微生物與慢性阻塞性肺疾病的研究進展

單淑香，王立婧

(天津市寶坻區人民醫院呼吸科，天津 301800)

慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease COPD)是呼吸系統的常見病和多發病，其特征是持續性氣流受限，并呈進行性發展。慢性阻塞性肺疾病急性加重(AECOPD)是COPD患者的重要臨床病程，對患者的生活質量、肺功能、疾病進程產生巨大的負面影響。COPD的影響因素中除外吸煙、化學因素、空氣污染、遺傳[1]，細菌感染在COPD的發病和急性加重過程中起著非常重要的作用，研究表明80%的AECOPD是由感染所致[2]。既往傳統觀念認為健康人群的下呼吸道是無菌的，但隨著16S rRNA檢測技術的出現，越來越多的研究表明[3]健康人群以及COPD穩定期患者的下呼吸道均存在微生物，但二者的呼吸道微生物的組成是不同的。本綜述通過總結近年來國內外肺部微生物的研究來探討微生物對COPD的發生發展的影響，并為COPD的治療方法提供新的途徑和思路。

1 下呼吸道微生物組的檢測方法

人類的身體被數以萬億的微生物所覆蓋，包括皮膚、口腔、呼吸道和腸道等，它占據了大約1%～3%的體重，人體內微生物的總數超過了哺乳動物細胞數量的十倍[4]。目前關于探討微生物在COPD中作用的研究較少，因此我們對微生物與COPD之間的相互作用的理解仍處于起步階段。

過去對下呼吸道標本的采集方法包括自然咳痰、經皮肺穿刺活檢、經支氣管鏡保護毛刷取痰、經環甲膜穿刺取痰、支氣管肺泡灌洗液等多種方法，對病原微生物的鑒定方法僅依賴于傳統的培養模式，該檢測方法具有局限性，由于多種細菌物種不能在培養基中生長，故難以獲得準確的下呼吸道微生物組的信息[5]。傳統觀念認為，沒有吸煙史、肺功能正常的健康人群的下呼吸道是無菌的。然而隨著分子生物學的發展，微生物可以被他們的基因序列所識別而不僅僅依賴于培養基，故傳統的培養技術被基因測序所代替，這就是16S rRNA技術。細菌的16S rRNA基因序列具有保守性和種間特異性，而且它的序列庫相比于鑒定細菌的其他序列庫信息更豐富，該技術的應用不僅使我們對病原菌的鑒定更加精確，也有利于發現罕見致病菌，豐富了流行病學的資料，故它是鑒別細菌種屬的理想方法[6-7]。近年來越來越多的研究[8]通過16S rRNA技術證明下呼吸道微生物不僅存在于患有呼吸系統疾病的肺部，同樣也存在于健康人群的肺部，這一微生物研究領域的迅速發展刺激了人類對肺部微生物與呼吸道疾病關系的探索，從而使下呼吸道微生物在COPD疾病的發生、發展的作用以及治療進展的研究得以深入進行。

2 國內外關于微生物與COPD的研究現狀

細菌感染及定植與COPD及其加重是一脈相連的，然而目前我們對微生物與COPD的生理學、分子生物學之間的復雜關系仍缺乏一定的了解。目前細菌在COPD中的作用仍然存在爭議，結合近年來的研究總結如下：①健康人群與COPD患者下呼吸道菌群的差別：國內外研究學者通過采集正常人和COPD患者的支氣管肺泡灌洗液，采用16S rRNA技術檢測到二者的肺部存在共同的“核心微生物群”[9]，包括普雷沃菌屬、鞘氨醇單胞菌屬、假單胞菌屬、不動桿菌屬、梭形桿菌屬等，然而正常人群和COPD患者的下呼吸道微生物組是有差異的，變形菌門在COPD患者中多見，厚壁菌門在正常人群中更常見，且與健康人群對比，COPD患者的標本含有更多的流感嗜血桿菌。②AECOPD的常見致病菌：近年來國內外的學者均對AECOPD患者的痰液進行細菌學鑒定，發現AECOPD最常見的致病菌為流感嗜血桿菌、卡他莫拉菌、肺炎鏈球菌和銅綠假單胞菌[10]。并且研究表明[11]流感嗜血桿菌是COPD急性加重的最常見的微生物。③穩定期COPD的定植菌與AECOPD的關系：穩定期的COPD患者同樣存在下呼吸道的細菌定植，而定植菌與AECOPD的發生、發展的關系尚未明確，研究發現COPD穩定期患者的下呼吸道細菌定植量越高，其急性發作的次數也越多[12]，定植細菌可能成為炎癥的刺激物，誘導機體的炎癥細胞產生更多的炎癥因子和趨化因子，加重炎性反應[8]；并可增加氣道白細胞濃度，白細胞過多可使肺組織易被蛋白酶破壞，并且定植菌可破壞原有的組織結構加重慢性炎癥的進程，降低肺功能[13]。

