微生物群對(duì)呼吸系統(tǒng)的影響*

袁慧潔 李玉葉

天津市濱海新區(qū)中醫(yī)醫(yī)院呼吸內(nèi)科 300450

過(guò)去人們普遍認(rèn)為肺部是無(wú)菌的，而現(xiàn)在肺部已被證實(shí)擁有一個(gè)獨(dú)特的微生物群，并且受到來(lái)自身體遠(yuǎn)端部位(如腸道)的微生物信號(hào)的影響。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，肺部微生物群在呼吸健康中作用的研究取得了巨大的進(jìn)展，胃腸道和呼吸道之間存在的密切關(guān)系也得到了進(jìn)一步證實(shí)。近年來(lái)，越來(lái)越多學(xué)者提出肺—腸軸這一概念，闡述這些身體部位之間的溝通途徑，為腸道微生物群如何影響呼吸免疫學(xué)和維持呼吸系統(tǒng)健康提供了新的見(jiàn)解。本文總結(jié)了肺和腸道微生物在呼吸健康和疾病中的作用，肺—腸軸之間的免疫學(xué)聯(lián)系，以及腸菌移植等治療手段對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病的影響。

1 肺和腸道微生物對(duì)呼吸系統(tǒng)的影響及肺—腸軸機(jī)制

1.1 健康肺部及呼吸疾病中微生物群特點(diǎn) 大量研究表明，健康人肺部存在微生物群。健康肺部菌群中，微生物密度較低，以6個(gè)菌屬(普氏菌、鏈球菌、韋榮球菌、梭桿菌、卟啉單胞菌、奈瑟氏菌)為主。微生物進(jìn)入肺部主要是通過(guò)吸入，呼吸道微生物群主要來(lái)源于上呼吸道的微生物遷移，并通過(guò)宿主防御機(jī)制對(duì)微生物的清除維持動(dòng)態(tài)平衡[1]。生命早期，免疫系統(tǒng)的成熟似乎與微生物群的形成同時(shí)發(fā)生，肺部微生物群的組成在一定程度上是由免疫系統(tǒng)決定的，這一點(diǎn)無(wú)論是在小白鼠身上還是在人類(lèi)中均得到了證實(shí)[2]。囊性纖維化、特發(fā)性肺纖維化或支氣管擴(kuò)張等多種呼吸道疾病中，常可觀察到肺部微生物移入和清除之間的平衡被打破，導(dǎo)致下呼吸道細(xì)菌密度增加、特定細(xì)菌的過(guò)度生長(zhǎng)，包括銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌或伯克霍爾德菌屬 (囊性纖維化)；嗜血桿菌屬、韋榮氏球菌屬、鏈球菌屬或奈瑟氏菌屬(特發(fā)性肺纖維化)；銅綠假單胞菌、韋榮氏球菌屬、普雷沃菌屬或嗜血桿菌屬(支氣管擴(kuò)張癥)[3]。許多研究通過(guò)比較肺部疾病患者的支氣管肺泡灌洗液中的微生物群，發(fā)現(xiàn)健康肺和病變肺在細(xì)菌群落組成上存在顯著差異，提示肺部微生物群的數(shù)量和/或種屬變化可能與一些肺部疾病的進(jìn)展和惡化有關(guān)，并且病變肺的肺泡和氣道中的炎癥細(xì)胞數(shù)量更多、活性更強(qiáng)[4]。

1.2 腸道微生物群與呼吸系統(tǒng)的關(guān)聯(lián) 人體腸道含有近100萬(wàn)億個(gè)微生物，由1 000多個(gè)不同的細(xì)菌種類(lèi)組成[5]，腸道內(nèi)細(xì)菌功能包括產(chǎn)生維生素、吸收離子、保護(hù)機(jī)體免受病原體侵襲、組織發(fā)育、增強(qiáng)免疫功能和食物發(fā)酵等，其中腸道微生物群對(duì)腸道黏膜免疫起著至關(guān)重要的作用。越來(lái)越多的證據(jù)表明胃腸道和呼吸道之間的親密關(guān)系，如慢性阻塞性肺疾病患者經(jīng)常出現(xiàn)腸道功能改變，表現(xiàn)為腸道高通透性，并且潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病的患病率明顯增加[6]。許多胃腸道疾病也存在呼吸道的表現(xiàn)，例如高達(dá)50%的炎癥性腸病患者被證實(shí)腸道微生物成分發(fā)生改變，隨著疾病發(fā)展患者肺功能出現(xiàn)下降[7]?；颊吆粑腊Y狀通常發(fā)生在炎癥性腸病發(fā)病以后[8]，這一現(xiàn)象揭示了呼吸道癥狀可能是腸道疾病導(dǎo)致的。值得注意的是，肺—腸軸是雙向的，許多呼吸道感染(包括流感病毒感染)往往伴隨著胃腸道癥狀。這一點(diǎn)在動(dòng)物身上也得到了證實(shí)，在動(dòng)物模型中，呼吸道感染流感病毒或肺孢子蟲(chóng)或氣管內(nèi)滴注脂多糖均可導(dǎo)致腸道微生物群的改變[9]。但是，缺乏直接證據(jù)證明腸道微生物群和肺微生物群之間的微生物轉(zhuǎn)移，以及它們?cè)谝l(fā)肺部或腸道疾病中的作用。

