基于“肠道菌群-SCFAs-Th17/Treg细胞轴”探讨果上叶对COPD的影响

刘春艳,牛建均,柴艺汇,马四补,陈云志,王焕珍,文琴琴,张永红,曾凡勇,晏朝操*

1.德江县民族中医院(贵州 铜仁 565200) 2.贵州中医药大学(贵州 贵阳 550025)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种以持续气流受限并伴随有肺气肿、慢性气管炎等症状和小气道重塑、肺泡异常等主要病理特征的慢性疾病[1]。其发病率高、致死率高是全球第三大死亡原因,世界卫生组织预测慢阻肺的患病率将在未来40年内继续上升,到2060年,每年可能有540万人死于该疾病[2]。COPD发病机制主要由肺部慢性炎症及免疫紊乱,导致肺气肿的形成,肺泡功能进一步降低[3]。目前,COPD西医治疗主要使用支气管舒张剂、糖皮质激素和抗生素类等药物治疗,但不良反应及经济负担较重等问题日益凸显[4]。因此,对COPD疾病的防治研究亟待挖掘出新的治疗方向。目前,肺肠理论在临床的运用非常广泛,拓宽了肺系、肠道疾病的治疗思路。肠道菌群是长期存在于人体肠道内的微生物群落,其正常状态可对宿主保证肠道黏膜屏障完整、营养及药物代谢、病原体抵御及免疫调节等诸多方面有特殊作用及功能[5]。文献显示[6],呼吸系统慢性疾病患者常有肠道菌群的改变,肠道菌群可经肠-肺轴从而对呼吸系统慢性疾病的免疫方面产生影响。中医理论中“肺与大肠相表里”是从脏腑、经络的联系上,强调了呼吸系统与消化系统生理上相互协调、病理上相互影响。肠道菌群微生态失衡是引发慢性炎症,导致COPD病理的重要机制之一,肠道菌群微生态失衡与COPD病理演变本质间存在密切关联,可能为COPD干预药物新的作用靶点。基于此,本文拟从“肺与大肠相表里”这一中医学理论角度出发,探讨肠道菌群及其代谢产物短链脂肪酸(SCFAs)调节Th17/Treg细胞平衡对COPD的影响,以期为该疾病的防治提供理论依据。

1 “肺与大肠相表里”的中医学内涵及COPD的中医认识

1.1 “肺与大肠相表里”生理内涵“肺与大肠相表里”是中医的重要理论学术观点,起源于中医经典古籍《黄帝内经》,《灵枢》曰:“肺合大肠,大肠者,传导之腑。”初次提出了手太阴之脉下络大肠的观点,表明了肺与大肠的表里络属关系[7]。肺与大肠通过经络相连、阴阳表里、气机调节、脏腑通守以及水液代谢等多方面联系,实现二者功能上的协同促进。在生理上,肺与大肠相互为用,相辅相成。肺主气,主宣发肃降,主气而吐故纳新;大肠传导糟粕,主排泄糟粕而推陈出新,以通降为主,两者气机升降相辅相成,共同推动全身气机的运行;肺为“水上之源”,将津液输布于大肠,大肠主津濡养肠道,使腑气通畅则肺主通调水道功能正常发挥,两者在调节机体津液代谢方面起着重要作用[8]。

1.2 “肺与大肠相表里”病理内涵在病理上,肺肠在病理转变方面存在较强关联,《素问·咳论》曰:“肺咳不已,则大肠受之。大肠咳状,咳而遗矢。”表明了肺部疾病会导致大肠功能失调。《黄帝内经·灵枢集注》卷五曰:“大肠为肺之腑而主大便,邪痹于大肠,故上则为气喘争。故大肠之病,亦能上逆而反遗于肺。”表明大肠疾病亦可影响肺脏功能[9]。由于肺与大肠在病理上的相互影响,古代医家在临床诊治肺肠疾病时,审慎疾病本源,并配合肠病治肺、肺病治肠。《金匮要略浅注》“大抵肠中积聚,则肺气不行;肺有所积,大肠亦不固,二害互为病。大肠病而气塞于肺者痛;肺有积者亦痛,痛必通用。”《中西汇通医经精义·脏腑之官》曰:“凡大肠之病皆从肺来”大肠所以能传道者,以其为肺之腑,肺气下达,故能传道,是以理大便必须调肺气也。由此可见,古代医家关于肺与大肠在经络、生理、病理以及治疗之间的相关性已有较为深入的认识,证实了肺与大肠之间关系极为密切。

