程雪 呂琳 于曉慧 孫皎琳 紀(jì)文文 劉佳 李婷婷 崔晨 胡婷華 石志紅

氣道表面液體(ASL)是呼吸道抵御病原體入侵的第一道防線(xiàn)，維持ASL葡萄糖穩(wěn)態(tài)對(duì)于發(fā)揮其屏障功能具有重要意義。在某些病理情況下(如高血糖、急性或慢性氣道炎癥等)，氣道葡萄糖穩(wěn)態(tài)受到破壞，ASL葡萄糖水平升高可通過(guò)影響病原體和宿主增加氣道對(duì)病原體的易感性，促使肺部感染的發(fā)生。目前肺部感染的治療主要依賴(lài)于抗生素的應(yīng)用，然而，隨著近年來(lái)病原體耐藥性的增加，新的治療思路及靶點(diǎn)有待進(jìn)一步研究。現(xiàn)將氣道葡萄糖與肺部感染的關(guān)系、相關(guān)機(jī)制及防治措施綜述如下。

一、正常氣道的葡萄糖穩(wěn)態(tài)

正常狀態(tài)下，氣道微生物群落與葡萄糖水平處于動(dòng)態(tài)平衡。在營(yíng)養(yǎng)相對(duì)貧乏的氣道環(huán)境中，幾乎沒(méi)有局部病原體的繁殖。ASL是存在于呼吸道表面的一層襯液，其理化性質(zhì)對(duì)于維持呼吸道表面微環(huán)境穩(wěn)態(tài)具有重要意義。

人類(lèi)血漿中的葡萄糖水平通常<5 mmol/L，鼻腔分泌物的葡萄糖水平<1 mmol/L，而下呼吸道表面液體中葡萄糖水平為(0.4±0.2) mmol/L，比血漿中的水平低12.5倍[1]。血液和細(xì)胞間質(zhì)中的葡萄糖主要通過(guò)細(xì)胞旁途徑被動(dòng)擴(kuò)散至呼吸道上皮細(xì)胞表面，同時(shí)，上皮細(xì)胞攝取葡萄糖進(jìn)行代謝，從而限制ASL葡萄糖聚積，維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)[2]。

葡萄糖的細(xì)胞旁流量取決于氣道上皮緊密連接的滲透性和跨上皮葡萄糖梯度。氣道上皮緊密連接由連接黏附分子、密封蛋白(claudins)和閉合蛋白(occludins)組成，這些蛋白質(zhì)與細(xì)胞骨架蛋白相連，并通過(guò)支架蛋白(ZO)-1相互連接，維持跨上皮細(xì)胞阻力，允許特定分子在細(xì)胞間進(jìn)行選擇性通透和彌散[3]。血液、細(xì)胞間質(zhì)及ASL中的葡萄糖通過(guò)氣道上皮細(xì)胞表面的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUTs)和鈉依賴(lài)性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SGLTs)攝取，然后由胞內(nèi)己糖激酶催化形成葡萄糖-6-磷酸進(jìn)行利用。隨著葡萄糖磷酸化水平升高，細(xì)胞內(nèi)葡萄糖水平維持在較低水平，有助于維持細(xì)胞內(nèi)外葡萄糖水平梯度，促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，從而維持ASL葡萄糖穩(wěn)態(tài)[4]。

二、氣道葡萄糖穩(wěn)態(tài)和肺部感染

正常人體ASL葡萄糖通過(guò)氣道上皮細(xì)胞自身調(diào)節(jié)維持在較低水平，限制氣道病原體增殖。在某些病理情況下(如高血糖、急性或慢性氣道炎癥)，氣道葡萄糖穩(wěn)態(tài)受到破壞，ASL葡萄糖聚積，從而促進(jìn)病原體繁殖，增加肺部感染的概率。

