母婴健康系列十一：肠道菌群与婴儿自身免疫性疾病
越来越多的证据表明，许多特应性疾病和自身免疫疾病，包括炎症性肠病、乳糜泻和1型糖尿病等，都与发生在儿童早期的肠道菌群紊乱有关。因此，肠道菌群被认为具有作为疾病诊断生物标志物和疾病活动监测的巨大潜力。肠道微生物的变化往往发生在疾病发生之前，这表明了肠道菌群确实可能在疾病发生过程中发挥重要作用。此外，调节肠道菌群组成的治疗策略可能会影响疾病的发病和自然进程。在过去的几年里，基于肠道微生物的儿童干预研究正在兴起。今天我们一起探讨肠道菌群在儿童自身免疫性疾病和儿童期特应性疾病病因学中的作用。此外，我们将提供一些有关预防性和治疗性肠道菌群干预的现有证据，包括饮食建议、益生菌、益生元和粪菌移植等。
乳糜泻
诊断
乳糜泻是一种发生在小肠的自身免疫性的炎症性疾病，通常由摄入麸质蛋白而引起。乳糜泻在北美、北欧和澳大利亚人群中发病率较高，在我国比较少见。乳糜泻的诊断是基于麸质蛋白依赖的症状、高抗体水平、人类白细胞抗原HLA-DQ2或HLA-DQ8的存在以及十二指肠活检的组织学特征，后者通常需要在全身麻醉下进行上消化道内窥镜检查。当前的指导方针指出，在具有典型临床症状的儿童中，抗2型谷氨酰胺转移酶抗体水平高（至少正常上限的10倍）加上抗肌内膜自身抗体和HLA-DQ2或HLA-DQ8就足够进行诊断，从而可以绕过内窥镜检查的必要性。90%以上的患者为DQ2异二聚体，而其余患者多为HLA-DQ8异二聚体。另一方面，高达40%的正常人群也存在HLA-DQ2或DQ8，这表明除了麸质蛋白以外，其它环境因素也参与了乳糜泻的发生。
肠道菌群与乳糜泻
在过去的几年里，人们发现新生儿感染和复发性轮状病毒感染与乳糜泻的患病率增加相关，因此人们越来越多的将乳糜泻的发病机制与肠道菌群联系在一起。此外，有研究发现乳糜泻与幽门螺杆菌感染呈负相关。肠道共生微生物通过刺激肠道免疫和上皮细胞增殖以及与病原体竞争，在维持肠道屏障功能方面发挥重要作用。肠道菌群与肠道黏膜之间的相互作用是由与激活先天免疫相同的上皮受体调节的，从而激活细胞内的各种级联反应。其中，Toll样受体起着重要作用，它们能够检测和结合特定的肠道共生菌和潜在的病原体。肠道菌群变化可能参与乳糜泻发病的机制是，由于微生物诱导的黏膜屏障损伤可能导致膳食中的麸质蛋白肽向上皮下的淋巴组织的转运增加。通过跨黏膜转运后，麸质蛋白片段与HLA-DQ2或HLA-DQ8分子结合，可能引发 Th1、Th2和Th17辅助T细胞参与的适应性免疫反应，导致促炎细胞因子和乳糜泻相关抗体的产生。肠道细菌通过独特的麸质蛋白代谢模式来调节麸质蛋白肽的免疫原性，从而调节自身免疫的风险。
一些研究集中调查了十二指肠黏膜和粪便中可能参与乳糜泻的病理生理学的细菌物种。不同研究所发现的乳糜泻患者的菌群失调存在较大的差异，比如有的研究发现乳糜泻患者的拟杆菌和变形菌的数量增加，而有的研究没有发现显著差异。由于HLA系统同时影响肠道共生菌和潜在致病菌，因此，在乳糜泻临床发病前肠道菌群组成可能就已经发生了改变。在拥有HLA-DQ2或HLA-DQ8异二聚体的健康婴儿以及至少有一个一级亲属患有乳糜泻的健康婴儿中，与低风险儿童相比，厚壁菌门和变形菌门的丰度增加，放线菌门和双歧杆菌属的细菌物种数量减少。肠道菌群也可能影响乳糜泻的疾病表型。以胃肠道症状为主的乳糜泻患者与以疱疹样皮炎为主的乳糜泻患者的肠道菌群组成不同。
微生物干预
