短鏈脂肪酸與食物過(guò)敏的腸道黏膜免疫

李心悅綜述 李在玲審校

北京大學(xué)第三醫(yī)院兒科（北京 100191）

食物過(guò)敏（food allergy，F(xiàn)A）定義為暴露于某種食物后可重復(fù)發(fā)生的，由特異性免疫反應(yīng)引起的組織結(jié)構(gòu)和功能的紊亂[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，受食物過(guò)敏影響的人群高達(dá)10%[2]。而世界范圍內(nèi)兒童食物過(guò)敏的患病率就高達(dá)4%～6%[3]。美國(guó)的調(diào)查顯示18歲以下兒童食物過(guò)敏的患病率為8.0%[4]。我國(guó)南方12月齡以下嬰兒牛奶蛋白過(guò)敏的患病率為2.69%[5]。成都市24月齡以下嬰幼兒食物過(guò)敏的患病率為8.8%[6]。因此，食物過(guò)敏為世界性的健康問(wèn)題，不僅可以發(fā)生在各個(gè)年齡階段，嚴(yán)重的食物過(guò)敏還會(huì)對(duì)兒童的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響[7]。

食物過(guò)敏可以由IgE或非IgE介導(dǎo)，以及IgE和非IgE 共同介導(dǎo)。臨床上以IgE 介導(dǎo)的速發(fā)型過(guò)敏反應(yīng)多見(jiàn)，對(duì)人體產(chǎn)生多系統(tǒng)損害，皮膚和消化系統(tǒng)最常被累及，嚴(yán)重過(guò)敏反應(yīng)可累及呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)，甚至危及生命[1]?？偟膩?lái)說(shuō)，導(dǎo)致各種食物過(guò)敏的共同機(jī)制是人體正常的免疫耐受機(jī)制不能建立，即腸道黏膜免疫系統(tǒng)對(duì)食物抗原的沉默反應(yīng)發(fā)生偏移，轉(zhuǎn)為攻擊反應(yīng)。發(fā)生這種偏移的原因尚不明確，除了與個(gè)體遺傳因素密切相關(guān)以外，還可能與腸道物理、化學(xué)屏障損傷，抗原暴露，腸道微生態(tài)失衡及其之間的相互作用有關(guān)[8]。腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物作用十分廣泛，而且越來(lái)越多的研究表明其對(duì)腸道甚至全身免疫功能及穩(wěn)態(tài)具有重要的調(diào)節(jié)作用[9]。本文對(duì)腸道微生物代謝產(chǎn)物——短鏈脂肪酸（short chain fatty acids,SCFAs）與食物過(guò)敏的聯(lián)系，及其在食物過(guò)敏時(shí)腸道黏膜免疫反應(yīng)中的作用及研究進(jìn)展作一綜述。

1 食物過(guò)敏的腸道黏膜免疫機(jī)制

食物過(guò)敏是免疫耐受的偏移。食物免疫耐受的建立是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要抗原遞呈細(xì)胞參與，在腸道中主要是CD103＋樹(shù)突細(xì)胞（dendritic cells，DCs）[10]?？乖f呈細(xì)胞將食物抗原呈遞給腸系膜和區(qū)域性淋巴結(jié)后，促使有活性的食物抗原特異性調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（regulatory T cells，Treg）產(chǎn)生，從而誘導(dǎo)人體建立起對(duì)食物抗原的免疫耐受反應(yīng)。在免疫耐受建立過(guò)程中起作用的DCs 可稱為致耐受性DCs。然而，發(fā)生食物過(guò)敏時(shí)，DCs 的表型改變轉(zhuǎn)而誘導(dǎo)T 輔助細(xì)胞2（T helper cells，Th2）的產(chǎn)生，而Th2型免疫反應(yīng)是IgE介導(dǎo)食物過(guò)敏的關(guān)鍵。Th 2 細(xì)胞可以直接分泌IL-4，還可促使肥大細(xì)胞或嗜堿性粒細(xì)胞分泌IL-4，IL-4 能夠促進(jìn)B 細(xì)胞發(fā)生IgE 的類別轉(zhuǎn)換[11]。IgE 被分泌入腸道或通過(guò)淋巴系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)，在局部甚至全身致敏肥大細(xì)胞和嗜堿性粒細(xì)胞，當(dāng)機(jī)體再次接觸食物抗原后，被致敏的肥大細(xì)胞及嗜堿性粒細(xì)胞便會(huì)釋放一系列炎性物質(zhì)，導(dǎo)致組織特異性食物過(guò)敏反應(yīng)。下文中出現(xiàn)的食物過(guò)敏若無(wú)特殊說(shuō)明均代表IgE介導(dǎo)的食物過(guò)敏。

