知几Selection是知几未来研究院学术栏目为您精选人体微生态领域的重磅文献研究名称：Gut Microbiota as a Target for Preventive and Therapeutic Intervention against FoodAllergy期刊：Nutrients发表时间：2017年DOI 10.3390/nu9070672Abstract 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. 关键词 牛奶过敏、饮食、免疫耐受、生态失调、益生菌、短链脂肪酸、丁酸盐 1. 前言 过去的几十年里，食物过敏的流行病学模式逐渐发生变化，表现在其患病率逐年增加、临床表现严重程度不断加重，并且过敏症状持续到晚年的风险也在增加。家族过敏史、种族身份、过敏性皮炎和相关遗传多态性均与食物过敏发展有关。 虽然遗传因素可能导致个体食物过敏的易感性增加，但却无法解释流行病学在短期内的变化，这说明环境因素促使了食物过敏的发生。机体丧失免疫耐受后，食物过敏症状便会发生，进而导致过敏反应和疾病继发性的表现和进展。 机体最初接触食物过敏原主要是通过胃肠道或皮肤。受损的皮肤屏障可增加抗原经皮传输量，进而导致过敏。研究已证实，过敏性皮炎的早期发作与食物过敏之间具有相关性。 在胃肠道中，影响免疫耐受的两个主要因素是饮食和微生物群的组成及功能。Kim等人的研究表明，在正常生理条件下，食物中的大分子可以诱导大量的调节性T细胞增殖，调节性T细胞对于抑制对食物抗原的默认免疫反应至关重要。 观察性研究表明，生命早期食用花生、鸡蛋或牛奶可阻止机体对这些食物过敏的发生。一项随机对照试验(早期了解花生过敏，Learning Early about Peanut Allergy, LEAP)表明，对于患有严重湿疹、鸡蛋过敏或两者兼有的高风险婴儿，如果在其生命早期食用花生，可使其5岁时对花生过敏的发生率降低80％。花生口服耐受的持久性（简称LEAP-On）研究表明，这些受试者会免于过敏反应。 肠道微生物群是指寄居在肠腔内的数万亿微生物，并且越来越多的证据表明，生命早期微生物接触模式的改变（菌群失调），可对免疫系统发育产生负面影响，进而导致食物过敏。因此，肠道微生物群可以认为是预防和治疗食物过敏的潜在靶标。 最新研究也报道了干预肠道微生物群对食物过敏的疗效。本综述回顾了肠道微生物群作为预防食物过敏的潜在目标的相关研究。 2. 微生物接触对免疫耐受形成的重要性 免疫耐受是免疫系统对可能引起免疫反应的物质或组织无反应的状态。耐受主要是通过中枢耐受机制和外周耐受机制实现。免疫耐受形成所涉及的确切机制尚未完全确定。目前证据表明，肠道微生物群及其代谢产物(主要是短链脂肪酸)，以及生命早期接触的饮食因素对食物抗原免疫耐受的建立有重要影响。无菌小鼠无法实现对食物抗原的免疫耐受。 新生儿时期，肠道微生物群的繁殖与免疫系统的建立同步进行。在阴道分娩过程中，婴儿从母体阴道、皮肤组织和粪便中接受第一次细菌接种，使新生儿不成熟的免疫系统暴露在大量的细菌负荷之下。 生命早期的健康肠道微生物群的成熟导致辅助性T2细胞/ 辅助性T1细胞平衡的改变，并趋向于辅助性T1细胞反应。而菌群失调会改变宿主微生物群稳态，并导致辅助性T1细胞 / 辅助性T2细胞因子平衡向辅助性T2细胞反应转变。肠道微生物诱导调节性T细胞活化，而无菌小鼠正缺少这种调节性T细胞。 在正常生理条件下，通过饮食获得的大分子可诱导小肠固有层调节性T细胞增殖，这对于抑制对机体食物抗原的默认强免疫反应至关重要。因此，可能需要同时存在饮食诱导的调节性T细胞群和微生物群诱导的调节性T细胞群以完成对食物抗原的完全耐受。 肠腔免疫耐受系统: 生命早期微生物群与肠道免疫系统的相互作用。