慢性阻塞性肺疾病肺部微生物群的研究进展

蒋育悦,陈秋艳,金力波,黄旭晴

(杭州师范大学附属医院,1.呼吸内科;2.心胸外科,浙江 杭州,310000)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种常见的以持续性气流受限为特点的可防治疾病，其气流受限往往呈进行性发展，与有毒颗粒或气体所致的呼吸道慢性炎症不断增强有关。进行性发展的气流受限最终将导致肺功能的持续损伤。COPD目前位居全球死亡原因第4位，预计在2020年将成为全球第3位死亡原因[1]。吸烟、粉尘和化学物质的吸入、空气污染、遗传因素等被认为是COPD的高危因素，而其根本病因尚不明确。目前已有研究[2-3]显示，COPD肺部微生物群发生了改变，健康吸烟者的肺部即有致病菌定植，这说明肺部微生物群的改变可能是COPD的潜在病因。本研究总结近年来国内外关于肺部微生物群的研究，探讨肺部微生物群的特征及其在COPD发生发展中的作用，现综述如下。

1 肺部正常微生物群

1.1 肺部正常微生物群的特征

既往由于常规细菌培养技术的相对局限性，传统观点[4]认为健康人群的下呼吸道处于无菌状态。新一代测序技术的发展及应用，使得这一观点受到了冲击。Hilty等[5]利用基因测序技术首次报道了下呼吸道中存在数量相当可观的微生物群落。后续多项研究[6]也证明了健康人群的肺部存在多样性的微生物群落。Erb-Downward J R[7]认为健康人群的肺部存在“核心菌群”，其主要组成包括假单胞菌、链球菌、普氏杆菌、梭菌、细孔菌、嗜血杆菌、内塞菌和卟啉单胞菌。后续多项的研究[2,8]也得出了类似的实验结果。

1.2 影响肺部微生物群的因素

① 饮食:有证据[9]显示高纤维饲料喂养的小鼠肺部拟杆菌门/厚壁菌门比值增加。② 抗生素:Smith D J[10]报道显示，在接受静脉注射抗生素治疗的囊性肺纤维化患者的痰液中，铜绿假单胞菌的相对丰度在第3天出现显著下降。③ 吸烟:吸烟可引起纤毛搏动频率降低，纤毛上皮细胞剥落，杯状细胞增多，黏膜下腺肥大，鳞状细胞化生增多[11]。有研究[12]显示吸烟可以抑制补体介导的巨噬细胞的吞噬作用，烟雾暴露可减少前列腺素E2的产生。前列腺素E2的减少直接导致β防御素-2减少，导致肺部细菌载量增加[13]。④ 污染:一项研究[14]通过对COPD高风险人群组与健康对照组进行PM2.5暴露后的肺部菌群进行分析，结果显示PM2.5的暴露与肺部微生物群落的变化显著相关,PM2.5可能通过改变支气管树的局部微环境而改变微生物群落，而肺部微生物群落的改变又能影响肺功能。⑤ 分娩方式:Dominguez-Bello等[15]报道显示，经阴道分娩的婴儿的肺部微生物群落以乳酸菌、普雷沃特拉菌或Sneathia菌种为主，类似于其母亲阴道的细菌群落。剖宫产婴儿则获得了类似于皮肤细菌群落的葡萄球菌、棒状杆菌和丙酸杆菌[16]。

2 COPD肺部微生物群

2.1 稳定期COPD肺部微生物群变化

在健康人的肺部，外界微生物的入侵和消除能够维持动态平衡。人体能够通过肺部的黏液纤毛、咳嗽、免疫反应等方式清除外界来源的微生物。在疾病状态下，肺的区域生长条件发生了巨大的变化，为选择性细菌繁殖创造了容许环境，最终导致了晚期肺部疾病中细菌定植现象的长期存在。Soler N[17]提出的恶性循环假说认为肺的自我保护机制受吸烟、有害气体吸入、儿童时期罹患呼吸系统疾病等始动因素影响，导致病原菌定植，其产物及其引起的一系列炎症反应可以造成气道微生物稳态被打破、黏膜分泌物增加、纤毛清除活力减弱、气道弹性组织离解及呼吸道黏膜的进一步损伤，这一过程互相促进、循环往复，促进COPD病情的进展。Sze M A等[18]对非吸烟者、吸烟者、COPD患者的肺部进行取样后分析发现，各组间菌群总数无明显差异，而各标本间的细菌组成则明显不同,COPD组的厚壁菌门数量多于其余组，实验表明COPD患者的肺部微生物群落多样性明显减弱。Soler等[3]则通过收集肺泡灌洗液和无菌毛刷刷取吸烟者和轻度、中度以及重度COPD患者的下呼吸道样本，分析后发现1/3吸烟者的肺部存在致病菌定植，这表明在疾病的早期即可存在定植情况。在另一项研究[19-20]中发现下呼吸道潜在致病菌的定植与炎症的增加有关，这与恶性循环假说一致。

