肠道菌群与慢性阻塞性肺疾病的相关性

吴劼，李宏云

(郑州大学第五附属医院 呼吸与危重症医学科，河南 郑州 450000)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一种进行性且基本上不可逆的呼吸系统疾病。这种疾病是由气道和肺实质的慢性炎症反应引起的[1]。吸烟是COPD发展的一个独立危险因素，然而，其他因素如慢性哮喘、低体重儿、儿童呼吸道感染、肺结核、选择性粉尘暴露等也与COPD的发展密切相关。据估计影响全球4%～5%的人口，每年造成290万人死亡[2]。COPD的发病机制目前尚不清楚，临床普遍认为其与炎症、氧化应激、蛋白酶/抗蛋白酶失衡和免疫力下降等有关。这些发病机制导致气道重塑、支气管黏膜上皮黏液化生和气道阻塞。然而，随着测序技术的进步，越来越多的研究表明肠道菌群与COPD之间存在密切关系。本文就肠道菌群与COPD的关系进行综述。

1 肠道菌群失调与COPD的关系

1.1 肠道菌群简介肠道中有数万亿种微生物，是人体微生物定植最密集的部位，每个微生物群都根据pH梯度和氧浓度分布在肠道的不同部位[3]。普通成年人的肠道微生物群包括厚壁菌门(如乳杆菌、梭状芽孢杆菌和芽孢杆菌)、拟杆菌门(如拟杆菌)，以及较低浓度的放线菌门(如双歧杆菌)和变形菌门(如大肠杆菌)细菌。这些肠道菌群与人类宿主存在着互惠关系。肠道为微生物群提供一个营养丰富的居所，宿主受益于微生物群的活动而消化能力增强[4]。肠道菌群还广泛参与人体免疫反应、解毒、新陈代谢、能量产生和化合物的合成等。这种微生物群-宿主的相互作用受到人体严格监管，且直接参与免疫系统的形成、免疫反应的启动及感染的控制[5-6]。肠道微生物群通过调节胃肠道系统和远端器官的免疫反应，协助维持身体稳态。

1.2 COPD患者肠道菌群变化COPD的发生伴随着肠道菌群平衡的打破。Bowerman等[7]发现COPD患者与健康对照组的粪便微生物组和代谢组存在一定差异，COPD患者肠道中链球菌(如副血链球菌、B链球菌和唾液链球菌)水平较正常人高，其可能是COPD组和健康组关键的鉴别因素。另外，链球菌sp000187445、前庭链球菌和毛螺菌科的多种细菌与肺功能减退紧密相关。邓素敏等[8]在临床研究中发现，COPD患者乳杆菌、双歧杆菌水平较低，屎肠球菌及粪肠球菌水平较高，且乳杆菌、双歧杆菌水平与肺功能呈正相关性，屎肠球菌及粪肠球菌水平与肺功能呈负相关。在动物实验中，长期接触环境颗粒物的大鼠表现出COPD特有的肺部炎症和病理变化，且微生物丰度降低，微生物群组分改变，短链脂肪酸水平降低，血清脂多糖水平升高[9]。通过进一步探究肠道菌群在COPD不同发展时期的变化情况，研究者们发现COPD的进展常常也伴随着肠道菌群的改变。病毒性和细菌性呼吸道感染通常是COPD急性加重的诱因，这些感染也常常导致肠道微生物群失调[10]。体质量减轻通常提示COPD病情已进展至晚期，可间接反映肠道微生物群与COPD之间的关联。肠道菌群代谢物氧化三甲胺水平的升高与COPD患者的病死率呈正相关[11]。慢性气道炎症是COPD发病的主要机制之一，其通常归因于吸入香烟烟雾引起的持续性急性炎症，吸烟同样会改变肠道菌群的组成。吸烟可导致变形菌门和拟杆菌门细菌水平升高，梭状芽孢杆菌属、拟杆菌属和普雷沃菌属细菌水平升高，放线菌门、厚壁菌门、双歧杆菌属、乳球菌属细菌水平降低。吸烟也会降低肠道菌群的多样性，戒烟后，肠道菌群组成可发生实质性改变，主要是厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门细菌水平降低[12-13]。这些关于COPD患者和正常健康者之间肠道菌群对比分析的研究，提示COPD的发生伴随着肠道菌群多样性及成分数量的改变，这些改变可能与COPD的发生发展密切相关，并成为诊断和治疗COPD的新方向。

