肺部菌群與呼吸道疾病的相互關系

李宗杰 狄荻 李蓓蓓

（中國農業科學院上海獸醫研究所，上海 200241）

近年來，關于肺部微生物與呼吸道感染的相互關系的研究越來越多，大量研究發現肺部微生物的相對豐度和物種多樣性對于呼吸道疾病的發生和傳播有重要影響［1］。由于呼吸道黏膜免疫系統具有物理屏障作用和識別清除能力，學術界曾經一度認為健康機體的肺是無菌的［2-3］。但是，隨著不依賴體外培養的第二代測序技術的快速發展，在健康個體的肺組織中也發現有多種共生微生物定植［4］。

肺部菌群的形成與出生方式、飲食結構、生活環境和抗生素使用等多種因素都有密切關系，研究證實幼體肺部菌群的結構組成會影響全生命周期的健康狀態［5-6］。生命早期過度使用抗生素不僅會造成肺部菌群的結構失衡，還會增加成年后患上哮喘（Asthma）和慢性阻塞性肺疾病（Chronic obstructive pulmonary disease，COPD）等呼吸道疾病的風險［7］。通過對比分析母乳喂養的仔豬和人工喂養的仔豬呼吸道微生物的結構組成，發現某些特定菌株可以通過降低仔豬的炎癥細胞因子水平而影響免疫功能［8］。

由于上呼吸道和下呼吸道的微生態環境明顯不同，因此在呼吸道不同部位定植的菌群結構組成也各不相同，有些細菌（如肺炎鏈球菌等）可能與整個呼吸道的急性感染有關［9-11］。呼吸道細菌感染經常與病毒感染同時發生或者在病毒感染之后發生，因此肺部菌群和呼吸道病毒之間存在復雜的協同作用或競爭作用［12］。通過干預生命早期肺部菌群的結構組成，進一步調節肺部免疫穩態可以成為預防呼吸道感染的新策略。

1 肺部菌群的來源和種類

下呼吸道作為機體氣體交換的主要場所，經常暴露在含有不同微生物的空氣環境中，因此與肺泡直接接觸的環境微生物經常會隨場所改變而發生變化。由于肺部免疫系統具有強大的抗菌防御能力，能夠對進入肺泡的各種微生物進行有效的識別和清除，因此只有小部分適應肺部免疫系統的微生物才可以穩定定植［7］。

1.1 肺部菌群的主要來源

通過比較分析吸煙者和非吸煙者的呼吸道微生物的結構組成，發現雖然兩個群體的口腔菌群的物種組成差別較大，但是肺部菌群的物種組成差別卻不明顯［13］。此外，通過比較研究艾滋病病毒感染者和未感染者的呼吸道菌群結構，發現兩個群體的口腔菌群的結構組成差別較大，但是肺部菌群的物種組成卻沒有明顯差別，說明不同人群的肺部菌群的物種組成相對比較穩定［14］。由于肺部菌群的物種組成與口腔菌群的物種組成有較高的相似度，但是與鼻腔菌群的物種組成卻有較大的差異，因此肺部菌群可能主要來源于口腔菌群［15］。

1.2 肺部菌群的物種組成

利用16S rRNA高通量測序技術對肺部菌群進行多樣性研究［16-17］，發現肺部菌群在門的分類水平物種組成主要包括變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidetes）等，然而在屬的分類水平物種組成主要包括普氏菌（Prevotella）、韋榮球菌（Veillonella）、假單胞菌（Pseudomonas）、梭桿菌（Fusobacteria）和鏈球菌（Streptococcus）等。肺部菌群與口腔菌群共有的細菌包括腸桿菌（Enterobacteriaceae）、嗜血桿菌（Haemophilus）、甲基桿菌（Methylobacterium）和雷爾氏菌（Ralstonia）等［13］。肺部的細菌數量明顯比上呼吸道的細菌數量少，特別是普氏菌的豐度明顯下降，但是變形菌門的豐度較高，可能主要與肺部的氧氣利用功能和氧化還原狀態有關。

2 肺部菌群對肺部免疫穩態及肺部疾病的作用與影響

肺部菌群與宿主之間的相互作用可以影響多種呼吸道疾病的發生和發展。例如，慢性阻塞性肺疾病患者的肺部菌群處于紊亂狀態，其中可以發現有21.1%的口腔菌群和8.7%的鼻腔菌群［18］。肺部菌群通過作用于宿主的肺部免疫系統調節免疫穩態，維持宿主對共生菌群的免疫耐受和炎癥感染之間的動態平衡［19］。

