腸道微生物菌群腸-肺軸與肺部疾病

張 韻,李佳佳,吳建云 (西南大學(xué) 動物科技學(xué)院,重慶400715)

腸道微生物群的組成影響免疫反應(yīng)和炎癥的發(fā)展,在腸道和肺部的病理免疫應(yīng)答中起著重要作用。其中對于細(xì)菌的研究最為廣泛。人類腸道中含有近100萬億個微生物,這些微生物包含1 000多種不同的細(xì)菌種類[1]。大約有30～40種細(xì)菌主導(dǎo)著腸道中的生態(tài)環(huán)境,其中擬桿菌、雙歧桿菌、真細(xì)菌、梭菌、梭桿菌、和乳酸菌等菌屬占有較大的比例[2]。腸道微生物群的失調(diào)在慢性腸道疾病(如慢性炎癥性腸病,克羅恩病,和潰瘍性結(jié)腸炎)的發(fā)病機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用[3-5]。并且,腸道微生物群不僅在腸道內(nèi)發(fā)揮作用,還能通過調(diào)節(jié)T 細(xì)胞群、代謝短鏈脂肪酸(SCFAs,腸道微生物群發(fā)酵膳食纖維的產(chǎn)物)等途徑在遠(yuǎn)端進(jìn)行全身免疫調(diào)節(jié)[6]。越來越多的研究已經(jīng)指出了腸道微生物群和遠(yuǎn)端器官的聯(lián)系(如腸-腦軸,腸-肝軸,腸-皮膚軸),這些聯(lián)系構(gòu)成了調(diào)節(jié)機(jī)制的基礎(chǔ)[7]。盡管傳統(tǒng)上認(rèn)為肺是無菌的,但是通過高通量的微生物16S核糖體RNA 已經(jīng)鑒定出肺中存在微生物[8]。即使肺內(nèi)微生物總數(shù)較少,肺內(nèi)不平衡的生態(tài)系統(tǒng)也可能會導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生。類似于腸道微生物群,在接受肺移植的患者中,呼吸道的微生物群改變了肺部的免疫力。越來越多的證據(jù)讓學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了腸-肺軸的存在,并揭示了腸道微生物群和肺之間的免疫學(xué)關(guān)系[9-12]。之前的研究表明,保護(hù)腸道黏膜的完整性對于減少特發(fā)性肺炎綜合征是有效的[11]。臨床試驗(yàn)也已證明,腸道微生物群失調(diào)會導(dǎo)致過敏性肺炎的加重,而喂食高纖維食物的小鼠體內(nèi)短鏈脂肪酸循環(huán)水平增加,降低部分樹突細(xì)胞對T 細(xì)胞的激活作用,通過這種機(jī)制從而緩解了過敏性肺炎的癥狀[13]。相反地,肺微生物群也可以通過血流影響腸道微生物,例如急性肺損傷會破壞肺部微生物群,誘導(dǎo)細(xì)菌短暫易位至血液并導(dǎo)致盲腸細(xì)菌負(fù)荷急劇增加[14]。由此可見,腸道微生物群可以與肺相互作用,對哮喘、急性和慢性呼吸道感染甚至早期肺的發(fā)育產(chǎn)生影響[15-17]。所以,有充足的理由可以相信,腸-肺軸在腸道微生物與肺部以及肺腸道疾病的免疫調(diào)節(jié)中扮演著重要的角色。

1 腸道與肺之間的聯(lián)系

1.1 腸-肺軸的存在從微生物角度去理解消化道和呼吸道之間在免疫中的交叉和協(xié)作是很重要的。肺表面面積大,健康的肺長期以來被認(rèn)為是無菌的,然而,應(yīng)用非培養(yǎng)方法對微生物群落進(jìn)行分析,結(jié)果在健康個體的肺中檢測到微生物DNA。這些微生物可能是由于口腔的微量吸入到達(dá)了肺部,因?yàn)檫@兩個部位有相似的分類特征[18-19]。盡管肺環(huán)境暴露程度高,所處的環(huán)境條件與其他身體部位有很大差異,但肺部的微生物組成與鄰近部位非常相似。肺中普氏菌屬類群的豐度降低,變形桿菌特別是腸桿菌科和嗜血桿菌大量富集。大量的研究表明,液體、顆粒甚至微生物沉積在小鼠鼻腔內(nèi),短時間內(nèi)可以在在胃腸道中被發(fā)現(xiàn)[20]。胃腸道和呼吸道的上皮表面暴露于多種微生物中,攝入的微生物可以進(jìn)入這兩個部位,胃腸道中的微生物群可以通過吸入進(jìn)入肺部。而支氣管內(nèi)容物的吸入可能每天大約提供1011個活細(xì)菌進(jìn)入腸道[21]。多種證據(jù)都表明,腸道與肺和呼吸道之間可能存在微生物的相互傳遞,揭示了腸-肺軸的存在,胃腸道將最終暴露于任何進(jìn)入呼吸系統(tǒng)的病原體或抗原,這也說明消化道黏膜免疫系統(tǒng)可能是外界抗原和微生物的主要傳感器。