1.3 肠道菌群的改变影响COPD的发生发展肠道功能紊乱的常见原因是幽门螺杆菌感染。一项包括5 941例新诊断为幽门螺杆菌的成人回顾性队列研究发现，与非幽门螺杆菌患者相比，校正年龄、性别和合并症后的幽门螺杆菌队列COPD的患病率更高[14]。有研究使用免疫分析来确定4 765例轻度至中度COPD患者的血清样本中的幽门螺杆菌IgG抗体滴度，发现幽门螺杆菌感染与COPD患者的肺功能下降以及后来的全身炎症和心血管死亡风险增加有关[15]。这也进一步表明该细菌对肺部生长有负面影响。除此之外，炎症性肠病患者肠道上皮屏障的完整性被破坏，微生物生态失调，患者死于COPD的风险也升高[16]。还有研究将COPD小鼠粪便移植入健康小鼠后，受体小鼠表现出更强的肺部炎症反应[17]。小鼠同时接受粪便移植并暴露于生物质燃料烟雾时，肺功能迅速下降，出现严重的肺气肿、气道重塑，黏液分泌过多[17]。这些证据表明，肠道菌群紊乱时COPD的发病率更高，且肠道菌群紊乱与COPD的恶化有关。

2 肠道菌群失调与COPD发生的可能机制

2.1 肠肺轴在胚胎发育过程中肺、气管和大肠有着共同的起源，肺泡、腺体和黏膜上皮都从肠内皮发育而来。在这种情况下，现代医学提出了肺肠轴的概念。该理论利用免疫系统和在肺部和肠道中定居的微生物群作为连接枢纽，形成连接肺和肠道的双向轴[18]。换句话说，肠道菌群影响肺病的发展，反过来，肺病，特别是由各种细菌引起的传染病，也可以通过免疫调节影响消化道。其可能的机制包括产生宿主可获得的代谢物、黏膜屏障的穿透细菌和/或毒素，调节造血或循环激素和细胞因子，直接刺激迁移的免疫细胞等。

2.2 黏膜屏障破坏为了进一步了解COPD患者的肠道情况，Kirschner等[19]对21例临床稳定的中度至重度COPD患者和健康对照组人员进行糖渗透性测试，对小肠黏膜完整性和主动载体介导的葡萄糖运输进行量化，发现肠道功能障碍存在于COPD中，随着疾病的发展而恶化，并间接影响生活质量。在COPD大鼠模型中，同样观察到肠黏膜屏障的结构和功能失调变化。这可能是肠道菌群失衡的直接原因。同样，上述提及的香烟烟雾作为COPD的重要因素之一，增加了小鼠的结肠缺氧和氧化应激。黏膜相关氧化应激敏感细菌通常有益，并促进免疫耐受性，而抗氧细菌促进炎症[20]。因此，结肠组织中氧化应激和缺氧的平衡可能会通过调节肠黏膜表面的微生物群导致COPD的胃肠道紊乱。这也是COPD患者常常出现胃肠道症状的可能原因。肺与肠道相互作用关系见图1。

2.3 免疫因素肠道菌群在调节机体适应性免疫稳态中起到重要作用。T细胞介导的适应性免疫也与气道炎症密切相关。在过去10余年中，临床和实验研究的证据表明Th17细胞在促进和维持COPD的炎症过程方面的重要性，Th17细胞的特点是释放白细胞介素-17A(interleukin-17A，IL-17A)、IL-17F和IL-22，这与COPD进展和肺泡破坏的加剧有关。方骞等[21]对90例急性支气管炎儿童的肠道菌群和细胞因子等进行测定后发现肠道菌群失调可能是造成Th17/Treg细胞失调的罪魁祸首，并与疾病的发生发展密切相关。另外，肠道菌群通过支持黏膜免疫，在降低肺部炎症的风险方面有很重要的作用[22]。例如金芽孢杆菌菌群通过分泌脂多糖减少肠道炎症，增强结肠细胞线粒体和核糖体活性，系统恢复血清中异常宿主氨基酸代谢以及抑制肺部炎症，是COPD的重要改善机制[23]。

图1 肺与肠道相互作用关系示意图

2.4 短链脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)SCFA是肠道细菌发酵产生的代谢物，将宿主营养与肠道菌稳态维持联系起来。SCFA有助于维持肺部免疫代谢，除了抗炎作用外，丁酸盐和丙酸盐的保护作用可能包括通过增加ZO-1致密接触蛋白的表达来恢复和维护受损气道上皮的屏障功能。鉴于呼吸道上皮屏障功能障碍的发展以及吸烟和COPD中紧密的细胞接触受损，这似乎很重要。另外，肺气肿是COPD的一个重要临床表型，SCFA在稳定肺泡细胞及内皮屏障等方面重要作用[24]。在COPD患者粪便中的SCFA水平低于其他组的粪便；香烟雾暴露降低了大鼠盲肠中抗炎性SCFA水平，并诱导了肠道轻度结肠炎样变化。因此，低水平的SCFA可能参与COPD的发生，肠道微生物群产生SCFA可能是预防肺气肿的可能机制之一。

