腸道菌群與肺部疾病相關(guān)性研究進(jìn)展

李文龍 李慧君 張豐泉 姜靜 張貴成 吳衛(wèi)東

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院河南省空氣污染健康效應(yīng)與干預(yù)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（新鄉(xiāng)453003）

腸道菌群是人體腸道內(nèi)長(zhǎng)期存在的微生物群落，正常的腸道微生物群在宿主營(yíng)養(yǎng)代謝、藥物代謝、維持腸道黏膜屏障結(jié)構(gòu)完整性、免疫調(diào)節(jié)和抵御病原體等方面發(fā)揮著特殊功能［1-2］。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群在疾病的炎癥、代謝和免疫調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，因而提出了“腸-肝”軸［3］和“腸-腦”軸等［4］概念。與此同時(shí)，相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間以來(lái)，健康人的肺部被認(rèn)為是無(wú)菌的，但隨著高通量測(cè)序技術(shù)在分子生物學(xué)中的大量應(yīng)用，越來(lái)越多的研究報(bào)道了肺組織中檢測(cè)出微生物的證據(jù)［5-6］。肺部和腸道作為與外界直接相通的空腔臟器，均存在各自的微生物群落，且有著共同的胚胎起源和黏膜免疫系統(tǒng)，相關(guān)研究表明肺部和腸道之間存在“腸-肺”軸的內(nèi)在聯(lián)系［7-8］，慢性肺疾病患者的腸道菌群特征、表觀遺傳、免疫信號(hào)傳遞和益生菌治療已經(jīng)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。本文主要就腸道菌群與肺部疾病的相關(guān)性進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 腸道菌群與腸肺軸

“腸-肺”軸是腸道與肺部相互聯(lián)系的橋梁，雙向調(diào)控，主要包括兩方面內(nèi)容：（1）腸道微生態(tài)的失衡影響肺部疾病的發(fā)生發(fā)展，主要表現(xiàn)在腸道菌群細(xì)菌豐度和多樣性的改變，以免疫系統(tǒng)為媒介，通過(guò)調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答、改變T 淋巴細(xì)胞亞群的活性和一些免疫細(xì)胞的募集、遷移等方面調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫反應(yīng)［9］；HUANG 等［10］研究發(fā)現(xiàn)，Ⅱ型先天淋巴細(xì)胞（ILC2s）在炎癥信號(hào)的反應(yīng)過(guò)程中可從腸道進(jìn)入肺和其他器官，從而影響效應(yīng)位點(diǎn)的免疫反應(yīng)。ILC2s 參與“II 型免疫”，通常被白細(xì)胞介素-25（IL-25）和IL-33 激活，產(chǎn)生大量的IL-5 和IL-13，當(dāng)IL-25 誘導(dǎo)或微生物感染作為炎癥信號(hào)時(shí)，富集于小腸的ILC2s 以1-磷酸鞘氨醇（S1P）依賴(lài)的方式打開(kāi)通向淋巴管的通路。被激活的來(lái)源于小腸的ILC2s 也被稱(chēng)作炎性ILC2s（iILC2s），iILC2s從淋巴管進(jìn)入血管進(jìn)而遷移至肺部，參與肺部的“Ⅱ型免疫”和組織修復(fù)。BRADLEY 等［11］利用自身免疫關(guān)節(jié)炎模型，發(fā)現(xiàn)腸道微生物群中的分節(jié)絲狀細(xì)菌（SFB）可以遠(yuǎn)距離刺激肺部病理，通過(guò)“腸-肺”軸誘導(dǎo)Th17 加劇自身免疫，同時(shí)SFB 并不依賴(lài)于分子模擬或旁路激活途徑來(lái)誘導(dǎo)Th17。在外周組織中，SFB 選擇性擴(kuò)增表達(dá)Th17 的雙T細(xì)胞受體（TCR），識(shí)別SFB表位和自身抗原，從而增強(qiáng)自身免疫。（2）流行病學(xué)證據(jù)表明，慢性肺部疾病患者也多伴有胃腸道疾病，某些肺部疾病的發(fā)生發(fā)展同樣會(huì)影響胃腸道疾?。?2-13］。WANG 等［14］發(fā)現(xiàn)，呼吸道流感感染在肺損傷時(shí)會(huì)引起腸損傷，而不是直接由腸道病毒感染引起的。流感感染改變了腸道微生物群的組成，由肺源性CCR9+CD4+T 細(xì)胞進(jìn)入小腸產(chǎn)生的IFN-γ 介導(dǎo)。PR8 流感病毒株感染后，小腸TH17 細(xì)胞顯著增加，IL-17a 中和抗體可減少小腸損傷。此外，腸道微生物群的改變能顯著刺激腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生IL-15，進(jìn)而促進(jìn)原位小腸中Th17 細(xì)胞的極化。由此可見(jiàn)，“腸-肺”軸作為腸道與肺部聯(lián)系的關(guān)鍵性通路，在二者疾病間的相互影響中扮演著重要角色。

