生命早期微生物对免疫系统的调节及其与过敏发展的相关性

Correlation between early-life regulation of the immune system by microbiota and allergy development

Gensollen et al. J Allergy Clin Immunol (2017)

DOI 10.1016/j.jaci.2017.02.011

人体内寄居着数以万亿的微生物群，例如真菌、古细菌、病毒、原生动物和细菌等。肠道，尤其是结肠中存有大量微生物群。在过去几十年间，人们越来越重视研究肠道微生物群的表型和功能及其在免疫和健康中的作用。

通过对成年人的微生物群组成分析得出，特定细菌类群和某些疾病存在一定联系，并证明有许多途径会导致疾病发生。最早的例子可能是肠道微生物群门水平的变化与代谢途径和肥胖的相关性。也就是从那时起，许多实例证明，由宏基因组学或微生物群直接分析得出微生物群组成或功能的改变与人类疾病有关。例如，与心血管疾病相比，2型糖尿病的菌群特点是产生丁酸盐的细菌数量减少，而心血管疾病则与导致炎性脂质介质产生的肠道微生物群增加有关。在肠道中，微生物群失调也与炎性肠病发病密切相关。后面这个例子非常有启发性，因为它难以确定微生物群变化与肠道炎症之间的因果关系。

新近的研究重点是，许多与疾病相关的微生物变化及相关免疫效应最初可能发生在生命早期。在新生儿时期，微生物群正定植于宿主体内，其组成非常不稳定。这个生命早期细菌定植的时间也与免疫系统构建及应激相关，使其能够耐受环境以对抗病原体、避免过敏反应和自身免疫。

越来越多的证据表明，微生物群在特定的时间限制内可以调节某些免疫细胞群。在生命早期的特定阶段，干预微生物群将对免疫系统产生持续影响。这说明宿主在生命早期易受周遭环境的影响。因此本文主要描述生命早期微生物群调节免疫过程及其与疾病，特别是过敏性疾病的关系。

Abstract

Early postnatal life is a key time for development of the immune system and colonization of the host by microbiota. Recent studies have shown that specific limbs of the immune system can be regulated by microbiota in a time-restricted period during early life. Studies in mouse models have shown that perturbations of the microbiota during early life can cause immune effects that can persist into adulthood and create increased host susceptibility to certain diseases. Here we discuss the role of early-life regulation of the immune system by the microbiota and how it can be related to allergy development.

关键词: 过敏，微生物群，生命早期，关键期，新生儿

生命早期微生物群的构建

肠粘膜组织中寄居着与宿主相互作用的微生物群。在成人体内，肠道菌群可调节宿主的免疫效应、代谢及消化。肠道菌群可为宿主提供原本不会产生的特定的酶和其他蛋白质。通常一个健康的肠道微生物菌群主要包含四种门，即拟杆菌门、厚壁菌门、变形菌门和放线菌门。

子宫长期以来被认为是无菌的，但微生物对宿主的定植似乎在出生之前就已开始。对于剖宫产出生的健康新生儿，母源性细菌可从脐带血中分离出来。而在早产儿的胎粪中也可检测到细菌。给怀孕小鼠口服含标记物的屎肠球菌可以在胎儿出生前1天的胎粪中检测到。此外，最近的一项研究表明，含突变基因的大肠杆菌在怀孕小鼠肠道的短暂定植会对后代的免疫系统产生影响。

新生儿在出生时会接触到大量的母源性细菌。从逻辑上讲，新生儿的微生物群的组成深受生产方式和细菌暴露的影响。顺产婴儿的微生物群组成类似于母体阴道和肠道微生物群，而剖腹产婴儿的微生物群组成类似于人类皮肤微生物群。顺产婴儿和剖腹产婴儿的微生物群组成的差异是持久的，那些与剖腹产相关的微生物群在出生后2年仍可检测到。与成年人的微生物群相比，婴儿微生物群结构呈现高度不稳定性，并且具有低多样性的特征。肠道微生物群组成的第一次重大转变被认为与饮食有关。最近的一项研究表明，在停止母乳喂养婴儿之前，与饮食相关的微生物组成和功能的差异并不明显，这表明饮食是决定12个月大婴儿的微生物群向成人状态改变的主要因素。婴儿肠道微生物群随年龄增长而进一步转变，并在3岁时达到相对稳定状态。但是，即使在5岁时，肠道微生物群可能仍未构建完好。

