引用本文: 李乃健, 李冰, 冉丕鑫. 大气颗粒物对肺部微生态的影响及在慢性阻塞性肺疾病发病中的作用. 中国呼吸与危重监护杂志, 2018, 17(2): 206-209. doi: 10.7507/1671-6205.201710001 复制
大气颗粒物(particulate matter,PM)是指空气中悬浮的混合污染物,包括烟雾、灰尘、固体或液体的复杂混合物,以及多种生物成分,主要来源于自然现象(如沙尘暴)、工业生产、生物燃料使用和交通相关活动。大气 PM 的暴露与多种疾病的患病率和死亡率有着明显的相关性[1-2]。流行病学研究表明,大气 PM 暴露显著增加呼吸系统疾病的患病风险[3-5],我们发现这在慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)上表现得尤为明显[6-7],而减少 PM 暴露的浓度能够改善慢阻肺患者的肺功能和减少急性发作[8]。鉴于大气 PM 暴露是慢阻肺发病的重要危险因素,因此研究 PM 在慢阻肺发病中的机制就显得尤为重要及迫切,目前对于 PM 暴露致慢阻肺发病的研究主要集中在炎症机制方面[9-12],但随着近年来对肺部微生态认识的不断加深,PM 暴露对肺部微生态的影响以及在慢阻肺发病机制中的作用开始受到科研工作者的关注[13]。因此,本文就目前国内外关于 PM 对肺部微生态的影响以及在慢阻肺发生中的作用的研究进展做一综述。
1 肺部微生态在慢阻肺发病过程中的变化
慢阻肺的特征是不完全可逆性气流受限,但慢阻肺在疾病的表型、病情进展、组织学异常和急性发作上常常具有异质性,这也是慢阻肺的发病机制还没完全清楚的重要原因。随着近年来测序技术(如 16S ribosomal RNA)和生物信息学的发展,相关研究结果改变了我们对肺部疾病和微生物之间的看法,也模糊了微生物“定植”和“感染”之间的界限。目前,下呼吸道不再被认为是无菌状态,而是跟肠道一样存在有大量的定植菌群[14-15],而这种菌群的存在保持着一种动态的平衡,慢性疾病条件往往对常驻菌群的繁殖更为有利。最近研究表明,肺部菌群的定植与慢阻肺患者肺部炎症反应、气道病理改变、局部免疫应答以及临床症状的加重均密切相关[16-17]。
慢阻肺的菌群研究结果显示,随着慢阻肺严重程度的增加,肺部菌群的多样性降低。首先,前人分别证实了慢阻肺患者的下呼吸道并不是无菌的,而是存在有大量可被检测到的细菌菌群,并且上呼吸道菌群和下呼吸道(支气管树)菌群之间存在着差异[18-19]。Galiana 和 Garcia-Nunez 等[20-21]研究发现重度慢阻肺患者诱导痰标本中的菌群多样性较轻度和中度患者减少,而放线菌属的比例在轻中度慢阻肺患者中却是增加的,并指出放线菌属的比例可能预测慢阻肺病情的严重程度。Erb-Downward 等[15]对“健康”吸烟者和慢阻肺患者的肺泡灌洗液进行测序,发现肺功能较差的患者其肺部菌群的多样性往往较低,假单胞菌属与这种变化密切相关。同样随着肺气肿病理病变加重以及肺部 CD4+细胞的浸润增加,肺部菌群的多样性和丰度明显下降[16]。
慢阻肺急性加重期同样与肺部菌群的变化密切相关。Molyneaux 等[22]发现在鼻病毒感染后,慢阻肺急性加重患者呼吸道中的细菌菌群负荷显著增加,其中流感嗜血杆菌的比例显着增长,但在健康个体中却不存在这种现象。而 Wang 等[23]进一步指出肺部菌群的变化可能是急性发作的表型之一。慢阻肺患者急性加重期经治疗后与发作期间相比,其诱导痰中细菌丰度较急性发作期间明显下降(>2 倍差异)。在急性加重期期间,增加的细菌菌群主要是变形杆菌门(Proteobacteria),一部分经抗生素治疗后好转的患者表现为变形杆菌门丰度下降,与此相反的是经皮质类固醇治疗后好转的患者却表现为变形杆菌门的丰度上升[24]。由此可见,抗生素和类固醇这两种不同的治疗手段似乎对肺部菌群有着不同的影响。总的来说,上述研究结果指出了慢阻肺的发病过程中存在着潜在致病菌的定植,为我们对慢阻肺发病机制的研究以及治疗开辟了新的视野,但是这种菌群失衡与气道炎症、气流受限以及肺气肿病理改变的因果关系究竟如何,值得我们进一步研究。
