腸道菌群與慢性阻塞性肺疾病的相關性研究進展

王首糠 綜述,何海武 審校

(海南醫學院第二附屬醫院呼吸內科,海南 海口 570100)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一種可以預防和治療的常見呼吸道疾病,其主要表現為持續存在的氣流受限及相應的呼吸系統癥狀[1]。COPD有多種致病機制,各種機制復雜,并不完全清楚,包括吸煙吸入有害氣體或吸入空氣中有害的微小顆粒、氧化應激和氣道炎性反應,同時,蛋白酶/抗蛋白酶失衡也參與COPD的形成機制。因COPD具有高患病率、高致殘率,并且仍具有不斷上升的趨勢,對全世界形成重大的疾病負擔,是一個重大的社會公共衛生問題。目前,對COPD發病機制的復雜性,在精準醫學層面上對其有深刻的認識,然而隨著二代測序(NGS)的完善使腸道菌群在COPD發病過程中的調控作用成為新的研究熱點問題。本文將重點對腸道菌群跟COPD之間的相關聯系及最新的研究成果進行綜述。

1 腸道菌群

目前,在與宿主相關的微生物生態系統中消化道的研究最多,其主要原因是消化道中的微生物種類及數量多,其中的微生物可通過獲得較容易的糞便來分析。腸道中既含有腸道微生物又有由微生物產物和宿主產生的代謝產物,腸道微生物的總量可達1×1014個,微生物的總質量超過1.0 kg[2-3]。目前已明確的在腸道內定植的微生物有數千種,基因組數超過人體基因組數的100倍,被稱為人體的“第2個基因庫”[4-5]。一項研究發現,腸道微生物群落的構成中97.6%為細菌,2.2%為古細菌,病毒及真核生物分別為0.20%和0.01%,而腸道菌群主要由擬桿菌門、放線菌門和厚壁菌門構成[6]。把這些腸道菌群大致分成3類:共生菌、機會致病菌、致病菌。腸道菌群在生命初期就開始定植、發育,其組成受多方面影響,包括飲食、地域、年齡、宿主的基因型、分娩的方式、抗生素的使用及腸道環境的變化等,并逐漸形成相對平穩的生態系統[7-8]。腸道菌群不僅在食物的消化、吸收、組織的生長發育、增強宿主免疫力、抵御病原體等方面具有巨大作用,同時與心血管系統疾病、內分泌相關性疾病、消化相關性疾病及神經系統相關疾病等多種疾病有關。腸道菌群不是穩定不變的,而是一個具有動態演變的過程。當宿主被微生物感染或者觸發免疫應答時,腸道中正常菌群的種類、數量及比例容易發生改變,正常的生理功能隨之發生改變,即腸道菌群失調,菌群之間的動態平衡被打破最終導致疾病發生。腸道菌群通過免疫應答反映影響宿主造成疾病的發生,而隨著腸道菌群的改變其疾病狀態也隨之發生變化。

2 呼吸道菌群

呼吸道時刻都在與外界進行著氣體交換,所以早期也是一個有菌群定植的系統。對呼吸道菌群的相關研究當前仍為初始階段,呼吸道內纖毛的定向擺動和宿主自身免疫功能起到抵抗病原體的作用。有研究人員認為,在健康的人群中肺部是無菌的,而得益于醫學科學技術的不斷發展,科研工作者使用16S-rRNA測序技術發現在健康人的肺臟中也一樣可以檢查出微生物群落。有研究發現,在肺部中較常見的細菌群落主要有放線菌屬、梭桿菌屬、厚壁菌屬、變形桿菌屬及擬桿菌屬等[9]。呼吸道菌群的組成受多種因素影響,包括呼吸道的解剖結構、性別、年齡和宿主的自身免疫功能等[10]。CHARLSON等[11]研究從上呼吸道到下呼吸道通過支氣管鏡,從健康人群中分別取樣的過程中發現其微生物的生物量從上呼吸道到下呼吸道明顯降低,而且口腔和鼻子的微生物群與肺部的微生物群類似。這說明下呼吸道的菌群來自上呼吸道,且最有可能是通過微量吸入。健康人在睡覺過程中,很容易微量吸入來自上呼吸道的分泌物,而有些微生物則沿呼吸道膜表面直接遷移至下呼吸道。健康的人肺微生物組是短暫存在的,這些微生物可以被正常的肺防御機制消除。而肺部微生物的清除主要通過支氣管上皮黏膜纖毛的運動、咳嗽及宿主的自身免疫功能。在機體健康狀態下,區域的生長條件一般不能滿足細菌的大量生長繁殖,導致細菌的數量相對較少。炎癥反應使氣道的血管通透性增加,能夠為細菌的繁殖提供大量營養物質,比如氨基酸、維生素、碳源和鐵等。而炎癥反應損傷上皮細胞,從而造成基底膜的基質暴露,促進細菌黏附。肺微生物組在維持肺內穩態中發揮著重要用,COPD患者的呼吸道內常常定植流感嗜血桿菌、肺炎鏈球菌和卡他莫拉菌,在重度COPD患者呼吸道中,一般定植有肺炎克雷伯菌、銅綠假單胞菌等革蘭陰性菌。肺部菌群也并不是穩定不變的,而是隨著呼吸系統在健康和疾病之間相互轉換,其肺部菌群也發生動態變化,這種動態變化與呼吸系統慢性疾病的發生、發展密切相關。與腸道菌群相似,肺部菌群失調也促進COPD持續進展[12]。

