氣道、腸道菌群對(duì)慢性阻塞性肺疾病的影響研究進(jìn)展

齊蕊涵 張洪春

1深圳市中醫(yī)院（廣東深圳518033）；2中日友好醫(yī)院呼吸中心（北京100029）

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種以持續(xù)呼吸道癥狀和氣流受限為特征的疾病，通常由暴露于有毒顆粒或氣體引起的氣道和（或）肺泡異常所致，其發(fā)病機(jī)制目前尚未完全闡明。統(tǒng)計(jì)顯示，COPD 的全球發(fā)病率為11.7%，在長(zhǎng)期大量吸煙人群中的發(fā)病率可高達(dá)50%，造成了全球每年約320 萬(wàn)人的死亡，已成為我國(guó)第四大致死疾?。?-2］。呼吸道感染是導(dǎo)致慢性阻塞性肺疾病急性加重（acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease，AECOPD）的主要因素，包括細(xì)菌感染和病毒感染，但目前細(xì)菌和病毒感染對(duì)急性加重的影響和機(jī)制尚未完全明晰。二代測(cè)序（next-generation sequencing，NGS）技術(shù)的出現(xiàn)使微生物組學(xué)成為COPD 發(fā)病機(jī)制與療效研究的新熱點(diǎn)，而“腸-肺軸”的發(fā)現(xiàn)又使腸道-氣道菌群互作、菌群-宿主互作成為COPD微生物組學(xué)研究的新視角［3］。因此，本文旨在對(duì)COPD 患者氣道菌群、腸道菌群的研究概況作一綜述，以期為COPD 患者不同階段菌群變化情況，及其對(duì)急性加重、病情嚴(yán)重程度的影響等提供較為全面的參考。

1 氣道菌群

既往人們認(rèn)為肺部是無(wú)菌的，但大量的研究已證實(shí)肺部存在不同的微生物群落，分布在上、下氣道及肺實(shí)質(zhì)中。氣道菌群的組成受多種因素的影響，比如年齡、性別、解剖結(jié)構(gòu)、上皮防御系統(tǒng)能力的不同、免疫細(xì)胞的不均勻流入等［4］。同時(shí)，氣道菌群與氣道上皮細(xì)胞互作參與塑造肺部免疫穩(wěn)態(tài)［5］。MORRIS 等［6］的一項(xiàng)多中心、前瞻性、觀察性隊(duì)列研究，觀察了健康不吸煙者與健康吸煙者上、下氣道微生物群落發(fā)現(xiàn)，肺部菌群與口腔菌群種類相似，菌群數(shù)量從上氣道到下氣道逐漸減少，但肺部尚有獨(dú)特的菌群種類；而吸煙者與非吸煙者相比，僅在口腔菌群的組成上有所不同，兩者的氣道菌群并沒(méi)有顯著差異。提示下氣道的菌群不全是經(jīng)由口腔獲得，而吸煙雖然是COPD 的重要危險(xiǎn)因素，但其并未對(duì)氣道菌群的構(gòu)成產(chǎn)生顯著影響。

2 氣道菌群與COPD

2.1 COPD 患者氣道菌群概況 對(duì)COPD 穩(wěn)定期下氣道菌群培養(yǎng)的研究證明，COPD 患者氣道中存在細(xì)菌定植，包括潛在的呼吸道病原體，下氣道細(xì)菌定植會(huì)導(dǎo)致炎癥反應(yīng)、支氣管擴(kuò)張、病變局部的免疫反應(yīng)和COPD日常癥狀的加重［4］。COPD 患者常見(jiàn)的氣道定植菌包括肺炎鏈球菌、流感嗜血桿菌和卡他莫拉菌，在重度COPD 患者氣道中，還定植有銅綠假單胞菌。有研究收集了584 份COPD痰標(biāo)本，發(fā)現(xiàn)豐度最高的三大菌門(mén)是厚壁菌門(mén)、變形菌門(mén)和擬桿菌門(mén)；豐度最高的5 大菌屬是韋榮球菌屬、嗜血桿菌屬、鏈球菌屬、普氏菌屬和莫拉菌屬［7］。