免疫耐受系统主要由不同组分的调节活性组成: 肠道微生物群（若无肠道微生物群，则口服耐受根本无法实现）；饮食因素（主要是膳食肽，因为氨基酸不能驱动免疫耐受）；上皮细胞；树突细胞和调节性T细胞。食物抗原和肠道微生物群构成了肠道内大部分的抗原负载. CX3CR1 +细胞(可能是巨噬细胞)在肠上皮细胞之间扩展树突，在肠腔内收集抗原样本，并通过缝隙连接将捕获的抗原转移到CD103 + CCR7 +树突细胞中。这部分树突状细胞子集从固有层迁移到引流淋巴结，其中树突细胞表达了转化生长因子-β、视黄酸、白细胞介素-10及吲哚胺2,3-双加氧酶，从而诱导CD4 + T细胞分化成调节性T细胞。巨噬细胞也会分泌白细胞介素-10，引导调节性T细胞增殖。调节性T细胞表达整合素α4β7，导致其在肠道聚集抑制免疫反应。CD103 加树突细胞也可以通过M细胞介导的转胞吞作用或通过M细胞的胞外孔延伸过程来取样穿过上皮屏障的抗原。最近的证据表明，调节性B细胞在由toll样受体识别的微生物因子刺激后对激活调节性T细胞的作用。表达食物过敏原特异性抗体的B细胞克隆借助于滤泡性T辅助细胞可能在次级淋巴器官发生同型转换。食物耐受性与IgA有关。广义来讲，肠内容物与免疫和非免疫细胞之间的复杂相互作用，创造了一种有利于通过诱导IgA抗体和调节性T细胞的耐受性的环境，使其产生的白细胞介素-10。白细胞介素-10是对诱导对食物抗原的耐受性至关重要的分子。 最近的研究结果还显示，新生儿肠道微生物群失调可促进与过敏相关的CD4 +T细胞功能障碍[29]，且机体与微生物群的相互作用呈现年龄敏感性。鉴于肠道微生物群与食物过敏结果之间的年龄相关性，生命早期可能是干预的关键时期。 3. 引起食物过敏的肠道微生物群 流行病学研究已经证实，在生命早期破坏微生物群的因素与生命后期的免疫和代谢状况之间的相关性。诸如剖腹产、母乳不足、药物使用（主要是抗生素和胃酸抑制剂）、防腐剂和低纤维/高脂肪饮食等多种因素均会引发食物过敏症状。 研究显示，抗菌药物的使用与食物过敏的增加具有相关性。新生儿抗生素治疗降低了粪便和回肠样本中的微生物多样性和细菌负荷，并增强了其对食物过敏原的敏感性。即使生命早期接触低剂量的抗生素也会对代谢和免疫反应产生长期的影响。孕妇在怀孕前和怀孕期间使用抗生素，以及新生儿初期使用抗生素均与婴儿患牛奶过敏的风险增加有关。 由于多种环境刺激都可显著影响肠道微生物群的组成，因此针对食物过敏患者微生物群特征的研究还处于初级阶段。尽管目前有确切的证据表明肠道菌群失调与食物过敏之间存在某种关联，但由于实验设计的异质性使得很难在特定菌群与过敏发展之间建立起明确的相关性。这些实验异质性包括取样时间点、用于表征微生物群的方法，以及过敏表型的不同。为了更好地识别与食物过敏出现相关的微生物群变化，我们需要对表型良好的出生队列进行长期随访研究。 首次使用细菌培养的研究表明，对牛奶过敏的婴儿体内存有更高的细菌总数和厌氧菌数量。以三组18个月大的欧洲婴儿为研究对象，研究结果表明培养细菌与食物敏化之间并无关联。Kendler等人发现，可培养的肠道细菌与牛奶、鸡蛋、花生和榛子等食物敏化之间没有关联。 与传统的培养方法相比，利用焦磷酸测序技术可以识别80%的肠道细菌，揭示了肠道微生物群的高度复杂性和多样性。最新的研究表明，在发生食物过敏之前，肠道菌群会优先失调。而且生命早期的影响会影响继发性食物过敏疾病的发生。 Nakayama等人对过敏和非过敏婴儿的粪便细菌组成进行了分析，并将肠道菌群组成的变化与生命后期过敏的易敏性联系起来。经过他们研究发现，相对于非过敏组婴儿，过敏组婴儿在出生1个月时的拟杆菌属（Bacteroides）和出生2个月时的丙酸杆菌属（Propionibacterium）和克雷伯菌属（Klebsiella）较为丰富，并且过敏组婴儿在出生1个月时的不动杆菌属（Acinetobacter）和梭菌属（Clostridium）相对较少。