更多证据支持:多"吃土",孩子更健康!
Jef Akst 2020-05-14
在探究微生物的过程中,我们忘了土壤中蕴藏着巨大的生物多样性。

编者按:

数十年来,科学家和卫生保健人员已经认识到,暴露于绿色空间(如公园或森林)有助于降低发达国家普遍存在的各种疾病(包括过敏、心血管疾病、肥胖、糖尿病和精神疾病)的风险,甚至能够降低死亡率。

过去的研究已经发现人们在自然环境中度过时会发生无数的生理反应:血压下降、心率下降、免疫功能提高等等。

然而随着城市化进程的加速,人们在城市化地区居住得越来越久,在自然环境中花费的时间越来越少,这一改变可能会损害我们的健康。那么,自然环境究竟是如何对人体健康产生益处的呢?背后的机制是什么?

今天我们特别编译了发表在 The Scientist 杂志上的关于土壤微生物通过改变人体微生物组作用于免疫的文章,希望该文能够为各位读者带来一些启发与思考。

芬兰的“两面性

生活在芬兰和俄罗斯边境的人们为我们提供了宝贵的数据,这些数据可以揭示人类与自然的关系,特别是人体免疫健康与暴露组之间的关系。

第二次世界大战期间,芬兰将大片领土割让给苏联,因此,在 20 世纪下半叶,芬兰的一侧已经实现了现代化,而属于苏联一侧的人依然保持着传统的生活方式。

到了 21 世纪,赫尔辛基大学的研究人员对该地区做了一项调查1,发现卡雷利亚(芬兰与俄罗斯的交界处)靠芬兰一侧的过敏症患病率明显高于俄罗斯一侧。

免疫学家 Nanna Fyhrquist 在 2011 年加入了赫尔辛基大学的研究团队,并参与了上述这项研究,她想知道为什么会出现上述这种现象。该团队怀疑,芬兰和俄罗斯边界两侧过敏症患病率的差异可能与环境微生物有关。

赫尔辛基大学已故生态学家 Ilkka Hanski 以及赫尔辛基大学中央医院的研究人员 Tari Haahtela 和 Leena von Hertzen 就这一现象提出了“生物多样性假说”2:人类生活环境中总生物多样性和相应的微生物多样性,能够通过改变微生物组的组成成分影响着人类健康。

他们认为,全球生物多样性的丧失是人类免疫系统失调的罪魁祸首,导致全世界的发达国家中过敏性和炎症性疾病的增多。

这个假说是几十年前的“卫生假说”的延伸,“卫生假说”发展于 20 世纪 80 年代末和 90 年代,当时研究人员逐渐意识到,生活在一个只能接触到有限细菌的现代化世界,与花粉热和其他以免疫功能障碍为特征的疾病有关。

后来,伦敦大学学院的微生物学家和免疫学家 Graham Rook 的“老朋友假说”3也持类似观点,他的假说认为人类,特别是他们的免疫系统,在数万年或更久的时间里都依赖于他们共同进化的微生物。

“免疫系统是一个学习系统,除非将数据输入(让免疫系统接触微生物),否则它无法正常工作(产生正常的免疫反应)。”Rook 说。

大自然与皮肤微生物组

芬兰的研究团队一直在探索环境微生物影响人体免疫系统的可能机制。一种与过敏发展有关的机制可能是:环境微生物通过塑造人体的常驻微生物群来影响人体免疫系统。

这个想法已经得到了卡雷利亚研究数据的支持。在芬兰的皮肤拭子样本中,“我们观察到生活在森林和绿地周围的农村儿童比生活在城市环境中的芬兰儿童过敏率小得多,而且他们的皮肤微生物组也丰富得多。”Fyhrquist 说。

具体来说,农村儿童的皮肤上拥有数量更多且更多样化的微生物,其中 Acinetobacter 的数量尤其丰富,Acinetobacter 是变形菌门中的一个微生物属,通常定植在植物上。

研究人员进一步发现,皮肤上 Acinetobacter 较多的儿童血液中的白细胞较多,并且这些白细胞比城市儿童的白细胞,产生抗炎细胞因子 IL-10 的能力更强。

Fyhrquist 说:“这让我们认为,这类来自大自然的特殊微生物可能以某种方式参与人体免疫系统的训练(识别病原体)或校准(对相应的病原体产生适当的免疫反应)。”

俄罗斯边境相对不发达地区的样本支持了这一观点,但是有意思的,无论这些样本的具体生活环境如何,俄罗斯地区 Acinetobacter 的含量都高于芬兰一侧的样本。Fyhrquist 说:“俄罗斯的生活方式与芬兰人有着天壤之别,这似乎超越了农村和城市生活环境的影响。”

