肺炎支原體感染呼吸道菌群和細(xì)胞因子的研究進(jìn)展

彭丹 何秋水

首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病原生物學(xué)系,北京100069

肺炎支原體 (Mycoplasma pneumoniae,MP)介于細(xì)菌和病毒之間,可在無細(xì)胞培養(yǎng)基上獨(dú)立生存,無細(xì)胞壁,呈多種形態(tài),主要經(jīng)飛沫傳播。MP 感染以冬春季節(jié)多見[1]。MP 是引起兒童社區(qū)獲得性肺炎 (communityacquired pneumonia,CAP)的主要病原體之一,占兒童CAP病例的40%。此外,多達(dá)18%的肺炎支原體肺炎(Mycoplasma pneumoniae pneumonia,MPP)兒童患者需要住院治療[2]。雖然MPP 通常被認(rèn)為是一種自限性疾病,但近年來嚴(yán)重病例甚至致命病例報(bào)道越來越多[3]。MP感染的具體致病機(jī)制尚不明確,但研究證實(shí)MP 感染細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)及大量細(xì)胞因子的釋放在發(fā)病過程中起著重要作用。近年來發(fā)現(xiàn),一些細(xì)胞因子可作為生物標(biāo)志物被用于MP感染的病原學(xué)診斷及嚴(yán)重程度評估[4]。最新研究表明,肺炎患者呼吸道菌群與正常兒童存在顯著的差異,MPP可使呼吸道菌群明顯改變[5]。因此,呼吸道菌群作為一種重要因素,可能對呼吸道免疫反應(yīng)及相關(guān)疾病發(fā)生存在直接的影響甚至發(fā)揮更重要的調(diào)控作用。本文將對MP感染中呼吸道菌群和重要細(xì)胞因子的作用進(jìn)行綜述,為進(jìn)一步精準(zhǔn)診斷、個(gè)性化治療和有效干預(yù)提供理論依據(jù)。

1 MP感染呼吸道菌群的改變

健康人體呼吸道黏膜表面定植著大量的細(xì)菌,其中主要的菌門包括厚壁菌門、放線菌門、擬桿菌門、變形桿菌門和梭桿菌門。健康狀態(tài)下細(xì)菌與人體形成互利共生的狀態(tài)。而細(xì)菌之間通過群體感應(yīng)系統(tǒng)和局部產(chǎn)生的抗微生物多肽調(diào)節(jié)細(xì)菌種類和數(shù)量以保持動(dòng)態(tài)平衡[5]。上下呼吸道菌群具有高度同源性,但上呼吸道菌群數(shù)量較下呼吸道多。MP感染后可導(dǎo)致呼吸道菌群失調(diào),致病菌的豐度增加引起炎癥和免疫反應(yīng),從而導(dǎo)致病情加重。

1.1 上呼吸道菌群的改變 健康學(xué)齡兒童口咽部(oropharyngeal,OP)菌群優(yōu)勢菌屬為擬桿菌屬、放線菌屬及變形菌屬[6]。鼻咽部 (nasopharyngeal,NP)菌群構(gòu)成主要以葡萄球菌屬、棒狀桿菌屬和丙酸菌屬等為主[7]。大量報(bào)告顯示,肺炎患者的上呼吸道菌群多樣性和豐富度較低,從而導(dǎo)致菌群失調(diào)。孫玲玲等[8]在研究中分析了MP感染對兒童OP 菌群變化的可能影響。MPP 患兒OP菌群多樣性比健康兒童明顯降低。在門水平上,變形菌門、擬桿菌門和梭桿菌門在健康兒童中相對豐度顯著高于MPP患兒組,而厚壁菌門、柔膜菌門和放線菌門在MPP患兒組中相對豐度均顯著高于健康兒童組;在屬水平上,葡萄球菌屬、放線菌屬、不動(dòng)細(xì)菌屬、阿托波菌屬、棒狀桿菌屬和營養(yǎng)缺陷菌屬在MPP患兒中顯著增加 (表1)。Dai等[9]研究結(jié)果顯示,在健康兒童中發(fā)現(xiàn)OP 菌群主要是普氏菌屬和鏈球菌屬。與健康兒童相比,MPP 患兒OP 微生物多樣性及相關(guān)基因數(shù)量減少,支原體屬及葡萄球菌屬在MPP患者中顯著增加 (表1)。

