呼吸道菌群免疫在呼吸系统疾病中作用的研究进展

蔡如意，周 鹏，王月丹，初 明 （北京大学基础医学院免疫学系，北京100191）

·专家述评·

呼吸道菌群免疫在呼吸系统疾病中作用的研究进展

蔡如意，周 鹏，王月丹，初 明 （北京大学基础医学院免疫学系，北京100191）

健康人群呼吸道黏膜表面定居着大量的细菌，主要包括厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门，它们与人体呼吸道局部的黏膜免疫系统相互作用，协同共生，保持了呼吸系统的免疫稳定与平衡.慢性呼吸系统疾病时呼吸道菌群发生改变，哮喘患者变形杆菌门比例增加；慢性阻塞性肺病（COPD）患者呼吸道菌群丰度下降，厚壁菌门，变形菌门比例增加；囊性纤维化（CF）患者呼吸道微生物多样性下降，致病菌及条件致病菌大量繁殖；上呼吸道咳嗽综合征（UACS）患者厚壁菌门及变形菌门比例上升，取代了正常人群咽部原有链球菌及奈瑟氏菌的优势地位.明确呼吸道菌群免疫过程，了解菌群免疫功能紊乱对慢性呼吸道疾病发生机制的影响，可以为防治人类呼吸系统疾病提供新的思路.

呼吸道菌群；哮喘；慢性阻塞性肺病；肺囊性纤维化；上呼吸道咳嗽综合征

0 引言

人体承载着庞大的微生物群体，构成了一个复杂而微妙的生态系统，微生物与人体免疫系统之间复杂的交互作用，决定了人体的健康状况.呼吸道是人体与外界相通的开放性腔道，经常受到外界微生物的入侵，因而具有较强的局部免疫能力.例如，呼吸道不仅包含可运动的纤毛、分泌功能强劲的杯状细胞和黏膜表面的分泌型IgA，而且在黏膜下还存在丰富的黏膜相关淋巴组织，足以应对外界病原体的入侵.一旦呼吸道局部的免疫功能发生紊乱，很可能会导致人体发生哮喘、慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pul⁃monary disease，COPD）、肺囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）和上呼吸道咳嗽综合征（upper airway cough syn⁃drome，UACS）等多种呼吸道急慢性疾病.

长期以来，呼吸道，尤其是下呼吸道都被人们认为是无菌的.呼吸道是一个充满微生物群体的动态生态系统，与宿主的免疫功能和炎症反应密切相关.与肠道相同，健康人的呼吸道也存在着一定种类与数量的微生物群体，即正常菌群.在外界因素的影响下，这些正常菌群不断演替以维持呼吸系统微生态的动态平衡，抵抗和避免病原菌对呼吸道的入侵及在呼吸道的定植.但是，在环境污染、抗生素滥用等外界因素的影响下，呼吸道菌群可能发生改变而导致病原菌的感染，甚至在正常菌群中的某些菌株也可能会转变为条件致病菌，引发呼吸系统疾病.由于呼吸道菌群稳定性受外环境的影响较大，对呼吸道的局部免疫平衡和调节造成影响，甚至导致呼吸系统的免疫功能紊乱，从而给呼吸系统疾病的临床治疗增加了很多困难，这使得从微生态学角度关注呼吸道的局部免疫在预防和治疗呼吸系统疾病中的意义变得十分重大.近年来，随着分子生物学技术的发展和应用，对于呼吸道微生物菌群与呼吸系统免疫及疾病关系的研究有了飞速的发展.越来越多的研究阐释了复杂的呼吸道微生物群在多种呼吸系统疾病免疫功能紊乱过程中的作用，为探讨呼吸系统疾病的致病机制和治疗方法提供了新的思路.

1 健康人呼吸道菌群分布与呼吸道局部免疫

健康人体呼吸道黏膜表面定居着大量的细菌，其中的主体族群是厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门、变形杆菌门和梭杆菌门细菌.细菌之间通过群体感应系统和局部产生的抗微生物多肽调节细菌种类和数量以保持动态平衡，与人体和平共处，实现共生.上、下呼吸道菌群具有高度同源性，上呼吸道菌群数量较下呼吸道多，也就是说上、下呼吸道并不存在各自特异性的微生物［1］，这是不同于肠道正常菌群的特点.

