慢性阻塞性肺疾病肺部微生物群的研究進(jìn)展

蔣育悅,陳秋艷,金力波,黃旭晴

(杭州師范大學(xué)附屬醫(yī)院,1.呼吸內(nèi)科;2.心胸外科,浙江 杭州,310000)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一種常見(jiàn)的以持續(xù)性氣流受限為特點(diǎn)的可防治疾病，其氣流受限往往呈進(jìn)行性發(fā)展，與有毒顆?；驓怏w所致的呼吸道慢性炎癥不斷增強(qiáng)有關(guān)。進(jìn)行性發(fā)展的氣流受限最終將導(dǎo)致肺功能的持續(xù)損傷。COPD目前位居全球死亡原因第4位，預(yù)計(jì)在2020年將成為全球第3位死亡原因[1]。吸煙、粉塵和化學(xué)物質(zhì)的吸入、空氣污染、遺傳因素等被認(rèn)為是COPD的高危因素，而其根本病因尚不明確。目前已有研究[2-3]顯示，COPD肺部微生物群發(fā)生了改變，健康吸煙者的肺部即有致病菌定植，這說(shuō)明肺部微生物群的改變可能是COPD的潛在病因。本研究總結(jié)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于肺部微生物群的研究，探討肺部微生物群的特征及其在COPD發(fā)生發(fā)展中的作用，現(xiàn)綜述如下。

1 肺部正常微生物群

1.1 肺部正常微生物群的特征

既往由于常規(guī)細(xì)菌培養(yǎng)技術(shù)的相對(duì)局限性，傳統(tǒng)觀點(diǎn)[4]認(rèn)為健康人群的下呼吸道處于無(wú)菌狀態(tài)。新一代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，使得這一觀點(diǎn)受到了沖擊。Hilty等[5]利用基因測(cè)序技術(shù)首次報(bào)道了下呼吸道中存在數(shù)量相當(dāng)可觀的微生物群落。后續(xù)多項(xiàng)研究[6]也證明了健康人群的肺部存在多樣性的微生物群落。Erb-Downward J R[7]認(rèn)為健康人群的肺部存在“核心菌群”，其主要組成包括假單胞菌、鏈球菌、普氏桿菌、梭菌、細(xì)孔菌、嗜血桿菌、內(nèi)塞菌和卟啉單胞菌。后續(xù)多項(xiàng)的研究[2,8]也得出了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2 影響肺部微生物群的因素

① 飲食:有證據(jù)[9]顯示高纖維飼料喂養(yǎng)的小鼠肺部擬桿菌門(mén)/厚壁菌門(mén)比值增加。② 抗生素:Smith D J[10]報(bào)道顯示，在接受靜脈注射抗生素治療的囊性肺纖維化患者的痰液中，銅綠假單胞菌的相對(duì)豐度在第3天出現(xiàn)顯著下降。③ 吸煙:吸煙可引起纖毛搏動(dòng)頻率降低，纖毛上皮細(xì)胞剝落，杯狀細(xì)胞增多，黏膜下腺肥大，鱗狀細(xì)胞化生增多[11]。有研究[12]顯示吸煙可以抑制補(bǔ)體介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞的吞噬作用，煙霧暴露可減少前列腺素E2的產(chǎn)生。前列腺素E2的減少直接導(dǎo)致β防御素-2減少，導(dǎo)致肺部細(xì)菌載量增加[13]。④ 污染:一項(xiàng)研究[14]通過(guò)對(duì)COPD高風(fēng)險(xiǎn)人群組與健康對(duì)照組進(jìn)行PM2.5暴露后的肺部菌群進(jìn)行分析，結(jié)果顯示PM2.5的暴露與肺部微生物群落的變化顯著相關(guān),PM2.5可能通過(guò)改變支氣管樹(shù)的局部微環(huán)境而改變微生物群落，而肺部微生物群落的改變又能影響肺功能。⑤ 分娩方式:Dominguez-Bello等[15]報(bào)道顯示，經(jīng)陰道分娩的嬰兒的肺部微生物群落以乳酸菌、普雷沃特拉菌或Sneathia菌種為主，類(lèi)似于其母親陰道的細(xì)菌群落。剖宮產(chǎn)嬰兒則獲得了類(lèi)似于皮膚細(xì)菌群落的葡萄球菌、棒狀桿菌和丙酸桿菌[16]。