Sakwinska等[12]首次研究了NP 菌群構(gòu)成與肺部感染的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)兒童的鼻咽微生物群的改變與疾病的發(fā)生存在一定關(guān)系。Lu等[10]納入119例患兒 (年齡中位數(shù)為2.8歲),其中MPP 患兒60 例,健康兒童59 名。無論是NP菌群還是OP菌群,患者組與健康兒童組均有顯著性差異,患病兒童的微生物多樣性較低。在MPP 患者中,NP 和OP菌群之間有較大的相似性,提示NP菌群可能向OP傳播。所有兒童的OP 和NP 菌群中均以厚壁菌門為主,但在肺炎患者中顯著增加;擬桿菌門在健康兒童的OP和NP菌群中富集。在屬水平上患者無論是NP 菌群還是OP 菌群支原體屬、葡萄球菌屬、乳酸桿菌屬、勞爾菌屬、不動(dòng)桿菌屬和放線菌屬顯著聚集,而普雷沃菌屬在健康兒童中尤其豐富 (表1)。

有研究表明健康兒童和患病兒童之間存在不同的NP和OP菌群。一項(xiàng)前瞻性研究結(jié)果顯示,呼吸道感染 (中耳炎、呼吸道合胞病毒感染和哮喘)兒童的NP 和OP 之間不平衡菌群的傳播可能進(jìn)一步引發(fā)肺部感染[13]。

上呼吸道菌群在肺炎中可以預(yù)測疾病嚴(yán)重程度,乳酸桿菌屬、羅氏菌屬或肺炎鏈球菌屬的相對豐度與肺炎嚴(yán)重程度有關(guān)[12]。

1.2 下呼吸道菌群的改變 隨著生物技術(shù)的發(fā)展,采用下一代測序技術(shù)可知肺部含有很多細(xì)菌。MP 感染時(shí)肺微生態(tài)紊亂,下呼吸道菌群失調(diào),伴隨免疫功能紊亂,自然殺傷細(xì)胞和中性粒細(xì)胞過度激活,從而導(dǎo)致呼吸道疾病進(jìn)展。Dai等[5]納入28 例MPP 患者,32 名健康兒童為對照組,分析支氣管肺泡灌洗液 (bronchoalveolar lavage fluid,BALF)菌群得出MPP患者支原體屬顯著增加,嗜血桿菌屬及葡萄球菌屬為肺部菌群的優(yōu)勢菌屬。而且入院治療的MPP患者住院時(shí)間長,發(fā)熱峰值較高及血清C反應(yīng)蛋白升高明顯,說明MPP患者肺部菌群失調(diào)與疾病嚴(yán)重程度顯著相關(guān)。Wang等[11]在研究中利用Shannon's指數(shù)顯示BALF菌群多樣性的差異,發(fā)現(xiàn)MPP組的多樣性低于腺病毒肺炎(adenoviral pneumonia,AVP)和氣管軟化組。PCA 分析還顯示在MPP、AVP 和氣管軟化組的微生物樣本之間存在差異。在菌門水平上,氣管軟化組和MPP組分別以變形桿菌門及柔膜菌門為主;而AVP患兒肺菌群中厚壁菌門的豐度最高。在屬水平上,MPP、AVP和氣管軟化組肺部菌群分別以支原體屬、鏈球菌屬及假單胞菌屬為主。在MPP患者中肺部菌群與IL-4、IL-5、IL-6、腫瘤壞死因子1α(tumor necrosis factor-1α,TNF-1α)、IL-1α的表達(dá)有顯著相關(guān)性 (表1)。在多項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)肺炎患者肺部菌群,除乳球菌屬、假單胞菌屬、普氏桿菌屬、梭桿菌屬,還發(fā)現(xiàn)了嗜血桿菌屬和奈瑟菌屬,而且葡萄球菌屬和鏈球菌屬數(shù)量均有所增加[14-15]。肺部菌群的改變可幫助我們進(jìn)一步診斷MPP及嚴(yán)重性進(jìn)行評估,以便及時(shí)進(jìn)行治療。