人体的呼吸道主要由局部的黏膜免疫系统进行防御，黏膜上皮细胞扮演着分隔内外环境的物理屏障作用，是构成局部固有免疫系统的主体结构，也是呼吸道菌群栖身的主要载体.呼吸道黏膜上皮细胞表面存在纤毛，能够将下呼吸道的细菌向上运输，而杯状细胞分泌的粘液及黏膜下淋巴组织细胞产生的分泌型IgA抗体，则可以进一步维持黏膜局部的化学免疫屏障功能，防止病原体的入侵和定植.但是，呼吸道局部免疫系统既缺乏消化道黏膜表面的强酸强碱及强力酶系统的强效杀菌机制，也没有极端厌氧的环境，这决定了上下呼吸道的菌群在种类上并无巨大差异，只是数量上存在差异，这是呼吸道局部免疫与菌群互动共生的进化结果.

2 呼吸道菌群免疫与哮喘

哮喘是一种公认的呼吸系统免疫功能紊乱性疾病，其被定义为由病毒性上呼吸道感染、环境过敏原或其他刺激引起的间歇性呼吸症状的临床综合征，其特征是非特异性支气管高反应性和气道炎症［2］.

由于以往痰中菌落培养阳性率较低，哮喘早期抗生素治疗效果不明显，人们认为细菌与哮喘的发作之间不存在任何关系［3］.支气管感染可能是哮喘的基础，这一想法最初来源于一项流行病学研究，该研究报道了支气管炎与肺炎爆发期间成人哮喘发作的案例，也与之前的报道——大环内脂类抗生素对于慢性感染性哮喘患者的治疗有效这一结果相符［4］.随着血清学检测及以PCR为基础的研究手段的应用，人们发现哮喘急性发作时普遍存在肺炎链球菌和肺炎衣原体感染.通过对支气管肺泡灌洗、气管刷及痰中微生物分析发现，哮喘患者呼吸道微生物与健康人群明显不同，菌群中变形杆菌门丰度显著增加.通过对呼吸道标本进行培养发现，培养出卡他莫拉菌、流感嗜血杆菌或肺炎链球菌等细菌的儿童发生哮喘的比例明显增加，且这些微生物与哮喘的严重程度和急性加重有关.基于16SRNA测序技术，哮喘患者呼吸道标本中变形杆菌门，包括流感嗜血杆菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌等多种呼吸道致病菌的比例高于正常人群.这些致病菌的增加同样见于无规律吸入激素治疗的患者，这表明呼吸道菌群的这一特征是哮喘本身的特征，并不仅仅是吸入激素带来的免疫抑制的结果［5］.相反地，哮喘患者气道中拟杆菌门中的普雷沃氏菌比例则低于正常人群［6］.

不同的细菌群落分布与哮喘的特征也存在一定关系.气道微生物与哮喘患者对糖皮质激素的反应性也有一定影响.体外研究［7］结果表明，与流感嗜血杆菌和副流感嗜血杆菌共培养的单核细胞和巨噬细胞对地塞米松反应损伤，这被在一些激素抵抗性哮喘的患者中发现.研究［8］显示，地塞米松能够抑制巨噬细胞产生肿瘤坏死因子，并能够促进人单核细胞对微粒的吞噬，从而在免疫介导的组织损伤或感染后组织修复上起到重要作用.菌群改变影响对皮质激素敏感性可能的机制是通过释放超级抗原产生氧化应激效应、释放细胞因子或激活宿主p38丝裂原活化蛋白激酶活性等.

这些研究表明，哮喘患者呼吸道菌群发生变化，致病菌种类增加，正常菌群的种类及生物量发生变化，提示呼吸道菌群免疫失调可能是哮喘发作的原因之一.

3 呼吸道菌群免疫与COPD

COPD是影响人类健康的慢性呼吸道疾病，是一种高度异质性疾病.其特征是持续存在的气流受限.气流受限呈进行性发展，伴有气道和肺对有害颗粒或气体所致慢性炎性反应的增加.

有害的烟雾和粒子中的暴露是COPD疾病进展的主要的驱动性原因，同时，其他的因素如遗传易感性、营养状态和呼吸道感染也有一定的影响.微生物感染在COPD发生和发展中的作用是呼吸道微生物组研究的热点.COPD的发生与早期致病病原菌在支气管的定植有关.呼吸道微生物的改变对于COPD进展可能的影响可以用恶性循环假说解释.一旦先天性肺的自我保护机制受到烟雾暴露的影响，气道微生物稳态被打破，致病微生物即能够诱发COPD的炎症反应，通过破坏肺中蛋白酶和抗蛋白酶的平衡导致进行性气道气流阻塞以及肺实质损伤.该假说的直接支持证据来源于常规生物学研究，通过支气管镜检查或痰液检查可发现COPD患者的呼吸道炎症细胞、细胞因子、趋化因子和蛋白酶等局部免疫及炎症成分的大量增加.这些病理改变与慢性感染是一致的.同时，伴有支气管扩张的COPD患者体内存在更多的气道细菌，表现出更差的临床转归.微生物学研究可以帮助我们更好的了解微生物对于COPD的发病机制和进展过程的影响，气道微生物的差异对于COPD临床症状（例如是否有支气管炎）是否有影响值得进一步探究［9］.

