微生物群对呼吸系统的影响*

袁慧洁 李玉叶

天津市滨海新区中医医院呼吸内科 300450

过去人们普遍认为肺部是无菌的，而现在肺部已被证实拥有一个独特的微生物群，并且受到来自身体远端部位(如肠道)的微生物信号的影响。随着高通量测序技术的发展，肺部微生物群在呼吸健康中作用的研究取得了巨大的进展，胃肠道和呼吸道之间存在的密切关系也得到了进一步证实。近年来，越来越多学者提出肺—肠轴这一概念，阐述这些身体部位之间的沟通途径，为肠道微生物群如何影响呼吸免疫学和维持呼吸系统健康提供了新的见解。本文总结了肺和肠道微生物在呼吸健康和疾病中的作用，肺—肠轴之间的免疫学联系，以及肠菌移植等治疗手段对呼吸系统疾病的影响。

1 肺和肠道微生物对呼吸系统的影响及肺—肠轴机制

1.1 健康肺部及呼吸疾病中微生物群特点 大量研究表明，健康人肺部存在微生物群。健康肺部菌群中，微生物密度较低，以6个菌属(普氏菌、链球菌、韦荣球菌、梭杆菌、卟啉单胞菌、奈瑟氏菌)为主。微生物进入肺部主要是通过吸入，呼吸道微生物群主要来源于上呼吸道的微生物迁移，并通过宿主防御机制对微生物的清除维持动态平衡[1]。生命早期，免疫系统的成熟似乎与微生物群的形成同时发生，肺部微生物群的组成在一定程度上是由免疫系统决定的，这一点无论是在小白鼠身上还是在人类中均得到了证实[2]。囊性纤维化、特发性肺纤维化或支气管扩张等多种呼吸道疾病中，常可观察到肺部微生物移入和清除之间的平衡被打破，导致下呼吸道细菌密度增加、特定细菌的过度生长，包括铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌或伯克霍尔德菌属 (囊性纤维化)；嗜血杆菌属、韦荣氏球菌属、链球菌属或奈瑟氏菌属(特发性肺纤维化)；铜绿假单胞菌、韦荣氏球菌属、普雷沃菌属或嗜血杆菌属(支气管扩张症)[3]。许多研究通过比较肺部疾病患者的支气管肺泡灌洗液中的微生物群，发现健康肺和病变肺在细菌群落组成上存在显著差异，提示肺部微生物群的数量和/或种属变化可能与一些肺部疾病的进展和恶化有关，并且病变肺的肺泡和气道中的炎症细胞数量更多、活性更强[4]。

1.2 肠道微生物群与呼吸系统的关联 人体肠道含有近100万亿个微生物，由1 000多个不同的细菌种类组成[5]，肠道内细菌功能包括产生维生素、吸收离子、保护机体免受病原体侵袭、组织发育、增强免疫功能和食物发酵等，其中肠道微生物群对肠道黏膜免疫起着至关重要的作用。越来越多的证据表明胃肠道和呼吸道之间的亲密关系，如慢性阻塞性肺疾病患者经常出现肠道功能改变，表现为肠道高通透性，并且溃疡性结肠炎和克罗恩病的患病率明显增加[6]。许多胃肠道疾病也存在呼吸道的表现，例如高达50%的炎症性肠病患者被证实肠道微生物成分发生改变，随着疾病发展患者肺功能出现下降[7]。患者呼吸道症状通常发生在炎症性肠病发病以后[8]，这一现象揭示了呼吸道症状可能是肠道疾病导致的。值得注意的是，肺—肠轴是双向的，许多呼吸道感染(包括流感病毒感染)往往伴随着胃肠道症状。这一点在动物身上也得到了证实，在动物模型中，呼吸道感染流感病毒或肺孢子虫或气管内滴注脂多糖均可导致肠道微生物群的改变[9]。但是，缺乏直接证据证明肠道微生物群和肺微生物群之间的微生物转移，以及它们在引发肺部或肠道疾病中的作用。

