肺和腸道微生物群落與哮喘的研究進(jìn)展

李了 楊 磊

1.武漢科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北武漢 430065；2.湖北省婦幼保健院兒童呼吸科，湖北武漢 430070

哮喘是一種以慢性氣道炎癥和氣道高反應(yīng)性為特征的異質(zhì)性疾病，近幾十年來，哮喘一直是世界范圍內(nèi)受累人群最多的醫(yī)療問題之一，影響著全球3 億多人的健康[1]。目前哮喘的發(fā)病機(jī)制仍不清楚，但該病與免疫、神經(jīng)、內(nèi)分泌、遺傳學(xué)背景及環(huán)境和營養(yǎng)因素均密切相關(guān)[2-4]。目前，對哮喘復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)已經(jīng)發(fā)展到了精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)層面，特別是微生物代謝組學(xué)分析的興起揭露了肺和腸道微生物群在哮喘發(fā)生發(fā)展中的調(diào)控作用。呼吸道和胃腸道的微生物群落是一個(gè)由細(xì)菌、病毒、真菌等組成的多樣、穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)平衡的系統(tǒng)，其對維持人體的健康至關(guān)重要。研究表明，腸道和肺部有著緊密的聯(lián)系[5]。腸道的微生物變化可以影響肺的免疫反應(yīng)，相反，肺微生物群也可以通過血液循環(huán)影響腸道的微生物群，腸道和肺之間的相互影響產(chǎn)生了“腸-肺軸”的學(xué)說[6]。哮喘患者肺部和腸道的微生物失調(diào)可能會(huì)導(dǎo)致免疫發(fā)育改變和炎癥反應(yīng)，但是不同的肺和腸道微生物群在哮喘發(fā)生發(fā)展過程中的重要程度及可能的作用機(jī)制尚存爭議。本文將圍繞肺和腸道的微生物群落之間的聯(lián)系及其對哮喘的影響進(jìn)行綜述。

1 肺和腸道的微生物群落

呼吸系統(tǒng)總共有70 m2的表面積供微生物群落棲息，不同部位定植的微生物數(shù)量和種類有所不同。在很長一段時(shí)間，肺部被認(rèn)定是無菌的環(huán)境。然而隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是16S rRNA 測序技術(shù)的出現(xiàn)，使研究者在健康人群的肺中也檢測出了微生物群落。在肺部常見的細(xì)菌群落主要包括厚壁菌屬、擬桿菌屬、變形桿菌屬、梭桿菌屬、乳桿菌屬和放線菌屬[7]。除了細(xì)菌外，病毒和真菌同樣可以在正常人群的肺中檢測到。肺部的健康微生物群對呼吸系統(tǒng)甚至整個(gè)生物體動(dòng)態(tài)平衡的發(fā)展和維持都起著重要作用。

腸道所擁有的150～200 m2的巨大表面積為微生物提供了良好的居住環(huán)境。人體腸道每毫升管腔內(nèi)容物中有10 萬～1000 億個(gè)細(xì)菌，是細(xì)菌定植最密集的器官。腸道內(nèi)的細(xì)菌賦予宿主多種功能，包括制造維生素、吸收離子、抵御病原體、組織發(fā)育、增強(qiáng)免疫功能和食物發(fā)酵等。腸道菌群通常由5 個(gè)菌屬組成，包括擬桿菌屬、厚壁菌屬、變形桿菌屬、放線桿菌屬和軟壁菌屬。其中，擬桿菌屬、雙歧桿菌屬是健康人中最常見和最穩(wěn)定的菌屬[8]。除細(xì)菌外，人類腸道微生物群還包括真菌、病毒（主要是噬菌體）和古細(xì)菌。

2 “腸-肺軸”概念

“腸-肺軸”的概念始于臨床觀察到不同的肺部疾病會(huì)受到腸道微環(huán)境變化的影響，反之亦然。有研究表明，生命早期是腸道菌群失調(diào)最重要的時(shí)期，腸道菌群失調(diào)可能會(huì)導(dǎo)致各種呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)生，因?yàn)槟c道菌群對免疫細(xì)胞的成熟和對病原體的抵抗均有重要影響[9]。肺部和腸道之間的聯(lián)系已經(jīng)在小鼠和人類的研究中得到證實(shí)，如采用脂多糖刺激小鼠肺部會(huì)導(dǎo)致腸道細(xì)菌數(shù)量顯著增加[10]。此外，有研究表明，肺炎會(huì)導(dǎo)致腸道損傷，降低腸道上皮細(xì)胞增殖[11]。誘導(dǎo)性支氣管相關(guān)淋巴組織和腸道相關(guān)淋巴組織是黏膜相關(guān)淋巴組織的一部分，其在形態(tài)和功能上具有相關(guān)性。然而腸道和肺之間通訊的調(diào)節(jié)機(jī)制尚不清楚，目前認(rèn)為可能與機(jī)體局部、宿主菌群和全身免疫狀態(tài)的改變有關(guān)。

