摘要
食物过敏已成为全球性的健康问题，其发生是环境因素、生活方式和遗传倾向共同影响肠道上皮屏障完整性的结果。在健康状态下，肠道菌群支持肠道紧密连接完整性，并促进对膳食过敏原的免疫耐受。菌群失调则会增加上皮屏障渗漏的易感性，使食物过敏原得以从肠道渗透入血，导致过敏致敏。通过过敏原特异性免疫治疗（AIT）恢复肠道稳态，包括口服免疫治疗（OIT）、皮下免疫治疗（SCIT）和舌下免疫治疗（SLIT），是一种前景广阔但复杂且多方面的策略。同时，益生菌提供了一种更简单的替代方案，以增强上皮屏障功能、恢复细胞稳态、缓解过敏症状，这代表了基于益生菌的OIT。近年来，已开发出多种生物工程策略来丰富肠道菌群，例如使用碳水化合物、多酚和益生菌等添加剂。虽然通用益生菌已显示出疗效，但其未定义的剂量和给药方案对OIT临床标准化提出了挑战。新兴的发展包括重组益生菌，其在肠道内以可控方式表达特定过敏原。然而，其临床应用的安全性考虑仍在积极讨论中。本综述重点介绍了增强益生菌能力、解决安全性问题以及探索管理食物过敏未来前景的各种生物工程策略。
1. 引言
食物过敏在全球范围内日益受到关注。其发病机制涉及屏障生物学、免疫学习和日常过敏原暴露的交叉点。肠道既是守门员也是指导者，一个结构良好的肠道菌群有助于维持肠道紧密连接，提供减少不必要炎症的代谢物，并促进支持耐受而非反应的调节性T细胞（Tregs）。相反，关键发酵菌的缺失或多样性的减少会削弱屏障功能并限制免疫库，从而增加无害膳食蛋白被误认为威胁的风险。食物过敏管理当前的金标准是医生监督下的口服食物激发试验，而护理计划则侧重于患者教育、饮食管理监督、明确的食物回避策略和应急准备。过敏原特异性免疫治疗（AIT）被认为是一种潜在的长期管理方法，但传统皮下免疫治疗（SCIT）由于副作用严重未被批准用于食物过敏。口服免疫治疗（OIT）可诱导部分脱敏，但仍与剂量相关不良反应和嗜酸性粒细胞性食管炎等风险相关。表观遗传机制，主要是DNA甲基化和组蛋白修饰，介导基因-环境相互作用，在不改变DNA序列的情况下将环境暴露、饮食因素和微生物信号转化为基因表达模式的遗传性变化，在食物过敏发病机制中扮演着关键角色。
2. 通过肠道菌群进行过敏性免疫调节
肠道屏障在促进营养和液体吸收以及防止有害物质（包括毒素和病原体）进入方面起着至关重要的作用。在过敏个体中，此屏障常受损，从而增加肠道通透性，使食物过敏原从肠腔泄漏到血液中。菌群失调时，肠道菌群失衡会建立促炎环境，通过激活NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）炎症小体来破坏耐受性。生理性NLRP3激活可抵御病原体、促进肠上皮修复并支持Tregs分化，从而维持对共生菌群和膳食抗原/过敏原的免疫耐受。然而，菌群失调诱导的微生物代谢物谱改变会触发异常的NLRP3炎症小体组装和持续的Caspase-1激活，导致促炎细胞因子IL-1β和IL-18的过量产生，直接放大Th2驱动的过敏反应。短链脂肪酸（SCFAs）对NLRP3产生情境依赖性效应：在稳态条件下，SCFA丁酸盐通过抗氧化机制和抑制活性氧（ROS）产生来特异性抑制内皮和上皮NLRP3炎症小体激活，但在炎症条件下可通过抑制组蛋白去乙酰化酶来激活巨噬细胞中的NLRP3。
