肠道菌群与肺部疾病相关性研究进展

李文龙 李慧君 张丰泉 姜静 张贵成 吴卫东

新乡医学院公共卫生学院河南省空气污染健康效应与干预国际联合实验室（新乡453003）

肠道菌群是人体肠道内长期存在的微生物群落，正常的肠道微生物群在宿主营养代谢、药物代谢、维持肠道黏膜屏障结构完整性、免疫调节和抵御病原体等方面发挥着特殊功能［1-2］。随着高通量测序技术的发展，越来越多的研究发现肠道菌群在疾病的炎症、代谢和免疫调节过程中发挥着重要作用，因而提出了“肠-肝”轴［3］和“肠-脑”轴等［4］概念。与此同时，相当长的一段时间以来，健康人的肺部被认为是无菌的，但随着高通量测序技术在分子生物学中的大量应用，越来越多的研究报道了肺组织中检测出微生物的证据［5-6］。肺部和肠道作为与外界直接相通的空腔脏器，均存在各自的微生物群落，且有着共同的胚胎起源和黏膜免疫系统，相关研究表明肺部和肠道之间存在“肠-肺”轴的内在联系［7-8］，慢性肺疾病患者的肠道菌群特征、表观遗传、免疫信号传递和益生菌治疗已经成为近年来的研究热点。本文主要就肠道菌群与肺部疾病的相关性进展进行综述。

1 肠道菌群与肠肺轴

“肠-肺”轴是肠道与肺部相互联系的桥梁，双向调控，主要包括两方面内容：（1）肠道微生态的失衡影响肺部疾病的发生发展，主要表现在肠道菌群细菌丰度和多样性的改变，以免疫系统为媒介，通过调节免疫应答、改变T 淋巴细胞亚群的活性和一些免疫细胞的募集、迁移等方面调节机体的免疫反应［9］；HUANG 等［10］研究发现，Ⅱ型先天淋巴细胞（ILC2s）在炎症信号的反应过程中可从肠道进入肺和其他器官，从而影响效应位点的免疫反应。ILC2s 参与“II 型免疫”，通常被白细胞介素-25（IL-25）和IL-33 激活，产生大量的IL-5 和IL-13，当IL-25 诱导或微生物感染作为炎症信号时，富集于小肠的ILC2s 以1-磷酸鞘氨醇（S1P）依赖的方式打开通向淋巴管的通路。被激活的来源于小肠的ILC2s 也被称作炎性ILC2s（iILC2s），iILC2s从淋巴管进入血管进而迁移至肺部，参与肺部的“Ⅱ型免疫”和组织修复。BRADLEY 等［11］利用自身免疫关节炎模型，发现肠道微生物群中的分节丝状细菌（SFB）可以远距离刺激肺部病理，通过“肠-肺”轴诱导Th17 加剧自身免疫，同时SFB 并不依赖于分子模拟或旁路激活途径来诱导Th17。在外周组织中，SFB 选择性扩增表达Th17 的双T细胞受体（TCR），识别SFB表位和自身抗原，从而增强自身免疫。（2）流行病学证据表明，慢性肺部疾病患者也多伴有胃肠道疾病，某些肺部疾病的发生发展同样会影响胃肠道疾病［12-13］。WANG 等［14］发现，呼吸道流感感染在肺损伤时会引起肠损伤，而不是直接由肠道病毒感染引起的。流感感染改变了肠道微生物群的组成，由肺源性CCR9+CD4+T 细胞进入小肠产生的IFN-γ 介导。PR8 流感病毒株感染后，小肠TH17 细胞显著增加，IL-17a 中和抗体可减少小肠损伤。此外，肠道微生物群的改变能显著刺激肠上皮细胞产生IL-15，进而促进原位小肠中Th17 细胞的极化。由此可见，“肠-肺”轴作为肠道与肺部联系的关键性通路，在二者疾病间的相互影响中扮演着重要角色。