1.2 共同的黏膜免疫系統(tǒng)黏膜免疫系統(tǒng)是機(jī)體防止入侵感染的第一道防線,其分泌釋放的分泌型Ig A(sIg A)是黏膜表面主要的免疫球蛋白,在黏膜免疫防御中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。腸相關(guān)淋巴組織(GALT)、支氣管相關(guān)淋巴組織(BALT)和鼻相關(guān)淋巴組織(NALT)以及免疫細(xì)胞和細(xì)胞因子等共同組成了黏膜免疫系統(tǒng)。

腸相關(guān)淋巴組織主要是指分布于腸道的集合淋巴小結(jié),又稱為Peyer結(jié),主要包括黏膜固有層、上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞和外分泌腺,是免疫應(yīng)答的誘導(dǎo)和活化部位[22]。其中位于黏膜淋巴結(jié)濾泡上皮的M 細(xì)胞和上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞在腸內(nèi)的免疫應(yīng)答中最為活躍。腸道微生物群失調(diào),口腔、肺中微生物的傳遞,或是外來抗原的入侵,刺激腸道黏膜淋巴組織,經(jīng)M 細(xì)胞攝取以內(nèi)吞小泡的形式轉(zhuǎn)運(yùn)到上皮內(nèi)淋巴組織[23],這樣抗原就以完整的形式實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞間的跨越。位于上皮內(nèi)淋巴組織的抗原呈遞細(xì)胞(包括巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞)識別抗原后,呈遞至B、T細(xì)胞進(jìn)行特異性反應(yīng),從而觸發(fā)黏膜系統(tǒng)的免疫應(yīng)答。在此誘導(dǎo)過程中,B 細(xì)胞被激活逐漸成熟分化為Ig A 陽性漿細(xì)胞,并可以通過胸導(dǎo)管進(jìn)入血液循環(huán)定向附近或遠(yuǎn)端的效應(yīng)部位如腸固有層、呼吸道或生殖道固有層進(jìn)行歸巢[24]。通過這種歸巢作用Ig A 陽性漿細(xì)胞被定植于遠(yuǎn)端的效應(yīng)部位并產(chǎn)生聚合型Ig A(pIg A),最終與黏膜上皮細(xì)胞結(jié)合裝配形成sIg A,釋放sIg A 進(jìn)入黏膜分泌液。

綜上所述,sIg A 是聯(lián)系腸道黏膜與呼吸道黏膜的共同分子基礎(chǔ)。人類臨床和流行病學(xué)研究結(jié)果以及動物數(shù)據(jù)也表明,呼吸道產(chǎn)生特定抗體與腸道對抗原暴露的反應(yīng)同時發(fā)生[25-26],實(shí)際上是淋巴或血液將腸內(nèi)的初級免疫部位和肺內(nèi)的效應(yīng)部位聯(lián)系起來,從而共同參與到黏膜的免疫反應(yīng)中。即無論是腸道黏膜還是呼吸道黏膜它們都不是孤立存在的系統(tǒng),而是整個黏膜免疫系統(tǒng)的一部分,有著相互作用,雙向影響的關(guān)系。