食物過(guò)敏發(fā)生時(shí)，腸道上皮屏障滲透性增加，腸上皮細(xì)胞會(huì)分泌一系列細(xì)胞因子，如胸腺基質(zhì)淋巴細(xì)胞生成素（thymicstromal lymphopoietin，TSLP）、IL-33、IL-25等，這些細(xì)胞因子提高DCs表面OX40配體水平，該配體與表達(dá)于活化T 細(xì)胞表面的OX 40 結(jié)合后起作用，刺激T 細(xì)胞增殖和分化為T(mén)h 2。食物過(guò)敏的動(dòng)物模型顯示，小鼠腸道上皮細(xì)胞表達(dá)IL-33，該免疫因子誘導(dǎo)OX 40 配體在腸道CD 103＋DCs 的表達(dá)[12]。類似的研究表明，對(duì)受損的小鼠皮膚進(jìn)行抗原刺激可誘導(dǎo)膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)IL-33、IL-25和TSLP，活化真皮CD 11 b＋DCs 的OX 40 配體[10]。此外，IL-33 還可通過(guò)直接對(duì)肥大細(xì)胞起作用增強(qiáng)IgE介導(dǎo)的免疫反應(yīng)[13]。除了促進(jìn)Th 2 轉(zhuǎn)化，這些細(xì)胞因子還能抑制Treg產(chǎn)生。研究表明，IL-33可促進(jìn)腸道第2組固有淋巴樣細(xì)胞（innate lymphoid cells，ILCs）的增殖和活化，產(chǎn)生大量IL-4，從而抑制皮膚、肺和小腸Treg細(xì)胞的產(chǎn)生[13-14]。

2 短鏈脂肪酸

SCFAs是包含1～6個(gè)碳原子的有機(jī)羧酸，主要包括乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸，是由小腸內(nèi)不被消化和吸收的碳水化合物，在結(jié)腸內(nèi)經(jīng)過(guò)腸道微生物的糖酵解產(chǎn)生。其中，起主要作用的是乙酸、丙酸和丁酸。研究表明，高纖維飲食可促進(jìn)腸道菌群向產(chǎn)SCFAs的優(yōu)勢(shì)菌轉(zhuǎn)化以及增加SCFAs的生成[15]。除飲食結(jié)構(gòu)外，其他改變腸道微生物組成和多樣性的因素，如抗生素的使用、感染等，都會(huì)影響SCFAs 的產(chǎn)生[16]。

2.1 SCFAs受體

SCFAs 主要通過(guò)激活G 蛋白偶聯(lián)受體家族（G protein-coupled receptors，GPCR）發(fā)揮作用[17-18]。SCFAs 抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用涉及的受體主要包括G蛋白偶聯(lián)受體41（GPR41，也稱為FFAR3）、G蛋白偶聯(lián)受體43（GPR 43，也稱為FFAR 2）、G 蛋白偶聯(lián)受體109 A（GPR 109 A，也稱為HCA 2）及嗅覺(jué)受體78（olfactory receptor 78，OLFR78）。這些受體可在不同的細(xì)胞類型中表達(dá)，包括免疫細(xì)胞，如巨噬細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞，還有腸道上皮細(xì)胞、腎內(nèi)皮細(xì)胞等[19]。而相關(guān)受體被激活后可導(dǎo)致進(jìn)一步信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，包括絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、磷脂酶C（phospholipases C，PLC）、核因子-κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）等途徑。此外，SCFAs 還可通過(guò)抑制組蛋白去乙?；福╤istone deacetylases，HDACs）來(lái)影響細(xì)胞內(nèi)組蛋白的乙?；兔撘阴；?，從而改變多種功能基因表達(dá)[20]。所以，SCFAs的作用十分廣泛。

