微生物感染与哮喘

芷青 · 发表于 2015-1-14 15:54:39

微生物感染与哮喘2015-01-13 12:35 来源：丁香园作者：jennifer_jjy
美国加利福尼亚大学洛杉矶分校医学院呼吸和危重病科Huang博士等最近发表综述，总结了哮喘气道微生物、哮喘固有免疫上的最新进展，探讨哮喘中微生物 – 固有免疫的相互作用。文章发表在最近出版的Curr Opin Pulm Med上。

研究背景
工业化国家中哮喘的发病率不断增加，这提示环境相关辅助因子在哮喘的发生发展中起着重要的作用。“卫生假说”的核心概念是：儿童早期传染源、细菌或微生物的接触减少，会导致免疫系统的正常发展受到抑制，进而增加了感染过敏性疾病的可能性。有研究指出，哮喘（及相关疾病状况，如：过敏或儿童喘鸣）的发生和环境、肠道或呼吸道中特定的微生物密切相关。
为了理解哮喘发生的可能机制，目前已有体外研究针对微生物 - 宿主相互作用进行了深入的研究。但是，大多数研究都只是关注于单种微生物和宿主之间的相互关系。这些研究通常只评估单种微生物感染以及后续的炎症反应，而并未评估当一组微生物（微生物菌群）同时存在时，引发感染的情况；这往往会导致不同的结论。
目前已有研究证实，下呼吸道不是一个完全无菌的环境，其中存在着大量的微生物菌群。当出现包括哮喘在内的慢性气道炎症性疾病时，下呼吸道菌群的种类和数量都会出现巨大的改变。哮喘患者中气道微生物与通气生理之间的相互作用是一种多微生物 - 宿主相互关系，其复杂性大大增加。固有免疫会首先针对外部刺激做出宿主免疫应答。
固有免疫在哮喘中的作用正受到了越来越多学者的关注。微生物 – 固有免疫相互作用可能和其他因素（如：感染、合并症）一起导致哮喘疾病临床异质性的出现，这篇综述会总结在哮喘气道微生物、哮喘固有免疫上的最新进展，探讨哮喘中微生物 – 固有免疫的相互作用。
哮喘患者气道微生物
微生物接触和呼吸道感染在哮喘发病机制中的作用一直以来都广受关注。目前的微生物研究并不清楚气道微生物菌群改变是不是哮喘患者的特点。气道微生物菌群改变可以和过敏性疾病并存出现。小鼠模型研究中发现特定的气道微生物可以调节气道过敏性炎症的表达，而气道过敏性炎症也和人类哮喘的发生密切相关。
到目前为止，只有几个临床研究评估过哮喘患者的气道微生物情况，这些研究的结论归纳如下。Hilty等针对11名成年和20名儿童哮喘患者行支气管镜检查发现，相比健康对照，使用吸入激素治疗哮喘患者（伴或不伴口服激素治疗）的下呼吸道样本中，变形菌门这一潜在致病菌的比例较高。健康对照中拟杆菌门的比例较高。
Marri等研究也发现，相比健康对照，轻症哮喘患者的痰液中变形菌门的比例较高。这是个小样本量的研究，但是非常重要；因为这一研究中的受试者是那些没有使用维持激素治疗的哮喘患者。此外这个研究也指出，气道菌群组成的改变并不只是由于同时进行的激素吸入治疗所造成，气道菌群组成的改变也是哮喘疾病本身的一个特点。
目前并不清楚，当未合并哮喘时，下呼吸道微生物菌群的改变是否只和过敏相关。
针对典型哮喘患者的大样本量研究发现，气道微生物和哮喘之间存在着相关性。迄今为止最大规模的研究评估了65名成年轻症哮喘患者（哮喘症状为次优控制）的支气管微生物情况。研究发现，这些患者下呼吸道菌群中，变形菌门的比例最高，且很大程度上与支气管高反应性相关。当使用克拉霉素治疗16周后，支气管高反应性有所改善，气道菌群的多样性也有所恢复。
因此，气道菌群的多样性是与支气管高反应性的改善相关。最近研究指出，对于重症哮喘患者，特定气道微生物菌群与哮喘控制措施、身体质量指数（BMI）、痰中性粒细胞计数和白细胞介素（IL）-8浓度相关。目前并不清楚，吸烟或药物的暴露对哮喘患者下呼吸道微生物菌群的影响。
但是，针对没有肺部疾病的吸烟者和非吸烟者的研究发现，肺部微生物菌群（通过支气管肺泡灌洗液获得）与吸烟无关，与口咽部微生物菌群相关。总的来说，迄今为止一系列针对不同严重程度、哮喘控制情况、合并症和药物使用的哮喘队列研究提示，气道微生物、宿主免疫和潜在暴露之间存在着大量的相互作用，而这些相互作用与哮喘的发病机制密切相关。
这些相关性很可能会影响气道炎症的类型和程度，同时可以在一定程度上解释造成哮喘异质性的原因。
固有免疫和哮喘
固有免疫系统由一系列宿主防御机制所构成，会针对环境触发因素产生非特异性应答。固有免疫包括细胞和非细胞成分（表1）。气道上皮细胞和粘膜层参与了固有免疫，同时也作为机械屏障发挥作用。固有免疫细胞包括树突状细胞、固有淋巴细胞（ILC，有数种亚型）和白细胞，如：巨噬细胞、中性粒细胞和嗜酸性粒细胞。
表1：哮喘患者中，参与介导气道微生物 – 免疫相互作用的固有免疫组分

