張立濤，趙靜，韓虎

人的皮膚、陰道、呼吸道和胃腸道中生活著數(shù)萬億的共生細菌，主要包含6門：擬桿菌門、厚壁菌門、變形桿菌門、放線菌門、梭桿菌門和藍細菌門［1］。然而，這些門的相對豐度，特別是屬水平上不同部位的細菌組成存在顯著差異［2］。其中，胃腸道的細菌定植密度最大，重量約為1.5 kg，數(shù)量是人體細胞的10倍、基因組的100倍，對代謝、內分泌、免疫系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)影響重大。腸道菌群失調是一系列胃腸道疾病的潛在病因，并且越來越多證據(jù)表明一些非胃腸道疾?。ㄈ绶逝职Y、心血管疾?。┮约熬窦膊⊥瑯优c腸道菌群失調有關［3-4］。

宿主腸道菌群對遠端器官免疫功能的影響是一個新興的研究熱點，最近研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群組成和功能的變化與宿主免疫反應的改變以及肺部疾病的發(fā)生發(fā)展有關。本文綜述了健康胃腸道和呼吸道中常見的微生物種類以及對腸道和肺之間免疫學聯(lián)系的新認識，即腸-肺軸，并且探討腸道菌群和呼吸系統(tǒng)疾病相關臨床研究的最新進展。

1 腸道菌群和宿主免疫功能

腸道微生物群是在人出生后1～3年內形成的，在整個生命周期中保持相對穩(wěn)定［5］。早期腸道微生物的形成與產前微生物的垂直轉移、分娩方式、喂養(yǎng)方式、感染、抗生素的使用以及腸道環(huán)境有關，并影響人的健康狀況［6］。

迄今為止，胃腸道仍然是宿主相關微生物生態(tài)系統(tǒng)研究最深入的系統(tǒng)，原因為其微生物豐富，微生物群可以通過糞便標本進行檢驗，很容易獲得。腸道微生物的多樣性和豐度不僅沿著腸道的長度變化，而且在每個區(qū)域的黏膜和腸道管腔之間的空間分布也不同［7］。這些差異受環(huán)境的影響，包括pH值、膽汁酸濃度、消化滯留時間、黏液特性和宿主防御因子［8］。從數(shù)量上講胃腸道是人體細菌定植最密集的表面，細菌載量達到1014個［9］。擬桿菌門是最豐富的門，其次是厚壁菌門。在健康成年人中，擬桿菌、糞桿菌和雙歧桿菌是最常見的屬［10］。此外，腸道菌群可根據(jù)個體存在的優(yōu)勢屬分為3種：擬桿菌（1型菌群）、普雷沃特菌（2型菌群）和反芻球菌（3型菌群）［11］。環(huán)境因素、飲食、使用抗生素、化療、胃腸道感染和宿主免疫狀態(tài)的變化會短暫或永久地改變腸道生態(tài)系統(tǒng)，導致腸道菌群失調，表現(xiàn)為有益菌種數(shù)量減少和/或其他菌群的生長或種群轉移。腸道菌群失調可通過多種方式影響身體健康，如條件病原菌的生長、宿主代謝譜的改變和/或炎癥的增加。

腸道菌群通過以下機制調節(jié)宿主黏膜免疫功能。腸道微生物提供病原體相關分子模式（PAMP）作為腸上皮細胞（IECs）管腔或基底外側表面不同toll樣受體（TLRs）的配體，TLRs激活信號級聯(lián)，導致轉錄因子激活和基因轉錄，增強細胞屏障，進一步刺激固有層中的免疫細胞。腸道細菌及其衍生物如短鏈脂肪酸（SCFAs），直接刺激IECs或被樹突細胞（DCs）和巨噬細胞吞噬，在腸系膜淋巴結（MLN）促使B細胞和T細胞成熟和分化。其中B細胞變成漿細胞并產生IgA，IgA隨后被分泌到腸腔內。而T細胞分化為Th17和Th1，其具有促炎傾向，能激活其他效應細胞，如中性粒細胞，導致細菌被清除。某些特定種群如脆弱擬桿菌、嬰兒雙歧桿菌、梭菌群可以促進調節(jié)性T細胞分化，通過刺激抗炎細胞因子白細胞介素-10（IL-10）的產生來抑制過度的炎性反應，維持腸道內穩(wěn)態(tài)［12］。