2 腸道與肺之間的雙向免疫傳遞

任何導(dǎo)致肺循環(huán)中大量產(chǎn)生內(nèi)毒素的過程都可能促使肺損傷的發(fā)生。腸道缺血時能量儲備消耗殆盡,局部組織在厭氧代謝下產(chǎn)生毒性物質(zhì),腸道血液再灌注時將局部產(chǎn)生的有毒物質(zhì)向系統(tǒng)全身和遠(yuǎn)端器官(尤其是肺)傳遞,引起全身炎癥和急性肺損傷(ALI)[27-28]。然而,很長時間以來,并不清楚這種具體的傳輸物質(zhì)和傳遞機(jī)制是什么。越來越多的研究已經(jīng)表明,在腸道缺血再灌注(I/R)過程中淋巴細(xì)胞被激活,先天免疫應(yīng)答被觸發(fā)[29],腸系膜淋巴結(jié)中產(chǎn)生大量的細(xì)胞因子諸如TNF-a、IL-1b、IL-10、IL-6隨淋巴液經(jīng)體循環(huán)傳遞到肺部[30],成為肺乃至全身的炎癥介質(zhì)。肺部通過白細(xì)胞-內(nèi)皮相互作用,招募和激活中性粒細(xì)胞進(jìn)一步釋放炎癥介質(zhì),維持炎癥聯(lián)級,從肺部損傷轉(zhuǎn)而成為全身炎癥反應(yīng)[31]。因此,肺是腸系膜淋巴中細(xì)胞因子的初始靶點(diǎn),肺可能是引起全身炎癥現(xiàn)象的重要器官。并且在腸道缺血事件中,阻止腸道淋巴到達(dá)肺微循環(huán)的操作可能與維持肺穩(wěn)態(tài)有關(guān)。

近年來,從肺部到腸道的免疫傳遞機(jī)制也被解開。耐甲氧西林金黃色葡萄球菌肺炎通過線粒體和受體介導(dǎo)通路的改變引起腸道損傷[32]；銅綠假單胞菌肺炎引起的敗血癥可導(dǎo)致腸上皮細(xì)胞增殖減少以及細(xì)胞周期阻滯[33]；表明肺部炎癥發(fā)出的信號影響了腸道的穩(wěn)態(tài)。通過使用脂多糖建立肺部炎癥模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn)肺部中性粒細(xì)胞和血液中的細(xì)菌總負(fù)荷顯著增加,盲腸處的細(xì)菌總負(fù)荷輕微增加,表明細(xì)菌可能從肺部通過血液到達(dá)了腸道[15]。因此,腸-肺軸是雙向的,腸道內(nèi)的刺激被轉(zhuǎn)移到肺,肺向腸道提供反饋信號,即無論哪一方的菌群環(huán)境發(fā)生了改變都會對另一方造成影響。

大量研究證實(shí)腸道與肺之間的免疫學(xué)聯(lián)系之后,學(xué)者們更深入地探索了腸-肺軸在一些肺部疾病中扮演的角色。CHEN 等[34]發(fā)現(xiàn),腸道微生物群能耗竭降低肺泡巨噬細(xì)胞的殺傷活性,經(jīng)抗生素預(yù)處理后感染大腸桿菌肺炎,導(dǎo)致血液和肺部細(xì)菌數(shù)量分別增加15倍和3倍,死亡率增加30%。在嬰兒中,腸道微生物群的組成和特應(yīng)性表現(xiàn)與是否剖腹產(chǎn)有關(guān),梭狀芽胞桿菌在1個月大時能否在腸道中定植與整個早期生活中的喘息和濕疹有關(guān),并且影響在6～7歲后哮喘的發(fā)病率[35]。此外,PA?LACK等[36]在豬身上也發(fā)現(xiàn)菊粉可以通過母豬的飲食影響哺乳期仔豬的胃腸道微生物群,表明可以通過人為地改變腸道菌群來控制乳豬哮喘的發(fā)生。也有研究發(fā)現(xiàn),腸道中存在長雙歧桿菌等“有益”細(xì)菌與哮喘發(fā)病率較低之間存在正相關(guān)關(guān)系[37]。腸道菌群誘導(dǎo)肺部炎癥反應(yīng)以對抗細(xì)菌的侵襲,并且可以通過介導(dǎo)TLR4增強(qiáng)中性粒細(xì)胞的浸潤[38]。證實(shí)了腸道微生物群可以通過腸-肺軸這個聯(lián)系在宿主防御和肺部疾病中發(fā)揮著重要的作用。