表1 肺炎支原體感染對呼吸道菌群的影響

2 MP感染中細(xì)胞因子的情況

雖然MP的確切致病機(jī)制尚不清楚,但近年來細(xì)胞因子在MP感染中的作用已引起廣泛關(guān)注。細(xì)胞因子是一組由激活的淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞等細(xì)胞分泌的信號分子。它們既是體液免疫反應(yīng)的重要組成部分,也是細(xì)胞免疫反應(yīng)的重要組成部分,它們通過與靶細(xì)胞膜上的特定受體結(jié)合來發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)。細(xì)胞因子在宿主抵御細(xì)菌或病毒感染以及其他有害因素方面起著至關(guān)重要的作用。接下來我們將討論與MP感染相關(guān)的幾種重要細(xì)胞因子 (表2)。

2.1 IL-1家族 IL-1 被認(rèn)為是 “典型的多功能”細(xì)胞因子,幾乎可以影響每一種細(xì)胞類型。在動(dòng)物模型中,BALB/c小鼠肺部在急性和繼發(fā)性感染中IL-1βm RNA 水平上調(diào)[24]。在C57BL/6 小鼠感染模型中進(jìn)一步證實(shí)肺內(nèi)CD4+T 細(xì)胞浸潤可能是導(dǎo)致IL-1β升高的原因之一[25]。與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,MP引起的CAP患者與肺炎鏈球菌引起的CAP 患者相比急性期和恢復(fù)期血清IL-1β水平均升高[26]。Yang等[16]研究結(jié)果顯示MPP 患兒較對照組IL-1β顯著升高。

2.2 IL-2和IL-2R IL-2主要由Th1細(xì)胞產(chǎn)生,它的活性反映了體內(nèi)Th1細(xì)胞的功能。IL-2R 是IL-2受體亞家族的一員,以3種形式存在,包括單體IL-2Rα、二聚體IL-2Rβγ和三聚體IL-2Rαβγ。在BALB/c小鼠感染模型中,可以檢測到IL-2和IL-2R 的表達(dá),但I(xiàn)L-2 m RNA 的表達(dá)水平在24 h后迅速下降[24]。在MP 感染患者的BALF 中檢測到IL-2水平升高,血清可溶性IL-2R 水平也顯著升高,重度患者血清可溶性IL-2R 值明顯高于輕度患者[27]。同樣Yang等[16]在MPP中發(fā)現(xiàn)IL-2有助于區(qū)分重度MPP與輕度MPP及對照。可見監(jiān)測IL-2的水平可反映MPP的炎癥情況,盡早發(fā)現(xiàn)重癥MPP患者。

2.3 IL-4 IL-4主要由Th2細(xì)胞分泌,它的水平代表Th2活性。由于IL-4的產(chǎn)生導(dǎo)致免疫系統(tǒng)產(chǎn)生Th2依賴性的過敏反應(yīng),它與過敏和哮喘等特應(yīng)性疾病有關(guān)。在BALB/c小鼠感染模型中研究發(fā)現(xiàn)MP 接種后18個(gè)月左右IL-4有升高的趨勢[28]。相比之下,Hayakawa等[29]報(bào)道稱,MP感染在無菌IQI/Jic小鼠脾臟細(xì)胞中導(dǎo)致IL-4生成顯著增加。Koh 等[17]測 定MPP 患 者 的BALF 上 清 液 中IL-2、IFN-α和IL-4的水平,研究結(jié)果顯示與對照組相比,MPP組的IL-4水平和IL-4/IFN-γ比值明顯升高,而IFN-γ則無明顯升高,說明MP感染主要引起Th2型細(xì)胞因子為主的免疫應(yīng)答。