因此，微生物群转变成成年类型的精确时间仍有待确定。饮食和环境因素是塑造出生后微生物群组成的重要因素。抗生素的使用和母乳喂养/配方奶粉，喂养均与微生物群组成改变有关。婴儿的遗传也可以影响早期肠道微生物群组成，如携带人白细胞抗原DQ2单倍型的婴儿。 因此，在达到成年微生物群稳定之前，婴儿微生物群随年龄的增长而演变，并主要受其接触外部因素的历史过程及宿主基因的影响。（图1）

FIG 1. Evolution of microbiota from birth to adult life. Microbial diversity increases from birth to 3 years of life and stabilizes. Genetics, type of birth, diet, and environmental factors are associated with differences in intestinal microbial composition. C-section, Cesarean section.

图1微生物群从出生到成年生活的演变。微生物多样性从出生到3岁时逐年增加，并保持相对稳定。遗传、出生方式、饮食和环境因素与肠道微生物组成差异有关。

微生物群在生命早期向成年微生物进化的时期与免疫系统的发育是一致的。通过啮齿动物研究的新证据表明，生命早期的微生物群在特定的时间内可影响部分免疫系统的功能。这种影响一般发生在新生儿时期，尤其是断奶前。然而，该时间效应在啮齿类动物身上，特别是人类身上的具体细节有待确定。同时也表明，在此特定时期由微生物群诱导的免疫效应可能是婴儿时期和成年时期对疾病（例如过敏性疾病）的抵抗力或易感性的决定因素。

生命早期定植及过敏性疾病

在逐步城市化和工业化的背景下，随着全球过敏性疾病发生率不断增加，人们开始调查影响过敏性疾病有关的西化国家环境和饮食因素。现在可以确定的是，生命早期对过敏原的致敏性会影响生命后期过敏性疾病的易感性。卫生说是基于最初的观察结果，即婴幼儿的家庭规模和环境与花粉症、哮喘和特异反应性皮炎的发生有关。这表明在生命早期接触微生物制剂可以防止过敏性疾病。该假说的含义是在生命早期缺乏适当的微生物接触而增加疾病的易感性。Bach在随后发表的一篇文章中指出，这一假设可能对自身免疫性疾病有重要意义，因为它指出西方社会传染性疾病接触减少与众多自身免疫疾病发病率增加之间的负相关性。

临床研究证明，早期生命细菌组成与过敏性疾病之间存在相关性。在变态反应性疾病患者和哮喘患者体内，其肺部微生物群组成已经发生改变。与健康人类相比，哮喘患者的下呼吸道中存有较高的细菌负荷和多样性。哮喘患者体内的变形菌门含量较高。与之相似，炎症性肠病中的变形菌门的含量也较高，提示变形菌门的增加可能是继发性事件。气道微生态失调与哮喘之间明确的相关性还受限于患者的治疗方式，因为接受吸入糖皮质激素治疗可能影响气道微生物的组成。与此同时，气道微生物的定植异常与生命早期的哮喘也存有一定的关系。研究表明，五岁幼儿喘息性疾病和哮喘疾病的易感性增加与其在一个月龄时的口咽部定植的微生物群有关。生命早期鼻咽部微生物的定植也会影响复发性喘息和哮喘易感性。而事实上，生命早期无症状的链球菌微生物定植已确定为重要的哮喘预测因子。

与气道相似，在生命早期肠道微生物群也与过敏性疾病有关。除哮喘外，六岁前儿童的变应性致敏和过敏性鼻炎易感性增加与婴儿肠道菌群多样性减少有关。患有异位性湿疹的婴儿，其体内的肠道微生物群多样性较低。此外，新生儿肠道菌群的差异可能先于异位性的发展。综上所述，这些研究证明，生命早期宿主不同粘膜组织的微生物定植可影响生命后期哮喘的发展。

生命早期微生物群调节免疫系统和过敏的易感性

与无特异性病原体（SPF）小鼠相比，无菌（GF）小鼠的实验表明，微生物群与免疫系统的构建密切相关。微生物群对免疫系统的调节在产前就已形成，其主要经由胎盘输送微生物分子到胎儿体内，进而得出与3型先天淋巴细胞(ILC3s)的发育有关。巧妙的是，这一时期与IgG经胎盘输送相一致，并且该效应在缺乏B细胞的JH-/-小鼠体中消失，这表明它们之间可能存在某种因果关系。出生后，母乳中含有抗共生抗体，其可抑制哺乳幼仔体内T细胞对微生物群的反应。