與健康受試者的肺相比，COPD 患者氣道菌群的多樣性和豐度存在顯著差異，并受肺部微環(huán)境影響而變化。對(duì)COPD 患者、健康吸煙者與健康非吸煙者的肺泡灌洗液菌群測(cè)序分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整體上COPD 患者的菌群豐度與兩組比較均無(wú)明顯差異，但COPD 患者的菌群多樣性和均勻度明顯較低，且擬桿菌門(mén)相對(duì)豐度較健康吸煙者、非吸煙者顯著降低，放線菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和變形菌門(mén)的相對(duì)豐度則無(wú)明顯差異［8］。表明吸煙雖未顯著影響COPD 患者氣道菌群的構(gòu)成，但造成了部分菌群間相對(duì)豐度的改變。

2.2 氣道菌群相對(duì)豐度變化與COPD 急性加重不同的個(gè)體具有不同的肺部微生物群落，雖然既往研究表明，COPD 急性加重通常由獲得新的菌株引起，并與炎癥增加和肺功能下降相關(guān)［9］，但目前研究發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)COPD 患者急性發(fā)作時(shí)的菌群組成沒(méi)有非常大的變化，即使在兩名患者的急性發(fā)作期樣本檢測(cè)出了新的菌株，但研究者認(rèn)為，這可能由個(gè)體異質(zhì)性所致［10］。COPD 的急性發(fā)作最可能與肺部的生態(tài)失調(diào)有關(guān)，而不是某些菌群的完全消失或出現(xiàn)新的菌株［7］。也可能是由菌群群落組成的微小變化的累積效應(yīng)，所導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)增加及失去菌群潛在的關(guān)鍵保護(hù)功能所致［10］。

急性加重時(shí)，主要是變形菌門(mén)的數(shù)量增加，例如莫拉菌科、巴氏桿菌科、假單胞菌科和腸桿菌科，也包括一些非典型病原菌。其中，莫拉菌屬相對(duì)豐度的增加最為顯著［7］，相較穩(wěn)定期，研究者觀察到，急性發(fā)作時(shí)，莫拉菌屬的平均相對(duì)豐度增長(zhǎng)5%［11］。相反，放線菌門(mén)、梭菌門(mén)和擬桿菌門(mén)的數(shù)量在急性發(fā)作時(shí)減少，提示這些菌群在AECOPD發(fā)病機(jī)制中具有潛在的重要作用［10］。例如，放線菌門(mén)由大量具有代謝活性的細(xì)菌組成，能產(chǎn)生多種次級(jí)代謝物，包括那些具有抗菌活性的代謝物［12］。據(jù)此推測(cè)，在COPD 急性發(fā)作時(shí)數(shù)量急劇減少的菌群可能有助于維持群落宿主的免疫穩(wěn)態(tài)，并可能抵消呼吸道致病菌的有害影響。此外，不同臨床亞型AECOPD 的肺部菌群特征不同。細(xì)菌型AECOPD 氣道菌群中變形菌門(mén)占比更高［7］，且變形菌門(mén)∕厚壁菌門(mén)比例升高，而嗜酸性粒細(xì)胞型AECOPD 氣道菌群具有更高的α 多樣性［13］。

2.3 氣道菌群多樣性與COPD 嚴(yán)重程度 氣道菌群的多樣性與COPD 患者疾病嚴(yán)重程度有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，相較于中重度COPD，晚期COPD 患者的支氣管微生物群落多樣性顯著降低，部分定植菌被潛在致病菌替代［14］。另有研究表明，變形菌門(mén)的增長(zhǎng)與疾病嚴(yán)重程度的增加有關(guān)，具體表現(xiàn)為嗜血桿菌（變形菌門(mén)）的顯著增長(zhǎng)，普氏菌屬（擬桿菌門(mén)）、韋榮球菌屬（厚壁菌門(mén)）的減少及多樣性的減低［7］。也有研究報(bào)道，肺功能下降患者的微生物群會(huì)向潛在致病菌屬轉(zhuǎn)變，特別是屬于γ 變形菌綱的細(xì)菌，如假單胞菌或嗜血桿菌［15］。同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)，住院AECOPD 患者痰微生物群落α多樣性的減少、β 多樣性的增加、韋榮球菌屬的缺失及葡萄球菌屬的富集與1年死亡風(fēng)險(xiǎn)的增長(zhǎng)顯著相關(guān)［16］。

