肺微生物群與慢性阻塞性肺疾病的關(guān)系研究進(jìn)展

何貴強(qiáng) 郎艷竹 趙順順 王小靜 歐陽(yáng)瑤

遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科（貴州遵義563000）

慢性阻塞性肺疾病，是一種常見(jiàn)的呼吸系統(tǒng)疾病，主要包括慢性支氣管炎和肺氣腫。它的特征是下呼吸道進(jìn)行性慢性炎癥和由部分不可逆氣道阻塞引起的氣流受限［1］。該病的常見(jiàn)癥狀包括呼吸困難、咳嗽、咳痰和因長(zhǎng)期接觸香煙煙霧（cigarette smoke，CS）或污染物而導(dǎo)致的呼吸道成分改變［2］。CS 主要通過(guò)缺氧和增加細(xì)菌生物膜的形成，來(lái)影響肺微生物組成［3］。吸入CS 會(huì)激活上皮細(xì)胞，以及免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞（包括中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和T 淋巴細(xì)胞）［4］。呼吸道是微生物進(jìn)入人體的主要入口之一，因此它在微生物群的組成中起著關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，COPD 患者肺部厚壁菌屬、鏈球菌屬、勞特羅普菌屬豐度的增加與擬桿菌門豐度的下降，參與全身炎癥反應(yīng)［5］。COPD 患者腸道和肺微生物群的動(dòng)態(tài)變化，與COPD 急性加重及病情進(jìn)展有關(guān)［6］。目前肺微生物群在COPD 中的作用機(jī)制尚不清楚，本文就肺微生物群與COPD的關(guān)系展開(kāi)綜述。

1 健康的肺微生物群

傳統(tǒng)上，肺被認(rèn)為是無(wú)菌的，并且在原始的人類微生物組項(xiàng)目中被排除在五個(gè)主要身體部位（胃腸道，口腔，陰道，皮膚和鼻）之外［7］。獨(dú)立于培養(yǎng)的技術(shù)（如16S 核糖體RNA 和宏基因組測(cè)序），表明即使沒(méi)有感染的臨床證據(jù)，肺部也含有大量的微生物群落［8］。從出生開(kāi)始，新生兒的呼吸道就被微生物群迅速定植，顯示出少量和不太復(fù)雜的微生物群落［9］。隨著年齡的增長(zhǎng)，肺微生物群的生物多樣性、生物量和復(fù)雜性增加，并趨于動(dòng)態(tài)平衡［10］。在健康受試者中，肺部發(fā)現(xiàn)的常見(jiàn)微生物包括變形桿菌、厚壁菌和擬桿菌［11］。其次，在疾病或免疫失調(diào)狀態(tài)下，肺部會(huì)出現(xiàn)其他生物體，例如病毒或真菌［12］。研究發(fā)現(xiàn)在COPD 患者肺中，曲霉菌屬、枝孢菌屬、青霉菌屬占主導(dǎo)地位［13］。肺微生物群的狀態(tài)，由宿主的免疫系統(tǒng)保存和控制。因此，肺微生物群的變化會(huì)調(diào)節(jié)宿主的免疫和新陳代謝，進(jìn)而改變氣道中細(xì)菌的生長(zhǎng)條件，并使炎癥和生態(tài)失調(diào)的循環(huán)持續(xù)下去［14］。那么，肺微生物群是否影響COPD 以及它們之間有何聯(lián)系，其具體機(jī)制是怎么樣的，還需要進(jìn)一步的研究探討。

2 肺微生物群對(duì)COPD 免疫與氣道炎癥的影響

由先天性和適應(yīng)性成分組成的免疫系統(tǒng)，可通過(guò)微生物群的改變，調(diào)節(jié)肺微環(huán)境穩(wěn)態(tài)。肺微生物群不斷與空氣接觸，與入侵的微生物競(jìng)爭(zhēng)，調(diào)節(jié)和影響肺微環(huán)境，增強(qiáng)免疫系統(tǒng)對(duì)病原體的作用［15］。而肺微生物群和免疫系統(tǒng)的相互作用，可促進(jìn)保護(hù)性反應(yīng)和支持免疫耐受［16］。在肺微生物群的組成和功能發(fā)生變化后，可能產(chǎn)生相應(yīng)的病理改變。在氣道上皮中，定位模式識(shí)別受體（pattern recognition receptor，PRR）、巨噬細(xì)胞（macrophage，mφ）和樹(shù)突狀細(xì)胞（dendritic cells，DC），它們都能夠識(shí)別微生物分子并將其區(qū)分為危險(xiǎn)或不危險(xiǎn)。