由于乳糜泻患者和健康对照之间的肠道菌群组成存在明显差异，人们提出了针对疾病发生和病程的肠道菌群靶向干预策略，主要涉及益生菌和益生元。大多数动物模型的研究表明，使用益生菌，特别是双歧杆菌和乳酸菌，可以延缓部分患者的发病并改善其临床症状。这些益处是由于益生菌的免疫调节作用以及降低肠道通透性的作用，或者是促进食物中的麸质蛋白提前消化。目前，乳糜泻治疗的基础是终生坚持严格的无麸质饮食。由于乳糜泻的发病机制似乎与肠道菌群失调有关，应用基于肠道菌群干预的策略来预防或延缓疾病的发病可能具有很大的潜力。
炎症性肠病
炎症性肠病是一种慢性、复发性的肠道炎症性疾病，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎。炎症性肠病有7-20%的患者在儿童期就已经出现。近几十年来，儿科炎症性肠病的发病率呈上升趋势，而发病年龄呈下降趋势。上消化道和下消化道内窥镜检查以及黏膜组织活检，仍然是儿科炎症性肠病的最初诊断和随访管理的金标准。
炎症性肠病病因学与肠道菌群
炎症性肠病的发病被认为是遗传风险因素与环境因素之间复杂的相互作用的结果，已有超过160个易感基因位点被描述，而肠道菌群被认为是环境因素的重要组成部分。无菌动物只有在重新定植肠道细菌后才会发生结肠炎，而在无菌环境中饲养时则不会发生结肠炎，表明肠道细菌是结肠炎发生不可缺少的。利用益生菌和粪菌移植作为炎症性肠病的治疗策略也证实了肠道菌群在炎症性肠病病因学中的作用。
有多种病理生理学机制可以解释肠道菌群在炎症性肠病发病中的作用。病原体的过度生长可能增加黏膜通透性，引起致病性的免疫反应。这会刺激致病性的先天性和T细胞免疫反应，引发炎症级联反应，最终导致炎症性肠病的发生。分泌型IgA的产生减少也会导致细菌过度生长，并可能引发炎症级联反应。调节T细胞缺陷导致白介素-10和转化生长因子-β的分泌减少以及对细菌抗原的免疫耐受降低。这些免疫途径不是由单一病原体引起的，而是由一个关键的微生物组合引起的，这些关键微生物可能会破坏整体肠道菌群的平衡。
炎症性肠病与肠道菌群组成
对儿科炎症性肠病患者的粪便样本和结肠活检中菌群组成分析发现，细菌多样性降低，肠道黏膜粘附性微生物增加，特定的细菌群落发生改变。迄今为止，最大规模的对儿科克罗恩病患者进行的肠道菌群研究表明，儿科克罗恩病患者的肠道菌群与健康对照显著不同。能够将患者与健康对照区分开来的最常见的细菌群落包括肠杆菌科、巴斯德菌科、韦荣球菌科、奈瑟氏菌科和梭杆菌科。抗生素会强烈地影响肠道菌群的组成，通常会放大这种菌群差异。一些研究发现，克罗恩病相关的菌群失调特征是普氏栖粪杆菌丰度降低，这是一种具有抗炎作用的细菌，被认为是健康状态的生物标志物。然而，普氏栖粪杆菌的保护作用也存在一定争议，因为普氏栖粪杆菌的丰度减少与儿科克罗恩病的疾病活性的改善有关。与克罗恩病相似，儿科溃疡性结肠炎与健康对照之间也存在显著的菌群差异。这些差异在严重的、类皮质激素难治性病例中更大，表明疾病严重程度与菌群的改变程度之间存在着相关性。溃疡性结肠炎儿童和克罗恩病儿童的菌群比较发现，克罗恩病患者的脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）、多枝梭菌（Clostridium ramosum）和柱状真杆菌（Eubacterium cylindroides）丰度增加，而溃疡性结肠炎与普氏栖粪杆菌（F. prauznitzii）和华德萨特氏菌（Sutterella wadsworthia）水平增加有关。肠道炎症与微生物多样性呈负相关。此外，一组特定的细菌丰度似乎可以预测患者对抗肿瘤坏死因子α单克隆抗体治疗的反应。所以，肠道菌群组成在炎症性肠病的早期诊断和疾病活性追踪，甚至在预测治疗反应方面具有很大的潜力。
肠道菌群靶向治疗
