《Foods》：Investigation of Oral Toxicity Mechanisms of Low-Molecular-Weight Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and Probiotic Interventions Under the Framework of the “Gut–Lung Axis”
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低分子量多环芳烃（LMW-PAHs）作为环境与食品加工中普遍存在的污染物，因其通过口服暴露引发的系统性健康危害日益受到关注。近期研究表明，LMW-PAHs的毒性效应不仅限于吸入暴露所致的直接损伤，还可通过破坏被称为“肠–肺轴”（gut–lung axis）的双
低分子量多环芳烃（LMW-PAHs）作为环境与食品加工中普遍存在的污染物，因其通过口服暴露引发的系统性健康危害日益受到关注。近期研究表明，LMW-PAHs的毒性效应不仅限于吸入暴露所致的直接损伤，还可通过破坏被称为“肠–肺轴”（gut–lung axis）的双向通讯系统，诱导远端器官的病理改变。本综述总结了LMW-PAHs的主要来源与健康风险，阐明了肠–肺轴的通讯机制——该轴系由肠道微生物代谢产物、循环炎症因子、免疫细胞迁移及神经内分泌信号组成的双向调控网络。此外，本文探讨了LMW-PAHs口服暴露导致肺损伤的核心机制：主要通过触发肠道菌群（GM）失调、损害肠道屏障完整性及诱发肠道炎症，进而经由“肠–肺轴”传播至肺部引发损伤。针对这些毒性通路，研究人员提出了益生菌干预策略，可通过多种机制拮抗LMW-PAHs经肠–肺轴介导的毒性，包括调节肠道菌群组成、增强肠道屏障完整性、系统性免疫调节以及产生短链脂肪酸（SCFAs）等有益代谢产物。最后，本综述讨论了益生菌干预的应用前景与现有挑战，旨在为基于“肠–肺轴”的益生菌资源开发与应用提供坚实的理论基础与新视角。
1. 引言
随着工业化和城市化快速推进，多环芳烃（PAHs）已成为全球性的环境和公共卫生问题。含二至三环的化合物被定义为低分子量多环芳烃（LMW-PAHs），其相较于高分子量多环芳烃（HMW-PAHs）具有更高的挥发性、水溶性和生物利用度，因而更易通过受污染的食物和水进入人体。传统研究主要关注HMW-PAHs的致癌性与吸入暴露机制，但近期证据表明，口服暴露于LMW-PAHs可通过扰乱“肠–肺轴”（gut–lung axis）平衡间接诱发肺损伤。“肠–肺轴”代表了肠道与肺之间通过微生物和免疫相互作用形成的双向调控机制，包含肠道菌群（GM）改变影响肺部疾病等多方面内容。日常饮食中摄入被PAHs污染的食物或水可能导致GM失调，进而通过肠–肺轴引起肺损伤。PAHs可能异常激活芳烃受体（AhR），干扰色氨酸代谢物如吲哚类对AhR的正常激活，最终影响肺部。益生菌作为一种可行的微生物制剂，可调节GM组成、强化肠道屏障并发挥全身抗炎作用，已在多种肺部疾病中显示出保护潜力。本综述旨在阐明口服暴露LMW-PAHs如何通过肠–肺轴破坏肠道菌群并导致肺损伤，并探索益生菌缓解LMW-PAHs肺毒性的机制及其作为功能食品成分的潜力。
2. LMW-PAHs的来源及其健康影响
2.1. LMW-PAHs的来源与暴露途径
LMW-PAHs是广泛存在的环境污染物，食物是非吸烟者的主要暴露途径。煎炸、烘烤、烟熏等食品加工过程中会产生LMW-PAHs。受污染的地表水和饮用水也是暴露途径之一。农作物和水生生物可通过根系吸收或食物链富集携带LMW-PAHs。香烟烟雾、木材燃烧和汽车尾气排放可将PAHs沉积到水果、蔬菜和鱼类表面。石油泄漏区域的海产品中也含有较高水平的LMW-PAHs。此外，有机材料不完全燃烧、炼油、森林火灾和火山活动将LMW-PAHs释放到大气中，使其吸附于细颗粒物（PM2.5）上，成为城市居民的重要吸入暴露途径。职业暴露则多见于工业环境中皮肤接触含LMW-PAHs的油雾或材料。萘、蒽、菲和芴是代表性LMW-PAHs，主要来源于化石燃料、工业化学品和燃烧副产物，可经口、吸入和皮肤接触进入人体，造成呼吸、生殖、免疫和神经系统等多器官损伤，并伴有遗传毒性和致癌风险。
