微生物群在支气管哮喘中的研究进展

安若丽，程 丽，岳倩如综述，蒋 毅审校

0 引 言

哮喘是由多种炎症细胞以及细胞因子参与的以可变的气流受限和气道高反应性为主要特征的慢性气道炎症疾病[1]。近年来认识到哮喘是一种异质性疾病,遗传和环境因素在哮喘的发病机制中起着重要作用[2]。影响哮喘发生发展的因素包括职业、过敏原暴露、药物、肥胖、呼吸道感染等，其中反复感染导致哮喘长期控制不佳[3-4]。随着生物信息学及分子测序技术的发展为我们对微生物群对哮喘的影响提供了新的认识,呼吸道及肠道中特异的菌群可能影响宿主的免疫应答，从而形成哮喘不同的表型和内型[5]。然而微生物群调控哮喘发生发展的机制尚不清楚，深刻理解这些机制将有助于开发新的治疗方法来改善哮喘患者控制率。

研究表明，哮喘患者与正常人之间存在不同的呼吸道和肠道微生物群，某些特定种类的菌群如肠道中的脆弱拟杆菌、双歧杆菌[6]，呼吸道中的卡他莫拉菌、流感嗜血杆菌、厚皮马拉色菌等在哮喘患者中会出现丰度改变[7]，而这些菌群往往能够导致气道炎症、气道高反应性以及各种免疫细胞如Th17细胞和Th2细胞的数量和功能的变化，可见微生物群可能导致哮喘的异质性。尽管有越来越多的证据表明微生物群在哮喘中的作用，但其与临床相关性仍有待进一步研究。本文主要探讨不同微生物群在哮喘发病、表型以及疾病严重程度中的作用作一综述。

1 下呼吸道微生物群的组成与多样性与哮喘易感性

高通量16s rRNA基因测序技术的发展发现健康个体和哮喘患者的下呼吸道并非无菌，且哮喘患者细菌负担和多样性明显增加[8-11，15]。多项研究表明，从健康受试者和哮喘患者中获得的诱导痰样本发现下呼吸道主要存在5种不同的细菌门：变形杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、梭杆菌门和拟杆菌门[9,15]。无论采用支气管肺泡灌洗术、支气管镜毛刷还是诱导痰检测，哮喘患者中变形杆菌门含量较多[8-11]。Marri等[8]研究证实从成人哮喘患者获得的诱导痰样本中,厚壁菌门、放线菌门较非哮喘患者丰度较高。Hilty等[9]使用16s rRNA技术研究支气管镜样本中的细菌组成，结果表明无论成人还是儿童哮喘患者的气道中检测到的细菌组成与健康受试者不同，不规律使用糖皮质激素治疗的轻度哮喘患者发现变形杆菌的分布异常。Huang等[10]用支气管镜毛刷气道上皮发现呼吸道微生物群的组成和多样性与气道高反应性显著相关，但呼吸道微生物群落如何调控哮喘仍需进一步证实。

哮喘患者的气道微生物群发生改变，有学者认为不同严重程度的哮喘患者呼吸道微生物群也存在差异，在气道内存在特定的微生物，特别是肺炎链球菌、流感嗜血杆菌和卡他莫拉菌可能会形成局部免疫反应，从而改变气道炎症的严重程度[11,17]。Huang等[11]采用支气管肺泡灌洗术研究气道微生物群与重度哮喘患者临床特征之间的关系发现重度哮喘患者放线菌门中克雷伯杆菌含量较多，可能与FK506结合蛋白(FKBP5)气道上皮基因表达有关，细菌多样性也与FKBP5表达显著相关，而变形杆菌与哮喘控制问卷评分和痰液总白细胞计数相关，与Th2细胞因子无明显相关性。Zhang等[12]研究重度哮喘患者的诱导痰样本提示在门水平上厚壁菌门、变形杆菌门在非重度哮喘患者含量较多，这与之前Huang等[11]研究结果不一致，是否由于肺区域的差异目前尚不清楚，需要进一步将支气管镜毛刷与诱导痰取得的样本进行比较。

