屬數量減少，而這些菌群可控制異常的炎癥和免疫反應，說明其豐度的降低可能導致患兒3歲前獲哮喘的風險更高[21]，而在卵清蛋白誘導的哮喘小鼠中接種這四種細菌類群可改善其成年后代的氣道炎癥，驗證了它們在避免哮喘發展方面的重要作用[21]。在另一項研究指出，當糞便樣本中鏈球菌屬（Streptococcus）和擬桿菌屬（Bacteroides）物種相對豐度增加時，兒童發生特異反應和喘息風險的機會更高[22]。
同一菌屬不同菌種的作用可能不同。一項前瞻性出生隊列研究結果顯示，腸道中艱難梭菌（Clostridium difficile）的定植與哮喘風險增加顯著相關[23]。然而，另一項研究顯示小鼠口服柔嫩梭菌（Clostridium leptum）2周后，脾臟和淋巴的調節性T細胞（regulatory T cell，Treg）百分比和總數增加，通過抑制炎癥細胞因子減輕過敏原誘導的氣道高反應性和炎癥[24]。當然這可能也與人和動物的物種界限有關。
1.3 腸道菌群代謝物與哮喘的關聯性
1.3.1 短鏈脂肪酸
腸道菌群產生的代謝物在急慢性疾病的發生發展中起著重要作用，其中SCFA是菌群代謝物的代表，主要包括丁酸鹽、丙酸鹽和乙酸鹽等。SCFA由腸道微生物群通過厭氧發酵膳食纖維產生，可改變包括肺在內的許多器官的免疫活動，從而影響許多肺部疾病的內穩態、易感性和結局[25]。SCFA作為一種免疫調節劑，通過抑制免疫細胞的趨化性和粘附性，調節抗炎細胞因子的表達和免疫細胞的凋亡[26]。SCFA產生于腸道并能通過體循環進入肺組織，通過抑制組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACS）促進Treg、Th1細胞的數量和功能，控制2型先天淋巴樣細胞的增殖和細胞因子的產生，從而減少氣道過度炎癥、AHR及異常免疫反應[27-28]。研究顯示SCFA通過與G蛋白偶聯受體相互作用直接抑制HDACS，從而對哮喘相關的中性粒細胞和嗜酸性粒細胞產生凋亡作用[29]。此外，丙酸鹽還能被肺感知，調節肺白細胞介素1（interleukin-1，IL-1）和脂肪酸受體FFAR2、FFAR3的表達，最終影響肺免疫張力和細胞代謝[30]。最后，Th2細胞介導的過敏性氣道炎癥期間，乙酸和丙酸鹽調節樹突狀細胞造血和骨髓功能，從而促進巨噬細胞和樹突狀祖細胞的產生，這些細胞隨后進入肺部，發育成熟為CD11b+樹突狀細胞，使過敏原激活Th2效應細胞時效率低下，從而啟動機體對過敏性氣道疾病的保護機制[31-32]。
1.3.2 膽汁酸
膽汁酸在肝臟中產生，經腸道細菌進一步修飾而成，其本身又可以影響腸道微生物群落結構。膽汁酸是有效的抗菌劑，與哮喘患者的肺功能有關[33]。膽汁酸可激活G蛋白偶聯受體引起環磷酸腺苷的升高，從而抑制NF?κB介導的促炎因子產生，引起支氣管平滑肌的舒張，從而緩解肥胖型哮喘癥狀[34-35]。一項出生隊列研究結果顯示，人體出生3個月時尿硫酸膽汁酸的變化與1歲時的特異性哮喘有關[21]。此外，在兩項獨立的哥本哈根兒童哮喘前瞻性研究中，哮喘風險增加概率與膽汁酸、色氨酸和苯丙氨酸代謝物豐度降低顯著相關[36]。
1.3.3 色氨酸代謝物
色氨酸代謝物是芳烴受體（aryl hydrocarbon receptor，AHR）的配體，來源于膳食產品和腸道微生物群，是一種有效的免疫調節劑。AHR參與哮喘病理生理過程，在大多數免疫細胞中都有強有力的表達[19]。在小鼠哮喘模型中，AHR的缺失會增強氣道炎癥和重塑[37]。色氨酸代謝在過敏性疾病發生起著重要作用，過敏性哮喘患者血清中色氨酸代謝物明顯降低[38]。此外，色氨酸代謝物有助于調控Th17、Treg分化，起抑制Th17細胞分化而增高Treg的作用，從而達到治療哮喘的目的[39]。
2 腸道菌群影響哮喘的作用機制
2.1 Treg途徑
