呼吸道微生物組的變化及其對哮喘發病的影響

查依敏

暨南大學第二臨床醫學院(深圳市人民醫院)，廣東省深圳市 518020

【提要】 呼吸道微生物組由呼吸道菌群與其宿主細胞以及環境中影響兩者相互作用的多種因素構成，如呼吸道菌群的種類、氣道免疫細胞、物理化學因素等。越來越多的研究表明，呼吸道微生物組的變化與哮喘的免疫學發病存在一定的關系，對其進行深入的研究可為哮喘的診治提供新的思路。

支氣管哮喘(簡稱哮喘)，是一種由多種炎癥細胞、炎癥介質及細胞因子參與，以氣道炎癥、氣道高反應性和廣泛多變的可逆性氣流受限為主要特征的氣道慢性炎癥疾病。哮喘的發病機制復雜，涉及多基因遺傳傾向，并與環境因素、免疫因素有關，當外源性過敏原進入哮喘患者機體后即被抗原提呈細胞吞噬并激活T細胞，被活化的輔助型Th2細胞產生白介素(IL)如IL-4、IL-5和及IL-13等激活B淋巴細胞分泌特異性IgE并與肥大細胞和嗜堿性粒細胞等表面的IgE受體結合；當過敏原再次進入患者體內時，嗜堿性粒細胞和肥大細胞會分泌多種化學活性物質，引起由IgE介導的過敏反應。另一方面，活化的輔助性Th2細胞能引起嗜酸性粒細胞、淋巴細胞在呼吸道聚集，促進炎癥反應的發生，進而引起支氣管水腫、痙攣以及支氣管平滑肌收縮[1-2]。長期以來，學者們普遍認為下呼吸道是無菌的，但近年來，隨著宏基因組學二代測序技術的快速發展，這種技術越來越廣泛地被應用于肺部感染性疾病的病原學診斷中，使得人們不但認識到下呼吸道并非無菌，并且發現與傳統的微生物培養技術相比宏基因組測序技術具有強大的優勢[3-4]。相關研究表明，在健康和疾病狀態下人體呼吸道菌群的豐度和數量存在顯著差異[5-6]。Ege等[7]報道，生活環境中的微生物與宿主下呼吸道微生物組密切相關，兒童時期生活環境中暴露的微生物種類和數量越多，宿主哮喘的發病率越低。本文就哮喘的免疫學發病機制、呼吸道微生物組的變化及其對哮喘發病的影響等研究情況進行綜述，旨為提高哮喘的診治水平提供參考。

