肺部、肠道菌群及其相互作用与慢性阻塞性肺疾病发生发展的研究进展

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是临床常见的呼吸系统疾病之一。在全球范围内，COPD的全因死亡率居慢性呼吸系统疾病的首位，每年导致300余万人死亡［1-2］。近年来，中国40岁以上人群中COPD患病率已上升至13.7%［3］，2020年COPD所致的死亡人数约为90万人［4］，如此高的患病率和死亡率对人类健康构成了巨大威胁。已知COPD受环境颗粒物污染［5］和遗传易感性［6］等因素影响较大，但并不能全面解释COPD的发病机制，有关COPD病因学内容亟待补充完善，并且该病尚缺乏满意的治疗方案。近年来微生物组学研究工作不断推进，现代医学提出了“肺-肠轴”的概念，共生菌群不仅帮助人体维持正常的生理功能，在COPD等疾病的发生、发展中也发挥着重要作用，通过使用中药、微生物制剂，调整饮食结构有助于恢复菌群平衡，直接或间接地减轻呼吸道症状、干预COPD病程进展［7］。因此，基于肺部、肠道菌群及其相互作用关系挖掘COPD的诊断与治疗靶点是当前研究的重要切入点。本文综述了COPD与肺部菌群、肠道菌群组成特点及潜在相互作用机制的最新研究进展，并展望了肺部菌群、肠道菌群作为COPD早期诊断及临床治疗新靶标的可行性及未来的研究思路。

本文文献检索策略：以COPD、Lung-gut axis、Lung microbiota、Gut microbiota、Metabolites为英文关键词，检索 PubMed、Cochrane Library；以慢性阻塞性肺疾病、肺部菌群、肠道菌群为中文关键词，检索中国知网、万方数据知识服务平台和维普网。检索时间为建库至2022年5月。纳入标准：与本研究主题有关的指南/共识、综述、Meta分析/系统评价、随机对照试验、临床试验研究和图书。排除标准：数据信息少、重复发表或无法获得全文的文献，质量差的文献。

1　肺部菌群概述及组成特征

1.1　健康肺部菌群　既往认为健康的肺部是无菌状态，但近年来已有研究证实上、下气道及肺实质均存在不同的微生物群落［8］。肺与富含微生物的鼻咽腔相连，微生物通过呼吸运动吸入获得，或受到胃食管反流的影响，使得微生物进入肺泡结构［9］。微生物从口腔至下呼吸道的扩散是健康肺部菌群组成的主要驱动因素，由于口腔内大量分泌唾液，产生的微量气溶胶会通过会厌被吸入，并且口腔和下呼吸道的环境条件足够相似，使健康肺部菌群的组成与口腔微生物的“中性分布”（即源群落扩散和肺内的生态漂移）相一致［10-11］。肺部菌群门水平以厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和变形菌门（Proteobacteria）为常见门类，在属水平上，拟杆菌属（Bacteroides）、普雷沃菌属（Prevotella）、假单胞菌属（Pseudomonas）、韦荣球菌属（Veillonella）、链球菌属（Streptococcus）、奈瑟菌属（Neisseria）、嗜血杆菌属（Haemophilus）和梭杆菌属（Fusobacterium）等占主导地位［12-13］。

1.2　COPD患者的肺部菌群　COPD患者与健康人群肺部菌群最丰富的门类均为厚壁菌门和拟杆菌门，但COPD患者变形菌门丰度较健康人群明显上升，属水平上丰度最高的是链球菌属、罗斯氏菌属（Rothia）、韦荣球菌属、普雷沃菌属和嗜血杆菌属［14-15］；COPD急性加重期（AECOPD）患者同样表现出变形菌门的比例上升，加之嗜血杆菌属、莫拉菌属（Moraxella）和链球菌属的变化将影响整体微生物群落结构［16］。不可分型流感嗜血杆菌（NTHi）、卡他莫拉菌（Moraxella catarrhalis）、肺炎链球菌和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）是COPD患者中分离出的常见致病菌种，患者肺功能下降和气道炎症与致病菌负荷增加有关［17］。肺部菌群的相对丰度及多样性随着COPD病程进展而发生变化。研究发现，随着疾病严重程度增加，变形菌门丰度随之增加、α多样性降低；更具体地说，这种转变包括嗜血杆菌属的显著增加和普雷沃菌属、韦荣球菌属的减少；相反，乳酸杆菌属（Lactobacillus）数量与恶化频率呈负相关［18］。临床症状频繁加重型患者痰液微生物群落具有α多样性降低的特点，其中γ-变形菌纲（莫拉菌属、嗜血杆菌属）的富集与疾病恶化相关［19］。已知肺部菌群失衡、致病菌定植是促进COPD进展的重要因素，病程中出现特殊菌群的减少或增加，可能由于益生菌抵消致病菌伤害或致病菌增殖侵害宿主而产生丰度变化。不足之处在于肺部菌群影响COPD发生、发展的作用机制尚未明晰，且需要更多研究阐明COPD患者肺部菌群的组成变化，以寻找COPD患者的肺部关键差异菌群（种）；目前研究成果将驱动COPD进展的关键肺部菌群指向嗜血杆菌属、莫拉菌属和链球菌属等，这些关键菌属可能作为COPD诊断和治疗的潜在靶标。