肠道菌群组成的差异可能导致宿主对这些微生物的免疫反应异常，进而导致炎症的发生。因此，利用饮食干预、益生菌、益生元和粪菌移植等以肠道菌群为靶点的干预措施可能具有治疗炎症性肠病的潜力。
① 全肠内营养
儿科克罗恩病的首选治疗包括6至8周的全肠内营养。全肠内营养的作用机制尚不明确，但是它对肠道菌群组成和粪便代谢活性有着广泛的影响。然而，到目前为止，还不能确定全肠内营养导致的肠道菌群改变与疾病活性改善之间的因果关系。全肠内营养干预期间，克罗恩病患者的肠道菌群比健康对照具有更广泛的功能活性，参与膜转运、硫还原和营养物质生物合成的基因在患者和健康对照之间明显不同。全肠内营养干预期间，参与生物素和硫胺素生物合成的基因丰度降低，而参与亚精胺/腐胺生物合成或莽草酸途径的基因增加。使用全肠内营养干预对克罗恩病的改善作用可能与肠道菌群的组成和功能活性的调节有关。
② 益生菌
许多研究调查了益生菌对炎症性肠病的改善作用，这些研究中单一菌株的益生菌主要集中在非致病性的大肠杆菌Nissle、罗伊氏乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和布拉酵母菌等，而多菌株的益生菌主要使用的VSL#3，由4株乳酸菌、3株双歧杆菌和1株链球菌组成。研究表明，益生菌有助于疾病的缓解。益生菌结合标准治疗可以显著提高疾病的缓解率，降低疾病的复发率。
③ 益生元
大多数关于益生元对炎症性肠病的改善作用的研究是在动物模型中进行的，人类研究数据非常有限，儿童人群的数据就更少了。总的来说，益生元具有治疗炎症性肠病的潜力，但是还需要更大规模的研究证据支持。
④ 粪菌移植
粪菌移植是炎症性肠病相对新颖的一种肠道菌群靶向治疗策略，从理论上说，粪菌移植可以恢复肠道菌群的健康稳态。粪菌移植已经成功地应用于治疗成人或儿童的慢性艰难梭菌感染。一些小规模的观察性研究表明，粪菌移植对活动性的儿科炎症性肠病患者具有良好的耐受性。然而，不同的研究发现粪菌移植的疗效不同，有的研究发现粪菌移植后患者的疾病活性评分显著改善，而有的研究则没有观察到明显的临床和生化方面的改善。在未来，深入了解肠道菌群在引发疾病发病中的作用并确定肠道菌群组成是否可以预测疾病风险和患者对治疗的反应，这将有助于炎症性肠病新的诊断和治疗方法的发展。
1型糖尿病
1型糖尿病是一种自身免疫性疾病，是细胞介导的人体胰岛分泌胰岛素的β细胞的损伤引起的，导致胰岛素分泌不足。1型糖尿病的发病率逐年增长，其中5岁以下儿童的发病率增幅最大。尽管2型糖尿病在儿童和青少年人群中的诊断越来越多，但是1型糖尿病仍是这一人群中最常见的糖尿病类型。
病因学
1型糖尿病被认为是由遗传易感性和很多未知的环境因素共同作用的结果。1型糖尿病的发病率上升与社会经济和卫生标准的提高是一致的。日托、兄弟姐妹同住一间卧室、出生后第一年与宠物狗接触等都与患1型糖尿病的风险降低有关，因为这会增加与微生物接触的机会；而早期频繁使用抗生素似乎会增加患1型糖尿病的风险。因此，1型糖尿病的病因学与肠道微生物的定植变化有关。1型糖尿病患者肠道菌群的改变可能诱导肠道通透性增加，进而导致异常的免疫反应，破坏胰腺细胞。此外，从功能角度来看，1型糖尿病儿童的肠道菌群也发生了变化，产丁酸和降解黏蛋白的细菌较少，而产丁酸以外的其它短链脂肪酸的细菌较多。微生物诱导丁酸产生似乎与调节肠道通透性有关，丁酸刺激紧密连接的功能，从而防止自身免疫性疾病的发生，包括1型糖尿病。
肠道菌群与治疗
虽然肠道菌群在1型糖尿病发病中的作用越来越被认可，但是迄今为止，以肠道菌群为靶点，旨在控制人类1型糖尿病的发病和进程的干预措施仍然缺乏。在遗传易感的1型糖尿病动物模型中，调节肠道菌群可以为胰岛自身免疫提供保护作用，这表明以肠道菌群为靶点的治疗策略对于遗传风险高的个体具有预防干预的潜力。