2.2 SCFAs與食物過(guò)敏的聯(lián)系

SCFAs可以減輕食物過(guò)敏。在食物過(guò)敏小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，高纖維飲食和外源性SCFAs可以促進(jìn)小腸固有層中IgA 的產(chǎn)生，并提高派氏結(jié)中Tfh 的數(shù)量；在口服SCFAs 的食物過(guò)敏小鼠中可觀察到過(guò)敏臨床評(píng)分減低和血清總IgE 水平減低，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)SFCAs受體敲除小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的過(guò)敏反應(yīng)以及血清總IgE 水平的增高[21]。同時(shí)，在牛奶蛋白過(guò)敏小鼠中發(fā)現(xiàn)SCFAs 能夠增強(qiáng)口服免疫耐受治療的療效[22]。雖然暫時(shí)缺乏相關(guān)臨床試驗(yàn)的報(bào)道，但動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均表明SCFAs確實(shí)影響著食物過(guò)敏，可能通過(guò)誘導(dǎo)免疫耐受來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體可能機(jī)制在下文探討。

反之，食物過(guò)敏似乎也影響著腸道中SCFAs的含量。研究發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照相比，食物過(guò)敏患兒糞便中產(chǎn)生SCFAs的菌群減少，而經(jīng)過(guò)臨床治療并且癥狀得到緩解的患兒糞便中產(chǎn)SCFAs 菌群增多[23]。在食物過(guò)敏小鼠模型中也觀察到腸道SCFAs 含量的顯著改變[24]。然而，SCFAs的改變與食物過(guò)敏發(fā)生發(fā)展之間的時(shí)間關(guān)系、因果關(guān)系尚未明確。研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs水平高的兒童在6 歲之前發(fā)生食物過(guò)敏的可能性更低[25]。這似乎表明SCFAs的變化早于食物過(guò)敏的發(fā)生。

非IgE介導(dǎo)的食物過(guò)敏對(duì)SCFAs的影響尚存在爭(zhēng)議。曾有報(bào)道17名1～2歲非IgE介導(dǎo)牛奶蛋白過(guò)敏患兒的糞便SCFAs與健康對(duì)照者相比無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[26]。同年，也有報(bào)道46 例1～26 月齡之間的非IgE 介導(dǎo)的牛奶蛋白過(guò)敏患兒的腸道菌群及代謝產(chǎn)物與健康對(duì)照者相比，糞便中丁酸鹽含量顯著降低，而經(jīng)過(guò)深度水解酪蛋白奶粉以及鼠李乳糖桿菌口服治療并獲得免疫耐受后，患兒糞便中丁酸鹽水平較前增加[27]。

食物過(guò)敏調(diào)節(jié)SCFAs的作用機(jī)制尚不明確，并且腸道SCFAs 水平受很多因素的影響，如是否母乳喂養(yǎng)、添加輔食種類、抗生素及益生菌應(yīng)用等，因此生命早期腸道菌群及其代謝產(chǎn)物處于波動(dòng)中。所以在對(duì)SCFAs影響因素的合理控制下，未來(lái)需要樣本量更多的縱向隊(duì)列研究揭示SCFAs 的動(dòng)態(tài)變化與食物過(guò)敏之間的聯(lián)系。

2.3 SCFAs對(duì)食物過(guò)敏的腸道黏膜免疫調(diào)節(jié)作用

SCFAs 具有復(fù)雜的免疫調(diào)節(jié)能力，其對(duì)食物過(guò)敏的腸道黏膜免疫影響可能是通過(guò)誘導(dǎo)免疫耐受的建立實(shí)現(xiàn)的，如影響消化道的上皮屏障和防御功能；作用于固有免疫細(xì)胞（如樹(shù)突狀細(xì)胞等），調(diào)節(jié)固有免疫；調(diào)節(jié)由T細(xì)胞和B細(xì)胞介導(dǎo)的抗原特異性適應(yīng)性免疫。