2　肠道菌群概述及组成特征

2.1　健康肠道菌群　人体肠道中拥有约40万亿微生物，其基因总数约为人类基因的150倍，被称为人体的“第二基因组”［20］。关于健康人群的肠道菌群组成特点已经有大量研究，其中门水平以厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门（Actinobacteria）占大多数，其次是变形菌门、疣微菌门（Verrucomicrobia）和梭杆菌门（Fusobacteria）［21］；属水平以粪杆菌属（Faecalibacterium）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、拟杆菌属和布劳菌属（Blautia）的丰度较高［22-23］。在小肠部位乳酸杆菌科（Lactobacillaceae）和肠杆菌科（Enterobacteriaceae）占主导地位，结肠部位则由拟杆菌科（Bacteroidaceae）、普雷沃菌科（Prevotellaceae）、理研菌科（Rikenellaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）和瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）等占主导地位［24］。

2.2　COPD患者的肠道菌群　肠道菌群通过向先天性免疫和适应性免疫途径发出信号来抵御病原体，肠道菌群及其代谢物分布组成的改变会影响肺的黏膜免疫系统，这可能是COPD的发病机制之一［25］。AECOPD患者粪便样本中丰度最高为厚壁菌门，其次是拟杆菌门、变形菌门、放线菌门和疣微菌门［26］。在科水平上，相较健康受试者，COPD患者双歧杆菌科、真杆菌科、乳酸杆菌科、微球菌科（Micrococcaceae）、链球菌科和韦荣球菌科增多，但个体间富集程度存在较大的差异；减少的属主要包括毛螺菌科的拟杆菌属、蔷薇菌属（Roseburia）和毛螺菌属［27］。从临床分期来看，Ⅰ期COPD患者Tyzzerella 4和戴阿利斯特杆菌属（Dialister）减少，Ⅱ~Ⅳ期的瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）NK4A214组及蓝绿藻菌属（Lachnoclostridium）相对减少，Ⅲ~Ⅳ期的梭杆菌属和气球菌属（Aerococcus）数量较为丰富。另一项研究发现Ⅰ~Ⅱ期普雷沃菌科丰度较高，Ⅲ~Ⅳ期拟杆菌门、拟杆菌科、梭杆菌科（Fusobacteriaceae）和短链脂肪酸（SCFA）水平均相对较低［28］。健康人群、COPD患者肺部菌群和肠道菌群的比较，见表1。

通过对COPD稳定期和AECOPD患者的粪便进行研究发现，肠道菌群组成结构与宿主炎性因子及肺功能相关，霍氏真杆菌（Eubacterium hallii）、Anaerostipes菌、毛螺旋菌属、双歧杆菌和乳酸杆菌等COPD潜在益生菌，可改善患者体内炎症指标、肺功能，而普雷沃菌属-9、蓝绿藻菌、副拟杆菌属（Parabacteroides）、屎肠球菌（E.faecium）和粪肠球菌（E.faecalis）水平则与患者临床指标的恶化相关［29-30］。另外，链球菌属、前庭链球菌（Streptococcus vestibularis）和毛螺菌科的多个菌种被确定为COPD患者与健康人群粪便样本之间的关键区别，其组成差异同样与肺功能下降有关［27］。因此，COPD患者的肠道菌群、代谢组与健康人群不同，随着研究的深入有望寻找到在COPD发生、发展中发挥关键作用的生物标志物，为合理的疾病分型提供新依据，具有良好的临床应用价值前景。

