肠道微生物对肺部疾病的影响

谢园园， 朱立猛， 李文军， 翟诗翔， 秦 松

(1. 烟台大学 药学院， 烟台 264003; 2. 中国科学院烟台海岸带研究所， 烟台 264003)

肺部疾病是影响人类健康的一项重大疾病，全球有3亿人正在遭受肺部疾病(哮喘、肺炎等)的困扰[1]。近年来，随着人们对肺部疾病研究的深入，越来越多的研究[1-2]证明了肠道微生物和肺之间存在重要的串扰，该串扰对维持宿主健康有着重要的作用。研究表明，肺部疾病(哮喘、慢性阻塞性肺病等)通常伴随着慢性肠道疾病(炎症性肠炎或肠易激综合征)[3]。大约50%患有炎症性肠炎和33%患有肠易激综合征的成年人存在肺部炎症或肺功能损伤等，这些人中大部分都没有急、慢性呼吸性疾病的病史[4-5]。患有慢性阻塞性肺病的患者比正常人患炎症性肠炎的危险性高2～3倍，哮喘患者常伴有肠黏膜结构和功能的变化，慢性阻塞性肺病患者常出现肠黏膜通透性增加的症状[3,6]。此外，有大量研究表明，肠道微生物可以影响肺部免疫，很多肺部疾病往往伴随着肠道微生物的改变[7]。因此，本文从肠道微生物角度出发，探讨了肠道微生物对肺部疾病的影响及其可能的作用机制，为今后防治肺部疾病提供新思路。

1 肠道微生物与宿主免疫系统的相互作用

肠道微生物群的改变不仅影响条件致病菌的生长，还可以对宿主免疫功能产生广泛的影响[8]。研究表明，与正常小鼠相比，无菌小鼠通常会出现肠道损伤，主要表现在派尔集合淋巴结变小、CD8αβ上皮内淋巴细胞变少、孤立淋巴样细胞发育不成熟、黏膜免疫球蛋白A(IgA)水平下降[9]。这表明肠道微生物与免疫系统之间具有重要相互作用。

近年来，随着研究的深入，越来越多的科研人员将关注重点放在了肠道微生物对局部和系统免疫的作用方面。研究表明，无菌小鼠的免疫系统发育不完善，且肠黏膜发生了改变，如成年无菌小鼠的IgA分泌细胞数量降低等，而这些均可以通过调整肠道微生物定植得到改善[10-11]。Kieper等的研究也指出，肠道微生物不仅能够调节肠道的免疫功能，对整个宿主免疫系统也具有重要的调节作用[12]，可通过调节免疫系统发挥对远端器官疾病(如肺)的调节作用。

2 肠道微生物对肺部健康的影响

越来越多的研究表明了肠道和肺的免疫关系[13-15]，并有几项研究将肠道微生物的改变与肺部免疫系统联系起来[13,16-17]。因此，了解肠道微生物与呼吸道的相互作用对理解肠道微生物对肺部疾病的影响至关重要。 Southam等指出，小鼠发生流感，甚至鼻腔内出现颗粒或微生物沉积，稍后在肠道中也会出现。事实上，鼻腔仅接种2.5 μL菌液的时候就可以在肠道中检测到[18]，继而肠道会激活免疫系统对抗病原体。

2.1 肠道微生物调节肺部过敏性疾病

流行病学说[19]及实验研究[20]表明，肠道免疫应答的改变可以直接影响肺部的过敏性反应。Noverr的一项研究也表明，肺部过敏是肠道微生物改变导致的，给予抗生素治疗的小鼠单一口服剂量的白色念珠菌，会导致肠道微生物的组成发生显著改变。与具有正常肠道微生物的小鼠相比，抗生素治疗的小鼠在气雾剂引入变应原后，在肺中产生了更强的CD4细胞介导的炎症反应[21]，提示肠道微生物的改变可能促进了易患呼吸道过敏小鼠的免疫反应。此外，Vital等以尘螨致敏的幼鼠和老年鼠为对象，研究了肠道微生物群和过敏性气道疾病的联系。他们发现，肠道微生物群落结构随着年龄改变和过敏的发展而变化，这种改变还与血清中IL-17A的增加有关，IL-17A也可能参与了过敏反应；而且，与幼鼠相比，老年鼠会产生更严重的过敏性反应[22]。