2.5 核苷酸结合寡聚结构域样受体家族吡啶结构域蛋白(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎症体NLRP3炎症体是先天免疫的关键调节剂。NLRP3炎症体促进炎症细胞的招募，并调节胃肠道和肺部的免疫反应。肠道菌群会影响NLRP3炎症体的功能；此外，炎症体也可能通过细菌和模式识别受体之间的相互作用激活，在不同严重程度的COPD中改变炎症体反应[25]。NLRP3炎症体的激活介导caspase-1的激活和促炎症细胞因子的分泌，如IL-1b/IL-18，事实证明，这个过程与COPD气道炎症的发展有联系；在外周血单核细胞和支气管组织中，与吸烟者相比，COPD中NLRP3、Caspase-1、IL-18和IL-1bmRNA水平升高；然而，在稳定阶段的COPD患者中，这些mRNA水平有所下降[26]。这些均表明NLRP3炎症体与COPD有着密切关联。

3 通过改善肠道菌群治疗COPD

目前治疗COPD的药物主要有抗生素、支气管扩张剂等，其虽能改善患者症状和病情，却无法根除。COPD的治疗现仍处于被动控制和缓解的阶段。肠道菌群在疾病中的角色逐渐走入人们的视线。改变肠道菌群或将成为预防和治疗COPD的新策略。多项研究表明调节肠道菌群在COPD的治疗中具有肯定的效果。

3.1 膳食纤维膳食纤维已被证明可以决定肠道菌群的组成，其对免疫反应和代谢功能的调节具有多系统效应。膳食纤维匮乏的肠道微生物群使用宿主分泌的黏液糖蛋白作为营养来源会降解结肠黏液屏障并增强病原体敏感性。一项针对35 339名瑞典女性的前瞻性队列研究发现，长期(10 a)的高纤维摄入量将COPD的患病风险降低了30%；在一项有关吸烟男性膳食纤维摄入量的问卷调查中也得到了类似的结果[27-28]。增加膳食纤维摄入量还与改善一般人群的肺功能和降低发生COPD的风险相关。增加高可溶性纤维的蔬菜摄入量，可以改善COPD症状，如呼吸困难，以及降低患COPD的风险[29-30]。这些研究都解释了 “谨慎”饮食对肺功能和COPD的影响。最近的一项基于这些发现的研究表明，高纤维饮食通过增强从祖细胞中产生的Ly6c(-)巡逻单核细胞来预防流感，这导致肺中选择性巨噬细胞增加，抑制中性粒细胞招募，同时增强流感特异性CD8+T细胞反应，类似的机制可能与高纤维饮食在COPD中产生的保护有关，其中中性粒细胞在COPD的发生发展中扮演了重要的角色[31]。COPD患者接种流感疫苗的反应较差，饮食调节可能是改善这类易感人群疫苗接种结果的一种机制[32]。总之，对肠道微生物群的调节作用较高纤维饮食可能对COPD患者有益，然而还需要进一步地研究来确定这种策略的有效性。

3.2 维生素D众所周知，维生素D在骨骼健康和钙稳态之中具有重要的生理作用，越来越多的证据表明，它在预防和/或治疗各种疾病方面发挥着有益的作用。已知维生素D对免疫功能的影响与呼吸健康的关系，它能抑制肺部炎症反应，同时增强对呼吸道病原体的先天防御机制[33]。维生素D和微生物组成之间也存在显著关联。在一项对健康个体的横断面研究中，维生素D的摄入量与普氏菌属的丰度呈负相关，并与拟杆菌门呈正相关，维生素D摄入量较高的健康人粪便富含普氏菌属，而嗜血杆菌变形菌门和韦荣球菌属均有下降[34]。人体维生素D缺乏的特点是维生素D补充减少、缺乏阳光照射和维生素D吸收不良，所有这些都导致COPD症状的发展。维生素D缺乏症在COPD患者非常普遍，并与维生素D结合基因的变异相关，通过提高维生素D摄入量有利于提高COPD患者肺功能[35]，改善COPD患者的生活质量。通过维生素D治疗还可以降低严重缺乏维生素的COPD患者的恶化率[36]。在动物实验中也用同样发现给小鼠喂食维生素D的研究表明，维生素D减少了呼吸道病原菌的丰富程度，如假单胞菌，并增加了小鼠肺部β-防御素-2的分泌[37]，改善了小鼠肺部炎症。目前，长效β2受体激动剂、吸入皮质类固醇、茶碱等是最常用的治疗COPD患者的药物。这些药物的主要功能机制是消除炎症，扩张支气管以降低气道阻力。维生素D的摄入有利于预防气道和全身性炎症疾病，并提高这些药物的血液水平，提高疗效[2,38-39]。因此，对缺乏维生素D的COPD患者给予维生素D治疗可能是减少疾病恶化、改善疾病预后的有用和有效的方法。