2.2 急性加重期COPD肺部微生物群变化

COPD急性加重的特征是患者呼吸系统症状恶化，如呼吸困难、咳嗽、咳痰症状明显加重，更易发生气喘，活动受限。目前认为COPD的急性加重主要与细菌或病毒感染有关，而在大多数情况下经过抗生素治疗后急性发作的症状能够缓解，这似乎预示着在急性加重期COPD肺部的微生物群落发生了一系列的变化。现有的研究显示在COPD稳定期与急性加重期肺部微生物群落并无显著差异。Huang等[21]通过分析COPD患者加重前、加重中、加重后获得的一系列样本中细菌组成的变化发现，从整体上看,COPD患者加重时微生物组成变化不大。Millares L[22]研究再次证明了这一观点，在获得的稳定期和急性加重期的样本中，微生物组成无显著差异，仅有少数细菌属的相对丰度在急性加重期有所增多。但急性加重期肺部微生物功能发生改变，主要表现为碳水化合物代谢增强，而分解代谢减弱，这可能使细菌具有更高的毒力和致病性。但是尚不明确这种肺部微生物群的改变是导致急性加重的原因，还是急性加重导致的结果。

3 COPD肺部微生物与炎症反应

流感嗜血杆菌定植被认为是COPD的特征之一[23],通过对比吸烟者与已戒烟COPD患者肺部巨噬细胞吞噬功能发现,COPD患者肺部巨噬细胞对流感嗜血杆菌存在吞噬功能缺陷[24]。而巨噬细胞吞噬功能的下降，将导致病原体逃避免疫清除，未被清除的病原体能够进一步促进组织破坏和局部炎症，这可能是COPD发病的机制之一[24-25]。Yadava K等[26]研究发现，嗜血杆菌可诱导呼吸道树突细胞活化，能够有效刺激IL-23、IL-12p70和IL-10等炎症因子的释放，同时该研究还发现普氏菌可部分抑制嗜血杆菌引起的炎症因子释放。在动物实验[27]中发现肺部微生物可通过提高局部IL-17水平促进炎症，这可能是肺部慢性炎症的基础。

也有学者[28]提出肠-肺轴模型，肠道微生物水平及其代谢产物的水平能够对肺的生理情况及免疫情况产生深刻影响。早期在对一组被诊断为哮喘的学龄前儿童身上即发现了肠道菌群失调的情况[29]。目前尚缺乏COPD患者肠道菌群失调的证据。但通过对健康吸烟者的粪便进行研究发现双歧杆菌的数量明显减少[30],在另一项研究中则显示肺功能损伤的患者经益生菌治疗后，肠道菌群失调得以改善，且肺功能情况也有一定程度的好转。进一步研究证明短链脂肪酸可能通过激活短链脂肪酸受体(GPR43)或抑制组蛋白去乙酰化酶(HDAC)来刺激调节性T细胞(Tregs)以保护气道炎症[31]。Gray J等[32]报道了宿主免疫系统与肠道共生菌的相互作用，肠道共生菌诱导产生IL-22的免疫细胞优先转运至肺部，而IL-22可促进宿主对肺炎的抵抗力，肠道菌群的破坏会改变新生小鼠肺中产生IL-22免疫细胞的功能，进而使肺炎的易感性增加。Ji Y W[33]报道显示长期高脂肪饮食会导致Toll样受体2和4缺乏的小鼠肺损伤加重，甚至死亡。这种由呼吸道疾病导致的肠道菌群失调，可能会促进肺部炎症的发展，而肺局部微环境的改变可能会导致肺部微生物群落的改变，从而进一步加重肺部炎症。

4 展 望

根据目前已有研究结果，可以确定肺部微生物组的变化与肺部疾病的进展相关，但肺部微生物群的变化是肺部疾病发展的原因，或者是肺部疾病发展的结果尚不能明确，这需要进一步大规模的研究去证实。进一步探索肺部微生物在呼吸道疾病中的作用及其对免疫功能的影响，将有助于医学界从微生物学角度了解慢性阻塞性肺疾病的病因，也有助于全新的治疗手段的研发。