2 腸道菌群與肺部疾病

2.1 腸道菌群與哮喘哮喘是兒童最常見(jiàn)的慢性氣道疾病，早期的“衛(wèi)生學(xué)假說(shuō)”認(rèn)為［15］，生命早期微生物的暴露能夠刺激免疫系統(tǒng)發(fā)育，減少過(guò)敏性哮喘的發(fā)生?，F(xiàn)有證據(jù)表明［16-17］，在小鼠和人類(lèi)的早期生活中存在一個(gè)“關(guān)鍵窗口期”，在這個(gè)窗口期中，腸道微生態(tài)失調(diào)的影響對(duì)人類(lèi)免疫發(fā)育的影響最大。相關(guān)研究表明剖腹產(chǎn)可減少生命早期腸道菌群的多樣性，改變腸道菌群的組成［18］，與此同時(shí)，剖腹產(chǎn)還會(huì)增加兒童患哮喘的風(fēng)險(xiǎn)［19］。ARRIETA 等［20］基于縱向研究方法比較了319 名加拿大健康嬰兒的腸道微生物群，發(fā)現(xiàn)有哮喘風(fēng)險(xiǎn)的嬰兒在出生后100 d 內(nèi)表現(xiàn)出短暫的腸道微生態(tài)失調(diào)。哮喘患兒Lachnospira、Veillonella、Faecalibacterium、Rothia 等菌屬相對(duì)豐度明顯降低，這種細(xì)菌菌群的減少伴發(fā)糞便醋酸鹽水平的降低。將以上這四種細(xì)菌類(lèi)群移植至無(wú)菌小鼠腸道，改善了其成年子代氣道炎癥，證明了這些細(xì)菌類(lèi)群在避免哮喘發(fā)生中的重要作用。THORBURN 等［21］通過(guò)飲食干預(yù)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高纖維飲食喂養(yǎng)小鼠會(huì)產(chǎn)生特異腸道微生物群，增加短鏈脂肪酸（SCFAs）醋酸鹽的水平。高纖維或醋酸鹽喂養(yǎng)可通過(guò)增強(qiáng)調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞數(shù)量和功能來(lái)抑制過(guò)敏性氣道疾?。ˋAD），在表觀遺傳方面，高纖維/醋酸鹽喂養(yǎng)懷孕小鼠其后代成年后不出現(xiàn)AAD，但抑制小鼠幼胎肺中與人類(lèi)哮喘和小鼠AAD 相關(guān)的基因的表達(dá)。由此可見(jiàn)，腸道菌群在生命活動(dòng)早期即對(duì)哮喘的發(fā)生有一定的影響，甚至影響表觀遺傳學(xué)特征。

