肠道微生物菌群肠-肺轴与肺部疾病

张 韵,李佳佳,吴建云 (西南大学 动物科技学院,重庆400715)

肠道微生物群的组成影响免疫反应和炎症的发展,在肠道和肺部的病理免疫应答中起着重要作用。其中对于细菌的研究最为广泛。人类肠道中含有近100万亿个微生物,这些微生物包含1 000多种不同的细菌种类[1]。大约有30～40种细菌主导着肠道中的生态环境,其中拟杆菌、双歧杆菌、真细菌、梭菌、梭杆菌、和乳酸菌等菌属占有较大的比例[2]。肠道微生物群的失调在慢性肠道疾病(如慢性炎症性肠病,克罗恩病,和溃疡性结肠炎)的发病机制中起着至关重要的作用[3-5]。并且,肠道微生物群不仅在肠道内发挥作用,还能通过调节T 细胞群、代谢短链脂肪酸(SCFAs,肠道微生物群发酵膳食纤维的产物)等途径在远端进行全身免疫调节[6]。越来越多的研究已经指出了肠道微生物群和远端器官的联系(如肠-脑轴,肠-肝轴,肠-皮肤轴),这些联系构成了调节机制的基础[7]。尽管传统上认为肺是无菌的,但是通过高通量的微生物16S核糖体RNA 已经鉴定出肺中存在微生物[8]。即使肺内微生物总数较少,肺内不平衡的生态系统也可能会导致呼吸系统疾病的发生。类似于肠道微生物群,在接受肺移植的患者中,呼吸道的微生物群改变了肺部的免疫力。越来越多的证据让学者们发现了肠-肺轴的存在,并揭示了肠道微生物群和肺之间的免疫学关系[9-12]。之前的研究表明,保护肠道黏膜的完整性对于减少特发性肺炎综合征是有效的[11]。临床试验也已证明,肠道微生物群失调会导致过敏性肺炎的加重,而喂食高纤维食物的小鼠体内短链脂肪酸循环水平增加,降低部分树突细胞对T 细胞的激活作用,通过这种机制从而缓解了过敏性肺炎的症状[13]。相反地,肺微生物群也可以通过血流影响肠道微生物,例如急性肺损伤会破坏肺部微生物群,诱导细菌短暂易位至血液并导致盲肠细菌负荷急剧增加[14]。由此可见,肠道微生物群可以与肺相互作用,对哮喘、急性和慢性呼吸道感染甚至早期肺的发育产生影响[15-17]。所以,有充足的理由可以相信,肠-肺轴在肠道微生物与肺部以及肺肠道疾病的免疫调节中扮演着重要的角色。

1 肠道与肺之间的联系

1.1 肠-肺轴的存在从微生物角度去理解消化道和呼吸道之间在免疫中的交叉和协作是很重要的。肺表面面积大,健康的肺长期以来被认为是无菌的,然而,应用非培养方法对微生物群落进行分析,结果在健康个体的肺中检测到微生物DNA。这些微生物可能是由于口腔的微量吸入到达了肺部,因为这两个部位有相似的分类特征[18-19]。尽管肺环境暴露程度高,所处的环境条件与其他身体部位有很大差异,但肺部的微生物组成与邻近部位非常相似。肺中普氏菌属类群的丰度降低,变形杆菌特别是肠杆菌科和嗜血杆菌大量富集。大量的研究表明,液体、颗粒甚至微生物沉积在小鼠鼻腔内,短时间内可以在在胃肠道中被发现[20]。胃肠道和呼吸道的上皮表面暴露于多种微生物中,摄入的微生物可以进入这两个部位,胃肠道中的微生物群可以通过吸入进入肺部。而支气管内容物的吸入可能每天大约提供1011个活细菌进入肠道[21]。多种证据都表明,肠道与肺和呼吸道之间可能存在微生物的相互传递,揭示了肠-肺轴的存在,胃肠道将最终暴露于任何进入呼吸系统的病原体或抗原,这也说明消化道黏膜免疫系统可能是外界抗原和微生物的主要传感器。