1.3COPD发病机制及中医认识目前,COPD的发病机制不甚明确,主要包括气道慢性炎症、氧化和抗氧化失衡、蛋白酶和抗蛋白酶失衡、肠道微生态失衡[10]。其中,肠道菌群微生态失衡已成为COPD病理演变认识的新途径,肠道菌群微生态失衡是引发慢性炎症,导致COPD病理的重要机制之一[11]。中医认为COPD属于“喘证”“肺胀”等范畴,其诱因为外感六淫、饮食失宜、劳倦过度、情志失调等,由外感风寒为主,其病多由久咳、久喘、久哮等导致。肺病反复发作,不易愈,重在肺、脾、肾三脏的阳气衰弱,阳气虚衰作为发病首要因素。阳气衰弱,痰浊内伏于肺部,使气机不利,血行不畅瘀阻于体内,瘀痰互生,痰瘀互结为发病的宿根,痰瘀伏肺、肺气壅塞为病发的病机。该病机属本虚标实,在治疗上采取扶正祛邪的治则[12]。

2 SCFAs、Th17/Treg与COPD关系

2.1 肠道菌群通过调节代谢产物SCFAs与COPD发生发展密切相关“肺-肠轴”是肺部和肠道有机联系起来的双向轴,肺与肠胚胎学起源的同源性及组织结构的相似性为“肺-肠轴”理论提供了结构基础,其肠道菌群及其代谢产物SCFAs是肺肠轴的关键介质[13]。肠道菌群是人体内重要的免疫器官,能够通过与宿主间的相互作用调控肠道内环境稳态,为人体提供营养物质,调节代谢,肠道菌群的平衡对维持人体健康有十分重要的影响[14]。研究表明[15],肠道菌群与慢性肺病等多种疾病的发生发展密切相关,COPD患者由于肠道菌群失调会使肠道黏膜免疫功能下降,细菌及其代谢产物大量移位至肠外器官,过度激活机体免疫系统,引起机体异常的免疫反应,导致全身黏膜免疫受到影响,加速肺功能的恶化。而SCFAs是不可消化碳水化合物发酵的主要最终产物,由结肠微生物通过厌氧发酵产生,可供肠道微生物群使用,包括乙酸、丙酸、丁酸等,其在肠道菌群扮演重要角色,可抑制细胞内炎症因子形成,维持内环境稳定[16]。肠道菌群通过SCFAs来维持局部免疫系统的稳态,当机体受到炎症因子侵袭,造成局部组织细胞功能障碍,SCFAs通过影响免疫调节炎性细胞因子的释放而发挥免疫功能[17]。肠道菌群和COPD关系密切,其能够通过细菌脂多糖、短链脂肪酸、免疫细胞等调节肺部免疫反应[18]。肺功能较差患者的SCFAs水平较低,SCFAs可能在COPD的致病中发挥积极作用,肠道中的主要产物SCFAs具有抗炎特性,是结肠细胞的能量来源,可改善肠道屏障功能并调节脂肪酸和宿主中的脂质合成[19]。文献报道[20]在大鼠饮食中添加SCFAs可减轻COPD模型大鼠炎性反应;中药复方能够改善COPD模型大鼠肺部和肠道炎症,提高SCFAs的含量,具有调节COPD模型大鼠肺-肠微生态平衡的作用[6]。上述可知,肠道菌群可直接通过调节代谢产物SCFAs修复肠道生态失调参与COPD发生发展。

2.2Th17/Treg细胞失衡是COPD发病机制中的重要免疫因素COPD的发生发展与调节性T细胞(Treg)、辅助性T细胞17(Th17)介导的免疫失衡密切相关。Th17细胞和Treg细胞都来源于初始T细胞,二者比例平衡对维持内环境的稳定起重要作用,失衡则会引起全身或局部免疫应答异常,导致自身免疫性疾病、持续感染等疾病[21]。Th17细胞是一种新发现的CD4辅助T细胞亚群,参与免疫炎症反应等病理生理过程,其在核转录因子维甲酸相关孤核受体(ROR-γt)调控下分泌白细胞介素-17(IL-17)可诱导IL-6、TNF-α的表达,介导免疫应答反应[22]。Treg是免疫系统内的一种调节作用的T细胞亚群,通过特异性叉头状转录因子3(Foxp3)选择性分泌TGF-β、IL-10等细胞因子,介导免疫抑制[23]。Th17细胞和Treg细胞两者在分化上互相制衡,Treg细胞分泌的IL-10可抑制Th17细胞的分化;而Th17细胞通过分泌细胞因子抑制Foxp3的表达,从而抑制Treg在外周的分化[24-25]。多项文献报道,Th17 /Treg在慢性炎症性肺部疾病发生和发展过程中发挥着重要的调节作用[26]。在COPD稳定期外周血Th17/Treg及IL-17水平明显升高,Treg细胞含量明显下降,可见Th17/Treg及IL-17在COPD的发病过程中起着重要的作用,与COPD症状严重程度密切相关[27]。另通过对COPD大鼠肺组织中转录因子RORγt和Foxp3的调节,增加Treg细胞表达,降低Th17细胞表达,从而抑制肺组织炎性浸润,改善肺功能[28]。综上所述,Th17细胞和Treg细胞分别分泌相应的细胞因子参与COPD病理生理过程,调节Th17/ Treg细胞平衡是COPD免疫调节治疗的重点靶标。