2.2. LMW-PAHs对肠道的影响
肠道菌群（GM）包含超过1500种细菌，厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）是优势菌门。LMW-PAHs暴露与GM组成改变密切相关。例如，给予LMW-PAHs的小鼠表现出厚壁菌门丰度下降和拟杆菌门丰度上升，提示厚壁菌门对LMW-PAHs毒性更敏感。另一项研究显示剂量依赖性变化：中剂量组酸杆菌门（Acidobacteriota）和绿弯菌门（Chloroflexi）丰度升高，高剂量组乳酸杆菌属（Lactobacillus）水平显著升高。总体而言，LMW-PAHs暴露会降低GM物种丰富度并导致菌群失调。动物实验表明，暴露于菲和芴会损害大鼠结肠上皮完整性，增加隐窝间距并降低肠道紧密连接蛋白的表达。GM产生的短链脂肪酸（SCFAs）是肠上皮细胞的主要能量底物。LMW-PAHs还可诱发肠道炎症，苏木精-伊红（H&E）染色显示结肠黏膜有炎性细胞浸润、杯状细胞减少。在致癌性方面，LMW-PAHs也可能促进结直肠肿瘤形成和肠道出血。
2.3. LMW-PAHs对肺部的影响
虽然口服是LMW-PAHs进入人体的主要途径，但吸入暴露引起的肺损伤更为明显。研究表明，LMW-PAHs可引起肺组织损伤、肺功能下降和呼吸道感染，并可能与哮喘、慢性阻塞性肺疾病（COPD）甚至肺癌的发生发展有关。空气中LMW-PAHs浓度增加与呼吸系统疾病门诊就诊率升高相关。孕妇暴露于PAHs会增加早产风险，而早产儿暴露于高氧环境后可能发展为支气管肺发育不良。本文将对口服暴露LMW-PAHs所致肺损伤及其潜在机制进行全面深入分析，进一步阐明“肠–肺轴”在此过程中的关键调控作用。
2.4. LMW-PAHs的其他健康影响
LMW-PAHs具有潜在的遗传毒性和致癌性，以及致畸、神经毒性、免疫毒性和内分泌毒性。例如，菲暴露可显著降低脾脏淋巴细胞百分比并使血清免疫球蛋白G（IgG）水平在高剂量组降低22.2%。LMW-PAHs的雌激素样效应可能在高暴露条件下引起靶器官内分泌紊乱。近期研究还提示LMW-PAHs可能通过多种机制损害消化、呼吸和免疫系统。
3. LMW-PAHs诱导肠道损伤的机制
LMW-PAHs诱导的肠道损伤主要与GM改变、肠道炎症和肠道屏障受损有关，其中芳烃受体（AhR）发挥核心作用。AhR存在于肠上皮细胞和多种免疫细胞的胞质中，是一种配体激活的转录因子，具有显著的配体特异性和剂量依赖性双重特征。PAHs是AhR的主要配体之一，可与AhR结合后使其构象改变并转位入核，与芳烃受体核转位子（ARNT）相互作用调控基因表达。正常情况下，肠道微生物代谢色氨酸产生的吲哚衍生物是AhR的内源性配体，可抑制NLRP3炎症小体形成从而抑制炎症。然而，LMW-PAHs与AhR结合可能上调细胞色素P450 1A1/1A2表达并导致DNA损伤，改变宿主–微生物代谢功能。AhR还有助于维持肠上皮屏障完整性，但PAHs可破坏这一信号通路。从氧化应激角度看，LMW-PAHs–AhR结合诱导的细胞色素P450 1A2可增强氧化代谢反应，增加肠上皮细胞活性氧（ROS）水平，进而激活NF-κB和NLRP3炎症小体等上游炎症信号通路，刺激促炎细胞因子表达，共同破坏紧密连接蛋白如闭锁蛋白（occludin）和闭锁小带蛋白-1（ZO-1），从而损害肠道屏障并增加通透性。SCFAs等微生物代谢产物可通过AhR发挥肠道保护作用，但LMW-PAHs暴露会抑制产SCFAs的有益菌，如粪杆菌属（Faecalibacterium）和罗斯氏菌属（Roseburia），导致SCFA产量下降，削弱系统性免疫调节。