气道、肠道菌群对慢性阻塞性肺疾病的影响研究进展

齐蕊涵 张洪春

1深圳市中医院（广东深圳518033）；2中日友好医院呼吸中心（北京100029）

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一种以持续呼吸道症状和气流受限为特征的疾病，通常由暴露于有毒颗粒或气体引起的气道和（或）肺泡异常所致，其发病机制目前尚未完全阐明。统计显示，COPD 的全球发病率为11.7%，在长期大量吸烟人群中的发病率可高达50%，造成了全球每年约320 万人的死亡，已成为我国第四大致死疾病［1-2］。呼吸道感染是导致慢性阻塞性肺疾病急性加重（acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease，AECOPD）的主要因素，包括细菌感染和病毒感染，但目前细菌和病毒感染对急性加重的影响和机制尚未完全明晰。二代测序（next-generation sequencing，NGS）技术的出现使微生物组学成为COPD 发病机制与疗效研究的新热点，而“肠-肺轴”的发现又使肠道-气道菌群互作、菌群-宿主互作成为COPD微生物组学研究的新视角［3］。因此，本文旨在对COPD 患者气道菌群、肠道菌群的研究概况作一综述，以期为COPD 患者不同阶段菌群变化情况，及其对急性加重、病情严重程度的影响等提供较为全面的参考。

1 气道菌群

既往人们认为肺部是无菌的，但大量的研究已证实肺部存在不同的微生物群落，分布在上、下气道及肺实质中。气道菌群的组成受多种因素的影响，比如年龄、性别、解剖结构、上皮防御系统能力的不同、免疫细胞的不均匀流入等［4］。同时，气道菌群与气道上皮细胞互作参与塑造肺部免疫稳态［5］。MORRIS 等［6］的一项多中心、前瞻性、观察性队列研究，观察了健康不吸烟者与健康吸烟者上、下气道微生物群落发现，肺部菌群与口腔菌群种类相似，菌群数量从上气道到下气道逐渐减少，但肺部尚有独特的菌群种类；而吸烟者与非吸烟者相比，仅在口腔菌群的组成上有所不同，两者的气道菌群并没有显著差异。提示下气道的菌群不全是经由口腔获得，而吸烟虽然是COPD 的重要危险因素，但其并未对气道菌群的构成产生显著影响。

2 气道菌群与COPD

2.1 COPD 患者气道菌群概况 对COPD 稳定期下气道菌群培养的研究证明，COPD 患者气道中存在细菌定植，包括潜在的呼吸道病原体，下气道细菌定植会导致炎症反应、支气管扩张、病变局部的免疫反应和COPD日常症状的加重［4］。COPD 患者常见的气道定植菌包括肺炎链球菌、流感嗜血杆菌和卡他莫拉菌，在重度COPD 患者气道中，还定植有铜绿假单胞菌。有研究收集了584 份COPD痰标本，发现丰度最高的三大菌门是厚壁菌门、变形菌门和拟杆菌门；丰度最高的5 大菌属是韦荣球菌属、嗜血杆菌属、链球菌属、普氏菌属和莫拉菌属［7］。

与健康受试者的肺相比，COPD 患者气道菌群的多样性和丰度存在显著差异，并受肺部微环境影响而变化。对COPD 患者、健康吸烟者与健康非吸烟者的肺泡灌洗液菌群测序分析结果发现，整体上COPD 患者的菌群丰度与两组比较均无明显差异，但COPD 患者的菌群多样性和均匀度明显较低，且拟杆菌门相对丰度较健康吸烟者、非吸烟者显著降低，放线菌门、厚壁菌门和变形菌门的相对丰度则无明显差异［8］。表明吸烟虽未显著影响COPD 患者气道菌群的构成，但造成了部分菌群间相对丰度的改变。

2.2 气道菌群相对丰度变化与COPD 急性加重不同的个体具有不同的肺部微生物群落，虽然既往研究表明，COPD 急性加重通常由获得新的菌株引起，并与炎症增加和肺功能下降相关［9］，但目前研究发现，绝大多数COPD 患者急性发作时的菌群组成没有非常大的变化，即使在两名患者的急性发作期样本检测出了新的菌株，但研究者认为，这可能由个体异质性所致［10］。COPD 的急性发作最可能与肺部的生态失调有关，而不是某些菌群的完全消失或出现新的菌株［7］。也可能是由菌群群落组成的微小变化的累积效应，所导致的炎症反应增加及失去菌群潜在的关键保护功能所致［10］。

急性加重时，主要是变形菌门的数量增加，例如莫拉菌科、巴氏杆菌科、假单胞菌科和肠杆菌科，也包括一些非典型病原菌。其中，莫拉菌属相对丰度的增加最为显著［7］，相较稳定期，研究者观察到，急性发作时，莫拉菌属的平均相对丰度增长5%［11］。相反，放线菌门、梭菌门和拟杆菌门的数量在急性发作时减少，提示这些菌群在AECOPD发病机制中具有潜在的重要作用［10］。例如，放线菌门由大量具有代谢活性的细菌组成，能产生多种次级代谢物，包括那些具有抗菌活性的代谢物［12］。据此推测，在COPD 急性发作时数量急剧减少的菌群可能有助于维持群落宿主的免疫稳态，并可能抵消呼吸道致病菌的有害影响。此外，不同临床亚型AECOPD 的肺部菌群特征不同。细菌型AECOPD 气道菌群中变形菌门占比更高［7］，且变形菌门∕厚壁菌门比例升高，而嗜酸性粒细胞型AECOPD 气道菌群具有更高的α 多样性［13］。