2 COPD肺部微生物群

2.1 穩(wěn)定期COPD肺部微生物群變化

在健康人的肺部，外界微生物的入侵和消除能夠維持動(dòng)態(tài)平衡。人體能夠通過(guò)肺部的黏液纖毛、咳嗽、免疫反應(yīng)等方式清除外界來(lái)源的微生物。在疾病狀態(tài)下，肺的區(qū)域生長(zhǎng)條件發(fā)生了巨大的變化，為選擇性細(xì)菌繁殖創(chuàng)造了容許環(huán)境，最終導(dǎo)致了晚期肺部疾病中細(xì)菌定植現(xiàn)象的長(zhǎng)期存在。Soler N[17]提出的惡性循環(huán)假說(shuō)認(rèn)為肺的自我保護(hù)機(jī)制受吸煙、有害氣體吸入、兒童時(shí)期罹患呼吸系統(tǒng)疾病等始動(dòng)因素影響，導(dǎo)致病原菌定植，其產(chǎn)物及其引起的一系列炎癥反應(yīng)可以造成氣道微生物穩(wěn)態(tài)被打破、黏膜分泌物增加、纖毛清除活力減弱、氣道彈性組織離解及呼吸道黏膜的進(jìn)一步損傷，這一過(guò)程互相促進(jìn)、循環(huán)往復(fù)，促進(jìn)COPD病情的進(jìn)展。Sze M A等[18]對(duì)非吸煙者、吸煙者、COPD患者的肺部進(jìn)行取樣后分析發(fā)現(xiàn)，各組間菌群總數(shù)無(wú)明顯差異，而各標(biāo)本間的細(xì)菌組成則明顯不同,COPD組的厚壁菌門(mén)數(shù)量多于其余組，實(shí)驗(yàn)表明COPD患者的肺部微生物群落多樣性明顯減弱。Soler等[3]則通過(guò)收集肺泡灌洗液和無(wú)菌毛刷刷取吸煙者和輕度、中度以及重度COPD患者的下呼吸道樣本，分析后發(fā)現(xiàn)1/3吸煙者的肺部存在致病菌定植，這表明在疾病的早期即可存在定植情況。在另一項(xiàng)研究[19-20]中發(fā)現(xiàn)下呼吸道潛在致病菌的定植與炎癥的增加有關(guān)，這與惡性循環(huán)假說(shuō)一致。

2.2 急性加重期COPD肺部微生物群變化

COPD急性加重的特征是患者呼吸系統(tǒng)癥狀?lèi)夯绾粑щy、咳嗽、咳痰癥狀明顯加重，更易發(fā)生氣喘，活動(dòng)受限。目前認(rèn)為COPD的急性加重主要與細(xì)菌或病毒感染有關(guān)，而在大多數(shù)情況下經(jīng)過(guò)抗生素治療后急性發(fā)作的癥狀能夠緩解，這似乎預(yù)示著在急性加重期COPD肺部的微生物群落發(fā)生了一系列的變化?，F(xiàn)有的研究顯示在COPD穩(wěn)定期與急性加重期肺部微生物群落并無(wú)顯著差異。Huang等[21]通過(guò)分析COPD患者加重前、加重中、加重后獲得的一系列樣本中細(xì)菌組成的變化發(fā)現(xiàn)，從整體上看,COPD患者加重時(shí)微生物組成變化不大。Millares L[22]研究再次證明了這一觀點(diǎn)，在獲得的穩(wěn)定期和急性加重期的樣本中，微生物組成無(wú)顯著差異，僅有少數(shù)細(xì)菌屬的相對(duì)豐度在急性加重期有所增多。但急性加重期肺部微生物功能發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為碳水化合物代謝增強(qiáng)，而分解代謝減弱，這可能使細(xì)菌具有更高的毒力和致病性。但是尚不明確這種肺部微生物群的改變是導(dǎo)致急性加重的原因，還是急性加重導(dǎo)致的結(jié)果。

