肺和腸道微生物群落與哮喘的研究進展

李了 楊 磊

1.武漢科技大學醫學院，湖北武漢 430065；2.湖北省婦幼保健院兒童呼吸科，湖北武漢 430070

哮喘是一種以慢性氣道炎癥和氣道高反應性為特征的異質性疾病，近幾十年來，哮喘一直是世界范圍內受累人群最多的醫療問題之一，影響著全球3 億多人的健康[1]。目前哮喘的發病機制仍不清楚，但該病與免疫、神經、內分泌、遺傳學背景及環境和營養因素均密切相關[2-4]。目前，對哮喘復雜性的認識已經發展到了精準醫學層面，特別是微生物代謝組學分析的興起揭露了肺和腸道微生物群在哮喘發生發展中的調控作用。呼吸道和胃腸道的微生物群落是一個由細菌、病毒、真菌等組成的多樣、穩定、動態平衡的系統，其對維持人體的健康至關重要。研究表明，腸道和肺部有著緊密的聯系[5]。腸道的微生物變化可以影響肺的免疫反應，相反，肺微生物群也可以通過血液循環影響腸道的微生物群，腸道和肺之間的相互影響產生了“腸-肺軸”的學說[6]。哮喘患者肺部和腸道的微生物失調可能會導致免疫發育改變和炎癥反應，但是不同的肺和腸道微生物群在哮喘發生發展過程中的重要程度及可能的作用機制尚存爭議。本文將圍繞肺和腸道的微生物群落之間的聯系及其對哮喘的影響進行綜述。

1 肺和腸道的微生物群落

呼吸系統總共有70 m2的表面積供微生物群落棲息，不同部位定植的微生物數量和種類有所不同。在很長一段時間，肺部被認定是無菌的環境。然而隨著醫學技術的不斷進步，特別是16S rRNA 測序技術的出現，使研究者在健康人群的肺中也檢測出了微生物群落。在肺部常見的細菌群落主要包括厚壁菌屬、擬桿菌屬、變形桿菌屬、梭桿菌屬、乳桿菌屬和放線菌屬[7]。除了細菌外，病毒和真菌同樣可以在正常人群的肺中檢測到。肺部的健康微生物群對呼吸系統甚至整個生物體動態平衡的發展和維持都起著重要作用。

腸道所擁有的150～200 m2的巨大表面積為微生物提供了良好的居住環境。人體腸道每毫升管腔內容物中有10 萬～1000 億個細菌，是細菌定植最密集的器官。腸道內的細菌賦予宿主多種功能，包括制造維生素、吸收離子、抵御病原體、組織發育、增強免疫功能和食物發酵等。腸道菌群通常由5 個菌屬組成，包括擬桿菌屬、厚壁菌屬、變形桿菌屬、放線桿菌屬和軟壁菌屬。其中，擬桿菌屬、雙歧桿菌屬是健康人中最常見和最穩定的菌屬[8]。除細菌外，人類腸道微生物群還包括真菌、病毒（主要是噬菌體）和古細菌。

2 “腸-肺軸”概念

“腸-肺軸”的概念始于臨床觀察到不同的肺部疾病會受到腸道微環境變化的影響，反之亦然。有研究表明，生命早期是腸道菌群失調最重要的時期，腸道菌群失調可能會導致各種呼吸系統疾病發生，因為腸道菌群對免疫細胞的成熟和對病原體的抵抗均有重要影響[9]。肺部和腸道之間的聯系已經在小鼠和人類的研究中得到證實，如采用脂多糖刺激小鼠肺部會導致腸道細菌數量顯著增加[10]。此外，有研究表明，肺炎會導致腸道損傷，降低腸道上皮細胞增殖[11]。誘導性支氣管相關淋巴組織和腸道相關淋巴組織是黏膜相關淋巴組織的一部分，其在形態和功能上具有相關性。然而腸道和肺之間通訊的調節機制尚不清楚，目前認為可能與機體局部、宿主菌群和全身免疫狀態的改變有關。