Treg細胞在免疫穩態尤其是過敏反應中起著至關重要的作用，Treg功能障礙導致免疫系統調節Th2反應的能力崩潰，進而發展為過敏性哮喘[40]。腸道菌群及其代謝物與過敏反應有關，部分原因是它們能夠調節Treg細胞的分化[13]。Treg通過調節轉化生長因子β的產生影響黏膜抗體免疫球蛋白A（immune globulin A，IgA）的含量[41]。IgA調節微生物群，而細菌通過改變其基因表達模式來適應IgA[41]。IgA在宿主抗感染中發揮作用。研究發現，特異性無病原體小鼠具有豐富的IgA，而無菌小鼠則相對缺乏，這表明微生物群是維持宿主IgA功能的重要因素[42]。IgA對黏膜表面的微生物具有選擇作用，IgA與病原菌結合時可將其清除[42]，而有益菌則可以留存在黏膜表面[43]。另有研究顯示，當腸道菌群與IgA結合水平較低時，兒童哮喘風險增加[44]。在健康小鼠中，Treg在黏膜表面引導IgA分泌以排除致病微生物配體，降低由CD4+ T細胞激活而引起的全身炎癥[45]。一項研究結果驗證了腸道菌群的缺失影響Treg功能，即經過抗生素治療的哮喘小鼠體內血清和表面結合IgE顯著增加，同時Treg細胞積累減少，最終加劇氣道炎癥[46]。前面提到，Treg的功能受腸道內細菌厭氧發酵產生的腸道菌群代謝物SCFA調節，而在小鼠飲食中添加SCFAs可逆轉過敏性肺部炎癥[47]。綜上，腸道微生物群與Treg的共生關系可維持免疫啟動過程的穩態，起到阻斷哮喘發展的作用。
2.2 Th17途徑
輔助性T細胞17（T helper cell 17，Th17）炎癥反應是腸肺軸的一個例子，主要反映了源于腸道的免疫反應導致肺部的病理變化[48]。Th17細胞及其分泌的IL-17在哮喘進展中發揮重要作用，通過增加呼吸道上皮來源的中性粒細胞趨化因子的分泌將中性粒細胞募集到氣道[49]。此外，Th17細胞因子還可誘導黏液細胞增生，并對氣道平滑肌產生多效作用，導致氣道狹窄[49]。
腸道菌群在Th17軸的早期發育和調節中起著關鍵作用。現有的許多數據都預示微生物群與Th17的相互影響在哮喘的發展中起關鍵作用。生命早期缺乏雙歧桿菌與全身炎癥和免疫失調有關，在給予雙歧桿菌的母乳喂養嬰兒中，Th2和Th17細胞因子被沉默并誘導IFN-β的產生，因此有利于抑制氣道炎癥[50]。此外，在小鼠中，研究人員將節絲狀菌（segmented filamentous）移植于腸道中，發現其足以誘導Th17的發育，并與炎癥和抗菌防御相關基因的表達增加相關[51]。同樣地，口服乳酸桿菌后，小鼠肺內粒細胞、Th2和Th17炎性細胞因子水平降低，并顯著下調氣道炎癥[52]。延遲新生兒微生物的成熟通過增加Th17數量，促進更嚴重哮喘的發生。一項針對性研究發現，與暴露于過敏原的對照組小鼠相比，延遲的微生物成熟增加了過敏原驅動的氣道高反應性和Th17數量，而阻斷IL-17可逆轉氣道高反應性表型[53]。此外，在經歷微生物成熟延遲的動物中，過敏原暴露后肺中顯示出IL-13和IL-17之間協同信號傳導的跡象[53]。這些研究表明，腸道菌群的擾動有可能影響肺部等遠處部位的炎癥，并強調了它們影響哮喘的潛力。相信隨著對微生物群在Th17發育中所起作用的理解加深，未來有可能開發出針對微生物群的新療法來影響Th17的反應，以預防和治療哮喘。
2.3 NLRP3途徑
NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）炎癥小體促進炎癥細胞募集，調節肺和胃腸道等組織的免疫反應，并參與許多肺和腸道的疾病進程。臨床和實驗證據已經證明NLRP3炎癥小體反應存在于哮喘特別是重度哮喘中。腸道微生物組可通過調節NLRP3炎癥小體反應影響哮喘和其他疾病結局。最近的一項研究表明，腸道細菌病原體霍亂弧菌（Vibrio cholerae）可直接激活NLRP3炎癥小體分泌IL-1β[54]。右旋糖酐硫酸鈉可以導致小鼠患結腸炎，此時IL-1通常被NLRP3募集和激活。然而，無菌小鼠腸道經誘導后未產生IL-1[55]，而用正常小鼠的糞便內容物在體外刺激巨噬細胞卻可以產生IL-1[56]。這些結果表明，缺乏細菌的小鼠細胞減少了炎性體的活化。此外，將正常小鼠的糞便內容物添加到缺乏NLRP3的小鼠分離的巨噬細胞中，不能刺激IL-1的生成[55]。這表明共生腸道細菌在NLRP3炎性小體的激活中很重要，NLRP3炎性小體是微生物組誘導的IL-1反應的關鍵介質。廣泛的研究表明，腸道菌群代謝物促進炎癥小體的激活。例如，微生物源乙酸鹽通過增強NLRP3-IFN信號軸增強宿主抗呼吸道病毒反應[57]，醋酸鹽可下調NLRP3炎性小體的激活，減輕支氣管肺發育不良的新生小鼠的肺損傷[58]。
2.4 恒定自然殺傷T細胞途徑