过敏原突破上皮屏障进入血流后，被抗原呈递细胞（APCs）如树突状细胞（DCs）捕获。这些细胞迁移至淋巴结并将过敏原呈递给初始T细胞。T细胞分泌如白细胞介素-4（IL-4）等细胞因子，驱动其分化为Th2细胞。此阶段称为过敏原致敏。随后再次暴露于过敏原时，过敏原特异性IgE抗体与肥大细胞和嗜碱性粒细胞上的受体结合，导致其活化并释放组胺等炎症介质，引发过敏症状，此阶段称为过敏原激发。因此，增强肠道菌群是诱导免疫耐受和减轻食物过敏症状的有前景策略。加强肠道屏障需要菌群介导的对紧密连接蛋白、黏液层稳态和上皮完整性的协调效应，这由微生物代谢物（丁酸盐、丙酸盐和胆汁酸）介导。这些代谢物通过加强上皮紧密连接和黏液层完整性来防止过敏原易位，教育DCs向致耐受表型分化，以及代谢重编程T细胞以抑制促过敏Th2反应同时增强产生IL-10的Treg群体。
3. 增强肠道菌群以管理食物过敏的策略
3.1. 益生元
益生元被定义为不可消化的食物成分，可特异性促进有益肠道微生物的生长或活性。其通过底物特异性发酵途径起作用，改变微生物群落结构及其代谢功能。
3.1.1. 碳水化合物添加剂
碳水化合物的生物活性深受其化学结构影响。几丁质和壳聚糖基多糖是典型代表，在多种食物过敏模型中，它们能减轻过敏临床症状，抑制过敏原特异性IgE和Th2细胞因子，并将免疫反应转向Th1/调节性谱。它们甚至可作为递送载体。来自海洋和植物的纤维也显示出类似效果，例如红茶多糖（RETPSs）、石莼多糖、来自麒麟菜的降解硫酸化半乳聚糖、岩藻聚糖、菊粉和昆布多糖等，均能减轻过敏症状、抑制肥大细胞介质并促进菌群转变。除了多糖，小的寡糖通过为糖分解细菌（特别是双歧杆菌和乳杆菌属）提供碳源，同时限制致病类群的生长，为益生菌提供充分富集。不同寡糖显示差异化的发酵动力学。总体而言，碳水化合物添加剂不仅是通用益生元，更是特定的可发酵底物，微生物群落将其转化为具有不同免疫调节特性的明确代谢物谱。
3.1.2. 多酚添加剂
多酚通过修饰过敏原表面和降低黏膜部位氧化应激，为促进肠道菌群健康提供了补充策略。化合物如双去甲氧基姜黄素可抑制Th2细胞因子，降低肥大细胞活性，并增强调节性和Th1反应。有趣的是，表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）或绿原酸与虾原肌球蛋白或花生过敏原Ara h1的共价结合，可降低IgE识别和肥大细胞脱颗粒。多酚通过一种称为“双重益生元”活性的双重作用模式发挥益生元样效应，包括抗菌和促生长特性。多酚的抗菌活性通过破坏细菌细胞膜完整性、干扰核酸合成、改变细胞壁组成和抑制生物膜形成来选择性地抑制致病菌。这种生态干扰释放了生态位，随后被有益细菌定植。多酚被这些富集的细菌群体发酵可显著增加SCFA的产生。
3.1.3. 碳水化合物和多酚的组合
多酚和寡糖的联合施用产生协同效应，超过其各自作用之和。这种协同作用通过多种互补机制运作：多酚通过选择性消除竞争性致病菌和减少氧化应激创造有利的生态条件；寡糖提供易于发酵的碳源以维持多酚代谢细菌的生长；两种底物独立且协同地增强黏蛋白产生，为嗜黏蛋白阿克曼菌等黏液降解有益细菌创造额外生态位。这种底物水平的视角将饮食干预从通用的益生元补充重新定义为精确的发酵底物供给，其中特定的分子结构决定了微生物消耗模式、代谢物谱和食物过敏预防的下游免疫学结果。
3.2. 益生菌策略