3　肺部、肠道菌群基于肠-肺轴的相互作用

肺-肠轴的动力学基础和密切关系源于呼吸道、胃肠道黏膜上皮均从原肠内胚层分化发育，决定了两者黏膜结构的同源性以及生理功能的相似性；肺部、肠道通过淋巴循环、血液循环和黏膜免疫系统相互作用、相互制约，受自身及双方菌群平衡的影响参与局部和全身免疫反应，实现双向调节［31-32］。目前研究发现，其具体相互作用机制主要有以下途径。

3.1　肺部与肠道直接通过微生物菌体相互影响　定植于呼吸道和消化道黏膜上的微生物通过肺-肠轴相互沟通，直接对肺、肠组织产生调控作用。如败血症模型小鼠的肠道拟杆菌属通过肺-肠轴迁移至肺部群落中富集，改变肺部菌群组成特征，加重败血症的炎症程度［33］。肠道中定植的分段丝状细菌（SFB）可以在肺部真菌感染期间调节CD4+T淋巴细胞极化，提升肺部辅助T淋巴细胞（Th）17的抗真菌免疫功能［34］。相反，肺部疾病或致病菌的肺部定植同样会影响肠道健康。呼吸道中耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）或铜绿假单胞菌定植引发肺部感染形成败血症，破坏了肠道完整性，具体表现为肠上皮细胞凋亡增加、绒毛长度和隐窝细胞增殖减少［35］。脂多糖（LPS）急性暴露诱导的小鼠急性肺损伤会破坏肺部菌群平衡，肺部梭状芽孢杆菌（Clostridium）和毛螺菌科易位进入血液循环，导致肠道总细菌负荷急剧增加，干扰肠道菌群平衡［36］。

3.2　肺部菌群与肠道菌群通过介导免疫系统相互影响　肺部菌群和肠道菌群中多个细菌种属，能通过肺-肠轴介导免疫调节信号，对呼吸系统疾病的免疫稳态起到了重要调节作用［37］。一方面，宿主共生菌群所产生的免疫调节信号，能起到维持机体健康的重要作用。肠道共生菌群通过Toll样受体4（TLR4）发出信号诱导结肠固有层树突状细胞（DC）分泌干扰素（IFN）-β调节机体IFN-I反应［38］；其中变形菌可以选择性调节白介素（IL）-33控制2型固有淋巴细胞（ILC2）向肺部定向迁移和扩增以进行宿主防御［39］，提升肺部对致病性微生物的抵抗力。另一方面，当机体因感染、治疗等因素造成肺部菌群、肠道菌群紊乱时，机体免疫稳态也遭到破坏。研究发现，呼吸道遭受微生物感染后，肠道中SFB的数量减少，大肠埃希菌数量增多，从而刺激肠道上皮细胞IL-15的表达上升，促进Th17细胞极化，诱导肠道免疫损伤［40］；而经过抗生素治疗后，肠道革兰阳性菌被消耗，出现呼吸道DC分布和活化状态受损，DC从肺迁移至淋巴结的数量减少，容易造成整体或局部免疫缺陷［41］。有研究将COPD Ⅲ~Ⅳ期患者的粪便悬浮液移植给生物质烟雾暴露小鼠后，出现气道重塑和黏液分泌增多等严重肺气肿改变，肺功能急速下降；而肠道菌群清除小鼠接受移植后，出现血浆中IL-1β和肿瘤坏死因子（TNF）-α水平显著增加，肺泡灌洗液（BALF）中白细胞百分比升高，成功诱导了肺部炎症和适应性免疫反应［28］；由此为COPD患者肠道菌群的改变能够引发气道炎症、加速COPD进展提供了更有利的证据。由于肺部菌群和肠道菌群的种群数量庞大，究竟是何种微生物所产生的免疫调节信号，发挥介导COPD免疫反应的作用，还需要更多的研究支持。