3 肠道菌群代谢产物调节Th17/Treg细胞的平衡干预COPD

肠道菌群对人体T淋巴细胞的分化具有重要作用,人体中Th17与Treg在调节机体免疫耐受、维持局部组织微环境稳态方面发挥着重要作用。肠道菌群代谢产物SCFAs可调控Th17/Treg细胞的发育和分化,而Th17和Treg细胞是连接肠道菌群和肺的免疫功能的关键细胞亚群[29]。肠道菌群与肺部免疫处于动态平衡,在此平衡中主要由Treg及TGF-β等主导的抑炎反应为主,当动态平衡被破坏,导致肠道菌群多样性下降启动免疫应答,Th17/Treg失衡产生炎症反应[30]。在体外Treg细胞诱导条件下,与菌群缺陷的小鼠粪便提取物相比,具有特定菌群的小鼠粪便提取物能增加CD4+T细胞表达Foxp3,菌群缺陷小鼠的粪便提取物中丁酸和丙酸的水平较低,提示共生菌产生的SCFAs具有诱导外周Treg细胞分化的作用[31-32]。SCFAs通过血液循环到达肠道以外的器官,影响肺组织炎性细胞因子发育,激活肺部的免疫炎症反应[33]。SCFAs可通过TGF-β1作用于肠上皮黏膜细胞进而促进向Treg细胞的分化;产生抑炎因子,以此来使机体产生免疫耐受,影响COPD炎症的疾病进程[34]。研究显示[35],SCFAs可体内调节T淋巴细胞分化(Th17/Treg)凋亡、分泌细胞因子如IL-6、IL-10,进入细胞后抑制组蛋白去乙酰化酶发挥基因表达调控。在香烟烟雾暴露COPD大鼠模型中,通过肠道益生菌改变下调Th17的免疫反应,增加SCFA含量,提高Treg细胞的数量及功能,从而抑制COPD的炎症反应[36]。综上所述,肠道菌群代谢产物SCFAs调节Th17/Treg细胞平衡进而提高机体免疫功能可能是防治COPD的新靶点。

4 果上叶调控Th17/Treg细胞平衡干预

果上叶为《贵州省中药材、民族药材质量标准》(2003年版)收载品种,来源于兰科植物云南石仙桃PholidotayunnanensisRolfe的干燥根状茎和假鳞茎。最早记载于清代《生草药性备要》:“果上叶味甘、微苦,性凉,归肺经,具有养阴清肺,利湿消瘀,清热解毒等功效。”临床用于肺热咳嗽、支气管炎、胃肠炎[38]。现代药理学表明[37]果上叶具有抗炎、抗肿瘤,抗氧化等作用,其开发的产品复方果上叶糖浆在治疗急、慢性支气管炎中治愈率达80%,疗效显著。文献显示,果上叶有效成分能降低IL-1β、IL-6和TNF-a mRNA的表达水平,抑制NF-κB的活性产生抗炎作用。果上叶能调节Th1和Th2平衡,有效减轻哮喘大鼠炎症反应[38-39]。前期课题组研究,果上叶可降低COPD模型大鼠血清及肺组织IL-6、IL-1β、TNF-α的等炎性因子表达水平,改善大鼠肺组织病理学变化,可显著降低肺组织中TLR4、NF-κB、MMP-9 mRNA及蛋白表达。综上,果上叶在治疗呼吸系统疾病效果明显,尤其在防治COPD中疗效显著。

目前,肠道和肺之间的相互作用被称为“肺-肠轴”,是“肺与大肠相表里”理论的现代延伸,它强调了肠道和肺功能之间的相互联系,更好地说明了中医“肺病治肠”“肠病治肺”和“肺肠同治”的生物学基础,中医认为“正气于内,邪不可干”,慢阻肺反复发作是肺-肠微生态失衡、人体“正气”“变虚”“邪气”变强的过程,基于此,治疗时应充分发挥中医药多靶点作用的优势,从恢复肺-肠微生态平衡的角度来增强体内“正气”,使正胜于邪,则邪去病除。肠道菌群及其代谢产物可能是肺-肠联系的物质基础之一,肠道菌群及菌群代谢产物与宿主免疫之间的相互作用在COPD发病及调控中扮演重要角色。肠道菌群、SCFAs和Th17/Treg细胞参与COPD的发生发展及其三者的密切关系,而果上叶具有抗炎作用,恢复肺部功能的作用。基于以上认识,提出科学假说,果上叶可通过调节肠道菌群代谢产物SCFAs,调控Th17/Treg细胞平衡干预COPD,从分子水平探讨果上叶通过调节肠道菌群代谢产物SCFAs,调控Th17/Treg细胞平衡作用,诠释中医 “肺与大肠相表里”理论观点在COPD防治中的科学内涵,以期为中医药干预COPD提供科学依据和新思路。