腸道菌群可調節(jié)腸道內及遠端的宿主免疫，通過幾個關鍵途徑影響全身免疫應答，如介導腸道外T細胞群的擴張和分化［13］。腸道菌群產生的各種SCFAs，尤其是丁酸鹽，可以通過激活核因子κB（NF-κB）信號通路和抑制組蛋白去乙?；?，影響免疫細胞遷移、黏附、細胞因子表達、細胞增殖、活化和凋亡，發(fā)揮廣泛的抗炎活性［14-15］。

2 呼吸道菌群

呼吸道是許多微生物和顆粒（如病毒、細菌或真菌）的主要和連續(xù)的入口。從上呼吸道開始，鼻孔中的細菌以厚壁菌門和放線菌門為主，厚壁菌門、變形桿菌門和擬桿菌門在口咽中普遍存在［16］。傳統(tǒng)觀點認為正常的肺內是沒有細菌的，然而，在過去的20年中，基于直接擴增和分析16S rRNA基因的技術揭示肺部存在不同微生物群落定植。健康肺中最常見的細菌門是擬桿菌門、厚壁菌門和變形桿菌門，優(yōu)勢屬包括普雷沃特菌、韋氏菌、假單胞菌、梭菌和鏈球菌［17］。CHARLSON等［18］使用雙支氣管鏡取樣的方法研究6名健康個體上呼吸道和下呼吸道的微生物群，以避免污染的風險，結果發(fā)現(xiàn)從上呼吸道到下呼吸道微生物群生物量明顯減少，肺組織樣本中每1 000個人類細胞中含有10～100個細菌細胞，下呼吸道細菌譜系較上呼吸道豐富，肺的微生物群同鼻子和口腔微生物群更相似?！吧钤谀蠘O洲”模型［19］描述了影響肺微生物群的三要素：（1）微生物進入呼吸道；（2）微生物從呼吸道消除；（3）呼吸道內微生物的相對生殖率。任何肺部微生物群落的變化，無論是在健康還是在疾病狀態(tài)下，均是這3個因素發(fā)生變化的結果。亞臨床微量吸入咽部分泌物是肺部微生物移入的主要來源［20］。微量吸入上呼吸道分泌物是正常的，尤其是在睡眠期間。因此，健康的人肺微生物組是短暫存在的，這些菌群可以被正常的肺防御機制清除。其他影響微生物進入呼吸道的因素包括從空氣中吸入的細菌和沿呼吸道黏膜表面直接遷移的細菌。微生物的清除是通過黏膜纖毛清除、咳嗽和宿主免疫防御（先天和適應性免疫）來完成的。炎性反應對于呼吸道微生物的生殖率十分重要［21］，主要是通過影響區(qū)域生長條件來實現(xiàn)的，如營養(yǎng)利用率、溫度、pH值、氧張力。炎性反應可增加呼吸道的血管滲漏，為細菌生長提供重要的營養(yǎng)元素，如碳源、氨基酸、維生素和鐵。上皮細胞損傷可形成基底膜基質暴露區(qū)，促進細菌黏附。而健康時，區(qū)域生長條件一般不支持細菌的旺盛生長，導致細菌的生長相對較少。

肺微生物組在維持肺內穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用。與腸道菌群相似，肺部菌群也可能被模式識別受體（PRRs）識別，促進出生后肺部幼稚T細胞從Th2表型向Th1表型轉化，從而保護新生兒避免哮喘和過敏性疾病的發(fā)生［22］。新生兒肺部細菌由變形桿菌門和厚壁菌門向擬桿菌門的轉移與肺部Helios陰性T細胞的發(fā)育有關，可抑制過敏原過度的炎性反應，直至成年［23］。而動物實驗也證明肺部的金黃色葡萄球菌可以促進M2肺泡巨噬細胞分化，從而對流感引起的肺部致命炎癥起到保護作用［24］。而肺部菌群失調與慢性阻塞性肺疾?。–OPD）持續(xù)進展相關［25］。