2 呼吸道微生物群与哮喘表型的相关性

2.1 嗜酸性粒细胞型哮喘目前已有研究证明微生物菌群失调和哮喘表型之间的关系，但机制尚不清楚。根据诱导痰中细胞比例不同将哮喘炎症表型分为嗜酸型、嗜中型、混合型以及寡细胞型。嗜酸性粒细胞型哮喘主要由TH2型介导的免疫应答，通常对激素治疗有效[2，13]。一项城市环境与儿童哮喘研究显示，1岁儿童减少接触室内环境粉尘中的厚壁菌门、拟杆菌门可能会增强特异性致敏作用，增加3岁时发生反复喘息的风险[14]。Li等[15]对重症哮喘患者的诱导痰检测研究发现与非嗜酸性粒细胞型哮喘患者相比，嗜酸性粒细胞型哮喘患者痰液中放线菌科和肠杆菌科较为丰富，而肠杆菌科与气流阻塞和鼻腔疾病有关，此外还发现痰液嗜酸性粒细胞比例与放线菌科丰度呈显著正相关，拟杆菌科的丰度与第1秒用力呼气容积占预计值的百分比(FEV1%pred)呈正相关。Simson等[7]研究发现嗜酸性粒细胞型哮喘患者诱导痰中放线菌门含量丰富，两项研究结果一致。最近一项关于中国东北部不同炎症表型哮喘患者气道微生物的横断面研究，发现双歧杆菌属在嗜酸性粒细胞型哮喘患者气道中含量低[16]，可能是由于该细菌属可抑制TH2型免疫应答以及通过产生胞外脂多糖减少嗜酸性粒细胞聚集[17]。

2.2嗜中性粒细胞型哮喘当前研究嗜中性粒细胞型哮喘与肺部菌群的相关性较多。嗜中性粒细胞型哮喘主要由TH1细胞、TH17细胞介导免疫应答，通常会导致重症哮喘，和激素治疗反应不佳有关[13]。有文献报道，不同炎症表型的重症哮喘患者通过支气管镜取得痰液样本分析表明，与嗜酸性粒细胞型哮喘相比，嗜中性粒细胞型哮喘痰液细菌多样性明显减少，属于变形杆菌门的细菌如流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌在嗜中性粒细胞型哮喘中比例丰富[18]。在另一项关于严重哮喘的研究中观察到变形杆菌的丰度与TH17相关基因在上皮的表达存在显著的相关性[11]。Simpson等[7]在控制不良的重度嗜中性粒细胞型哮喘患者的诱导痰标本中发现了流感嗜血杆菌(属于变形杆菌门)的富集，且嗜中性粒细胞型哮喘细菌多样性减少。这些研究结果均表明，变形杆菌可能通过激活IL-17介导的通路促进中性粒细胞性炎症导致哮喘的发生。嗜中性粒细胞型哮喘易发展为重症哮喘，糖皮质激素治疗效果不理想，可能是由于糖皮质激素抵抗性哮喘气道中表现为特异性革兰氏阴性菌(如副流感嗜血杆菌)的扩张,这些细菌通过P38 MAPK活化，IL-8、丝裂原激活的激酶磷酸酶-1 mRNA表达增加而刺激气道上皮细胞抑制对激素的反应[19]。

总而言之，通过利用16S rRNA技术在痰液、支气管肺泡灌洗术和肺组织研究发现哮喘患者的肺部菌群有显著变化，且肺部菌群失调与嗜酸性炎症、TH17基因表达和对类固醇激素反应性有关[11]。同时发现轻度哮喘患者中，细菌多样性与气道高反应呈负相关，而在重度哮喘患者中，细菌多样性减低与严重的气流阻塞、中性粒细胞炎症相关。