1.高血糖

血漿中高糖濃度通過(guò)增加跨上皮葡萄糖濃度梯度，促進(jìn)葡萄糖的細(xì)胞旁擴(kuò)散，導(dǎo)致ASL葡萄糖水平的增加。在健康志愿者中，當(dāng)血糖水平由<5 mmol/L升高至12～15 mmol/L時(shí)，鼻腔ASL葡萄糖水平由<1 mmol/L增加至(4.8±2.2) mmol/L[5]，下呼吸道ASL葡萄糖水平由(0.36±0.27) mmol/L升至(0.75±0.39) mmol/L[1]。兒童嚴(yán)重?zé)齻麜r(shí)，全身血糖水平升高超過(guò)特定閾值后使ASL葡萄糖水平升高，進(jìn)而促使細(xì)菌性肺部感染、敗血癥及急性呼吸窘迫綜合征的發(fā)生[6]。此外，應(yīng)激性高血糖也會(huì)增加院內(nèi)感染的風(fēng)險(xiǎn)。觀(guān)察ICU插管患者可發(fā)現(xiàn)，其支氣管分泌物中葡萄糖水平升高會(huì)使隨后在分泌物中檢出耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的風(fēng)險(xiǎn)增加1倍[7]。

在氣道上皮細(xì)胞-細(xì)菌共培養(yǎng)模型中，頂端金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌的生長(zhǎng)隨基側(cè)葡萄糖水平的提升而增加[8-9]。與體外試驗(yàn)相似，在動(dòng)物模型中觀(guān)察到糖尿病小鼠及大鼠支氣管肺泡灌洗液(BALF)葡萄糖水平與金黃色葡萄球菌及銅綠假單胞菌增殖率存在明顯的劑量-反應(yīng)關(guān)系[9-10]。通過(guò)對(duì)細(xì)菌菌株中影響葡萄糖吸收和代謝的基因進(jìn)行基因編輯[11]、藥物干預(yù)影響氣道上皮細(xì)胞的滲透性及葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的分布[10,12]，均可限制ASL中細(xì)菌的繁殖。

2.氣道炎癥

多種呼吸系統(tǒng)疾病均與氣道急性或慢性炎癥有關(guān)，如病毒性鼻炎、哮喘、慢性阻塞性肺疾病、囊性纖維化等。當(dāng)正常的葡萄糖穩(wěn)態(tài)被氣道炎癥破壞時(shí)，ASL葡萄糖水平升高[2-3,13]。腫瘤壞死因子α、干擾素γ等促炎介質(zhì)一方面通過(guò)降低呼吸道上皮細(xì)胞跨上皮阻力，顯著降低緊密連接的通透性，增加細(xì)胞旁葡萄糖通量；另一方面通過(guò)增加GLUTs表達(dá)，促進(jìn)氣道上皮細(xì)胞頂側(cè)葡萄糖攝取，但難以完全抵消增加的葡萄糖通量，最終導(dǎo)致ASL葡萄糖水平升高[14]。

2018年，Mallia等[15]進(jìn)行了一項(xiàng)前瞻性隊(duì)列研究，首次發(fā)現(xiàn)慢性阻塞性肺疾病(簡(jiǎn)稱(chēng)慢阻肺)穩(wěn)定期患者氣道葡萄糖水平高于正常人，且其在急性加重期可進(jìn)一步升高。痰液葡萄糖水平與痰炎癥介質(zhì)水平、病毒載量及細(xì)菌載量顯著相關(guān)，具有較高葡萄糖水平的氣道樣本在體外更有利于銅綠假單胞菌的生長(zhǎng)。因此，慢阻肺患者氣道葡萄糖聚積可能是慢阻肺合并肺部感染的高危因素，降低氣道葡萄糖水平可能有利于降低肺部感染的概率，延緩慢阻肺疾病進(jìn)程。

與之類(lèi)似，急性病毒性鼻炎、慢性鼻竇炎患者鼻腔葡萄糖水平也顯著高于正常人[16-17]?；加新员歉]炎的糖尿病患者感染銅綠假單胞菌或其他革蘭陰性桿菌的風(fēng)險(xiǎn)是未患慢性鼻竇炎患者的3倍[18]。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)端氣道分泌物中的微生物菌群紊亂與多種慢性氣道疾病的發(fā)作或進(jìn)展有關(guān)，包括哮喘、支氣管擴(kuò)張、閉塞性支氣管炎、特發(fā)性肺纖維化等[19]。然而，氣道葡萄糖與這些疾病并發(fā)呼吸道感染的關(guān)系仍有待進(jìn)一步研究。

三、氣道葡萄糖促使肺部感染的可能機(jī)制

1.葡萄糖為病原體提供生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)