1.2 共同的黏膜免疫系统黏膜免疫系统是机体防止入侵感染的第一道防线,其分泌释放的分泌型Ig A(sIg A)是黏膜表面主要的免疫球蛋白,在黏膜免疫防御中发挥着关键性的作用。肠相关淋巴组织(GALT)、支气管相关淋巴组织(BALT)和鼻相关淋巴组织(NALT)以及免疫细胞和细胞因子等共同组成了黏膜免疫系统。

肠相关淋巴组织主要是指分布于肠道的集合淋巴小结,又称为Peyer结,主要包括黏膜固有层、上皮内淋巴细胞和外分泌腺,是免疫应答的诱导和活化部位[22]。其中位于黏膜淋巴结滤泡上皮的M 细胞和上皮内淋巴细胞在肠内的免疫应答中最为活跃。肠道微生物群失调,口腔、肺中微生物的传递,或是外来抗原的入侵,刺激肠道黏膜淋巴组织,经M 细胞摄取以内吞小泡的形式转运到上皮内淋巴组织[23],这样抗原就以完整的形式实现了细胞间的跨越。位于上皮内淋巴组织的抗原呈递细胞(包括巨噬细胞和树突状细胞)识别抗原后,呈递至B、T细胞进行特异性反应,从而触发黏膜系统的免疫应答。在此诱导过程中,B 细胞被激活逐渐成熟分化为Ig A 阳性浆细胞,并可以通过胸导管进入血液循环定向附近或远端的效应部位如肠固有层、呼吸道或生殖道固有层进行归巢[24]。通过这种归巢作用Ig A 阳性浆细胞被定植于远端的效应部位并产生聚合型Ig A(pIg A),最终与黏膜上皮细胞结合装配形成sIg A,释放sIg A 进入黏膜分泌液。

综上所述,sIg A 是联系肠道黏膜与呼吸道黏膜的共同分子基础。人类临床和流行病学研究结果以及动物数据也表明,呼吸道产生特定抗体与肠道对抗原暴露的反应同时发生[25-26],实际上是淋巴或血液将肠内的初级免疫部位和肺内的效应部位联系起来,从而共同参与到黏膜的免疫反应中。即无论是肠道黏膜还是呼吸道黏膜它们都不是孤立存在的系统,而是整个黏膜免疫系统的一部分,有着相互作用,双向影响的关系。

2 肠道与肺之间的双向免疫传递

任何导致肺循环中大量产生内毒素的过程都可能促使肺损伤的发生。肠道缺血时能量储备消耗殆尽,局部组织在厌氧代谢下产生毒性物质,肠道血液再灌注时将局部产生的有毒物质向系统全身和远端器官(尤其是肺)传递,引起全身炎症和急性肺损伤(ALI)[27-28]。然而,很长时间以来,并不清楚这种具体的传输物质和传递机制是什么。越来越多的研究已经表明,在肠道缺血再灌注(I/R)过程中淋巴细胞被激活,先天免疫应答被触发[29],肠系膜淋巴结中产生大量的细胞因子诸如TNF-a、IL-1b、IL-10、IL-6随淋巴液经体循环传递到肺部[30],成为肺乃至全身的炎症介质。肺部通过白细胞-内皮相互作用,招募和激活中性粒细胞进一步释放炎症介质,维持炎症联级,从肺部损伤转而成为全身炎症反应[31]。因此,肺是肠系膜淋巴中细胞因子的初始靶点,肺可能是引起全身炎症现象的重要器官。并且在肠道缺血事件中,阻止肠道淋巴到达肺微循环的操作可能与维持肺稳态有关。

近年来,从肺部到肠道的免疫传递机制也被解开。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌肺炎通过线粒体和受体介导通路的改变引起肠道损伤[32]；铜绿假单胞菌肺炎引起的败血症可导致肠上皮细胞增殖减少以及细胞周期阻滞[33]；表明肺部炎症发出的信号影响了肠道的稳态。通过使用脂多糖建立肺部炎症模型,结果发现肺部中性粒细胞和血液中的细菌总负荷显著增加,盲肠处的细菌总负荷轻微增加,表明细菌可能从肺部通过血液到达了肠道[15]。因此,肠-肺轴是双向的,肠道内的刺激被转移到肺,肺向肠道提供反馈信号,即无论哪一方的菌群环境发生了改变都会对另一方造成影响。

