肠道和肺部微生物群落与慢性阻塞性肺疾病相关性的研究进展

李晓俊，李亚，李素云*

慢性阻塞性肺疾病（COPD）与心脑血管疾病、恶性肿瘤、糖尿病及代谢性疾病被世界卫生组织列为全球“四大慢病”。全球疾病负担研究数字显示，2016年我国因COPD死亡人数达87.63万，仅次于缺血性心脏病和脑卒中，位居各单病种死亡人数第三位，占我国总死亡人数的9%，占全球COPD总死亡人数的30%［1］。横断面研究显示，我国20岁及以上成年人COPD患病率为8.6%，40岁以上则达13.7%，60岁以上人群患病率已超过27%，年龄越高，COPD患病率越高。男性患者数为女性的2.2倍［1］。COPD已经成为与高血压、糖尿病“等量齐观”的最常见慢性病，构成我国重大疾病负担。戒烟、注射疫苗、长期氧疗、肺康复锻炼治疗、手术或支气管镜介入治疗等均可有效缓解COPD患者的病情，但气流受限不可逆的状况并不能有效逆转［2］。本文通过回顾文献，介绍了COPD的发病机制，阐述了肠道和肺部微生物群落与机体及COPD的关系，现综述如下。

1 COPD的发病机制

COPD的发病机制是气道损伤、炎症和感染之间的恶性循环［3］。吸烟是最常见的诱发因素，长期暴露于职业烟雾或粉尘以及一些儿童呼吸道疾病，也可能损害固有的防御机制，使微生物定植支气管黏膜。对微生物抗原的局部免疫反应会加重支气管上皮损伤，进一步损害宿主防御［4］。COPD急性加重（AECOPD）极大地加剧了这种恶性循环，通常与致病细菌的过度生长相关，尤其是流感嗜血杆菌、黏膜炎莫拉菌、铜绿假单胞菌或肺炎链球菌。微生物病原体刺激蛋白水解活性的急剧增加破坏了蛋白酶和抗蛋白酶活性之间的平衡［5］，并加速支气管壁纤维化重塑和气流阻塞不可逆的进展。

炎症是COPD进展的核心机制，导致肺结构性改变，小气道狭窄和肺实质破坏，进而导致肺泡与小气道的附着受到破坏，降低肺弹性回缩能力。小气道的损伤导致气流受限和黏膜纤毛功能障碍。肺部与上呼吸道相通，是一个持续暴露于微生物的器官，遭受微生物的迁入和局部黏膜及黏液纤毛的防御清除，并处于动态稳定过程。

2 微生物群落与机体

人体黏膜部位的微生物数目与人体细胞数目相当［6］，随着时间的推移从出生、成年到老年，对饮食、药物和环境暴露等因素做出反应［7］，并有助于维持免疫系统和体内平衡。宿主-微生物群落共生平衡对宿主遗传、抗生素的使用、饮食、过敏原或感染因子等因素敏感性较高，微生物群落的构成变化，使机体呈现“生态失调”状态［8］，进而导致疾病恶化、对新疾病的易感性增加。

宏基因组的发展使微生物组的定义更加详细和宽泛，并随着性别、饮食、取样部位［9-11］及其在疾病期间的变化［12-13］而改变。宏基因组揭示了曾被认为无菌部位的肺部微生物共生体的存在、组成和相对丰度［14］。使用无菌（germ free，GF）小鼠的研究表明，GF小鼠对铜绿假单胞菌、肺炎链球菌和肺炎克雷伯菌［15-17］的肺部感染更敏感，且肺微生物群落是可变的，并异于口腔或肠道［18-19］。免疫系统欠缺及黏膜改变的GF小鼠可以通过肠道微生物群的定植来恢复其免疫系统及黏膜变化［20-21］。宿主微生物群落如何影响远端部位免疫力，肠道微生物群落如何影响大脑、肝脏、肺部等其他器官，由此产生了“肠-肺轴”“肠-脑轴”等概念。