3 腸-肺軸

腸-肺軸一般指腸道和呼吸道的共生菌群通過相關機制從而對機體的免疫系統形成遠距離的相互作用,也就是腸道菌群、呼吸道菌群與消化道疾病、呼吸道疾病之間的相互影響[13]。腸道和呼吸道都是黏膜免疫系統,雖然它們的功能和所處環境有差異,但均起源于相同的胚胎,且結構相似。腸道和呼吸道之間互相影響是免疫細胞、代謝產物及菌群動態介導的結果[14]。腸道和呼吸道通過微生物、免疫功能相互影響、雙向調節。有相關研究發現,消化道菌群通過短鏈脂肪酸(SCFA)、細菌脂多糖及免疫細胞等來調節呼吸道的免疫反應,從而影響呼吸道菌群的定植[15]。宿主和腸道菌群之間存在密切的聯系,宿主可以為腸道菌群的生長提供適宜的環境,而腸道菌群可通過調節宿主免疫力、保護腸道黏膜屏障、調節腸道神經信號傳導、影響藥物代謝及營養物質的消化和吸收等保持宿主的健康狀態。多項研究指出,“腸-肺軸”假說作用機制可能為:(1)各種原因造成腸道菌群失衡后會導致腸道內某些促進炎癥反應的菌群成為優勢菌株,同時也造成對機體有益的代謝產物減少(如SCFA)及促炎癥物質增多;(2)菌群移位和腸道黏膜屏障受損促使腸道黏膜上皮產生活性氧增多,消化道通透性增加;(3)促進炎癥反應的腸道菌群和代謝產物進入腸道黏膜固有層后導致免疫細胞與腸道菌群和代謝產物的相互反應增強,刺激腸道免疫反應使炎癥因子表達上調。(4)一方面通過循環系統使炎癥因子到達呼吸道導致炎癥細胞聚集進一步啟動肺部炎癥級聯反應;另一方面,通過腸系膜淋巴將炎癥因子運輸到肺循環導致肺損傷參與腸-肺炎癥反應[16-18]。腸道和呼吸道之間的有關聯系在人類及小鼠的一些研究中都能得到驗證,例如使用脂多糖來刺激小鼠的肺部會使得小鼠腸道細菌數量明顯增多[19]。也有研究指出,肺炎會損傷消化道,使腸道上皮細胞生長繁殖速度減慢。然而呼吸道和腸道之間的調節機制復雜,目前尚未完全清楚,考慮可能與宿主菌群和全身免疫狀態的變化有聯系。

4 腸道菌群與COPD的關系

COPD是一種小氣道持續受限的慢性炎癥性疾病,通常累及多個系統。有相關研究預測,由于吸煙人數的增加和人口老齡化,至21世紀60年代,每年死于COPD及與COPD相關聯的患者數可能超過540萬人[20]。COPD患者常患有腸易激綜合征或炎癥性腸病等慢性消化系統疾病。即使很多患者沒有呼吸系統相關疾病史,約1/3的炎癥性腸病患者也會出現肺損傷表現,一般為炎癥或肺功能受損[21]。在臨床上很多研究均表明,腸道菌群對宿主肺部健康的保持有著重要作用,腸道菌群對宿主肺部免疫反應的調節,即“腸-肺軸”,可能是COPD的發病機制之一,并可能促進COPD患者急性發作的頻率[12,22]。LI等[23]研究發現,COPD患者雖然通過吸入支氣管舒張劑能提高患者的生活質量和減慢早期COPD患者肺功能下降的速度,然而對COPD病程的持續進展卻無明顯的逆轉作用。說明COPD的持續進展,僅用單純的肺部炎癥機制來解釋行不通,有少量研究報道腸道菌群失衡與COPD發病之間有著密切的聯系[12,24-26]。BOWERMAN 等[12]研究發現,COPD患者的腸道菌群與健康對照組人群的腸道菌群對比有多種菌群存在明顯不同;更深入的研究發現,前庭鏈球菌、鏈霉菌和鏈球菌等多種菌群與COPD患者的肺功能下降有聯系。通過研究發現,COPD穩定期與急性加重期的患者腸道菌群的構成與機體炎性因子的產生及肺功能具有相關性,厭氧菌、雙歧桿菌及霍氏真桿菌等可減輕COPD患者炎癥;而腸球菌、普雷沃菌-9、拉氏梭狀芽孢桿菌等則與COPD患者急性加重和臨床指標的惡化有關[26]。LAI等[24]通過把小鼠暴露在煙霧中和糞菌移植實驗,驗證了腸道菌群的改變可加速小鼠肺氣腫的進展,而暴露于環境顆粒物會降低大鼠腸道中的SCFA水平并誘導腸道菌群的轉移和易位,這些改變和大鼠肺氣腫的嚴重程度有關,驗證了肺氣腫的形成早于腸道SCFA的減少和菌群失調。與健康對照組相比,COPD患者出現腸道菌群的豐度和多樣性均下降,以普雷沃氏菌屬占主導作用的腸型改變,以及擬桿菌門相對豐度和腸道SCFA的減少。通過糞菌移植和煙霧暴露的小鼠實驗驗證了COPD患者腸道菌群失衡是加速疾病進展的因素[27-28]。