大量研究证实肠道与肺之间的免疫学联系之后,学者们更深入地探索了肠-肺轴在一些肺部疾病中扮演的角色。CHEN 等[34]发现,肠道微生物群能耗竭降低肺泡巨噬细胞的杀伤活性,经抗生素预处理后感染大肠杆菌肺炎,导致血液和肺部细菌数量分别增加15倍和3倍,死亡率增加30%。在婴儿中,肠道微生物群的组成和特应性表现与是否剖腹产有关,梭状芽胞杆菌在1个月大时能否在肠道中定植与整个早期生活中的喘息和湿疹有关,并且影响在6～7岁后哮喘的发病率[35]。此外,PAßLACK等[36]在猪身上也发现菊粉可以通过母猪的饮食影响哺乳期仔猪的胃肠道微生物群,表明可以通过人为地改变肠道菌群来控制乳猪哮喘的发生。也有研究发现,肠道中存在长双歧杆菌等“有益”细菌与哮喘发病率较低之间存在正相关关系[37]。肠道菌群诱导肺部炎症反应以对抗细菌的侵袭,并且可以通过介导TLR4增强中性粒细胞的浸润[38]。证实了肠道微生物群可以通过肠-肺轴这个联系在宿主防御和肺部疾病中发挥着重要的作用。

3 肠-肺轴与肺部疾病

3.1 哮喘肠道微生物群可以诱导肠道外T 细胞群的扩张和分化[6]。如CD4＋TCRαβ 辅助性T(Th)细胞,包括Th1,Th2和Th17细胞,这些T 细胞的数量都会被肠道上皮的微生物群所影响[5,39]。Th2细胞过度活跃导致哮喘和肺部过敏反应,Th2细胞针对过敏原可以释放细胞因子和抗体并对Treg细胞产生抑制。肠道菌群通过介导SCFAs将单核细胞迁移到肺,在肺中单核细胞变成了有抑制原始T 细胞分化为Th2 细胞的能力的树突状细胞[40]。同时,SCFAs也被认为可以促进原始T 细胞向Treg细胞分化,在哮喘和过敏反应中发挥重要作用。早期肠道微生物组的组成可能在哮喘的发生发展中起关键作用,早期肠道微生物群被破坏将会导致哮喘风险的增加。WATSON 等[41]研究了一群在学龄前被诊断为哮喘的儿童,他们在这些儿童身上发现了肠道菌群失调的证据。在生命前3 个月中,个体毛螺菌属和梭菌属相对丰度的变化与学龄前哮喘表型的发展密切相关。在有患哮喘风险的儿童中发现毛螺菌属的相对增加以及韦荣氏球菌属、普拉梭菌、罗氏菌属的相对减少[42]。这些菌属的减少伴随着粪便醋酸酯水平的下降和肠肝代谢物的失调,用这4 种细菌接种无菌小鼠可改善呼吸道炎症[43]。在其他几项研究中发现,梭状芽胞杆菌与哮喘风险增加有关。然而对于具体菌属的分析,很多研究结果并不十分一致。相比之下,抗生素使用对肠道微生物组的干扰可能会增加哮喘发生的风险,益生菌等制品可影响早期免疫发育,并且猪等家畜也面临着抗生素过度使用产生耐药性的现状[44],近年中国也禁止在饲料中添加抗生素[45]。WANG等[46]发现,益生菌芽孢杆菌(Ba)作为抗生素替代品处理增加了仔猪的日增重。与抗生素组相比,Ba喂养组中血清抗氧化酶的基因表达增加,空肠中细胞氧化应激关键因子Nrf2升高,c-Jun氨基末端激酶(JNK)磷酸化降低,抗氧化状态得到改善。同时,Ba组微管相关蛋白1轻链3 II(LC3-II)丰度增加引起空肠自噬达到清理炎性受损细胞的目的。总之,这些结果表明Ba替代抗生素可以通过提高仔猪的抗氧化能力和生长性能,作为饲料中抗生素的替代品具有良好的潜力。为慢性肺部疾病的治疗和预防提供了新的潜在的治疗途径。