2.4 氣道菌群與COPD 急性發(fā)作頻率 氣道菌群 還與COPD 患者急性發(fā)作的頻率有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，COPD 患者急性加重的頻率可能會(huì)導(dǎo)致肺部微生物組的不穩(wěn)定，與非頻繁加重者相比，頻繁急性加重者肺部生態(tài)失調(diào)更嚴(yán)重，無(wú)論是穩(wěn)定期COPD 或是AECOPD，頻繁急性加重會(huì)導(dǎo)致兩種狀態(tài)下細(xì)菌豐度的改變。該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，莫拉菌屬的相對(duì)豐度與急性發(fā)作頻率呈正相關(guān)，而乳桿菌屬的相對(duì)豐度與急性發(fā)作頻率呈負(fù)相關(guān)［7］。

2.5 治療方式對(duì)AECOPD患者氣道菌群的影響 急性加重時(shí)治療方式的不同會(huì)導(dǎo)致菌群組成出現(xiàn)不同的變化，單用抗生素時(shí)，首先降低了變形菌門(mén)的豐度，造成其門(mén)下部分菌群的長(zhǎng)期抑制；單用口服糖皮質(zhì)激素，則導(dǎo)致了許多類群的富集，主要是變形菌門(mén)，也有擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)的成員，特別是腸桿菌科（增加16 倍）、毛螺旋菌科、伯克霍氏菌科和奈瑟菌科［10］。另一研究發(fā)現(xiàn)，單用口服糖皮質(zhì)激素，肺部菌群的α 多樣性降低，變形菌門(mén)數(shù)量增加，變形菌門(mén)∕厚壁菌門(mén)的比例增大，體現(xiàn)在菌屬水平上，則表現(xiàn)為嗜血桿菌屬、莫拉菌屬的增長(zhǎng)和鏈球菌屬的減少；而單用抗生素或抗生素聯(lián)合口服糖皮質(zhì)激素治療時(shí)，情況完全相反。同時(shí)，氣道菌群的這種改變直到患者痊愈都持續(xù)存在，表明藥物治療會(huì)對(duì)AECOPD 患者氣道菌群造成長(zhǎng)遠(yuǎn)影響［11］。

3 腸道菌群

腸道微生物群是人體內(nèi)最大的微生物群落，約由1013～1014微生物組成，其微生物組基因至少是人體基因組的100 倍［17］。一項(xiàng)對(duì)1 135 例受試者糞便標(biāo)本的宏基因組分析表明，97.6%腸道微生物群落由細(xì)菌組成，另有2.2%來(lái)自古細(xì)菌，0.2%來(lái)自病毒，不到0.01%來(lái)自真核生物；而腸道菌群主要由厚壁菌門(mén)、放線菌門(mén)和擬桿菌門(mén)組成［18］。

腸道菌群在嬰兒出生時(shí)即開(kāi)始定植、發(fā)育［19］，其組成受宿主基因型、分娩方式、飲食、地域、年齡以及抗生素等的影響而改變［20］。抗生素對(duì)腸道菌群的影響取決于抗生素的種類、給藥途徑、使用療程、腸內(nèi)藥物濃度等因素。如喹諾酮類抗生素對(duì)厭氧菌作用弱，無(wú)論口服或靜脈給藥，對(duì)腸道菌群的影響均很小；經(jīng)膽道排泄的β-內(nèi)酰胺類抗生素對(duì)腸道菌群的影響則較大［21］。使用克林霉素7 d會(huì)造成腸道菌群擬桿菌門(mén)多樣性的顯著下降，停藥后2年仍無(wú)法恢復(fù)至干預(yù)前狀態(tài)［22］；而萬(wàn)古霉素對(duì)腸道菌群相對(duì)豐度的改變?cè)谕Ｋ?2 周后幾乎全部恢復(fù)到基線水平［23］。吸煙同樣可以影響腸道菌群。與健康非吸煙者及健康持續(xù)吸煙受試者相比，戒煙9 周的健康受試者腸道菌群厚壁菌門(mén)、放線菌門(mén)相對(duì)豐度增加，擬桿菌門(mén)和變形菌門(mén)減少［24］。

