肺部菌群與呼吸道疾病的相互關(guān)系

李宗杰 狄荻 李蓓蓓

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院上海獸醫(yī)研究所，上海 200241）

近年來(lái)，關(guān)于肺部微生物與呼吸道感染的相互關(guān)系的研究越來(lái)越多，大量研究發(fā)現(xiàn)肺部微生物的相對(duì)豐度和物種多樣性對(duì)于呼吸道疾病的發(fā)生和傳播有重要影響［1］。由于呼吸道黏膜免疫系統(tǒng)具有物理屏障作用和識(shí)別清除能力，學(xué)術(shù)界曾經(jīng)一度認(rèn)為健康機(jī)體的肺是無(wú)菌的［2-3］。但是，隨著不依賴體外培養(yǎng)的第二代測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，在健康個(gè)體的肺組織中也發(fā)現(xiàn)有多種共生微生物定植［4］。

肺部菌群的形成與出生方式、飲食結(jié)構(gòu)、生活環(huán)境和抗生素使用等多種因素都有密切關(guān)系，研究證實(shí)幼體肺部菌群的結(jié)構(gòu)組成會(huì)影響全生命周期的健康狀態(tài)［5-6］。生命早期過(guò)度使用抗生素不僅會(huì)造成肺部菌群的結(jié)構(gòu)失衡，還會(huì)增加成年后患上哮喘（Asthma）和慢性阻塞性肺疾?。–hronic obstructive pulmonary disease，COPD）等呼吸道疾病的風(fēng)險(xiǎn)［7］。通過(guò)對(duì)比分析母乳喂養(yǎng)的仔豬和人工喂養(yǎng)的仔豬呼吸道微生物的結(jié)構(gòu)組成，發(fā)現(xiàn)某些特定菌株可以通過(guò)降低仔豬的炎癥細(xì)胞因子水平而影響免疫功能［8］。

由于上呼吸道和下呼吸道的微生態(tài)環(huán)境明顯不同，因此在呼吸道不同部位定植的菌群結(jié)構(gòu)組成也各不相同，有些細(xì)菌（如肺炎鏈球菌等）可能與整個(gè)呼吸道的急性感染有關(guān)［9-11］。呼吸道細(xì)菌感染經(jīng)常與病毒感染同時(shí)發(fā)生或者在病毒感染之后發(fā)生，因此肺部菌群和呼吸道病毒之間存在復(fù)雜的協(xié)同作用或競(jìng)爭(zhēng)作用［12］。通過(guò)干預(yù)生命早期肺部菌群的結(jié)構(gòu)組成，進(jìn)一步調(diào)節(jié)肺部免疫穩(wěn)態(tài)可以成為預(yù)防呼吸道感染的新策略。

1 肺部菌群的來(lái)源和種類

下呼吸道作為機(jī)體氣體交換的主要場(chǎng)所，經(jīng)常暴露在含有不同微生物的空氣環(huán)境中，因此與肺泡直接接觸的環(huán)境微生物經(jīng)常會(huì)隨場(chǎng)所改變而發(fā)生變化。由于肺部免疫系統(tǒng)具有強(qiáng)大的抗菌防御能力，能夠?qū)M(jìn)入肺泡的各種微生物進(jìn)行有效的識(shí)別和清除，因此只有小部分適應(yīng)肺部免疫系統(tǒng)的微生物才可以穩(wěn)定定植［7］。

1.1 肺部菌群的主要來(lái)源

通過(guò)比較分析吸煙者和非吸煙者的呼吸道微生物的結(jié)構(gòu)組成，發(fā)現(xiàn)雖然兩個(gè)群體的口腔菌群的物種組成差別較大，但是肺部菌群的物種組成差別卻不明顯［13］。此外，通過(guò)比較研究艾滋病病毒感染者和未感染者的呼吸道菌群結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)群體的口腔菌群的結(jié)構(gòu)組成差別較大，但是肺部菌群的物種組成卻沒(méi)有明顯差別，說(shuō)明不同人群的肺部菌群的物種組成相對(duì)比較穩(wěn)定［14］。由于肺部菌群的物種組成與口腔菌群的物種組成有較高的相似度，但是與鼻腔菌群的物種組成卻有較大的差異，因此肺部菌群可能主要來(lái)源于口腔菌群［15］。

