感染性AECOPD與氣道葡萄糖濃度相關(guān)性的研究進(jìn)展

侯偉 吳蔚 劉晴 高峰

慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease, COPD，簡(jiǎn)稱慢阻肺)，目前為全球第三大死因，感染是導(dǎo)致慢阻肺急性加重、疾病預(yù)后不佳和死亡的關(guān)鍵因素[1-2]。慢阻肺患者氣道表面液體中的葡萄糖濃度升高與呼吸道感染和病情急性加重密切相關(guān)。氣道葡萄糖濃度的變化可能是COPD患者對(duì)細(xì)菌、病毒等易感性增加的機(jī)制之一。本文將對(duì)感染性慢阻肺急性加重與氣道葡萄糖濃度的相關(guān)性進(jìn)行綜述，為優(yōu)化慢阻肺的臨床預(yù)防與治療方案提供新的思路。

感染與COPD急性加重

GOLD(2021)[1]中將慢阻肺急性加重(Acute exacerbation of COPD，AECOPD)定義為呼吸道癥狀的急劇惡化，需要額外的治療。頻繁發(fā)作者每年急性加重≥2次。輕度加重者僅需使用短效支氣管擴(kuò)張劑(SABDs)，中度加重者在SABDs的基礎(chǔ)上需加用抗生素和/或口服糖皮質(zhì)激素治療，重度則需要住院或急診就診。嚴(yán)重者可能導(dǎo)致急性呼吸衰竭。

呼吸道感染被證實(shí)是誘發(fā)AECOPD的主要因素，幾乎50%的急性加重患者合并有上呼吸道的感染，而由于機(jī)體自身免疫功能的下降，病原菌入侵定植又會(huì)引起下呼吸道微生態(tài)失衡、肺部感染等[3-4]。其中，呼吸道病毒感染約占感染因素的33.3%，細(xì)菌感染的占比也有逐年增加的趨勢(shì)，尤其是以銅綠假單胞菌為代表的革蘭氏陰性菌[5-6]。呼吸道病毒感染具有季節(jié)性、多樣性，一般通過活化炎性細(xì)胞和炎性介質(zhì)、破壞氣道上皮細(xì)胞減少細(xì)胞舒張因子的產(chǎn)生、參與免疫反應(yīng)等機(jī)制發(fā)揮作用。病毒感染后呼吸道防御功能下降，易繼發(fā)氣管-支氣管等部位的細(xì)菌感染。此外，細(xì)菌抗原可誘導(dǎo)氣道的高反應(yīng)性和嗜酸粒細(xì)胞性炎癥，從而進(jìn)一步導(dǎo)致患者肺功能的下降以及呼吸道癥狀的惡化[4-5,7]。COPD從根本上屬于慢性的氣道炎癥反應(yīng)，急性加重時(shí)炎癥水平增強(qiáng)，以此促進(jìn)炎癥因子所介導(dǎo)的一系列病理變化過程發(fā)生發(fā)展。

低葡萄糖濃度狀態(tài)是氣道表面防御機(jī)制的重要組成部分

正常情況下，氣道表面液體中存在微量的葡萄糖分子(約0.4 mmol/L)，這依賴于上皮細(xì)胞間的緊密連接屏障(Tight junction，TJ)和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族(Glucose transporters，GLUTs)的運(yùn)輸功能[8-9]。葡萄糖從血液和間質(zhì)穿過氣道上皮屏障，或通過上皮細(xì)胞中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行運(yùn)輸，在保證與血液及間質(zhì)之間差異的基礎(chǔ)上，維持氣道表面液體中的低葡萄糖濃度狀態(tài)[10]。由各種緊密連接蛋白(如Claudins、Occudins)等形成的緊密連接可限制細(xì)胞旁的葡萄糖流量，少量葡萄糖分子可沿著濃度梯度通過細(xì)胞旁擴(kuò)散進(jìn)入氣道表面。同時(shí)，葡萄糖也能通過細(xì)胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白跨上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)移到氣道表面液體中[8-10]。當(dāng)葡萄糖濃度異常升高時(shí)，GLUTs會(huì)將葡萄糖攝取到細(xì)胞內(nèi)將其代謝成乳酸等，通過與細(xì)胞酶的聯(lián)合作用進(jìn)行清除，或者直接將多余的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)回間質(zhì)，有效限制氣道表面葡萄糖的積聚，使其維持在穩(wěn)態(tài)水平[9-10]。