研究［10］表明，与哮喘患者疾病早期微生物群即发生改变不同的是，轻度及中度COPD患者呼吸道菌群与正常人无显著差异，仅在重度COPD患者（FEV1小于预计值的40%～50%）中存在菌群变化.痰标本微生物分析［11］显示，COPD患者呼吸道中细菌的丰度下降，变形菌门例如假单胞菌科、伯克氏菌科、肠杆菌科的比例升高，厚壁菌门的相对丰度下降.但也有学者认为厚壁菌门和放线菌门是COPD患者肺部中的优势菌群，Pragman等［12］通过对中度和重度COPD患者的支气管肺泡灌洗液取样测序发现，这两类患者肺部中菌群结构发生变化，并且厚壁菌门、变形菌门和放线菌门在这两类患者的下呼吸道中含量丰富.通过支气管活检微生物分析发现，这种变化与呼吸道微生物局部异质性的增加有一定关系.这种与疾病严重程度相关的呼吸道微生物的变化在CF的患者中也存在相关报道［13］.

在COPD急性加重期，微生物学研究发现呼吸道微生物相对于稳定期没有明显差异.COPD急性加重期的呼吸道症状与新的菌株在呼吸道的定植有关［14］.微生物分析显示某一属的菌相对丰度明显增加而其它菌落则无明显变化.在感染过程中，微生物模式则完全不同，后者在优势菌定植前明显有厚壁菌门比例的增高.这一发现也支持在两种类型中急性加重期的临床特征.考虑到微生物模式的不同，需要不同的治疗措施［15］.虽然通过微生物分析，COPD患者呼吸道菌落组成已经清晰，但是呼吸道菌群对于发病的作用仍有待进一步探究.

4 呼吸道菌群免疫与CF

CF是一种家族常染色体隐性遗传性的先天性疾病，是由于囊性纤维化跨膜传导调节因子（cystic fi⁃brosis transmembrane conductance regulator，CFTR）发生突变，导致肺囊性纤维化跨膜蛋白结构和功能改变，从而引起患者慢性肺感染和肺功能退化，导致早期死亡.囊性纤维化的特点为黏液纤毛清除功能缺陷以及复杂微生物菌群的慢性感染.感染、持续性炎症和急性周期性发作导致肺功能不可逆转地下降.虽然对于导致急性加重的因素了解甚少，但是抗生素治疗可以暂时解决肺部症状，部分恢复肺功能.急性加重可能与微生物密度的变化和微生物新菌种的获取有关.

Fodor等［16］采用大规模焦磷酸测序技术鉴定CF急性加重期和稳定期23例CF患者的气道微生物群落结构的变化，得到了350 000多个序列，代表近170个不同的微生物类群.获得的大约60%的序列来自已知的CF致病菌铜绿假单胞菌和伯克氏菌属.虽然抗生素治疗与物种丰富度略有下降，但微生物群落结构几乎没有变化.此外，急性发作期的微生物组成与稳定期高度相似，提示病情加重可能是由于肺内感染的传播的影响，而不是微生物群落组成的变化.

通过患者的痰液进行细菌体外培养发现，其中的主要致病菌有铜绿假单胞菌、流感嗜血杆菌、金黄色葡萄球菌等，同时，在老年患者中也存在其他菌种如伯克霍尔德菌、嗜麦芽窄食单胞菌和木糖氧化无色杆菌［17］.CF患者肺中的微生物群落多样性下降，并且患者肺部炎症程度与微生物多样性的下降程度有关.另外，健康个体中拟杆菌门和梭杆菌门为优势菌种，而CF患者放线菌门所占比例较大.肺部菌群结构遭到破坏，致病菌和条件致病菌大量繁殖，菌群失衡，可能是CF疾病发生的原因之一［18］.

5 呼吸道菌群免疫与UACS

UACS，以前被称为后鼻滴综合征（postnasal drip syndrome，PNDS），是指鼻腔、鼻咽过敏或非过敏性炎症分泌物倒流入咽，而产生的以慢性咳嗽为主要症状的综合征，可伴随咽异物感、咽痒、发堵感及咽部痰液黏附感等一系列症状，被认为是慢性咳嗽最常见的病因之一［19］.UACS的发病机制仍然不清楚，不同国家的医生对于UACS有着不同的定义以及治疗方法［20］.UACS的发病理论包括最早的鼻后滴灌理论.随后的慢性气道炎症理论以及最近的感觉神经超敏理论.此外，还有一些研究人员［21］认为，UACS是咳嗽过敏综合征的临床表型.