2.1 Toll 樣受體（toll-like receptors，TLR）與呼吸道微生物群或病原體相關(guān)的損傷，將導(dǎo)致先天性免疫細(xì)胞表達(dá)的TLR 誘導(dǎo)免疫耐受。一方面，肺微生物群通過(guò)與氣道TLR 和吞噬細(xì)胞的相互作用，產(chǎn)生免疫耐受，防止過(guò)度的氣道炎癥反應(yīng)［17］。例如，針對(duì)銅綠假單胞菌（pseudomonas aeruginosa，pa），微生物群通過(guò)TLR 刺激免疫球蛋白A 的產(chǎn)生，以提高宿主防御能力；而針對(duì)大腸桿菌（escherichia coli，EC），脂多糖可通過(guò)TLR-4 刺激肺泡巨噬細(xì)胞，釋放炎性細(xì)胞因子［18］。TLR 激活機(jī)體炎癥反應(yīng)的各個(gè)階段，有助于消除入侵的病原體并協(xié)調(diào)全身免疫防御［19］。鞭毛蛋白是一種TLR-5 激動(dòng)劑，可保護(hù)小鼠和靈長(zhǎng)類動(dòng)物免受呼吸道感染。PéREZ-CRUZ 等［20］發(fā)現(xiàn)，使用鞭毛蛋白可預(yù)防暴露于CS 的小鼠的細(xì)菌感染，并且改善其肺部炎癥和氣道重塑。在肺炎鏈球菌感染期間，全身注射鞭毛蛋白可激活3 型先天性淋巴細(xì)胞在肺組織中迅速積聚，刺激呼吸道黏膜白細(xì)胞介素-22（interleukin-22，IL-22）的產(chǎn)生，對(duì)抗細(xì)菌感染［21］。SHARAN 等［22］報(bào)道，IL-22 可促進(jìn)中性粒細(xì)胞的募集、抗菌肽的合成和緊密連接分子的表達(dá)。他們還發(fā)現(xiàn)COPD 期間感染易感性增加，與IL-22 產(chǎn)生缺陷有關(guān)。BUDDEN 等［23］發(fā)現(xiàn)，在COPD 患者和長(zhǎng)期暴露于CS 的小鼠中，感染細(xì)菌后IL-22 的產(chǎn)生受到抑制。另一方面，TLR 可誘導(dǎo)IL-5、IL-13 和干擾素-γ 等炎性細(xì)胞因子，將免疫細(xì)胞募集到肺部，從而加劇氣道炎癥［24］。DOYLE 等［25］報(bào)道，IL-13 可刺激肺泡巨噬細(xì)胞釋放基質(zhì)金屬蛋白酶-12，誘導(dǎo)氣道空間擴(kuò)大，導(dǎo)致肺氣腫和氣道炎癥。另外，在IL-13 敲除的小鼠中，肺微生物群的厚壁菌和變形菌相對(duì)缺乏［26］。

2.2 巨噬細(xì)胞肺微生物群還通過(guò)募集和激活調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞、mφ 和DC 阻止侵入性微生物的生長(zhǎng)和擴(kuò)散，并調(diào)節(jié)機(jī)體免疫耐受。巨噬細(xì)胞是氣道的重要防御成分，可充當(dāng)與外部抗原對(duì)抗的哨兵。根據(jù)其功能可將其分為具有促炎能力的M1 型mφ，以及具有吞噬能力和抗炎能力的M2 型mφ［27］。巨噬細(xì)胞極化，可能與COPD 有關(guān)［28］。WANG 等［29］發(fā)現(xiàn)，CS 可促進(jìn)M2 型mφ 極化和誘導(dǎo)MMP-12釋放的IL-4 增加，導(dǎo)致肺氣腫；M2 型mφ 可上調(diào)粘蛋白5AC 的表達(dá)，導(dǎo)致黏液分泌過(guò)多引起氣道阻塞。其次，細(xì)菌代謝物如丁酸鹽，可在體內(nèi)和體外誘導(dǎo)M2 極化，并抑制巨噬細(xì)胞的M1 極化［30］。ZHU 等［31］報(bào)道，補(bǔ)充丁酸梭菌可使肺巨噬細(xì)胞M2極化增加、IFN-γ 和IL-17 釋放減少，從而改善肺部炎癥反應(yīng)和免疫失調(diào)。