1 哮喘的免疫學發病機制

1.1 Th1/Th2、Th17/Treg在哮喘中的作用機制 哮喘是一種因外源性變應原進入機體后由多種炎癥細胞、炎癥介質及細胞因子參與的氣道慢性炎癥性疾病，其發病機制復雜，許多具體機制目前尚未完全闡明。1986年，Mosmann等[8]發現小鼠的CD4+T細胞可分為Th1和Th2兩種類型。之后，有學者發現[9]，人類也有類似的Th1和Th2亞群，并且在Th1和Th2 之間存在相互調節的關系,即Th1/Th2功能平衡。Th1和Th2細胞均為效應性T細胞，具有免疫調節功能，Th1細胞主要分泌Th1型細胞因子包括IFN-γ、TNF、IL-2，能促進Th1的進一步增殖，發揮細胞免疫的效應，同時還能抑制Th2細胞的增殖；Th2細胞的主要功能是介導體液免疫應答，通過產生IL-4、IL-5、IL-10以及IL-13等Th2型細胞因子，在抑制Th1細胞增殖的同時，協助和促進B細胞增殖分化為能產生抗體的漿細胞，參與體液免疫應答過程。Th1細胞和Th2細胞相互制約，共同調節免疫應答。哮喘的發病與Th2型細胞因子分泌過多有關，當過敏原被吸入患者肺內后，經過氣道上皮下的抗原提呈細胞如巨噬細胞、樹突狀細胞等的提呈作用，Th2淋巴細胞被激活[10]，而活化的Th2細胞產生的IL-3、IL-5和IL-13等會直接激活肥大細胞、嗜酸性粒細胞及巨噬細胞并使之聚集在氣道，這些細胞進一步分泌多種炎癥因子，導致氣道慢性炎癥的發生。由此可見，Th1/Th2功能失衡是哮喘發病的主要機制，但Th1/Th2功能失衡并不能完全解釋哮喘的發病。近年的研究發現[11]，Th17/Treg失衡可能也是免疫性疾病的發生機制并日益受到重視。Th17細胞與傳統的Th1細胞不同，前者具有與Th1、Th2細胞不同的獨立分化途徑，其分泌的IL-17(包括IL-17A到IL-17F)、IL-21、IL-22等會刺激上皮細胞、內皮細胞、巨噬細胞等分泌多種細胞因子如IL-8、MCP-1等趨化因子，從而募集和活化中性粒細胞和單核細胞[12]。與此同時，G-CSF、CM-CSF等集落刺激因子也會刺激骨髓造血干細胞產生更多髓樣細胞，通過IL-6、TNF-α和PGE2等誘導局部炎癥反應的發生，因此Th17細胞被認為參與了固有免疫，在某些炎癥的發生過程中發揮著重要的作用。Treg細胞是CD4+CD25+Foxp3+的T細胞，可通過表達CTLA4和分泌TGF-β、IL-10等細胞因子來抑制免疫應答，在人類免疫耐受中發揮著重要的作用。不僅如此，Treg細胞在抗腫瘤免疫疾病、自身免疫性疾病、感染性疾病和器官移植等多種疾病中可緩解疾病的進展； IL-10還可以抑制T細胞的增殖與分化，從而抑制Th1和Th2型細胞因子的合成與分泌，發揮免疫抑制作用[13]；TGF-β可通過抑制免疫效應細胞的增殖、分化和活性，抑制細胞因子的產生及調節免疫而發揮免疫抑制作用[14]。研究結果顯示[15]，急性發作期哮喘患者的Th17細胞、IL-17水平與患者的FEV1、FEVl/FCV等肺功能相關指標呈負相關，而Treg細胞、血漿IL-10水平等與患者肺功能相關的指標呈正相關。由此可以推測，患者哮喘的嚴重程度可能與其外周血Th17/Treg的平衡具有一定關系。

1.2 固有免疫機制 固有免疫又稱為天然免疫、非特異性免疫，是指機體在長期種系進化過程中逐漸形成的天然固有的抵御體外病原體侵襲、清除體內抗原性異常的一系列免疫防御能力，主要由組織屏障、固有免疫細胞及固有免疫分子組成。過去人們對哮喘發病機制的研究多集中在適應性免疫應答方面，如上所述的Th1、Th2介導的適應性免疫在哮喘發病的可能機制等，而近年來相關研究發現，固有免疫應答在哮喘的發病中同樣發揮著重要作用，其與適應性免疫共同促進氣道炎癥的發生，但具體機制目前尚不明確。模式識別受體(pattern recognition receptors，PRR)是一類能直接識別病原體及其產物或宿主凋亡細胞和衰老細胞表面某些共有特定分子結構的受體，是一種與固有免疫系統相互作用的蛋白質，其中Toll樣受體(Toll-likereceptors，TLR)是其中最重要的一種，TLR的激活可加劇氣道炎癥。未成熟的樹突狀細胞和肥大細胞等固有免疫細胞可表達TLR，在感染和炎癥過程中，被激活的樹突狀細胞、肥大細胞等可以釋放多種Th2型細胞因子，促進協同刺激分子上調，增強杯狀細胞分泌黏液的能力，促進嗜酸性粒細胞的增殖和滲出，從而引起氣道慢性炎癥[16]。另一種與哮喘密切相關的固有免疫成分為Ⅱ型固有免疫淋巴細胞(type-2 innatelymphoid cells，ILC2)，于2011年在人的腸道和肺組織中被首次發現[17]。ILC2屬固有免疫淋巴細胞的一種，功能與Th2細胞相當。目前研究發現，ILC2是介導蛋白水解酶引起變應性肺部炎癥和氣道高反應性的主要細胞，并且是IL-5和IL-13的主要來源細胞，可導致嗜酸性粒細胞增殖活化，黏液分泌增加和氣道高反應，參與不同表型哮喘的發生過程[18]。