3 腸-肺軸

微生物群在維持定植器官或組織的穩(wěn)態(tài)中起著至關重要的作用，局部菌群的變化也會影響遠端組織的免疫功能，如腸-肺軸。

組織胚胎學研究已經(jīng)證實腸道和呼吸道結構來源是相同的，原腸的前腸分化成肺與氣管，原腸內胚層分化出呼吸道上皮與腺體，其黏膜內壁實際上是連續(xù)的。腸道和呼吸道由柱狀上皮細胞組成，微絨毛（腸道）或纖毛（呼吸道）突出，均通過杯狀細胞分泌黏液，同時分泌免疫球蛋白A，起到物理屏障和免疫屏障的作用，在很多病理改變中兩者之間存在相互關系。腸道微生物群通過啟動肺泡巨噬細胞在宿主防御肺炎鏈球菌誘導的肺炎方面發(fā)揮保護作用［26］。進一步的研究發(fā)現(xiàn)腸道分節(jié)段絲狀細菌（SFB）可能通過促進肺感染后中性粒細胞的分解，對免疫功能低下的宿主提供保護，以對抗肺炎鏈球菌感染［27］。腸道菌群同樣可以在免疫調節(jié)細胞的參與下對抗流感病毒感染［28］。反之流感病毒可以通過Th17細胞介導，改變腸道菌群組成，引起腸道免疫損傷［29］。局部誘導的肺部過敏反應也會影響腸道菌群的組成［30］。而短雙歧桿菌和鼠李糖乳桿菌減少了COPD模型小鼠肺部的病理改變［31］，減少體外暴露于香煙煙霧提取物的巨噬細胞的炎性反應［32］。而腸道細菌的發(fā)酵產物，即SCFAs，通過調節(jié)免疫功能，可預防過敏性氣道炎性反應的發(fā)生［33］。

我國中醫(yī)藏象學說中也有“肺與大腸相表里”的理論，其最早記載在《黃帝內經(jīng)》中，如《靈樞·本輸》云“肺合大腸”［34］。從臨床治療效果來看，肺病患者從腸論治以及腸病患者從肺論治均能達到顯著療效，一定程度上也論證了肺與腸之間的相關性。

因此，目前的理論認為腸-肺軸是雙向的，類似于可以從兩個位置刺激的循環(huán)，但是具體免疫調節(jié)作用的機制尚不明確，可能涉及以下幾個潛在的途徑。進入腸黏膜的微生物群及其產物被巨噬細胞或DCs吞噬，通過抗原提呈細胞（APC）轉移到MLN，刺激T細胞和B細胞的活化。一旦激活，隨著合適的趨化因子受體（CCR）如CCR4、CCR6的表達，這些細胞可以通過淋巴循環(huán)和血液循環(huán)重新遷移到原始部位（腸黏膜）或遠端位置，如肺上皮細胞和肺淋巴結，直接作用于目標細胞或繼續(xù)刺激其他免疫細胞［35］。另一方面，由于患者腸道和肺泡毛細血管通透性的增加，來自腸道黏膜的細菌可以通過血液循環(huán)移位到肺部［36］。根據(jù)SAMUELSON等［37］的腸-淋巴理論，腸道黏膜下層或MLN包含的存活細菌、細胞碎片或細菌的蛋白質部分隨腸道產生的細胞因子（如IL-10、IL-6、轉化生長因子-β、干擾素γ）和趨化因子逃逸，沿著腸系膜淋巴系統(tǒng)進入乳糜池，隨后進入體循環(huán)。進入肺循環(huán)后可能導致DCs和巨噬細胞活化，以及T細胞的啟動和分化。細菌代謝產物（如SCFAs）也會通過血液循環(huán)被運送到肺部調節(jié)免疫功能。相反的，從肺到腸可能存在同樣的機制，但是肺微生物群對腸道菌群和腸道免疫的影響知之甚少。