1.2 肺部菌群的物種組成

利用16S rRNA高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)肺部菌群進(jìn)行多樣性研究［16-17］，發(fā)現(xiàn)肺部菌群在門的分類水平物種組成主要包括變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidetes）等，然而在屬的分類水平物種組成主要包括普氏菌（Prevotella）、韋榮球菌（Veillonella）、假單胞菌（Pseudomonas）、梭桿菌（Fusobacteria）和鏈球菌（Streptococcus）等。肺部菌群與口腔菌群共有的細(xì)菌包括腸桿菌（Enterobacteriaceae）、嗜血桿菌（Haemophilus）、甲基桿菌（Methylobacterium）和雷爾氏菌（Ralstonia）等［13］。肺部的細(xì)菌數(shù)量明顯比上呼吸道的細(xì)菌數(shù)量少，特別是普氏菌的豐度明顯下降，但是變形菌門的豐度較高，可能主要與肺部的氧氣利用功能和氧化還原狀態(tài)有關(guān)。

2 肺部菌群對(duì)肺部免疫穩(wěn)態(tài)及肺部疾病的作用與影響

肺部菌群與宿主之間的相互作用可以影響多種呼吸道疾病的發(fā)生和發(fā)展。例如，慢性阻塞性肺疾病患者的肺部菌群處于紊亂狀態(tài)，其中可以發(fā)現(xiàn)有21.1%的口腔菌群和8.7%的鼻腔菌群［18］。肺部菌群通過(guò)作用于宿主的肺部免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)免疫穩(wěn)態(tài)，維持宿主對(duì)共生菌群的免疫耐受和炎癥感染之間的動(dòng)態(tài)平衡［19］。

2.1 肺部菌群對(duì)肺部免疫穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)作用

肺部菌群不僅可以影響呼吸道的黏膜屏障，還可以作用于天然免疫系統(tǒng)和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)以清除入侵的病原微生物。肺部菌群主要通過(guò)產(chǎn)生模式識(shí)別受體（Pattern recognition receptors，PRRs）誘導(dǎo)Treg細(xì)胞和Th17細(xì)胞的分化來(lái)維持肺部免疫平衡。當(dāng)胎兒在母體子宮時(shí)，由于免疫系統(tǒng)尚未發(fā)育成熟，主要表現(xiàn)為Th2細(xì)胞主導(dǎo)的免疫反應(yīng)；胎兒出生后的兩周左右，肺部菌群的主要成員由變形菌門和厚壁菌門逐漸向擬桿菌門轉(zhuǎn)變，促進(jìn)天然T細(xì)胞由Th2型免疫反應(yīng)逐漸向Th1型免疫反應(yīng)轉(zhuǎn)變，從而可以增強(qiáng)對(duì)哮喘和過(guò)敏性疾病的抵抗能力［20］。Yang等［21］通過(guò)對(duì)比分析正常肺組織和肺纖維化病理組織的菌群組成發(fā)現(xiàn)，普氏菌和擬桿菌（Bacteroides）豐度升高后可以分泌外膜囊泡（Outer membrane vesicles，OMVs）產(chǎn)生脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）和脂蛋白等成分，通過(guò)作用于肺泡巨噬細(xì)胞的Toll樣受體（Toll like receptors，TLRs）并進(jìn)一步激活下游的髓樣分化因子88（Myeloid differentiation factor88，MyD88）信號(hào)通路，從而促進(jìn)白介素-17B（Interleukin-17B，IL-17B）的表達(dá)。IL-17B不僅可以直接作用于肺上皮細(xì)胞，還可以通過(guò)招募中性粒細(xì)胞并促進(jìn)Th17細(xì)胞分化進(jìn)而引起肺纖維化［22］。Singanayagam等［23］發(fā)現(xiàn)慢性阻塞性肺病患者的肺部菌群紊亂與抗菌肽cathelicidin的表達(dá)量下降密切相關(guān)，而增加外源性抗菌肽可以抑制肺炎鏈球菌的擴(kuò)張并降低肺組織中的細(xì)菌總量，表明抗菌肽可以通過(guò)改變肺部菌群結(jié)構(gòu)而影響免疫穩(wěn)態(tài)。