2 PM 对肺部微生物的影响
近年来,PM 暴露对肺部微生态的影响以及在慢阻肺发病机制中的作用开始受到科研工作者的关注,但到目前为止研究极为有限。Yu 等[25]发现,人体内的微生物菌群多样性与颗粒物的暴露密切相关,并随着居住环境污染程度的加重以及周围颗粒物暴露量的增加而增加。Rylance 等[26]在 Malawi 地区对使用不同燃料来源(生物燃料或电力)的居民的肺泡灌洗液进行高通量测序,发现低 PM 暴露组和高 PM 暴露组在菌群的生物多样性上并没有显著性的差异,但在高 PM 暴露组中却发现潜在致病菌奈瑟球菌和链球菌的丰度明显升高。有趣的是,他们同时还发现佩特罗菌属(Petrobacter)的丰度在主要使用生物燃料的人群中要较主要使用电力燃料的人群明显升高。这表明肺部菌群的特征性改变或许与不同来源的 PM 相关。我们近期的研究发现,暴露于生物燃料来源颗粒物和机动车尾气来源颗粒物 4 周后能够改变大鼠肺部菌群组成,而这种菌群的改变是先于组织结构发生变化出现的[27]。生物燃料暴露与机动车尾气暴露后细菌的负荷量要高于清洁空气对照组,虽然机动车尾气组暴露的浓度更低,但在细菌的负荷量上确是最高的,这表明肺部微生物的改变与不同的颗粒物暴露源密切相关。
3 PM 引起的微生态改变在慢阻肺发病中的作用
PM 通过直接影响肺部微生态促进慢阻肺的进展。吸入的颗粒物沉积在呼吸道中,较大的颗粒(如 PM10)易沉积在上呼吸道(鼻腔)中,而较小的颗粒物(如 PM2.5)和气体则更易吸入到下呼吸道[28]。这些吸入的颗粒物引起肺部的氧化应激、微环境或局部免疫的变化,则可能导致肺部菌群的失衡并且直接促进慢阻肺的发病。恶性循环假说(Vicious circle hypothesis)的提出,用以解释吸烟者慢性下呼吸道细菌定植如何引起持续性的慢性炎症并引起吸烟相关性肺病的机制(图 1)[29-30]。该假说的核心在于提出一旦病原体因吸入烟雾颗粒引起的黏膜纤毛清除功能障碍而在下呼吸道中定植,那么将会进一步的损害黏膜纤毛的清除功能,同时也导致黏液生成增加,损伤气道上皮,下调 IgA 水平,影响吞噬细胞的吞噬功能[31-32]。细菌有关产物和细菌导致的上皮损伤均会损害宿主的免疫力,进一步使得微生物进入下呼吸道,并最终导致持续的慢性炎症和肺部微生物定植。最终,这个无止境的循环被称为恶性循环。从吸烟者以及存在菌群定植患者的下呼吸道中经常分离出流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌、肺炎链球菌和铜绿假单胞菌,而在慢阻肺急性发作期间分离出的病原菌最常见的是流感嗜血杆菌[29]。
PM 通过肠-肺轴间接促进慢阻肺的发病(图 2)。慢阻肺虽然是呼吸道疾病,但慢阻肺患者的肺外表现,特别是胃肠道的疾病却很是常见[33-34]。肠道菌群微生态是机体内环境稳定的重要保障因素,肠道菌群在调节机体免疫中发挥了重要的作用,而肺作为全身血液的重要滤过器管,难免会受到肠道作用的影响。肠道菌群和慢阻肺之间的关系和调节机制及如何相互促进,开始受到人们的关注[35]。