2 肠道菌群与肺部疾病

2.1 肠道菌群与哮喘哮喘是儿童最常见的慢性气道疾病，早期的“卫生学假说”认为［15］，生命早期微生物的暴露能够刺激免疫系统发育，减少过敏性哮喘的发生。现有证据表明［16-17］，在小鼠和人类的早期生活中存在一个“关键窗口期”，在这个窗口期中，肠道微生态失调的影响对人类免疫发育的影响最大。相关研究表明剖腹产可减少生命早期肠道菌群的多样性，改变肠道菌群的组成［18］，与此同时，剖腹产还会增加儿童患哮喘的风险［19］。ARRIETA 等［20］基于纵向研究方法比较了319 名加拿大健康婴儿的肠道微生物群，发现有哮喘风险的婴儿在出生后100 d 内表现出短暂的肠道微生态失调。哮喘患儿Lachnospira、Veillonella、Faecalibacterium、Rothia 等菌属相对丰度明显降低，这种细菌菌群的减少伴发粪便醋酸盐水平的降低。将以上这四种细菌类群移植至无菌小鼠肠道，改善了其成年子代气道炎症，证明了这些细菌类群在避免哮喘发生中的重要作用。THORBURN 等［21］通过饮食干预的动物实验发现，高纤维饮食喂养小鼠会产生特异肠道微生物群，增加短链脂肪酸（SCFAs）醋酸盐的水平。高纤维或醋酸盐喂养可通过增强调节性T 细胞数量和功能来抑制过敏性气道疾病（AAD），在表观遗传方面，高纤维/醋酸盐喂养怀孕小鼠其后代成年后不出现AAD，但抑制小鼠幼胎肺中与人类哮喘和小鼠AAD 相关的基因的表达。由此可见，肠道菌群在生命活动早期即对哮喘的发生有一定的影响，甚至影响表观遗传学特征。

2.2 肠道菌群与肺部感染微生物侵袭是肺部感染最常见的原因，肺部作为气体交换的场所，与外界直接相通，不断暴露在外环境刺激之下，当微生物的数量或类群超过了肺部免疫防御“阈值”，则引起肺部感染的发生。SCHUIJT 等［22］研究了肠道菌群在宿主防御肺炎链球菌感染中的作用后发现，肠道菌群在肺炎链球菌所致肺炎期间对宿主有保护作用，与对照组相比，清除了肠道微生物的小鼠的细菌传播、炎症、器官损伤和死亡率均增加。为清除肠道微生物的小鼠进行粪便移植实验（FMT）后发现，肺炎球菌感染6 h 后，小鼠肺部细菌计数、肿瘤坏死因子-α 和IL-10 水平恢复正常。肺泡巨噬细胞全基因组图谱显示，在缺乏健康肠道菌群的情况下，代谢途径上调，这种上调与细胞反应性改变有关，表现为对脂多糖和脂磷壁酸的反应性降低。与对照组相比，肠道微生物缺失小鼠肺泡巨噬细胞吞噬肺炎链球菌的能力降低，证实了肠道菌群是肺炎链球菌性肺炎的保护性因素。TSAY 等［23］发现经抗生素预处理清除肠道共生菌后，在C3H/HeN 小鼠中，大肠杆菌肺炎引起肺过氧化物酶（MPO）活性下降30%，肺泡巨噬细胞的杀菌活性和细菌计数显著下降，而在Toll样受体4（TLR4）缺陷的C3H/HeJ 小鼠中则无此现象。在抗生素预处理期间添加脂多糖（LPS，一种TLR4 的配体）可抵抗上述影响，减少大肠杆菌肺炎所致C3H/HeN 小鼠死亡。此外，清除肠道菌群可抑制C3H/HeN 小鼠肺内NF-κB 与DNA 结合活性，使角化细胞趋化因子（KC）、巨噬细胞炎性蛋白-2（MIP-2）、IL-1β 表达升高，加重炎症反应。以上研究结果表明，肠道菌群可以提高对肺部感染细菌的清除能力。