充足的營(yíng)養(yǎng)是病原體進(jìn)行新陳代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)，葡萄糖作為主要能源物質(zhì)之一，與病原體生長(zhǎng)繁殖關(guān)系較為密切。流感嗜血桿菌是一種與人類(lèi)上呼吸道共生的致病菌，其通過(guò)分解葡萄糖產(chǎn)生醋酸鹽、甲酸鹽及琥珀酸等代謝產(chǎn)物。當(dāng)流感嗜血桿菌中葡萄糖的代謝基因失活時(shí)，突變株細(xì)菌的菌落數(shù)量明顯減少[20]。在氣道上皮細(xì)胞-細(xì)菌共培養(yǎng)模型中，基側(cè)葡萄糖水平(5～20 mmol/L)與頂端金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)存在顯著的相關(guān)性[9,21]。

2.葡萄糖代謝產(chǎn)物刺激機(jī)體表達(dá)炎癥基因

醋酸鹽作為流感嗜血桿菌分解葡萄糖的代謝產(chǎn)物，可促進(jìn)人肺上皮細(xì)胞表達(dá)IL-8等炎癥基因，而醋酸鹽代謝基因失活的細(xì)菌突變株對(duì)氣道上皮細(xì)胞炎癥基因表達(dá)的刺激作用顯著降低[20]，進(jìn)一步證實(shí)醋酸鹽的免疫調(diào)節(jié)作用。此外，厭氧菌分解碳水化合物的代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸(SCFAs)也可作為免疫調(diào)節(jié)劑影響氣道上皮細(xì)胞粒細(xì)胞集落刺激因子(G-CSF)、IL-6、IL-8等炎癥因子的表達(dá)，促進(jìn)銅綠假單胞菌的生長(zhǎng)[22]。由此可見(jiàn)，氣道葡萄糖為細(xì)菌提供生長(zhǎng)繁殖的原料促使肺部感染的發(fā)生，同時(shí)細(xì)菌分解葡萄糖產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物進(jìn)一步影響細(xì)菌的生存環(huán)境，促進(jìn)細(xì)菌繁殖，二者的作用是相互的。

3.高葡萄糖損害機(jī)體免疫功能

ASL是呼吸系統(tǒng)抵抗吸入病原體、毒素、顆粒物的屏障，其中含有多種抗菌肽及巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等免疫吞噬細(xì)胞，有助于維持呼吸道黏膜的天然免疫功能[23]。高糖誘導(dǎo)人氣道上皮細(xì)胞縫隙連接蛋白43、ZO-1和occludins的表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致氣道上皮的跨上皮電阻(TER)降低，引起氣道上皮屏障功能障礙[24]。

此外，ASL中過(guò)高的葡萄糖通過(guò)糖基化天然或獲得性免疫蛋白損害宿主免疫，同時(shí)糖基化上皮細(xì)胞降低細(xì)胞對(duì)病原體侵襲的抵抗力，進(jìn)而增加肺部感染的概率[16]。如前文所述，血漿中高糖濃度通過(guò)增加跨上皮葡萄糖濃度梯度，導(dǎo)致ASL葡萄糖水平上升。一項(xiàng)體內(nèi)研究表明，糖尿病小鼠肺中的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(ACE2)蛋白水平較非糖尿病小鼠升高[25]。高血糖可通過(guò)糖基化ACE2受體[26]，并增加支氣管黏膜細(xì)胞ACE2受體表達(dá)[27]，促進(jìn)新型冠狀病毒(SARS CoV-2)進(jìn)入宿主細(xì)胞，導(dǎo)致臨床癥狀的發(fā)生。

四、恢復(fù)氣道葡萄糖穩(wěn)態(tài)的措施

1.降血糖

糖尿病是發(fā)生肺部感染的高危因素，當(dāng)患者血糖水平得到控制時(shí)，糖尿病患者與正常人發(fā)生細(xì)菌性肺部感染的風(fēng)險(xiǎn)無(wú)明顯差異[13]。高血糖動(dòng)物的氣道細(xì)菌負(fù)荷高于對(duì)照動(dòng)物，二甲雙胍可降低高血糖動(dòng)物BALF葡萄糖水平，并顯著降低氣道內(nèi)的細(xì)菌負(fù)荷[11]。與之相似，達(dá)格列凈和過(guò)氧化物酶體增殖劑激活受體γ(PPAPγ)激動(dòng)劑也可通過(guò)抑制糖尿病小鼠高血糖誘導(dǎo)的ASL葡萄糖聚積，進(jìn)而降低細(xì)菌增殖[2,22]。