3 肺和腸道微生物與哮喘的關系

3.1 細菌與哮喘的相關性

細菌是腸道和肺部最大的微生物種群，由于腸道是細菌最密集的定居場所，因此在生命早期或發生特定疾病時，需要特別注意腸道細菌菌落的變化及其與哮喘的相關性。國外的一項研究表明，3 月齡加拿大兒童的糞便樣本中拉氏螺旋菌、韋洛氏菌、糞便桿菌和羅氏菌的相對豐度較低，發生哮喘的風險較高[10]。在另一項人類出生隊列研究中，3 月齡厄瓜多爾兒童的糞便樣本中鏈球菌和類桿菌的相對豐度增加，雙歧桿菌和瘤胃球菌的相對豐度減少，在5 歲時發生喘息的風險更高[12]。

盡管腸道菌群對哮喘的作用機制還不清楚，但其對哮喘的影響部分是由細菌代謝物所介導的，這可能會影響體內的遠端免疫應答。在人類氣道炎癥中最廣為人知的具有保護作用的代謝產物是短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）。SCFAs 主要由乙酸、丙酸和丁酸組成，有報道顯示，糞便中丁酸和丙酸含量高的1 歲兒童特應性致敏程度明顯降低，在3～6 歲時患哮喘的可能性也較小[13]。在小鼠中，SCFAs 已被證實通過抑制組蛋白去乙酰化來增加轉錄因子插頭框蛋白P3 的表達，從而支持調節性T 細胞的增殖，并增加白細胞介素（interleukin，IL）-10 的產生。此外，SCFAs 也被證實可以減少雞卵白蛋白和屋塵螨誘導的氣道炎癥模型的炎癥反應[14]。在小鼠妊娠和斷奶期間，給予SCFAs 喂養可以保護后代免受過敏性肺部炎癥的侵襲，特別是丁酸鹽能有效地誘導后代肺部調節性T 細胞的增加[13]。人類腸道細菌能夠產生其他具有促炎和抗炎潛力的代謝物，如生物胺和氧脂素[15-16]。與健康人比較，哮喘患者的糞便樣本中分泌組胺的細菌數量明顯升高，且其數量與疾病嚴重程度相關[17]。這些肺部和腸道的細菌分泌物可能為哮喘的治療提供新的手段。

越來越多的證據表明，細菌在哮喘發生中發揮重要作用，但還需要進一步的研究來更清楚地定義所涉及的核心菌落，并探索哮喘背景下的細菌失調與本病的因果關系[18-19]，闡述哮喘中介導細菌和宿主之間溝通的細胞和分子機制將是未來研究的重點。

3.2 真菌在哮喘中的作用

目前尚不清楚真菌是在健康人群腸道中定植，還是僅僅在測序研究中被檢測為短暫的口腔或食物源性真菌，但即使是腸道的短暫定植也有可能影響微生物群落和宿主免疫應答。盡管尚未探討出其中的機制，但在厄瓜多爾和美國的兩項人類出生隊列的研究中發現，真菌失調是嬰兒腸道菌群的一個關鍵特征，與兒童時期高風險哮喘表型的發生發展有關[12,20]。在這些研究中，與哮喘相關表型有關的真菌失調的具體特征有所不同，但值得注意的是，在這兩項研究中，真菌失調比細菌失調更顯著。不僅如此，兩項研究都發現真菌失調與細菌失調存在相關性，但具體的分子機制還有待進一步的研究。

早期的一項關于真菌失調和哮喘嚴重程度之間相關性的動物模型研究表明，經抗生素預處理的小鼠用人類腸道共生白色念珠菌經口灌胃后，容易出現真菌的過度生長，并且在氣道刺激后，由Th2 細胞介導的氣道炎癥加重，這種效應部分是由白色念珠菌產生的前列腺素介導的[21]。此外，有研究顯示，過去或當前存在的真菌失調微生物環境會影響哮喘發生時的免疫反應[22]。在無真菌菌群的小鼠中接種非共生真菌菌群后，肺中表現為混合的Th2 和Th17 細胞浸潤，而在已有真菌組的常規小鼠中進行同樣的處理，只導致哮喘期間Th2 細胞增加[23]。同樣，在未成熟的小鼠中定植白色念珠菌后，其呼吸道變態反應會進一步加重，這與真菌特異性Th17 細胞和IL-17 高應答性中性粒細胞有關[24]。這些研究進一步證實了腸道微生物群復雜的本質，以及跨領域微生物相互作用在決定哮喘轉歸中的重要性。

