肺部菌群与呼吸道疾病的相互关系

李宗杰 狄荻 李蓓蓓

（中国农业科学院上海兽医研究所，上海 200241）

近年来，关于肺部微生物与呼吸道感染的相互关系的研究越来越多，大量研究发现肺部微生物的相对丰度和物种多样性对于呼吸道疾病的发生和传播有重要影响［1］。由于呼吸道黏膜免疫系统具有物理屏障作用和识别清除能力，学术界曾经一度认为健康机体的肺是无菌的［2-3］。但是，随着不依赖体外培养的第二代测序技术的快速发展，在健康个体的肺组织中也发现有多种共生微生物定植［4］。

肺部菌群的形成与出生方式、饮食结构、生活环境和抗生素使用等多种因素都有密切关系，研究证实幼体肺部菌群的结构组成会影响全生命周期的健康状态［5-6］。生命早期过度使用抗生素不仅会造成肺部菌群的结构失衡，还会增加成年后患上哮喘（Asthma）和慢性阻塞性肺疾病（Chronic obstructive pulmonary disease，COPD）等呼吸道疾病的风险［7］。通过对比分析母乳喂养的仔猪和人工喂养的仔猪呼吸道微生物的结构组成，发现某些特定菌株可以通过降低仔猪的炎症细胞因子水平而影响免疫功能［8］。

由于上呼吸道和下呼吸道的微生态环境明显不同，因此在呼吸道不同部位定植的菌群结构组成也各不相同，有些细菌（如肺炎链球菌等）可能与整个呼吸道的急性感染有关［9-11］。呼吸道细菌感染经常与病毒感染同时发生或者在病毒感染之后发生，因此肺部菌群和呼吸道病毒之间存在复杂的协同作用或竞争作用［12］。通过干预生命早期肺部菌群的结构组成，进一步调节肺部免疫稳态可以成为预防呼吸道感染的新策略。

1 肺部菌群的来源和种类

下呼吸道作为机体气体交换的主要场所，经常暴露在含有不同微生物的空气环境中，因此与肺泡直接接触的环境微生物经常会随场所改变而发生变化。由于肺部免疫系统具有强大的抗菌防御能力，能够对进入肺泡的各种微生物进行有效的识别和清除，因此只有小部分适应肺部免疫系统的微生物才可以稳定定植［7］。

1.1 肺部菌群的主要来源

通过比较分析吸烟者和非吸烟者的呼吸道微生物的结构组成，发现虽然两个群体的口腔菌群的物种组成差别较大，但是肺部菌群的物种组成差别却不明显［13］。此外，通过比较研究艾滋病病毒感染者和未感染者的呼吸道菌群结构，发现两个群体的口腔菌群的结构组成差别较大，但是肺部菌群的物种组成却没有明显差别，说明不同人群的肺部菌群的物种组成相对比较稳定［14］。由于肺部菌群的物种组成与口腔菌群的物种组成有较高的相似度，但是与鼻腔菌群的物种组成却有较大的差异，因此肺部菌群可能主要来源于口腔菌群［15］。

1.2 肺部菌群的物种组成

利用16S rRNA高通量测序技术对肺部菌群进行多样性研究［16-17］，发现肺部菌群在门的分类水平物种组成主要包括变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）等，然而在属的分类水平物种组成主要包括普氏菌（Prevotella）、韦荣球菌（Veillonella）、假单胞菌（Pseudomonas）、梭杆菌（Fusobacteria）和链球菌（Streptococcus）等。肺部菌群与口腔菌群共有的细菌包括肠杆菌（Enterobacteriaceae）、嗜血杆菌（Haemophilus）、甲基杆菌（Methylobacterium）和雷尔氏菌（Ralstonia）等［13］。肺部的细菌数量明显比上呼吸道的细菌数量少，特别是普氏菌的丰度明显下降，但是变形菌门的丰度较高，可能主要与肺部的氧气利用功能和氧化还原状态有关。

2 肺部菌群对肺部免疫稳态及肺部疾病的作用与影响

肺部菌群与宿主之间的相互作用可以影响多种呼吸道疾病的发生和发展。例如，慢性阻塞性肺疾病患者的肺部菌群处于紊乱状态，其中可以发现有21.1%的口腔菌群和8.7%的鼻腔菌群［18］。肺部菌群通过作用于宿主的肺部免疫系统调节免疫稳态，维持宿主对共生菌群的免疫耐受和炎症感染之间的动态平衡［19］。