3 COPD患者肺部微生物的影響因素

影響肺部微生物的影響因素眾多，綜合查閱近年來國內外的文獻總結如下：①年齡：國外縱向分析表明隨著年齡的增長，微生物的多樣性降低[14-15]。②吸煙：目前公認吸煙是COPD的主要危險因素，而近年來吸煙對下呼吸道微生物的影響也是研究的熱點。Erb-Downward等研究表明通過采集吸煙與非吸煙的志愿者的肺泡灌洗液，通過16S rRNA檢測技術得出吸煙可以明顯降低下呼吸道菌群的多樣性[16]。③肺功能：健康人群的下呼吸道的細菌種類明顯多于COPD患者，并且種類減少的程度與COPD的嚴重程度呈正相關，也就是說氣道阻塞的嚴重性顯著降低微生物的多樣性[16]；近年來國內外的研究表明[16-17]，對于COPD患者來說，肺功能級別的不同其下呼吸道細菌定植情況不同。輕至中度AECOPD患者的感染的細菌主要是流感嗜血桿菌、肺炎鏈球菌、卡他莫拉菌為主，重度的AECOPD患者則以銅綠假單胞菌、肺炎克雷白桿菌等革蘭氏陰性桿菌為主。最近有兩項研究表明隨著COPD患者肺功能的降低，其銅綠假單胞菌等革蘭氏陰性桿菌的機率就越高[18]。現有研究證明，不同嚴重程度的AECOPD，致病菌種類不同。隨著肺功能的下降，顯示AECOPD 的致病菌從肺炎鏈球菌向流感嗜血桿菌、腸桿菌科細菌、銅綠假單胞菌轉化[19]。④藥物：Pragman等研究表明吸入抗生素、糖皮質激素對微生物的多樣性產生負面影響，并且研究表明COPD患者吸入糖皮質激素增加肺炎的風險[20]。對中重度COPD患者常采用廣譜抗菌藥物治療。Erb-Downward等對做肺移植的COPD患者手術切除的肺進行多點采樣，以16S rRNA PCR技術分析證實，長期暴露在廣譜抗菌藥物下，患者下呼吸道微生物組多樣性明顯減少[16]。⑤肺內微生物分布不同：國外研究者通過采集COPD患者的支氣管灌洗液進行檢測，發現下呼吸道分泌物的多樣性較上呼吸道較低，并且其細菌負荷高于上呼吸道；即使同一名受試者，不同肺部組織的微生物群落是不同，這表明COPD患者體內的肺部微生物組是不均勻的[16]。

4 腸道微生物對COPD的作用

微生物通過影響營養物質的吸收、維生素的合成及外源物質的代謝、調節免疫功能等途徑將感染、自身免疫、肥胖、心臟疾病以及惡性腫瘤聯系到一起[21]。研究表明，肺部的菌群失調會引起宿主過度免疫激活，恢復微生物的穩態可能提高宿主的健康水平[16]。影響COPD的微生物不僅僅局限于肺部的微生物，現在越來越多的研究表明[20]胃腸道微生物的變化對腸外器官產生深遠的影響。國外研究[22]，觀測到抗生素與肥胖的相關影響，研究表明抗生素可導致動物體重增加，并且已被許多國家應用作為增長體重的因素，在小鼠的研究中顯示，腸道抗生素可以產生短鏈脂肪酸的代謝產物，并且抗生素可引起肝酶升高及促進三酰甘油的合成。