1.3 肺—腸軸機(jī)制 肺—腸軸可溶性微生物成分和代謝物通過(guò)循環(huán)運(yùn)輸，被認(rèn)為是腸道微生物區(qū)系和肺部溝通的一種方式。微生物成分包括微生物相關(guān)分子模式，如表達(dá)模式識(shí)別受體識(shí)別的肽聚糖或脂多糖。為了解肺—腸軸的機(jī)制，許多研究都是在過(guò)敏和哮喘等炎癥性疾病的背景下進(jìn)行的。對(duì)于這些疾病，腸道細(xì)菌產(chǎn)生的代謝物是腸道和肺相關(guān)聯(lián)的主要假說(shuō)之一，影響炎癥的代謝物被認(rèn)為是由短鏈脂肪酸組成。短鏈脂肪酸是腸道細(xì)菌發(fā)酵膳食纖維時(shí)產(chǎn)生的，在單核細(xì)胞等免疫細(xì)胞[10]的生成中發(fā)揮作用。這些單核細(xì)胞遷移到肺部，成為樹(shù)突狀細(xì)胞，并促進(jìn)原始T細(xì)胞分化為2型輔助性T細(xì)胞。短鏈脂肪酸還被認(rèn)為能促進(jìn)幼稚T細(xì)胞分化為調(diào)節(jié)性T細(xì)胞，這對(duì)維持健康的免疫系統(tǒng)具有重要作用。哮喘和過(guò)敏反應(yīng)被認(rèn)為是過(guò)度活躍的2型輔助性T細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞受抑制的結(jié)果，2型輔助性T細(xì)胞觸發(fā)針對(duì)過(guò)敏原的細(xì)胞因子和抗體的釋放，而調(diào)節(jié)性T細(xì)胞則無(wú)法對(duì)過(guò)敏原產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。因此，研究人員探索了利用短鏈脂肪酸抑制2型輔助性T細(xì)胞數(shù)量和增加體內(nèi)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞數(shù)量的可能性。未被胃腸道利用的短鏈脂肪酸進(jìn)入門(mén)靜脈，并被輸送到肝臟進(jìn)行代謝。未代謝的短鏈脂肪酸進(jìn)入外周循環(huán)和身體遠(yuǎn)端部位(包括骨髓)，影響免疫細(xì)胞的發(fā)育。除短鏈脂肪酸外，脫氨基酪氨酸也是影響肺部反應(yīng)的微生物代謝物，它通過(guò)增強(qiáng)Ⅰ型干擾素反應(yīng)來(lái)保護(hù)小鼠免受流感病毒的感染[11]。其他具有免疫調(diào)節(jié)作用的腸源性微生物代謝物還包括吲哚衍生物(膳食色氨酸代謝產(chǎn)物)、煙堿、聚胺類(lèi)、尿石素A以及丙酮酸和乳酸[12]，這些腸源性微生物代謝物都被認(rèn)為在腸道穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。但是，這些腸道微生物代謝物是否影響呼吸健康仍有待確定。在某些情況下，微生物群還可以改變宿主衍生的代謝物。膽汁酸被釋放到十二指腸以促進(jìn)脂質(zhì)吸收，由常駐微生物群轉(zhuǎn)化為次級(jí)膽汁酸。因此，微生物群組成和/或豐度的改變會(huì)導(dǎo)致膽汁酸譜的改變。鑒于這些代謝物的免疫調(diào)節(jié)特性，研究者們已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注微生物—膽汁酸之間的相互影響在胃腸道疾病中的可能作用[13]。然而，這些相互作用對(duì)呼吸健康的可能影響仍不清楚。肺—腸軸機(jī)制也可能包括腸道免疫細(xì)胞通過(guò)循環(huán)直接遷移至呼吸道。免疫細(xì)胞在腸道和肺部之間的轉(zhuǎn)移可能在增強(qiáng)宿主抵抗感染的能力方面發(fā)揮有益的作用。例如，腸道樹(shù)突狀細(xì)胞對(duì)共生細(xì)菌的識(shí)別需要啟動(dòng)白介素-22產(chǎn)生3型天然淋巴細(xì)胞，并遷移到肺部介導(dǎo)對(duì)肺炎的防護(hù)作用[14]。這樣的相互影響也可能在疾病中發(fā)生，因?yàn)槟c道分節(jié)絲狀菌特異性輔助性T 細(xì)胞17帶有雙重T細(xì)胞抗原受體，一個(gè)是腸道分節(jié)絲狀菌特異性的，另一個(gè)是自身抗原特異性的，遷移到呼吸道并導(dǎo)致肺部發(fā)生病理改變[14]。腸道也可以通過(guò)循環(huán)中發(fā)現(xiàn)宿主源性炎癥介質(zhì)影響肺部的病理反應(yīng)。在患有腸道疾病(包括炎癥性腸病)的患者中，發(fā)現(xiàn)血清炎癥介質(zhì)濃度明顯升高，這些介質(zhì)對(duì)肺部的“溢出效應(yīng)”可能會(huì)影響免疫反應(yīng)的可塑性和大小，這將構(gòu)成另一種機(jī)制，通過(guò)這種機(jī)制來(lái)形成局部微環(huán)境，并確定炎癥的性質(zhì)。