长滩(俄罗斯卡雷利亚)拍摄:TARI HAAHTELA

土壤微生物与肠道微生物组

但是为了知道暴露于土壤微生物中是否导致了与俄罗斯地区相对较低的过敏率相关的微生物组差异,研究团队仍需要做一个实验。

现在在瑞典卡罗林斯卡学院工作的 Fyhrquist 去年和她的合作者使用了一种哮喘小鼠模型。哮喘这种反应与过敏很相关,因为它是由引起过敏的 2 型辅助性 T 细胞(Th2)免疫反应引发的。

他们把一些雌性哮喘小鼠安置在干净的垫草上,而在这些小鼠同胞姐妹的笼子里则撒上了土壤,并将它们养在一个马厩里,马厩里还养着绵羊等其它动物。

六周后,在干净垫草上生活的小鼠比接触土壤的小鼠更容易因哮喘引发的过敏症而发生肺部炎症。

研究团队还发现,与之前的一些研究一致4,暴露于土壤中的小鼠肠道中含有拟杆菌门的细菌多于厚壁菌门的细菌。无论是在小鼠还是人类身上,肠道中拟杆菌门的细菌少于厚壁菌门的细菌,而这种微生物特征通常与哮喘和炎症有关。

暴露于土壤中的动物体内还含有更高水平的抗炎蛋白(可以控制免疫系统),包括一种叫做 A20 的酶,这种酶此前在小鼠哮喘模型中被证明具有保护作用。

“在小鼠身上看到如此多不同程度的修饰和诱导免疫耐受,真是太神奇了。”Fyhrquist 说。

芬兰研究团队的小鼠与充满微生物的土壤进行了长时间的身体接触,但其他研究表明,即使是空气中微量的土壤(类似于一个人在自然界呆上一段时间可能会经历的情况),也会对小鼠的健康产生影响。

在近期发表的另一项研究中,澳大利亚弗林德斯大学的修复生态学家 Martin Breed 和他的同事将少量生物多样性不同的土壤放在鼠笼外的托盘中,每天用风扇在上面扇动两个小时,以产生“非常少的悬浮物”飘向这些动物。他说,与其他研究相比,土壤的剂量要低 100 到 1000 倍。

尽管如此,经过 7 周的这种高微生物多样性的土壤暴露,这些动物的微生物组出现了变化,在标准压力测试中得分较低(即接触土壤可能对小鼠产生抗焦虑作用)5

“与实验刚开始时相比,在实验结束时,暴露于高生物多样性土壤中的小鼠的粪便微生物组更像高生物多样性土壤,”Breed 说,“有的微生物直接从土壤里定植到小鼠肠道中。我被这样一个事实惊呆了,我们可以用如此微小的暴露水平来改变小鼠粪便中的微生物组。”

土壤与人类健康

该领域正利用这些结果努力证明,接触大自然对健康产生广泛益处背后的一个机制是暴露于环境中的各种细菌。

维也纳自然资源和生命科学大学土壤研究所所长 Sophie Zechmeister Boltenster 说:“我认为有越来越多的证据支持这一说法:土壤对人类健康有直接贡献。如果有更多的生物多样性,那么我们对病原体就有更强的适应力和抵抗力。”

但这一结论带来了一个问题:全球土壤中的生物多样性正在减少,Zechmeister-Boltenstern 说,这意味着即使是在接触大自然的人,现在接触到的微生物种类也比过去少了。她和她的同事最近报道说,随着环境中生物多样性的丧失,人类肠道微生物组的多样性也正在减少6

Zechmeister Boltenstern 说:“人们并没有意识到土壤中蕴藏着巨大的生物多样性,但实际上,土壤是地球上最多样化的栖息地。”

参考文献:

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1.Ruokolainen L, Paalanen L, Karkman A, et al. Significant disparities inallergy prevalence and microbiota between the young people in Finnish andRussian Karelia[J]. Clinical & Experimental Allergy, 2017.

2.Hertzen L V, Hanski I, Haahtela T. Natural immunity[J]. Embo Reports,2011, 12(11):1089–1093.

3.Rook G A W, Adams V, Hunt J, et al. Mycobacteria and other environmentalorganisms as immunomodulators for immunoregulatory disorders[J]. SpringerSeminars in Immunopathology, 2004, 25(3-4):237-255.

4.Zhou D, Zhang H, Bai Z, et al. Exposure to soil, house dust and decayingplants increases gut microbial diversity and decreases serum immunoglobulin Elevels in BALB/c mice[J]. EnvironmentalMicrobiology, 2016, 18(5):1326-1337.

5.Liddicoata C, Sydnor H, Dumancela C C, et al.Naturally-diverse airborne environmental microbial exposures modulate thegut microbiome and may provide anxiolytic benefits in mice[J]. Science of TheTotal Environment, 2020.

6. Winfried E.H. B, Sophie Z-B, Katharina M. K. Does Soil Contribute tothe Human Gut Microbiome ?[J]Microorganisms2019, 7(9), 287.


原文链接:https://www.the-scientist.com/infographics/how-does-nature-influence-human-health-66927

作者|Jef Akst

编译|赵婧

审校|617

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