3 腸-肺軸與肺部疾病

3.1 哮喘腸道微生物群可以誘導(dǎo)腸道外T 細(xì)胞群的擴(kuò)張和分化[6]。如CD4＋TCRαβ 輔助性T(Th)細(xì)胞,包括Th1,Th2和Th17細(xì)胞,這些T 細(xì)胞的數(shù)量都會被腸道上皮的微生物群所影響[5,39]。Th2細(xì)胞過度活躍導(dǎo)致哮喘和肺部過敏反應(yīng),Th2細(xì)胞針對過敏原可以釋放細(xì)胞因子和抗體并對Treg細(xì)胞產(chǎn)生抑制。腸道菌群通過介導(dǎo)SCFAs將單核細(xì)胞遷移到肺,在肺中單核細(xì)胞變成了有抑制原始T 細(xì)胞分化為Th2 細(xì)胞的能力的樹突狀細(xì)胞[40]。同時,SCFAs也被認(rèn)為可以促進(jìn)原始T 細(xì)胞向Treg細(xì)胞分化,在哮喘和過敏反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。早期腸道微生物組的組成可能在哮喘的發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用,早期腸道微生物群被破壞將會導(dǎo)致哮喘風(fēng)險(xiǎn)的增加。WATSON 等[41]研究了一群在學(xué)齡前被診斷為哮喘的兒童,他們在這些兒童身上發(fā)現(xiàn)了腸道菌群失調(diào)的證據(jù)。在生命前3 個月中,個體毛螺菌屬和梭菌屬相對豐度的變化與學(xué)齡前哮喘表型的發(fā)展密切相關(guān)。在有患哮喘風(fēng)險(xiǎn)的兒童中發(fā)現(xiàn)毛螺菌屬的相對增加以及韋榮氏球菌屬、普拉梭菌、羅氏菌屬的相對減少[42]。這些菌屬的減少伴隨著糞便醋酸酯水平的下降和腸肝代謝物的失調(diào),用這4 種細(xì)菌接種無菌小鼠可改善呼吸道炎癥[43]。在其他幾項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn),梭狀芽胞桿菌與哮喘風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。然而對于具體菌屬的分析,很多研究結(jié)果并不十分一致。相比之下,抗生素使用對腸道微生物組的干擾可能會增加哮喘發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),益生菌等制品可影響早期免疫發(fā)育,并且豬等家畜也面臨著抗生素過度使用產(chǎn)生耐藥性的現(xiàn)狀[44],近年中國也禁止在飼料中添加抗生素[45]。WANG等[46]發(fā)現(xiàn),益生菌芽孢桿菌(Ba)作為抗生素替代品處理增加了仔豬的日增重。與抗生素組相比,Ba喂養(yǎng)組中血清抗氧化酶的基因表達(dá)增加,空腸中細(xì)胞氧化應(yīng)激關(guān)鍵因子Nrf2升高,c-Jun氨基末端激酶(JNK)磷酸化降低,抗氧化狀態(tài)得到改善。同時,Ba組微管相關(guān)蛋白1輕鏈3 II(LC3-II)豐度增加引起空腸自噬達(dá)到清理炎性受損細(xì)胞的目的?？傊?這些結(jié)果表明Ba替代抗生素可以通過提高仔豬的抗氧化能力和生長性能,作為飼料中抗生素的替代品具有良好的潛力。為慢性肺部疾病的治療和預(yù)防提供了新的潛在的治療途徑。

3.2 COPD肺中存在著復(fù)雜的微生物群落,菌群結(jié)構(gòu)的紊亂對慢性阻塞性肺病(COPD)等慢性呼吸道疾病的發(fā)生有顯著影響。研究表明,慢性肺部疾病惡化的原因是來自腸相關(guān)淋巴組織中Peyer結(jié)的T 淋巴細(xì)胞免疫反應(yīng)失效,導(dǎo)致細(xì)菌定植在受損的氣道,這是一種不受控制的炎癥反應(yīng)。然而,腸道通過抗原反應(yīng)能對支氣管進(jìn)行保護(hù)。同時在黏膜上定植的關(guān)鍵因子機(jī)制是T 細(xì)胞依賴性的招募,中性粒細(xì)胞的活化,以及抗菌因子的分泌[47]。這些T 細(xì)胞在GALT 中生成,并作為共同黏膜系統(tǒng)的一個組成部分進(jìn)入支氣管黏膜,這種免疫機(jī)制進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了共同黏膜系統(tǒng)的關(guān)鍵作用。

