呼吸道微生物组的变化及其对哮喘发病的影响

查依敏

暨南大学第二临床医学院(深圳市人民医院)，广东省深圳市 518020

【提要】 呼吸道微生物组由呼吸道菌群与其宿主细胞以及环境中影响两者相互作用的多种因素构成，如呼吸道菌群的种类、气道免疫细胞、物理化学因素等。越来越多的研究表明，呼吸道微生物组的变化与哮喘的免疫学发病存在一定的关系，对其进行深入的研究可为哮喘的诊治提供新的思路。

支气管哮喘(简称哮喘)，是一种由多种炎症细胞、炎症介质及细胞因子参与，以气道炎症、气道高反应性和广泛多变的可逆性气流受限为主要特征的气道慢性炎症疾病。哮喘的发病机制复杂，涉及多基因遗传倾向，并与环境因素、免疫因素有关，当外源性过敏原进入哮喘患者机体后即被抗原提呈细胞吞噬并激活T细胞，被活化的辅助型Th2细胞产生白介素(IL)如IL-4、IL-5和及IL-13等激活B淋巴细胞分泌特异性IgE并与肥大细胞和嗜碱性粒细胞等表面的IgE受体结合；当过敏原再次进入患者体内时，嗜碱性粒细胞和肥大细胞会分泌多种化学活性物质，引起由IgE介导的过敏反应。另一方面，活化的辅助性Th2细胞能引起嗜酸性粒细胞、淋巴细胞在呼吸道聚集，促进炎症反应的发生，进而引起支气管水肿、痉挛以及支气管平滑肌收缩[1-2]。长期以来，学者们普遍认为下呼吸道是无菌的，但近年来，随着宏基因组学二代测序技术的快速发展，这种技术越来越广泛地被应用于肺部感染性疾病的病原学诊断中，使得人们不但认识到下呼吸道并非无菌，并且发现与传统的微生物培养技术相比宏基因组测序技术具有强大的优势[3-4]。相关研究表明，在健康和疾病状态下人体呼吸道菌群的丰度和数量存在显著差异[5-6]。Ege等[7]报道，生活环境中的微生物与宿主下呼吸道微生物组密切相关，儿童时期生活环境中暴露的微生物种类和数量越多，宿主哮喘的发病率越低。本文就哮喘的免疫学发病机制、呼吸道微生物组的变化及其对哮喘发病的影响等研究情况进行综述，旨为提高哮喘的诊治水平提供参考。

