“腸-肺”軸與肺部疾病關系的研究進展

慕之勇，魏艷玲，李寧，許鳳華，阮廣聰，肖志鳳，范利琴，陳東風，崔紅利

陸軍軍醫大學第三附屬醫院消化內科，重慶 400042

哮喘、感染性肺疾病、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)等慢性肺部疾病患者常伴有腸道癥狀，且腸道損害的嚴重程度與肺部病變的嚴重程度高度一致[1]。此外，肺部惡性腫瘤患者亦常伴有胃腸道癥狀[2]。罹患胃腸道疾病者同樣可伴有呼吸道癥狀，如炎癥性腸疾病(inflammatory bowel disease，IBD)患者即使肺功能正常，且不伴隨任何呼吸道癥狀，其氣道也常存在輕微炎癥，且與緩解期患者相比活動期患者肺部損害更為明顯[3]。中醫認為“肺與大腸相表里”，二者在生理病理上有密切關系，但其具體機制尚未明確。近年來，隨著對腸道微生態研究的深入，人們逐漸認識到腸道菌群穩態對全身各臟器系統功能的重要影響，并提出了相關學說，如“腸-肝”軸、“腸-腦”軸、“腸-心”軸、“腸-腎”軸及“腸-皮”軸等學說[4-5]。消化道與呼吸道作為人體最重要的兩個與外界相通的臟器系統，腸-肺之間的聯系目前逐漸受到學術界的關注并形成了“腸-肺”軸學說。腸道菌群與肺臟疾病是否有關聯以及“腸-肺”軸在肺臟疾病發生發展中的作用，值得關注。

1 腸-肺之間的聯系

中醫學認為，肺為臟，屬陰，大腸為腑，屬陽，兩者雖相距甚遠，但通過經脈的相互絡屬，構成臟腑表里關系。因此，二者在生理病理上有密切聯系。而肺主氣，主行水，大腸主傳導，主津，故肺與大腸的關系主要表現在傳導和呼吸方面，均屬管道樣器官，皆司傳輸運化[6]。從胚胎發育的角度來看，腸道與肺臟具有共同的胚層來源。人胚胎在第3～4周時，胚盤向腹側卷折形成圓柱狀胚體，內胚層被卷入胚體內形成原腸。原腸可分成前腸、中腸和后腸三段。前腸逐漸分化形成口腔底、舌、咽、食管、胃、十二指腸上段，以及喉以下呼吸管道和肺臟等器官；中腸主要分化為十二指腸中下段、空腸、回腸、盲腸、升結腸和右2/3段橫結腸；后腸則主要分化為左1/3段橫結腸、降結腸、乙狀結腸、直腸和肛管上段等器官[7]。肺泡及細支氣管上皮細胞與胃腸道上皮細胞均有分泌和吸收功能，同時具有神經內分泌細胞的功能。從免疫學角度來看，腸道是免疫細胞發育的關鍵部位之一，腸道微生態不僅可影響腸道免疫，還可影響腸道外免疫。有研究發現，腸道菌群在增強肺部抗感染能力中起重要作用[8]。呼吸道免疫反應屬黏膜免疫反應的范疇，人體各部位的黏膜免疫是相互緊密聯系的，腸道黏膜免疫系統中激活的淋巴細胞能夠到達包括呼吸道在內的多個黏膜相關淋巴組織，發揮針對相同抗原的免疫反應，被稱為共同黏膜免疫系統(common mucosal immunological system，CMIS)[9]。從疾病學角度來看，消化系統疾病往往伴隨呼吸系統癥狀。臨床常見的胃食管反流性疾病(gastroesophageal reflux disease，GERD)不僅可獨立引起呼吸道癥狀，還可加重已有的呼吸系統疾病[10]。此外，部分胃腸道疾病可通過呼吸功能進行篩查診斷，如臨床上13C、14C呼氣試驗即通過吞咽含有放射性元素的尿素，再檢測呼出氣體中是否含有特定劑量的放射性元素來判斷患者是否存在幽門螺桿菌(HP)感染，以指導臨床診療。動物實驗發現，對大鼠進行不同時長的腸缺血實驗，松解腸絞窄后肺臟均出現充血水腫、炎性細胞浸潤以及肺泡不張等病理變化，且嚴重程度與腸缺血絞窄時間呈正相 關[11]。此外，肺部疾病亦可導致消化道癥狀，如肺部感染、肺癌等患者常出現納差、惡心、嘔吐、腹瀉等消化道癥狀。因此，從中醫學、胚胎發育、免疫學及疾病學等角度來看腸與肺之間均存在十分密切的聯系。