目前關于腸道微生物對肺部疾病影響的研究相對較少，國內外研究[23]顯示腸道菌群通過局部及全身的方式參與了宿主的免疫系統，目前已知的微生物物種如脆弱擬桿菌和分節絲狀菌，其可影響炎癥性T細胞和調節性T細胞數量之間的平衡。國外兩組臨床試驗研究顯示，與接受安慰劑的對照組相比[24]，口服腸道益生菌可明顯降低肺囊性纖維化患者急性加重的頻率。研究表明[22]，對于機械通氣的患者，給予口服益生菌能顯著降低呼吸機相關肺炎的發病率；另有研究顯示[4]，口服益生菌對預防上呼吸道感染有益處；早在數年前鐘南山在國內首次通過給予COPD患者口服八種細菌提取物來觀察其對COPD的預防作用[25]，研究結果顯示口服八種細菌提取物可以降低COPD急性發作的頻率、減輕發作的嚴重程度、縮短病程及減少抗生素的使用量，與國際許多臨床研究結果相吻合。八種細菌提取物可通過增強各種免疫細胞活性以及免疫細胞因子生成，從而提高呼吸道黏膜的免疫力、減少細菌感染、以及減少氣道分泌物。

近來補充益生菌以及菌群移植已成為國際上的熱門研究課題并被建議作為一個治療變應性疾病的治療手段。腸道菌群是否可能通過免疫機制而影響肺部疾病，其對呼吸道菌群的影響和改變是目前研究的新興領域，為慢性肺部疾病治療提供新的途徑。

綜上所述，隨著16S rRNA測序技術出現，下呼吸道微生物組在COPD發病和疾病進展中作用的研究得以深入進行。新的檢測技術更加確認了細菌感染對于COPD急性加重的重要意義，既往研究表明AECOPD的常見的致病菌為流感嗜血桿菌、卡他莫拉菌、肺炎鏈球菌和銅綠假單胞菌，并且穩定期COPD患者的下呼吸道存在細菌定植，其細菌的多樣性受多種因素影響，如年齡、吸煙、肺功能、用藥情況等。然而影響COPD的微生物不僅僅局限于肺部，國內外研究均表明口服益生菌及細菌提取物對COPD有一定的預防及治療作用。

目前國內關于COPD下呼吸道及腸道微生物組的研究尚處于初期階段，大多數研究僅限于傳統的培養模式，依據國外現有的研究我們可以推測下呼吸道微生物組多樣性的改變可能和COPD的發生、進展以及急性加重相關，關于COPD患者穩定期與急性加重期呼吸道及腸道微生物組動態變化的研究是一個嶄新的領域，值得進一步探討。

[1] 牛穎梅，童朝輝，王 辰.感染因素與慢性阻塞性肺疾病[J].國際呼吸雜志，2007，27(9)：685.

[2] 蔣旭宏，王 原.急診科C、D患者慢性阻塞性肺疾病細菌分布及耐藥性分析[J].中華急診醫學雜志，2013，22(6)：626.

[3] 沈 寧，賀 蓓.細菌感染與免疫在慢性阻塞性肺疾病發病和疾病進程中的作用[J].中華醫學雜志，2012，92(14)：941.

[4] Gollwitzer E S，Marsland B J. Microbiota abnormalities in inflammatory airway diseases - Potential for therapy[J]. Pharmacology & Therapeutics，2014，141(1):32.

[5] 張 建，廖 麗.不同嚴重程度的慢性阻塞性肺疾病急性加重期患者痰培養菌種分布及耐藥性分析[J].重慶醫學，2011，40(30)：3063.

[6] Janda J M，Abbott S L.16S rRNA gene sequencing for bacterial identification in the diagnostic laboratory：pluses，perils，and pitfalls[J].Journal of Clinical Microbiology，2007，45(9):2761.

