查依敏

暨南大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院(深圳市人民醫(yī)院)，廣東省深圳市 518020

【提要】 呼吸道微生物組由呼吸道菌群與其宿主細(xì)胞以及環(huán)境中影響兩者相互作用的多種因素構(gòu)成，如呼吸道菌群的種類、氣道免疫細(xì)胞、物理化學(xué)因素等。越來(lái)越多的研究表明，呼吸道微生物組的變化與哮喘的免疫學(xué)發(fā)病存在一定的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行深入的研究可為哮喘的診治提供新的思路。

支氣管哮喘(簡(jiǎn)稱哮喘)，是一種由多種炎癥細(xì)胞、炎癥介質(zhì)及細(xì)胞因子參與，以氣道炎癥、氣道高反應(yīng)性和廣泛多變的可逆性氣流受限為主要特征的氣道慢性炎癥疾病。哮喘的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，涉及多基因遺傳傾向，并與環(huán)境因素、免疫因素有關(guān)，當(dāng)外源性過(guò)敏原進(jìn)入哮喘患者機(jī)體后即被抗原提呈細(xì)胞吞噬并激活T細(xì)胞，被活化的輔助型Th2細(xì)胞產(chǎn)生白介素(IL)如IL-4、IL-5和及IL-13等激活B淋巴細(xì)胞分泌特異性IgE并與肥大細(xì)胞和嗜堿性粒細(xì)胞等表面的IgE受體結(jié)合；當(dāng)過(guò)敏原再次進(jìn)入患者體內(nèi)時(shí)，嗜堿性粒細(xì)胞和肥大細(xì)胞會(huì)分泌多種化學(xué)活性物質(zhì)，引起由IgE介導(dǎo)的過(guò)敏反應(yīng)。另一方面，活化的輔助性Th2細(xì)胞能引起嗜酸性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞在呼吸道聚集，促進(jìn)炎癥反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而引起支氣管水腫、痙攣以及支氣管平滑肌收縮[1-2]。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)者們普遍認(rèn)為下呼吸道是無(wú)菌的，但近年來(lái)，隨著宏基因組學(xué)二代測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，這種技術(shù)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于肺部感染性疾病的病原學(xué)診斷中，使得人們不但認(rèn)識(shí)到下呼吸道并非無(wú)菌，并且發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)技術(shù)相比宏基因組測(cè)序技術(shù)具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)[3-4]。相關(guān)研究表明，在健康和疾病狀態(tài)下人體呼吸道菌群的豐度和數(shù)量存在顯著差異[5-6]。Ege等[7]報(bào)道，生活環(huán)境中的微生物與宿主下呼吸道微生物組密切相關(guān)，兒童時(shí)期生活環(huán)境中暴露的微生物種類和數(shù)量越多，宿主哮喘的發(fā)病率越低。本文就哮喘的免疫學(xué)發(fā)病機(jī)制、呼吸道微生物組的變化及其對(duì)哮喘發(fā)病的影響等研究情況進(jìn)行綜述，旨為提高哮喘的診治水平提供參考。