3.3 益生菌乳杆菌等细菌与人体胃肠道健康密切相关，这些细菌的发酵产物可以抑制肠道病原体产生的毒素，并促进宿主细胞的健康。实验发现，发酵浆果可以调节双歧杆菌、乳杆菌和阿克曼菌的数量，调控促炎细胞因子来缓解肠道炎症症状；发酵大豆产品通过减少自由基产生、抑制核因子kappa B信号传导、抑制环氧合酶-2和诱导一氧化氮合酶同样表现出抗炎活性[40-41]。Wastyk等[42]的人类随机前瞻性研究中也同样发现发酵食品可以增加微生物群多样性，减少炎症标志物。直接补充有益菌也能起到类似的作用。例如，在COPD小鼠胃内补充鼠李糖乳杆菌和短双歧杆菌可以缓解气道炎症和肺泡损伤，抑制暴露于香烟烟雾中的人类巨噬细胞中一些重要的促炎症介质的表达和释放[43]。这些发现表明，益生菌补充剂可以在对抗肠道炎症方面发挥作用，可以预防或减轻COPD等肺部疾病的恶化。

3.4 粪便菌群移植(fecal microbiota transplantation，FMT)与肠道菌群FMT是一种直接改变受体肠道微生物群的方法，以使其成分正常化并获得治疗效果。FMT的应用范围不仅在胃肠道疾病中，而且在胃肠外疾病中迅速而广泛地扩展。在硫酸右旋糖酐酯钠诱导的溃疡性结肠炎小鼠模型中，FMT干预通过增加厚壁菌门的相对丰度和减少细菌和蛋白质杆菌的丰度，将肠道微生物群恢复到对照组的模式，降低了疾病活动指数的水平，并增加了实验动物的体质量、结肠重量和结肠长度。它还缓解了组织病理学变化，降低了结肠的关键细胞因子表达和氧化状态[44]。在帕金森小鼠模型中，FMT治疗显著恢复小鼠的胃肠功能障碍和运动缺陷，缓解了肠道炎症和屏障破坏，从而降低了全身炎症水平，减轻了血脑屏障损伤并抑制神经炎症，并减少多巴胺能神经元的损伤[45]。通过与肠易激综合征患者相比，将健康捐赠者的粪便微生物群移植到肠易激综合征体内后，发现在接受FMT的组中，肠道细菌概况也发生了显著变化，患者的症状有所缓解，疲劳感和生活质量都有了显著改善[46]。在治疗香烟烟雾COPD小鼠的研究中，通过进行微生物移植FMT，发现肺气肿的严重程度得到明显改善[47]。然而，当前有关FMT对疾病的治疗作用大部分还并不透彻，对有关FMT对COPD疗效的研究更少，但是通过上述研究猜测FMT可能也将成为COPD治疗的新策略。

4 小结

现有证据表明，肠道和肺之间，以及肠道微生物群和宿主免疫之间存在着重要而复杂的串扰。微生物生态失调在COPD的发生发展中起着重要作用，影响肠道和呼吸道上皮屏障，促进破坏性免疫反应。目前为止，对肠道菌群与COPD的相关机制仍处于起步阶段，循环性肠道菌群产物及其代谢产物在生态失调过程中发生改变，可能是肠-肺轴的一个重要组成部分。阐明肠道微生物群驱动炎症和促进黏膜上皮屏障的改变的机制可能为COPD的发病机制提供新的见解和帮助。提高膳食纤维与维生素D的摄入、补充有益菌或许是一种有效的方法。未来研究改变和改善肠道微生物群，通过饮食实现肠道和肺免疫的平衡，对于人们提高对肠道微生物群在肺中作用的理解，并为呼吸道疾病提供有效和新的治疗策略是必要的。