氣道表面液體層(Airway surface liquid，ASL)是抵御感染的第一道防線，其中低葡萄糖濃度狀態(tài)是氣道表面防御機(jī)制的重要組成部分：一方面，低葡萄糖濃度環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)匱乏，通過剝奪細(xì)菌的主要營(yíng)養(yǎng)源，限制細(xì)菌在呼吸道的定植和存活[11-12]；另一方面，Sadiku P.等[13]研究發(fā)現(xiàn)，中性粒細(xì)胞可通過糖異生和糖原合成的方式，增加細(xì)胞內(nèi)的能量?jī)?chǔ)備，在組織中生長(zhǎng)存活并有效地殺滅細(xì)菌。中性粒細(xì)胞具有很強(qiáng)的吞噬功能，常在受損和感染的組織中發(fā)揮免疫作用，氣道表面的葡萄糖可能通過中性粒細(xì)胞的免疫機(jī)制參與氣道表面防御。但當(dāng)葡萄糖濃度異常升高時(shí)，會(huì)增加糖酵解等代謝途徑，激活氣道巨噬細(xì)胞表達(dá)炎癥因子，加重氣道的炎性反應(yīng)[12,14]。由此推測(cè)，維持ASL中較低的葡萄糖濃度，是氣道固有防御的重要環(huán)節(jié)，葡萄糖濃度異常升高將促進(jìn)呼吸道細(xì)菌的增殖以及炎癥的發(fā)生發(fā)展。

呼吸道炎癥和高血糖引起氣道表面液體層葡萄糖濃度升高

多項(xiàng)研究表明，氣道葡萄糖穩(wěn)態(tài)可在發(fā)生呼吸道炎癥以及血糖升高時(shí)被打破。炎癥可以破壞上皮細(xì)胞間的緊密連接，改變葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)和生理功能，而高血糖可直接增加擴(kuò)散進(jìn)氣道上皮的葡萄糖濃度梯度，二者通過不同的機(jī)制致使氣道表面液體中的葡萄糖濃度升高[8-9]。Garnett J.P.等人[15]應(yīng)用炎性介質(zhì)(脂多糖、TNF-α、IL-1β、IFN-γ)刺激氣道上皮細(xì)胞，結(jié)果可增加細(xì)胞旁葡萄糖分子的通透性，導(dǎo)致氣道表面液體中葡萄糖濃度的上升。Baker E H等人[8,16]通過臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在健康受試者中，當(dāng)血糖升高約10 mmol/L，檢測(cè)出的鼻腔和下氣道分泌物中葡萄糖濃度可增加1.0～4.8 mmol/L左右。

COPD發(fā)病機(jī)制較為復(fù)雜，同時(shí)存在小氣道氣流的受限和慢性炎癥性病變[17]。氣道炎癥持續(xù)存在，使得COPD患者氣道表面的葡萄糖濃度異常升高，急性加重時(shí)則可進(jìn)一步增加[18]。部分穩(wěn)定期COPD患者，需要維持吸入糖皮質(zhì)激素治療。而糖皮質(zhì)激素具有升高血糖的作用，從一定程度又會(huì)導(dǎo)致氣道表面液體中的葡萄糖濃度有所升高[12]。Baines DL等人[9]通過細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)炎癥與高血糖兩種影響因素共存時(shí)，氣道葡萄糖濃度異常升高更加明顯。由此可以推測(cè)，COPD合并糖尿病的患者氣道分泌物中會(huì)檢測(cè)到更加高的葡萄糖濃度。

氣道葡萄糖濃度升高導(dǎo)致病原菌易感性增加

一、呼吸道病原菌易感性增加的可能機(jī)制

為了探討葡萄糖濃度改變與呼吸道感染之間的相關(guān)性，Garnett J.P.與Patkee W.R.[15-16,19]等人分別進(jìn)行了多項(xiàng)體外平行對(duì)照試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在葡萄糖濃度高的培養(yǎng)基中，更加有助于金黃色葡萄球菌與銅綠假單胞菌的生長(zhǎng)繁殖，且其生長(zhǎng)隨著葡萄糖濃度的升高而呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢(shì)。其他體外和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等也證實(shí)，氣道表面液體中葡萄糖濃度的增加會(huì)促進(jìn)肺部細(xì)菌性感染[12,20]。

Mallia P.[18,21]等人發(fā)現(xiàn)，COPD穩(wěn)定期患者痰液中葡萄糖濃度較非COPD患者有所上升，且與一秒用力呼氣容積(FEV1)水平呈負(fù)相關(guān)，并通過研究證實(shí)COPD患者痰液中的病毒數(shù)量與葡萄糖濃度之間存在顯著相關(guān)性。在鼻病毒感染誘導(dǎo)的COPD急性加重患者中，檢測(cè)到氣道葡萄糖濃度進(jìn)一步升高，從而促進(jìn)繼發(fā)細(xì)菌感染[18]。