3.3　肠道菌群通过细菌表面分子和/或代谢产物影响肺部的免疫调节　细菌表面分子如LPS和肽聚糖（PG）可以被免疫系统识别并诱导宿主相应的体液和细胞免疫过程。LPS是大多数革兰阴性菌外膜的主要成分，其内毒素作用主要通过激活依赖TLR4或不依赖TLR4途径实现［42］。LPS通过外周循环作用于肠-肺轴，将LPS注入经抗生素干预的小鼠直肠内，可恢复小鼠肺部对流感病毒产生有效免疫反应的能力［43］。缺乏宿主防御因子肽聚糖识别蛋白4（PGLYRP4）的小鼠表现出肠道菌群改变，影响促炎细胞因子释放和肺部免疫功能，帮助对抗肺炎链球菌感染［44］；COPD常见致病菌NTHi细胞壁的关键成分脂寡糖可调节巨噬细胞免疫活性，驱动中性粒细胞募集IL-8和TNF-α［17］；这些细菌表面分子不利于COPD的预后。肠道菌群的代谢产物以SCFA为代表，SCFA通过组蛋白去乙酰化酶抑制剂调节细胞染色体乙酰化修饰状态，或通过SCFA-G蛋白受体信号转导途径激活细胞，发挥生理调控作用［20］。SCFA可以促进免疫细胞成熟，调控肠道菌群原位稳态［45］，也通过循环系统转移到远端器官，产生肠外效应［46］。此外，还有多种肠道菌群代谢产物参与机体免疫调节，如前列腺素F2α［47］、支链羟基酸［48］、吲哚丙酸［49］、L-组氨酸和丙酸咪唑［50］等，其对肺部的作用机制仍有待进一步研究。

同时，细菌表面分子和代谢产物通过直接作用于常驻肺免疫细胞或间接通过循环免疫细胞的免疫重编程，或两种作用方式兼有，共同调节肺部炎性反应。如LPS与SCFA丙酸盐、乙酸盐可协同介导肺免疫张力；肺部低丙酸、乙酸水平会诱导免疫启动，以支持正常促炎反应；而肠道菌群失调引起的高丙酸、乙酸水平可能会重新编程肺部免疫并造成无菌感染等异常结果［51］。在体外，LPS能调节游离脂肪酸受体（FFAR）2和FFAR3在肺泡巨噬细胞（AM）、肺泡2型上皮（AT2）细胞中的表达，FFAR的表达变化可能改变肠-肺轴信使SCFA的反应，影响下游肺部炎症和宿主免疫防御反应［52］。

4　通过调节肺部菌群与肠道菌群平衡干预COPD

4.1　益生菌或粪菌移植干预COPD　根据肠道、肺部菌群和免疫系统之间的相互作用对COPD的重要影响，人们已经尝试利用益生菌或粪菌移植来改变COPD患者紊乱的菌群结构，降低致病菌对肺、肠组织的损伤。研究发现，益生菌能增强自然杀伤（NK）细胞活性，促进Th1细胞介导免疫应答，激活小肠和肺部的免疫球蛋白（Ig）A依赖型黏膜免疫［53］，并显著减少气道嗜酸粒细胞数量［54］，降低气道敏感性及呼吸道感染的风险；体外试验发现乳酸杆菌对COPD常见定殖致病菌，如卡他莫拉菌具有明显抑制作用［55］。COPD患者在常规治疗基础上联合口服益生菌，可纠正肠道菌群失调情况，对肺功能和血清炎性指标（C反应蛋白、TNF-α）改善明显［56］；相比单一成分的益生菌制剂，复合型益生菌制剂如双歧杆菌四联活菌片能显著改善COPD合并呼吸衰竭患者的呼吸症状和营养水平，增加肠道益生菌数量，为疾病转归提供了良好的物质基础［57］。口服鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）能减少炎性细胞浸润和促炎因子、趋化因子的产生，降低了COPD气道和肺实质的炎性反应；其作用机制是由于核转录因子κB（NF-κB）、信号转导和转录激活因子3（STAT3）下调，刺激IL-10和TGF-β的分泌以抑制促炎因子，保护气道上皮屏障的完整性［58］。而粪菌移植能够解决COPD小鼠BALF和血清中IL-1β、TNF-α、IL-8等细胞因子升高所引发的炎性反应，减轻肺实质破坏和肺泡扩大程度［59］。无论是益生菌还是粪菌移植均属于活菌制剂，特别是粪菌移植存在菌种不可控的风险，可能导致异常免疫反应的发生。因此，在临床实践中，应把控活菌制剂的安全和质量风险，在提高疗效的同时尽可能减少不良反应事件的发生。