解剖部位	细胞成分	非细胞成分
上皮层	粒细胞	抗菌肽
气道粘膜	巨噬细胞嗜酸性粒细胞中性粒细胞嗜碱性粒细胞其他细胞类型树突状细胞固有淋巴细胞固有淋巴细胞1 ( 自然杀伤细胞 ) 固有淋巴细胞2 ( 天然辅助细胞 ) 细胞受体 Toll样受体 NOD样受体 RIG-I样受体	乳铁蛋白干扰素防御素 LL-37 (抗菌肽) 分泌性白细胞蛋白酶抑制

模式识别受体（PRR），如：Toll样受体（TLR）、视黄酸诱导基因I（RIG-I）样受体和核苷酸结合寡聚化结构域（NOD）样受体，可识别不同的配体，在介导早期免疫应答中起着重要的作用，对获得免疫的形成起着重要的调节作用。

固有免疫的非细胞成分在宿主防御中起着重要的作用，如：乳铁蛋白、防御素、干扰素、分泌性白细胞蛋白酶抑制剂（SLPI）和LL-37（抗菌肽）；所有这一切都有抗菌作用。
目前已有研究评估了哮喘固有免疫的多个方面。最近发表的一篇关于哮喘固有免疫的综述引起了大家的关注（在本篇综述讨论范畴之外）。呼吸道与空气中物质的不断接触大大增加了粘膜相关免疫发生的机会。除了空气，来自上呼吸道或胃肠道的分泌物或内容物，如微生物和胆盐，也可作为潜在的免疫刺激物。
存在于气道管腔表面、分泌抗菌肽的上皮细胞和树突状细胞均参与了各种外部触发的识别和应答。
气道上皮细胞除了作为解剖屏障，还起着重要的免疫调节作用。分泌上皮细胞可产生抗菌肽，包括：溶菌酶、防御素和IgA。上皮细胞也会产生2型粘膜免疫反应，从而生成胸腺基质淋巴生成素（TSLP）、IL-25和IL-33。上皮细胞产生的细胞因子会刺激其他类型细胞促进下游的Th2炎症。
最近发表的一篇关于哮喘患者TSLP抑制的概念验证性研究证实了上皮驱动Th2应答与临床表现之间的相关性。使用抗TSLP抗体治疗可降低过敏原诱导的支气管痉挛，减少Th2相关的气道炎症，如：痰嗜酸性粒细胞和呼出气一氧化氮水平。其他由上皮细胞产生的细胞因子，包括：IL-10和转化生长因子（TGF）-β，会调节其他免疫细胞的活性。因此，气道上皮细胞是固有免疫和获得免疫的动态协调器。
气道粘液构成复杂，除了正常的粘液纤毛清除功能以外，还有着其他重要的作用。粘液凝胶由水和非水成分组成，如：粘蛋白和非粘蛋白。粘蛋白是分子量很大的糖蛋白，人类气道中主要为MUC5AC和MUC5B。最近小鼠研究发现，MUC5B在气道防御机制中发挥着关键的作用，但是MUC5AC却没有。这个研究指出，缺乏MUC5B会导致肺部炎症、免疫平衡受损和多种细菌介导的慢性感染。
此外，气道粘液中的抗菌蛋白会作用在气道粘液的微生物上，而这些微生物可通过正常粘膜纤毛清除或形成播散。后者常见于囊性纤维化（CF），CF患者中慢性铜绿假单胞菌感染很常见。与急性铜绿假单胞菌感染造成的肺炎不同，CF患者慢性铜绿假单胞菌感染往往是非侵入性的，很难根除。
最近研究显示，CF患者高密度的气道粘液及其中高浓度的中性粒细胞弹性蛋白酶可以相互作用，从而促进了铜绿假单胞菌聚集体的生长，造成抗生素治疗的耐药。其他的粘液 – 微生物相互关系也会发生在噬菌体、病毒和特定感染细菌中。噬菌体通过与粘蛋白聚糖结合，导致细菌对产生粘液的气道上皮细胞的粘附功能下降。