特应性疾病
过敏进行曲（Allergic march）
特应性疾病主要包括特应性皮炎、过敏性鼻炎以及哮喘等，属于遗传过敏性疾病，即过敏性体质对环境中常见抗原产生IgE类抗体应答的倾向性，是特应性疾病的发病基础。所谓“过敏进行曲”是指生命进程中过敏性疾病的发展过程，随着年龄的变化会逐渐出现不同的表型。比如，婴儿出生后的最初几个月常常会出现湿疹，随之而来的是食物过敏，到儿童期可能发展成哮喘和过敏性鼻炎等。
病因学与肠道菌群
除了遗传因素外，微生物对免疫系统的刺激也会改变机体对过敏原的耐受性，特别是肠道微生物在其中发挥关键作用，因为它们参与维持Th1和Th2细胞反应之间的平衡，这对于免疫耐受性的发育至关重要。婴儿期肠道微生物的不恰当定植会破坏这种平衡，引发以Th2为主导的免疫反应。肠道菌群也参与调节上皮Toll样受体信号通路，这是参与肠腔内菌群识别的信号通路。肠道菌群的定植除了影响局部免疫以外，还有具有系统免疫调节作用。
肠道菌群与环境因素
在过去的几十年里，特应性疾病已经达到了流行病的程度，主要发生在西方国家。这种发病率的急剧上升，至少在一定程度上可以用“卫生假说”来解释，即婴儿的生活环境过度清洁，减少感染性刺激的数量，从而对免疫系统的发育产生负面影响。分娩方式、饮食、抗生素使用、接触动物以及周围环境等因素都会影响特应性疾病的风险。
剖宫产与哮喘和过敏性鼻炎的风险增加有关，其原因是肠道菌群定植受到干扰，主要表现为出生后的头两年内肠道菌群多样性降低、拟杆菌门细菌的定植延迟以及血清Th1趋化因子水平降低。
新生儿喂养方式会明显影响婴儿早期肠道菌群组成。母乳喂养被认为可以预防儿童早期的喘息和湿疹，但没有证据表明它可以预防儿童时期食物或呼吸道过敏和过敏性皮炎的发生。
过去几十年里，哮喘患病率的增加与抗生素使用的急剧增加同时发生，因此人们也认为它们之间可能存在因果关系。一些研究对早期使用广谱抗生素与儿童期特应性疾病和哮喘的发生之间的关系进行了评估，大多数研究发现两者之间存在着联系，早期抗生素的使用会增加儿童期特应性疾病和哮喘的风险。然而，儿童早期抗生素的使用主要是用于对抗呼吸道感染，因此也有人提出异议，认为研究所观察到的早期抗生素使用和哮喘发生之间的联系可能是由于某些干扰因素的存在，比如呼吸道感染。
生命早期生活在农场环境或接触宠物也可以导致肠道菌群更加多样化。发达国家的研究报道发现，早期生活在农场或接触宠物对儿童后期哮喘和过敏性鼻炎的发生具有保护作用。另一项研究证实，富裕国家确实存在这种效应，然而在贫穷落后国家，怀孕期间和出生后第一年接触农场动物反而会增加哮喘、鼻炎和湿疹的风险。
特应性疾病的肠道菌群组成
一些研究表明，在生命的头100天内，栖粪杆菌属、毛螺菌属、韦荣球菌属和罗斯氏菌属细菌丰度的降低与特应性疾病的发生有关，而新生儿肠道中双歧杆菌的缺乏似乎也会增加生命头五年里特应性疾病的风险。这表明，新生儿肠道菌群定植不当可能为儿童后期发生过敏性疾病和哮喘的发生奠定基础。
肠道菌群调节
许多益生菌和益生元已被用于调节具有特应性疾病风险的儿童的肠道菌群，并且表现出潜在的预防和治疗潜力。未来的研究需要使用不同的益生菌组合，旨在控制儿童特应性疾病的发病和自然进程，以制定肠道菌群调节指南。此外，一些环境因素也与肠道菌群失衡有关，比如分娩方式、饮食习惯、抗生素使用和接触宠物等，并可能在特应性疾病的病因学中发挥作用。我们还需要对这些环境因素与特应性疾病的发生之间的关系有更多的了解，这将有助于在未来制定特应性疾病的生活方式干预建议。