肺微生物群與慢性阻塞性肺疾病的關系研究進展

何貴強 郎艷竹 趙順順 王小靜 歐陽瑤

遵義醫科大學附屬醫院呼吸與危重癥醫學科（貴州遵義563000）

慢性阻塞性肺疾病，是一種常見的呼吸系統疾病，主要包括慢性支氣管炎和肺氣腫。它的特征是下呼吸道進行性慢性炎癥和由部分不可逆氣道阻塞引起的氣流受限［1］。該病的常見癥狀包括呼吸困難、咳嗽、咳痰和因長期接觸香煙煙霧（cigarette smoke，CS）或污染物而導致的呼吸道成分改變［2］。CS 主要通過缺氧和增加細菌生物膜的形成，來影響肺微生物組成［3］。吸入CS 會激活上皮細胞，以及免疫調節細胞（包括中性粒細胞、巨噬細胞和T 淋巴細胞）［4］。呼吸道是微生物進入人體的主要入口之一，因此它在微生物群的組成中起著關鍵作用。研究發現，COPD 患者肺部厚壁菌屬、鏈球菌屬、勞特羅普菌屬豐度的增加與擬桿菌門豐度的下降，參與全身炎癥反應［5］。COPD 患者腸道和肺微生物群的動態變化，與COPD 急性加重及病情進展有關［6］。目前肺微生物群在COPD 中的作用機制尚不清楚，本文就肺微生物群與COPD的關系展開綜述。

1 健康的肺微生物群

傳統上，肺被認為是無菌的，并且在原始的人類微生物組項目中被排除在五個主要身體部位（胃腸道，口腔，陰道，皮膚和鼻）之外［7］。獨立于培養的技術（如16S 核糖體RNA 和宏基因組測序），表明即使沒有感染的臨床證據，肺部也含有大量的微生物群落［8］。從出生開始，新生兒的呼吸道就被微生物群迅速定植，顯示出少量和不太復雜的微生物群落［9］。隨著年齡的增長，肺微生物群的生物多樣性、生物量和復雜性增加，并趨于動態平衡［10］。在健康受試者中，肺部發現的常見微生物包括變形桿菌、厚壁菌和擬桿菌［11］。其次，在疾病或免疫失調狀態下，肺部會出現其他生物體，例如病毒或真菌［12］。研究發現在COPD 患者肺中，曲霉菌屬、枝孢菌屬、青霉菌屬占主導地位［13］。肺微生物群的狀態，由宿主的免疫系統保存和控制。因此，肺微生物群的變化會調節宿主的免疫和新陳代謝，進而改變氣道中細菌的生長條件，并使炎癥和生態失調的循環持續下去［14］。那么，肺微生物群是否影響COPD 以及它們之間有何聯系，其具體機制是怎么樣的，還需要進一步的研究探討。

2 肺微生物群對COPD 免疫與氣道炎癥的影響

由先天性和適應性成分組成的免疫系統，可通過微生物群的改變，調節肺微環境穩態。肺微生物群不斷與空氣接觸，與入侵的微生物競爭，調節和影響肺微環境，增強免疫系統對病原體的作用［15］。而肺微生物群和免疫系統的相互作用，可促進保護性反應和支持免疫耐受［16］。在肺微生物群的組成和功能發生變化后，可能產生相應的病理改變。在氣道上皮中，定位模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）、巨噬細胞（macrophage，mφ）和樹突狀細胞（dendritic cells，DC），它們都能夠識別微生物分子并將其區分為危險或不危險。