2.3 肠道菌群与慢性阻塞性肺疾病（COPD）COPD是慢性感染和炎症导致肺损害和功能丧失的疾病，COPD 的急性加重与肺部微生态的失衡有关，肺微生物群的丰度、组成、分类和系统发育多样性发生变化导致炎症反应发生［24］。“恶性循环”假说［25］认为吸烟或微生物暴露等吸入性损伤引起的肺固有防御的改变，使致病菌持续增殖。WANG等［26］发现肺部微生物组的变化可能通过介导宿主炎症反应，参与COPD 的加重。OTTIGER 等［27］研究发现，肠道微生物依赖的三甲胺-N-氧化物（TMAO）与COPD 加重患者的长期全因病死率相关，6年后的全因病死率为55.6%。然而，截至目前，COPD 患者的胃肠道菌群特征尚不明确。有证据表明，暴露于香烟烟雾会导致人体和小鼠的肠道细菌失调。与非吸烟的克罗恩病患者相比，吸烟患者肠道微生物基因丰富度、属和物种多样性均有所降低，其中Collinsella、Enterorhabdus、Gordonibacter 和Faecalibacterium prausnitzii 相对丰度较低［28］。此外，据报道，吸烟者的肠道微生物群组成发生了重大变化，这种变化在戒烟后减少，与持续吸烟者和非吸烟者相比，非吸烟者的肠道总体微生物多样性显著增加，厚壁菌门和放线菌门增加，拟杆菌门和变形菌门的比例较低［29］。长期（24周以上）暴露于香烟烟雾的小鼠中结肠细菌失调，Lachnospiraceae 增加［30］。

2.4 肠道菌群与肺癌2018年全球癌症报告［31］显示，肺癌的发病率和死亡率居于全球首位，占癌症死亡总人数的近五分之一。近来研究显示，肠道菌群会影响肿瘤免疫治疗［32］。VÉTIZOU 等［33］报道肠道微生物群可以通过细胞毒T 淋巴细胞相关抗原4（CTLA-4）减弱癌症免疫治疗效果。在无菌或抗生素处理的小鼠中，anti-CTLA-4 抗体不能控制肿瘤生长，反而导致脾脏效应因子CD4+T 细胞和肿瘤浸润淋巴细胞的活性降低。CTLA-4 阻断使粪便中拟杆菌门和伯克氏杆菌门水平降低，梭菌门水平增加。同样，SIVAN 等［34］的研究表明，口服双歧杆菌可增强黑素瘤小鼠模型中抗程序化死亡配体-1（PD-L1）肿瘤应答，促进抗肿瘤免疫。另一方面，ROUTY 等［35］研究发现，肠道微生物群组成异常是导致免疫检查点抑制剂（ICIs）耐药的主要原因，抗生素抑制了晚期肺癌患者ICIs 的临床疗效。此项研究共纳入249 例患者，其中晚期非小细胞肺癌（NSCLC）140 例，肾细胞癌（RCC）67例，泌尿上皮癌42 人。其中，抗生素处理组的癌症患者无进展生存期（PFS）和总生存期（OS）较对照组明显缩短，在考虑了肿瘤类型的情况下结果未发生改变。单变量和多变量Cox 回归分析结果显示，在NSCLC 和RCC 患者中，抗生素可作为ICIs抵抗的独立预测因素。粪便样本宏基因组分析提示，ICIs 的临床效应与Akkermansia muciniphila 的相对丰度有相关性。动物实验表明，将ICIs 无应答小鼠的粪便进行移植后，口服补充Akkermansia muciniphila 可以通过增加CCR9+CXCR3+CD4+T 淋巴细胞在小鼠肿瘤灶的募集，以IL-12 依赖的方式恢复对PD-1 阻断的疗效。DEROSA 等［36］的人群研究同样发现，NSCLC 患者ICIs 的临床活性与抗生素呈负相关。此外，KATAYAMA 等［37］回顾性研究了40 例晚期NSCLC 患者接受ICIs 治疗的资料发现，粪便异常的NSCLC 患者的疾病控制率低于无粪便异常的NSCLC 患者。与无粪便异常的NSCLC患者相比，粪便异常的NSCLC 患者ICIs 治疗失败率更高。这些研究均说明肠道菌群与肺癌治疗效果密切相关，使用抗生素会导致肠道微生态失衡进而降低ICIs 疗效。