已知成年无菌小鼠存有较小的淋巴结构，包括派尔集合淋巴小结、肠系膜淋巴小结和孤立淋巴滤泡。这些主要结构缺陷与肠道和其他器官（包括αβ T细胞， B细胞和先天性淋巴样细胞）中的淋巴细胞的活化或淋巴细胞的比例减少有关，或者二者兼有关系。而这些细胞可随时通过无特异性病原体微生物群达到常规化数值。然而，实验结果显示与出生时的常规化相比，体内含有无特异性病原体微生物群的成年无菌小鼠，其肠道转录差异的常规化支持如下观点，即成年无菌小鼠体内某些免疫细胞异常不能通过重新引入共生细菌来正常化，而仅在生命早期的特定时间内受微生物群的调控。此外，人们还认识到，如果小鼠模型生命早期在此时间限制内没有适当地接触微生物群，则生命早期免疫系统接触不足的影响可能会持续到成年，进而对宿主健康造成永久性后果。多方面的研究结果显示，生命早期微生物群导致的特异性免疫系统失调与过敏性疾病之间的关系。

FIG 2. Role of early-life microbiota in the regulation of iNKT cells and development of allergic disease in human subjects and mice. Cesarean section and antibiotic treatment are associated with modifications of the microbiota in early life and EoE development in later life. Whether these microbial modifications are directly related to these diseases in human subjects remains to be established. EoE development is an allergic disease that depends on iNKT cell activation. iNKT cell numbers, as well as CXCL16 and CD1d expression, are increased in patients with EoE less than 5 years of age. These increases are normalized by an elimination diet. An absence of microbiota in GF mice during early life leads to an accumulation of lung iNKT cells, increased CXCL16 expression, and increased susceptibility to asthma in later life. Conventionalization with microbiota during a specific early-life timeframe, but not thereafter, can normalize the number of iNKT cells in the lung and susceptibility to colitis and asthma.

图2.生命早期微生物群在人类受试者和小鼠中对iNKT细胞和过敏性疾病的调节作用。剖腹产和抗生素治疗与生命早期微生物群改变和生命后期EoE发展有关。微生物群改变与人类受试者患有相关疾病是否有直接关系仍有待确定。EoE是一种依赖于iNKT细胞活化的过敏性疾病。5岁以下EoE患者的iNKT细胞数量增加、CXCL16和CD1d表达增加。而这些增加可以通过饮食消除达到标准化。如无菌小鼠在生命早期缺乏微生物群，则导致肺iNKT细胞的积累、CXCL16表达增加、并增加生命后期哮喘易感性。在生命早期特定的时间范围内常规化微生物群，而不是以后，可以正常化肺内的iNKT细胞数量和结肠炎和哮喘易感性。

FIG 3. Role of early-life microbiota in the regulation of Treg cells and development of allergic diseases in human subjects and mice. High microbial exposure during early life is associated with asthma protection and increased Treg cell function in fetal cord blood. In mice house dust mite (HDM) exposure during early life but not thereafter protects from asthma caused by the emergence of induced (Helios-negative) Treg cells. Treg cells have the capacity to accumulate in the skin of mice in response to colonization with a skin commensal bacterial strain specifically during early life and are required to establish tolerance to commensal-derived antigens in the adult.

图3. 生命早期微生物群在人类受试者和小鼠中对调节性T细胞和过敏性疾病的调节作用。生命早期微生物高度接触与哮喘保护和胎儿脐带血中调节性T细胞功能的增强有关。小鼠生命早期接触屋尘螨(HDM)，而不是以后，可保护小鼠免受Helios阴性调节性T细胞的诱导引发哮喘。生命早期调节性T细胞聚集在皮肤内以响应皮肤共生细菌菌株的定植，并建立对成年时期共生衍生抗原的耐受性。