1 哮喘的免疫学发病机制

1.1 Th1/Th2、Th17/Treg在哮喘中的作用机制 哮喘是一种因外源性变应原进入机体后由多种炎症细胞、炎症介质及细胞因子参与的气道慢性炎症性疾病，其发病机制复杂，许多具体机制目前尚未完全阐明。1986年，Mosmann等[8]发现小鼠的CD4+T细胞可分为Th1和Th2两种类型。之后，有学者发现[9]，人类也有类似的Th1和Th2亚群，并且在Th1和Th2 之间存在相互调节的关系,即Th1/Th2功能平衡。Th1和Th2细胞均为效应性T细胞，具有免疫调节功能，Th1细胞主要分泌Th1型细胞因子包括IFN-γ、TNF、IL-2，能促进Th1的进一步增殖，发挥细胞免疫的效应，同时还能抑制Th2细胞的增殖；Th2细胞的主要功能是介导体液免疫应答，通过产生IL-4、IL-5、IL-10以及IL-13等Th2型细胞因子，在抑制Th1细胞增殖的同时，协助和促进B细胞增殖分化为能产生抗体的浆细胞，参与体液免疫应答过程。Th1细胞和Th2细胞相互制约，共同调节免疫应答。哮喘的发病与Th2型细胞因子分泌过多有关，当过敏原被吸入患者肺内后，经过气道上皮下的抗原提呈细胞如巨噬细胞、树突状细胞等的提呈作用，Th2淋巴细胞被激活[10]，而活化的Th2细胞产生的IL-3、IL-5和IL-13等会直接激活肥大细胞、嗜酸性粒细胞及巨噬细胞并使之聚集在气道，这些细胞进一步分泌多种炎症因子，导致气道慢性炎症的发生。由此可见，Th1/Th2功能失衡是哮喘发病的主要机制，但Th1/Th2功能失衡并不能完全解释哮喘的发病。近年的研究发现[11]，Th17/Treg失衡可能也是免疫性疾病的发生机制并日益受到重视。Th17细胞与传统的Th1细胞不同，前者具有与Th1、Th2细胞不同的独立分化途径，其分泌的IL-17(包括IL-17A到IL-17F)、IL-21、IL-22等会刺激上皮细胞、内皮细胞、巨噬细胞等分泌多种细胞因子如IL-8、MCP-1等趋化因子，从而募集和活化中性粒细胞和单核细胞[12]。与此同时，G-CSF、CM-CSF等集落刺激因子也会刺激骨髓造血干细胞产生更多髓样细胞，通过IL-6、TNF-α和PGE2等诱导局部炎症反应的发生，因此Th17细胞被认为参与了固有免疫，在某些炎症的发生过程中发挥着重要的作用。Treg细胞是CD4+CD25+Foxp3+的T细胞，可通过表达CTLA4和分泌TGF-β、IL-10等细胞因子来抑制免疫应答，在人类免疫耐受中发挥着重要的作用。不仅如此，Treg细胞在抗肿瘤免疫疾病、自身免疫性疾病、感染性疾病和器官移植等多种疾病中可缓解疾病的进展； IL-10还可以抑制T细胞的增殖与分化，从而抑制Th1和Th2型细胞因子的合成与分泌，发挥免疫抑制作用[13]；TGF-β可通过抑制免疫效应细胞的增殖、分化和活性，抑制细胞因子的产生及调节免疫而发挥免疫抑制作用[14]。研究结果显示[15]，急性发作期哮喘患者的Th17细胞、IL-17水平与患者的FEV1、FEVl/FCV等肺功能相关指标呈负相关，而Treg细胞、血浆IL-10水平等与患者肺功能相关的指标呈正相关。由此可以推测，患者哮喘的严重程度可能与其外周血Th17/Treg的平衡具有一定关系。

1.2 固有免疫机制 固有免疫又称为天然免疫、非特异性免疫，是指机体在长期种系进化过程中逐渐形成的天然固有的抵御体外病原体侵袭、清除体内抗原性异常的一系列免疫防御能力，主要由组织屏障、固有免疫细胞及固有免疫分子组成。过去人们对哮喘发病机制的研究多集中在适应性免疫应答方面，如上所述的Th1、Th2介导的适应性免疫在哮喘发病的可能机制等，而近年来相关研究发现，固有免疫应答在哮喘的发病中同样发挥着重要作用，其与适应性免疫共同促进气道炎症的发生，但具体机制目前尚不明确。模式识别受体(pattern recognition receptors，PRR)是一类能直接识别病原体及其产物或宿主凋亡细胞和衰老细胞表面某些共有特定分子结构的受体，是一种与固有免疫系统相互作用的蛋白质，其中Toll样受体(Toll-likereceptors，TLR)是其中最重要的一种，TLR的激活可加剧气道炎症。未成熟的树突状细胞和肥大细胞等固有免疫细胞可表达TLR，在感染和炎症过程中，被激活的树突状细胞、肥大细胞等可以释放多种Th2型细胞因子，促进协同刺激分子上调，增强杯状细胞分泌黏液的能力，促进嗜酸性粒细胞的增殖和渗出，从而引起气道慢性炎症[16]。另一种与哮喘密切相关的固有免疫成分为Ⅱ型固有免疫淋巴细胞(type-2 innatelymphoid cells，ILC2)，于2011年在人的肠道和肺组织中被首次发现[17]。ILC2属固有免疫淋巴细胞的一种，功能与Th2细胞相当。目前研究发现，ILC2是介导蛋白水解酶引起变应性肺部炎症和气道高反应性的主要细胞，并且是IL-5和IL-13的主要来源细胞，可导致嗜酸性粒细胞增殖活化，黏液分泌增加和气道高反应，参与不同表型哮喘的发生过程[18]。