4 腸道菌群與呼吸系統(tǒng)疾病相關的臨床研究

多項研究表明腸道菌群多樣性與哮喘之間存在相關性，母親在妊娠期間使用抗生素，包括頭孢菌素、大環(huán)內酯類和青霉素，會增加兒童患哮喘的風險［38-40］。在生命早期4種腸道菌屬包括：糞桿菌屬、毛螺菌屬、韋榮球菌屬、羅氏菌屬能夠減輕氣道炎性反應，降低哮喘的發(fā)生風險［41］。對于2～7歲的兒童使用大環(huán)內酯類抗生素可以導致放線菌門減少，擬桿菌門和變形桿菌門增加，哮喘患病率增加［42］，而通過益生菌治療恢復改變的腸道菌群可以降低這種風險［43］。這些數(shù)據(jù)支持了微生物在生命早期發(fā)育階段定植可預防兒童哮喘的假設。一項為期10個月的隨機、雙盲、平行和安慰劑對照研究評估了長雙歧桿菌BB536對520名2～6歲健康馬來西亞學齡前兒童腹瀉和/或上呼吸道疾病的影響，結果顯示雖然BB536對兒童腹瀉沒有顯著作用，但是10個月后BB536組和安慰劑組腸道菌群差異顯著（P＜0.01），具有抗炎、免疫調節(jié)作用的糞桿菌屬豐度顯著升高（P＜0.05），同時患兒咽喉痛時間減少46%（P=0.018），發(fā)熱時間減少27%（P=0.084），流鼻涕時間減少15%（P=0.087），咳嗽時間減少16%（P=0.087）［44］。證明長雙歧桿菌BB536對上呼吸道疾病具有潛在的保護作用。對于反復發(fā)生肺炎的患兒研究發(fā)現(xiàn)：其糞便中雙歧桿菌數(shù)量以及雙歧桿菌和大腸埃希菌含量的比值（B/E）均低于急性組及外科組（P＜0.05），而大腸埃希菌數(shù)量高于外科組（P＜0.05），與急性組差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；反復肺炎患兒血清D-乳酸值較急性組及外科組均增高（P＜0.05），B/E與D-乳酸值呈負相關（r=-0.539，P＜0.05）［45］，提示患兒反復肺炎可能與腸道菌群紊亂、腸道黏膜通透性明顯增加有關。腸道菌群同樣與囊性纖維化（CF）有關，CF患兒早期腸道微生物是呼吸系統(tǒng)疾病進展的決定因素，CF惡化與腸道微生物組成有顯著相關性（P=0.03），而益生菌能夠使患者獲益［46］。

一項前瞻性研究發(fā)現(xiàn)COPD和哮喘患者常伴有胃腸道癥狀，并且與嚴重程度高度一致［47］。EKBOM等［48］進行的一項研究表明，COPD患者潰瘍性結腸炎〔風險比（RR）=1.83〕和克羅恩病（RR=2.72）的風險均顯著較高。其具體機制可能與COPD患者代謝需求高，存在腸缺血-再灌注損傷，進而腸通透性增加有關［49］。相反的炎癥性腸病患者雖然沒有急性或慢性呼吸道疾病史，但是多達50%的患者出現(xiàn)肺功能損傷［50］。以上研究表明COPD與腸道疾病可能具有相關性。

益生菌作為一種活的非致病性微生物，可以保護腸道屏障，抑制病原菌過度生長，減少細菌易位，防止感染。兩項Meta分析比較了腸道益生菌對肺炎發(fā)生率的影響，其中一項包含28項隨機對照試驗（RCT）的Meta分析顯示：圍術期接受益生菌/合生元治療的患者感染的發(fā)生率低于對照組〔OR=0.35，95%CI（0.24，0.50）〕，其中肺炎發(fā)病率明顯降低〔OR=0.44，95%CI（0.28，0.68）〕，但ICU住院時間和死亡率無顯著差異〔OR=1.19，95%CI（0.52，2.74）〕［51］。一項納入2 972例患者共30項RCT的Meta分析顯示，益生菌可顯著降低感染并發(fā)癥發(fā)生率〔RR=0.80，95%CI（0.68，0.95），P=0.009〕，并可以顯著降低呼吸機相關性肺炎（VAP）發(fā)生率〔RR=0.74，95%CI（0.61，0.90），P=0.002〕，但是對患者死亡率、住院時間或腹瀉的發(fā)生無明顯影響［52］。由于臨床異質性以及潛在的發(fā)表偏倚的限制，對最后結果的認可還需要謹慎。采用新一代測序技術對H7N9病毒感染者腸道菌群進行分析發(fā)現(xiàn)，大腸埃希菌和糞腸球菌是有害的，與此相反，普通型擬桿菌、卵型擬桿菌、柔嫩梭菌、腸道玫瑰布里亞菌、真細菌、長雙歧桿菌和副流感嗜血桿菌可能在這一特定的生物學背景下產生有益的影響，同時發(fā)現(xiàn)H7N9患者與健康對照組之間的腸道菌群成分變化主要是病毒感染及相關治療所致［53］。無論H7N9感染患者是否接受抗生素治療，其腸道微生物群落的多樣性均有所下降。然而，包括抗病毒藥物、益生菌和抗生素在內的治療似乎有助于增加腸道微生物群落的多樣性。肺和腸道微生物組與肺結核感染同樣有關，但相關臨床研究較少，對1名曾接受多種口服抗生素治療的耐多藥活動性結核病患者的糞便樣本進行分析顯示：腸道細菌數(shù)量和組成明顯較低［54］。動物研究顯示腸道微生物組對免疫系統(tǒng)的調節(jié)可能與預防結核病感染、減少潛伏期進展、減輕疾病嚴重程度以及降低耐藥性、感染并發(fā)癥發(fā)生率有關［55］。