3 肠道菌群的作用机制

3.1 G 蛋白偶联受体（GPCRs）激活GPCRs 是一大类膜蛋白受体，这些受体可以感知多种信号分子，与多种配体结合，激活细胞内一系列传导通路，具有重要的生理功能。研究发现，G 蛋白偶联受体GPR41、GPR43、GPR109A 可被短链脂肪酸（SCFAs）激活，参与机体免疫应答［38］。SCFAs 是肠道菌群与膳食纤维的发酵产物，可以调节免疫功能，预防过敏性气道炎症的发生［39］，这些分子通过抑制组蛋白脱乙酰酶活性发挥抗炎特性［40］，还能诱导调节性T 细胞［41］、前列腺素E2 产生［42］及改变树突状细胞功能，在多种环境下发挥抗炎作用。MACIA 等［43］研究发现，SCFAs 可与代谢敏感受体GPR43 和GPR109A 结合，通过调节炎性小体促进膳食纤维诱导的肠道稳态。MIRKOVIC 等［44］的研究表明，SCFAs 刺激囊性纤维化（CF）患者的支气管上皮细胞产生过量的IL-8，SCFA 受体GPR41 在CF 患者上皮细胞中过度表达，通过小干扰RNA（SiRNA）阻断其信号通路，抑制CF 气道细胞IL-8的产生，参与微生物介导的炎症反应。

3.2 TLRs 介导TLRs 是一类在先天免疫系统中发挥重要作用并参与炎症过程的蛋白。TLR 信号转导通路的激活可使许多在宿主防御中起作用的基因表达，包括炎症细胞因子、趋化因子和抗原呈递分子［45］。有研究［46］表明，在高脂肪饮食条件下，肠道微生物群可通过TLR 信号（主要是TLR2 和TLR4）加重炎症和代谢。给小鼠喂食富含饱和脂肪的食物会导致体重增加、食物摄入量增加、呼吸商降低，并增加Bacteroides，Turicibacter和Bilophila的丰度。而喂食富含多不饱和脂肪的饮食，则可增加Bifidobacteriumadlercreutzia、Lactobacillus、Streptococcus、Akkermansia mucinila 的水平。同时，ROUND 等［47］证明了肠道共生菌Bacteroides fragilis可以激活TLR 通路来建立宿主-微生物共生关系，Bacteroides fragilis 的共生因子（PSA，多糖A）可通过TLR2 信号直接作用于Foxp3+调节性T 细胞，促进免疫耐受。FAGUNDES 等研究［48］也显示，肠道微生物可通过激活TLR 依赖的途径改变宿主对环境感染刺激的反应。

3.3 NOD 样受体（NLRs）识别NLRs 是一种模式识别受体，类似于TLRs，属于细胞质受体，可识别病原体相关分子模式（PAMPs）和损伤相关分子模式（DAMPs），激活的NLRs 具有炎症小体形成、信号转导、转录激活和自噬四大类功能，在先天免疫应答中发挥重要作用［49］。CLARKE 等［50］发现，清除肠道微生物群后，肺炎克雷伯菌的早期清除率受损，可以通过源自胃肠道的NLRs 配体（主要是NOD1 和NOD2 配体）识别病原体分子来增强肺泡巨噬细胞活性，挽救肺部防御。此外，NOD2 表达依赖于肠道共生菌，为无菌小鼠补充共生菌可诱导NOD2 表达增加［51］，NOD2 缺失会导致促炎细胞因子生成增多，从而加重上皮细胞发育不良，这种情况可以通过使用抗生素或抗IL-6 受体中和抗体来改善［52］。

4 结论与展望

肠道菌群与肺部微生物群、肠道与肺部相互作用关系正在被揭示，面对我国严峻的大气污染形势，呼吸系统的暴露首当其冲，以COPD、哮喘为代表的慢性肺部疾病负担日益加重，疾病防控形势不容乐观，已经成为我国重大的公共卫生问题，肠道菌群研究有望为慢性呼吸系统疾病带来新的治疗契机。然而在此之前，哮喘与肠道菌群的相关研究已经被广泛报道，但关于COPD 与肠道菌群的相关研究却依然欠缺，COPD 作为比哮喘更为严重的慢性肺部疾病，正亟待我们进一步研究。