例如,肠道菌群不仅有益于防御肠道的局部感染,还可以调节全身免疫反应,通过肠-肺轴启动肺泡巨噬细胞防御肺炎链球菌性肺炎[33];皮下注射灭活的克雷伯菌(Klebsiella)提取物够减轻烟雾暴露小鼠的肺部炎症[36]。这表明宿主-微生物相互作用的影响远远超出了肠道局部器官,甚至影响了肺部疾病的发生。大气中的 PM 一方面通过呼吸道黏膜纤毛运输迅速从肺部清除而进入肠道,另一方面 PM 还能够通过污染我们的食物和水源的方式直接进入我们的肠道[37]。吸烟作为吸入暴露的一个例子,在动物模型上已被证明能够引起肠道菌群的变化[38]。Kish 等[39]发现摄入污染物颗粒能够引起小鼠肠道炎症并改变肠道正常菌群的组成,肠道中这些微生物丰度的变化与短链脂肪酸的生成相关,喂食污染物颗粒的小鼠其盲肠中异丁酸和异戊酸浓度明显增加。Allais 等[40]在改用慢性烟雾暴露的小鼠身上得到了相似的结论。健康的肠道菌群通过结构配体[如脂多糖(LPS)和/或肽聚糖]和分泌代谢物[如短链脂肪酸(SCFAs)]来维持肠道内局部免疫应答的平衡。而暴露于烟雾或颗粒物引起的肠道菌群异常可引起全身性炎症和机会性病原体的生长,通过肠-肺轴导致远端部位(肺)的持续性慢性炎症[41]。其可能机制如下:PM 对肠上皮细胞具有直接损伤作用,同时可被肠道常驻菌群代谢为有毒代谢产物;PM 通过诱导肠上皮的活性氧(ROS)产生增多而增加肠道通透性,使得微生物产物和颗粒物质进入固有层,增加与免疫细胞的相互作用,激活肠道局部免疫,释放促炎性细胞因子入血;常驻免疫细胞的促炎反应进一步增加肠道的通透性并改变肠腔微环境,而更适合在炎性环境中存活的特定微生物菌株将成为优势菌,肠道菌群的改变导致无益的代谢产物增多和短链脂肪酸的生成减少,进一步加重了远端部位(肺)的持续性慢性炎症[42]。
4 小结
目前,国内外对 PM 对肺部微生态的影响以及在慢阻肺发生中的作用研究甚少,许多相关的致病机制仍有待阐明。未来对肺部微生态的研究将为慢阻肺的防治提供新的有效手段,尤其是对呼吸道或肠道益生菌制剂使用的研究,将有助于慢阻肺的早期防治。
大气颗粒物(particulate matter,PM)是指空气中悬浮的混合污染物,包括烟雾、灰尘、固体或液体的复杂混合物,以及多种生物成分,主要来源于自然现象(如沙尘暴)、工业生产、生物燃料使用和交通相关活动。大气 PM 的暴露与多种疾病的患病率和死亡率有着明显的相关性[1-2]。流行病学研究表明,大气 PM 暴露显著增加呼吸系统疾病的患病风险[3-5],我们发现这在慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)上表现得尤为明显[6-7],而减少 PM 暴露的浓度能够改善慢阻肺患者的肺功能和减少急性发作[8]。鉴于大气 PM 暴露是慢阻肺发病的重要危险因素,因此研究 PM 在慢阻肺发病中的机制就显得尤为重要及迫切,目前对于 PM 暴露致慢阻肺发病的研究主要集中在炎症机制方面[9-12],但随着近年来对肺部微生态认识的不断加深,PM 暴露对肺部微生态的影响以及在慢阻肺发病机制中的作用开始受到科研工作者的关注[13]。因此,本文就目前国内外关于 PM 对肺部微生态的影响以及在慢阻肺发生中的作用的研究进展做一综述。
1 肺部微生态在慢阻肺发病过程中的变化
慢阻肺的特征是不完全可逆性气流受限,但慢阻肺在疾病的表型、病情进展、组织学异常和急性发作上常常具有异质性,这也是慢阻肺的发病机制还没完全清楚的重要原因。随着近年来测序技术(如 16S ribosomal RNA)和生物信息学的发展,相关研究结果改变了我们对肺部疾病和微生物之间的看法,也模糊了微生物“定植”和“感染”之间的界限。目前,下呼吸道不再被认为是无菌状态,而是跟肠道一样存在有大量的定植菌群[14-15],而这种菌群的存在保持着一种动态的平衡,慢性疾病条件往往对常驻菌群的繁殖更为有利。最近研究表明,肺部菌群的定植与慢阻肺患者肺部炎症反应、气道病理改变、局部免疫应答以及临床症状的加重均密切相关[16-17]。