SCFAs可以增強(qiáng)腸道黏膜屏障。首先，SCFAs能促進(jìn)上皮細(xì)胞產(chǎn)生特定細(xì)胞因子來(lái)增強(qiáng)黏膜屏障，如IL-18和抗菌肽。研究發(fā)現(xiàn)，盲腸灌注丙酸可上調(diào)豬腸道中IL-18 的表達(dá)[28]。IL-18 可來(lái)源于腸道神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元，并作用于腸道上皮細(xì)胞中的杯狀細(xì)胞，促進(jìn)抗菌蛋白的表達(dá)，參與維持腸道黏膜屏障的穩(wěn)態(tài)[29]。雖然，SCFAs對(duì)上皮細(xì)胞來(lái)源的IL-18具有促進(jìn)作用，但其與腸道神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)源的IL-18之間的聯(lián)系尚未見(jiàn)報(bào)道。此外，在動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，丁酸可能通過(guò)作用于腸道上皮細(xì)胞的GPR 43，在mTOR 和STAT 3 介導(dǎo)下促進(jìn)抗菌肽表達(dá)[30]。這些研究均表明SCFAs 在加固腸道化學(xué)黏膜屏障方面的作用。另一方面，SCFAs還可通過(guò)抑制HDAC 和激活A(yù)MP-依賴的蛋白激酶（adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）促進(jìn)上皮屏障緊密連接和黏蛋白表達(dá)，從而增強(qiáng)腸道物理黏膜屏障。特別是丁酸能夠影響緊密連接蛋白的功能，包括促進(jìn)occludin及 Zonulin-1從胞質(zhì)向緊密連接的轉(zhuǎn)移，抑制促通透性的Claudin-2表達(dá)，增加體外跨上皮電阻[31-32]。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，SCFAs可以通過(guò)調(diào)節(jié)MUC2啟動(dòng)子處組蛋白的乙?；?甲基化誘導(dǎo)MUC2 mRNA啟動(dòng)子的激活，從而促進(jìn)人腸道杯狀細(xì)胞分泌特異性黏蛋白MUC2[33]。近來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，在結(jié)腸炎的小鼠模型中，SCFA 可以通過(guò)調(diào)節(jié)腸上皮的氧耗穩(wěn)定HIF的表達(dá)，從而促進(jìn)腸道屏障保護(hù)性基因表達(dá)，降低腸道通透性和減少細(xì)菌移位，但具體作用機(jī)制仍待進(jìn)一步探究[34]。

SCFAs 在固有免疫方面的作用主要為通過(guò)調(diào)節(jié)DCs及相關(guān)細(xì)胞因子誘導(dǎo)Treg產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，高纖維飲食喂養(yǎng)的小鼠TSLP和IL-33基因表達(dá)明顯低于低纖維飲食喂養(yǎng)小鼠，并且將兩種飲食結(jié)構(gòu)的小鼠DCs 與幼稚T 細(xì)胞共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，高纖維飲食喂養(yǎng)小鼠的DCs 具有更強(qiáng)的誘導(dǎo)幼稚T 細(xì)胞向Treg 轉(zhuǎn)化的能力[21]。在體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)探究其中可能的作用機(jī)制中發(fā)現(xiàn)，SCFA 可通過(guò)誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞中的視黃醛脫氫酶（retinaldehyde dehydrogenase，RALDH）的表達(dá)促進(jìn)視黃酸（Retinoic Acid，RA）的產(chǎn)生，又進(jìn)一步在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證SCFAs對(duì)RA的代謝調(diào)節(jié)作用是通過(guò)抑制HDAC 活性實(shí)現(xiàn)的，而RA 可促進(jìn)致耐受性DCs 的產(chǎn)生，并與DCs共同誘導(dǎo)Treg的分化[35]。