吸煙和吸入空氣中的顆粒物是導致COPD的主要病因,通過吸入香煙煙霧和有害氣體可造成腸道菌群豐富度下降,菌群結構發生改變;表現為毛螺菌科細菌的數量減少,梭狀芽孢桿菌的數量增加,隨著環境暴露的改變,擬桿菌門與厚壁菌門比例也發生改變[29]。環境中的粗顆粒物可通過呼吸作用沉積在上呼吸道,通過纖毛的運動和黏液的作用從呼吸道運送至消化道導致腸黏膜炎癥的發生,緊密連接蛋白和腸道黏蛋白MUC2表達減少、炎性標志物表達明顯增多等也是炎癥性腸病的發病機制之一[30-31]。在呼吸道菌群中,COPD患者與健康人群相比,其菌群多樣性有所增加,菌群結構也有差異,包括放線菌門和變形菌門豐度增加,擬桿菌門和厚壁菌門的豐度減少,并且厚壁菌門與擬桿菌門的比例下降。這些菌群的改變也許會導致肺部免疫發生變化,肺泡組織和細支氣管受損,肺泡表面活性物質的合成減少,促進肺氣腫的發生[32]。

SCFA是腸道菌群分解、消化食物所產生的代謝物,主要包括乙酸、丙酸、丁酸等。主要通過2條途徑參與調節宿主的免疫反應,包括直接抑制組蛋白去乙酰化酶調節基因表達和G蛋白耦連受體傳遞信號,既導致腸黏膜發生局部免疫,又介導腸外T淋巴細胞的分化,維持輔助性T淋巴細胞1(Th1)/Th2、Th17/Treg平衡,從而在人體免疫調節中發揮重要作用。水果、蔬菜和粗糧中含有豐富的膳食纖維,高膳食纖維飲食可降低COPD的發病率,其原因可能是膳食纖維可使腸道內SCFA 的含量增加,從而對COPD產生正向作用,降低其發病率[33]。有相關實驗通過在小鼠的飲食中增加乳清肽使得腸道內的SCFA含量增加,也對實驗小鼠的肺氣腫和肺部炎癥起到抑制作用[34]。在體外實驗中發現,吸入周圍環境顆粒物和香煙的煙霧會造成小鼠的SCFA濃度下降[35],吸煙產生的卷煙焦油也會使SCFA的產生減少[36]。SCFA容易受到腸道內菌群數量和菌群組成結構的影響,當腸道菌群失調時,宿主的免疫平衡也會受到影響。也有相關研究指出,氧化三甲胺在血液循環中的濃度與COPD患者的長期全因病死率呈正相關[37],而氧化三甲胺通常在肝臟中合成,也是一種腸道菌群的相關代謝產物。上述研究證實,腸道菌群的改變與COPD的發生、發展之間有著密切聯系,但它們的具體作用機制仍需要進行更加深入的研究。

5 小結與展望

越來越多的研究證實COPD患者存在腸道相關性疾病,腸道菌群通過“腸-肺軸”與呼吸道保持著緊密聯系,其相互作用并相互影響。雖然腸道菌群失調是COPD的發病或疾病進展的原因還是結果目前還沒有完全明確,但是有研究已驗證腸道菌群失調及其代謝產物(比如SCFA)的改變與宿主的全身免疫反應和COPD的發生、發展有著密切的聯系。然而腸道菌群的構成復雜,而目前對腸道菌群與宿主的相互影響仍處于研究的初始階段,其相互作用機制復雜,任何腸道菌群的局部變化均會對宿主的健康造成影響。目前,對于“腸-肺軸”的研究處于初始階段,但其將是現在及未來的研究熱點。未來隨著處理樣本方法的更新、基因測序技術的不斷提高,在本領域內也會取得重大研究進展。把腸道菌群當做新的研究方向,將會為COPD的預防和治療提供新的途徑,為新型藥物的研發提供新思路,對科學技術的發展具有重大意義。