2.2 肺部菌群對(duì)肺部疾病的影響

肺部菌群不僅可以調(diào)節(jié)肺部免疫穩(wěn)態(tài)，還可以進(jìn)一步影響哮喘、慢性阻塞性肺疾病、特發(fā)性肺纖維化（Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）、囊腫性纖維化（Cystic fibrosis，CF）以及肺癌等多種肺部疾病的發(fā)生和發(fā)展［10，24］。由于無(wú)菌小鼠的免疫系統(tǒng)發(fā)育不完善，因此可以作為研究呼吸道菌群和肺部疾病的理想動(dòng)物模型。將感染慢性肺炎小鼠的呼吸道菌群移植到無(wú)菌小鼠體內(nèi)后發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)增加無(wú)菌小鼠的白細(xì)胞介素-17A（IL-17A）分泌而引起肺部炎癥［25］。肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）和流感嗜血桿菌（Haemophilus influenzae）可以通過(guò)激活絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號(hào)通路引起肺部炎癥反應(yīng)。脂多糖攻毒造成小鼠肺部慢性炎癥的同時(shí)也改變了肺部菌群的豐度和多樣性，如可引起假單胞菌（Pseudomonas）和乳酸桿菌（Lactobacillus）的豐度增加以及普氏菌的豐度減少［26］。哮喘病患者的普氏菌和韋榮球菌等共生菌的豐度明顯降低，而鏈球菌、嗜血桿菌（Haemophilus）和奈瑟氏球菌（Neisseria）等條件致病菌的豐度卻明顯升高。當(dāng)無(wú)菌小鼠接種金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）等呼吸道共生微生物后，可以通過(guò)激活粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激 因 子（Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）信號(hào)通路和Nod樣受體（Nod-like receptor，NLRs）信號(hào)通路提高抗感染能力［27］。肺癌患者的肺部菌群與正常人的肺部菌群明顯不同，結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）等病原菌可以通過(guò)激活Myd88信號(hào)通路產(chǎn)生炎癥細(xì)胞因子（如 IL-1β和 IL-23），進(jìn)一步刺激肺 γδ T 細(xì)胞產(chǎn)生IL-17等效應(yīng)分子促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖［28-29］。此外，肺上皮細(xì)胞（Lung epithelial cells，LEC）的核因子κB（Nuclear factor kappa-B，NF-κB）信號(hào)通路激活后可以抵抗真菌感染，主要通過(guò)刺激天然淋巴細(xì)胞吞噬并殺滅皮炎芽生菌（Blastomyces dermatitidis）等肺部真菌發(fā)揮抗感染作用［30］。

3 肺部菌群與其他共生微生物的相互作用

在宿主不同部位定植的共生微生物之間也可以互相影響，主要通過(guò)菌群易位定植和產(chǎn)生代謝物進(jìn)入血液循環(huán)等方式進(jìn)行互動(dòng)交流［31］。