2.2 腸道菌群與肺部感染微生物侵襲是肺部感染最常見(jiàn)的原因，肺部作為氣體交換的場(chǎng)所，與外界直接相通，不斷暴露在外環(huán)境刺激之下，當(dāng)微生物的數(shù)量或類(lèi)群超過(guò)了肺部免疫防御“閾值”，則引起肺部感染的發(fā)生。SCHUIJT 等［22］研究了腸道菌群在宿主防御肺炎鏈球菌感染中的作用后發(fā)現(xiàn)，腸道菌群在肺炎鏈球菌所致肺炎期間對(duì)宿主有保護(hù)作用，與對(duì)照組相比，清除了腸道微生物的小鼠的細(xì)菌傳播、炎癥、器官損傷和死亡率均增加。為清除腸道微生物的小鼠進(jìn)行糞便移植實(shí)驗(yàn)（FMT）后發(fā)現(xiàn)，肺炎球菌感染6 h 后，小鼠肺部細(xì)菌計(jì)數(shù)、腫瘤壞死因子-α 和IL-10 水平恢復(fù)正常。肺泡巨噬細(xì)胞全基因組圖譜顯示，在缺乏健康腸道菌群的情況下，代謝途徑上調(diào)，這種上調(diào)與細(xì)胞反應(yīng)性改變有關(guān)，表現(xiàn)為對(duì)脂多糖和脂磷壁酸的反應(yīng)性降低。與對(duì)照組相比，腸道微生物缺失小鼠肺泡巨噬細(xì)胞吞噬肺炎鏈球菌的能力降低，證實(shí)了腸道菌群是肺炎鏈球菌性肺炎的保護(hù)性因素。TSAY 等［23］發(fā)現(xiàn)經(jīng)抗生素預(yù)處理清除腸道共生菌后，在C3H/HeN 小鼠中，大腸桿菌肺炎引起肺過(guò)氧化物酶（MPO）活性下降30%，肺泡巨噬細(xì)胞的殺菌活性和細(xì)菌計(jì)數(shù)顯著下降，而在Toll樣受體4（TLR4）缺陷的C3H/HeJ 小鼠中則無(wú)此現(xiàn)象。在抗生素預(yù)處理期間添加脂多糖（LPS，一種TLR4 的配體）可抵抗上述影響，減少大腸桿菌肺炎所致C3H/HeN 小鼠死亡。此外，清除腸道菌群可抑制C3H/HeN 小鼠肺內(nèi)NF-κB 與DNA 結(jié)合活性，使角化細(xì)胞趨化因子（KC）、巨噬細(xì)胞炎性蛋白-2（MIP-2）、IL-1β 表達(dá)升高，加重炎癥反應(yīng)。以上研究結(jié)果表明，腸道菌群可以提高對(duì)肺部感染細(xì)菌的清除能力。

2.3 腸道菌群與慢性阻塞性肺疾?。–OPD）COPD是慢性感染和炎癥導(dǎo)致肺損害和功能喪失的疾病，COPD 的急性加重與肺部微生態(tài)的失衡有關(guān)，肺微生物群的豐度、組成、分類(lèi)和系統(tǒng)發(fā)育多樣性發(fā)生變化導(dǎo)致炎癥反應(yīng)發(fā)生［24］。“惡性循環(huán)”假說(shuō)［25］認(rèn)為吸煙或微生物暴露等吸入性損傷引起的肺固有防御的改變，使致病菌持續(xù)增殖。WANG等［26］發(fā)現(xiàn)肺部微生物組的變化可能通過(guò)介導(dǎo)宿主炎癥反應(yīng)，參與COPD 的加重。OTTIGER 等［27］研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物依賴(lài)的三甲胺-N-氧化物（TMAO）與COPD 加重患者的長(zhǎng)期全因病死率相關(guān)，6年后的全因病死率為55.6%。然而，截至目前，COPD 患者的胃腸道菌群特征尚不明確。有證據(jù)表明，暴露于香煙煙霧會(huì)導(dǎo)致人體和小鼠的腸道細(xì)菌失調(diào)。與非吸煙的克羅恩病患者相比，吸煙患者腸道微生物基因豐富度、屬和物種多樣性均有所降低，其中Collinsella、Enterorhabdus、Gordonibacter 和Faecalibacterium prausnitzii 相對(duì)豐度較低［28］。此外，據(jù)報(bào)道，吸煙者的腸道微生物群組成發(fā)生了重大變化，這種變化在戒煙后減少，與持續(xù)吸煙者和非吸煙者相比，非吸煙者的腸道總體微生物多樣性顯著增加，厚壁菌門(mén)和放線菌門(mén)增加，擬桿菌門(mén)和變形菌門(mén)的比例較低［29］。長(zhǎng)期（24周以上）暴露于香煙煙霧的小鼠中結(jié)腸細(xì)菌失調(diào)，Lachnospiraceae 增加［30］。