恒定自然殺傷T細胞（invariant natural killer T，iNKT）與先天和適應性免疫功能密切相關。iNKT細胞通過依賴與非依賴途徑調控外源性過敏原的反應性，影響炎癥因子的分泌，使機體Th1/Th2調節失衡，從而加劇肺部炎癥，誘發過敏性哮喘[59]。在塑造微生物群的同時，iNKT細胞本身也受到微生物群的影響。在缺乏腸道菌群的哮喘動物中，與擁有正常腸道菌群的動物相比，肺中iNKT細胞的相對和絕對數明顯增高，并增加了OVA誘導產生氣道過敏性反應，包括氣道阻力增加，炎癥因子和炎癥細胞的浸潤加劇[60]。將腸道菌群重新引入無菌小鼠可以限制這種炎癥傾向。iNKT細胞上的趨化因子配體Cxcl16在炎癥反應中表達增加，微生物暴露提供了肺組織中Cxcl16基因表達的信號[60]。在另一項研究中，將含有iNKT細胞抗原的鞘脂單胞菌屬（Sphingomonas）引入成年無菌小鼠，恢復了腸道iNKT細胞的成熟和反應性[61]。這表明微生物群、iNKT細胞和哮喘之間存在相關性。雖然iNKT細胞在人類哮喘發病機制中的作用尚未清楚，但動物研究表明，腸道菌群在指導肺部免疫群體分化和功能方面具有潛力。
2.5 TLR途徑
Toll樣受體（Toll-like receptors，TLR）是一個跨膜蛋白受體家族，對先天免疫系統的適當激活至關重要。生命早期微生物群落的變化會影響TLR的激活，從而導致哮喘和過敏發生風險的改變[62]。TLR配體既存在于有益微生物上，也存在于致病微生物上。嬰兒在出生后首次暴露于LPS時，腸上皮細胞對隨后的TLR刺激反應較低，可能是為了促進微生物定植和宿主-微生物的穩態[63]。動物研究顯示，益生菌介導對哮喘的保護機制需要母體TLR信號的傳遞[64]。有學者證明，小鼠母體暴露于不動桿菌屬（Acinetobacter lwoffi）可以保護后代免受過敏性氣道疾病的侵害，但如果受到攻擊的母體存在TLR配體缺陷，則保護作用完全喪失[65]。TLR信號直接調節Treg的發育和激活[66]。由前文可知，Treg對微生物刺激的反應不足可能導致出生后第1年過敏性疾病的風險增加。因此，腸道菌群對TLR的作用間接影響了Treg細胞的發育，從而改變哮喘易感性。類似地，在TLR信號基因缺失的小鼠中，多種腸道微生物組的抗炎作用減弱[67]。這表明TLR介導的共生菌識別對微生物組的一些保護作用至關重要。
3 腸道微生態療法對哮喘的治療與預防
3.1 益生菌
過敏性哮喘與微生物群隨飲食變化的相關性已被廣泛研究，提示口服替代藥物有可能控制哮喘。益生菌被定義為對宿主身體健康產生有益作用的一類活微生物，目前已被許多研究證實對哮喘有良好的治療效果，其藥理機制多數與免疫調節相關。乳酸桿菌屬是目前防治哮喘最有前景的益生菌。研究顯示，給予哮喘小鼠發酵乳桿菌（Lactobacillus fermentum）后，其肺部炎癥因子IL-4、IL-5和IL-13等的水平降低，并通過控制TLR2、TLR4蛋白的表達減輕肺部炎癥浸潤和纖維化的進展[68]。此外，混合乳桿菌［包括唾液乳桿菌（Lactobacillus salivarius）、約氏乳桿菌（Lactobacillus johnsonii）等］同樣對卵清蛋白誘導的過敏性炎癥具有理想的免疫調節作用，其機制與調節腸道微生物群以及叉頭蛋白P3（Forkhead box protein P3，FoxP3）和Treg通過淋巴或血液遷移積累到肺部相關[69]。而哮喘病人服用益生菌后，其體內FoxP3和Treg同樣上升，Th17誘導的炎癥反應受到控制，使得肺活量和呼吸量得以改善[70]。有趣的是，圍產期小鼠口服副干酪乳桿菌（Lactobacillus paracasei）可預防后代的過敏性氣道炎癥[71]。除過敏性哮喘外，益生菌還可能具有治療咳嗽變異性哮喘的能力[72]。值得注意的是，益生菌劑量越高并不一定產生越好的效果，因此需要控制合理的用量[69]。為了預防哮喘，乳酸菌的一般給藥途徑是口服給藥。然而，研究表明雖然口服副干酪乳桿菌對雌性哮喘小鼠具有良好的保護作用，但鼻內給藥效果更顯著[73]。另外兩項研究結果提示，口服鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）可防止雄性小鼠哮喘惡化，但鼻腔給藥對雄性小鼠哮喘癥狀的改善作用不大[74-75]。因此需要更多的研究結果支持益生菌的合理給藥途徑。益生菌和益生元合用還可以通過調節TLR4和NF-κB通路治療過敏性哮喘炎癥[76]。除乳酸桿菌屬外，雙歧桿菌屬、鏈球菌屬、丙酸桿菌屬（Propionibacterium）等也常被用作益生菌改善機體健康[77]。總之，益生菌作為補充劑在干預哮喘方面具有良好的發展前景。
3.2 膳食纖維