2 腸-肺間微生態的交互作用

腸道微生態由細菌、病毒、真菌及寄生蟲等構成，健康成人腸道中存在1013～1014個微生物，大部分位于結腸，其中腸道菌群數量級最大，起主導作用。根據確定的細菌含量和結腸容積推算，人體結腸內的細菌約3.8×1013個。腸內細菌種類至少有上千種，可分為擬桿菌和厚壁菌兩大類，其中以乳桿菌及雙歧桿菌為主，這類G-桿菌在宿主抗擊慢性炎癥和病原體感染中發揮重要作用[12-13]。腸道菌群多樣性受諸多主要生活事件(如分娩方式、抗生素應用、攝食)及個體健康狀態的影響，而腸道菌群多樣性減弱(尤其在嬰幼兒期)與哮喘、呼吸道感染、肺結核等多種肺部疾病的發生密切相關[14-15]。

呼吸道微生態主要由細菌、真菌、病毒等構成，其中呼吸道菌群占優勢。健康人群肺部的主要菌屬與腸道相似，均為厚壁菌和擬桿菌，其次為變形桿菌和放線菌，數量級可達104。細菌通過群體感應系統和局部產生的抗菌多肽調節細菌總體的動態平衡。呼吸道菌群在呼吸道黏膜免疫系統發育和成熟中起重要作用[16]。呼吸道定植的細菌可為呼吸道黏膜內免疫細胞的分化成熟提供必要的刺激信號。肺組織內記憶B細胞的形成需要肺微生物菌群的抗原刺激[17]，而肺部炎癥可導致呼吸道菌群失調[18]。 呼吸道菌群失調是呼吸系統疾病進展的一個重要特征，通過調節呼吸道菌群生態平衡能夠改善肺部炎癥[19]。呼吸道菌群的定植不僅取決于其內部的結構特征，同樣取決于外部和內在因素(如吸煙、疾病和免疫功能等)的相互作用。微抽吸(microaspiration)在健康人群中是一種常見現象，也是呼吸道菌群來源的一種常見形式。在胃食管反流性疾病患者中，微抽吸可導致腸道菌群直接遷徙至呼吸道，從而破壞呼吸道菌群生態的穩定，進而導致呼吸系統疾病惡化。此外，呼吸道菌群生態失衡亦可影響腸道菌群生態的穩定。既往研究發現，急性肺損傷可導致動物盲腸細菌負荷急劇增加[20]。因此，腸、肺微生態的穩定不僅對維護自身正常的生理功能有重要意義，還會對彼此產生影響。

3 “腸-肺”軸的相互聯系

許多胃腸道疾病在呼吸道都有表現，消化道菌群組成的改變可通過黏膜免疫系統影響呼吸道菌群的組成。在小鼠中，胃腸道微生物生態失衡可導致異常的呼吸道過敏反應，而補充乳桿菌菌株和特定的細菌代謝產物可改善肺部過敏反應[21]。循環運輸是可溶性微生物組分和代謝物在腸道與肺部之間交流的一種方式。微生物成分包括微生物相關的分子識別模式，如脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、肽聚糖等，對建立和維持黏膜固有免疫反應具有重要作用。微生物代謝物如短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)、吲哚丙酸(IPA)等可影響宿主免疫系統的發育和成熟。SCFAs在胃腸道合成后經門靜脈運輸到肝臟進行代謝，未被代謝的SCFAs經外周循環到達肺臟等組織，從而影響肺組織內免疫細胞的分化成熟。在肺內，SCFAs作為抗原遞呈細胞的信號分子，參與調節肺部炎癥及過敏反應[22]。 腸黏膜固有免疫細胞經外周循環遷移到呼吸道，可直接參與呼吸道免疫細胞活化及免疫穩態的維持，如ILC2s、ILC3s和Th17細胞從腸道遷移到肺部參與對病原微生物的免疫監視、應答和清除。此外，腸道細菌代謝產物脫氨基酪氨酸(DAT)能夠通過增強Ⅰ型干擾素(IFN)的效應來保護宿主免受病毒感染[23]。肺部疾病可同樣對腸道菌群產生影響。對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA)肺炎小鼠的研究發現，MARS能夠誘導小鼠腸細胞線粒體中促凋亡蛋白Bid、Bax和抗凋亡蛋白Bcl-xL的表達上調以及受體介導途徑中Fas配體增加，從而導致小鼠腸細胞凋亡以及腸道菌群組成發生改變[24]。因此，腸道菌群與呼吸道菌群可調節黏膜免疫應答，且二者細菌代謝產生的小分子代謝物彼此互相影響。腸道和肺臟的黏膜不僅具有獨立的系統功能，還可共享免疫監視和形成宿主免疫反應。