2.1 Toll 樣受體（toll-like receptors，TLR）與呼吸道微生物群或病原體相關的損傷，將導致先天性免疫細胞表達的TLR 誘導免疫耐受。一方面，肺微生物群通過與氣道TLR 和吞噬細胞的相互作用，產生免疫耐受，防止過度的氣道炎癥反應［17］。例如，針對銅綠假單胞菌（pseudomonas aeruginosa，pa），微生物群通過TLR 刺激免疫球蛋白A 的產生，以提高宿主防御能力；而針對大腸桿菌（escherichia coli，EC），脂多糖可通過TLR-4 刺激肺泡巨噬細胞，釋放炎性細胞因子［18］。TLR 激活機體炎癥反應的各個階段，有助于消除入侵的病原體并協調全身免疫防御［19］。鞭毛蛋白是一種TLR-5 激動劑，可保護小鼠和靈長類動物免受呼吸道感染。PéREZ-CRUZ 等［20］發現，使用鞭毛蛋白可預防暴露于CS 的小鼠的細菌感染，并且改善其肺部炎癥和氣道重塑。在肺炎鏈球菌感染期間，全身注射鞭毛蛋白可激活3 型先天性淋巴細胞在肺組織中迅速積聚，刺激呼吸道黏膜白細胞介素-22（interleukin-22，IL-22）的產生，對抗細菌感染［21］。SHARAN 等［22］報道，IL-22 可促進中性粒細胞的募集、抗菌肽的合成和緊密連接分子的表達。他們還發現COPD 期間感染易感性增加，與IL-22 產生缺陷有關。BUDDEN 等［23］發現，在COPD 患者和長期暴露于CS 的小鼠中，感染細菌后IL-22 的產生受到抑制。另一方面，TLR 可誘導IL-5、IL-13 和干擾素-γ 等炎性細胞因子，將免疫細胞募集到肺部，從而加劇氣道炎癥［24］。DOYLE 等［25］報道，IL-13 可刺激肺泡巨噬細胞釋放基質金屬蛋白酶-12，誘導氣道空間擴大，導致肺氣腫和氣道炎癥。另外，在IL-13 敲除的小鼠中，肺微生物群的厚壁菌和變形菌相對缺乏［26］。

2.2 巨噬細胞肺微生物群還通過募集和激活調節性T 細胞、mφ 和DC 阻止侵入性微生物的生長和擴散，并調節機體免疫耐受。巨噬細胞是氣道的重要防御成分，可充當與外部抗原對抗的哨兵。根據其功能可將其分為具有促炎能力的M1 型mφ，以及具有吞噬能力和抗炎能力的M2 型mφ［27］。巨噬細胞極化，可能與COPD 有關［28］。WANG 等［29］發現，CS 可促進M2 型mφ 極化和誘導MMP-12釋放的IL-4 增加，導致肺氣腫；M2 型mφ 可上調粘蛋白5AC 的表達，導致黏液分泌過多引起氣道阻塞。其次，細菌代謝物如丁酸鹽，可在體內和體外誘導M2 極化，并抑制巨噬細胞的M1 極化［30］。ZHU 等［31］報道，補充丁酸梭菌可使肺巨噬細胞M2極化增加、IFN-γ 和IL-17 釋放減少，從而改善肺部炎癥反應和免疫失調。

2.3 氣道黏液分泌在COPD 中，氣道黏液的分泌也參與這種宿主-肺微生物的相互作用。一方面，肺微生物群影響黏液的產生以及氣道上皮分泌的抗菌肽和免疫調節肽，例如導管素和β-防御素，并且這兩種蛋白都參與微生物群的組成［32］。另一方面，積聚在肺內膜上的黏液會促進微生物群的改變，以及巨噬細胞和中性粒細胞的增殖，從而誘導免疫介導的氣道受損和肺功能減退［33］。綜上，COPD 中肺微生物群通過激活氣道TLR、募集和激活免疫細胞、促進氣道黏液分泌等途徑影響機體的免疫活動，從而加劇氣道炎癥。同時，肺微生物又受到免疫系統和COPD 疾病本身的影響。因此，抑制TLR 的激活可能成為一種COPD 新的治療策略。

3 肺微生物群對COPD 氧化應激的影響

在COPD炎癥期間，肺泡巨噬細胞和中性粒細胞能夠產生活性氧（reactive oxygen species，ROS）［34］。ROS 的水平增加會導致周圍黏液的氧氣消耗，從而將肺微環境從需氧環境轉變為厭氧環境，進而導致厭氧細菌的增加。pa 是存在于肺部的厭氧菌，它們能夠在需氧和厭氧條件下生活，并且在某些情況下會導致疾病的產生。據報道，當肺部細菌多樣性減少時，pa 就會增加［35］。另外，pa 是引起急性肺損傷和急性呼吸窘迫綜合征的重要條件致病菌，感染pa 與患者的高死亡率相關［36］。在厭氧條件下，pa 通過反硝化途徑進行代謝活動，該途徑使用氮氧化物作為最終電子受體［37］。SCALES等［38］發現，炎癥可以為pa 呼吸提供末端電子受體，并且支持其大量繁殖。其次，COPD 巨噬細胞的吞噬功能缺陷，與線粒體功能的改變以及無法調節線粒體ROS（mitochondria ROS，mROS）的產生有關［39］。在健康個體中mROS 濃度由清除的酶控制，可防止細胞損傷［40］。BARNES 等［41］報道，在COPD 患者的巨噬細胞中mROS 不斷增加。研究發現，巨噬細胞可通過mROS 的免疫調節功能消除細菌［42］。綜上，肺微生物可能參與COPD 氧化應激，線粒體功能改變可作為COPD 新的研究方向。