細(xì)菌從宿主獲得營(yíng)養(yǎng)的能力是決定感染的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)氣道葡萄糖的穩(wěn)態(tài)平衡遭到破壞，氣道內(nèi)可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加，以葡萄糖為主要碳源的金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌等細(xì)菌的增殖加速，改變呼吸系統(tǒng)的原始微生態(tài)菌群。病毒感染導(dǎo)致慢阻肺急性加重時(shí)，氣道炎癥加劇，葡萄糖濃度升高更加明顯，為繼發(fā)細(xì)菌感染提供了充分的營(yíng)養(yǎng)來源[12,22]。

除此之外，過量的葡萄糖可通過糖酵解等途徑在一定程度上促進(jìn)氣道炎癥反應(yīng)發(fā)展，從而影響氣道表面防御機(jī)制殺滅清除病原菌[12]。葡萄糖或許還能夠通過其他機(jī)制影響ASL的免疫功能，有待進(jìn)一步研究。

二、糖尿病與COPD呼吸道感染的相關(guān)性

糖尿病作為慢阻肺的一大重要并發(fā)癥，兩者之間相互影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，糖尿病患者中約有10%患有慢阻肺，而在COPD群體中，糖尿病的患病率也要比非慢阻肺患者高約8%[23-24]。R?hling M.與Zhang R.H.[25-27]等人為探究糖尿病與肺功能之間的關(guān)聯(lián)，收集大量臨床資料進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，糖尿病尤其是2型糖尿病能夠降低FEV1與FVC的水平，損傷患者的肺功能，間接證實(shí)了糖尿病能夠在一定程度上加重COPD發(fā)生發(fā)展。

胰島素是機(jī)體調(diào)節(jié)血糖、維持血糖動(dòng)態(tài)平衡最重要的激素，更有人發(fā)現(xiàn)其在氣道上皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞等組織細(xì)胞的生長(zhǎng)和修復(fù)中起著關(guān)鍵作用。1型糖尿病發(fā)病機(jī)制歸于胰島素分泌絕對(duì)不足，此類患者胰島素的缺乏可能是造成肺功能惡化和并發(fā)COPD的機(jī)制之一。另外，糖尿病患者肺功能受損也可能是受到微血管病變的影響[28-29]。

Gill S.K.、Astrand A.[14,20,30]等人發(fā)現(xiàn)應(yīng)激性高血糖能夠增加正常小鼠的氣道細(xì)菌負(fù)荷，延遲呼吸道對(duì)于細(xì)菌的清除，但是不會(huì)影響突變株(已被敲除與葡萄糖吸收和利用相關(guān)的基因)的氣道細(xì)菌數(shù)量。Alsayed S.[31]等人發(fā)現(xiàn)，危重病人呼吸道病原菌的增殖與血糖顯著相關(guān)，血糖升高的患者痰液中更容易培養(yǎng)出銅綠假單胞菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)。

從多項(xiàng)研究結(jié)果可以推測(cè)，COPD患者慢性炎癥持續(xù)存在，氣道葡萄糖濃度升高，導(dǎo)致呼吸道對(duì)于細(xì)菌、病毒等病原菌的易感性增加。糖尿病或者急性疾病的應(yīng)激性高血糖，可增加通過細(xì)胞旁擴(kuò)散的葡萄糖濃度梯度，進(jìn)一步升高COPD患者氣道表面液體中的葡萄糖濃度。因此，對(duì)于COPD的治療，抑制慢性氣道炎癥的同時(shí)，也有必要對(duì)患者實(shí)施嚴(yán)格的血糖控制。

氣道葡萄糖靶點(diǎn)應(yīng)用于感染性AECOPD治療的前景及研究方向

COPD的一個(gè)主要病理生理學(xué)特征是氣道慢性炎癥，通過相關(guān)途徑可引起氣道表面液體中的葡萄糖濃度升高，由此可能導(dǎo)致呼吸道病原菌易感性增加。因此，通過降低氣道葡萄糖濃度的治療方式或許能用來控制和預(yù)防感染性AECOPD的發(fā)生。