益生菌通过多种互补机制在管理食物过敏中发挥关键作用，包括直接免疫调节、竞争性排除病原体、产生抗菌化合物以及调节内源性菌群组成和功能。在细胞水平上，益生菌通过模式识别受体与肠上皮细胞和免疫细胞相互作用，激活涉及核因子-κB（NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）途径的细胞内信号级联，从而调节细胞因子分泌和免疫细胞分化。除了与免疫细胞的直接相互作用，益生菌还通过产生短链脂肪酸（SCFAs）重塑常驻菌群的结构和功能。SCFAs通过双重信号模式发挥抗过敏作用：激活G蛋白偶联受体（GPCRs）和抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs）。SCFAs与肠上皮细胞和免疫细胞上表达的多种GPCRs结合并激活它们，包括GPR41、GPR43、GPR109A、GPR65和Olfr78。SCFA介导的GPR43和GPR41激活诱导紧密连接蛋白、抗菌肽和趋化因子的表达，从而协调免疫细胞募集并增强上皮屏障完整性。
3.2.1. 通用益生菌
使用通用配方的益生菌干预对于实现肠道菌群和免疫调节的临床有意义变化至关重要。例如，植物乳杆菌分离株可降低IgE水平，抑制Th2细胞因子，增强抗炎介质，并上调紧密连接蛋白。其他乳杆菌菌株，如罗伊氏乳杆菌，可诱导DCs产生抗炎IL-10并促进派尔集合淋巴结和脾脏中FoxP3阳性Tregs的发育。丁酸梭菌通过上调claudin-1、occludin和ZO-1同时下调claudin-2蛋白来保护肠道屏障功能。嗜黏蛋白阿克曼菌通过多种机制增强肠道屏障完整性：其衍生的细胞外囊泡激活肠上皮细胞中的AMPK信号通路，诱导occludin、claudin-5和zonula occludens蛋白的表达，同时降低脂多糖诱导的通透性。普拉梭菌是健康结肠中主要的丁酸盐生产者，通过抑制组蛋白去乙酰化酶1和抑制c-Myc驱动的T细胞代谢来维持Th17-Treg平衡。
3.2.2. 特异性益生菌
几种特定菌株已被证明可减少过敏反应并促进对食物过敏原的免疫耐受。例如，植物乳杆菌HM-22通过上调抗炎细胞因子和间隙连接蛋白，将免疫反应从IL-4驱动的炎症转移开。同样，动物双歧杆菌KV9和阴道乳杆菌FN3等菌株可恢复Th1/Th2平衡并改善过敏结果。
3.2.3. 益生菌组合
除了单个菌株，微生物联合体（来自不同物种的共生相互作用微生物的关联）和合生元（旨在协同工作的益生菌和益生元的组合）在富集肠道菌群以对抗食物过敏方面显示出前景。例如，将丁酸盐产生菌与其底物结合可在菌群失调中恢复肠道功能。粪厌氧棒杆菌和乳果糖的合生元增加了结肠丁酸盐，降低了IgE和组胺，防止了过敏反应，并在模拟婴儿过敏和抗生素后菌群失调的模型中扩展了Tregs。选择合适的菌株只是设计的一部分；将其与合适的益生元配对是另一个重要因素。在生命早期提供益生菌会导致免疫反应发生更大变化。
3.2.4. 基因工程益生菌
工程益生菌，也称为活体生物治疗产品，是现代微生物学中最有前途的创新之一。这些微生物经过专门设计，在人体内执行靶向治疗功能。与依赖天然菌株的传统益生菌不同，工程益生菌结合了定制的遗传元件或合成途径，使其功能更多样，但也引入了额外的安全性考虑。近年来，已开发出几种工程益生菌专门用于帮助管理食物过敏。例如，表达Ara h 2.02的乳酸乳球菌可抑制致敏小鼠的过敏免疫反应。分泌IL-10的工程乳酸乳球菌减少了过敏反应，降低了IgE/IgG1水平。然而，其临床应用的安全性考虑，包括遗传稳定性、生物遏制和水平基因转移风险，仍在积极讨论中，是临床转化的主要障碍。
3.2.5. 合生元
合生元方法在食物过敏管理中的临床转化已显示出有希望的结果，益生菌补充的OIT证明比单独过敏原暴露更有效。在具有里程碑意义的益生菌花生OIT研究中，鼠李糖乳杆菌GG与花生OIT联合使用导致82%的持续无反应性，而安慰剂组为3.6%。低剂量牛奶OIT与热灭活的植物乳杆菌结合显示出类似的机制整合，β-乳球蛋白特异性IgG4增加，IL-5和IL-9减少，菌群向丁酸盐产生类群转移，到第24周显著改善牛奶耐受性。