成熟的肠道和呼吸道具有不同的环境和功能，但其具有相同的胚胎起源，具有结构相似性，在健康和疾病方面具有相互作用。肠道和呼吸道上皮均来源于内胚层。肠道由柱状上皮细胞和微绒毛（肠道）或纤毛（呼吸道）的投射组成，起到物理屏障的作用，与相关的淋巴组织结合从而形成免疫应答，通过杯状细胞分泌黏液以及分泌性免疫球蛋白A（sIgA；肺部较少）。肺部末端气道中的肺泡由分泌表面活性物质的鳞状上皮细胞组成（Ⅱ型肺泡细胞），在气体交换中起作用（Ⅰ型肺泡细胞）。功能上，肠道是缺氧环境，具有消化食物和吸收营养的功能，除了反流或呕吐，从口到肛门是单向运动；pH、酶沿着胃肠道结构的变化而变化；肠道内的温度在37 ℃时相对稳定。呼吸道和肺泡富含氧气，存在吸气和呼气的双向运动；呼吸道的温度依据与咽部的距离而变化。免疫方面，肠道和呼吸道在免疫反应中相互影响，肠道和呼吸道中的树突细胞、肺中的巨噬细胞、相关淋巴组织中的淋巴细胞通过淋巴系统循环以影响全身免疫。来自肠道的细菌可以通过吸入呕吐物或食管反流进入肺部。肠道微生物群落是构成人体免疫体系的关键因素，参与到免疫系统的前端、终端、末端；免疫紊乱可导致肠道微生物群落失衡，上皮完整性的破坏可使细菌及其组分和代谢物进入循环系统，引起全身性炎症。

人类“核心”肺部和肠道微生物群落在门结构水平上相似，但其细菌种类组成不同。在肺部占主导地位的细菌门包括拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门；细菌属包括流感嗜血杆菌属、假单胞菌属、链球菌属［22-24］。肠道微生物群落丰度更高［25］，构成肠道的4种细菌门包括厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门，其他门包括真菌、病毒和螺旋体。“核心”肠道微生物群落包含多达14个细菌属和150个细菌种，其中许多尚未培养［26］。肠道微生物群可以通过采集粪便进行分析，样本获得相对容易；而肺部微生物样本常依赖侵入性方式获取，易对上呼吸道形成严重感染［27］。

3 COPD与微生物群落

引起AECOPD的原因有很多，其中肺部和肠道微生物群落失衡可能是其重要的机制之一，肺部微生物群落失衡可影响COPD的病情，其微生物群落变化与急性加重事件相关。COPD也可引起肠道微生物群落发生改变，影响机体的免疫应答。

细菌感染是AECOPD发生的重要因素［28-30］，细菌感染机体后，可诱导大量炎性细胞如中性粒细胞、巨噬细胞、淋巴细胞等聚集、合成和释放肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白介素（IL）-1β、IL-6等多种促炎因子，导致肺损伤和周围气道功能障碍。这些炎性因子与AECOPD的严重程度、肺功能下降速率以及预后有密切联系［31-33］。在随后的稳定期，这些炎性因子水平有所下降，但仍较正常人偏高［34-35］。研究显示，定植在人上呼吸道和肺部的微生态失调，即复杂生物群落结构紊乱，与慢性肺疾病的发病机制密切相关［36-37］。

肺部与肠道微生态平衡是人体的一道重要生物学屏障。人类机体寄生着数量庞大的微生物群落，包括定居在身体或黏膜表面，如皮肤、口腔、消化道、上呼吸道和肺等的各种细菌、病毒、真菌等。这些定植微生物与机体之间相互作用，构成了人体特定的微生态环境［38］，对营养物质代谢、免疫及疾病的产生等均有极其重要的作用。研究显示，肺部微生物群落在COPD病情严重程度中起重要作用［39-40］。肺部微生物群落交互网络紊乱，如嗜血杆菌，可以严重影响微生物群落结构。此外，血清和痰生物标志物，特别是痰IL-8，与微生物群落结构和多样性高度相关［41-42］。

4 COPD与肠道微生物群落

COPD可引起肠道微生物群落发生改变，影响机体的免疫应答反应。COPD的发生和发展涉及一系列的炎症及免疫应答反应，人体肠道微生物群落在先天免疫、调节上皮细胞的发育与营养调节等生物学过程中起重要作用［43］，能够调节人体整个免疫反应，肠道微生物群落的紊乱可导致多种肠外器官疾病的发生，如哮喘、COPD等［44］。吸烟作为COPD发生的重要危险因素之一，可改变口腔微生物群落结构［45］，导致气道黏液纤毛清除功能受损和黏液栓形成，免疫系统作用于共生细菌，引起气道和肺泡的持续炎症和修复，最终导致COPD患者微生物群落构成发生变化和COPD的加重［42］。吸烟也可改变肠道微生物群落结构，导致肺免疫功能受损和炎症的发生，而免疫反应障碍以及反复发生的炎症与损伤修复（重塑）在病原体的侵袭下，导致肺功能持续下降和AECOPD 的发作［45-46］。

