氣道葡萄糖與肺部感染的研究進展

程雪 呂琳 于曉慧 孫皎琳 紀文文 劉佳 李婷婷 崔晨 胡婷華 石志紅

氣道表面液體(ASL)是呼吸道抵御病原體入侵的第一道防線，維持ASL葡萄糖穩(wěn)態(tài)對于發(fā)揮其屏障功能具有重要意義。在某些病理情況下(如高血糖、急性或慢性氣道炎癥等)，氣道葡萄糖穩(wěn)態(tài)受到破壞，ASL葡萄糖水平升高可通過影響病原體和宿主增加氣道對病原體的易感性，促使肺部感染的發(fā)生。目前肺部感染的治療主要依賴于抗生素的應用，然而，隨著近年來病原體耐藥性的增加，新的治療思路及靶點有待進一步研究?，F(xiàn)將氣道葡萄糖與肺部感染的關系、相關機制及防治措施綜述如下。

一、正常氣道的葡萄糖穩(wěn)態(tài)

正常狀態(tài)下，氣道微生物群落與葡萄糖水平處于動態(tài)平衡。在營養(yǎng)相對貧乏的氣道環(huán)境中，幾乎沒有局部病原體的繁殖。ASL是存在于呼吸道表面的一層襯液，其理化性質對于維持呼吸道表面微環(huán)境穩(wěn)態(tài)具有重要意義。

人類血漿中的葡萄糖水平通常<5 mmol/L，鼻腔分泌物的葡萄糖水平<1 mmol/L，而下呼吸道表面液體中葡萄糖水平為(0.4±0.2) mmol/L，比血漿中的水平低12.5倍[1]。血液和細胞間質中的葡萄糖主要通過細胞旁途徑被動擴散至呼吸道上皮細胞表面，同時，上皮細胞攝取葡萄糖進行代謝，從而限制ASL葡萄糖聚積，維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)[2]。

葡萄糖的細胞旁流量取決于氣道上皮緊密連接的滲透性和跨上皮葡萄糖梯度。氣道上皮緊密連接由連接黏附分子、密封蛋白(claudins)和閉合蛋白(occludins)組成，這些蛋白質與細胞骨架蛋白相連，并通過支架蛋白(ZO)-1相互連接，維持跨上皮細胞阻力，允許特定分子在細胞間進行選擇性通透和彌散[3]。血液、細胞間質及ASL中的葡萄糖通過氣道上皮細胞表面的葡萄糖轉運蛋白(GLUTs)和鈉依賴性葡萄糖轉運蛋白(SGLTs)攝取，然后由胞內(nèi)己糖激酶催化形成葡萄糖-6-磷酸進行利用。隨著葡萄糖磷酸化水平升高，細胞內(nèi)葡萄糖水平維持在較低水平，有助于維持細胞內(nèi)外葡萄糖水平梯度，促進葡萄糖轉運，從而維持ASL葡萄糖穩(wěn)態(tài)[4]。

二、氣道葡萄糖穩(wěn)態(tài)和肺部感染

正常人體ASL葡萄糖通過氣道上皮細胞自身調(diào)節(jié)維持在較低水平，限制氣道病原體增殖。在某些病理情況下(如高血糖、急性或慢性氣道炎癥)，氣道葡萄糖穩(wěn)態(tài)受到破壞，ASL葡萄糖聚積，從而促進病原體繁殖，增加肺部感染的概率。

1.高血糖

血漿中高糖濃度通過增加跨上皮葡萄糖濃度梯度，促進葡萄糖的細胞旁擴散，導致ASL葡萄糖水平的增加。在健康志愿者中，當血糖水平由<5 mmol/L升高至12～15 mmol/L時，鼻腔ASL葡萄糖水平由<1 mmol/L增加至(4.8±2.2) mmol/L[5]，下呼吸道ASL葡萄糖水平由(0.36±0.27) mmol/L升至(0.75±0.39) mmol/L[1]。兒童嚴重燒傷時，全身血糖水平升高超過特定閾值后使ASL葡萄糖水平升高，進而促使細菌性肺部感染、敗血癥及急性呼吸窘迫綜合征的發(fā)生[6]。此外，應激性高血糖也會增加院內(nèi)感染的風險。觀察ICU插管患者可發(fā)現(xiàn)，其支氣管分泌物中葡萄糖水平升高會使隨后在分泌物中檢出耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的風險增加1倍[7]。

在氣道上皮細胞-細菌共培養(yǎng)模型中，頂端金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌的生長隨基側葡萄糖水平的提升而增加[8-9]。與體外試驗相似，在動物模型中觀察到糖尿病小鼠及大鼠支氣管肺泡灌洗液(BALF)葡萄糖水平與金黃色葡萄球菌及銅綠假單胞菌增殖率存在明顯的劑量-反應關系[9-10]。通過對細菌菌株中影響葡萄糖吸收和代謝的基因進行基因編輯[11]、藥物干預影響氣道上皮細胞的滲透性及葡萄糖轉運體的分布[10,12]，均可限制ASL中細菌的繁殖。