2.2 肠道微生物与慢性阻塞性肺病

大量研究表明，肠道微生物在慢性阻塞性肺病的发病过程中发挥着至关重要的作用[23-24]，慢性阻塞性肺病通常伴随着肠道内变形杆菌相对丰度的增加以及拟杆菌相对丰度的减少[25]。肠道微生物的失调会导致呼吸道上皮损伤、固有肺部免疫防御损伤以及有害菌的定植，进而引起肺部炎症，这些均会加重慢性阻塞性肺部疾病。这些症状反过来也会进一步加重肠道微生物失调，形成一个恶性循环。肠道微生物代谢含有的磷脂酸胆碱、L-肉毒碱的食物后会产生三甲胺，三甲胺被肝脏吸收并被黄素单加氧酶转化成氧化三甲胺[26]。Manuel等的研究指出，氧化三甲胺与慢性阻塞性肺病的死亡率相关，相比于生存者，死者表现出更高的氧化三甲胺中位数水平[27]。这说明肠道微生物及其代谢产物在慢性阻塞性肺病的发展中发挥着重要作用，可通过调节肠道微生物及其代谢产物调节该病的发展。

2.3 肠道微生物与肺炎

肠道微生物在肺炎等肺部感染性疾病中扮演着重要角色，Samuelson等人探究了肠道微生物对肺囊虫肺炎的影响，发现肺囊虫(P.Murina)感染的小鼠肠道微生物群落的多样性发生了显著改变[28]。这表明肠道微生物与肺炎的发生息息相关，肠道微生物失调可加重肺炎的症状。

3 肠道微生物调节肺部免疫的潜在机制

肠道微生物对肺部免疫调节的作用机制还未完全清楚，但可能包括几个潜在的通路：Toll样受体(TLRs)的激活、肠道微生物的代谢产物短链脂肪酸的作用以及T细胞和B细胞的归巢。

3.1 Toll样受体的激活

肠道免疫系统通过肠道微生物与固有免疫系统的TLRs的相互作用引发免疫信号。TLRs能够识别微生物的组成并引发炎症反应[28]。不同的细菌产物，如脂多糖、脂磷壁酸等刺激TLR信号，TLR信号传递的一个下游效应是激活转录因子NF-kB(许多调节固有免疫和基因表达所必需的)[29]。因此，肠道微生物对维持正常的TLR信号至关重要[30]。微生物以TLR依赖的方式介导抗原特异性CD4和CD8 T细胞以及病原特异性抗体的激活，维持促IL-1β和促IL-18 mRNA表达的稳定，激活炎性体细胞并使DC从组织迁移到淋巴结引起正常的T细胞反应。此外，Ichinohe等研究表明，单剂量的直肠给予LPS可以恢复流感感染小鼠肺部的免疫应答[31]，这证明了肠道引起的TLR信号可以诱导肺部的免疫反应。本实验室前期研究证明了钝顶螺旋藻藻蓝蛋白可以通过调节TLR2-MyD88-NF-kB信号通路减轻博莱霉素诱导的小鼠肺纤维化[32]；在此基础上，以钝顶螺旋藻藻蓝蛋白为受试物，初步证明肠道微生物对TLR通路中的一个关键物质具有调节作用，而TLR通路与肺纤维化有密切联系[33]。

3.2 肠道微生物代谢产物短链脂肪酸的作用

肠道微生物发酵各种膳食纤维时会产SCFAs，SCFAs可以调节免疫细胞(如单核细胞)的生成，这些单核细胞迁移到肺部可以分化成树突状细胞，抑制初始T细胞分化成Th2，同时还可以促进幼稚T细胞分化成调节性T细胞(Treg)。哮喘和过敏反应被认为是Th2细胞过度活跃和Treg细胞抑制的结果，Th2细胞过度活跃会引发针对过敏原的抗体细胞因子的大量释放，而Treg细胞的抑制会导致对过敏原的免疫反应的失控。因此，利用SCFAs抑制Th2细胞群体并增加体内Treg细胞数量，可以缓解哮喘和过敏反应[34]。

