人體菌群與肺動(dòng)脈高壓的研究進(jìn)展與展望

柳民 夏健明 王昱冕 趙敏章 鄧瑤 任浩博 趙勇 張宇 馬潤偉

(1.昆明醫(yī)科大學(xué)附屬心血管病醫(yī)院 云南省阜外心血管病醫(yī)院,云南 昆明 650102;2.昆明醫(yī)科大學(xué)研究生院,云南 昆明 650000)

肺動(dòng)脈高壓(pulmonary hypertention,PH)是肺高壓的一個(gè)亞型,以肺毛細(xì)血管進(jìn)行性增生和阻塞、肺循環(huán)阻力升高、平均肺動(dòng)脈壓逐漸升高為特征[1-2]。由于周圍肺小血管的異常重構(gòu)導(dǎo)致動(dòng)脈管腔的進(jìn)行性閉塞,引起心臟結(jié)構(gòu)改變和人體運(yùn)動(dòng)耐量受限,最終會(huì)導(dǎo)致患者心力衰竭甚至死亡[1-2]。PH具有較高的發(fā)病率和病死率。在美國估計(jì)每100萬成年人中有10.6人患有PH[3-4]。目前PH發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明,以往的研究[5-11]證實(shí)PH的病理生理機(jī)制主要由遺傳因素(基因突變、表觀遺傳因素、DNA甲基化、組蛋白乙?；臀NA)和環(huán)境因素(低氧、氧化應(yīng)激、機(jī)械剪切力、炎癥、藥物或毒物等)綜合影響。各種血管活性分子(內(nèi)皮素、血管緊張素Ⅱ、前列環(huán)素、一氧化氮、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫及雌激素)[12-13],各種離子通道(鉀離子通道、鈣離子通道),各種信號(hào)通路(MAPK、Rho-ROCK、PI3K-Akt、骨形態(tài)發(fā)生蛋白/轉(zhuǎn)化生長因子β、核因子-κB和Notch等)[2,14-21]也在肺血管重構(gòu)中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。直到2020年,人們才逐漸關(guān)注到PH與人體菌群之間具有相關(guān)性,更進(jìn)一步的研究也證實(shí)了人體菌群參與PH炎癥等病理生理過程中的肺血管重構(gòu)。隨著人們對疾病的深入了解,人體菌群在PH中所起的重要作用也逐漸成為一種共識(shí)?，F(xiàn)闡述PH與咽部菌群、肺部菌群和腸道菌群相關(guān)性方面的研究進(jìn)展,以期對PH病理生理機(jī)制的認(rèn)識(shí)和防治研究有所幫助。

1 PH與咽部菌群

健康人的口咽部會(huì)寄居一定種類和數(shù)量的微生物群,例如鏈球菌(溶血性鏈球菌和厭氧鏈球菌)、葡萄球菌等固有菌群, 臨床上將其稱為呼吸道正常菌群[22]。此外口咽連接著口腔、鼻、咽、喉部、下呼吸道和胃腸道,能接觸到各種各樣的微生物。因此,口咽部能觀察到高度多樣性的細(xì)菌群落[23]。

2020年Zhang等[24]收集了118例PH患者和79例健康對照組的咽拭子標(biāo)本,通過測定呼吸道微生物組16S核糖體RNA(16S ribosomal RNA,16S rRNA)V3-V4區(qū)序列分析,結(jié)果表明,PH患者和對照個(gè)體在特定類群豐度和群落多樣性指數(shù)方面存在差異。與對照組相比,PH患者咽部微生物群豐富度顯著升高,而群落多樣性顯著降低。鏈球菌屬、勞特羅氏菌屬和葡萄球菌屬在PH患者的口咽呼吸道樣本中顯著富集,而嗜血桿菌屬、羅西亞菌屬、顆粒鏈菌屬、莢膜細(xì)胞菌屬和鱗毛蕨菌屬在對照組中較為豐富。此外研究[24]還發(fā)現(xiàn),與細(xì)菌侵入上皮細(xì)胞相關(guān)的基因、細(xì)菌毒素在PH患者中增強(qiáng),而與能量代謝、蛋白質(zhì)消化和吸收、細(xì)胞分裂途徑相關(guān)的基因在PH患者中減弱。

