肺和肠道微生物群落与哮喘的研究进展

李了 杨 磊

1.武汉科技大学医学院，湖北武汉 430065；2.湖北省妇幼保健院儿童呼吸科，湖北武汉 430070

哮喘是一种以慢性气道炎症和气道高反应性为特征的异质性疾病，近几十年来，哮喘一直是世界范围内受累人群最多的医疗问题之一，影响着全球3 亿多人的健康[1]。目前哮喘的发病机制仍不清楚，但该病与免疫、神经、内分泌、遗传学背景及环境和营养因素均密切相关[2-4]。目前，对哮喘复杂性的认识已经发展到了精准医学层面，特别是微生物代谢组学分析的兴起揭露了肺和肠道微生物群在哮喘发生发展中的调控作用。呼吸道和胃肠道的微生物群落是一个由细菌、病毒、真菌等组成的多样、稳定、动态平衡的系统，其对维持人体的健康至关重要。研究表明，肠道和肺部有着紧密的联系[5]。肠道的微生物变化可以影响肺的免疫反应，相反，肺微生物群也可以通过血液循环影响肠道的微生物群，肠道和肺之间的相互影响产生了“肠-肺轴”的学说[6]。哮喘患者肺部和肠道的微生物失调可能会导致免疫发育改变和炎症反应，但是不同的肺和肠道微生物群在哮喘发生发展过程中的重要程度及可能的作用机制尚存争议。本文将围绕肺和肠道的微生物群落之间的联系及其对哮喘的影响进行综述。

1 肺和肠道的微生物群落

呼吸系统总共有70 m2的表面积供微生物群落栖息，不同部位定植的微生物数量和种类有所不同。在很长一段时间，肺部被认定是无菌的环境。然而随着医学技术的不断进步，特别是16S rRNA 测序技术的出现，使研究者在健康人群的肺中也检测出了微生物群落。在肺部常见的细菌群落主要包括厚壁菌属、拟杆菌属、变形杆菌属、梭杆菌属、乳杆菌属和放线菌属[7]。除了细菌外，病毒和真菌同样可以在正常人群的肺中检测到。肺部的健康微生物群对呼吸系统甚至整个生物体动态平衡的发展和维持都起着重要作用。

肠道所拥有的150～200 m2的巨大表面积为微生物提供了良好的居住环境。人体肠道每毫升管腔内容物中有10 万～1000 亿个细菌，是细菌定植最密集的器官。肠道内的细菌赋予宿主多种功能，包括制造维生素、吸收离子、抵御病原体、组织发育、增强免疫功能和食物发酵等。肠道菌群通常由5 个菌属组成，包括拟杆菌属、厚壁菌属、变形杆菌属、放线杆菌属和软壁菌属。其中，拟杆菌属、双歧杆菌属是健康人中最常见和最稳定的菌属[8]。除细菌外，人类肠道微生物群还包括真菌、病毒（主要是噬菌体）和古细菌。

2 “肠-肺轴”概念

“肠-肺轴”的概念始于临床观察到不同的肺部疾病会受到肠道微环境变化的影响，反之亦然。有研究表明，生命早期是肠道菌群失调最重要的时期，肠道菌群失调可能会导致各种呼吸系统疾病发生，因为肠道菌群对免疫细胞的成熟和对病原体的抵抗均有重要影响[9]。肺部和肠道之间的联系已经在小鼠和人类的研究中得到证实，如采用脂多糖刺激小鼠肺部会导致肠道细菌数量显著增加[10]。此外，有研究表明，肺炎会导致肠道损伤，降低肠道上皮细胞增殖[11]。诱导性支气管相关淋巴组织和肠道相关淋巴组织是黏膜相关淋巴组织的一部分，其在形态和功能上具有相关性。然而肠道和肺之间通讯的调节机制尚不清楚，目前认为可能与机体局部、宿主菌群和全身免疫状态的改变有关。