2.4 IL-6 IL-6是另一種重要的促炎細(xì)胞因子,對體液免疫和細(xì)胞免疫均有調(diào)節(jié)作用。IL-6作用于B 淋巴細(xì)胞,使其大量增殖導(dǎo)致過度免疫,從而加重MP 感染。它是炎癥急性期反應(yīng)的標(biāo)志。MP感染患者血清IL-6水平升高,血清IL-6濃度可能是MP 感染嚴(yán)重程度和預(yù)后的潛在指標(biāo)。Zhang等[4]對收治的634例MPP患兒進(jìn)行回顧性分析,結(jié)果IL-6、IL-10、IFN-γ 及中性粒細(xì)胞百分率、CD8+均顯著高于普通肺炎支原體肺炎 (general Mycoplasma pneumoniae pneumonia,GMPP)組。經(jīng)分析顯示IL-6 可能是兒童難治性肺炎支原體肺炎 (refractory Mycoplasma pneumoniae pneumonia,RMPP)的顯著預(yù)測因子,有助于RMPP的早期識(shí)別[18]。田芳等[19]分析了48例MPP 急性期患兒 (重癥組和輕癥組分別為21例和27例)和30名健康兒童 (對照組)TNF-α、IL-6 和半乳凝素3 的濃度。其研究結(jié)果表明血清TNF-α、IL-6 和半乳凝素3 在MPP的發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用,其血清濃度可反映MPP患兒的病情輕重。Wang等[11]研究的結(jié)果顯示,MPP組肺菌群與IL-2、IL-4、IL-5、IL-6、TNF-α和IL-1α濃度有很強(qiáng)的相關(guān)性?？梢奍L-6可作為病情嚴(yán)重的生物標(biāo)志物。

表2 肺炎支原體感染細(xì)胞因子的變化情況

2.5 IL-8 炎癥的一個(gè)方面是中性粒細(xì)胞向炎癥部位的外滲,這是在局部分泌的趨化因子的幫助下完成的。IL-8是中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞和T 淋巴細(xì)胞的有效趨化和活化因子,因此是細(xì)菌感染或其他刺激時(shí)中性粒細(xì)胞流入肺部的主要因素。Chen等[2]探討了中性粒細(xì)胞活性、臨床表現(xiàn)以及MP/IL-8/中性粒細(xì)胞軸在MPP發(fā)病中的作用。在此研究中體外檢測MP感染支氣管上皮細(xì)胞后不同時(shí)間點(diǎn)IL-8的產(chǎn)生,并分析IL-8刺激后中性粒細(xì)胞的活性。MP 以時(shí)間依賴的方式誘導(dǎo)支氣管上皮細(xì)胞產(chǎn)生IL-8。IL-8刺激后,中性粒細(xì)胞產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶9、髓過氧化物酶和中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶的量較對照組明顯增加。總之MP/IL-8/中性粒細(xì)胞軸可能在MPP的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。Arae等[30]研究者研究MP-Ag刺激支氣管上皮細(xì)胞 (A549)時(shí)表皮生長因子受體通路對IL-8 生成的影響,IL-8 生成增加,促進(jìn)了MP感染的炎癥反應(yīng)。

2.6 IL-10 IL-10是一種抗炎細(xì)胞因子。炎癥與慢性肺病的發(fā)展有關(guān),及時(shí)抑制炎癥反應(yīng)對機(jī)體的健康至關(guān)重要。Zhang等[20]比較RMPP 組與GMPP 組的血清細(xì)胞因子水平,結(jié)果顯示RMPP組細(xì)胞因子IL-6、IFN-γ、IL-10均顯著高于GMPP組。IL-10 和IFN-γ可作為學(xué)齡兒童RMPP的良好預(yù)測因子。在研究中MPP 患者血清IL-8、IL-18、IL-10水平較對照組明顯升高[31]。Medjo等[32]研究發(fā)現(xiàn),MPP患兒與非MPP 患兒血清IL-4 水平差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,而MPP患兒IL-10水平明顯高于非MPP患兒。

2.7 IL-17 IL-17是一種主要由活化的T 細(xì)胞產(chǎn)生的致炎細(xì)胞因子。Kurai等[33]研究者在BALB/c小鼠腹腔內(nèi)注射MP提取物,以模擬人體內(nèi)的重復(fù)MP 感染的情況,結(jié)果顯示IL-6、IL-17、TNF-α水平明顯升高。