2.1 肺部菌群對肺部免疫穩態的調節作用

肺部菌群不僅可以影響呼吸道的黏膜屏障，還可以作用于天然免疫系統和適應性免疫系統以清除入侵的病原微生物。肺部菌群主要通過產生模式識別受體（Pattern recognition receptors，PRRs）誘導Treg細胞和Th17細胞的分化來維持肺部免疫平衡。當胎兒在母體子宮時，由于免疫系統尚未發育成熟，主要表現為Th2細胞主導的免疫反應；胎兒出生后的兩周左右，肺部菌群的主要成員由變形菌門和厚壁菌門逐漸向擬桿菌門轉變，促進天然T細胞由Th2型免疫反應逐漸向Th1型免疫反應轉變，從而可以增強對哮喘和過敏性疾病的抵抗能力［20］。Yang等［21］通過對比分析正常肺組織和肺纖維化病理組織的菌群組成發現，普氏菌和擬桿菌（Bacteroides）豐度升高后可以分泌外膜囊泡（Outer membrane vesicles，OMVs）產生脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）和脂蛋白等成分，通過作用于肺泡巨噬細胞的Toll樣受體（Toll like receptors，TLRs）并進一步激活下游的髓樣分化因子88（Myeloid differentiation factor88，MyD88）信號通路，從而促進白介素-17B（Interleukin-17B，IL-17B）的表達。IL-17B不僅可以直接作用于肺上皮細胞，還可以通過招募中性粒細胞并促進Th17細胞分化進而引起肺纖維化［22］。Singanayagam等［23］發現慢性阻塞性肺病患者的肺部菌群紊亂與抗菌肽cathelicidin的表達量下降密切相關，而增加外源性抗菌肽可以抑制肺炎鏈球菌的擴張并降低肺組織中的細菌總量，表明抗菌肽可以通過改變肺部菌群結構而影響免疫穩態。

2.2 肺部菌群對肺部疾病的影響

肺部菌群不僅可以調節肺部免疫穩態，還可以進一步影響哮喘、慢性阻塞性肺疾病、特發性肺纖維化（Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）、囊腫性纖維化（Cystic fibrosis，CF）以及肺癌等多種肺部疾病的發生和發展［10，24］。由于無菌小鼠的免疫系統發育不完善，因此可以作為研究呼吸道菌群和肺部疾病的理想動物模型。將感染慢性肺炎小鼠的呼吸道菌群移植到無菌小鼠體內后發現，可以通過增加無菌小鼠的白細胞介素-17A（IL-17A）分泌而引起肺部炎癥［25］。肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）和流感嗜血桿菌（Haemophilus influenzae）可以通過激活絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路引起肺部炎癥反應。脂多糖攻毒造成小鼠肺部慢性炎癥的同時也改變了肺部菌群的豐度和多樣性，如可引起假單胞菌（Pseudomonas）和乳酸桿菌（Lactobacillus）的豐度增加以及普氏菌的豐度減少［26］。哮喘病患者的普氏菌和韋榮球菌等共生菌的豐度明顯降低，而鏈球菌、嗜血桿菌（Haemophilus）和奈瑟氏球菌（Neisseria）等條件致病菌的豐度卻明顯升高。當無菌小鼠接種金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）等呼吸道共生微生物后，可以通過激活粒細胞-巨噬細胞集落刺激 因 子（Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）信號通路和Nod樣受體（Nod-like receptor，NLRs）信號通路提高抗感染能力［27］。肺癌患者的肺部菌群與正常人的肺部菌群明顯不同，結核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）等病原菌可以通過激活Myd88信號通路產生炎癥細胞因子（如 IL-1β和 IL-23），進一步刺激肺 γδ T 細胞產生IL-17等效應分子促進腫瘤細胞增殖［28-29］。此外，肺上皮細胞（Lung epithelial cells，LEC）的核因子κB（Nuclear factor kappa-B，NF-κB）信號通路激活后可以抵抗真菌感染，主要通過刺激天然淋巴細胞吞噬并殺滅皮炎芽生菌（Blastomyces dermatitidis）等肺部真菌發揮抗感染作用［30］。