同时除克雷伯菌属外，过敏组婴儿在出生1个月时的总变形菌门（Proteobacteria）相对丰度明显低于非过敏组婴儿。具有高度定植拟杆菌属和/或克雷伯菌属的过敏婴儿在主要系统型中梭菌属定植较少，说明肠道中这些细菌群之间存在拮抗作用。拟杆菌科细菌在低pH条件下对短链脂肪酸相对敏感，这表明拮抗作用是由梭菌产生的短链脂肪酸引起的。 Azad等人发现，在婴儿期肠道菌群丰度较低的情况下，肠杆菌科/拟杆菌科（Enterobacteriaceae/Bacteroidaceae）比值的增加和瘤胃球菌科(Ruminococcaceae，梭状芽胞杆菌类)的低丰度与继发食物敏化有关，说明早期肠道菌群失调与继发食物过敏发生相关。通过观察发现，过敏患者肠道微生物群多样性较低，并伴有梭状芽胞杆菌减少和拟杆菌增多的现象。 此外，横断面研究还比较了食物过敏的肠道微生物组成。采用16 S rRNA测序方法，评估粪便微生物组成以确定食物过敏婴儿（以17例患有IgE介导的食物过敏婴儿， 17例非IgE介导食物过敏婴儿对研究对象）和45例健康婴儿对照组之间的差异。实验结果表明两组间的微生物多样性并没有差异。当婴儿产生IgE介导的食物过敏症状时，其体内的狭义的梭菌属（Clostridium sensu stricto，严格的厌氧芽孢杆菌）和厌氧杆菌属（梭菌纲）含量增高，拟杆菌和XVIII型梭状芽胞杆菌含量降低。因此，严格的厌氧芽孢杆菌（Clostridium sensu stricto）含量也与IgE水平相关。 Chen等人的研究表明，与健康婴儿对照组相比，生命早期换食物过敏的婴儿的粪便微生物群发生了改变，并且体内的微生物群多样性降低。与健康婴儿对照组相比，食物过敏婴儿的拟杆菌门数量明显减少，但其厚壁菌门（Firmicutes）数量增加较为显著。食物过敏婴儿体内差异最大的类群为IV型梭状芽胞杆菌（Clostridium IV）和罕见小球菌属(Subdoligranulum，梭菌纲)丰度增加，拟杆菌属和韦荣氏球菌属 (梭菌纲) 丰度减少。 新近观察获得，婴幼儿体内的梭菌纲和厚壁菌门类群丰度较高时，发生牛奶过敏症状相对较轻。因此，梭状芽孢杆菌某些亚类群的低丰度可能与食物过敏的发生有关。梭状芽孢杆菌已成为最大的细菌属之一，目前约有100多种亚群。有些梭状芽孢杆菌属具有致病性；而大多数梭状芽孢杆菌与宿主是共生关系 与此观点一致的是，Atarashi等人的一项关键研究表明，肠道微生物群的孢子形成成分，特别是梭状芽孢杆菌属的IV类群和XIVa类群，会促进了结肠粘膜中的调节性T细胞的增殖。通过采用特定的混合梭状芽胞杆菌菌株在小鼠体内定殖的方式，使小鼠体内形成富含TGF-β的环境，并影响其结肠中调节性T细胞表达Foxp3转录因子的数量和功能。Foxp3 和调节性T细胞一起在口服耐受中扮演着重要作用。在随后的研究中，Atarashi等人从人类粪便样本中分离出17株XIVa、IV和XVIII型梭状芽胞杆菌簇内的菌株，并证明这些菌株影响小鼠结肠中调节性T细胞的分化、聚集和功能。 4. 对引起食物过敏的肠道微生物群的调节 微生物群靶向治疗作为一级预防手段，对于降低过敏的发病率具有重要意义。接触过农场环境的婴幼儿的过敏易感性相对较低。尽管还没有明确的证据能够证明这一点，但微生物群的作用似乎可以解释生命早期农场生活的保护作用。主要是因为相对于其他生活方式的个体，与农场环境接触过的个体含有不同的微生物组成成分。 预防食物过敏的其他流行病学因素也包括在生命早期与哥哥姐姐和宠物的接触。饲养宠物与家庭环境中的微生物多样性有一定关系。 最近的一项研究考察了饮食模式对两岁幼儿食物过敏发生的影响，该研究表明，饮食习惯通过改变肠道微生物群的组成来影响食物过敏的易感性。在新生儿时期，母乳为新生儿提供了各种好处。