4. 临床试验
将菌群介导的免疫调节从临床前模型转化为临床实践，验证了核心机制原理，同时凸显了生物工程潜力与监管批准疗法之间的持续差距。迄今为止的临床研究绝大多数使用通用益生菌菌株，而非工程益生菌，这反映了监管的谨慎、制造的复杂性以及对遗传稳定性和水平基因转移未解决的安全性担忧。益生菌花生OIT研究提供了令人信服的临床证据，表明菌群调节可增强人类对花生的耐受性获得。对于牛奶过敏OIT，临床研究直接将特定细菌类群与持续无反应性的获得联系起来。在鸡蛋过敏OIT中，结果也表现出菌群依赖性模式。这些发现表明，益生菌佐剂通过调节DC功能和扩展Tregs来增强致耐受性免疫反应。
5. 生物工程干预用于食物过敏管理的安全性、风险与未来展望
当前针对食物过敏管理的菌群靶向干预格局已在多种模式上证明了概念验证的有效性，但临床转化仍受限于临床前机制的复杂性与监管批准疗法之间的关键脱节。质粒表达系统存在分离不稳定性，在缺乏抗生素选择的情况下，每代丢失率为1-10%。在人类肠道中，维持质粒携带的过敏原表达需要稳定的染色体整合、营养缺陷型依赖或无选择质粒维持系统。技术障碍包括通过位点特异性重组酶进行染色体整合，这提供了单拷贝、稳定的表达，但使菌株构建复杂化，降低迭代优化的遗传灵活性，并引入影响过敏原表达水平的整合位点依赖性转录变异性。水平基因转移是第二种生物防控失效模式。接合质粒可在类肠道条件下以超过10-3 转接合子/供体细胞的频率转移，存在将抗生素抗性标记或过敏原编码基因传播给常驻菌群的风险。旨在消除工程菌株的“自杀开关”在进化上是不稳定的。即使有优化的自杀开关，监管机构也可能要求分层的生物防控，结合遗传保障与营养缺陷型依赖以及在环境温度下防止生长的温度敏感型复制起点。
活体生物治疗产品的监管框架是第三个主要转化障碍。监管要求包括完整的基因组测序以验证无毒力因子和可移动遗传元件；在良好生产规范发酵条件下进行50代以上的遗传稳定性测试；证明工程性状不改变定植动态或菌群组成；评估营养缺陷型依赖的回复频率；以及上市后药物警戒监测，监测超出预期治疗期限的持久性和临床人群中的水平基因转移。因此，通常优选将遗传构建体整合到染色体上，而不是基于质粒的表达。还鼓励开发者避免使用抗生素选择标记，加入营养依赖（营养缺陷型），并设计多层防控策略。将此安全概况扩展到食物过敏应用需要过敏原特异性免疫学监测，以区分治疗性脱敏与意外致敏。对证明优于标准OIT的比较临床试验的监管要求造成了经济抑制因素。
精准菌群工程是一个新兴前沿，超越了单菌株益生菌干预，涵盖了确定的微生物联合体、靶向代谢物补充和生态位工程。多组学整合有望解码应答者表型，并实现菌群干预的预测算法。机器学习模型整合基线菌群组成、代谢组学、免疫表型、遗传多态性和表观遗传修饰，是未来的研究方向。需要进一步研究确定细菌联合体与单菌株益生菌的比较疗效。
6. 结论
当前的生物工程工作凸显了操纵肠道微生物组以预防或治疗食物过敏的巨大潜力。实现这一潜力将需要克服关键的转化挑战：保持工程益生菌菌株的遗传稳定性，部署可靠且抗进化的生物防控系统，以及创建在确保安全的同时促进创新的监管政策。未来的进步将依赖于将机制性微生物组工程与临床免疫学相结合的整合方法，最终为精准、可扩展且安全的以菌群为中心的过敏治疗方法铺平道路。
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