总之，生理条件下色氨酸代谢物和SCFAs激活AhR促进白细胞介素-22（IL-22）产生并抑制NLRP3炎症小体活化以维持肠道稳态；暴露后LMW-PAHs与AhR结合上调细胞色素P450 1A2，引发过量ROS生成和NLRP3活化，最终导致肠道炎症和屏障破坏。一旦肠道屏障受损，GM失调、肠道炎症和屏障功能障碍相互加剧，还可通过炎症因子如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）上调微小RNA-122a（miR-122a）降解闭锁蛋白mRNA等方式进一步增加肠道通透性。
4. LMW-PAHs通过“肠–肺轴”诱导肺损伤的机制
4.1. 跨器官通讯机制
肠道和肺在胚胎起源、解剖结构和免疫防御机制上具有相似性，共享共同的黏膜免疫系统，形成称为“肠–肺轴”的双向跨器官通讯网络。正常生理条件下，分泌型免疫球蛋白A（SIgA）可在不同黏膜效应部位迁移和归巢，中和病原体。除黏膜免疫外，GM发酵膳食纤维产生的SCFAs可通过被动扩散或G蛋白偶联受体介导进入血液运输至肺部，增强肺泡巨噬细胞的吞噬杀菌功能并减轻肺部炎症。LMW-PAHs激活AhR导致GM失调后会减少SCFA产量，削弱免疫调节。肠道屏障受损是肠道免疫细胞迁移至肠外部位的前提条件，LMW-PAHs激活AhR破坏肠道屏障后，会导致肠道免疫细胞异常归巢至肺部，可能驱动肺部炎症。此外，LMW-PAHs引发的肠道炎症可释放脂多糖（LPS）、TNF-α、白细胞介素-6（IL-6）、白细胞介素-1β（IL-1β）等多种代谢物和炎症介质，经血液循环到达肺部造成损伤。迷走神经是连接肠道与中枢神经系统（CNS）的重要双向通讯通路。肠嗜铬细胞（ECCs）在神经内分泌信号中发挥关键作用，可分泌5-羟色胺（5-HT）促进炎症反应。
4.2. 肺损伤机制
肺部毛细血管内皮极薄，易受循环炎症介质损伤。肠道和气道黏膜的结构功能相似性使淋巴细胞可在两者间双向迁移。炎症介质到达肺部后可激活免疫细胞和炎症信号通路，如LPS激活支气管上皮细胞的Toll样受体4（TLR4）/髓样分化因子88（MyD88）/白细胞介素-1受体相关激酶（IRAK）/肿瘤坏死因子受体相关因子6（TRAF6）/NF-κB信号级联，产生促炎细胞因子，可能触发急性肺损伤（ALI）。肠道微生物代谢物氧化三甲胺（TMAO）可激活巨噬细胞和单核细胞，刺激趋化因子和细胞因子释放，进一步驱动肺部炎症。持续性肺部炎症与COPD、囊性纤维化、肺炎、哮喘、肺癌、ALI及急性呼吸窘迫综合征（ARDS）等疾病的发生发展相关。肺部炎症还可能通过神经内分泌通讯反馈至中枢神经系统影响肠道。LMW-PAHs暴露诱导的肠道菌群失调、氧化应激和肠道屏障损伤使炎症介质和LPS进入循环，激活支气管上皮细胞的TLR4/NF-κB通路，触发全身性炎症，导致包括肠炎和肺炎在内的多器官损伤。
5. 益生菌干预的机制
鉴于LMW-PAHs的致病效应主要通过局部肠道炎症和GM失调导致肠道屏障受损、炎症因子全身播散并最终引起肺部炎症，益生菌如嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）、短双歧杆菌（Bifidobacterium breve）和布拉氏酵母菌（Saccharomyces boulardii）已被证明具有抗炎、调节肠道菌群和免疫调节特性，可能部分抵消LMW-PAHs诱导的致病过程。
5.1. 益生菌调节肠道菌群组成的机制
益生菌的主要作用是增加有益菌并减少有害菌，主要通过竞争性排斥和产生抗菌物质实现。竞争性排斥包括竞争黏附位点、竞争营养物质和分泌抗菌化合物三个方面。益生菌通过表达特异性表面黏附素如黏液结合蛋白（MUB）和黏液黏附促进蛋白（MapA）增强黏膜黏附并竞争性排除病原菌。双歧杆菌（Bifidobacterium）分泌胞外糖苷酶高效降解碳水化合物，在底物竞争中取得优势。乳酸等有机酸和细菌素等抗生素物质也发挥关键作用。通过调节GM结构，益生菌可间接增强肠道屏障和黏膜免疫功能。