2.氣道炎癥

多種呼吸系統(tǒng)疾病均與氣道急性或慢性炎癥有關，如病毒性鼻炎、哮喘、慢性阻塞性肺疾病、囊性纖維化等。當正常的葡萄糖穩(wěn)態(tài)被氣道炎癥破壞時，ASL葡萄糖水平升高[2-3,13]。腫瘤壞死因子α、干擾素γ等促炎介質一方面通過降低呼吸道上皮細胞跨上皮阻力，顯著降低緊密連接的通透性，增加細胞旁葡萄糖通量；另一方面通過增加GLUTs表達，促進氣道上皮細胞頂側葡萄糖攝取，但難以完全抵消增加的葡萄糖通量，最終導致ASL葡萄糖水平升高[14]。

2018年，Mallia等[15]進行了一項前瞻性隊列研究，首次發(fā)現(xiàn)慢性阻塞性肺疾病(簡稱慢阻肺)穩(wěn)定期患者氣道葡萄糖水平高于正常人，且其在急性加重期可進一步升高。痰液葡萄糖水平與痰炎癥介質水平、病毒載量及細菌載量顯著相關，具有較高葡萄糖水平的氣道樣本在體外更有利于銅綠假單胞菌的生長。因此，慢阻肺患者氣道葡萄糖聚積可能是慢阻肺合并肺部感染的高危因素，降低氣道葡萄糖水平可能有利于降低肺部感染的概率，延緩慢阻肺疾病進程。

與之類似，急性病毒性鼻炎、慢性鼻竇炎患者鼻腔葡萄糖水平也顯著高于正常人[16-17]。患有慢性鼻竇炎的糖尿病患者感染銅綠假單胞菌或其他革蘭陰性桿菌的風險是未患慢性鼻竇炎患者的3倍[18]。相關研究結果發(fā)現(xiàn)，遠端氣道分泌物中的微生物菌群紊亂與多種慢性氣道疾病的發(fā)作或進展有關，包括哮喘、支氣管擴張、閉塞性支氣管炎、特發(fā)性肺纖維化等[19]。然而，氣道葡萄糖與這些疾病并發(fā)呼吸道感染的關系仍有待進一步研究。

三、氣道葡萄糖促使肺部感染的可能機制

1.葡萄糖為病原體提供生長營養(yǎng)

充足的營養(yǎng)是病原體進行新陳代謝的物質基礎，葡萄糖作為主要能源物質之一，與病原體生長繁殖關系較為密切。流感嗜血桿菌是一種與人類上呼吸道共生的致病菌，其通過分解葡萄糖產(chǎn)生醋酸鹽、甲酸鹽及琥珀酸等代謝產(chǎn)物。當流感嗜血桿菌中葡萄糖的代謝基因失活時，突變株細菌的菌落數(shù)量明顯減少[20]。在氣道上皮細胞-細菌共培養(yǎng)模型中，基側葡萄糖水平(5～20 mmol/L)與頂端金黃色葡萄球菌的生長存在顯著的相關性[9,21]。

2.葡萄糖代謝產(chǎn)物刺激機體表達炎癥基因

醋酸鹽作為流感嗜血桿菌分解葡萄糖的代謝產(chǎn)物，可促進人肺上皮細胞表達IL-8等炎癥基因，而醋酸鹽代謝基因失活的細菌突變株對氣道上皮細胞炎癥基因表達的刺激作用顯著降低[20]，進一步證實醋酸鹽的免疫調(diào)節(jié)作用。此外，厭氧菌分解碳水化合物的代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸(SCFAs)也可作為免疫調(diào)節(jié)劑影響氣道上皮細胞粒細胞集落刺激因子(G-CSF)、IL-6、IL-8等炎癥因子的表達，促進銅綠假單胞菌的生長[22]。由此可見，氣道葡萄糖為細菌提供生長繁殖的原料促使肺部感染的發(fā)生，同時細菌分解葡萄糖產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物進一步影響細菌的生存環(huán)境，促進細菌繁殖，二者的作用是相互的。

3.高葡萄糖損害機體免疫功能

ASL是呼吸系統(tǒng)抵抗吸入病原體、毒素、顆粒物的屏障，其中含有多種抗菌肽及巨噬細胞、中性粒細胞等免疫吞噬細胞，有助于維持呼吸道黏膜的天然免疫功能[23]。高糖誘導人氣道上皮細胞縫隙連接蛋白43、ZO-1和occludins的表達下調(diào)，導致氣道上皮的跨上皮電阻(TER)降低，引起氣道上皮屏障功能障礙[24]。