2.3 氣道黏液分泌在COPD 中，氣道黏液的分泌也參與這種宿主-肺微生物的相互作用。一方面，肺微生物群影響?zhàn)ひ旱漠a(chǎn)生以及氣道上皮分泌的抗菌肽和免疫調(diào)節(jié)肽，例如導(dǎo)管素和β-防御素，并且這兩種蛋白都參與微生物群的組成［32］。另一方面，積聚在肺內(nèi)膜上的黏液會(huì)促進(jìn)微生物群的改變，以及巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的增殖，從而誘導(dǎo)免疫介導(dǎo)的氣道受損和肺功能減退［33］。綜上，COPD 中肺微生物群通過(guò)激活氣道TLR、募集和激活免疫細(xì)胞、促進(jìn)氣道黏液分泌等途徑影響機(jī)體的免疫活動(dòng)，從而加劇氣道炎癥。同時(shí)，肺微生物又受到免疫系統(tǒng)和COPD 疾病本身的影響。因此，抑制TLR 的激活可能成為一種COPD 新的治療策略。

3 肺微生物群對(duì)COPD 氧化應(yīng)激的影響

在COPD炎癥期間，肺泡巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞能夠產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）［34］。ROS 的水平增加會(huì)導(dǎo)致周圍黏液的氧氣消耗，從而將肺微環(huán)境從需氧環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬醐h(huán)境，進(jìn)而導(dǎo)致厭氧細(xì)菌的增加。pa 是存在于肺部的厭氧菌，它們能夠在需氧和厭氧條件下生活，并且在某些情況下會(huì)導(dǎo)致疾病的產(chǎn)生。據(jù)報(bào)道，當(dāng)肺部細(xì)菌多樣性減少時(shí)，pa 就會(huì)增加［35］。另外，pa 是引起急性肺損傷和急性呼吸窘迫綜合征的重要條件致病菌，感染pa 與患者的高死亡率相關(guān)［36］。在厭氧條件下，pa 通過(guò)反硝化途徑進(jìn)行代謝活動(dòng)，該途徑使用氮氧化物作為最終電子受體［37］。SCALES等［38］發(fā)現(xiàn)，炎癥可以為pa 呼吸提供末端電子受體，并且支持其大量繁殖。其次，COPD 巨噬細(xì)胞的吞噬功能缺陷，與線粒體功能的改變以及無(wú)法調(diào)節(jié)線粒體ROS（mitochondria ROS，mROS）的產(chǎn)生有關(guān)［39］。在健康個(gè)體中mROS 濃度由清除的酶控制，可防止細(xì)胞損傷［40］。BARNES 等［41］報(bào)道，在COPD 患者的巨噬細(xì)胞中mROS 不斷增加。研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞可通過(guò)mROS 的免疫調(diào)節(jié)功能消除細(xì)菌［42］。綜上，肺微生物可能參與COPD 氧化應(yīng)激，線粒體功能改變可作為COPD 新的研究方向。