盡管PH患者呼吸道菌群改變的作用機(jī)制仍在很大程度上是未知的,并且也無直接證據(jù)證明這些細(xì)菌與PH 發(fā)展之間的因果關(guān)系,但既往的一些研究提示PH與這些細(xì)菌感染引起的炎癥以及這些細(xì)菌參與的肺血管重構(gòu)相關(guān)信號(hào)通路有關(guān)[24]。

咽部微生物群的取材相對于肺部菌群及腸道菌群來說較為容易,但咽部的微生物群比較容易受到外界各種因素干擾,因此可能會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。Zhang等[24]的結(jié)論也需要細(xì)胞試驗(yàn)或者動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。鏈球菌屬、勞特羅氏菌屬、葡萄球菌屬作為一種新型非侵入性的PH早期臨床診斷指標(biāo),對PH早期篩查有很好的啟示。

2 PH與肺部菌群

肺是人體內(nèi)具有最大黏膜組織的器官,是和外部環(huán)境接觸的最主要部分。它不僅參與呼吸循環(huán)過程,而且還對其他器官起著屏障作用;同時(shí)它還是一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)環(huán)境。人體內(nèi)約有1/3以上的黏膜組織存在于肺內(nèi)。在這個(gè)區(qū)域中存在著大量的微生物群。肺微生物群由各種細(xì)菌、真菌及病毒組成,其中以細(xì)菌為主,主要存在于黏膜分泌物、鼻咽、口咽以及環(huán)境空氣中。與腸道、皮膚及其他微生物群不一樣,健康肺內(nèi)以普氏菌屬、鏈球菌屬、韋榮氏球菌屬、奈瑟菌屬、嗜血桿菌屬和梭桿菌屬含量最高。這些菌屬與曲霉菌、青霉菌、念珠菌等真菌共存,不會(huì)引起健康人肺部的感染[25]。肺部微生物群的定植和成熟過程也參與肺的成熟,促進(jìn)宿主體內(nèi)平衡和耐受性,并在暴露于復(fù)雜的外部環(huán)境時(shí)導(dǎo)致肺部疾病的易感性[26-27]。

2022年Ma等[28]通過16S rRNA測序和代謝組學(xué)分析,確定了兒童PH合并左向右分流先天性心臟病(PH associated with the congenital left-to-right shunt,PH-LTRS)的代謝特征。結(jié)果表明,在PH-LTRS患者中,肺內(nèi)細(xì)菌組成和代謝活性明顯紊亂。在門水平上,擬桿菌屬在PH-LTRS患者中的數(shù)量較少,而乳酸桿菌屬、脂環(huán)菌屬、卡氏桿菌屬、丙酸桿菌屬、普羅維登西亞菌屬、副單胞菌屬和黃桿菌屬在PH患者中明顯較多。在PH-LTRS患者中,2-哌啶酮及相關(guān)微生物莫拉克斯氏菌屬和副單胞菌屬卻顯著減少。此外,代謝組譜數(shù)據(jù)顯示,參與嘌呤代謝、甘油磷脂代謝、半乳糖代謝和嘧啶代謝的代謝物在PH-LTRS隊(duì)列中受到顯著干擾。微生物與代謝產(chǎn)物的相關(guān)性分析表明,肺微生物群微生物組成的改變可能導(dǎo)致某些代謝產(chǎn)物的紊亂,最終可能參與PH-LTRS的病理生理過程[28]。

通過影響脂質(zhì)代謝,PH的甘油磷脂代謝失調(diào)、磷脂代謝失調(diào)與炎癥關(guān)系密切,而炎癥為PH顯著的病理特征。因此推測PH與肺部菌群失衡所引起的炎癥有關(guān)。