4 腸道菌群與肺部疾病

4.1 腸道菌群與支氣管哮喘 支氣管哮喘是呼吸系統的常見疾病，主要癥狀是發作性的喘息、氣急、胸悶、咳嗽等。其發病與嗜酸性粒細胞、肥大細胞、T淋巴細胞、中性粒細胞、氣道上皮細胞等多種細胞和細胞組分參與的氣道慢性炎癥有關，這種慢性炎癥可導致氣道高反應性。哮喘患者的呼吸道微生物群和腸道微生物群均會發生變化。嬰兒早期腸道微生物多樣性減少與兒童哮喘表型存在密切關系[25]。既往多項研究發現，早期抗生素暴露導致腸道菌群數量和結構的改變會使支氣管哮喘等變應性疾病的發生風險增加[26-27]。近期一項研究發現，孕期使用抗生素與子代哮喘嚴重程度呈劑量依賴關系。懷孕期間母親使用萬古霉素會在幾個不同的時間點引起母親和子代腸道微生物群組成的顯著變化。子代哮喘嚴重程度與腸道菌群的改變和盲腸SCFAs濃度的降低明顯相關[28]。以上研究表明，腸道菌群生態失衡與哮喘具有較強的相關性，調節腸道菌群生態平衡或許有助于哮喘的治療。Sagar等[29]的研究發現，鼠李糖乳桿菌可通過調節Toll樣受體、NOD樣(NLRs)受體、細胞因子和T細胞轉錄因子的表達抑制氣道炎癥、肥大細胞脫顆粒、T細胞活化及氣道重塑，從而降低慢性哮喘小鼠的肺阻力；短雙歧桿菌可通過誘導肺組織中Foxp3和IL-10的表達上調抑制哮喘發生。在小鼠哮喘模型中，致敏前補充鼠李糖乳桿菌或乳酸雙歧桿菌可誘導腸系膜淋巴結中分泌TGF-β的CD4+/CD3+T細胞數量增加以及支氣管周圍淋巴結中Foxp3的表達上調，從而抑制過敏原誘導的致敏反應[30]。

4.2 腸道菌群與肺部感染性疾病 腸道菌群及其代謝產物可影響和調節共同黏膜免疫系統的正常發育和功能，對機體抵抗病原體入侵具有重要作用。一方面通過對黏附位點和營養物質的競爭以及合成某些抗菌肽構成競爭抑制效應保護宿主免受病原體的侵害；另一方面可以合成SCFAs、吲哚衍生物等活性物質調節機體免疫反應。更重要的是，腸道菌群能夠激活人體內的自然殺傷細胞和中性粒細胞產生大量免疫因子，刺激腸道內免疫細胞產生多種免疫球蛋白參與維持正常黏膜免疫。呼吸系統急性炎癥在影響呼吸道菌群平衡的同時也會對腸道菌群產生重要影響。Sze等[20]研究LPS與PBS灌肺誘導的小鼠肺臟急性炎癥模型發現，灌注24 h后小鼠盲腸細菌總數明顯增加(P＜0.05)。而正常小鼠接受抗生素處理后，其肺部病毒負荷、巨噬細胞和淋巴細胞數量也會明顯增加[31]。抗生素是治療呼吸系統感染性疾病的基礎用藥，然而抗生素在治療肺部感染性疾病的同時也會導致腸道菌群失調。Rosa等[32]的研究發現，萬古霉素治療急性銅綠假單胞菌肺炎小鼠可誘導腸道菌群失調，導致小鼠腸道中變形桿菌數量增多、擬桿菌數量減少，腸道出現炎癥性改變。給予糞便菌群移植后，小鼠的易感表型和組織損傷表型能夠逆轉。既往研究發現，長雙歧桿菌可通過激活TLR信號通路，誘導肺泡內巨噬細胞活性氧(reactive oxygen specie，ROS)生成增加，有助于減輕肺部病原體感染引起的炎癥反應[33]。此外，雙歧桿菌能夠通過調節小鼠體液免疫和細胞免疫反應，平衡Th1/Th2免疫反應，增強小鼠抗H1N1病毒的能力[34]。因此，肺臟的急性炎癥會影響腸道菌群生態的穩定，而調節腸道菌群平衡有助于保護肺臟免受病原體的侵害。