1 哮喘的免疫學(xué)發(fā)病機(jī)制

1.1 Th1/Th2、Th17/Treg在哮喘中的作用機(jī)制 哮喘是一種因外源性變應(yīng)原進(jìn)入機(jī)體后由多種炎癥細(xì)胞、炎癥介質(zhì)及細(xì)胞因子參與的氣道慢性炎癥性疾病，其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，許多具體機(jī)制目前尚未完全闡明。1986年，Mosmann等[8]發(fā)現(xiàn)小鼠的CD4+T細(xì)胞可分為Th1和Th2兩種類型。之后，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)[9]，人類也有類似的Th1和Th2亞群，并且在Th1和Th2 之間存在相互調(diào)節(jié)的關(guān)系,即Th1/Th2功能平衡。Th1和Th2細(xì)胞均為效應(yīng)性T細(xì)胞，具有免疫調(diào)節(jié)功能，Th1細(xì)胞主要分泌Th1型細(xì)胞因子包括IFN-γ、TNF、IL-2，能促進(jìn)Th1的進(jìn)一步增殖，發(fā)揮細(xì)胞免疫的效應(yīng)，同時(shí)還能抑制Th2細(xì)胞的增殖；Th2細(xì)胞的主要功能是介導(dǎo)體液免疫應(yīng)答，通過(guò)產(chǎn)生IL-4、IL-5、IL-10以及IL-13等Th2型細(xì)胞因子，在抑制Th1細(xì)胞增殖的同時(shí)，協(xié)助和促進(jìn)B細(xì)胞增殖分化為能產(chǎn)生抗體的漿細(xì)胞，參與體液免疫應(yīng)答過(guò)程。Th1細(xì)胞和Th2細(xì)胞相互制約，共同調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答。哮喘的發(fā)病與Th2型細(xì)胞因子分泌過(guò)多有關(guān)，當(dāng)過(guò)敏原被吸入患者肺內(nèi)后，經(jīng)過(guò)氣道上皮下的抗原提呈細(xì)胞如巨噬細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞等的提呈作用，Th2淋巴細(xì)胞被激活[10]，而活化的Th2細(xì)胞產(chǎn)生的IL-3、IL-5和IL-13等會(huì)直接激活肥大細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞及巨噬細(xì)胞并使之聚集在氣道，這些細(xì)胞進(jìn)一步分泌多種炎癥因子，導(dǎo)致氣道慢性炎癥的發(fā)生。由此可見(jiàn)，Th1/Th2功能失衡是哮喘發(fā)病的主要機(jī)制，但Th1/Th2功能失衡并不能完全解釋哮喘的發(fā)病。近年的研究發(fā)現(xiàn)[11]，Th17/Treg失衡可能也是免疫性疾病的發(fā)生機(jī)制并日益受到重視。Th17細(xì)胞與傳統(tǒng)的Th1細(xì)胞不同，前者具有與Th1、Th2細(xì)胞不同的獨(dú)立分化途徑，其分泌的IL-17(包括IL-17A到IL-17F)、IL-21、IL-22等會(huì)刺激上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等分泌多種細(xì)胞因子如IL-8、MCP-1等趨化因子，從而募集和活化中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞[12]。與此同時(shí)，G-CSF、CM-CSF等集落刺激因子也會(huì)刺激骨髓造血干細(xì)胞產(chǎn)生更多髓樣細(xì)胞，通過(guò)IL-6、TNF-α和PGE2等誘導(dǎo)局部炎癥反應(yīng)的發(fā)生，因此Th17細(xì)胞被認(rèn)為參與了固有免疫，在某些炎癥的發(fā)生過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。Treg細(xì)胞是CD4+CD25+Foxp3+的T細(xì)胞，可通過(guò)表達(dá)CTLA4和分泌TGF-β、IL-10等細(xì)胞因子來(lái)抑制免疫應(yīng)答，在人類免疫耐受中發(fā)揮著重要的作用。不僅如此，Treg細(xì)胞在抗腫瘤免疫疾病、自身免疫性疾病、感染性疾病和器官移植等多種疾病中可緩解疾病的進(jìn)展； IL-10還可以抑制T細(xì)胞的增殖與分化，從而抑制Th1和Th2型細(xì)胞因子的合成與分泌，發(fā)揮免疫抑制作用[13]；TGF-β可通過(guò)抑制免疫效應(yīng)細(xì)胞的增殖、分化和活性，抑制細(xì)胞因子的產(chǎn)生及調(diào)節(jié)免疫而發(fā)揮免疫抑制作用[14]。研究結(jié)果顯示[15]，急性發(fā)作期哮喘患者的Th17細(xì)胞、IL-17水平與患者的FEV1、FEVl/FCV等肺功能相關(guān)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，而Treg細(xì)胞、血漿IL-10水平等與患者肺功能相關(guān)的指標(biāo)呈正相關(guān)。由此可以推測(cè)，患者哮喘的嚴(yán)重程度可能與其外周血Th17/Treg的平衡具有一定關(guān)系。