有研究表明，肺部局部真菌失調也與哮喘有關[25-26]。一些受試者樣本顯示，患和不患嚴重哮喘的兒童在支氣管肺泡灌洗液樣本中特定真菌的相對豐度存在差異，但總體真菌多樣性沒有明顯差異[27]。這些差異包括重癥哮喘患者肺中肺孢子蟲相對豐度的增加，這種微生物在肺部的存在與在人類和動物模型中誘導宿主2 型免疫反應有關[28]。肺孢子蟲在肺部的亞臨床定植被認為是嬰幼兒最常見的感染之一。因此，肺孢子蟲早期肺部定植可能是誘導肺內Th2 細胞免疫反應的危險因素，并使嬰兒易患哮喘[29]。

3.3 病毒與哮喘的關系

盡管病毒感染是哮喘惡化的主要原因，但病毒與哮喘之間的關系尚未完全了解。病毒與環境因素及內在因素之間復雜的相互作用可能是某些病毒在哮喘患者呼吸道中長期存在的原因，或者發展成全面感染從而導致哮喘急性加重的原因。

在人類生命的最初幾年，幾乎所有的喘息發作都與病毒感染有關。引起喘息或哮喘加重最常見的病毒是輪狀病毒和呼吸道合胞病毒（respiratory syncy-tial virus，RSV），此外還涉及博卡病毒、流感病毒和巨細胞病毒。

輪狀病毒感染相關的毛細支氣管炎患者氣道中浸潤了大量的中性粒細胞，而且炎癥因子IL-6、IL-8、腫瘤壞死因子-α 和α 干擾素的濃度顯著升高[30]。研究表明，輪狀病毒在B 淋巴細胞中形成病毒復制中心，并誘導B 細胞增殖[31]。RSV 同樣與哮喘風險增加有關，然而其與哮喘的關系尚不清楚。有研究表明，RSV引起的毛細支氣管炎和哮喘之間存在聯系，但尚未確定嬰兒呼吸道合胞病毒感染與學齡期哮喘之間的相關性[32]。

流感病毒是另一種與哮喘急性加重有關的病毒。在流感病毒感染的情況下，哮喘患兒的病情更重、住院風險及死亡率更高。IL-33 在流感病毒誘導的哮喘惡化中起到關鍵作用。在哮喘小鼠模型中，IL-33 通過抑制先天性和獲得性抗病毒反應來增強氣道高反應性和氣道炎癥[33]。

關于呼吸道病毒感染和哮喘發生發展之間的關系已經進行了大量的研究。然而，導致兩者之間相互聯系的確切機制仍不清楚，需要在動物模型和以多組學為基礎的人類研究中進一步探索。

4 總結與展望

大量研究表明，人體微生物群落對宿主免疫系統的成熟和功能有著不同程度的影響。肺和腸道微生物群對哮喘的發展、表型和嚴重程度都有影響，但其詳細的細胞和分子機制尚未完全明確。隨著微生物組學分析的不斷發展，臨床中可以進一步檢測出許多與哮喘相關的微生物種群。所以，未來的研究應該更多地集中在微生物區系分類的具體變化上，包括菌株差異，而不是整體的變化。另一方面，應考慮微生物種群及其與宿主表型相關性的全局觀點，應更加注重對人類微生物種群不同部分的詳細研究，包括病毒、細菌、真菌等，通過探索肺和腸道微生物種群之間的聯系及其對哮喘發生發展的具體影響，從而為哮喘個體化診療提供新的思路。