4.3 腸道菌群與COPD COPD是一種具有氣流阻塞特征的慢性支氣管炎和(或)肺氣腫，可進一步發展為肺心病和呼吸衰竭。COPD患者病情進展不僅與肺部菌群相關，與腸道菌群亦具有密切關系[35]。 腸道菌群微生態失衡主要是指腸道菌群的數量和比例失調，表現為G+桿菌相對G-桿菌減少，這種變化對COPD的病理改變及病情進展具有重要影響。腸道潛在的致病菌增多，顯著增加了細菌移位導致COPD急性加重的頻率。此外，G-桿菌增多致使腸源性內毒素釋放增加，可對肺臟造成間接損傷，加快COPD病情進展。腸道菌群可代謝膽堿和磷脂酰膽堿生成三甲胺(TMA)，TMA吸收入血后經肝臟黃素單加氧酶(FMO)催化氧化生成氧化三甲胺(TMAO)。研究發現，循環TMAO水平與COPD患者的長期全因死亡率相關，6年全因死亡率約為55.6%[36]。與健康者相比，COPD患者的體育活動相關代謝需求的增加導致腸灌注減少，從而造成腸組織缺血。腸黏膜上皮對缺氧極為敏感，機體缺氧早期即會出現腸黏膜損傷以及黏膜屏障功能障礙。進行液體復蘇后，腸道發生缺血再灌注損傷，黏膜屏障功能進一步破壞，腸道內毒性物質通過門靜脈途徑和(或)淋巴途徑導致遠隔臟器損傷，而在此過程中，肺臟通常是最先受累的器官[37]。此外，腸道完整性損傷可能與COPD相關的胃腸道病變相關。一項基于人群的隊列研究發現，COPD患者患克羅恩病的風險是健康對照組的2.72倍，COPD和IBD可能有共同的炎癥途徑，包括誘發疾病的基因變異等[38]。 因此，研究腸-肺之間的相互作用，為臨床從整體把握疾病的內在聯系提供了新思路。

4.4 腸道菌群與肺癌 免疫檢查點抑制劑(immune checkpoint inhibitors，ICI)治療包括非小細胞肺癌在內的惡性腫瘤顯示出較好的療效，但仍有很大一部分患者對免疫治療無響應。來自芝加哥大學Gajewski的一項研究顯示，在招募的42例接受抗PD-1單抗或抗CTLA-4單抗治療的轉移性黑色素瘤患者中，僅16例對免疫治療有響應。治療前對患者腸道菌群進行分析發現，對免疫治療有響應的患者體內富含腸球菌(Enterococcus faecium)、產氣柯林斯菌(Collinsella aerofaciens)、青春雙岐桿菌(Bifidobacterium adolescentis)、肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumonia)、小韋榮球菌(Veillonella parvula)、糞副擬桿菌(Parabacteroides merdae)、乳酸桿菌(Lactobacillus species)和長雙歧桿菌(Bifidobacterium longum)等8個菌種，而對免疫治療無響應的患者腸道內則富集卵瘤胃球菌(Ruminococcus obeum)和羅斯拜瑞氏菌(Roseburia intestinalis)。為進一步探討腸道菌群對腫瘤生物學行為的影響，研究人員將對免疫治療有響應和無響應患者的糞便分別移植到無菌黑色素瘤小鼠模型體內，結果顯示，移植了對免疫治療無響應患者糞便的小鼠體內腫瘤生長更快，給予抗PD-1或PD-L1單抗治療后，移植了對免疫治療無響應患者糞便的小鼠治療效果更差[39]。說明腸道菌群不僅能夠影響腫瘤的生物學行為，還能夠影響抗腫瘤藥物的療效。有研究報道，腸道內G-桿菌產生的LPS可通過誘導炎癥反應促進黑色素瘤發生肺轉移，而維持腸道菌群生態系統的穩定可有效抑制腫瘤轉移[40]。此外，Routy等[41]的研究發現，在抗腫瘤治療期間服用抗生素會降低免疫治療的療效。相比總體人群，接受抗生素治療的患者無進展生存期(progressionfree survival，PFS)和總生存期(overall survival，OS)明顯縮短(P＜0.05)。這與抗生素誘導腸道菌群失調導致晚期腫瘤患者接受免疫治療的臨床獲益降低有關。因此，由腸道菌群衍生的糞菌療法(cancer fecal microbiota therpy，CFMT)可能用于腫瘤的輔助 治療。