2.4 腸道菌群與肺癌2018年全球癌癥報(bào)告［31］顯示，肺癌的發(fā)病率和死亡率居于全球首位，占癌癥死亡總?cè)藬?shù)的近五分之一。近來(lái)研究顯示，腸道菌群會(huì)影響腫瘤免疫治療［32］。VéTIZOU 等［33］報(bào)道腸道微生物群可以通過(guò)細(xì)胞毒T 淋巴細(xì)胞相關(guān)抗原4（CTLA-4）減弱癌癥免疫治療效果。在無(wú)菌或抗生素處理的小鼠中，anti-CTLA-4 抗體不能控制腫瘤生長(zhǎng)，反而導(dǎo)致脾臟效應(yīng)因子CD4+T 細(xì)胞和腫瘤浸潤(rùn)淋巴細(xì)胞的活性降低。CTLA-4 阻斷使糞便中擬桿菌門(mén)和伯克氏桿菌門(mén)水平降低，梭菌門(mén)水平增加。同樣，SIVAN 等［34］的研究表明，口服雙歧桿菌可增強(qiáng)黑素瘤小鼠模型中抗程序化死亡配體-1（PD-L1）腫瘤應(yīng)答，促進(jìn)抗腫瘤免疫。另一方面，ROUTY 等［35］研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群組成異常是導(dǎo)致免疫檢查點(diǎn)抑制劑（ICIs）耐藥的主要原因，抗生素抑制了晚期肺癌患者ICIs 的臨床療效。此項(xiàng)研究共納入249 例患者，其中晚期非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）140 例，腎細(xì)胞癌（RCC）67例，泌尿上皮癌42 人。其中，抗生素處理組的癌癥患者無(wú)進(jìn)展生存期（PFS）和總生存期（OS）較對(duì)照組明顯縮短，在考慮了腫瘤類(lèi)型的情況下結(jié)果未發(fā)生改變。單變量和多變量Cox 回歸分析結(jié)果顯示，在NSCLC 和RCC 患者中，抗生素可作為ICIs抵抗的獨(dú)立預(yù)測(cè)因素。糞便樣本宏基因組分析提示，ICIs 的臨床效應(yīng)與Akkermansia muciniphila 的相對(duì)豐度有相關(guān)性。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，將ICIs 無(wú)應(yīng)答小鼠的糞便進(jìn)行移植后，口服補(bǔ)充Akkermansia muciniphila 可以通過(guò)增加CCR9+CXCR3+CD4+T 淋巴細(xì)胞在小鼠腫瘤灶的募集，以IL-12 依賴(lài)的方式恢復(fù)對(duì)PD-1 阻斷的療效。DEROSA 等［36］的人群研究同樣發(fā)現(xiàn)，NSCLC 患者ICIs 的臨床活性與抗生素呈負(fù)相關(guān)。此外，KATAYAMA 等［37］回顧性研究了40 例晚期NSCLC 患者接受ICIs 治療的資料發(fā)現(xiàn)，糞便異常的NSCLC 患者的疾病控制率低于無(wú)糞便異常的NSCLC 患者。與無(wú)糞便異常的NSCLC患者相比，糞便異常的NSCLC 患者ICIs 治療失敗率更高。這些研究均說(shuō)明腸道菌群與肺癌治療效果密切相關(guān)，使用抗生素會(huì)導(dǎo)致腸道微生態(tài)失衡進(jìn)而降低ICIs 療效。

3 腸道菌群的作用機(jī)制

3.1 G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）激活GPCRs 是一大類(lèi)膜蛋白受體，這些受體可以感知多種信號(hào)分子，與多種配體結(jié)合，激活細(xì)胞內(nèi)一系列傳導(dǎo)通路，具有重要的生理功能。研究發(fā)現(xiàn)，G 蛋白偶聯(lián)受體GPR41、GPR43、GPR109A 可被短鏈脂肪酸（SCFAs）激活，參與機(jī)體免疫應(yīng)答［38］。SCFAs 是腸道菌群與膳食纖維的發(fā)酵產(chǎn)物，可以調(diào)節(jié)免疫功能，預(yù)防過(guò)敏性氣道炎癥的發(fā)生［39］，這些分子通過(guò)抑制組蛋白脫乙酰酶活性發(fā)揮抗炎特性［40］，還能誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞［41］、前列腺素E2 產(chǎn)生［42］及改變樹(shù)突狀細(xì)胞功能，在多種環(huán)境下發(fā)揮抗炎作用。MACIA 等［43］研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs 可與代謝敏感受體GPR43 和GPR109A 結(jié)合，通過(guò)調(diào)節(jié)炎性小體促進(jìn)膳食纖維誘導(dǎo)的腸道穩(wěn)態(tài)。MIRKOVIC 等［44］的研究表明，SCFAs 刺激囊性纖維化（CF）患者的支氣管上皮細(xì)胞產(chǎn)生過(guò)量的IL-8，SCFA 受體GPR41 在CF 患者上皮細(xì)胞中過(guò)度表達(dá)，通過(guò)小干擾RNA（SiRNA）阻斷其信號(hào)通路，抑制CF 氣道細(xì)胞IL-8的產(chǎn)生，參與微生物介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。