4 腸道菌群與COPD

4.1 COPD 患者腸道菌群組成變化 慢性呼吸道疾病患者有胃腸道問(wèn)題的可能性是正常人的2 ～3 倍，而超過(guò)一半的炎癥性腸病患者有肺部受累的表現(xiàn)［19］，在臨床表現(xiàn)上，體現(xiàn)了肺腸相關(guān)。越來(lái)越多的研究表明，腸道菌群對(duì)維持肺部健康具有重要作用，而腸道菌群對(duì)宿主肺部免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)途徑，被稱為“腸-肺軸”，這可能是COPD 的發(fā)病機(jī)制之一［25］，并可能助長(zhǎng)COPD 急性發(fā)作的頻率［26］。

AECOPD 患者腸道菌群中，厚壁菌門(mén)豐度最高，其次是擬桿菌門(mén)、變形菌門(mén)、放線菌門(mén)和疣微菌門(mén)［27］。在科水平上，與健康受試者相比，COPD患者腸道菌群中雙歧桿菌科、真桿菌科、乳酸桿菌科、微球菌科、鏈球菌科和絲蟲(chóng)病菌科增多，但個(gè)體間存在較大的差異，而鏈球菌屬的物種是區(qū)分COPD 與健康者的關(guān)鍵菌種［26］。同時(shí)，AECOPD 患者氣道與腸道核心菌群基本相似，在疾病不同階段菌群豐度與多樣性的改變也趨同［27］。

對(duì)于COPD 患者而言，吸入糖皮質(zhì)激素、服用β 受體激動(dòng)劑或抗膽堿能藥物與未服用這些藥物相比，腸道菌群的組成并沒(méi)有顯著差異［26］。同時(shí)，對(duì)接受吸入糖皮質(zhì)激素與抗生素治療的AECOPD患者痰、便標(biāo)本的分析發(fā)現(xiàn)，腸道菌群的豐度在第7 天減少，但在第14 天增高，菌群多樣性無(wú)明顯改變。且對(duì)于有頻繁抗生素使用史的患者，抗生素治療并沒(méi)有影響腸道優(yōu)勢(shì)菌群，提示抗生素的長(zhǎng)期使用可能使腸道菌群產(chǎn)生耐藥性［27］。此外，對(duì)于吸煙與不吸煙的患者、長(zhǎng)期處于穩(wěn)定期或頻繁急性加重的患者，也未觀察到其腸道菌群組成的顯著變化［26］。表明吸煙與否、支氣管擴(kuò)張劑、糖皮質(zhì)激素的使用以及是否急性加重并未對(duì)腸道菌群的組成造成顯著影響，體現(xiàn)了腸道菌群的相對(duì)穩(wěn)態(tài)，提示腸道菌群對(duì)COPD 的影響更可能是經(jīng)由其代謝產(chǎn)物調(diào)控。