2.3 气道菌群多样性与COPD 严重程度 气道菌群的多样性与COPD 患者疾病严重程度有关。有研究发现，相较于中重度COPD，晚期COPD 患者的支气管微生物群落多样性显著降低，部分定植菌被潜在致病菌替代［14］。另有研究表明，变形菌门的增长与疾病严重程度的增加有关，具体表现为嗜血杆菌（变形菌门）的显著增长，普氏菌属（拟杆菌门）、韦荣球菌属（厚壁菌门）的减少及多样性的减低［7］。也有研究报道，肺功能下降患者的微生物群会向潜在致病菌属转变，特别是属于γ 变形菌纲的细菌，如假单胞菌或嗜血杆菌［15］。同时，有研究发现，住院AECOPD 患者痰微生物群落α多样性的减少、β 多样性的增加、韦荣球菌属的缺失及葡萄球菌属的富集与1年死亡风险的增长显著相关［16］。

2.4 气道菌群与COPD 急性发作频率 气道菌群 还与COPD 患者急性发作的频率有关。研究发现，COPD 患者急性加重的频率可能会导致肺部微生物组的不稳定，与非频繁加重者相比，频繁急性加重者肺部生态失调更严重，无论是稳定期COPD 或是AECOPD，频繁急性加重会导致两种状态下细菌丰度的改变。该研究进一步发现，莫拉菌属的相对丰度与急性发作频率呈正相关，而乳杆菌属的相对丰度与急性发作频率呈负相关［7］。

2.5 治疗方式对AECOPD患者气道菌群的影响 急性加重时治疗方式的不同会导致菌群组成出现不同的变化，单用抗生素时，首先降低了变形菌门的丰度，造成其门下部分菌群的长期抑制；单用口服糖皮质激素，则导致了许多类群的富集，主要是变形菌门，也有拟杆菌门和厚壁菌门的成员，特别是肠杆菌科（增加16 倍）、毛螺旋菌科、伯克霍氏菌科和奈瑟菌科［10］。另一研究发现，单用口服糖皮质激素，肺部菌群的α 多样性降低，变形菌门数量增加，变形菌门∕厚壁菌门的比例增大，体现在菌属水平上，则表现为嗜血杆菌属、莫拉菌属的增长和链球菌属的减少；而单用抗生素或抗生素联合口服糖皮质激素治疗时，情况完全相反。同时，气道菌群的这种改变直到患者痊愈都持续存在，表明药物治疗会对AECOPD 患者气道菌群造成长远影响［11］。

3 肠道菌群

肠道微生物群是人体内最大的微生物群落，约由1013～1014微生物组成，其微生物组基因至少是人体基因组的100 倍［17］。一项对1 135 例受试者粪便标本的宏基因组分析表明，97.6%肠道微生物群落由细菌组成，另有2.2%来自古细菌，0.2%来自病毒，不到0.01%来自真核生物；而肠道菌群主要由厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门组成［18］。

肠道菌群在婴儿出生时即开始定植、发育［19］，其组成受宿主基因型、分娩方式、饮食、地域、年龄以及抗生素等的影响而改变［20］。抗生素对肠道菌群的影响取决于抗生素的种类、给药途径、使用疗程、肠内药物浓度等因素。如喹诺酮类抗生素对厌氧菌作用弱，无论口服或静脉给药，对肠道菌群的影响均很小；经胆道排泄的β-内酰胺类抗生素对肠道菌群的影响则较大［21］。使用克林霉素7 d会造成肠道菌群拟杆菌门多样性的显著下降，停药后2年仍无法恢复至干预前状态［22］；而万古霉素对肠道菌群相对丰度的改变在停药22 周后几乎全部恢复到基线水平［23］。吸烟同样可以影响肠道菌群。与健康非吸烟者及健康持续吸烟受试者相比，戒烟9 周的健康受试者肠道菌群厚壁菌门、放线菌门相对丰度增加，拟杆菌门和变形菌门减少［24］。

4 肠道菌群与COPD

4.1 COPD 患者肠道菌群组成变化 慢性呼吸道疾病患者有胃肠道问题的可能性是正常人的2 ～3 倍，而超过一半的炎症性肠病患者有肺部受累的表现［19］，在临床表现上，体现了肺肠相关。越来越多的研究表明，肠道菌群对维持肺部健康具有重要作用，而肠道菌群对宿主肺部免疫反应的调节途径，被称为“肠-肺轴”，这可能是COPD 的发病机制之一［25］，并可能助长COPD 急性发作的频率［26］。