膳食纖維是一種復雜的膳食成分，包括碳水化合物聚合物和低聚物，大多數可溶性纖維可以由腸道菌群部分或完全發酵。膳食纖維對宿主免疫系統有直接和間接的影響，如促進上皮屏障，誘導Treg細胞，預防Th2極化和抑制肥大細胞過度分泌，從而預防哮喘的發生[78]。多項研究已經證實了膳食纖維對過敏性哮喘的保護作用。在哮喘小鼠中，接受膳食纖維治療后，表現出更低的嗜酸性氣道炎癥、IgE水平以及Th2相關炎癥介質，同時氣道阻塞和肺功能得到改善[33]。纖維攝入還可以導致免疫調節產前基因表觀遺傳印記。妊娠前和妊娠期間使用膳食纖維飲食干預，可以降低母鼠后代對卵細胞致敏后的急性過敏性反應，改善氣道高反應性，降低肺泡灌洗液的免疫浸潤[79]。此外，在兒童和成人中均發現膳食纖維攝入量與哮喘風險之間存在關聯性。據報道，在出生后的前6個月食用添加膳食纖維的嬰兒配方奶粉的結果與母乳喂養參照組相似，而缺少膳食纖維的奶粉則導致糞便雙歧桿菌和乳酸桿菌數量更少，呼吸系統過敏癥狀也有所增加[80]。另一項研究指出，在患有嚴重哮喘的成人中，膳食纖維攝入量與氣道嗜酸性粒細胞增多和肺功能下降呈負相關[81]。成人攝入膳食纖維還可以調節炎癥反應，降低人群患哮喘的幾率，預防咳嗽、喘息和痰的產生[82]。
4 展望
憑借著組學技術的更新與發展，肺和腸道間的對話機制正不斷被揭曉，與此同時，大量的臨床研究證實腸道菌群在哮喘起因和進展中發揮著重要作用。然而，因人體腸道生態系統的復雜性和易受干擾性，且受限于取樣難度大、實驗設計未統一等因素，使得研究結果難以重現，加大了全面認識肺-腸軸背后機制的難度。因此，關于此領域的研究在未來需進一步挖掘與拓展。此外，腸道微生態療法尚未成熟，難以在短時間成為哮喘治療的主流方法，還需通過大量的研究進一步驗證其科學性和有效性。
總之，需要更好地了解微生物對哮喘產生影響的機制。首先，需要協調臨床或非臨床與科研界的對接，以實現數據的標準化和共享。其次，需要開發更先進的技術手段來正確識別、分離和表征改變哮喘的細菌種類，這將帶來新的方法來研究和控制哮喘中的微生物群。最后，肺-腸軸的相關領域研究應更進一步取得科研人員的興趣與青睞。可以預見的是，腸道菌群的引入將在未來為哮喘的研究和治療帶來突破。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
哮喘是一種慢性疾病，目前全球3億多人受其影響，預計到2025年將增加到4億人。據報道，每年與哮喘相關的死亡人數約25萬例。哮喘的發病機制尚未清楚，目前已確定該病與遺傳、環境、感染和營養等因素有關[1]。哮喘的特征主要是可逆性氣流受限、氣道高反應性、黏液高分泌以及慢性氣道炎癥[2]。腸道菌群約含1 000種微生物，由6~10個主要門和3 000~5 000種組成，質量約1~2 kg[3]，主要由擬桿菌門（Bacteroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、變形菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）四個門類主導。近十年來對人體微生物群的研究證據表明，腸道菌群賦予宿主多種功能，包括機體發育、抵御病原體等，最重要的是，它們還可以通過調節胃腸系統和遠端器官的免疫反應來影響和維持體內穩態，從而在保持機體健康和治療疾病方面發揮重要作用[4]。盡管胃腸道和呼吸道在生理上有所不同，但它們具有共同的胚胎起源和許多結構上的相似性，這就使得兩者可能以多種方式雙向相互作用，此現象即肺-腸軸[5]。肺-腸軸通過免疫系統、微生物及其代謝物相互溝通，實現雙向、互惠的控制。因此，腸道菌群失調可能通過改變免疫、激素和代謝穩態等多種途徑促進肺部疾病的發展[6]。本文綜述了近年來腸道微生物群與哮喘之間的關聯性，探尋兩者之間的病理和生理聯系機制，并對針對腸道微生物組的治療策略進行了總結，旨在更新這一熱門領域的信息和證據，突出通過腸-肺軸治療哮喘的潛力。
1 腸道菌群及其代謝物與哮喘之間的關聯性
1.1 腸道菌群及其代謝物與生命早期哮喘的關聯性
生命早期是腸道微生態系統和免疫系統建立和發展的關鍵時期，此時腸道微生物的失調與增加哮喘和過敏性疾病的風險有關[7]。人類胎兒樹突狀細胞對于有效的免疫和耐受至關重要，它可以遷移到淋巴結并對微生物配體作出反應，以誘導減少子宮內炎癥的發生[8]。最近的研究證據表明，腸道與細菌的初次接觸始于子宮內，主要由數量有限的稀疏菌落定殖，微生物的存在啟動了胎兒免疫系統，如乳酸桿菌屬（Lactobacillus）和葡萄球菌屬（Staphylococcus）可以誘導胎兒淋巴記憶T細胞的激活[9]。另一項研究結果顯示，在人類胎兒腸道樣本中檢測到的黃體微球菌（Micrococcus luteus），與宿主腸道上皮核轉錄因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）蛋白的表達相關，并調節胎兒特異性T細胞的積累，有助于免疫程序的啟動，并誘導γ干擾素（interferon-γ，IFN-γ）的表達[10]。