2 呼吸道微生物组与哮喘

以往认为机体下呼吸道是无菌的，但随着宏基因组学二代测序技术的快速发展并越来越广泛地被应用于肺部感染性疾病的病原学诊断，不仅使得人们认识到下呼吸道并非无菌，而且发现这种技术与传统的微生物培养技术相比在病原学诊断中具有强大的优势[3-4]。一些研究结果[5-6]显示，在健康和疾病状态下机体呼吸道菌群的丰度和数量存在显著差异。在健康状态下，人体上呼吸道中细菌密度最高，其中鼻腔和鼻咽的微生物群可达103～106个，下呼吸道的菌群种类与上呼吸道相似，但数量略有差别，气管和肺泡灌洗液的菌群数量约为102个/mL。相关研究表明[19-20]，健康人体下呼吸道中存在的固定菌群主要包括厚壁菌门、放线菌门、梭杆菌门、变形菌门和拟杆菌门，其中厚壁菌门是呼吸道的优势菌群，拟杆菌门的普雷沃菌属和厚壁菌门的链球菌属是呼吸道的优势菌科。和健康人相比，哮喘患者呼吸道微生物组群发生了改变，其下呼吸道中以变形菌属尤其是嗜血菌属占优势。Huang等[21]的研究结果显示，哮喘患者呼吸道中的细菌种类和数量均明显增多，其中的变形杆菌、气道高反应性与Th17和IL-17介导的炎症有关，变形杆菌能通过激活Th17参与其介导的炎症途径来增强中性粒细胞的聚集，从而促进以中性粒细胞浸润为主的哮喘的发生。Alnahas等[22]通过研究发现，感染了卡他莫拉菌的小鼠会产生强烈的炎症反应，伴大量中性粒细胞聚集以及血清IL-6、IL-17、TNF-α和IFN-γ水平的升高，如果小鼠在屋尘螨致敏期间发生细菌感染，气道过敏反应会增强，尤其是表现为血清Th17细胞增殖分化的增强和血清TNF-α水平的升高，这些表现都与过敏性疾病的发病有关。

哮喘严重程度和表型不同的患者其呼吸道微生物组分也各不相同。研究发现[23-25]，流感嗜血杆菌是严重哮喘患者气道中最常见的潜在致病菌之一；在流感嗜血杆菌定植的小鼠中，流感嗜血杆菌能够将与嗜酸性粒细胞相关的、对类固醇敏感的过敏性气道疾病转化为对类固醇不敏感的、与中性粒细胞相关的过敏性气道疾病，表现为流感嗜血杆菌感染小鼠肺内中性粒细胞明显增多，且Th17及其分泌的IL-17也增多。一些研究结果[26]显示，重度哮喘患者的诱导痰微生物组多样性低于轻至中度哮喘患者和健康对照者,并且这种微生物多样性与痰中的中性粒细胞数量呈负相关；嗜中性粒细胞表型哮喘患者的特征是其痰液微生物多样性下降、卡他莫拉菌和嗜血杆菌比例增高。Abdel-Aziz等[27]报道，与重度哮喘患者比较，轻度哮喘患者具有更高的韦荣球菌属丰度，提示这些细菌在慢性气道疾病的发病中具有保护作用；Huang等[21]在对严重哮喘患者的研究中观察到，Th17细胞相关基因的表达与变形杆菌的种类和数量相关。由此可见，呼吸道微生物组的变化能通过改变宿主的免疫状态而影响哮喘的发生发展。

3 小 结

随着宏基因组学、16sRNA高通量测序、代谢组学、蛋白组学、转录组学等技术的发展，不仅可在哮喘患者体内检测出多种病原体，而且能够发现其呼吸道标本中含量极少的微生物种类。这些技术不仅促进了微生物组学的发展，也进一步促进了呼吸道微生物群失衡与哮喘发生相关机制的研究进程。目前，有关呼吸道微生物组的变化与哮喘的免疫学发病机制的研究多为观察性研究，具体的发病机制仍不明确，系统阐明微生物与哮喘发病之间的因果关系，可为哮喘的诊治提供新的思路。