[7] 汪志方，徐金富.下呼吸道微生物組在慢性阻塞性肺疾病發生發展中的作用[J].中華全科醫師雜志，2014，13(7)：565.

[8] Giannella M，Valerio M，Franco J A，et al.Pacemaker infection due to Mycobacterium fortuitum：the role of universal 16S rRNA gene PCR and sequencing[J].Diagnostic Microbiology & Infectious Disease，2007，57(3):337.

[9] 劉雁冰，王 燕，崔立波.慢性阻塞性肺疾病穩定期下呼吸道細菌定植狀況[J].國際呼吸雜志，2007，27(14)：1085.

[10] Zakharkina T，Heinzel E，Koczulla R A，et al.Analysis of the Airway Microbiota of Healthy Individuals and Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease by T-RFLP and Clone Sequencing[J].Plos One，2013，8(7):e68302.

[11] Pragman A A，Kim H B，Reilly C S，et al.The Lung Microbiome in Moderate and Severe Chronic Obstructive Pulmonary Disease[J].Plos One，2012，7(10):S77.

[12] Yawn BP，Li Y，Tian H，et al.Inhaled corticosteroid use in patients with chronic obstructive pulmonary disease and the risk of pneumonia:a tetrospective claims data analysis[J].Int J Chron Obstruct Pulm Dis，2013，8:295.

[13] 黃惠雪，王浩彥，李京明.穩定期慢性阻塞性肺疾病細菌定植與炎癥細胞的關系[J].心血管病雜志，2007，26(2)：103.

[14] Marsland B J，Gollwitzer E S.Host-microorganism interactions in lung diseases[J].Nature Reviews Immunology，2014，14(12):827.

[15] Klepac-Ceraj V，Lemon K P，Martin T R，et al. Relationship between cystic fibrosis respiratory tract bacterial communities and age，genotype，antibiotics and Pseudomonas aeruginosa[J].Environmental Microbiology，2010，12(5):1293.

[16] Erbdownward J R，Thompson D L，Han M K，et al.Analysis of the Lung Microbiome in the “Healthy” Smoker and in COPD[J].Plos One，2011，6(2):e16384.

[17] 蔣旭宏，王 原.急診科C、D患者慢性阻塞性肺疾病細菌分布及耐藥性分析[J].中華急診醫學雜志，2013，22(6)：626.

[18] Millares L，Ferrari R，Gallego M，et al.Bronchial microbiome of severe COPD patients colonised by Pseudomonas aeruginosa[J].European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases Official Publication of the European Society of Clinical Microbiology，2014，33(7):1101.

[19] 曹 彬，蔡柏薔.關注細菌感染在慢性阻塞性肺疾病急性加重時的作用[J].中華內科雜志，2006，45(12)：969.

[20] Pragman A A，Kim H B，Reilly C S，et al.The Lung Microbiome in Moderate and Severe Chronic Obstructive Pulmonary Disease[J].Plos One，2012，7(10):S77.

[21] Chambers D C，Gellatly S L，Hugenholtz P，et al. JTD special edition ′Hot Topics in COPD′-The microbiome in COPD[J]. Journal of Thoracic Disease，2014，6(11):1525.

[22] Gollwitzer E S，Marsland B J.Microbiota abnormalities in inflammatory airway diseases - Potential for therapy[J]. Pharmacology & Therapeutics，2014，141(1):32.

[23] Han M L K，Huang Y J，Lipuma J J，et al.Significance of the microbiome in obstructive lung disease[J].Thorax，2012，67(5):456.

[24] Dickson R P，Martinez F J，Huffnagle G B.The role of the microbiome in exacerbations of chronic lung diseases[J].Lancet，2014，384(9944):691.

[25] 李 靖，鄭勁平，袁錦屏.口服八種細菌提取物對慢性支氣管炎合并慢性阻塞性肺疾病急性加重的預防作用[J].中華結核和呼吸雜志，2004，27(9)：631.