在生命第2至12個月期間，腸道菌群的成熟為抑制哮喘發生提供了強大的支持作用[11]。因此，腸道菌群發育遲緩是兒童哮喘風險顯著增高的原因，在此期間補充特定的微生物將給哮喘高風險兒童帶來潛在的有益影響[12]。例如，嬰兒腸道微生物如雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）、阿克曼菌屬（Akkermansia）和糞便桿菌屬（Faecalibacterium）的發育，不僅與兒童后期抵御特異反應和哮喘發展相關，而且會影響器官和細胞的正常功能發育和生理代謝[13-14]。另有研究表明，在出生后的1個月之前腸道微生物多樣性低下與后期的哮喘發生概率顯著相關，這可能與早期腸道微生物的多樣性可以通過調節輔助性T細胞1/2（Th1/Th2）的平衡來避免哮喘患者氣道炎癥的功能相關[12-15]。
大量臨床及臨床前研究表明，生命早期的哮喘風險還與腸道菌群代謝物有關。生命早期易受外界環境的影響，人體出生后直接與環境相互作用，在之后的幾個小時內，微生物在體表開始定植，此時腸道菌群擴張并產生代謝物，這些代謝物如短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）、色氨酸代謝物給予嬰兒黏膜免疫刺激并促進免疫系統的發育和成熟[16-18]。
1.2 腸道菌群物種的失調與哮喘的關聯性
腸道菌群的失調表現在各物種相對豐度的不平衡，可概括為益生菌數量的減少且致病菌增多。厚壁菌門和擬桿菌門的比值失衡是多種疾病的誘因。例如厚壁菌門的相對豐度顯著下降是哮喘風險增加的原因之一[19]，而擬桿菌門為主的菌群特征則可能會使嬰兒患支氣管炎的風險增加[20]。在屬水平，一項針對嬰兒早期微生物的研究結果顯示，哮喘患兒腸道內的菌群數量是不平衡的，表現為與腸道微生物的成熟相關的毛螺菌屬（Lachnospira）、韋榮氏球菌屬（Veillonella）、羅氏菌屬（Rothia）、糞桿菌屬數量減少，而這些菌群可控制異常的炎癥和免疫反應，說明其豐度的降低可能導致患兒3歲前獲哮喘的風險更高[21]，而在卵清蛋白誘導的哮喘小鼠中接種這四種細菌類群可改善其成年后代的氣道炎癥，驗證了它們在避免哮喘發展方面的重要作用[21]。在另一項研究指出，當糞便樣本中鏈球菌屬（Streptococcus）和擬桿菌屬（Bacteroides）物種相對豐度增加時，兒童發生特異反應和喘息風險的機會更高[22]。
同一菌屬不同菌種的作用可能不同。一項前瞻性出生隊列研究結果顯示，腸道中艱難梭菌（Clostridium difficile）的定植與哮喘風險增加顯著相關[23]。然而，另一項研究顯示小鼠口服柔嫩梭菌（Clostridium leptum）2周后，脾臟和淋巴的調節性T細胞（regulatory T cell，Treg）百分比和總數增加，通過抑制炎癥細胞因子減輕過敏原誘導的氣道高反應性和炎癥[24]。當然這可能也與人和動物的物種界限有關。
1.3 腸道菌群代謝物與哮喘的關聯性
1.3.1 短鏈脂肪酸
腸道菌群產生的代謝物在急慢性疾病的發生發展中起著重要作用，其中SCFA是菌群代謝物的代表，主要包括丁酸鹽、丙酸鹽和乙酸鹽等。SCFA由腸道微生物群通過厭氧發酵膳食纖維產生，可改變包括肺在內的許多器官的免疫活動，從而影響許多肺部疾病的內穩態、易感性和結局[25]。SCFA作為一種免疫調節劑，通過抑制免疫細胞的趨化性和粘附性，調節抗炎細胞因子的表達和免疫細胞的凋亡[26]。SCFA產生于腸道并能通過體循環進入肺組織，通過抑制組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACS）促進Treg、Th1細胞的數量和功能，控制2型先天淋巴樣細胞的增殖和細胞因子的產生，從而減少氣道過度炎癥、AHR及異常免疫反應[27-28]。研究顯示SCFA通過與G蛋白偶聯受體相互作用直接抑制HDACS，從而對哮喘相關的中性粒細胞和嗜酸性粒細胞產生凋亡作用[29]。此外，丙酸鹽還能被肺感知，調節肺白細胞介素1（interleukin-1，IL-1）和脂肪酸受體FFAR2、FFAR3的表達，最終影響肺免疫張力和細胞代謝[30]。最后，Th2細胞介導的過敏性氣道炎癥期間，乙酸和丙酸鹽調節樹突狀細胞造血和骨髓功能，從而促進巨噬細胞和樹突狀祖細胞的產生，這些細胞隨后進入肺部，發育成熟為CD11b+樹突狀細胞，使過敏原激活Th2效應細胞時效率低下，從而啟動機體對過敏性氣道疾病的保護機制[31-32]。