2 呼吸道微生物組與哮喘

以往認為機體下呼吸道是無菌的，但隨著宏基因組學二代測序技術的快速發展并越來越廣泛地被應用于肺部感染性疾病的病原學診斷，不僅使得人們認識到下呼吸道并非無菌，而且發現這種技術與傳統的微生物培養技術相比在病原學診斷中具有強大的優勢[3-4]。一些研究結果[5-6]顯示，在健康和疾病狀態下機體呼吸道菌群的豐度和數量存在顯著差異。在健康狀態下，人體上呼吸道中細菌密度最高，其中鼻腔和鼻咽的微生物群可達103～106個，下呼吸道的菌群種類與上呼吸道相似，但數量略有差別，氣管和肺泡灌洗液的菌群數量約為102個/mL。相關研究表明[19-20]，健康人體下呼吸道中存在的固定菌群主要包括厚壁菌門、放線菌門、梭桿菌門、變形菌門和擬桿菌門，其中厚壁菌門是呼吸道的優勢菌群，擬桿菌門的普雷沃菌屬和厚壁菌門的鏈球菌屬是呼吸道的優勢菌科。和健康人相比，哮喘患者呼吸道微生物組群發生了改變，其下呼吸道中以變形菌屬尤其是嗜血菌屬占優勢。Huang等[21]的研究結果顯示，哮喘患者呼吸道中的細菌種類和數量均明顯增多，其中的變形桿菌、氣道高反應性與Th17和IL-17介導的炎癥有關，變形桿菌能通過激活Th17參與其介導的炎癥途徑來增強中性粒細胞的聚集，從而促進以中性粒細胞浸潤為主的哮喘的發生。Alnahas等[22]通過研究發現，感染了卡他莫拉菌的小鼠會產生強烈的炎癥反應，伴大量中性粒細胞聚集以及血清IL-6、IL-17、TNF-α和IFN-γ水平的升高，如果小鼠在屋塵螨致敏期間發生細菌感染，氣道過敏反應會增強，尤其是表現為血清Th17細胞增殖分化的增強和血清TNF-α水平的升高，這些表現都與過敏性疾病的發病有關。

哮喘嚴重程度和表型不同的患者其呼吸道微生物組分也各不相同。研究發現[23-25]，流感嗜血桿菌是嚴重哮喘患者氣道中最常見的潛在致病菌之一；在流感嗜血桿菌定植的小鼠中，流感嗜血桿菌能夠將與嗜酸性粒細胞相關的、對類固醇敏感的過敏性氣道疾病轉化為對類固醇不敏感的、與中性粒細胞相關的過敏性氣道疾病，表現為流感嗜血桿菌感染小鼠肺內中性粒細胞明顯增多，且Th17及其分泌的IL-17也增多。一些研究結果[26]顯示，重度哮喘患者的誘導痰微生物組多樣性低于輕至中度哮喘患者和健康對照者,并且這種微生物多樣性與痰中的中性粒細胞數量呈負相關；嗜中性粒細胞表型哮喘患者的特征是其痰液微生物多樣性下降、卡他莫拉菌和嗜血桿菌比例增高。Abdel-Aziz等[27]報道，與重度哮喘患者比較，輕度哮喘患者具有更高的韋榮球菌屬豐度，提示這些細菌在慢性氣道疾病的發病中具有保護作用；Huang等[21]在對嚴重哮喘患者的研究中觀察到，Th17細胞相關基因的表達與變形桿菌的種類和數量相關。由此可見，呼吸道微生物組的變化能通過改變宿主的免疫狀態而影響哮喘的發生發展。

3 小 結

隨著宏基因組學、16sRNA高通量測序、代謝組學、蛋白組學、轉錄組學等技術的發展，不僅可在哮喘患者體內檢測出多種病原體，而且能夠發現其呼吸道標本中含量極少的微生物種類。這些技術不僅促進了微生物組學的發展，也進一步促進了呼吸道微生物群失衡與哮喘發生相關機制的研究進程。目前，有關呼吸道微生物組的變化與哮喘的免疫學發病機制的研究多為觀察性研究，具體的發病機制仍不明確，系統闡明微生物與哮喘發病之間的因果關系，可為哮喘的診治提供新的思路。