3 肺和腸道微生物與哮喘的關(guān)系

3.1 細(xì)菌與哮喘的相關(guān)性

細(xì)菌是腸道和肺部最大的微生物種群，由于腸道是細(xì)菌最密集的定居場所，因此在生命早期或發(fā)生特定疾病時(shí)，需要特別注意腸道細(xì)菌菌落的變化及其與哮喘的相關(guān)性。國外的一項(xiàng)研究表明，3 月齡加拿大兒童的糞便樣本中拉氏螺旋菌、韋洛氏菌、糞便桿菌和羅氏菌的相對豐度較低，發(fā)生哮喘的風(fēng)險(xiǎn)較高[10]。在另一項(xiàng)人類出生隊(duì)列研究中，3 月齡厄瓜多爾兒童的糞便樣本中鏈球菌和類桿菌的相對豐度增加，雙歧桿菌和瘤胃球菌的相對豐度減少，在5 歲時(shí)發(fā)生喘息的風(fēng)險(xiǎn)更高[12]。

盡管腸道菌群對哮喘的作用機(jī)制還不清楚，但其對哮喘的影響部分是由細(xì)菌代謝物所介導(dǎo)的，這可能會(huì)影響體內(nèi)的遠(yuǎn)端免疫應(yīng)答。在人類氣道炎癥中最廣為人知的具有保護(hù)作用的代謝產(chǎn)物是短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）。SCFAs 主要由乙酸、丙酸和丁酸組成，有報(bào)道顯示，糞便中丁酸和丙酸含量高的1 歲兒童特應(yīng)性致敏程度明顯降低，在3～6 歲時(shí)患哮喘的可能性也較小[13]。在小鼠中，SCFAs 已被證實(shí)通過抑制組蛋白去乙?；瘉碓黾愚D(zhuǎn)錄因子插頭框蛋白P3 的表達(dá)，從而支持調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞的增殖，并增加白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-10 的產(chǎn)生。此外，SCFAs 也被證實(shí)可以減少雞卵白蛋白和屋塵螨誘導(dǎo)的氣道炎癥模型的炎癥反應(yīng)[14]。在小鼠妊娠和斷奶期間，給予SCFAs 喂養(yǎng)可以保護(hù)后代免受過敏性肺部炎癥的侵襲，特別是丁酸鹽能有效地誘導(dǎo)后代肺部調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞的增加[13]。人類腸道細(xì)菌能夠產(chǎn)生其他具有促炎和抗炎潛力的代謝物，如生物胺和氧脂素[15-16]。與健康人比較，哮喘患者的糞便樣本中分泌組胺的細(xì)菌數(shù)量明顯升高，且其數(shù)量與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)[17]。這些肺部和腸道的細(xì)菌分泌物可能為哮喘的治療提供新的手段。

越來越多的證據(jù)表明，細(xì)菌在哮喘發(fā)生中發(fā)揮重要作用，但還需要進(jìn)一步的研究來更清楚地定義所涉及的核心菌落，并探索哮喘背景下的細(xì)菌失調(diào)與本病的因果關(guān)系[18-19]，闡述哮喘中介導(dǎo)細(xì)菌和宿主之間溝通的細(xì)胞和分子機(jī)制將是未來研究的重點(diǎn)。

3.2 真菌在哮喘中的作用

目前尚不清楚真菌是在健康人群腸道中定植，還是僅僅在測序研究中被檢測為短暫的口腔或食物源性真菌，但即使是腸道的短暫定植也有可能影響微生物群落和宿主免疫應(yīng)答。盡管尚未探討出其中的機(jī)制，但在厄瓜多爾和美國的兩項(xiàng)人類出生隊(duì)列的研究中發(fā)現(xiàn)，真菌失調(diào)是嬰兒腸道菌群的一個(gè)關(guān)鍵特征，與兒童時(shí)期高風(fēng)險(xiǎn)哮喘表型的發(fā)生發(fā)展有關(guān)[12,20]。在這些研究中，與哮喘相關(guān)表型有關(guān)的真菌失調(diào)的具體特征有所不同，但值得注意的是，在這兩項(xiàng)研究中，真菌失調(diào)比細(xì)菌失調(diào)更顯著。不僅如此，兩項(xiàng)研究都發(fā)現(xiàn)真菌失調(diào)與細(xì)菌失調(diào)存在相關(guān)性，但具體的分子機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究。

早期的一項(xiàng)關(guān)于真菌失調(diào)和哮喘嚴(yán)重程度之間相關(guān)性的動(dòng)物模型研究表明，經(jīng)抗生素預(yù)處理的小鼠用人類腸道共生白色念珠菌經(jīng)口灌胃后，容易出現(xiàn)真菌的過度生長，并且在氣道刺激后，由Th2 細(xì)胞介導(dǎo)的氣道炎癥加重，這種效應(yīng)部分是由白色念珠菌產(chǎn)生的前列腺素介導(dǎo)的[21]。此外，有研究顯示，過去或當(dāng)前存在的真菌失調(diào)微生物環(huán)境會(huì)影響哮喘發(fā)生時(shí)的免疫反應(yīng)[22]。在無真菌菌群的小鼠中接種非共生真菌菌群后，肺中表現(xiàn)為混合的Th2 和Th17 細(xì)胞浸潤，而在已有真菌組的常規(guī)小鼠中進(jìn)行同樣的處理，只導(dǎo)致哮喘期間Th2 細(xì)胞增加[23]。同樣，在未成熟的小鼠中定植白色念珠菌后，其呼吸道變態(tài)反應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加重，這與真菌特異性Th17 細(xì)胞和IL-17 高應(yīng)答性中性粒細(xì)胞有關(guān)[24]。這些研究進(jìn)一步證實(shí)了腸道微生物群復(fù)雜的本質(zhì)，以及跨領(lǐng)域微生物相互作用在決定哮喘轉(zhuǎn)歸中的重要性。