1.3.2 膽汁酸
膽汁酸在肝臟中產生，經腸道細菌進一步修飾而成，其本身又可以影響腸道微生物群落結構。膽汁酸是有效的抗菌劑，與哮喘患者的肺功能有關[33]。膽汁酸可激活G蛋白偶聯受體引起環磷酸腺苷的升高，從而抑制NF?κB介導的促炎因子產生，引起支氣管平滑肌的舒張，從而緩解肥胖型哮喘癥狀[34-35]。一項出生隊列研究結果顯示，人體出生3個月時尿硫酸膽汁酸的變化與1歲時的特異性哮喘有關[21]。此外，在兩項獨立的哥本哈根兒童哮喘前瞻性研究中，哮喘風險增加概率與膽汁酸、色氨酸和苯丙氨酸代謝物豐度降低顯著相關[36]。
1.3.3 色氨酸代謝物
色氨酸代謝物是芳烴受體（aryl hydrocarbon receptor，AHR）的配體，來源于膳食產品和腸道微生物群，是一種有效的免疫調節劑。AHR參與哮喘病理生理過程，在大多數免疫細胞中都有強有力的表達[19]。在小鼠哮喘模型中，AHR的缺失會增強氣道炎癥和重塑[37]。色氨酸代謝在過敏性疾病發生起著重要作用，過敏性哮喘患者血清中色氨酸代謝物明顯降低[38]。此外，色氨酸代謝物有助于調控Th17、Treg分化，起抑制Th17細胞分化而增高Treg的作用，從而達到治療哮喘的目的[39]。
2 腸道菌群影響哮喘的作用機制
2.1 Treg途徑
Treg細胞在免疫穩態尤其是過敏反應中起著至關重要的作用，Treg功能障礙導致免疫系統調節Th2反應的能力崩潰，進而發展為過敏性哮喘[40]。腸道菌群及其代謝物與過敏反應有關，部分原因是它們能夠調節Treg細胞的分化[13]。Treg通過調節轉化生長因子β的產生影響黏膜抗體免疫球蛋白A（immune globulin A，IgA）的含量[41]。IgA調節微生物群，而細菌通過改變其基因表達模式來適應IgA[41]。IgA在宿主抗感染中發揮作用。研究發現，特異性無病原體小鼠具有豐富的IgA，而無菌小鼠則相對缺乏，這表明微生物群是維持宿主IgA功能的重要因素[42]。IgA對黏膜表面的微生物具有選擇作用，IgA與病原菌結合時可將其清除[42]，而有益菌則可以留存在黏膜表面[43]。另有研究顯示，當腸道菌群與IgA結合水平較低時，兒童哮喘風險增加[44]。在健康小鼠中，Treg在黏膜表面引導IgA分泌以排除致病微生物配體，降低由CD4+ T細胞激活而引起的全身炎癥[45]。一項研究結果驗證了腸道菌群的缺失影響Treg功能，即經過抗生素治療的哮喘小鼠體內血清和表面結合IgE顯著增加，同時Treg細胞積累減少，最終加劇氣道炎癥[46]。前面提到，Treg的功能受腸道內細菌厭氧發酵產生的腸道菌群代謝物SCFA調節，而在小鼠飲食中添加SCFAs可逆轉過敏性肺部炎癥[47]。綜上，腸道微生物群與Treg的共生關系可維持免疫啟動過程的穩態，起到阻斷哮喘發展的作用。
2.2 Th17途徑
輔助性T細胞17（T helper cell 17，Th17）炎癥反應是腸肺軸的一個例子，主要反映了源于腸道的免疫反應導致肺部的病理變化[48]。Th17細胞及其分泌的IL-17在哮喘進展中發揮重要作用，通過增加呼吸道上皮來源的中性粒細胞趨化因子的分泌將中性粒細胞募集到氣道[49]。此外，Th17細胞因子還可誘導黏液細胞增生，并對氣道平滑肌產生多效作用，導致氣道狹窄[49]。
腸道菌群在Th17軸的早期發育和調節中起著關鍵作用。現有的許多數據都預示微生物群與Th17的相互影響在哮喘的發展中起關鍵作用。生命早期缺乏雙歧桿菌與全身炎癥和免疫失調有關，在給予雙歧桿菌的母乳喂養嬰兒中，Th2和Th17細胞因子被沉默并誘導IFN-β的產生，因此有利于抑制氣道炎癥[50]。此外，在小鼠中，研究人員將節絲狀菌（segmented filamentous）移植于腸道中，發現其足以誘導Th17的發育，并與炎癥和抗菌防御相關基因的表達增加相關[51]。同樣地，口服乳酸桿菌后，小鼠肺內粒細胞、Th2和Th17炎性細胞因子水平降低，并顯著下調氣道炎癥[52]。延遲新生兒微生物的成熟通過增加Th17數量，促進更嚴重哮喘的發生。一項針對性研究發現，與暴露于過敏原的對照組小鼠相比，延遲的微生物成熟增加了過敏原驅動的氣道高反應性和Th17數量，而阻斷IL-17可逆轉氣道高反應性表型[53]。此外，在經歷微生物成熟延遲的動物中，過敏原暴露后肺中顯示出IL-13和IL-17之間協同信號傳導的跡象[53]。這些研究表明，腸道菌群的擾動有可能影響肺部等遠處部位的炎癥，并強調了它們影響哮喘的潛力。相信隨著對微生物群在Th17發育中所起作用的理解加深，未來有可能開發出針對微生物群的新療法來影響Th17的反應，以預防和治療哮喘。