2.1 肺部菌群对肺部免疫稳态的调节作用

肺部菌群不仅可以影响呼吸道的黏膜屏障，还可以作用于天然免疫系统和适应性免疫系统以清除入侵的病原微生物。肺部菌群主要通过产生模式识别受体（Pattern recognition receptors，PRRs）诱导Treg细胞和Th17细胞的分化来维持肺部免疫平衡。当胎儿在母体子宫时，由于免疫系统尚未发育成熟，主要表现为Th2细胞主导的免疫反应；胎儿出生后的两周左右，肺部菌群的主要成员由变形菌门和厚壁菌门逐渐向拟杆菌门转变，促进天然T细胞由Th2型免疫反应逐渐向Th1型免疫反应转变，从而可以增强对哮喘和过敏性疾病的抵抗能力［20］。Yang等［21］通过对比分析正常肺组织和肺纤维化病理组织的菌群组成发现，普氏菌和拟杆菌（Bacteroides）丰度升高后可以分泌外膜囊泡（Outer membrane vesicles，OMVs）产生脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）和脂蛋白等成分，通过作用于肺泡巨噬细胞的Toll样受体（Toll like receptors，TLRs）并进一步激活下游的髓样分化因子88（Myeloid differentiation factor88，MyD88）信号通路，从而促进白介素-17B（Interleukin-17B，IL-17B）的表达。IL-17B不仅可以直接作用于肺上皮细胞，还可以通过招募中性粒细胞并促进Th17细胞分化进而引起肺纤维化［22］。Singanayagam等［23］发现慢性阻塞性肺病患者的肺部菌群紊乱与抗菌肽cathelicidin的表达量下降密切相关，而增加外源性抗菌肽可以抑制肺炎链球菌的扩张并降低肺组织中的细菌总量，表明抗菌肽可以通过改变肺部菌群结构而影响免疫稳态。

2.2 肺部菌群对肺部疾病的影响

肺部菌群不仅可以调节肺部免疫稳态，还可以进一步影响哮喘、慢性阻塞性肺疾病、特发性肺纤维化（Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）、囊肿性纤维化（Cystic fibrosis，CF）以及肺癌等多种肺部疾病的发生和发展［10，24］。由于无菌小鼠的免疫系统发育不完善，因此可以作为研究呼吸道菌群和肺部疾病的理想动物模型。将感染慢性肺炎小鼠的呼吸道菌群移植到无菌小鼠体内后发现，可以通过增加无菌小鼠的白细胞介素-17A（IL-17A）分泌而引起肺部炎症［25］。肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）和流感嗜血杆菌（Haemophilus influenzae）可以通过激活丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路引起肺部炎症反应。脂多糖攻毒造成小鼠肺部慢性炎症的同时也改变了肺部菌群的丰度和多样性，如可引起假单胞菌（Pseudomonas）和乳酸杆菌（Lactobacillus）的丰度增加以及普氏菌的丰度减少［26］。哮喘病患者的普氏菌和韦荣球菌等共生菌的丰度明显降低，而链球菌、嗜血杆菌（Haemophilus）和奈瑟氏球菌（Neisseria）等条件致病菌的丰度却明显升高。当无菌小鼠接种金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）等呼吸道共生微生物后，可以通过激活粒细胞-巨噬细胞集落刺激 因 子（Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）信号通路和Nod样受体（Nod-like receptor，NLRs）信号通路提高抗感染能力［27］。肺癌患者的肺部菌群与正常人的肺部菌群明显不同，结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）等病原菌可以通过激活Myd88信号通路产生炎症细胞因子（如 IL-1β和 IL-23），进一步刺激肺 γδ T 细胞产生IL-17等效应分子促进肿瘤细胞增殖［28-29］。此外，肺上皮细胞（Lung epithelial cells，LEC）的核因子κB（Nuclear factor kappa-B，NF-κB）信号通路激活后可以抵抗真菌感染，主要通过刺激天然淋巴细胞吞噬并杀灭皮炎芽生菌（Blastomyces dermatitidis）等肺部真菌发挥抗感染作用［30］。