肺部微生物及代謝產(chǎn)物對先天性心臟病相關(guān)PH的作用及機(jī)制,具有一定的創(chuàng)新性及科學(xué)價(jià)值,可為PH提供新的防治靶點(diǎn)。但究竟是PH導(dǎo)致了代謝產(chǎn)物的變化還是代謝產(chǎn)物導(dǎo)致了PH,以及這些代謝產(chǎn)物是由菌群產(chǎn)生還是由菌群與宿主共同產(chǎn)生,這些問題都需進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探究。

3 PH與腸道菌群

腸道內(nèi)存在著數(shù)以萬計(jì)的微生物(包括多種細(xì)菌、真菌、病毒及寄生蟲等),這些微生物總稱腸道微生物群。它們與機(jī)體內(nèi)環(huán)境之間存在著復(fù)雜而密切的相互作用,形成了一個(gè)相互協(xié)調(diào)、相互影響的整體。腸道菌群主要由乳酸桿菌、雙歧桿菌、大腸桿菌和腸球菌等組成。該微生物群為宿主生理所需且?guī)椭喾N生理功能的發(fā)揮,主要表現(xiàn)在維護(hù)腸道黏膜屏障、系統(tǒng)免疫調(diào)節(jié)、能量平衡與代謝、維生素合成與降解及神經(jīng)發(fā)育。腸道菌群可合成和分泌代謝物,這對維持體內(nèi)平衡至關(guān)重要,因此腸道菌群失調(diào)與肥胖等多種疾病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)[29-31]。

Sharma等[32]的研究首次證明野百合堿誘導(dǎo)的PH 與嚴(yán)重的腸壁病理改變相關(guān),即PH動(dòng)物的腸纖維化增加、肌層厚度增加、杯狀細(xì)胞數(shù)量減少、絨毛長度減少。絨毛長度縮短可能會(huì)影響新陳代謝和營養(yǎng)吸收[32]。此外,這種受損的吸收可能會(huì)提供一個(gè)改變的環(huán)境,使不利的微生物群落大量繁殖。杯狀細(xì)胞產(chǎn)生黏蛋白,主要保護(hù)腸道免受病原微生物群的侵襲,從而調(diào)節(jié)腸道的免疫反應(yīng)。因此,PH動(dòng)物杯狀細(xì)胞的減少可能會(huì)減少黏蛋白的產(chǎn)生,縮小可降解黏蛋白的細(xì)菌群落,并擴(kuò)大有害細(xì)菌群落[32]。

2018年Kim等[33]通過全基因組測序發(fā)現(xiàn)PH患者具有獨(dú)特的腸道微生物群落,在PH組顯示有引起慢性阻塞性肺氣腫急性發(fā)作的副血尿鏈球菌以及與肺/腸道炎性密切相關(guān)的活潑瘤胃球菌、產(chǎn)氣柯林斯菌等菌屬的顯著改變。Hong等[34]采集經(jīng)野百合堿誘導(dǎo)產(chǎn)生PH的雄性大鼠的糞便樣本,采用16S rRNA基因測序和質(zhì)譜儀分析腸道微生物群和代謝組,探討PH對模型大鼠腸道微生物群和代謝組的影響。分析發(fā)現(xiàn)在這些大鼠腸道中,門、綱和屬水平上的細(xì)菌組成顯著改變,代謝也存在明顯異常,而添加鈣敏感受體拮抗劑NPS2143在一定程度上消除了這一腸道菌群紊亂,逆轉(zhuǎn)了糞便代謝物的異常,大鼠PH亦獲得改善。這一研究表明,腸道微生物群的失調(diào)與PH有關(guān)。對PH大鼠注射抗生素后,肺動(dòng)脈血管重構(gòu)減少,大鼠右心室收縮壓也顯著降低[35],從而抑制了PH的發(fā)展,也表明微生物群可能參與了PH的發(fā)病。

PH以肺血管周圍炎癥和肺血管重構(gòu)為特征。PH的炎癥可能是由促炎和抗炎的腸道微生物代謝物、細(xì)胞因子和其他介質(zhì)的失衡和/或循環(huán)中細(xì)菌的直接作用引起的,這些源于菌群所在的微環(huán)境失調(diào)、腸屏障功能障礙導(dǎo)致腸道對代謝物和/或細(xì)菌通透性增加,以及可能是肝臟對炎性腸道微生物代謝物的過濾減少。