有研究表明，肺部局部真菌失調(diào)也與哮喘有關(guān)[25-26]。一些受試者樣本顯示，患和不患嚴(yán)重哮喘的兒童在支氣管肺泡灌洗液樣本中特定真菌的相對豐度存在差異，但總體真菌多樣性沒有明顯差異[27]。這些差異包括重癥哮喘患者肺中肺孢子蟲相對豐度的增加，這種微生物在肺部的存在與在人類和動(dòng)物模型中誘導(dǎo)宿主2 型免疫反應(yīng)有關(guān)[28]。肺孢子蟲在肺部的亞臨床定植被認(rèn)為是嬰幼兒最常見的感染之一。因此，肺孢子蟲早期肺部定植可能是誘導(dǎo)肺內(nèi)Th2 細(xì)胞免疫反應(yīng)的危險(xiǎn)因素，并使嬰兒易患哮喘[29]。

3.3 病毒與哮喘的關(guān)系

盡管病毒感染是哮喘惡化的主要原因，但病毒與哮喘之間的關(guān)系尚未完全了解。病毒與環(huán)境因素及內(nèi)在因素之間復(fù)雜的相互作用可能是某些病毒在哮喘患者呼吸道中長期存在的原因，或者發(fā)展成全面感染從而導(dǎo)致哮喘急性加重的原因。

在人類生命的最初幾年，幾乎所有的喘息發(fā)作都與病毒感染有關(guān)。引起喘息或哮喘加重最常見的病毒是輪狀病毒和呼吸道合胞病毒（respiratory syncy-tial virus，RSV），此外還涉及博卡病毒、流感病毒和巨細(xì)胞病毒。

輪狀病毒感染相關(guān)的毛細(xì)支氣管炎患者氣道中浸潤了大量的中性粒細(xì)胞，而且炎癥因子IL-6、IL-8、腫瘤壞死因子-α 和α 干擾素的濃度顯著升高[30]。研究表明，輪狀病毒在B 淋巴細(xì)胞中形成病毒復(fù)制中心，并誘導(dǎo)B 細(xì)胞增殖[31]。RSV 同樣與哮喘風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，然而其與哮喘的關(guān)系尚不清楚。有研究表明，RSV引起的毛細(xì)支氣管炎和哮喘之間存在聯(lián)系，但尚未確定嬰兒呼吸道合胞病毒感染與學(xué)齡期哮喘之間的相關(guān)性[32]。

流感病毒是另一種與哮喘急性加重有關(guān)的病毒。在流感病毒感染的情況下，哮喘患兒的病情更重、住院風(fēng)險(xiǎn)及死亡率更高。IL-33 在流感病毒誘導(dǎo)的哮喘惡化中起到關(guān)鍵作用。在哮喘小鼠模型中，IL-33 通過抑制先天性和獲得性抗病毒反應(yīng)來增強(qiáng)氣道高反應(yīng)性和氣道炎癥[33]。

關(guān)于呼吸道病毒感染和哮喘發(fā)生發(fā)展之間的關(guān)系已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。然而，導(dǎo)致兩者之間相互聯(lián)系的確切機(jī)制仍不清楚，需要在動(dòng)物模型和以多組學(xué)為基礎(chǔ)的人類研究中進(jìn)一步探索。

4 總結(jié)與展望

大量研究表明，人體微生物群落對宿主免疫系統(tǒng)的成熟和功能有著不同程度的影響。肺和腸道微生物群對哮喘的發(fā)展、表型和嚴(yán)重程度都有影響，但其詳細(xì)的細(xì)胞和分子機(jī)制尚未完全明確。隨著微生物組學(xué)分析的不斷發(fā)展，臨床中可以進(jìn)一步檢測出許多與哮喘相關(guān)的微生物種群。所以，未來的研究應(yīng)該更多地集中在微生物區(qū)系分類的具體變化上，包括菌株差異，而不是整體的變化。另一方面，應(yīng)考慮微生物種群及其與宿主表型相關(guān)性的全局觀點(diǎn)，應(yīng)更加注重對人類微生物種群不同部分的詳細(xì)研究，包括病毒、細(xì)菌、真菌等，通過探索肺和腸道微生物種群之間的聯(lián)系及其對哮喘發(fā)生發(fā)展的具體影響，從而為哮喘個(gè)體化診療提供新的思路。