富含低聚糖的母乳有利于产生短链脂肪酸的双歧杆菌的定殖。母乳为婴儿提供了共生细菌的初始来源，在肠道微生物群的成熟过程中起着至关重要的作用。最近已经证实，母乳中较高水平的TGF-β2与多种细菌的相对丰度增加有关，比如，链球菌科和瘤胃球菌科类群以及较低丰度的不同葡萄球菌分类群。 饮食是最能显著改变肠道微生物群的一种干预手段，除了可以引入新物种或细菌基因，还可以调节肠道现有群落的微生物丰度。研究还发现，如果婴儿饮食中含有较多的水果、蔬菜和家庭自制食品均可减少食物过敏的易感性。高纤维饮食有利于发酵膳食纤维的细菌的生长，如双歧杆菌和乳酸菌，进而增加血清中短链脂肪酸含量。新生儿益生菌补充研究暂时无法证明益生菌对食物过敏有直接影响，但其对湿疹等其他过敏症状有积极效果。 与微生物接触有关的环境和生活方式及其对发生食物过敏风险的假定影响 益生菌是为宿主提供健康益处的摄入型微生物，可通过改变微生物群发挥作用。世界过敏组织最近发布的《过敏性疾病预防指南》指出，使用益生菌预防有过敏性疾病家族史的婴幼儿湿疹可能有好处，但相关证据质量很低。使用益生菌对抗过敏的最重要因素是其对免疫系统的影响具有菌株特异性。因此，对所选菌株的研究结果不适用于其他益生菌菌株。 以所选菌株鼠李糖乳杆菌GG株为例，其可以降低婴儿湿疹的风险，通过孕晚期、哺乳期服用益生菌，或者婴儿直接服用。而目前对益生菌治疗食物过敏的有效性的研究，却得到了相互矛盾的结果。最近的研究表明，辅以益生菌鼠李糖乳杆菌CGMCC 1.3724菌株的口服免疫疗法能够使82%的花生过敏婴幼儿的易感性降低。 在一项随机、双盲、安慰剂对照的研究中，连续12个月对患有牛奶过敏的婴幼儿给予干酪乳杆菌CRL431和双歧杆菌Bb12并未影响其获得牛奶耐受性。相比之下，我们在不同的研究中证明，含有鼠李糖乳杆菌GG的广泛水解酪蛋白配方能够加速婴幼儿对牛奶耐受性的获得，并降低其他过敏症状的发生率。研究还显示，服用含有益生菌的水解酪蛋白配方奶粉的婴儿粪便微生物群中，丁酸盐的丰度和粪便丁酸盐浓度的增加之间呈现正相关性。 丁酸盐的作用机制是多种多样的，但其中许多均涉及表观遗传调控，通过抑制组蛋白脱乙酰酶调控基因表达。组蛋白脱乙酰酶 9和组蛋白脱乙酰酶 6的抑制增加了FoxP3基因的表达，并抑制了调节性T细胞的功能。利用启动子区域甲基化水平的显著差异方法，我们证明了使用广泛水解酪蛋白配方和鼠李糖乳杆菌GG株能够诱导辅助性T1细胞和辅助性T2细胞因子基因呈现较强的表观遗传学调控。 与其他饮食策略治疗的婴幼儿相比，使用广泛水解酪蛋白配方和鼠李糖乳杆菌GG株治疗的婴幼儿体内的FoxP3 调节性T细胞特异性去甲基化区域的去甲基化和表达相对较高。这些研究结果更加确定地表明，干预肠道微生物群的组成和功能可以对食物过敏患儿产生长期的保护作用。 5. 结论 对于肠道微生物群在食物过敏发生的作用，我们的认识也在不断加深。但仍需进行更多更大型的研究，比如选用具有同质设计的纵向出生队列研究为对象，以证明是否存在与食物过敏有关的特定菌群失调特征。 此外，需要更大规模的介入试验来评估不同的益生菌菌株在调节肠道菌群组成和功能方面的作用。将这些研究结果与表观遗传和代谢组数据相结合，有助于开发靶向微生物群的新疗法，以预防和管理食物过敏。 【声明】 本译文的原文作者以及其他相关信息已经在相关位置明确说明。 原文以及本译文的全部知识产权仅归原作者以及原文出版机构所有。 知几未来研究院仅为自身学习、研究、交流为目的进行试翻译，仅供科研使用，不用于任何商业用途。若本译文侵犯任何主体的知识产权或其他权益，请速通过公众号留言联系我们，我们将尽快处理。 任何主体使用本译文，应仔细阅读并知晓上述事宜，我方对任何主体使用本译文的行为不承担任何责任。 |
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