因此一種可能的致病機(jī)制是腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致腸壁滲透性改變,細(xì)菌或細(xì)菌成分從腸道直接轉(zhuǎn)移到循環(huán)中[32,36-37]。循環(huán)中微生物代謝產(chǎn)物的負(fù)荷改變,可以誘導(dǎo)炎癥過程,包括巨噬細(xì)胞的激活、炎性細(xì)胞因子的釋放、血小板的異常聚集和泡沫細(xì)胞的形成,從而促進(jìn)PH的發(fā)生和發(fā)展[36-38]。另一種可能的致病機(jī)制是微生物的代謝產(chǎn)物,如短鏈脂肪酸(丁酸酯、丙酸酯和醋酸鹽)激活或誘導(dǎo)G蛋白耦聯(lián)受體,或通過抑制組蛋白脫乙酰酶來改變表觀遺傳進(jìn)而激活調(diào)節(jié)性T細(xì)胞發(fā)揮抗炎作用。通過對PH患者的臨床研究發(fā)現(xiàn),促進(jìn)炎性反應(yīng)的Th1細(xì)胞、Th2細(xì)胞和Th17細(xì)胞顯著增加,而抗炎的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Tregs細(xì)胞)顯著減少[39]。炎癥以及免疫失調(diào)使細(xì)胞外基質(zhì)重構(gòu)和肺血管纖維化,導(dǎo)致肺動(dòng)脈順應(yīng)性降低,肺動(dòng)脈順應(yīng)性降低又導(dǎo)致內(nèi)膜內(nèi)皮細(xì)胞增殖和中膜平滑肌細(xì)胞肥大,進(jìn)而導(dǎo)致肺血管阻力增加[36,39-40]。

目前,人們已對腸道菌群和PH進(jìn)行了大量的研究,發(fā)現(xiàn)腸道菌群參與PH的諸多病理生理過程。多項(xiàng)研究都指向腸道菌群引起的炎癥導(dǎo)致了肺血管重構(gòu),最終導(dǎo)致了PH。腸道菌群相對于咽部以及肺部菌群,在數(shù)量級和目前的研究力度上都占有絕對優(yōu)勢,因此目前結(jié)論更傾向于PH與腸道菌群有更為密切的關(guān)系。由于腸道菌群的數(shù)量多且復(fù)雜,給進(jìn)一步的研究帶來了困難。

4 小結(jié)與展望

以上證據(jù)均表明,咽部菌群、肺部菌群、腸道菌群與PH的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),并且PH的病理生理與炎癥有著密切聯(lián)系。近年,人們對于腸道菌群與PH的研究投入了大量的精力,但其中的作用機(jī)制尚未完全闡明。目前尚不清楚這些改變是PH的結(jié)果還是原因,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中采用野百合堿來建造大鼠PH模型,野百合堿對大鼠的具體影響機(jī)制也不清楚。一個(gè)重要的懸而未決的問題仍然存在,是什么引發(fā)和/或加劇了PH中的免疫失調(diào)和血管周圍炎癥。研究者通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及臨床研究發(fā)現(xiàn)干預(yù)腸道菌群可改善疾病的癥狀,而咽部、肺部和腸道中菌群類型多樣,或許只是其中一部分參與PH的發(fā)病過程,后續(xù)研究可以特異致病菌為目標(biāo),并根據(jù)患者具體病情進(jìn)行精準(zhǔn)化治療以降低對有益菌的傷害,防止擾亂和破壞腸道菌群的平衡。由于缺乏臨床相關(guān)性的干預(yù)研究,僅有少數(shù)學(xué)者將注意力集中在咽部菌群和肺部菌群上,忽略了咽部菌群、肺部菌群在PH中的作用。所以應(yīng)增加關(guān)于咽部菌群、肺部菌群和PH的研究,并以此為基礎(chǔ)尋找PH治療的新靶點(diǎn)。