研究者推测，噬菌体对气道粘膜的粘附作用实质上是对细菌感染的一种非宿主来源的保护。
树突状细胞也是固有免疫和获得免疫之间重要的桥梁，在过敏性炎症的发展和对病毒的免疫应答中也发挥了积极的作用。树突状细胞作为抗原递呈和处理细胞，通过识别微生物片段，可以触发一系列调节性和适应性T细胞反应，包括：Th1、Th2和Th7通路。
肺树突状细胞在哮喘中的作用最近已经进行了深入的研究和评述。和上皮细胞一样，树突状细胞在一系列免疫细胞的激活中起着关键的作用，包括T细胞和ILC。
ILC由一系列作为表面屏障的免疫细胞所构成，可以对包括共生细菌在内的环境信号作出快速的应答。虽然ILC不表达典型免疫标志物，但是ILC有其独特的免疫应答方式。ILC 1，也被称为传统自然杀伤细胞，在抗病毒免疫应答中起着重要的作用。ILC 2，也被称为天然辅助细胞，可产生IL-4、IL-5和IL-13。和树突状细胞一样，ILC识别微生物后激活数条相互关联的免疫通路来发挥作用。
支气管中白细胞浸润是哮喘患者气道炎症的组织学标志。虽然巨噬细胞在针对病原体的宿主防御中发挥着重要的作用，但是哮喘患者的痰液标本中嗜酸性粒细胞和中性粒细胞计数往往是升高的。重要的是，痰嗜酸性粒细胞计数会因为哮喘患者、哮喘表型和哮喘病程的不同而存在显著的差异。很多哮喘患者存在嗜酸性炎症，但是其痰液嗜酸性粒细胞计数并未显著升高。
因此，有很大一部分哮喘患者是“非嗜酸性粒细胞性哮喘”，往往对现有主要针对Th2炎症机制的哮喘治疗疗效较差。不少研究已经发现了很多不同的哮喘表型，包括部分和嗜酸性或Th2炎症驱动不相关的哮喘表型。目前对于这些“非Th2”表型哮喘的发病机制仍然知之甚少。
哮喘患者气道微生物 – 免疫之间的相互作用
目前“非Th2”免疫通路本身以及“非Th2”免疫通路在哮喘或特异性哮喘表型发病机制中的作用正引起越来越多学者的关注。不论哮喘患者是否由Th2免疫通路介导，目前均不清楚，导致哮喘或慢性哮喘持续气道炎症异常免疫反应发生的主要刺激物。最近研究发现，哮喘患者中存在气道菌群失调（如：特定部位微生物菌群失衡）。
有学者推论，气道微生物在哮喘免疫中也发挥了一定的作用。微生物可促使肺特异性免疫应答的发生，从而导致一个保持机体稳定的或有害的炎症反应的发生。气道微生物和哮喘免疫的关系也是双向的，这是因为气道微生物的组成是由个体的免疫系统所决定。
虽然目前对哮喘患者中气道微生物和气道炎症的关系知之甚少，但是最近有研究发现，特定的气道微生物群与哮喘患者特定的临床表现相关，这提示这种气道微生物和哮喘免疫之间的相互关系是由特定炎症通路所介导。
明确哮喘患者气道微生物和肺部免疫之间相互关系及其机制对于相关学者来说是一个挑战，这包括了气道微生物和肺部免疫之间固有复杂性和异质性的各个方面：哮喘本身、微生物特性、环境暴露、宿主免疫、遗传和合并症，这些都可以影响哮喘的发生发展（图1）。一些影响因素，如：吸烟、药物治疗、肥胖和胃食管反流病，也需要同时考虑。