3 肺和肠道微生物与哮喘的关系

3.1 细菌与哮喘的相关性

细菌是肠道和肺部最大的微生物种群，由于肠道是细菌最密集的定居场所，因此在生命早期或发生特定疾病时，需要特别注意肠道细菌菌落的变化及其与哮喘的相关性。国外的一项研究表明，3 月龄加拿大儿童的粪便样本中拉氏螺旋菌、韦洛氏菌、粪便杆菌和罗氏菌的相对丰度较低，发生哮喘的风险较高[10]。在另一项人类出生队列研究中，3 月龄厄瓜多尔儿童的粪便样本中链球菌和类杆菌的相对丰度增加，双歧杆菌和瘤胃球菌的相对丰度减少，在5 岁时发生喘息的风险更高[12]。

尽管肠道菌群对哮喘的作用机制还不清楚，但其对哮喘的影响部分是由细菌代谢物所介导的，这可能会影响体内的远端免疫应答。在人类气道炎症中最广为人知的具有保护作用的代谢产物是短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）。SCFAs 主要由乙酸、丙酸和丁酸组成，有报道显示，粪便中丁酸和丙酸含量高的1 岁儿童特应性致敏程度明显降低，在3～6 岁时患哮喘的可能性也较小[13]。在小鼠中，SCFAs 已被证实通过抑制组蛋白去乙酰化来增加转录因子插头框蛋白P3 的表达，从而支持调节性T 细胞的增殖，并增加白细胞介素（interleukin，IL）-10 的产生。此外，SCFAs 也被证实可以减少鸡卵白蛋白和屋尘螨诱导的气道炎症模型的炎症反应[14]。在小鼠妊娠和断奶期间，给予SCFAs 喂养可以保护后代免受过敏性肺部炎症的侵袭，特别是丁酸盐能有效地诱导后代肺部调节性T 细胞的增加[13]。人类肠道细菌能够产生其他具有促炎和抗炎潜力的代谢物，如生物胺和氧脂素[15-16]。与健康人比较，哮喘患者的粪便样本中分泌组胺的细菌数量明显升高，且其数量与疾病严重程度相关[17]。这些肺部和肠道的细菌分泌物可能为哮喘的治疗提供新的手段。

越来越多的证据表明，细菌在哮喘发生中发挥重要作用，但还需要进一步的研究来更清楚地定义所涉及的核心菌落，并探索哮喘背景下的细菌失调与本病的因果关系[18-19]，阐述哮喘中介导细菌和宿主之间沟通的细胞和分子机制将是未来研究的重点。

3.2 真菌在哮喘中的作用

目前尚不清楚真菌是在健康人群肠道中定植，还是仅仅在测序研究中被检测为短暂的口腔或食物源性真菌，但即使是肠道的短暂定植也有可能影响微生物群落和宿主免疫应答。尽管尚未探讨出其中的机制，但在厄瓜多尔和美国的两项人类出生队列的研究中发现，真菌失调是婴儿肠道菌群的一个关键特征，与儿童时期高风险哮喘表型的发生发展有关[12,20]。在这些研究中，与哮喘相关表型有关的真菌失调的具体特征有所不同，但值得注意的是，在这两项研究中，真菌失调比细菌失调更显著。不仅如此，两项研究都发现真菌失调与细菌失调存在相关性，但具体的分子机制还有待进一步的研究。

早期的一项关于真菌失调和哮喘严重程度之间相关性的动物模型研究表明，经抗生素预处理的小鼠用人类肠道共生白色念珠菌经口灌胃后，容易出现真菌的过度生长，并且在气道刺激后，由Th2 细胞介导的气道炎症加重，这种效应部分是由白色念珠菌产生的前列腺素介导的[21]。此外，有研究显示，过去或当前存在的真菌失调微生物环境会影响哮喘发生时的免疫反应[22]。在无真菌菌群的小鼠中接种非共生真菌菌群后，肺中表现为混合的Th2 和Th17 细胞浸润，而在已有真菌组的常规小鼠中进行同样的处理，只导致哮喘期间Th2 细胞增加[23]。同样，在未成熟的小鼠中定植白色念珠菌后，其呼吸道变态反应会进一步加重，这与真菌特异性Th17 细胞和IL-17 高应答性中性粒细胞有关[24]。这些研究进一步证实了肠道微生物群复杂的本质，以及跨领域微生物相互作用在决定哮喘转归中的重要性。