肺和肠道微生物群落的持续失衡，可直接或间接影响到COPD的病理变化。肠道微生物群落失衡最常表现为肠道菌群中占绝对优势的革兰阴性杆菌（G-）增多。肠道微生物群落失衡可使肠道的条件致病菌上移至口咽部或下呼吸道，从而引起下呼吸道感染。肠道微生物群落失衡，肠道G-大量增加，释放大量的肠源性内毒素和炎性递质，经循环系统输送到其他器官，引起肺脏损伤，促进COPD的发生、发展［47-49］。COPD患者长期营养不良导致肠道黏膜萎缩，大肠埃希菌易位感染，从而导致AECOPD［40-51］。

5 COPD与肺微生物群落

肺部微生物群落改变可能是患者发生AECOPD的机制之一，与肺部微生物群落的变化和呼吸道炎症水平有关。即使在病毒感染诱发的AECOPD中，痰液标本显示菌群组成向嗜血杆菌属、假单胞菌属和莫拉克斯菌属转换，而不是微生物群落多样性的降低［52］。这些研究表明，COPD患者肺部微生物群落失衡可能是疾病进展的一个特征，改善微生物群落失衡有可能改善疾病的进展。

肺部微生物群落影响COPD［38］。基于16S rDNA基因序列测序发现，COPD稳定期患者的气道定植着丰富、复杂的微生物群落［2］。COPD气道细菌微生物群落在AECOPD的变化显示出明显的异质性，与AECOPD的异质性一致，也与人类病毒合并轻度COPD受试者中的观察一致［53］。AECOPD耗竭较多的微生物群落，促进支气管微生物的构成和功能稳态，抗炎化合物生物合成的微生物即源自AECOPD丰度减少的细菌群落［54］。

6 肺部与肠道微生物群落

肠道微生物群落通过肠-肺轴的方式影响肺部免疫［55］。吸烟相关的肠道微生物群落结构变化的原因可能是肠道和免疫破坏、病原体清除受损［56-57］、胃内容物酸化［58］、摄入细菌［59］等。香烟烟雾可以直接影响细菌［60］和真菌［61］的致病力，改变已知肠道细菌的生长和胞外多糖结构，如动物双歧杆菌［62］。即使在停止吸烟之后，生态失调的变化仍将持续较长时间，因此任何恢复肠道微生物群落的治疗干预可能需要重复给药以防止复发。预防性使用特定的益生菌可能有益于COPD患者。已发现，口服乳酸杆菌改善了之前成年男性吸烟者中外周自然杀伤细胞的功能缺陷［63］；短双歧杆菌和鼠李糖乳杆菌在COPD小鼠模型中［64］改善了肺脏病理，并且在体外暴露于香烟烟雾提取物的巨噬细胞中减少了炎性反应［65］。虽然没有对吸烟对肺部或肠道微生物群落的影响进行确定的研究，但烟雾引起的肠道微生物群落改变可能会加剧COPD症状［66-67］。

7 存在问题及展望

慢性肺部疾病患者微生物群落组成的研究较多［68］，但对微生物群落组成的分析在急性肺部疾病中的探索较少。呼吸系统疾病中已发现肺部和肠道微生物群落的改变［69-70］，但两个位点的微生物群落失衡同疾病的因果关系仍待确定。环境刺激、疾病的发作导致微生物群落失衡，反过来微生物群落失衡可能刺激疾病进展。在缺乏纵向或干预性研究的前提下，很难确定肠道或肺部微生物群落的改变是否与COPD的发生、发展存在因果关系。围绕急性加重期和稳定期肠道和肺部微生物群落的变化及其关联开展研究，将有利于揭示COPD动态变化的规律，为其治疗提出新的策略。

作者贡献：李素云进行文章的构思与设计，对文章整体负责，监督管理；李亚进行研究的实施与可行性分析，负责文章的质量控制及审校；李晓俊进行文献收集、整理，撰写论文，进行论文的修订。

本文无利益冲突。

本文文献检索策略：

检索数据库：中国知网、万方数据知识服务平台、PubMed、GeenMedical；检索关键词：慢性阻塞性肺疾病，微生物群落，肠道，肺，chronic obstructive pulmonary disease，microbiota，gut，lung；检索时间：2005年1月—2019年4月。