4.2 腸道菌群經(jīng)腸-肺軸參與調(diào)控COPD 腸道菌群對(duì)肺部免疫及炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)主要依賴其代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸（short-chainfattyacid，SCFA）實(shí)現(xiàn)，SCFA 是腸道菌群經(jīng)腸-肺軸參與調(diào)節(jié)COPD 的關(guān)鍵分子。SCFA是含有一到六個(gè)碳原子的小羧酸。乙酸、丙酸和丁酸是人體和鼠腸道中含量最豐富的短鏈脂肪酸，它們由腸道菌群發(fā)酵難以消化的纖維和氨基酸而產(chǎn)生，繼而被結(jié)腸細(xì)胞吸收進(jìn)入血液循環(huán)［28］。研究表明，與有共生腸道菌群定植的常規(guī)飼養(yǎng)小鼠相比，無(wú)菌小鼠結(jié)腸中的可發(fā)酵底物含量上升，而SCFA 含量下降，這一現(xiàn)象表明了腸道菌群在SCFA 的生成中的重要作用［29］。SCFA 是許多細(xì)胞、組織游離脂肪酸受體2、3（free fatty acid receptor 2 and 3，F(xiàn)FAR 2∕3）的天然配體，包括腸內(nèi)分泌細(xì)胞和免疫細(xì)胞，以及樹(shù)突狀細(xì)胞，而FFAR2、FFAR3 在多種肺組織細(xì)胞表達(dá)，包括氣道平滑肌細(xì)胞［30］、氣道上皮細(xì)胞［31］、間質(zhì)細(xì)胞［32］、中性粒細(xì)胞和肺泡巨噬細(xì)胞［33］。SCFA 已被證明可以調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞中的多種細(xì)胞信號(hào)通路，表明腸道菌群經(jīng)由其代謝產(chǎn)物參與調(diào)節(jié)COPD 患者肺部免疫和炎癥反應(yīng)。例如，有研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群失調(diào)促進(jìn)肺損傷小鼠模型肺組織NF-κB 表達(dá)上調(diào)，及LPS 誘導(dǎo)的NF-κB 磷酸化，加重了肺部炎癥因子IL-1β、IL-6、TNF-α 的表達(dá)，而糞菌移植阻止了NF-κB 磷酸化，降低了肺部炎癥因子的釋放。同時(shí)，丁酸可以抑制肺泡巨噬細(xì)胞NF-κB 通路的激活［34］，并能通過(guò)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ 通路增強(qiáng)Treg 的產(chǎn)生并抑制Th17 的分化［35］而調(diào)控COPD 細(xì)胞免疫與炎癥反應(yīng)。此外，丙酸和丁酸也可通過(guò)抑制HDAC，而在整體水平上，調(diào)節(jié)Treg的產(chǎn)生，減輕COPD 患者的炎癥反應(yīng)［34］。

5 總結(jié)與展望

健康人的肺及整個(gè)呼吸道中包含各種共生菌群，這些細(xì)菌可以在個(gè)體之間、在肺內(nèi)的不同區(qū)域以及隨著時(shí)間的推移在個(gè)體內(nèi)表現(xiàn)出很大的異質(zhì)性。氣道菌群分類組成的改變，即生態(tài)失調(diào)，與多種肺部疾病的發(fā)生有關(guān)，而腸道菌群可經(jīng)“腸-肺軸”調(diào)節(jié)COPD 患者的肺部免疫和炎癥反應(yīng)。微生物組學(xué)研究為了解COPD 的異質(zhì)性和急性加重提供了一個(gè)新的視角，但當(dāng)前對(duì)COPD 患者氣道、腸道菌群的研究絕大多數(shù)是基于觀察性設(shè)計(jì)的橫斷面比較，縱向結(jié)果評(píng)估較少。盡管描述了COPD 患者和健康對(duì)照之間氣道、腸道菌群的關(guān)鍵差異，但僅靠菌群描述性分析不足以提供對(duì)疾病的機(jī)制或潛在療法的應(yīng)用依據(jù)。仍需進(jìn)一步探索菌群-宿主互作的機(jī)制，如采用多組學(xué)方法探索菌群特征與COPD 表型、細(xì)胞或分子標(biāo)記間的關(guān)聯(lián)，將菌群特征應(yīng)用于COPD 的風(fēng)險(xiǎn)分層、預(yù)后評(píng)估等。此外，需深入開(kāi)展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體外研究，揭示氣道、腸道菌群與COPD 發(fā)病或療效的因果關(guān)系，探索菌群經(jīng)“腸-肺軸”對(duì)COPD 免疫和炎癥反應(yīng)的間接、直接作用機(jī)制。明確“腸-肺軸”的具體內(nèi)涵，為COPD 的治療提供新策略。