3.1 肺部菌群與腸道菌群之間的互動(dòng)交流

中醫(yī)臟腑理論認(rèn)為“大腸主肺，肺與大腸相表里”，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究也發(fā)現(xiàn)慢性肺病的患者通常也會(huì)伴隨出現(xiàn)惡性腸梗阻和炎癥性腸病等癥狀，說(shuō)明肺部菌群與腸道菌群之間可能存在互動(dòng)交流。腸道中的分節(jié)絲狀細(xì)菌（Segmented filamentous bacteria，SFB）、雙歧桿菌（Bifidobacterium）和擬桿菌可以通過(guò)誘導(dǎo)宿主產(chǎn)生Th17細(xì)胞和分泌性免疫球蛋白A（Secretory immunoglobulin A，sIgA）降低肺炎鏈球菌引起的肺部感染［32］。腸道菌群產(chǎn)生的脂多糖可通過(guò)與Toll樣受體（TLRs）和Nod樣受體（Nod-like receptor，NLRs）結(jié)合影響肺部對(duì)流感病毒肺的免疫反應(yīng)，而使用抗生素處理過(guò)的無(wú)菌小鼠則失去了這種反應(yīng)能力［33］。腸道菌群中的一些成員還可以通過(guò)產(chǎn)生短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFAs）和五羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）等代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)肺部免疫穩(wěn)態(tài)。腸道內(nèi)由白細(xì)胞介素-25（Interleukin-25，IL-25）誘導(dǎo)產(chǎn)生的天然淋巴細(xì)胞（Innate lymphoid cells，ILC）可以遷移至肺部并引起組織損傷，從而導(dǎo)致哮喘和慢性阻塞性肺疾病等慢性肺病［34］。因此，肺部菌群和腸道菌群對(duì)話交流構(gòu)成了肺和腸道功能聯(lián)系的橋梁［35］。

3.2 肺部菌群與呼吸道病毒的相互作用

肺部菌群與呼吸道病毒可以在多個(gè)層次上發(fā)生相互作用。一方面，肺部菌群及其產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物可以促進(jìn)呼吸道病毒增殖并增強(qiáng)其感染能力。囊腫性纖維化患者在感染病原性銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）之后，經(jīng)常容易感染呼吸道合胞病毒（Respiratory syncytial virus，RSV），流感病毒（Influenza virus）、副流感病毒（Parainfluenza virus）、鼻病毒（Rhinovirus）和腺病毒（Adenovirus）等［36］。另一方面，呼吸道病毒也可以通過(guò)損傷宿主黏膜屏障、影響免疫功能引起繼發(fā)性細(xì)菌感染，并引起肺部菌群的豐度和多樣性發(fā)生變化［37］。豬繁殖與呼吸綜合征病毒（Porcine reproductive and respiratory syndrome，PRRS） 和 豬 圓 環(huán) 病 毒 2型（Porcine circovirus-2，PCV-2）共感染可以引起共生菌群的豐度和多樣性均發(fā)生變化［18］。另外，共生菌群可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)肺間質(zhì)細(xì)胞抑制流感病毒的早期復(fù)制，主要是通過(guò)增加I型干擾素受體（Type I interferons receptor，IFNAR1）表達(dá)量和提升基礎(chǔ)干擾素信號(hào)發(fā)揮抗病毒作用38］。

4 結(jié)語(yǔ)

肺部菌群對(duì)呼吸道免疫穩(wěn)態(tài)有重要的調(diào)節(jié)作用，肺部菌群的結(jié)構(gòu)失衡與多種肺部疾病都有密切關(guān)系。因此，研究肺部菌群與宿主之間的相互作用對(duì)于預(yù)防和治療呼吸道感染有重要意義［39］。益生菌在預(yù)防呼吸道感染和降低感染癥狀方面有巨大的應(yīng)用潛力，在健康個(gè)體的肺部菌群培養(yǎng)得到的某些特定菌株經(jīng)鼻腔接種后對(duì)哮喘和過(guò)敏性疾病有改善作用，說(shuō)明在生命早期對(duì)呼吸道菌群進(jìn)行干預(yù)可影響肺部疾病的發(fā)生和發(fā)展［40］。此外，通過(guò)給嚴(yán)重哮喘的小鼠模型口服短雙歧桿菌（MRx0004）可以顯著降低肺泡灌洗液的中性粒細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞的浸潤(rùn)，感染甲型流感病毒的小鼠口服乳酸桿菌（SBT2055）后可通過(guò)誘導(dǎo)IgA的產(chǎn)生提高存活率［41］。由于不同的益生菌菌株定植能力的差異，在體內(nèi)發(fā)揮的作用也不盡相同。因此，使用包含多種益生菌的復(fù)合制劑干預(yù)肺部菌群備受青睞，糞菌移植（Fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT）干預(yù)可以降低感染肺炎鏈球菌的小鼠的死亡率，說(shuō)明糞菌移植技術(shù)有望成為預(yù)防呼吸道感染的新策略［42］。