AECOPD 患者肠道菌群中，厚壁菌门丰度最高，其次是拟杆菌门、变形菌门、放线菌门和疣微菌门［27］。在科水平上，与健康受试者相比，COPD患者肠道菌群中双歧杆菌科、真杆菌科、乳酸杆菌科、微球菌科、链球菌科和丝虫病菌科增多，但个体间存在较大的差异，而链球菌属的物种是区分COPD 与健康者的关键菌种［26］。同时，AECOPD 患者气道与肠道核心菌群基本相似，在疾病不同阶段菌群丰度与多样性的改变也趋同［27］。

对于COPD 患者而言，吸入糖皮质激素、服用β 受体激动剂或抗胆碱能药物与未服用这些药物相比，肠道菌群的组成并没有显著差异［26］。同时，对接受吸入糖皮质激素与抗生素治疗的AECOPD患者痰、便标本的分析发现，肠道菌群的丰度在第7 天减少，但在第14 天增高，菌群多样性无明显改变。且对于有频繁抗生素使用史的患者，抗生素治疗并没有影响肠道优势菌群，提示抗生素的长期使用可能使肠道菌群产生耐药性［27］。此外，对于吸烟与不吸烟的患者、长期处于稳定期或频繁急性加重的患者，也未观察到其肠道菌群组成的显著变化［26］。表明吸烟与否、支气管扩张剂、糖皮质激素的使用以及是否急性加重并未对肠道菌群的组成造成显著影响，体现了肠道菌群的相对稳态，提示肠道菌群对COPD 的影响更可能是经由其代谢产物调控。

4.2 肠道菌群经肠-肺轴参与调控COPD 肠道菌群对肺部免疫及炎症反应的调节主要依赖其代谢产物短链脂肪酸（short-chainfattyacid，SCFA）实现，SCFA 是肠道菌群经肠-肺轴参与调节COPD 的关键分子。SCFA是含有一到六个碳原子的小羧酸。乙酸、丙酸和丁酸是人体和鼠肠道中含量最丰富的短链脂肪酸，它们由肠道菌群发酵难以消化的纤维和氨基酸而产生，继而被结肠细胞吸收进入血液循环［28］。研究表明，与有共生肠道菌群定植的常规饲养小鼠相比，无菌小鼠结肠中的可发酵底物含量上升，而SCFA 含量下降，这一现象表明了肠道菌群在SCFA 的生成中的重要作用［29］。SCFA 是许多细胞、组织游离脂肪酸受体2、3（free fatty acid receptor 2 and 3，FFAR 2∕3）的天然配体，包括肠内分泌细胞和免疫细胞，以及树突状细胞，而FFAR2、FFAR3 在多种肺组织细胞表达，包括气道平滑肌细胞［30］、气道上皮细胞［31］、间质细胞［32］、中性粒细胞和肺泡巨噬细胞［33］。SCFA 已被证明可以调节免疫细胞中的多种细胞信号通路，表明肠道菌群经由其代谢产物参与调节COPD 患者肺部免疫和炎症反应。例如，有研究发现，肠道菌群失调促进肺损伤小鼠模型肺组织NF-κB 表达上调，及LPS 诱导的NF-κB 磷酸化，加重了肺部炎症因子IL-1β、IL-6、TNF-α 的表达，而粪菌移植阻止了NF-κB 磷酸化，降低了肺部炎症因子的释放。同时，丁酸可以抑制肺泡巨噬细胞NF-κB 通路的激活［34］，并能通过过氧化物酶体增殖物激活受体γ 通路增强Treg 的产生并抑制Th17 的分化［35］而调控COPD 细胞免疫与炎症反应。此外，丙酸和丁酸也可通过抑制HDAC，而在整体水平上，调节Treg的产生，减轻COPD 患者的炎症反应［34］。

5 总结与展望

健康人的肺及整个呼吸道中包含各种共生菌群，这些细菌可以在个体之间、在肺内的不同区域以及随着时间的推移在个体内表现出很大的异质性。气道菌群分类组成的改变，即生态失调，与多种肺部疾病的发生有关，而肠道菌群可经“肠-肺轴”调节COPD 患者的肺部免疫和炎症反应。微生物组学研究为了解COPD 的异质性和急性加重提供了一个新的视角，但当前对COPD 患者气道、肠道菌群的研究绝大多数是基于观察性设计的横断面比较，纵向结果评估较少。尽管描述了COPD 患者和健康对照之间气道、肠道菌群的关键差异，但仅靠菌群描述性分析不足以提供对疾病的机制或潜在疗法的应用依据。仍需进一步探索菌群-宿主互作的机制，如采用多组学方法探索菌群特征与COPD 表型、细胞或分子标记间的关联，将菌群特征应用于COPD 的风险分层、预后评估等。此外，需深入开展动物实验和体外研究，揭示气道、肠道菌群与COPD 发病或疗效的因果关系，探索菌群经“肠-肺轴”对COPD 免疫和炎症反应的间接、直接作用机制。明确“肠-肺轴”的具体内涵，为COPD 的治疗提供新策略。