调节性T细胞和哮喘

受试者所处环境的类型决定了免疫系统所遇到抗原的范围。观察研究显示，富含多种微生物群的环境可降低特异性过敏疾病的易感性。例如，婴幼儿早期接触农场可以预防诸如哮喘等过敏反应疾病。根据床垫粉尘中内毒素水平，婴幼儿时期接触微生物产物可预防花粉症、变应性哮喘和异位性敏感等疾病。有趣的是，这种保护作用是在农村环境中的农业和非农业家庭观察得出。至少在一定程度上，农场粉尘和内毒素通过修改上皮细胞和树突细胞之间的表达通路机制以达到过敏免疫，而该通路主要依赖于起负调节作用的泛素修饰酶A20。孕妇与农场的接触可增加脐带血中调节性T细胞的含量，并保护后代免于哮喘疾病。此外，环境会影响微生物群的组成。相应地，在农场生活的婴幼儿与较少接触农场动物和农产品的婴幼儿具有不同的微生物群。因此，在农场生活的婴幼儿体内的肠道微生物群的多样性可能使其免于过敏疾病，并且这与生命早期免疫系统的特异性改变有关。事实上，Pfefferle和Renz的研究已经发现多种可能参与提供哮喘保护的潜在候选微生物。

基于对小鼠的研究发现，微生物群在生命早期对调节性T细胞的调节似乎在应对环境接触的过敏性疾病的发展中起着特别重要的作用。将刚出生两周的小鼠接触屋尘螨抗原后，可免于过敏性气道炎症，这是由于Helios阴性调节性T细胞亚群的出现。当给予小鼠屋尘螨处理后，Helios阴性调节性T细胞的诱导则依赖于微生物接触，并且与肺内细菌负荷和拟杆菌门的增加有关。此外，生命早期阻断程序性死亡配体蛋白1能够抑制调节性T细胞的增殖，进而增加哮喘易感性。在另一项研究中显示，特别是在出生后2周内，调节性T细胞聚集在小鼠皮肤内以响应皮肤共生细菌菌株的定植。在该项研究中，新生儿早期聚集在皮肤的调节性T细胞建立对成年时期共生衍生抗原的耐受性。

给予新生小鼠抗生素会引起微生物群的变化，这些变化与结肠相关的调节性T细胞的变化和气道高反应敏感性增加有关。与此一致的是，人类产前和产后接触抗生素与哮喘风险增加有关。综上所述，这些研究表明，生命早期微生物群具有调控调节性T细胞的作用，以及接触特定的环境因素时调控调节性T细胞的数量和作用。同时，生命早期调节性T细胞的调控作用可持续到成年，并影响过敏的易感性。（图3）

IgE和过敏反应

B细胞是具有不同功能、不同种类的免疫球蛋白的来源。其中IgE抗体可结合肥大细胞表面Fc受体识别特异性抗原，导致其活化。IgE激活肥大细胞对过敏性疾病的发展至关重要，因为它可以触发颗粒突然释放到含有大量炎症介质（如组胺）的血流中，从而导致过敏反应。众所周知，无菌小鼠具有降低的其他同型抗体水平(如IgA和IgG1)的能力，而这些同型抗体可通过成年小鼠体内微生物群的常规化而正常化。相比之下，无菌小鼠和低多样性微生物群小鼠可增加血清中IgE水平，其与依赖CD4 调节性T细胞和IL-4的通路中黏膜位部位IgE同种型转换水平增加有关。 血清中IgE水平的升高导致IgE与肥大细胞表面结合增加，并诱导引起全身过敏反应。只有在出生后4周内使用标准微生物群进行常规化才能使成年小鼠的IgE水平正常化。一项有趣的观察结果显示，婴儿粪便中特定的微生物种类与IgE介导的食物过敏之间存在相关性。这些研究表明，微生物群在小鼠生命早期以年龄限制的方式调节IgE表达，幼年时期的异常可能是IgE介导的过敏发展的一个诱发因素。

结论

在其他关于过敏原因的假说中，卫生假说认为，在婴幼儿时期接触微生物制剂可以预防过敏疾病的发生，反之亦然。这一假设也被越来越多的接受，因为我们清楚地认识到，在生命早期的特定阶段，接触微生物群对免疫系统某些元素的正常发育至关重要。在此关键期，如未接收到适当的微生物信号干预则会对免疫系统产生长期影响。其持续的影响时间暂无法确定，但最终导致疾病易感性增加，如结肠炎、哮喘、特异反应性皮炎、过敏性反应和其他潜在疾病。过敏保护的干预措施所需的时间范围及将其转化为人体研究的相关等效性仍需待定。人类生命早期抗生素暴露或微生物暴露（例如，农村）和过敏情况之间有着较强的流行病学相关性，因此了解这些通路对于开发以人为对象的有效干预以防止过敏性疾病发生至关重要。未来，确定微生物群在特定的时间调节免疫系统的机制将是主要挑战之一。

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