重癥患者的腸道菌群同樣發(fā)生明顯變化，膿毒癥患者腸道微生物多樣性隨著時間的推移而顯著喪失。研究發(fā)現(xiàn)擬桿菌門與厚壁菌門的比值（B/F）與院內死亡率有關，B/F＞10的患者死亡率明顯增加［56］。對68例急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）患者收集的100份支氣管肺泡灌洗液標本中的細菌群落進行了測序，并將這些群落與7例健康志愿者的細菌群落進行了比較，發(fā)現(xiàn)腸道來源的擬桿菌屬在ARDS患者的肺泡灌洗液中數(shù)量豐富，其相對豐度和患者血清腫瘤壞死因子α（TNF-α）濃度明顯相關（P=0.01），與肺泡TNF-α濃度無相關性（P＞0.05），而變形桿菌門的相對豐度和肺泡TNF-α濃度呈正相關（P=0.003）［57］。這一發(fā)現(xiàn)表明，ARDS患者中腸道菌群在肺部富集，即存在細菌移位，這與急性全身炎癥的嚴重程度有關。腸-肺細菌轉移和肺部微生物的改變可能是膿毒癥和ARDS發(fā)病的共同機制。

5 總結

人體表面70%以上的細菌種類無法通過現(xiàn)有的技術進行培養(yǎng)，傳統(tǒng)的培養(yǎng)技術已不再是微生物研究的金標準。包括16S rRNA基因在內的識別細菌序列的先進技術，使人們對微生物學和相關疾病的研究不斷深入。為鑒定細菌菌群組成，常用16S rRNA基因作為細菌特異性保守基因，擴增16S rRNA基因的9個可變區(qū)域（V1-V9）中的V3-V4區(qū)域［58］。相對于傳統(tǒng)的Sanger測序方法，新一代測序技術（NGS）能夠以99%以上的準確率快速評估大量的堿基（1～10億個讀數(shù)），適用于分析在同一個時間或樣本中各種各樣細菌的DNA。但是NGS中每個序列的測序精度可能低于Sanger測序方法［59］，NGS （MiSeq）只能檢測屬水平，而Sanger測序方法可以檢測種水平的所有細菌亞型［60］。

共同黏膜免疫系統(tǒng)的概念認為黏膜免疫系統(tǒng)是一個全身性的器官，免疫細胞在不同黏膜組織之間相互作用，而腸-肺軸很可能是共同黏膜免疫系統(tǒng)的一部分［61］，但是不同黏膜位點是如何進行溝通的，以及這一過程涉及哪些免疫細胞及分子還有待進一步研究。

腸道和肺的微生物群與宿主之間的相互作用是復雜的，同時對腸-肺軸的研究還處于初級階段，相關臨床研究較少。腸道的細菌成分和代謝產物具有調節(jié)局部和全身免疫的能力，影響哮喘、COPD和呼吸道感染等呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展。進一步的研究將有助于闡明微生物群和腸-肺交互作用在呼吸系統(tǒng)疾病中的作用，而不僅是相關性，并有可能促進發(fā)現(xiàn)新的和有效的治療途徑。

本文文獻檢索策略：

計算機檢索PubMed和Google Scholar近5年的相關文獻以及本領域重要的參考文獻。檢索關鍵詞為：Gut microbiota，Gut-lung axis。