此外，ASL中過高的葡萄糖通過糖基化天然或獲得性免疫蛋白損害宿主免疫，同時糖基化上皮細胞降低細胞對病原體侵襲的抵抗力，進而增加肺部感染的概率[16]。如前文所述，血漿中高糖濃度通過增加跨上皮葡萄糖濃度梯度，導致ASL葡萄糖水平上升。一項體內(nèi)研究表明，糖尿病小鼠肺中的血管緊張素轉化酶2(ACE2)蛋白水平較非糖尿病小鼠升高[25]。高血糖可通過糖基化ACE2受體[26]，并增加支氣管黏膜細胞ACE2受體表達[27]，促進新型冠狀病毒(SARS CoV-2)進入宿主細胞，導致臨床癥狀的發(fā)生。

四、恢復氣道葡萄糖穩(wěn)態(tài)的措施

1.降血糖

糖尿病是發(fā)生肺部感染的高危因素，當患者血糖水平得到控制時，糖尿病患者與正常人發(fā)生細菌性肺部感染的風險無明顯差異[13]。高血糖動物的氣道細菌負荷高于對照動物，二甲雙胍可降低高血糖動物BALF葡萄糖水平，并顯著降低氣道內(nèi)的細菌負荷[11]。與之相似，達格列凈和過氧化物酶體增殖劑激活受體γ(PPAPγ)激動劑也可通過抑制糖尿病小鼠高血糖誘導的ASL葡萄糖聚積，進而降低細菌增殖[2,22]。

2.降低氣道上皮緊密連接的滲透性

ZO-1、occludins和claudins是決定細胞旁通透性的主要連接蛋白，根據(jù)溶質的大小和電荷選擇性控制溶質滲透。二甲雙胍通過激活腺苷酸活化蛋白激酶減少促炎介質的產(chǎn)生，提高氣道上皮細胞TER，減少細胞旁葡萄糖通量，抑制葡萄糖誘導的銅綠假單胞菌[12]及金黃色葡萄球菌[9,21]生長。上皮細胞經(jīng)二甲雙胍預處理后，能夠抑制銅綠假單胞菌引起的claudin-1和occludins豐度降低，因此，claudin-1、occludins可能是調(diào)節(jié)氣道上皮細胞通透性和抑制細菌生長的重要靶點[12]。

此外，糖皮質激素[28]、1,25-二羥維生素D3[29]、PPAPγ激動劑[30]、阿奇霉素[31]、胰島素[32]等多種藥物均可通過上調(diào)氣道上皮細胞緊密連接蛋白表達，增加TER，可能有助于減少葡萄糖聚積。然而，這些藥物能否通過增強上皮屏障功能影響人體氣道葡萄糖水平，從而對肺部感染的發(fā)生、發(fā)展及預后產(chǎn)生影響，值得進一步探討。

3.增加氣道上皮葡萄糖轉運

糖尿病大鼠肺泡細胞經(jīng)異丙腎上腺素處理后，胞內(nèi)SGLT-1水平顯著降低，胞膜SGLT-1水平升高[10]，進而降低BALF葡萄糖水平，抑制耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)及銅綠假單胞菌的增殖。根皮苷與異丙腎上腺素的作用恰好相反，其可提高BALF葡萄糖水平，促進細菌增殖[10]。與之相似，胰島素可誘導氣道上皮細胞胞質內(nèi)的GLUT-4儲存囊泡向細胞膜移位，促進上皮細胞攝取葡萄糖[32]，維持ASL葡萄糖穩(wěn)態(tài)。

4.增強氣道上皮細胞內(nèi)葡萄糖代謝：在降低ASL葡萄糖水平的過程中，葡萄糖轉運體和上皮細胞內(nèi)葡萄糖代謝酶的聯(lián)合作用不可或缺。當支氣管上皮細胞中參與葡萄糖氧化分解的酶被抑制時，ASL葡萄糖水平增加[4,33]。PPARγ激動劑也可通過增加細胞內(nèi)糖代謝限制葡萄糖聚積[2]。

五、小結及展望

正常狀態(tài)下，氣道葡萄糖維持在較低的動態(tài)平衡水平。通過剝奪病原體的必要營養(yǎng)抑制其生長,可能是機體預防肺部感染的一種自我保護機制。近年來已證實糖尿病、慢阻肺、囊性纖維化等多種疾病可能通過增加跨上皮細胞葡萄糖濃度梯度、減小跨上皮阻力，增加葡萄糖細胞旁流量，導致ASL葡萄糖聚積，增加肺部感染的概率。目前肺部感染的治療主要依賴于抗生素，隨著近年來病原體耐藥性增加，新型非抗生素療法值得進一步探究。氣道葡萄糖水平從氣道微環(huán)境角度提出包含肺部感染發(fā)生、發(fā)展和治療整個過程的新思路。預計未來隨著科學研究的不斷深入，降低氣道葡萄糖的干預措施將在肺部感染的治療中發(fā)揮重要作用。