1.2 固有免疫機(jī)制 固有免疫又稱為天然免疫、非特異性免疫，是指機(jī)體在長(zhǎng)期種系進(jìn)化過(guò)程中逐漸形成的天然固有的抵御體外病原體侵襲、清除體內(nèi)抗原性異常的一系列免疫防御能力，主要由組織屏障、固有免疫細(xì)胞及固有免疫分子組成。過(guò)去人們對(duì)哮喘發(fā)病機(jī)制的研究多集中在適應(yīng)性免疫應(yīng)答方面，如上所述的Th1、Th2介導(dǎo)的適應(yīng)性免疫在哮喘發(fā)病的可能機(jī)制等，而近年來(lái)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，固有免疫應(yīng)答在哮喘的發(fā)病中同樣發(fā)揮著重要作用，其與適應(yīng)性免疫共同促進(jìn)氣道炎癥的發(fā)生，但具體機(jī)制目前尚不明確。模式識(shí)別受體(pattern recognition receptors，PRR)是一類能直接識(shí)別病原體及其產(chǎn)物或宿主凋亡細(xì)胞和衰老細(xì)胞表面某些共有特定分子結(jié)構(gòu)的受體，是一種與固有免疫系統(tǒng)相互作用的蛋白質(zhì)，其中Toll樣受體(Toll-likereceptors，TLR)是其中最重要的一種，TLR的激活可加劇氣道炎癥。未成熟的樹(shù)突狀細(xì)胞和肥大細(xì)胞等固有免疫細(xì)胞可表達(dá)TLR，在感染和炎癥過(guò)程中，被激活的樹(shù)突狀細(xì)胞、肥大細(xì)胞等可以釋放多種Th2型細(xì)胞因子，促進(jìn)協(xié)同刺激分子上調(diào)，增強(qiáng)杯狀細(xì)胞分泌黏液的能力，促進(jìn)嗜酸性粒細(xì)胞的增殖和滲出，從而引起氣道慢性炎癥[16]。另一種與哮喘密切相關(guān)的固有免疫成分為Ⅱ型固有免疫淋巴細(xì)胞(type-2 innatelymphoid cells，ILC2)，于2011年在人的腸道和肺組織中被首次發(fā)現(xiàn)[17]。ILC2屬固有免疫淋巴細(xì)胞的一種，功能與Th2細(xì)胞相當(dāng)。目前研究發(fā)現(xiàn)，ILC2是介導(dǎo)蛋白水解酶引起變應(yīng)性肺部炎癥和氣道高反應(yīng)性的主要細(xì)胞，并且是IL-5和IL-13的主要來(lái)源細(xì)胞，可導(dǎo)致嗜酸性粒細(xì)胞增殖活化，黏液分泌增加和氣道高反應(yīng)，參與不同表型哮喘的發(fā)生過(guò)程[18]。