4.5 腸道菌群與肺結核、急性肺損傷、呼吸窘迫綜合征等 腸道微生物成分作為配體作用于免疫細胞上的各種模式識別受體(PRRs)，從而調節宿主的免疫反應。樹突細胞(DC)在機體抗結核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis，Mtb)的免疫反應中具有重要作用。研究發現，腸道菌群對維持由Mincle介導的針對Mtb的DC依賴性肺免疫應答至關重要，而抗生素誘導腸道菌群失調可中斷該過程，從而導致T細胞參與的免疫反應受損，增加機體對Mtb的易感性[42]。此外，腸道菌群代謝產物IPA在體外和體內均顯示出有效抵抗Mtb的作用，Mtb感染后的疾病嚴重程度也與腸道微生物組明顯相關[43]。抗生素是治療肺部疾病的常用藥物，對腸道微生態平衡影響甚大。腸道微生態失衡可導致腸道細菌多樣性減少、致病性菌群增加、SCFAs生成減少、黏膜屏障破壞、腸源性感染、炎性介質大量釋放，以及腸道營養吸收障礙等，這與急性肺損傷、急性呼吸窘迫綜合征等肺部疾病的病情進展及轉歸具有密切關系[44]。

5 益生菌在肺部疾病中的應用

腸道菌群微生態失調與肺部疾病的發生發展密切相關，通過補充益生菌維持腸道菌群平衡或有助于肺部疾病的臨床管理。補充益生菌是指給予一定數量的、能夠對宿主健康產生有益作用的活的微生物，如雙歧桿菌、乳酸菌、腸球菌等。與腸道菌群相同，益生菌不僅在胃腸道發揮免疫作用，還可影響全身免疫系統，發揮抗炎、抗菌、抗毒素等作用。既往相關研究發現，益生菌能夠通過誘導產生調節性T細胞，降低過敏原特異性IgE和Th2細胞因子分泌，減輕靶器官嗜酸性粒細胞浸潤和過敏性炎癥反應，從而改善過敏表現[45]。給小鼠喂食加氏乳桿菌SBT2055可誘導其體內抗病毒基因Mx1、Oas1a的表達，通過抑制病毒復制對抗呼吸道流感病毒的感染[46]。此外，攝入益生菌還可減少呼吸機相關肺炎的發生[47]，但也有系統回顧性研究報道，沒有證實或排除補充益生菌對哮喘以及臨床危重患者的有益作用[48-49]。因此，益生菌治療肺部相關疾病仍需進一步研究驗證。

綜上所述，腸道微生物群組成的變化與肺部疾病密切相關。腸道菌群在肺部免疫穩態的建立和維持中起重要作用：一方面可通過菌群代謝物實現，這些代謝物在結腸產生，通過血液循環到達肺臟，在肺臟發揮抗炎作用；另一方面菌群刺激腸道黏膜免疫反應，通過共同黏膜免疫系統影響呼吸道功能。此外，腸道細菌還可直接遷徙到呼吸道作用于呼吸道黏膜免疫細胞，從而促進肺組織內免疫細胞的分化成熟。近年來，“腸-肺”軸在呼吸系統疾病中的重要作用逐漸引起學術界關注，但目前仍需要進一步研究其分子通路、效應介質及機制。然而重要的是，“腸-肺”軸為腸道微生物群的研究以及益生菌用于肺部疾病的治療提供了新的途徑。