健康人群和UACS患者咽部菌群的种类存在微弱的差异，厚壁菌门及变形菌门是UACS疾病中不同于正常菌群结构的优势菌群，其中厚壁菌门中的乳酸菌属，变形菌门中的绿脓杆菌属均有明显上升，并取代了正常人群咽部原有链球菌及奈瑟氏菌的优势地位.此外，TRPV1以及TGF⁃β2在UACS患者中大量增加.TRPV1是一个与咳嗽敏感性相关的非选择性的阳离子通道，并广泛分布于从上呼吸道到下呼吸道的感觉神经.TRPV1受多种理化因子调节，例如乳酸分泌增加，炎症因子刺激都会导致TRPV1增加.并在病理情况下例如慢性咳嗽以及高气道反应性下呈现高表达的状态.而另一项研究显示感染绿脓杆菌的奶牛乳腺分泌物中TGF⁃β1和β2都较未感染前有明显升高，证明绿脓杆菌和TGF⁃β1及β2之间的相关性.同时，绿脓杆菌还会通过多种已知的炎症途径刺激气道炎症发生，最终导致UACS疾病患病率增加［22］.

6 呼吸道菌群免疫与呼吸系统真菌感染

人体真菌的定植是指在人体与外界相通的部位，如消化道、上呼吸道、泌尿生殖道等部位有大量呈孢子状态生长的真菌但并未损伤局部组织或出现症状.定植一般是真菌和宿主之间长期持续的共生关系或无害关系的最后一步，也是转化为真菌感染和相关疾病发生与发展的第一步.

上呼吸道念珠菌及曲霉菌的污染和定植十分常见.国内综合医院ICU调查结果显示，下呼吸道定植的真菌以假丝酵母菌属最为多见，其中以白色假丝酵母菌的感染率为最高（37.91%），其次为曲霉菌属的感染（16.99%）.白血病化疗导致粒细胞减少引起的全身或者局部免疫功能抑制，是呼吸道真菌感染的重要原因，致病真菌可于患者体内定植，其中以烟曲霉菌和白色念珠菌的感染和定植最为常见［23］.

7 益生菌制剂与呼吸道菌群免疫的改善

益生菌制剂是指含有足够数量的活菌，组成明确的微生物制剂或产品，能通过定植作用改变宿主某一部位菌群组成，从而改善宿主微生态平衡，发挥有益作用.益生菌一方面可以通过促进DC释放细胞因子，改变Th1/Th2平衡，使免疫反应向Th1细胞方向进行，抑制Th2细胞反应，从而调节宿主的适应性免疫应答功能；另一方面还可以通过与病原菌的竞争和分泌抗菌肽等代谢产物而发挥生物屏障作用［24－25］.

目前，益生菌已经可以用于治疗肠道菌群免疫失调相关的疾病，例如腹泻、IBD、肥胖、2型糖尿病等疾病的治疗均可采用该制剂［26］.对于呼吸道疾病，人们也已经进行了较多的临床试验，并取得了明显的治疗效果，但是由于益生菌服用的菌株种类、剂量和疗程都会影响临床应用的效果，同一菌群在不同的年龄阶段产生作用也会有不同，因而益生菌防治呼吸道感染仍值得进一步研究［27］.

8 结语

呼吸道菌群免疫的变化在多种慢性呼吸道疾病的发生和发展中起重要作用.近年来随着各种新的技术被运用于呼吸道标本的微生物检测，越来越多的证据表明，呼吸道微生物群体及其相关的局部黏膜免疫与哮喘、COPD等慢性呼吸道免疫功能紊乱疾病的临床表现、急性加重及预后相关.通过研究人类呼吸系统疾病发生发展的微生物学基础，能使人们更好地了解这些疾病的发生及进展的局部免疫学机制，方便判断疾病的种类，预测对治疗的反应性，评价治疗效果.这为临床上诊断、治疗呼吸系统疾病及其预测和预后的判断提供了一种新的思路.

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R392.1

A

2017－08－15；接受日期：2017－09－10

国家自然科学基金资助项目（81603119），北京市自然科学基金资助项目（716209），北京市重点学科基础医学学科建设项目（BMU20110254）

蔡如意.博士生.研究方向：感染免疫.E⁃mail：cairuyi＠bjmu.edu.cn

初 明.博士，副教授.研究方向：炎症与肿瘤.E⁃mail：famous＠bjmu.edu.cn王月丹（共同通讯作者）.博士，教授，博导.研究方向：肿瘤免疫与血液免疫学.E⁃mail：wangyuedan＠bjmu.edu.cn

2095⁃6894（2017）10⁃01⁃04