原始T 細(xì)胞根據(jù)TGF-β表達(dá)水平可以向Th17細(xì)胞或i Treg細(xì)胞2個不同的方向分化。Th17細(xì)胞可介導(dǎo)炎癥反應(yīng),在功能上與Treg細(xì)胞相反[48]。吸煙人群和健康人群相比,吸煙者患COPD 的比例明顯增加,此外,中重度COPD 病患者Th17細(xì)胞和血清白細(xì)胞介素(IL)-17A 的水平明顯升高,但Treg細(xì)胞數(shù)量與Foxp3水平降低。表明原始T 細(xì)胞向Th17 細(xì)胞或Treg 細(xì)胞轉(zhuǎn)化間的不平衡與COPD 的加重有關(guān)[49]。近幾年免疫療法逐漸興起,臨床研究發(fā)現(xiàn)口服不可分型流感嗜血桿菌(NTHi)可以使住院治療患者的惡化程度降低90%。口服NTHi免疫治療,增加了遞送到Peyer結(jié)的抗原,從而增加了傳遞到氣管黏膜的T 細(xì)胞提高了對細(xì)菌的吞噬效率,減少了病情惡化。然而,最近的一項(xiàng)研究表明,口服NTHi疫苗的患者在COPD 復(fù)發(fā)后其惡化的數(shù)量和嚴(yán)重程度沒有顯著減少[50]。造成這種結(jié)果的原因可能是疫苗對不同患者產(chǎn)生的抗原負(fù)荷的程度不同,低抗原負(fù)荷程度增強(qiáng)T 細(xì)胞的活化吞噬對感染起到遏制作用,高抗原負(fù)荷導(dǎo)致免疫失效和過敏反應(yīng),而在臨床上則表現(xiàn)為病情急性加重。同時HU 等[51]提到在人類醫(yī)學(xué)中,糞便微生物群移植(FMT)是將健康供體的糞便微生物群移植到患者受體體內(nèi),在腸道微生物群修復(fù)方面已顯示出一定的效果。由于豬與人類腸道微生物組成等方面有許多相似之處,FMT 也可用于恢復(fù)豬正常的腸道菌群。給豬口服糞便懸浮液是一種新的豬糞便物質(zhì)轉(zhuǎn)移方法,從而改善豬原始T 細(xì)胞向T17細(xì)胞方向分化,減弱COPD 炎癥反應(yīng),表明一種新的家畜肺部疾病治療途徑。

3.3 急性肺損傷研究表明,急性肺損傷(acute lung injury,ALI)的主要原因是腸道菌群的失調(diào)。SOUZA 等[52]構(gòu)建了無菌小鼠與常規(guī)小鼠腸道缺血再灌注(IR)模型,與常規(guī)小鼠相比,無菌小鼠局部及遠(yuǎn)端均無炎癥反應(yīng),然而在常規(guī)小鼠中,中性粒細(xì)胞被激活,TNF-a、KC、MCP-1等細(xì)胞因子大量生成,同時在腸部和肺部伴有水腫現(xiàn)象最終所有常規(guī)小鼠全部死亡。事實(shí)上,ALI產(chǎn)生是由于機(jī)體內(nèi)一組先天的致病菌在肺部炎癥環(huán)境中旺盛生長所致,而非外部感染因子所致。使用抗生素對腸道局部治療的小鼠,腸道內(nèi)的菌群結(jié)構(gòu)被破壞,導(dǎo)致肺部炎癥標(biāo)志物明顯減弱,肺水腫的組織學(xué)證據(jù)減少。與對照組相比,抗生素處理小鼠體內(nèi)產(chǎn)生的細(xì)胞因子較少,表明炎癥反應(yīng)受腸道菌群的強(qiáng)烈影響[53]。

4 展望

腸道菌群與肺之前的聯(lián)系帶給我們一定的啟示,任何疾病的治療都不應(yīng)該單獨(dú)治療,器官與器官之間存在著我們尚未探索到的聯(lián)系。其次,一直以來抗生素藥物的濫用都是全球話題,研究抗生素的優(yōu)選代替物成為當(dāng)下治療家畜疾病的首要考慮。最后,腸道微生物群的紊亂是否可以通過其他腸道菌群的移位(類似糞便移植)來治療,這些都是未知的,需要更深入地研究。