4 肺微生物菌群對COPD 病情嚴重程度的影響

4.1 對COPD 穩定期、恢復期的影響肺是一個脆弱的器官，因為它直接與外部環境交流，而接觸微生物、過敏原和污染物會改變肺微生物群的組成。細菌的持久性受到多種因素的影響，例如氧氣濃度、pH 和溫度的變化。這些因素的改變會導致微生物菌群失調，從而導致COPD 等慢性氣道疾病的發展［43］。在最近的一項研究中，對COPD 患者和健康對照者的痰液進行分析，可以顯示肺微生物群的組成存在差異［44］。TANGEDAL 等［45］對COPD 患者的痰液進行DNA 序列分析，發現鏈球菌、羅西氏菌、普氏菌屬、韋榮氏菌屬和嗜血桿菌屬共包含68%的所有序列，而在病情加重期間它們是占主導地位。因此，COPD、哮喘等肺部疾病可能導致微生物群失衡、細菌消除無效和氣道改變。CAVERLY 等［46］表明，上述改變可誘導微生物生態位的形成，從而促進常見厭氧共生菌（如普雷沃氏菌和韋榮氏菌）的生長和增加。這些共生體在淋巴細胞和中性粒細胞的支持下，會進一步加劇氣道炎癥［47］。目前COPD 患者樣本中的微生物多樣性，受到標本的類型、接受的治療類型和疾病嚴重程度的影響。因此，COPD 和肺微生物菌群之間的關系，還需要更多的臨床數據來證實。

4.2 對COPD 急性加重的影響COPD 急性加重的特征，是氣道炎癥加劇以及與肺功能降低相關的病情惡化［48］。臨床癥狀包括咳嗽加重、呼吸困難、發熱和痰色或粘稠度改變［49］。COPD 急性加重通常是由病毒性和細菌性呼吸道感染引起的，常見病原體包括流感嗜血桿菌（haemophilus influenzae，HIB）、pa 和卡他莫拉菌。HIB 是一種革蘭氏陰性球桿菌，其缺乏多糖膠囊，是導致COPD 病情惡化和產生合并癥的主要原因［50］。HIB 膜蛋白可誘導COPD 小鼠和培養的人上皮細胞產生粘蛋白5AC，加劇氣道炎癥［51］。其次，CS是COPD急性加重的重要風險因素。研究表明，CS 相關的COPD患者之間存在氣道微生物群的差異［52］。據報道，在戒煙的COPD 患者中，肺微生物改變與增強的氣道炎癥相關，并且氣道中HIB 的數量相對豐富［53］。另外，不同的肺微生物群暴露也影響COPD 急性加重。研究發現，感染鏈球菌或羅氏菌的穩定期COPD 患者的惡化率，往往低于感染pa 的患者［54］。而在頻繁惡化的COPD 患者BALF 中，檢出pa、硒單胞菌、厭氧球菌菌落增加［55］。綜上，肺微生物菌群的失調，可能是穩定期COPD 患者急性加重的一個重要因素。

5 總結與展望

綜上，COPD 是一種異質性和多因素疾病，以多種臨床表型為特征。肺微生物群的變化，有助于對COPD 的發病機制加深理解，以及對患者的惡化風險、生活質量有重要影響。但肺微生物群和COPD 的關系目前還存在以下問題：（1）肺部優勢病原菌是否可抑制肺內常駐細菌的生長，并促進COPD 的疾病發展；（2）肺微生物群的生態失調，與氣道炎癥和肺損傷之間是否存在反饋循環；（3）腸道微生物群是否影響COPD 的發病和進展。肺微生物群是COPD 有前景的治療靶點，因此我們需要進一步探究肺微生物群在COPD 中的作用機制。

【Author contributions】HE Guiqiang wrote the article.LANG Yanzhu，ZHAO Shunshun and WANG Xiaojing revised the article.OUYANGYao supervised the validity of this article.All authors read and aplproved the final manuscript as sub-mitted.