有研究表明，肺部局部真菌失调也与哮喘有关[25-26]。一些受试者样本显示，患和不患严重哮喘的儿童在支气管肺泡灌洗液样本中特定真菌的相对丰度存在差异，但总体真菌多样性没有明显差异[27]。这些差异包括重症哮喘患者肺中肺孢子虫相对丰度的增加，这种微生物在肺部的存在与在人类和动物模型中诱导宿主2 型免疫反应有关[28]。肺孢子虫在肺部的亚临床定植被认为是婴幼儿最常见的感染之一。因此，肺孢子虫早期肺部定植可能是诱导肺内Th2 细胞免疫反应的危险因素，并使婴儿易患哮喘[29]。

3.3 病毒与哮喘的关系

尽管病毒感染是哮喘恶化的主要原因，但病毒与哮喘之间的关系尚未完全了解。病毒与环境因素及内在因素之间复杂的相互作用可能是某些病毒在哮喘患者呼吸道中长期存在的原因，或者发展成全面感染从而导致哮喘急性加重的原因。

在人类生命的最初几年，几乎所有的喘息发作都与病毒感染有关。引起喘息或哮喘加重最常见的病毒是轮状病毒和呼吸道合胞病毒（respiratory syncy-tial virus，RSV），此外还涉及博卡病毒、流感病毒和巨细胞病毒。

轮状病毒感染相关的毛细支气管炎患者气道中浸润了大量的中性粒细胞，而且炎症因子IL-6、IL-8、肿瘤坏死因子-α 和α 干扰素的浓度显著升高[30]。研究表明，轮状病毒在B 淋巴细胞中形成病毒复制中心，并诱导B 细胞增殖[31]。RSV 同样与哮喘风险增加有关，然而其与哮喘的关系尚不清楚。有研究表明，RSV引起的毛细支气管炎和哮喘之间存在联系，但尚未确定婴儿呼吸道合胞病毒感染与学龄期哮喘之间的相关性[32]。

流感病毒是另一种与哮喘急性加重有关的病毒。在流感病毒感染的情况下，哮喘患儿的病情更重、住院风险及死亡率更高。IL-33 在流感病毒诱导的哮喘恶化中起到关键作用。在哮喘小鼠模型中，IL-33 通过抑制先天性和获得性抗病毒反应来增强气道高反应性和气道炎症[33]。

关于呼吸道病毒感染和哮喘发生发展之间的关系已经进行了大量的研究。然而，导致两者之间相互联系的确切机制仍不清楚，需要在动物模型和以多组学为基础的人类研究中进一步探索。

4 总结与展望

大量研究表明，人体微生物群落对宿主免疫系统的成熟和功能有着不同程度的影响。肺和肠道微生物群对哮喘的发展、表型和严重程度都有影响，但其详细的细胞和分子机制尚未完全明确。随着微生物组学分析的不断发展，临床中可以进一步检测出许多与哮喘相关的微生物种群。所以，未来的研究应该更多地集中在微生物区系分类的具体变化上，包括菌株差异，而不是整体的变化。另一方面，应考虑微生物种群及其与宿主表型相关性的全局观点，应更加注重对人类微生物种群不同部分的详细研究，包括病毒、细菌、真菌等，通过探索肺和肠道微生物种群之间的联系及其对哮喘发生发展的具体影响，从而为哮喘个体化诊疗提供新的思路。