3 肠道微生物群组成与多样性与哮喘的易感性

肠道菌群建立开始于出生时，在生命早期微生物暴露并定植于肠道对肠道发育、免疫细胞成熟和抵抗病原体具有重要意义，可能预防哮喘的发生[20-22]。有研究表明，婴儿期肠道微生物多样性减低与儿童期间的哮喘表型相关，表明肠道微生物群在哮喘发病中的作用。加拿大的出生队列研究显示，从3个月婴儿采集的粪便样本中检测到的粪便细菌多样性的减少与3岁之前患哮喘的风险有关[20]。瑞典的纵向研究表明，1周和1个月婴儿的粪便样本中微生物多样性减少可增加7岁之前哮喘的发病风险[22]。在出生3月之内某些特定细菌,如毛螺菌属、韦永氏球菌属,粪杆菌属、罗氏菌属对预防哮喘起着重要作用[21]。然而在小鼠模型中表明不同年龄导致哮喘的发生与肠道菌群调节免疫球蛋白的产生相关[23]。

以上肠道菌群研究注重于儿童哮喘方面，在成人哮喘方面鲜有涉及。肠道是人体微生物最密集的区域之一，其中拟杆菌是最丰富的菌群。在健康成人中，拟杆菌属、肠杆菌属和双歧杆菌属是广泛存在的菌群[24]。有学者提出成人过敏性哮喘患者体内乳酸杆菌和大肠杆菌含量较多[25]，然而另一项研究发现长期患有过敏性哮喘导致双歧杆菌在体内富集较少[26]。最近研究报道将成人哮喘患者的肠道菌群检测发现拟杆菌门和厚壁菌门丰度增加，与吸入过敏原致敏程度、肺功能显著相关[27]。基于肠道菌群的宏基因组关联研究显示，成人哮喘患者肠道菌群缺乏多样性，某些肠道菌群代谢物短链脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFAs)参与哮喘的发病机制[28]。

4 肠道菌群代谢物参与哮喘的发病机制

现有研究已经表明SCFAs在调节免疫系统、过敏性疾病(如哮喘)中发挥重要作用[29]。SCFAs属于肠道某些特殊细菌的代谢产物，包括醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐，通过与G蛋白偶联受体结合和抑制组蛋白去乙酰化酶的产生，影响树突状细胞和T细胞免疫应答，从而促进表观遗传改变[30]。Gallacher等[31]发现SCFAs可刺激CD4+Foxp3调节细胞，减少促炎细胞因子的形成，T细胞可转为TH1的表型。但是肠道菌群失调导致SCFAs的形成过程向TH2型转变，易诱发哮喘。除此之外，通过氨基酸代谢，肠道细菌还可产生多种生物胺，同样可影响免疫和炎症反应[32]。在小鼠模型中，来源于微生物的牛磺酸、组胺和精胺通过NLRP6炎性体信号调节、上皮IL-18分泌和下游抗菌肽分泌共同影响宿主与微生物的相互作用[33]。另外，有文献报道幽门螺杆菌参与儿童哮喘发生可能通过激活丝裂原活化蛋白激酶 P38蛋白和增加IL-8的产生，而后者与中性粒细胞的募集密切相关[34]。综上所述，肠道菌群代谢物可使免疫调节紊乱，可能是支气管哮喘发生的原因之一。

5 结语与展望

哮喘是一种炎症异质性疾病，呼吸道及肠道微生物在哮喘的表型、发病机制、疾病严重程度中发挥重要作用。尽管上述很多证据表明肠道微生物群及其代谢物对儿童和成人哮喘的发生起着重要作用，但对成人哮喘的肠道菌群以及菌群与哮喘的临床特征之间的相关性研究较少，尤其是哮喘炎症表型与肠道菌群的相关性。曾报道肠道微生物群与哮喘的表型特征有关，包括气道高反应性、哮喘控制程度和气道炎症等，但其影响机制尚不完全清楚。哮喘患者肠道微生物群差异是否可能导致哮喘表型变异目前还未报道。未来需进一步研究成人哮喘患者不同炎症表型、不同疾病严重程度与肠道微生物群的相关性，并考虑其他微生物群(如真菌)。呼吸道微生物除了细菌在哮喘炎症表型中涉及外，真菌及病毒在哮喘表型、病情严重程度中仍需研究。而且，上述临床研究均属于小样本研究，未来需要扩大规模研究。虽然目前已经发现微生物群在哮喘发病中的作用，但针对微生物介导的治疗哮喘策略仍需探索，进一步为不同表型、内型哮喘患者提供个体化治疗方案。