3 肺部菌群與其他共生微生物的相互作用

在宿主不同部位定植的共生微生物之間也可以互相影響，主要通過菌群易位定植和產生代謝物進入血液循環等方式進行互動交流［31］。

3.1 肺部菌群與腸道菌群之間的互動交流

中醫臟腑理論認為“大腸主肺，肺與大腸相表里”，現代醫學研究也發現慢性肺病的患者通常也會伴隨出現惡性腸梗阻和炎癥性腸病等癥狀，說明肺部菌群與腸道菌群之間可能存在互動交流。腸道中的分節絲狀細菌（Segmented filamentous bacteria，SFB）、雙歧桿菌（Bifidobacterium）和擬桿菌可以通過誘導宿主產生Th17細胞和分泌性免疫球蛋白A（Secretory immunoglobulin A，sIgA）降低肺炎鏈球菌引起的肺部感染［32］。腸道菌群產生的脂多糖可通過與Toll樣受體（TLRs）和Nod樣受體（Nod-like receptor，NLRs）結合影響肺部對流感病毒肺的免疫反應，而使用抗生素處理過的無菌小鼠則失去了這種反應能力［33］。腸道菌群中的一些成員還可以通過產生短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFAs）和五羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）等代謝產物調節肺部免疫穩態。腸道內由白細胞介素-25（Interleukin-25，IL-25）誘導產生的天然淋巴細胞（Innate lymphoid cells，ILC）可以遷移至肺部并引起組織損傷，從而導致哮喘和慢性阻塞性肺疾病等慢性肺病［34］。因此，肺部菌群和腸道菌群對話交流構成了肺和腸道功能聯系的橋梁［35］。

3.2 肺部菌群與呼吸道病毒的相互作用

肺部菌群與呼吸道病毒可以在多個層次上發生相互作用。一方面，肺部菌群及其產生的代謝產物可以促進呼吸道病毒增殖并增強其感染能力。囊腫性纖維化患者在感染病原性銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）之后，經常容易感染呼吸道合胞病毒（Respiratory syncytial virus，RSV），流感病毒（Influenza virus）、副流感病毒（Parainfluenza virus）、鼻病毒（Rhinovirus）和腺病毒（Adenovirus）等［36］。另一方面，呼吸道病毒也可以通過損傷宿主黏膜屏障、影響免疫功能引起繼發性細菌感染，并引起肺部菌群的豐度和多樣性發生變化［37］。豬繁殖與呼吸綜合征病毒（Porcine reproductive and respiratory syndrome，PRRS） 和 豬 圓 環 病 毒 2型（Porcine circovirus-2，PCV-2）共感染可以引起共生菌群的豐度和多樣性均發生變化［18］。另外，共生菌群可以通過驅動肺間質細胞抑制流感病毒的早期復制，主要是通過增加I型干擾素受體（Type I interferons receptor，IFNAR1）表達量和提升基礎干擾素信號發揮抗病毒作用38］。

4 結語

肺部菌群對呼吸道免疫穩態有重要的調節作用，肺部菌群的結構失衡與多種肺部疾病都有密切關系。因此，研究肺部菌群與宿主之間的相互作用對于預防和治療呼吸道感染有重要意義［39］。益生菌在預防呼吸道感染和降低感染癥狀方面有巨大的應用潛力，在健康個體的肺部菌群培養得到的某些特定菌株經鼻腔接種后對哮喘和過敏性疾病有改善作用，說明在生命早期對呼吸道菌群進行干預可影響肺部疾病的發生和發展［40］。此外，通過給嚴重哮喘的小鼠模型口服短雙歧桿菌（MRx0004）可以顯著降低肺泡灌洗液的中性粒細胞和嗜酸性粒細胞的浸潤，感染甲型流感病毒的小鼠口服乳酸桿菌（SBT2055）后可通過誘導IgA的產生提高存活率［41］。由于不同的益生菌菌株定植能力的差異，在體內發揮的作用也不盡相同。因此，使用包含多種益生菌的復合制劑干預肺部菌群備受青睞，糞菌移植（Fecal microbiota transplantation，FMT）干預可以降低感染肺炎鏈球菌的小鼠的死亡率，說明糞菌移植技術有望成為預防呼吸道感染的新策略［42］。