3 COPD肺部微生物與炎癥反應(yīng)

流感嗜血桿菌定植被認(rèn)為是COPD的特征之一[23],通過(guò)對(duì)比吸煙者與已戒煙COPD患者肺部巨噬細(xì)胞吞噬功能發(fā)現(xiàn),COPD患者肺部巨噬細(xì)胞對(duì)流感嗜血桿菌存在吞噬功能缺陷[24]。而巨噬細(xì)胞吞噬功能的下降，將導(dǎo)致病原體逃避免疫清除，未被清除的病原體能夠進(jìn)一步促進(jìn)組織破壞和局部炎癥，這可能是COPD發(fā)病的機(jī)制之一[24-25]。Yadava K等[26]研究發(fā)現(xiàn)，嗜血桿菌可誘導(dǎo)呼吸道樹(shù)突細(xì)胞活化，能夠有效刺激IL-23、IL-12p70和IL-10等炎癥因子的釋放，同時(shí)該研究還發(fā)現(xiàn)普氏菌可部分抑制嗜血桿菌引起的炎癥因子釋放。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[27]中發(fā)現(xiàn)肺部微生物可通過(guò)提高局部IL-17水平促進(jìn)炎癥，這可能是肺部慢性炎癥的基礎(chǔ)。

也有學(xué)者[28]提出腸-肺軸模型，腸道微生物水平及其代謝產(chǎn)物的水平能夠?qū)Ψ蔚纳砬闆r及免疫情況產(chǎn)生深刻影響。早期在對(duì)一組被診斷為哮喘的學(xué)齡前兒童身上即發(fā)現(xiàn)了腸道菌群失調(diào)的情況[29]。目前尚缺乏COPD患者腸道菌群失調(diào)的證據(jù)。但通過(guò)對(duì)健康吸煙者的糞便進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌的數(shù)量明顯減少[30],在另一項(xiàng)研究中則顯示肺功能損傷的患者經(jīng)益生菌治療后，腸道菌群失調(diào)得以改善，且肺功能情況也有一定程度的好轉(zhuǎn)。進(jìn)一步研究證明短鏈脂肪酸可能通過(guò)激活短鏈脂肪酸受體(GPR43)或抑制組蛋白去乙酰化酶(HDAC)來(lái)刺激調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Tregs)以保護(hù)氣道炎癥[31]。Gray J等[32]報(bào)道了宿主免疫系統(tǒng)與腸道共生菌的相互作用，腸道共生菌誘導(dǎo)產(chǎn)生IL-22的免疫細(xì)胞優(yōu)先轉(zhuǎn)運(yùn)至肺部，而IL-22可促進(jìn)宿主對(duì)肺炎的抵抗力，腸道菌群的破壞會(huì)改變新生小鼠肺中產(chǎn)生IL-22免疫細(xì)胞的功能，進(jìn)而使肺炎的易感性增加。Ji Y W[33]報(bào)道顯示長(zhǎng)期高脂肪飲食會(huì)導(dǎo)致Toll樣受體2和4缺乏的小鼠肺損傷加重，甚至死亡。這種由呼吸道疾病導(dǎo)致的腸道菌群失調(diào)，可能會(huì)促進(jìn)肺部炎癥的發(fā)展，而肺局部微環(huán)境的改變可能會(huì)導(dǎo)致肺部微生物群落的改變，從而進(jìn)一步加重肺部炎癥。

4 展 望

根據(jù)目前已有研究結(jié)果，可以確定肺部微生物組的變化與肺部疾病的進(jìn)展相關(guān)，但肺部微生物群的變化是肺部疾病發(fā)展的原因，或者是肺部疾病發(fā)展的結(jié)果尚不能明確，這需要進(jìn)一步大規(guī)模的研究去證實(shí)。進(jìn)一步探索肺部微生物在呼吸道疾病中的作用及其對(duì)免疫功能的影響，將有助于醫(yī)學(xué)界從微生物學(xué)角度了解慢性阻塞性肺疾病的病因，也有助于全新的治療手段的研發(fā)。