肺-肠微生物群与支气管哮喘

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袁希静 姚欣
南京医科大学第一附属医院 210029

   支气管哮喘是一种常见的慢性呼吸系统疾病，影响全球超过3亿人1,2。哮喘的发病与遗传、环境、感染和营养因素等有关3。哮喘的临床表型分为嗜酸性、中性、混合性和少粒细胞性哮喘；而潜在的分子和免疫机制称为哮喘内型，分为2型/非2型哮喘。正常情况下，人体内有大量微生物定居，呼吸道和胃肠道的微生物群落对维持人类健康至关重要。肠道和肺部共生细菌菌株之间的不平衡可能导致免疫发育改变和炎症反应发生。细菌和病毒是与哮喘发病机制相关的研究最广泛的微生物，参与哮喘气道炎症的发生及发展。
   健康的肺部并非无菌环境
   人类呼吸道由上气道（URT）和下气道（LRT）组成，面积约70m2，其上居住的微生物群在数量和质量上因生态位特定条件而不同4。正常情况下，健康人气道中定居着的细菌包括葡萄球菌属、丙酸杆菌属、乳杆菌属等5，此外还有鼻病毒、腺病毒等病毒定植6。
   肠-肺轴对呼吸道和肠道健康的影响
   肠-肺轴的概念诞生于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。微生物群是哮喘中二者相互作用的重要因素7。介导肠和肺之间通讯的机制目前仍不清楚，但有人提出上皮细胞、其他结构细胞和免疫细胞接受来自内皮细胞的信号，形成局部细胞因子微环境，从而导致远端部位免疫反应的改变8。研究表明，LPS刺激小鼠肺会导致肠道细菌数量显著增加9；此外肺炎会导致肠道损伤并减少肠道上皮细胞增殖10，说明肠-肺轴存在双向影响。
   细菌
   细菌是肠道和肺部存在的最大的微生物种群。一项人类出生队列研究中，厄瓜多尔儿童在3个月大时粪便样本中链球菌和拟杆菌相对丰度增加，而双歧杆菌 相对丰度减少，他们在5岁时出现过敏和喘息的风险更高11。肠道微生物群对哮喘的影响可能部分是由细菌代谢物介导的。在人类气道炎症中，已知最具保护特性的代谢物是短链脂肪酸（SCFAs）。怀孕和断奶期间小鼠口服SCFAs可以保护后代免受过敏性肺部炎症的影响12。在OVA和屋尘螨(HDM)诱导的气道炎症模型中，短链脂肪酸也显示出减轻炎症的作用13。
   最近的研究显示，人类肠道细菌能够产生具有促炎和抗炎潜力的其他代谢物，如生物胺(包括组胺)14。与健康者相比，哮喘患者粪便样本中分泌组胺的细菌数量显著增加。在OVA诱导的过敏性气道炎症模型中，细菌来源的组胺降低了支气管肺泡灌洗液(BALF)中的总细胞数和肺组织IL-4、IL-5和IL-13水平15。
   在哮喘炎症表型中，与嗜酸性粒细胞型哮喘患者相比，接受高剂量吸入糖皮质激素(ICSs)的中性粒细胞型哮喘患者表现为流感嗜血杆菌、莫拉克斯氏菌相对丰富，链球菌、卟啉单胞菌相对减少16,17。
   真菌
   来自美国和厄瓜多尔的两项人类出生队列研究已经确定，真菌生态失调是婴儿肠道微生物群与儿童时期高危哮喘表型发生发展有关的关键特征之一11,18。在建立真菌生物失调和哮喘严重程度之间因果联系的早期动物模型研究表明，经抗生素预处理的小鼠口服白色念珠菌后容易受到真菌过度生长的影响，并进一步表现出激发后Th2细胞介导的气道炎症加重19,20。近期有证据表明，既往及当前发生真菌失调的微生物环境会影响哮喘期间的免疫学后果。体内预先无真菌生物群存在的小鼠在接种异种真菌群落后表现为肺部Th2和Th17细胞浸润，而在具有预先存在真菌生物群的普通小鼠中的相同治疗仅导致哮喘期间Th2细胞炎症增加21。抗真菌治疗诱导无特定病原体(SPF)小鼠肠道中细菌和真菌群落发生变化，并在HDM模型中被证明会引起嗜酸性粒细胞增多，加剧2型过敏性气道炎症21,22。这些研究共同提示微生物群的动态特性及种群间相互作用可能参与哮喘的发生。
   在几项针对人类的研究中，肺部局部真菌生态失调也与哮喘有关。小部分受试者样本显示，患或不患有重症哮喘的儿童BALF样本中特定真菌的相对丰度方面存在差异，其中包括肺孢子菌23，这种微生物在肺中的存在与人类和动物模型中宿主2型免疫反应的诱导有关24。一项对成年患者进行的18S焦磷酸测序研究同样发现，与非过敏对照组相比，哮喘患者痰中特定真菌的相对丰度方面表现出差异，哮喘患者表现为与特应性皮炎过敏症状明显相关的马拉色菌丰度增加25。
   病毒
   虽然病毒感染被认为是哮喘恶化的主要原因，但病毒和哮喘之间的关系还没有完全明确。已经观察到，健康受试者、患有慢性呼吸系统疾病的无症状和有症状患者上气道和下气道病毒的组成和丰度不同26。
   已知最常见的诱发喘息或哮喘加重的病毒是鼻病毒和呼吸到合胞病毒，但博卡病毒、流感病毒和巨细胞病毒等也有一定关联27。最近已经证明，鼻病毒刺激后，肥大细胞IL-6、IL-8、TNF-α和IFN-α的浓度显著升高28。有研究表明呼吸道合胞病毒引起的毛细支气管炎和哮喘之间存在联系29。此外，呼吸道合胞病毒迅速粘附在人嗜酸性粒细胞上，并可能被嗜酸性粒细胞灭活，随着哮喘严重程度的增加，嗜酸性粒细胞捕获病毒的能力降低高达75%。目前，导致病毒与哮喘之间相关性的确切机制仍然不清楚，需要在动物模型以及使用多组学方法进行进一步的详细研究。
   小结
   现在已有大量文献支持人类微生物群影响宿主免疫系统的成熟和功能，其中肺和肠道微生物群都对哮喘的发展、表型和严重程度有影响。使用现有测序方法使我们能够确定，气道炎症中，肠道、肺部微生物生物失调的特征在于科、属、种甚至菌株水平上的分类群特异性丰度变化。这些数据清楚地表明，未来的研究应该更集中于微生物组分类的具体变化而不是整体变化。另一方面，应该考虑微生物群及其与宿主表型的相关性。此外，还应特别注意改进活体动物模型疾病以建立尽可能接近模拟人类临床情况的研究。未来哮喘患者的诊断和治疗应该通过分析个体微生物组的组成和代谢活性来进行辅助。新疗法的临床研究应考虑包括微生物组和代谢物分析，以确定微生物组特征是否与治疗反应相关。并且需要进一步的病理学理和流行病学研究来揭示特定微生物群菌株、宿主免疫系统和过敏原之间的功能性、多向性之间的联系。


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