2 呼吸道微生物組與哮喘

以往認(rèn)為機(jī)體下呼吸道是無(wú)菌的，但隨著宏基因組學(xué)二代測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展并越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于肺部感染性疾病的病原學(xué)診斷，不僅使得人們認(rèn)識(shí)到下呼吸道并非無(wú)菌，而且發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)與傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)技術(shù)相比在病原學(xué)診斷中具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)[3-4]。一些研究結(jié)果[5-6]顯示，在健康和疾病狀態(tài)下機(jī)體呼吸道菌群的豐度和數(shù)量存在顯著差異。在健康狀態(tài)下，人體上呼吸道中細(xì)菌密度最高，其中鼻腔和鼻咽的微生物群可達(dá)103～106個(gè)，下呼吸道的菌群種類與上呼吸道相似，但數(shù)量略有差別，氣管和肺泡灌洗液的菌群數(shù)量約為102個(gè)/mL。相關(guān)研究表明[19-20]，健康人體下呼吸道中存在的固定菌群主要包括厚壁菌門、放線菌門、梭桿菌門、變形菌門和擬桿菌門，其中厚壁菌門是呼吸道的優(yōu)勢(shì)菌群，擬桿菌門的普雷沃菌屬和厚壁菌門的鏈球菌屬是呼吸道的優(yōu)勢(shì)菌科。和健康人相比，哮喘患者呼吸道微生物組群發(fā)生了改變，其下呼吸道中以變形菌屬尤其是嗜血菌屬占優(yōu)勢(shì)。Huang等[21]的研究結(jié)果顯示，哮喘患者呼吸道中的細(xì)菌種類和數(shù)量均明顯增多，其中的變形桿菌、氣道高反應(yīng)性與Th17和IL-17介導(dǎo)的炎癥有關(guān)，變形桿菌能通過(guò)激活Th17參與其介導(dǎo)的炎癥途徑來(lái)增強(qiáng)中性粒細(xì)胞的聚集，從而促進(jìn)以中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)為主的哮喘的發(fā)生。Alnahas等[22]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，感染了卡他莫拉菌的小鼠會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)，伴大量中性粒細(xì)胞聚集以及血清IL-6、IL-17、TNF-α和IFN-γ水平的升高，如果小鼠在屋塵螨致敏期間發(fā)生細(xì)菌感染，氣道過(guò)敏反應(yīng)會(huì)增強(qiáng)，尤其是表現(xiàn)為血清Th17細(xì)胞增殖分化的增強(qiáng)和血清TNF-α水平的升高，這些表現(xiàn)都與過(guò)敏性疾病的發(fā)病有關(guān)。

哮喘嚴(yán)重程度和表型不同的患者其呼吸道微生物組分也各不相同。研究發(fā)現(xiàn)[23-25]，流感嗜血桿菌是嚴(yán)重哮喘患者氣道中最常見(jiàn)的潛在致病菌之一；在流感嗜血桿菌定植的小鼠中，流感嗜血桿菌能夠?qū)⑴c嗜酸性粒細(xì)胞相關(guān)的、對(duì)類固醇敏感的過(guò)敏性氣道疾病轉(zhuǎn)化為對(duì)類固醇不敏感的、與中性粒細(xì)胞相關(guān)的過(guò)敏性氣道疾病，表現(xiàn)為流感嗜血桿菌感染小鼠肺內(nèi)中性粒細(xì)胞明顯增多，且Th17及其分泌的IL-17也增多。一些研究結(jié)果[26]顯示，重度哮喘患者的誘導(dǎo)痰微生物組多樣性低于輕至中度哮喘患者和健康對(duì)照者,并且這種微生物多樣性與痰中的中性粒細(xì)胞數(shù)量呈負(fù)相關(guān)；嗜中性粒細(xì)胞表型哮喘患者的特征是其痰液微生物多樣性下降、卡他莫拉菌和嗜血桿菌比例增高。Abdel-Aziz等[27]報(bào)道，與重度哮喘患者比較，輕度哮喘患者具有更高的韋榮球菌屬豐度，提示這些細(xì)菌在慢性氣道疾病的發(fā)病中具有保護(hù)作用；Huang等[21]在對(duì)嚴(yán)重哮喘患者的研究中觀察到，Th17細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)與變形桿菌的種類和數(shù)量相關(guān)。由此可見(jiàn)，呼吸道微生物組的變化能通過(guò)改變宿主的免疫狀態(tài)而影響哮喘的發(fā)生發(fā)展。

3 小 結(jié)

隨著宏基因組學(xué)、16sRNA高通量測(cè)序、代謝組學(xué)、蛋白組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，不僅可在哮喘患者體內(nèi)檢測(cè)出多種病原體，而且能夠發(fā)現(xiàn)其呼吸道標(biāo)本中含量極少的微生物種類。這些技術(shù)不僅促進(jìn)了微生物組學(xué)的發(fā)展，也進(jìn)一步促進(jìn)了呼吸道微生物群失衡與哮喘發(fā)生相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)程。目前，有關(guān)呼吸道微生物組的變化與哮喘的免疫學(xué)發(fā)病機(jī)制的研究多為觀察性研究，具體的發(fā)病機(jī)制仍不明確，系統(tǒng)闡明微生物與哮喘發(fā)病之間的因果關(guān)系，可為哮喘的診治提供新的思路。