Fan等[21]研究發(fā)現(xiàn)MPP患兒BALF中IL-1Ra、IL-6、IL-8、IL-17、TNF-α水平較血漿明顯升高。RMPP患兒血漿IL-6 水平雖高于GMPP 患兒,但I(xiàn)L-17 水平呈相反趨勢。RMPP組兒童BALF中IL-8、IL-17、TNF-α水平明顯高于GMPP 組,IL-17 水平升高與病灶大小增加相關(guān)。BALF中IL-17及相關(guān)細(xì)胞因子的升高提示MPP患兒的局部炎癥反應(yīng)應(yīng)與全身炎癥反應(yīng)相鑒別。此外,RMPP 可能與感染部位的炎癥惡化有關(guān)。IL-17水平可能與MPP 肺損害的程度和嚴(yán)重程度有關(guān)。

Yang等[22]研究發(fā)現(xiàn)重度MPP組IL-17A 的m RNA 水平明顯低于輕度MPP 組和小兒支氣管異物組。IL-17A 可用于區(qū)分重度MPP和輕度MPP。而且IL-17A 水平與某些臨床特征有關(guān)。難治性MPP患兒和有胸腔積液的MPP患兒IL-17A水平較低。嚴(yán)重MPP患兒BALF中IL-17A 蛋白水平也明顯下降。因此,BALF中IL-17A 水平的降低可能是鑒別兒童重度MPP的一個(gè)有價(jià)值的生物標(biāo)志物。

2.8 IFN-γ IFN-γ可由Th1、殺傷T 細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞分泌,以炎癥細(xì)胞為靶點(diǎn),介導(dǎo)對遲發(fā)型超敏反應(yīng)至關(guān)重要的各種效應(yīng)。在BALB/c和C57BL/6小鼠MP感染模型中檢測到IFN-γ表達(dá)。在MPP患者的血清中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了IFN-γ水平增加,而且可作為學(xué)齡兒童RMPP 的良好預(yù)測因子[20]。Sekine等[34]以鼻內(nèi)感染MP或接種MP抗原 (可溶性抗原和部分純化抗原)的無菌小鼠為研究對象,探討免疫應(yīng)答的致病意義。IFN-γ在內(nèi)源性細(xì)胞因子表達(dá)中起主導(dǎo)作用。

2.9 TNF-α TNF-α是另一種重要的促炎細(xì)胞因子,參與急性和慢性炎癥反應(yīng)。TNF-α 在肺部炎癥中也起重要作用。TNF-α在MP 感染BALB/c小鼠的模型中表達(dá)增加。同樣,MP感染也會(huì)誘發(fā)TNF-α在C57BL/6小鼠模型中的表達(dá)。Li等[23]共收集了71 例MPP 患兒 (年齡1 月至14歲),其 中RMPP 患 者21 例,NRMPP 患 者50 例;22 例小兒支氣管異物為對照組。與對照組相比,MPP 組TNFα、IFN-γ、IL-36、IL-8、IL-6 和IL-4 水平升高;然而在RMPP組中TNF-α及IL-6 水平明顯高于NRMPP 組,經(jīng)ROC 曲 線 分 析,只 有TNF-α 可 作 為 區(qū) 分RMPP 和NRMPP的生物標(biāo)志物。

3 小結(jié)與展望

長期以來,MPP通常被認(rèn)為是一種自限性疾病。近年來,嚴(yán)重病例甚至致命病例報(bào)道越來越多,而且下一代測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)呼吸道含有很多新的細(xì)菌。呼吸道菌群對肺部健康和肺部疾病發(fā)生和發(fā)展起到重要作用。在MP 感染過程中,誘導(dǎo)產(chǎn)生的各種細(xì)胞因子是肺部防御和發(fā)生炎癥的重要介質(zhì)。對呼吸道菌群及多種細(xì)胞因子的檢測有利于對MP感染進(jìn)行病原學(xué)診斷、判斷感染輕重、實(shí)施早期免疫干預(yù),進(jìn)而阻止疾病進(jìn)一步惡化。然而呼吸道菌群在MP感染中的具體作用機(jī)制及呼吸道菌群改變與細(xì)胞因子的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突