2 呼吸系統(tǒng)疾病的微生物治療

在膳食中加入特定的微生物菌株來(lái)促進(jìn)人類(lèi)健康的想法并不新鮮。微生物對(duì)呼吸健康影響的研究，很大程度上局限于乳桿菌屬和雙歧桿菌屬等已知益生菌菌株。超出這些菌株的研究非常有限，只有幾個(gè)品種進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。需要注意的是，微生物可能會(huì)根據(jù)環(huán)境的不同而對(duì)宿主產(chǎn)生不同影響，根據(jù)宿主免疫系統(tǒng)或內(nèi)環(huán)境的改變，某些微生物對(duì)宿主可能是有害、中性或有益的。

通過(guò)對(duì)外周血單核細(xì)胞中微生物群和基因表達(dá)之間的網(wǎng)絡(luò)分析，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不動(dòng)桿菌屬和白介素-10在健康受試者中的表達(dá)之間存在聯(lián)系，而在特應(yīng)性受試者中則沒(méi)有。在小鼠實(shí)驗(yàn)中，皮內(nèi)或鼻腔注射魯氏不動(dòng)桿菌，可能通過(guò)誘導(dǎo)1型輔助T細(xì)胞相關(guān)的細(xì)胞因子[15]和白介素-10來(lái)減少過(guò)敏性氣道炎癥。小鼠經(jīng)口感染幽門(mén)螺桿菌后，可通過(guò)促進(jìn)炎癥小體活化、誘導(dǎo)白介素-18和調(diào)節(jié)T細(xì)胞分化[15]來(lái)減輕哮喘癥狀。這些研究共同揭示出誘導(dǎo)反調(diào)節(jié)的1型反應(yīng)(如干擾素-γ)或調(diào)節(jié)T細(xì)胞反應(yīng)(如白介素-10)，從而抑制2型炎癥反應(yīng)。在這些情況下，微生物可能通過(guò)幫助建立健康的穩(wěn)態(tài)免疫平衡而產(chǎn)生有益的影響。

微生物給藥對(duì)肺部感染的益處也已被證實(shí)。鼻腔內(nèi)接種或口服接種能有效激活NOD2(Nucleotide-binding Oligomerization Domain2)受體的細(xì)菌菌株，如乳酸桿菌、金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌、糞腸球菌、梭狀芽孢桿菌等，可保護(hù)小鼠免受肺炎鏈球菌或肺炎克雷伯菌的呼吸道感染，其效果取決于這些菌株誘導(dǎo)產(chǎn)生粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子的能力[16]。糞菌移植是一種治療人類(lèi)腸道艱難梭狀芽孢桿菌感染的有效方法，并有望用于治療其他胃腸道疾病，包括腸易激綜合征等。這種療法對(duì)呼吸系統(tǒng)的潛在益處仍是未知的。對(duì)小鼠模型的研究表明，糞菌移植減少了感染肺炎鏈球菌后抗生素相關(guān)的死亡率，為這種療法在肺部疾病中的可能效用提供了一個(gè)概念性的證明[17]。然而，還需要進(jìn)一步的研究來(lái)驗(yàn)證這些發(fā)現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

在過(guò)去的幾十年里，我們對(duì)微生物群在健康和疾病中發(fā)揮的作用有了實(shí)質(zhì)性的認(rèn)識(shí)。呼吸道菌群及相關(guān)的機(jī)制已開(kāi)始被學(xué)者們廣泛研究，這些都推動(dòng)了對(duì)肺—腸軸機(jī)制的探索，并揭示了微生物群及其代謝物在這一過(guò)程中的重要性。鼻內(nèi)接種有益細(xì)菌，以及糞菌移植等腸道菌群干預(yù)方法，有望治療呼吸道疾病。近年來(lái)，微生物體系中的細(xì)菌成分分析成為研究的熱點(diǎn)，然而，真菌、寄生蟲(chóng)、病毒的作用可能同樣重要，但我們對(duì)這些知之甚少。樣品的處理、測(cè)序，特別是序列數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和維護(hù)對(duì)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展至關(guān)重要，因?yàn)檫@一領(lǐng)域有可能徹底改變疾病預(yù)防和治療的方法。