2.3 NLRP3途徑
NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）炎癥小體促進炎癥細胞募集，調節肺和胃腸道等組織的免疫反應，并參與許多肺和腸道的疾病進程。臨床和實驗證據已經證明NLRP3炎癥小體反應存在于哮喘特別是重度哮喘中。腸道微生物組可通過調節NLRP3炎癥小體反應影響哮喘和其他疾病結局。最近的一項研究表明，腸道細菌病原體霍亂弧菌（Vibrio cholerae）可直接激活NLRP3炎癥小體分泌IL-1β[54]。右旋糖酐硫酸鈉可以導致小鼠患結腸炎，此時IL-1通常被NLRP3募集和激活。然而，無菌小鼠腸道經誘導后未產生IL-1[55]，而用正常小鼠的糞便內容物在體外刺激巨噬細胞卻可以產生IL-1[56]。這些結果表明，缺乏細菌的小鼠細胞減少了炎性體的活化。此外，將正常小鼠的糞便內容物添加到缺乏NLRP3的小鼠分離的巨噬細胞中，不能刺激IL-1的生成[55]。這表明共生腸道細菌在NLRP3炎性小體的激活中很重要，NLRP3炎性小體是微生物組誘導的IL-1反應的關鍵介質。廣泛的研究表明，腸道菌群代謝物促進炎癥小體的激活。例如，微生物源乙酸鹽通過增強NLRP3-IFN信號軸增強宿主抗呼吸道病毒反應[57]，醋酸鹽可下調NLRP3炎性小體的激活，減輕支氣管肺發育不良的新生小鼠的肺損傷[58]。
2.4 恒定自然殺傷T細胞途徑
恒定自然殺傷T細胞（invariant natural killer T，iNKT）與先天和適應性免疫功能密切相關。iNKT細胞通過依賴與非依賴途徑調控外源性過敏原的反應性，影響炎癥因子的分泌，使機體Th1/Th2調節失衡，從而加劇肺部炎癥，誘發過敏性哮喘[59]。在塑造微生物群的同時，iNKT細胞本身也受到微生物群的影響。在缺乏腸道菌群的哮喘動物中，與擁有正常腸道菌群的動物相比，肺中iNKT細胞的相對和絕對數明顯增高，并增加了OVA誘導產生氣道過敏性反應，包括氣道阻力增加，炎癥因子和炎癥細胞的浸潤加劇[60]。將腸道菌群重新引入無菌小鼠可以限制這種炎癥傾向。iNKT細胞上的趨化因子配體Cxcl16在炎癥反應中表達增加，微生物暴露提供了肺組織中Cxcl16基因表達的信號[60]。在另一項研究中，將含有iNKT細胞抗原的鞘脂單胞菌屬（Sphingomonas）引入成年無菌小鼠，恢復了腸道iNKT細胞的成熟和反應性[61]。這表明微生物群、iNKT細胞和哮喘之間存在相關性。雖然iNKT細胞在人類哮喘發病機制中的作用尚未清楚，但動物研究表明，腸道菌群在指導肺部免疫群體分化和功能方面具有潛力。
2.5 TLR途徑
Toll樣受體（Toll-like receptors，TLR）是一個跨膜蛋白受體家族，對先天免疫系統的適當激活至關重要。生命早期微生物群落的變化會影響TLR的激活，從而導致哮喘和過敏發生風險的改變[62]。TLR配體既存在于有益微生物上，也存在于致病微生物上。嬰兒在出生后首次暴露于LPS時，腸上皮細胞對隨后的TLR刺激反應較低，可能是為了促進微生物定植和宿主-微生物的穩態[63]。動物研究顯示，益生菌介導對哮喘的保護機制需要母體TLR信號的傳遞[64]。有學者證明，小鼠母體暴露于不動桿菌屬（Acinetobacter lwoffi）可以保護后代免受過敏性氣道疾病的侵害，但如果受到攻擊的母體存在TLR配體缺陷，則保護作用完全喪失[65]。TLR信號直接調節Treg的發育和激活[66]。由前文可知，Treg對微生物刺激的反應不足可能導致出生后第1年過敏性疾病的風險增加。因此，腸道菌群對TLR的作用間接影響了Treg細胞的發育，從而改變哮喘易感性。類似地，在TLR信號基因缺失的小鼠中，多種腸道微生物組的抗炎作用減弱[67]。這表明TLR介導的共生菌識別對微生物組的一些保護作用至關重要。
3 腸道微生態療法對哮喘的治療與預防
3.1 益生菌