3.3 T细胞和B细胞的归巢

T细胞和B细胞的组织特异性归巢在免疫应答和清除感染中发挥重要作用。主要的免疫归巢分子有CCR4、CCR6和CCR9，其表达决定了淋巴细胞的定植和归巢[35]。肠道微生物与肠道树突细胞 (CD103+CD11b+ DCs)之间的互作会诱导肠道IL-22+ILC3过表达CCR4归巢受体，介导肠道IL-22+ILC3选择性地进入肺部，肺上皮细胞表达的趋化因子CCL17 激活CCR4受体，促进IL-22 + ILC3进入新生小鼠肺部的传播，而肺中高水平的IL-22会抑制病原体的增殖[36]。因此, T细胞和B细胞的归巢可抑制肺部病原体的增殖，以缓解肺部疾病。

4 以肠道微生物为靶点预防肺部相关疾病

肠道微生物的稳态对维持宿主健康至关重要，肠道微生物紊乱不仅会引起各种肠道疾病还会引起肺部疾病。因此，可以从调节肠道微生物的角度出发，预防肺部相关疾病。

4.1 益生菌预防肺部相关疾病的作用

用益生菌来治疗各种疾病和维持身体健康已经成为一个热门研究领域。目前，益生菌已经被用作治疗腹泻、绞痛、尿路感染、炎症性肠病等多种病症的药物。此外，还在探究其对结肠癌、肠易激综合征和肺病的影响[36-38]。Prokash等的研究表明，肠道微生物可以影响肥胖小鼠肺部健康，其作用机制主要是控制肺部炎症[39]；喂食热灭活的加氏乳杆菌的小鼠随着其肠道微生物的变化，肺中的细胞因子和其他免疫分子的mRNA表达显著增加[40]。这表明乳酸杆菌能够刺激小鼠肺部的免疫反应，并通过增加炎症信号增强宿主防御以对抗肺部感染。

此外，鼠李糖乳杆菌作为一种益生菌可以刺激免疫系统反应以增强宿主抗感染能力。它不仅可以减轻肠道伤寒沙门氏菌的感染，还可以对抗肺炎链球菌的感染。益生菌可以降低肺炎链球菌的负荷，抑制其在血液的传播，并增加支气管灌洗液中干扰素γ(INF菌)、IL-6、IL-4和IL-10的浓度，提高抗感染信号[41]。

综上所述，肠道有益微生物的均衡能够促进肺部健康，某些有益菌(加氏乳杆菌、鼠李糖乳杆菌)的增加能刺激宿主产生免疫反应，对抗肺部感染。

4.2 疫苗预防肺部相关疾病的作用

疫苗可以用来预防多种疾病，最常见的有注射疫苗、黏膜疫苗和口服疫苗，口服疫苗已经被用来预防肺部疾病。Izadjoo等研究发现，口服布鲁氏菌可引起系统性免疫反应，表现为淋巴细胞中的IL-2和IFN2产生增加，口服减毒的布鲁氏菌活疫苗可以对抗肺部感染的传播并增强肺部清除病原菌的能力,这表明口服布鲁氏菌疫苗可以用来预防由布鲁氏菌引起的肺炎[42]。

4.3 粪菌移植对肺部疾病的作用

粪菌移植是将健康人粪便中的功能微生物移植到肠道微生物紊乱患者的胃肠道内，重塑患者的肠道微生物稳态，实现肠道及肠道外疾病的治疗。Ramsaue等探究了粪菌移植对艰难梭菌反复感染患者的治疗作用，发现输注粪菌的患者中94%的患者10周后无艰难梭菌感染和发作，且粪便输注后DNA筛查显示粪便微生物群的多样性增加[43]。虽然还没有研究报道粪菌移植可以治疗肺部疾病，但从粪便输注增加肠道微生物多样性及治疗肠道疾病的研究结果可以推测，粪菌移植有望成为肺部疾病治疗的有效手段。

5 结论与展望

肠道微生物组成的改变与慢性肺部疾病和呼吸道感染有关，且肠道和肺之间存在重要的串扰，肺部感染随后会造成肠道紊乱，肠道紊乱同样会增加肺内炎症。但是，肠道微生物对肺部免疫的直接作用机制目前还不明确，但其可能的作用通路是TLRs的激活、肠道微生物代谢产物短链脂肪酸的作用以及T细胞和B细胞的归巢。人们可以通过使用益生菌、口服疫苗或粪菌移植来调节肠道微生物，以预防肺部感染。总之，肠道微生物在肺部健康中起着非常重要的作用，从肠道微生物的角度治愈肺部疾病将是一个新的突破口，不过应继续探寻其作用机制，为临床治疗提供依据。