5.2. 益生菌增强肠道屏障功能的分子机制
益生菌发酵未消化多糖产生SCFAs，如乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。SCFAs是结肠上皮细胞的首选能量底物，可促进结肠上皮细胞产生紧密连接蛋白如闭锁蛋白、密封蛋白（claudin）、连接黏附分子（JAMs）和三细胞紧密连接蛋白（tricellulin）以增强肠道物理屏障。杯状细胞产生主要由黏蛋白（MUC2）构成的凝胶样黏液层隔离病原菌，潘氏细胞分泌防御素等抗菌肽直接杀灭或抑制病原微生物。当病原体穿透肠固有层时，免疫细胞释放IL-22等细胞因子与上皮细胞上的IL-22受体结合，上调紧密连接蛋白表达。
5.3. 益生菌在免疫稳态和抗炎调控中的作用
益生菌通过SCFA产生可增加局部肠道免疫球蛋白A（IgA）水平，中和病原体和毒素。SCFAs可诱导巨噬细胞向抗炎M2表型极化。更重要的是，SCFAs可通过AhR降低辅助性T细胞17（Th17）/调节性T细胞（Treg）比值，减少促炎细胞因子产生。例如，鼠乳杆菌（Lactobacillus murinus）调节宿主色氨酸衍生吲哚代谢物和SCFA水平，激活AhR通路并抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）活性，上调叉头框蛋白P3（Foxp3）表达，促进CD4+ T细胞分化为Treg细胞，抑制Th17转化。Treg细胞分泌抗炎细胞因子白细胞介素-10（IL-10）和转化生长因子-β（TGF-β），而Th17细胞分泌促炎细胞因子IL-17、IL-21和IL-22。益生菌的抗氧化活性有助于保护细胞免受LMW-PAHs诱导的损伤，乳酸菌（LAB）可通过释放游离酚类化合物、产生抗氧化小肽和氨基酸等方式清除ROS。益生菌通过调节GM和限制病原体入侵，可减少由炎症因子和ROS诱导的NF-κB信号通路激活。此外，副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei）代谢产生的棕榈酸等长链脂肪酸可激活免疫细胞表面的G蛋白偶联受体（GPR40/GPR120）及下游信号级联，调节IL-1β等介质的释放以增强早期免疫防御。益生菌还在胆汁酸的肠肝循环中发挥作用，将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸，次级胆汁酸通过激活法尼醇X受体（FXR）和Takeda G蛋白偶联受体5（TGR5）抑制炎症。然而，直接证据表明益生菌通过肠–肺轴拮抗LMW-PAHs诱导肺损伤的研究仍有限，不同菌株效果存在差异，适宜干预剂量和治疗时长尚未统一，仍需更多高质量随机对照试验。
6. 总结与展望
本综述阐明了口服暴露LMW-PAHs通过“肠–肺轴”诱发肺损伤的级联过程：LMW-PAHs破坏肠道菌群稳态、损害肠道屏障并触发局部和全身性炎症，进而传播至肺部。其中，配体依赖的AhR信号发挥核心双重作用，驱动肠道氧化应激和炎症损伤。益生菌作为潜在对策，可通过调节肠道菌群组成、增强肠道屏障、调控免疫稳态以及产生短链脂肪酸等保护性代谢产物来减轻这一毒性。然而，当前证据基础仍主要为机制性和间接性，直接研究益生菌干预LMW-PAHs诱导的肠–肺毒性的报道有限，实际膳食LMW-PAHs暴露量与实验剂量的定量数据仍然匮乏。关键空白包括通过无菌动物模型和粪菌移植建立因果关系、确定有效菌株、剂量和治疗时长，以及通过随机对照试验在高暴露人群中验证有效性。填补这些空白需要整合宏基因组学、代谢组学和单细胞技术等方法来绘制潜在分子网络。最终，源头控制、减少暴露与经过验证的益生菌干预相结合的多层次策略可能为减轻LMW-PAHs相关呼吸风险提供一条可行路径。