3 肺部菌群与其他共生微生物的相互作用

在宿主不同部位定植的共生微生物之间也可以互相影响，主要通过菌群易位定植和产生代谢物进入血液循环等方式进行互动交流［31］。

3.1 肺部菌群与肠道菌群之间的互动交流

中医脏腑理论认为“大肠主肺，肺与大肠相表里”，现代医学研究也发现慢性肺病的患者通常也会伴随出现恶性肠梗阻和炎症性肠病等症状，说明肺部菌群与肠道菌群之间可能存在互动交流。肠道中的分节丝状细菌（Segmented filamentous bacteria，SFB）、双歧杆菌（Bifidobacterium）和拟杆菌可以通过诱导宿主产生Th17细胞和分泌性免疫球蛋白A（Secretory immunoglobulin A，sIgA）降低肺炎链球菌引起的肺部感染［32］。肠道菌群产生的脂多糖可通过与Toll样受体（TLRs）和Nod样受体（Nod-like receptor，NLRs）结合影响肺部对流感病毒肺的免疫反应，而使用抗生素处理过的无菌小鼠则失去了这种反应能力［33］。肠道菌群中的一些成员还可以通过产生短链脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFAs）和五羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）等代谢产物调节肺部免疫稳态。肠道内由白细胞介素-25（Interleukin-25，IL-25）诱导产生的天然淋巴细胞（Innate lymphoid cells，ILC）可以迁移至肺部并引起组织损伤，从而导致哮喘和慢性阻塞性肺疾病等慢性肺病［34］。因此，肺部菌群和肠道菌群对话交流构成了肺和肠道功能联系的桥梁［35］。

3.2 肺部菌群与呼吸道病毒的相互作用

肺部菌群与呼吸道病毒可以在多个层次上发生相互作用。一方面，肺部菌群及其产生的代谢产物可以促进呼吸道病毒增殖并增强其感染能力。囊肿性纤维化患者在感染病原性铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）之后，经常容易感染呼吸道合胞病毒（Respiratory syncytial virus，RSV），流感病毒（Influenza virus）、副流感病毒（Parainfluenza virus）、鼻病毒（Rhinovirus）和腺病毒（Adenovirus）等［36］。另一方面，呼吸道病毒也可以通过损伤宿主黏膜屏障、影响免疫功能引起继发性细菌感染，并引起肺部菌群的丰度和多样性发生变化［37］。猪繁殖与呼吸综合征病毒（Porcine reproductive and respiratory syndrome，PRRS） 和 猪 圆 环 病 毒 2型（Porcine circovirus-2，PCV-2）共感染可以引起共生菌群的丰度和多样性均发生变化［18］。另外，共生菌群可以通过驱动肺间质细胞抑制流感病毒的早期复制，主要是通过增加I型干扰素受体（Type I interferons receptor，IFNAR1）表达量和提升基础干扰素信号发挥抗病毒作用38］。

4 结语

肺部菌群对呼吸道免疫稳态有重要的调节作用，肺部菌群的结构失衡与多种肺部疾病都有密切关系。因此，研究肺部菌群与宿主之间的相互作用对于预防和治疗呼吸道感染有重要意义［39］。益生菌在预防呼吸道感染和降低感染症状方面有巨大的应用潜力，在健康个体的肺部菌群培养得到的某些特定菌株经鼻腔接种后对哮喘和过敏性疾病有改善作用，说明在生命早期对呼吸道菌群进行干预可影响肺部疾病的发生和发展［40］。此外，通过给严重哮喘的小鼠模型口服短双歧杆菌（MRx0004）可以显著降低肺泡灌洗液的中性粒细胞和嗜酸性粒细胞的浸润，感染甲型流感病毒的小鼠口服乳酸杆菌（SBT2055）后可通过诱导IgA的产生提高存活率［41］。由于不同的益生菌菌株定植能力的差异，在体内发挥的作用也不尽相同。因此，使用包含多种益生菌的复合制剂干预肺部菌群备受青睐，粪菌移植（Fecal microbiota transplantation，FMT）干预可以降低感染肺炎链球菌的小鼠的死亡率，说明粪菌移植技术有望成为预防呼吸道感染的新策略［42］。