二甲雙胍是目前最廣泛應(yīng)用于治療2型糖尿病的一線用藥，研究表明[32-33]，它還能抑制炎癥因子的表達(dá)，降低細(xì)胞間通透性，促進(jìn)上皮組織攝取利用葡萄糖。Patkee W.R.[14,19-20]等多位研究人員進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過二甲雙胍預(yù)處理過的體外氣道上皮-細(xì)菌共培養(yǎng)模型中，細(xì)胞旁葡萄糖通透性降低，金黃色葡萄球菌及銅綠假單胞菌的生長(zhǎng)受到抑制，這和氣道上皮緊密連接的調(diào)節(jié)機(jī)制有關(guān)。上述研究成果在對(duì)糖尿病小鼠進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，并且在實(shí)驗(yàn)過程中，小鼠的血糖沒有受到明顯影響。因此，二甲雙胍或許可應(yīng)用于臨床，通過降低COPD患者氣道表面葡萄糖濃度，潛在地抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，預(yù)防其呼吸道感染發(fā)生和COPD急性加重。

GLUTs主要介導(dǎo)近端氣道表面的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)。Molina S.A.[15,34]等人發(fā)現(xiàn)胰島素可以減少上皮細(xì)胞旁的葡萄糖流量，誘導(dǎo)GLUTs的表達(dá)增加，刺激其所介導(dǎo)的葡萄糖攝取，從而達(dá)到降低氣道葡萄糖濃度的目的。

而在遠(yuǎn)端肺泡上，則需要依靠鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Sodium-glucose Co-transporter，SGLT)，主要是SGLT-1，通過細(xì)胞內(nèi)葡萄糖和Na+驅(qū)動(dòng)逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖[8-9]。通過改變SGLT-1的活性可以作為調(diào)節(jié)氣道葡萄糖濃度的有效方式之一。Oliveira T.L.[35]等人發(fā)現(xiàn)，以異丙腎上腺素為代表的β-腎上腺素能激動(dòng)劑，能夠提高SGLT-1的活性，降低氣道表面的葡萄糖濃度以及葡萄糖升高所誘導(dǎo)的細(xì)菌增殖。

SGLT-2特異性分布在腎臟，對(duì)其他組織、器官無明顯影響。達(dá)格列凈(Dapagliflozin)作為SGLT-2抑制劑之一，可通過抑制腎小管中葡萄糖的重吸收來降低血糖。Astrand A.[30]等人對(duì)糖尿病小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，達(dá)格列凈可通過降低血糖，從而降低氣道表面葡萄糖濃度，減少氣道銅綠假單胞菌感染。

COPD穩(wěn)定期和急性加重期，患者氣道葡萄糖濃度皆較健康人群有所升高，促進(jìn)肺部病原菌的異常生長(zhǎng)增殖，導(dǎo)致頻繁急性加重的發(fā)生。抗生素的反復(fù)應(yīng)用，導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性增加，臨床療效下降，也不能改善疾病預(yù)后?？刂茪獾辣砻嫫咸烟菨舛瓤赡転榭刂坪粑栏腥咎峁└影踩行У姆强股刂委熗緩?。

目前已有一些研究進(jìn)行了相關(guān)探索，但還需要更多的動(dòng)物及臨床試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證其安全性和有效性，研究設(shè)計(jì)及氣道葡萄糖的檢測(cè)方法還有待進(jìn)一步規(guī)范加強(qiáng)。例如，痰液葡萄糖濃度的測(cè)量，受到口咽部食物和其他因素的影響；以氣管鏡等方式收集下氣道標(biāo)本的過程中，不能避免對(duì)氣道上皮的損傷，這或許會(huì)增加葡萄糖分子的漏出，且不能排除其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的影響?；蛟S，可進(jìn)一步研究氣道葡萄糖代謝、濃度峰值變化與感染指標(biāo)峰值、細(xì)菌增殖計(jì)數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)影響細(xì)菌生長(zhǎng)速率、致病性的關(guān)鍵機(jī)制，以探究氣道表面的最佳葡萄糖濃度與抗感染之間的關(guān)系。此外，感染性AECOPD最常見的病因?yàn)椴《靖腥?，目前尚缺乏氣道葡萄糖濃度升高與病毒增殖分化的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

小 結(jié)

開發(fā)以調(diào)節(jié)氣道葡萄糖濃度為靶點(diǎn)的治療方案，從而減少感染性AECOPD患者的抗生素應(yīng)用。通過對(duì)穩(wěn)定期COPD患者氣道表面液體中葡萄糖濃度的監(jiān)測(cè)，或許能為預(yù)測(cè)急性加重、減少呼吸道感染提供依據(jù)。