4 肺微生物菌群對(duì)COPD 病情嚴(yán)重程度的影響

4.1 對(duì)COPD 穩(wěn)定期、恢復(fù)期的影響肺是一個(gè)脆弱的器官，因?yàn)樗苯优c外部環(huán)境交流，而接觸微生物、過(guò)敏原和污染物會(huì)改變肺微生物群的組成。細(xì)菌的持久性受到多種因素的影響，例如氧氣濃度、pH 和溫度的變化。這些因素的改變會(huì)導(dǎo)致微生物菌群失調(diào)，從而導(dǎo)致COPD 等慢性氣道疾病的發(fā)展［43］。在最近的一項(xiàng)研究中，對(duì)COPD 患者和健康對(duì)照者的痰液進(jìn)行分析，可以顯示肺微生物群的組成存在差異［44］。TANGEDAL 等［45］對(duì)COPD 患者的痰液進(jìn)行DNA 序列分析，發(fā)現(xiàn)鏈球菌、羅西氏菌、普氏菌屬、韋榮氏菌屬和嗜血桿菌屬共包含68%的所有序列，而在病情加重期間它們是占主導(dǎo)地位。因此，COPD、哮喘等肺部疾病可能導(dǎo)致微生物群失衡、細(xì)菌消除無(wú)效和氣道改變。CAVERLY 等［46］表明，上述改變可誘導(dǎo)微生物生態(tài)位的形成，從而促進(jìn)常見(jiàn)厭氧共生菌（如普雷沃氏菌和韋榮氏菌）的生長(zhǎng)和增加。這些共生體在淋巴細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的支持下，會(huì)進(jìn)一步加劇氣道炎癥［47］。目前COPD 患者樣本中的微生物多樣性，受到標(biāo)本的類型、接受的治療類型和疾病嚴(yán)重程度的影響。因此，COPD 和肺微生物菌群之間的關(guān)系，還需要更多的臨床數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)。

4.2 對(duì)COPD 急性加重的影響COPD 急性加重的特征，是氣道炎癥加劇以及與肺功能降低相關(guān)的病情惡化［48］。臨床癥狀包括咳嗽加重、呼吸困難、發(fā)熱和痰色或粘稠度改變［49］。COPD 急性加重通常是由病毒性和細(xì)菌性呼吸道感染引起的，常見(jiàn)病原體包括流感嗜血桿菌（haemophilus influenzae，HIB）、pa 和卡他莫拉菌。HIB 是一種革蘭氏陰性球桿菌，其缺乏多糖膠囊，是導(dǎo)致COPD 病情惡化和產(chǎn)生合并癥的主要原因［50］。HIB 膜蛋白可誘導(dǎo)COPD 小鼠和培養(yǎng)的人上皮細(xì)胞產(chǎn)生粘蛋白5AC，加劇氣道炎癥［51］。其次，CS是COPD急性加重的重要風(fēng)險(xiǎn)因素。研究表明，CS 相關(guān)的COPD患者之間存在氣道微生物群的差異［52］。據(jù)報(bào)道，在戒煙的COPD 患者中，肺微生物改變與增強(qiáng)的氣道炎癥相關(guān)，并且氣道中HIB 的數(shù)量相對(duì)豐富［53］。另外，不同的肺微生物群暴露也影響COPD 急性加重。研究發(fā)現(xiàn)，感染鏈球菌或羅氏菌的穩(wěn)定期COPD 患者的惡化率，往往低于感染pa 的患者［54］。而在頻繁惡化的COPD 患者BALF 中，檢出pa、硒單胞菌、厭氧球菌菌落增加［55］。綜上，肺微生物菌群的失調(diào)，可能是穩(wěn)定期COPD 患者急性加重的一個(gè)重要因素。

5 總結(jié)與展望

綜上，COPD 是一種異質(zhì)性和多因素疾病，以多種臨床表型為特征。肺微生物群的變化，有助于對(duì)COPD 的發(fā)病機(jī)制加深理解，以及對(duì)患者的惡化風(fēng)險(xiǎn)、生活質(zhì)量有重要影響。但肺微生物群和COPD 的關(guān)系目前還存在以下問(wèn)題：（1）肺部?jī)?yōu)勢(shì)病原菌是否可抑制肺內(nèi)常駐細(xì)菌的生長(zhǎng)，并促進(jìn)COPD 的疾病發(fā)展；（2）肺微生物群的生態(tài)失調(diào)，與氣道炎癥和肺損傷之間是否存在反饋循環(huán)；（3）腸道微生物群是否影響COPD 的發(fā)病和進(jìn)展。肺微生物群是COPD 有前景的治療靶點(diǎn)，因此我們需要進(jìn)一步探究肺微生物群在COPD 中的作用機(jī)制。

【Author contributions】HE Guiqiang wrote the article.LANG Yanzhu，ZHAO Shunshun and WANG Xiaojing revised the article.OUYANGYao supervised the validity of this article.All authors read and aplproved the final manuscript as sub-mitted.