4.2　高膳食纤维饮食调节肺部、肠道菌群从而干预COPD　肠道菌群的代谢产物是宿主-微生物串扰的关键因素，对肠道健康或疾病起到决定性作用，同时会影响外周组织（如肺）的免疫环境［60］，肠道细菌发酵膳食纤维的代谢产物是维持免疫和组织稳态的重要信号分子，增加膳食纤维的摄入可以改变肺部菌群和肠道菌群中厚壁菌门、拟杆菌门的比例，提升肠内和血清中SCFA水平，促进调节性T 淋巴细胞（Treg） 生成，并通过转录调节抑制DC功能，减缓气道炎症的发展［61］。COPD模型小鼠在饲喂高膳食纤维饮食后，改变了肠道菌群组成结构，其中SCFA主要生产者拟杆菌门的丰度升高明显，粪便中SCFA乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐显著富集；并通过亚油酸途径在内的抗炎机制阻止COPD的发展，减轻炎性反应及肺泡破坏程度［62］；此外，一项前瞻性队列研究指出，高膳食纤维摄入量可能会降低当前和既往吸烟者COPD的患病风险［63］。高纤维饮食对COPD进展的保护作用可能受到微生物群、内源性代谢产物和免疫系统直接相互作用的影响；今后开发高膳食纤维制剂以调节肺部、肠道菌群和代谢产物的组成，从而抑制局部和全身炎症来减轻COPD的发展，或可成为改善COPD患者预后的重要手段。

4.3　中药调节肺部、肠道菌群及免疫系统从而干预COPD　“肺与大肠相表里”是中医脏腑关系的重要论述，《黄帝内经》中详细阐述了肺和大肠病理生理协同相关的密切联系，指导中医治疗肺病的临床实践思路。COPD归属于中医“肺胀”“喘证”的范畴，肺气不利将阻滞大肠气机升降，故治肺的同时兼顾治肠可以提升疗效。如中成药健脾化痰通腑颗粒可恢复AECOPD患者肠道菌群组成与对照组相似，显著减轻炎性反应，可能与中药诱导肠道菌群变化有关［64］。宣白承气汤在临床上能有效治疗以痰热内聚、便秘为特征的肺热腑实证COPD患者，通过干预后能逆转与COPD发生、发展相关的65种各级肺部、肠道细菌水平，其中包括大肠埃希菌-志贺菌属（Escherichia-Shigella）等，以及30种差异代谢产物主要涉及亚油酸代谢、牛磺酸和亚牛磺酸代谢、花生四烯酸代谢等［65］；通过积累戈登杆菌属（Gordonibacter）和阿克曼菌属（Akkermansia）等益生菌，抑制致病性链球菌属的生长，改善COPD小鼠的肠道菌群稳态，同时纠正Th17/Treg失衡、降低TNF-α、IL-1β和基质金属蛋白酶-9（MMP-9）的表达以抑制炎性细胞浸润来减轻肺部炎症［66］。然而，目前对中药干预菌群平衡的研究主要是观察性设计的横断面比较，未来可以开展中药干预肺-肠轴局部微生物结构和介导免疫细胞功能变化的深入研究，为符合中医治则治法的创新药物开发提供帮助。

5　总结与展望

随着微生物基因组学和代谢组学的进一步发展，肺-肠轴的潜在机制在许多临床现象和实验数据中被逐渐揭示，人们越来越意识到肺部菌群、肠道菌群及其代谢产物对机体健康的重要作用。尽管本文阐述了肺部菌群、肠道菌群及其相互作用与肺部疾病发生、发展密切相关，肺部、肠道菌群可通过肺-肠轴直接或间接参与COPD患者的肺部免疫和炎性反应。但当前肺部、肠道菌群及其相互作用与COPD发生、发展相关性的研究仍处于初级阶段，大多数研究内容属于观察性设计的横断面比较，在缺少纵向或介入性研究设计的情况下，对于识别微生物组与COPD临床特征之间的相关性存在缺陷，很难确定肺部、肠道菌群及其相互作用与COPD发生、发展之间的因果关系。未来，伴随着细菌示踪技术、高通量测序技术、宏基因组学及代谢组学等分析技术的进步，结合传统分子生物学及细胞实验等手段，科研人员将设计更为完备的试验方案进行体内及体外验证，详细阐明COPD患者肺部菌群、肠道菌群的组成及其相互作用，寻找到关键致病菌群（种）和差异代谢产物，完善肺部、肠道菌群及其相互作用诱发COPD发生、发展机制的研究，该领域可能会为COPD的诊断、预防和治疗带来革命性进展。

本研究所检索到的研究大多为横断面、观察性、单中心研究，缺少纵向或介入性、多中心的随机对照研究，还有待更多的文献支持。

本文无利益冲突。

参考文献略

本文来源：沈俊希，朱星，陈云志，等. 肺部、肠道菌群及其相互作用与慢性阻塞性肺疾病发生发展的研究进展［J］. 中国全科医学，2023，26（20）：2548-2554. DOI：10.12114/j.issn.1007-9572.2022.0539.