3.2 COPD肺中存在着复杂的微生物群落,菌群结构的紊乱对慢性阻塞性肺病(COPD)等慢性呼吸道疾病的发生有显著影响。研究表明,慢性肺部疾病恶化的原因是来自肠相关淋巴组织中Peyer结的T 淋巴细胞免疫反应失效,导致细菌定植在受损的气道,这是一种不受控制的炎症反应。然而,肠道通过抗原反应能对支气管进行保护。同时在黏膜上定植的关键因子机制是T 细胞依赖性的招募,中性粒细胞的活化,以及抗菌因子的分泌[47]。这些T 细胞在GALT 中生成,并作为共同黏膜系统的一个组成部分进入支气管黏膜,这种免疫机制进一步强调了共同黏膜系统的关键作用。

原始T 细胞根据TGF-β表达水平可以向Th17细胞或i Treg细胞2个不同的方向分化。Th17细胞可介导炎症反应,在功能上与Treg细胞相反[48]。吸烟人群和健康人群相比,吸烟者患COPD 的比例明显增加,此外,中重度COPD 病患者Th17细胞和血清白细胞介素(IL)-17A 的水平明显升高,但Treg细胞数量与Foxp3水平降低。表明原始T 细胞向Th17 细胞或Treg 细胞转化间的不平衡与COPD 的加重有关[49]。近几年免疫疗法逐渐兴起,临床研究发现口服不可分型流感嗜血杆菌(NTHi)可以使住院治疗患者的恶化程度降低90%。口服NTHi免疫治疗,增加了递送到Peyer结的抗原,从而增加了传递到气管黏膜的T 细胞提高了对细菌的吞噬效率,减少了病情恶化。然而,最近的一项研究表明,口服NTHi疫苗的患者在COPD 复发后其恶化的数量和严重程度没有显著减少[50]。造成这种结果的原因可能是疫苗对不同患者产生的抗原负荷的程度不同,低抗原负荷程度增强T 细胞的活化吞噬对感染起到遏制作用,高抗原负荷导致免疫失效和过敏反应,而在临床上则表现为病情急性加重。同时HU 等[51]提到在人类医学中,粪便微生物群移植(FMT)是将健康供体的粪便微生物群移植到患者受体体内,在肠道微生物群修复方面已显示出一定的效果。由于猪与人类肠道微生物组成等方面有许多相似之处,FMT 也可用于恢复猪正常的肠道菌群。给猪口服粪便悬浮液是一种新的猪粪便物质转移方法,从而改善猪原始T 细胞向T17细胞方向分化,减弱COPD 炎症反应,表明一种新的家畜肺部疾病治疗途径。

3.3 急性肺损伤研究表明,急性肺损伤(acute lung injury,ALI)的主要原因是肠道菌群的失调。SOUZA 等[52]构建了无菌小鼠与常规小鼠肠道缺血再灌注(IR)模型,与常规小鼠相比,无菌小鼠局部及远端均无炎症反应,然而在常规小鼠中,中性粒细胞被激活,TNF-a、KC、MCP-1等细胞因子大量生成,同时在肠部和肺部伴有水肿现象最终所有常规小鼠全部死亡。事实上,ALI产生是由于机体内一组先天的致病菌在肺部炎症环境中旺盛生长所致,而非外部感染因子所致。使用抗生素对肠道局部治疗的小鼠,肠道内的菌群结构被破坏,导致肺部炎症标志物明显减弱,肺水肿的组织学证据减少。与对照组相比,抗生素处理小鼠体内产生的细胞因子较少,表明炎症反应受肠道菌群的强烈影响[53]。

4 展望

肠道菌群与肺之前的联系带给我们一定的启示,任何疾病的治疗都不应该单独治疗,器官与器官之间存在着我们尚未探索到的联系。其次,一直以来抗生素药物的滥用都是全球话题,研究抗生素的优选代替物成为当下治疗家畜疾病的首要考虑。最后,肠道微生物群的紊乱是否可以通过其他肠道菌群的移位(类似粪便移植)来治疗,这些都是未知的,需要更深入地研究。