SCFAs 除了上文提到的SCFAs 可通過(guò)影響固有免疫來(lái)間接促進(jìn)Treg數(shù)量和功能，還可以通過(guò)直接促進(jìn)Treg 的生成作用于適應(yīng)性免疫。在動(dòng)物和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中均觀察到丁酸能夠提高Treg的數(shù)量，并且發(fā)現(xiàn)丁酸可能通過(guò)抑制HDAC 活性增加細(xì)胞內(nèi)Foxp 3基因位點(diǎn)的乙?；?，誘導(dǎo)Foxp 3基因的表達(dá)，而該基因的表達(dá)則是Treg 細(xì)胞發(fā)育和分化過(guò)程中不可或缺的步驟[36-37]。在體液免疫方面，SCFAs可促進(jìn)B細(xì)胞類別轉(zhuǎn)換并且分泌IgA。研究發(fā)現(xiàn)，高纖維飲食喂養(yǎng)的小鼠腸道中分泌IgA的漿細(xì)胞數(shù)量增多，并且在體外實(shí)驗(yàn)中證實(shí)SCFAs 能夠上調(diào)漿細(xì)胞分化相關(guān)的基因表達(dá)，包括Aicda、Xbp 1、Irf 4、Prdm 1和Sdc 1基因[38]。SCFAs 對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控很可能是通過(guò)抑制HDAC活性實(shí)現(xiàn)。在小鼠以及細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)SCFAs 處理后的B 細(xì)胞的總體HDAC 活性降低。另一方面，SCFAs 能夠?yàn)锽 細(xì)胞分化提供能量，在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中觀察到SCFAs能夠降低B細(xì)胞的AMP水平和AMPK活性，增加乙酰輔酶A 和ATP 的水平，從而維持B 細(xì)胞分化的高代謝需求。同時(shí)，與對(duì)照B 細(xì)胞相比，用SCFAs培養(yǎng)的B細(xì)胞通常體積大于對(duì)照B細(xì)胞，并且具有較高的Ki-67表達(dá)。為了探究SCFAs是否增強(qiáng)機(jī)體對(duì)病原體的抗體反應(yīng)，研究者用鼠源性嚙齒桿菌感染小鼠后發(fā)現(xiàn)低纖維喂養(yǎng)的小鼠更易被感染，而高纖維喂養(yǎng)小鼠的腸道及脾臟中IgA ＋B 細(xì)胞數(shù)量增多，對(duì)抗病原體的黏膜抗體反應(yīng)增強(qiáng)[38]。而另一方面，SCFAs 能夠通過(guò)調(diào)節(jié)其他免疫細(xì)胞來(lái)間接調(diào)控B 細(xì)胞，在體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)中，SCFAs 能夠促使濾泡輔助性T細(xì)胞（T follicular helper cells，Tfh）生成增多，而Tfh 則促進(jìn)B 細(xì)胞活化并且分化為產(chǎn)生IgA 的漿細(xì)胞[39]。由此可見(jiàn)，SCFAs不僅可調(diào)節(jié)T細(xì)胞，還能夠影響B(tài)細(xì)胞表型，具有十分廣泛的免疫調(diào)節(jié)作用。

2.4 SCFAs的應(yīng)用前景

SCFAs 相關(guān)制劑已應(yīng)用于臨床治療。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鈉灌腸可減少因炎癥性腸病、大腸癌或憩室炎行腸造口術(shù)后患者的腸黏膜萎縮[40]。還有研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鈉口服能夠減少憩室炎發(fā)作，提示丁酸可能具有預(yù)防憩室炎的潛力[41]。這些研究均表明SCFAs 對(duì)于改善腸道炎癥具有一定療效，但是具體給藥方式以及劑量仍需大量的研究工作。截至目前，尚無(wú)SCFAs治療食物過(guò)敏相關(guān)的臨床試驗(yàn)，但相關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均提示SCFAs在改善食物過(guò)敏，誘導(dǎo)免疫耐受方面具有一定療效。因此，在更充分理解SCFAs作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，SCFAs 很可能成為治療食物過(guò)敏極具有潛力的方法之一。

綜上，食物過(guò)敏的發(fā)病率正在逐年增高，影響著越來(lái)越多人的健康。食物過(guò)敏主要與人體免疫耐受的偏移被打破相關(guān)，已有大量證據(jù)表明腸道微生物及其代謝產(chǎn)物SCFAs在其中起著正向調(diào)節(jié)作用，然而作用機(jī)制尚未明確，非IgE 介導(dǎo)的食物過(guò)敏發(fā)病機(jī)制仍有待探究。這些研究將有助于規(guī)范臨床對(duì)食物過(guò)敏的診斷標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)可能的治療靶點(diǎn)。