慢阻肺的菌群研究结果显示,随着慢阻肺严重程度的增加,肺部菌群的多样性降低。首先,前人分别证实了慢阻肺患者的下呼吸道并不是无菌的,而是存在有大量可被检测到的细菌菌群,并且上呼吸道菌群和下呼吸道(支气管树)菌群之间存在着差异[18-19]。Galiana 和 Garcia-Nunez 等[20-21]研究发现重度慢阻肺患者诱导痰标本中的菌群多样性较轻度和中度患者减少,而放线菌属的比例在轻中度慢阻肺患者中却是增加的,并指出放线菌属的比例可能预测慢阻肺病情的严重程度。Erb-Downward 等[15]对“健康”吸烟者和慢阻肺患者的肺泡灌洗液进行测序,发现肺功能较差的患者其肺部菌群的多样性往往较低,假单胞菌属与这种变化密切相关。同样随着肺气肿病理病变加重以及肺部 CD4+细胞的浸润增加,肺部菌群的多样性和丰度明显下降[16]。
慢阻肺急性加重期同样与肺部菌群的变化密切相关。Molyneaux 等[22]发现在鼻病毒感染后,慢阻肺急性加重患者呼吸道中的细菌菌群负荷显著增加,其中流感嗜血杆菌的比例显着增长,但在健康个体中却不存在这种现象。而 Wang 等[23]进一步指出肺部菌群的变化可能是急性发作的表型之一。慢阻肺患者急性加重期经治疗后与发作期间相比,其诱导痰中细菌丰度较急性发作期间明显下降(>2 倍差异)。在急性加重期期间,增加的细菌菌群主要是变形杆菌门(Proteobacteria),一部分经抗生素治疗后好转的患者表现为变形杆菌门丰度下降,与此相反的是经皮质类固醇治疗后好转的患者却表现为变形杆菌门的丰度上升[24]。由此可见,抗生素和类固醇这两种不同的治疗手段似乎对肺部菌群有着不同的影响。总的来说,上述研究结果指出了慢阻肺的发病过程中存在着潜在致病菌的定植,为我们对慢阻肺发病机制的研究以及治疗开辟了新的视野,但是这种菌群失衡与气道炎症、气流受限以及肺气肿病理改变的因果关系究竟如何,值得我们进一步研究。
2 PM 对肺部微生物的影响
近年来,PM 暴露对肺部微生态的影响以及在慢阻肺发病机制中的作用开始受到科研工作者的关注,但到目前为止研究极为有限。Yu 等[25]发现,人体内的微生物菌群多样性与颗粒物的暴露密切相关,并随着居住环境污染程度的加重以及周围颗粒物暴露量的增加而增加。Rylance 等[26]在 Malawi 地区对使用不同燃料来源(生物燃料或电力)的居民的肺泡灌洗液进行高通量测序,发现低 PM 暴露组和高 PM 暴露组在菌群的生物多样性上并没有显著性的差异,但在高 PM 暴露组中却发现潜在致病菌奈瑟球菌和链球菌的丰度明显升高。有趣的是,他们同时还发现佩特罗菌属(Petrobacter)的丰度在主要使用生物燃料的人群中要较主要使用电力燃料的人群明显升高。这表明肺部菌群的特征性改变或许与不同来源的 PM 相关。我们近期的研究发现,暴露于生物燃料来源颗粒物和机动车尾气来源颗粒物 4 周后能够改变大鼠肺部菌群组成,而这种菌群的改变是先于组织结构发生变化出现的[27]。生物燃料暴露与机动车尾气暴露后细菌的负荷量要高于清洁空气对照组,虽然机动车尾气组暴露的浓度更低,但在细菌的负荷量上确是最高的,这表明肺部微生物的改变与不同的颗粒物暴露源密切相关。
3 PM 引起的微生态改变在慢阻肺发病中的作用