1.3 肺—肠轴机制 肺—肠轴可溶性微生物成分和代谢物通过循环运输，被认为是肠道微生物区系和肺部沟通的一种方式。微生物成分包括微生物相关分子模式，如表达模式识别受体识别的肽聚糖或脂多糖。为了解肺—肠轴的机制，许多研究都是在过敏和哮喘等炎症性疾病的背景下进行的。对于这些疾病，肠道细菌产生的代谢物是肠道和肺相关联的主要假说之一，影响炎症的代谢物被认为是由短链脂肪酸组成。短链脂肪酸是肠道细菌发酵膳食纤维时产生的，在单核细胞等免疫细胞[10]的生成中发挥作用。这些单核细胞迁移到肺部，成为树突状细胞，并促进原始T细胞分化为2型辅助性T细胞。短链脂肪酸还被认为能促进幼稚T细胞分化为调节性T细胞，这对维持健康的免疫系统具有重要作用。哮喘和过敏反应被认为是过度活跃的2型辅助性T细胞和调节性T细胞受抑制的结果，2型辅助性T细胞触发针对过敏原的细胞因子和抗体的释放，而调节性T细胞则无法对过敏原产生相应的反应。因此，研究人员探索了利用短链脂肪酸抑制2型辅助性T细胞数量和增加体内调节性T细胞数量的可能性。未被胃肠道利用的短链脂肪酸进入门静脉，并被输送到肝脏进行代谢。未代谢的短链脂肪酸进入外周循环和身体远端部位(包括骨髓)，影响免疫细胞的发育。除短链脂肪酸外，脱氨基酪氨酸也是影响肺部反应的微生物代谢物，它通过增强Ⅰ型干扰素反应来保护小鼠免受流感病毒的感染[11]。其他具有免疫调节作用的肠源性微生物代谢物还包括吲哚衍生物(膳食色氨酸代谢产物)、烟碱、聚胺类、尿石素A以及丙酮酸和乳酸[12]，这些肠源性微生物代谢物都被认为在肠道稳态中发挥重要作用。但是，这些肠道微生物代谢物是否影响呼吸健康仍有待确定。在某些情况下，微生物群还可以改变宿主衍生的代谢物。胆汁酸被释放到十二指肠以促进脂质吸收，由常驻微生物群转化为次级胆汁酸。因此，微生物群组成和/或丰度的改变会导致胆汁酸谱的改变。鉴于这些代谢物的免疫调节特性，研究者们已经开始关注微生物—胆汁酸之间的相互影响在胃肠道疾病中的可能作用[13]。然而，这些相互作用对呼吸健康的可能影响仍不清楚。肺—肠轴机制也可能包括肠道免疫细胞通过循环直接迁移至呼吸道。免疫细胞在肠道和肺部之间的转移可能在增强宿主抵抗感染的能力方面发挥有益的作用。例如，肠道树突状细胞对共生细菌的识别需要启动白介素-22产生3型天然淋巴细胞，并迁移到肺部介导对肺炎的防护作用[14]。这样的相互影响也可能在疾病中发生，因为肠道分节丝状菌特异性辅助性T 细胞17带有双重T细胞抗原受体，一个是肠道分节丝状菌特异性的，另一个是自身抗原特异性的，迁移到呼吸道并导致肺部发生病理改变[14]。肠道也可以通过循环中发现宿主源性炎症介质影响肺部的病理反应。在患有肠道疾病(包括炎症性肠病)的患者中，发现血清炎症介质浓度明显升高，这些介质对肺部的“溢出效应”可能会影响免疫反应的可塑性和大小，这将构成另一种机制，通过这种机制来形成局部微环境，并确定炎症的性质。

2 呼吸系统疾病的微生物治疗

在膳食中加入特定的微生物菌株来促进人类健康的想法并不新鲜。微生物对呼吸健康影响的研究，很大程度上局限于乳杆菌属和双歧杆菌属等已知益生菌菌株。超出这些菌株的研究非常有限，只有几个品种进行了实验测试。需要注意的是，微生物可能会根据环境的不同而对宿主产生不同影响，根据宿主免疫系统或内环境的改变，某些微生物对宿主可能是有害、中性或有益的。

通过对外周血单核细胞中微生物群和基因表达之间的网络分析，已经发现不动杆菌属和白介素-10在健康受试者中的表达之间存在联系，而在特应性受试者中则没有。在小鼠实验中，皮内或鼻腔注射鲁氏不动杆菌，可能通过诱导1型辅助T细胞相关的细胞因子[15]和白介素-10来减少过敏性气道炎症。小鼠经口感染幽门螺杆菌后，可通过促进炎症小体活化、诱导白介素-18和调节T细胞分化[15]来减轻哮喘症状。这些研究共同揭示出诱导反调节的1型反应(如干扰素-γ)或调节T细胞反应(如白介素-10)，从而抑制2型炎症反应。在这些情况下，微生物可能通过帮助建立健康的稳态免疫平衡而产生有益的影响。

微生物给药对肺部感染的益处也已被证实。鼻腔内接种或口服接种能有效激活NOD2(Nucleotide-binding Oligomerization Domain2)受体的细菌菌株，如乳酸杆菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌、粪肠球菌、梭状芽孢杆菌等，可保护小鼠免受肺炎链球菌或肺炎克雷伯菌的呼吸道感染，其效果取决于这些菌株诱导产生粒细胞巨噬细胞集落刺激因子的能力[16]。粪菌移植是一种治疗人类肠道艰难梭状芽孢杆菌感染的有效方法，并有望用于治疗其他胃肠道疾病，包括肠易激综合征等。这种疗法对呼吸系统的潜在益处仍是未知的。对小鼠模型的研究表明，粪菌移植减少了感染肺炎链球菌后抗生素相关的死亡率，为这种疗法在肺部疾病中的可能效用提供了一个概念性的证明[17]。然而，还需要进一步的研究来验证这些发现。

3 结语

在过去的几十年里，我们对微生物群在健康和疾病中发挥的作用有了实质性的认识。呼吸道菌群及相关的机制已开始被学者们广泛研究，这些都推动了对肺—肠轴机制的探索，并揭示了微生物群及其代谢物在这一过程中的重要性。鼻内接种有益细菌，以及粪菌移植等肠道菌群干预方法，有望治疗呼吸道疾病。近年来，微生物体系中的细菌成分分析成为研究的热点，然而，真菌、寄生虫、病毒的作用可能同样重要，但我们对这些知之甚少。样品的处理、测序，特别是序列数据库的管理和维护对该领域的进一步发展至关重要，因为这一领域有可能彻底改变疾病预防和治疗的方法。