图1：粘膜屏障气道微生物和固有免疫相互作用示意图，包含了：哮喘本身、暴露因素、合并症、微生物（细菌、病毒、真菌）和固有免疫（如：树突状细胞、固有淋巴细胞、粒细胞、抗菌肽），这是一个复杂的构成。理解哮喘患者的微生物 – 宿主相互关系需要的通过整合多学科的方法进行。
鉴于目前对于不同哮喘表型缺乏一致的定义和理解，这会进一步加大对于哮喘本质和不同临床表现下病理生理机制理解的难度。对于微生物来说，尚未明确微生物本身特征和相关临床表现之间的关系，更不清楚肺部微生物的具体功能，如：基因表达谱、代谢产物、导致肺部疾病发生及其临床表现的相关机制。
因此我们必须承认，微生物菌群和周围环境是息息相关的，其中存在有大量、不同微生物菌种间和微生物与环境之间的相互作用。因此，哮喘的发病机制或特定哮喘表型可能是微生物菌群的共同效应所导致，而不是由单一微生物所造成。
呼吸系统微生物菌群与免疫系统的相互作用这一概念的认识有助于理解哮喘和其他呼吸系统疾病的本质。最近一项研究评估了新生小鼠肺部微生物菌群组成和气道过敏性炎症之间的关系，研究结果也支持了这一观点。研究发现，新生小鼠中存在大量调节性T细胞，但是当将新生小鼠暴露于充满房屋尘螨过敏原的环境中，这些调节性T细胞并不会对气道高反应性产生保护效应。
相反，新生小鼠细菌负荷和非微生物菌群组成会出现改变（从主要是γ-变形菌和厚壁菌门转变为主要是拟杆菌门），这一改变与吸入性过敏原反应性降低密切相关。这种对于过敏原的耐受是与特定的T细胞亚群密切相关，这种T细胞亚群的出现需要在小鼠出生极早期存在微生物的定植和生长。
这个研究为气道微生物可以参与形成免疫应答、调节过敏性气道炎症的进展提供了一线证据，同时也进一步证实了：生命早期肠道菌群是免疫系统形成的重要组成部分这一观点。不少研究也证实，当病毒感染时，气道微生物菌群可参与肺特异性免疫应答。
目前研究表明，呼吸道菌群和宿主免疫之间的作用是相互的，两者和哮喘的发生都是密切相关的。需要进一步研究来了解无菌微生物在哮喘发生中的作用，同时需要有研究整合评估其他的可能因素，如：空气污染、吸烟、哮喘相关治疗和合并症。
为了更好的理解其中的机制，需通过整合这一领域不同的研究方法来进行。需在人类和动物研究的基础上，通过临床驱动、问题驱动的研究，结合系统生物学和其他计算方法来进一步理微生物-宿主免疫相互关系在哮喘形成中所发挥的作用。
结论
哮喘患者气道菌群的失调提示呼吸道微生物可能与导致哮喘进展或特定哮喘亚型的免疫功能密切相关。因为微生物 - 免疫的相互作用很可能是双向的，需通过以临床问题为导向的精心设计的研究，利用不同的研究方法，来了解哮喘发生中微生物 - 免疫的相互作用。
关键点
1、与健康人相比，哮喘患者（各种严重程度）下呼吸道微生物的菌群构成出现了改变。
2、哮喘病程中，固有免疫系统在针对微生物和其他免疫刺激的初始应答中起着关键的作用，同时参与了后续炎症和获得性免疫应答反应的形成。
3、气道菌群失调伴气道粘膜免疫的改变可导致特异性炎症反应的增强，从而决定哮喘的发生发展或特定哮喘的表型。