PM 通过直接影响肺部微生态促进慢阻肺的进展。吸入的颗粒物沉积在呼吸道中,较大的颗粒(如 PM10)易沉积在上呼吸道(鼻腔)中,而较小的颗粒物(如 PM2.5)和气体则更易吸入到下呼吸道[28]。这些吸入的颗粒物引起肺部的氧化应激、微环境或局部免疫的变化,则可能导致肺部菌群的失衡并且直接促进慢阻肺的发病。恶性循环假说(Vicious circle hypothesis)的提出,用以解释吸烟者慢性下呼吸道细菌定植如何引起持续性的慢性炎症并引起吸烟相关性肺病的机制(图 1)[29-30]。该假说的核心在于提出一旦病原体因吸入烟雾颗粒引起的黏膜纤毛清除功能障碍而在下呼吸道中定植,那么将会进一步的损害黏膜纤毛的清除功能,同时也导致黏液生成增加,损伤气道上皮,下调 IgA 水平,影响吞噬细胞的吞噬功能[31-32]。细菌有关产物和细菌导致的上皮损伤均会损害宿主的免疫力,进一步使得微生物进入下呼吸道,并最终导致持续的慢性炎症和肺部微生物定植。最终,这个无止境的循环被称为恶性循环。从吸烟者以及存在菌群定植患者的下呼吸道中经常分离出流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌、肺炎链球菌和铜绿假单胞菌,而在慢阻肺急性发作期间分离出的病原菌最常见的是流感嗜血杆菌[29]。
PM 通过肠-肺轴间接促进慢阻肺的发病(图 2)。慢阻肺虽然是呼吸道疾病,但慢阻肺患者的肺外表现,特别是胃肠道的疾病却很是常见[33-34]。肠道菌群微生态是机体内环境稳定的重要保障因素,肠道菌群在调节机体免疫中发挥了重要的作用,而肺作为全身血液的重要滤过器管,难免会受到肠道作用的影响。肠道菌群和慢阻肺之间的关系和调节机制及如何相互促进,开始受到人们的关注[35]。例如,肠道菌群不仅有益于防御肠道的局部感染,还可以调节全身免疫反应,通过肠-肺轴启动肺泡巨噬细胞防御肺炎链球菌性肺炎[33];皮下注射灭活的克雷伯菌(Klebsiella)提取物够减轻烟雾暴露小鼠的肺部炎症[36]。这表明宿主-微生物相互作用的影响远远超出了肠道局部器官,甚至影响了肺部疾病的发生。大气中的 PM 一方面通过呼吸道黏膜纤毛运输迅速从肺部清除而进入肠道,另一方面 PM 还能够通过污染我们的食物和水源的方式直接进入我们的肠道[37]。吸烟作为吸入暴露的一个例子,在动物模型上已被证明能够引起肠道菌群的变化[38]。Kish 等[39]发现摄入污染物颗粒能够引起小鼠肠道炎症并改变肠道正常菌群的组成,肠道中这些微生物丰度的变化与短链脂肪酸的生成相关,喂食污染物颗粒的小鼠其盲肠中异丁酸和异戊酸浓度明显增加。Allais 等[40]在改用慢性烟雾暴露的小鼠身上得到了相似的结论。健康的肠道菌群通过结构配体[如脂多糖(LPS)和/或肽聚糖]和分泌代谢物[如短链脂肪酸(SCFAs)]来维持肠道内局部免疫应答的平衡。而暴露于烟雾或颗粒物引起的肠道菌群异常可引起全身性炎症和机会性病原体的生长,通过肠-肺轴导致远端部位(肺)的持续性慢性炎症[41]。其可能机制如下:PM 对肠上皮细胞具有直接损伤作用,同时可被肠道常驻菌群代谢为有毒代谢产物;PM 通过诱导肠上皮的活性氧(ROS)产生增多而增加肠道通透性,使得微生物产物和颗粒物质进入固有层,增加与免疫细胞的相互作用,激活肠道局部免疫,释放促炎性细胞因子入血;常驻免疫细胞的促炎反应进一步增加肠道的通透性并改变肠腔微环境,而更适合在炎性环境中存活的特定微生物菌株将成为优势菌,肠道菌群的改变导致无益的代谢产物增多和短链脂肪酸的生成减少,进一步加重了远端部位(肺)的持续性慢性炎症[42]。
4 小结
目前,国内外对 PM 对肺部微生态的影响以及在慢阻肺发生中的作用研究甚少,许多相关的致病机制仍有待阐明。未来对肺部微生态的研究将为慢阻肺的防治提供新的有效手段,尤其是对呼吸道或肠道益生菌制剂使用的研究,将有助于慢阻肺的早期防治。