2.降低氣道上皮緊密連接的滲透性

ZO-1、occludins和claudins是決定細(xì)胞旁通透性的主要連接蛋白，根據(jù)溶質(zhì)的大小和電荷選擇性控制溶質(zhì)滲透。二甲雙胍通過(guò)激活腺苷酸活化蛋白激酶減少促炎介質(zhì)的產(chǎn)生，提高氣道上皮細(xì)胞TER，減少細(xì)胞旁葡萄糖通量，抑制葡萄糖誘導(dǎo)的銅綠假單胞菌[12]及金黃色葡萄球菌[9,21]生長(zhǎng)。上皮細(xì)胞經(jīng)二甲雙胍預(yù)處理后，能夠抑制銅綠假單胞菌引起的claudin-1和occludins豐度降低，因此，claudin-1、occludins可能是調(diào)節(jié)氣道上皮細(xì)胞通透性和抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的重要靶點(diǎn)[12]。

此外，糖皮質(zhì)激素[28]、1,25-二羥維生素D3[29]、PPAPγ激動(dòng)劑[30]、阿奇霉素[31]、胰島素[32]等多種藥物均可通過(guò)上調(diào)氣道上皮細(xì)胞緊密連接蛋白表達(dá)，增加TER，可能有助于減少葡萄糖聚積。然而，這些藥物能否通過(guò)增強(qiáng)上皮屏障功能影響人體氣道葡萄糖水平，從而對(duì)肺部感染的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后產(chǎn)生影響，值得進(jìn)一步探討。

3.增加氣道上皮葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)

糖尿病大鼠肺泡細(xì)胞經(jīng)異丙腎上腺素處理后，胞內(nèi)SGLT-1水平顯著降低，胞膜SGLT-1水平升高[10]，進(jìn)而降低BALF葡萄糖水平，抑制耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)及銅綠假單胞菌的增殖。根皮苷與異丙腎上腺素的作用恰好相反，其可提高BALF葡萄糖水平，促進(jìn)細(xì)菌增殖[10]。與之相似，胰島素可誘導(dǎo)氣道上皮細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)的GLUT-4儲(chǔ)存囊泡向細(xì)胞膜移位，促進(jìn)上皮細(xì)胞攝取葡萄糖[32]，維持ASL葡萄糖穩(wěn)態(tài)。

4.增強(qiáng)氣道上皮細(xì)胞內(nèi)葡萄糖代謝：在降低ASL葡萄糖水平的過(guò)程中，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體和上皮細(xì)胞內(nèi)葡萄糖代謝酶的聯(lián)合作用不可或缺。當(dāng)支氣管上皮細(xì)胞中參與葡萄糖氧化分解的酶被抑制時(shí)，ASL葡萄糖水平增加[4,33]。PPARγ激動(dòng)劑也可通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)糖代謝限制葡萄糖聚積[2]。

五、小結(jié)及展望

正常狀態(tài)下，氣道葡萄糖維持在較低的動(dòng)態(tài)平衡水平。通過(guò)剝奪病原體的必要營(yíng)養(yǎng)抑制其生長(zhǎng),可能是機(jī)體預(yù)防肺部感染的一種自我保護(hù)機(jī)制。近年來(lái)已證實(shí)糖尿病、慢阻肺、囊性纖維化等多種疾病可能通過(guò)增加跨上皮細(xì)胞葡萄糖濃度梯度、減小跨上皮阻力，增加葡萄糖細(xì)胞旁流量，導(dǎo)致ASL葡萄糖聚積，增加肺部感染的概率。目前肺部感染的治療主要依賴(lài)于抗生素，隨著近年來(lái)病原體耐藥性增加，新型非抗生素療法值得進(jìn)一步探究。氣道葡萄糖水平從氣道微環(huán)境角度提出包含肺部感染發(fā)生、發(fā)展和治療整個(gè)過(guò)程的新思路。預(yù)計(jì)未來(lái)隨著科學(xué)研究的不斷深入，降低氣道葡萄糖的干預(yù)措施將在肺部感染的治療中發(fā)揮重要作用。