3.2 TLRs 介導(dǎo)TLRs 是一類(lèi)在先天免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用并參與炎癥過(guò)程的蛋白。TLR 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活可使許多在宿主防御中起作用的基因表達(dá)，包括炎癥細(xì)胞因子、趨化因子和抗原呈遞分子［45］。有研究［46］表明，在高脂肪飲食條件下，腸道微生物群可通過(guò)TLR 信號(hào)（主要是TLR2 和TLR4）加重炎癥和代謝。給小鼠喂食富含飽和脂肪的食物會(huì)導(dǎo)致體重增加、食物攝入量增加、呼吸商降低，并增加Bacteroides，Turicibacter和Bilophila的豐度。而喂食富含多不飽和脂肪的飲食，則可增加Bifidobacteriumadlercreutzia、Lactobacillus、Streptococcus、Akkermansia mucinila 的水平。同時(shí)，ROUND 等［47］證明了腸道共生菌Bacteroides fragilis可以激活TLR 通路來(lái)建立宿主-微生物共生關(guān)系，Bacteroides fragilis 的共生因子（PSA，多糖A）可通過(guò)TLR2 信號(hào)直接作用于Foxp3+調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞，促進(jìn)免疫耐受。FAGUNDES 等研究［48］也顯示，腸道微生物可通過(guò)激活TLR 依賴(lài)的途徑改變宿主對(duì)環(huán)境感染刺激的反應(yīng)。

3.3 NOD 樣受體（NLRs）識(shí)別NLRs 是一種模式識(shí)別受體，類(lèi)似于TLRs，屬于細(xì)胞質(zhì)受體，可識(shí)別病原體相關(guān)分子模式（PAMPs）和損傷相關(guān)分子模式（DAMPs），激活的NLRs 具有炎癥小體形成、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄激活和自噬四大類(lèi)功能，在先天免疫應(yīng)答中發(fā)揮重要作用［49］。CLARKE 等［50］發(fā)現(xiàn)，清除腸道微生物群后，肺炎克雷伯菌的早期清除率受損，可以通過(guò)源自胃腸道的NLRs 配體（主要是NOD1 和NOD2 配體）識(shí)別病原體分子來(lái)增強(qiáng)肺泡巨噬細(xì)胞活性，挽救肺部防御。此外，NOD2 表達(dá)依賴(lài)于腸道共生菌，為無(wú)菌小鼠補(bǔ)充共生菌可誘導(dǎo)NOD2 表達(dá)增加［51］，NOD2 缺失會(huì)導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子生成增多，從而加重上皮細(xì)胞發(fā)育不良，這種情況可以通過(guò)使用抗生素或抗IL-6 受體中和抗體來(lái)改善［52］。

4 結(jié)論與展望

腸道菌群與肺部微生物群、腸道與肺部相互作用關(guān)系正在被揭示，面對(duì)我國(guó)嚴(yán)峻的大氣污染形勢(shì)，呼吸系統(tǒng)的暴露首當(dāng)其沖，以COPD、哮喘為代表的慢性肺部疾病負(fù)擔(dān)日益加重，疾病防控形勢(shì)不容樂(lè)觀，已經(jīng)成為我國(guó)重大的公共衛(wèi)生問(wèn)題，腸道菌群研究有望為慢性呼吸系統(tǒng)疾病帶來(lái)新的治療契機(jī)。然而在此之前，哮喘與腸道菌群的相關(guān)研究已經(jīng)被廣泛報(bào)道，但關(guān)于COPD 與腸道菌群的相關(guān)研究卻依然欠缺，COPD 作為比哮喘更為嚴(yán)重的慢性肺部疾病，正亟待我們進(jìn)一步研究。