過敏性哮喘與微生物群隨飲食變化的相關性已被廣泛研究，提示口服替代藥物有可能控制哮喘。益生菌被定義為對宿主身體健康產生有益作用的一類活微生物，目前已被許多研究證實對哮喘有良好的治療效果，其藥理機制多數與免疫調節相關。乳酸桿菌屬是目前防治哮喘最有前景的益生菌。研究顯示，給予哮喘小鼠發酵乳桿菌（Lactobacillus fermentum）后，其肺部炎癥因子IL-4、IL-5和IL-13等的水平降低，并通過控制TLR2、TLR4蛋白的表達減輕肺部炎癥浸潤和纖維化的進展[68]。此外，混合乳桿菌［包括唾液乳桿菌（Lactobacillus salivarius）、約氏乳桿菌（Lactobacillus johnsonii）等］同樣對卵清蛋白誘導的過敏性炎癥具有理想的免疫調節作用，其機制與調節腸道微生物群以及叉頭蛋白P3（Forkhead box protein P3，FoxP3）和Treg通過淋巴或血液遷移積累到肺部相關[69]。而哮喘病人服用益生菌后，其體內FoxP3和Treg同樣上升，Th17誘導的炎癥反應受到控制，使得肺活量和呼吸量得以改善[70]。有趣的是，圍產期小鼠口服副干酪乳桿菌（Lactobacillus paracasei）可預防后代的過敏性氣道炎癥[71]。除過敏性哮喘外，益生菌還可能具有治療咳嗽變異性哮喘的能力[72]。值得注意的是，益生菌劑量越高并不一定產生越好的效果，因此需要控制合理的用量[69]。為了預防哮喘，乳酸菌的一般給藥途徑是口服給藥。然而，研究表明雖然口服副干酪乳桿菌對雌性哮喘小鼠具有良好的保護作用，但鼻內給藥效果更顯著[73]。另外兩項研究結果提示，口服鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）可防止雄性小鼠哮喘惡化，但鼻腔給藥對雄性小鼠哮喘癥狀的改善作用不大[74-75]。因此需要更多的研究結果支持益生菌的合理給藥途徑。益生菌和益生元合用還可以通過調節TLR4和NF-κB通路治療過敏性哮喘炎癥[76]。除乳酸桿菌屬外，雙歧桿菌屬、鏈球菌屬、丙酸桿菌屬（Propionibacterium）等也常被用作益生菌改善機體健康[77]。總之，益生菌作為補充劑在干預哮喘方面具有良好的發展前景。
3.2 膳食纖維
膳食纖維是一種復雜的膳食成分，包括碳水化合物聚合物和低聚物，大多數可溶性纖維可以由腸道菌群部分或完全發酵。膳食纖維對宿主免疫系統有直接和間接的影響，如促進上皮屏障，誘導Treg細胞，預防Th2極化和抑制肥大細胞過度分泌，從而預防哮喘的發生[78]。多項研究已經證實了膳食纖維對過敏性哮喘的保護作用。在哮喘小鼠中，接受膳食纖維治療后，表現出更低的嗜酸性氣道炎癥、IgE水平以及Th2相關炎癥介質，同時氣道阻塞和肺功能得到改善[33]。纖維攝入還可以導致免疫調節產前基因表觀遺傳印記。妊娠前和妊娠期間使用膳食纖維飲食干預，可以降低母鼠后代對卵細胞致敏后的急性過敏性反應，改善氣道高反應性，降低肺泡灌洗液的免疫浸潤[79]。此外，在兒童和成人中均發現膳食纖維攝入量與哮喘風險之間存在關聯性。據報道，在出生后的前6個月食用添加膳食纖維的嬰兒配方奶粉的結果與母乳喂養參照組相似，而缺少膳食纖維的奶粉則導致糞便雙歧桿菌和乳酸桿菌數量更少，呼吸系統過敏癥狀也有所增加[80]。另一項研究指出，在患有嚴重哮喘的成人中，膳食纖維攝入量與氣道嗜酸性粒細胞增多和肺功能下降呈負相關[81]。成人攝入膳食纖維還可以調節炎癥反應，降低人群患哮喘的幾率，預防咳嗽、喘息和痰的產生[82]。
4 展望
憑借著組學技術的更新與發展，肺和腸道間的對話機制正不斷被揭曉，與此同時，大量的臨床研究證實腸道菌群在哮喘起因和進展中發揮著重要作用。然而，因人體腸道生態系統的復雜性和易受干擾性，且受限于取樣難度大、實驗設計未統一等因素，使得研究結果難以重現，加大了全面認識肺-腸軸背后機制的難度。因此，關于此領域的研究在未來需進一步挖掘與拓展。此外，腸道微生態療法尚未成熟，難以在短時間成為哮喘治療的主流方法，還需通過大量的研究進一步驗證其科學性和有效性。
總之，需要更好地了解微生物對哮喘產生影響的機制。首先，需要協調臨床或非臨床與科研界的對接，以實現數據的標準化和共享。其次，需要開發更先進的技術手段來正確識別、分離和表征改變哮喘的細菌種類，這將帶來新的方法來研究和控制哮喘中的微生物群。最后，肺-腸軸的相關領域研究應更進一步取得科研人員的興趣與青睞。可以預見的是，腸道菌群的引入將在未來為哮喘的研究和治療帶來突破。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。