引用本文： 李乃健, 李冰, 冉丕鑫. 大氣顆粒物對肺部微生態的影響及在慢性阻塞性肺疾病發病中的作用. 中國呼吸與危重監護雜志, 2018, 17(2): 206-209. doi: 10.7507/1671-6205.201710001 復制
大氣顆粒物（particulate matter，PM）是指空氣中懸浮的混合污染物，包括煙霧、灰塵、固體或液體的復雜混合物，以及多種生物成分，主要來源于自然現象（如沙塵暴）、工業生產、生物燃料使用和交通相關活動。大氣 PM 的暴露與多種疾病的患病率和死亡率有著明顯的相關性[1-2]。流行病學研究表明，大氣 PM 暴露顯著增加呼吸系統疾病的患病風險[3-5]，我們發現這在慢性阻塞性肺疾病（簡稱慢阻肺）上表現得尤為明顯[6-7]，而減少 PM 暴露的濃度能夠改善慢阻肺患者的肺功能和減少急性發作[8]。鑒于大氣 PM 暴露是慢阻肺發病的重要危險因素，因此研究 PM 在慢阻肺發病中的機制就顯得尤為重要及迫切，目前對于 PM 暴露致慢阻肺發病的研究主要集中在炎癥機制方面[9-12]，但隨著近年來對肺部微生態認識的不斷加深，PM 暴露對肺部微生態的影響以及在慢阻肺發病機制中的作用開始受到科研工作者的關注[13]。因此，本文就目前國內外關于 PM 對肺部微生態的影響以及在慢阻肺發生中的作用的研究進展做一綜述。
1 肺部微生態在慢阻肺發病過程中的變化
慢阻肺的特征是不完全可逆性氣流受限，但慢阻肺在疾病的表型、病情進展、組織學異常和急性發作上常常具有異質性，這也是慢阻肺的發病機制還沒完全清楚的重要原因。隨著近年來測序技術（如 16S ribosomal RNA）和生物信息學的發展，相關研究結果改變了我們對肺部疾病和微生物之間的看法，也模糊了微生物“定植”和“感染”之間的界限。目前，下呼吸道不再被認為是無菌狀態，而是跟腸道一樣存在有大量的定植菌群[14-15]，而這種菌群的存在保持著一種動態的平衡，慢性疾病條件往往對常駐菌群的繁殖更為有利。最近研究表明，肺部菌群的定植與慢阻肺患者肺部炎癥反應、氣道病理改變、局部免疫應答以及臨床癥狀的加重均密切相關[16-17]。
慢阻肺的菌群研究結果顯示，隨著慢阻肺嚴重程度的增加，肺部菌群的多樣性降低。首先，前人分別證實了慢阻肺患者的下呼吸道并不是無菌的，而是存在有大量可被檢測到的細菌菌群，并且上呼吸道菌群和下呼吸道（支氣管樹）菌群之間存在著差異[18-19]。Galiana 和 Garcia-Nunez 等[20-21]研究發現重度慢阻肺患者誘導痰標本中的菌群多樣性較輕度和中度患者減少，而放線菌屬的比例在輕中度慢阻肺患者中卻是增加的，并指出放線菌屬的比例可能預測慢阻肺病情的嚴重程度。Erb-Downward 等[15]對“健康”吸煙者和慢阻肺患者的肺泡灌洗液進行測序，發現肺功能較差的患者其肺部菌群的多樣性往往較低，假單胞菌屬與這種變化密切相關。同樣隨著肺氣腫病理病變加重以及肺部 CD4+細胞的浸潤增加，肺部菌群的多樣性和豐度明顯下降[16]。
慢阻肺急性加重期同樣與肺部菌群的變化密切相關。Molyneaux 等[22]發現在鼻病毒感染后，慢阻肺急性加重患者呼吸道中的細菌菌群負荷顯著增加，其中流感嗜血桿菌的比例顯著增長，但在健康個體中卻不存在這種現象。而 Wang 等[23]進一步指出肺部菌群的變化可能是急性發作的表型之一。慢阻肺患者急性加重期經治療后與發作期間相比，其誘導痰中細菌豐度較急性發作期間明顯下降（>2 倍差異）。在急性加重期期間，增加的細菌菌群主要是變形桿菌門（Proteobacteria），一部分經抗生素治療后好轉的患者表現為變形桿菌門豐度下降，與此相反的是經皮質類固醇治療后好轉的患者卻表現為變形桿菌門的豐度上升[24]。由此可見，抗生素和類固醇這兩種不同的治療手段似乎對肺部菌群有著不同的影響。總的來說，上述研究結果指出了慢阻肺的發病過程中存在著潛在致病菌的定植，為我們對慢阻肺發病機制的研究以及治療開辟了新的視野，但是這種菌群失衡與氣道炎癥、氣流受限以及肺氣腫病理改變的因果關系究竟如何，值得我們進一步研究。
2 PM 對肺部微生物的影響
近年來，PM 暴露對肺部微生態的影響以及在慢阻肺發病機制中的作用開始受到科研工作者的關注，但到目前為止研究極為有限。Yu 等[25]發現，人體內的微生物菌群多樣性與顆粒物的暴露密切相關，并隨著居住環境污染程度的加重以及周圍顆粒物暴露量的增加而增加。Rylance 等[26]在 Malawi 地區對使用不同燃料來源（生物燃料或電力）的居民的肺泡灌洗液進行高通量測序，發現低 PM 暴露組和高 PM 暴露組在菌群的生物多樣性上并沒有顯著性的差異，但在高 PM 暴露組中卻發現潛在致病菌奈瑟球菌和鏈球菌的豐度明顯升高。有趣的是，他們同時還發現佩特羅菌屬（Petrobacter）的豐度在主要使用生物燃料的人群中要較主要使用電力燃料的人群明顯升高。這表明肺部菌群的特征性改變或許與不同來源的 PM 相關。我們近期的研究發現，暴露于生物燃料來源顆粒物和機動車尾氣來源顆粒物 4 周后能夠改變大鼠肺部菌群組成，而這種菌群的改變是先于組織結構發生變化出現的[27]。生物燃料暴露與機動車尾氣暴露后細菌的負荷量要高于清潔空氣對照組，雖然機動車尾氣組暴露的濃度更低，但在細菌的負荷量上確是最高的，這表明肺部微生物的改變與不同的顆粒物暴露源密切相關。
3 PM 引起的微生態改變在慢阻肺發病中的作用
PM 通過直接影響肺部微生態促進慢阻肺的進展。吸入的顆粒物沉積在呼吸道中，較大的顆粒（如 PM10）易沉積在上呼吸道（鼻腔）中，而較小的顆粒物（如 PM2.5）和氣體則更易吸入到下呼吸道[28]。這些吸入的顆粒物引起肺部的氧化應激、微環境或局部免疫的變化，則可能導致肺部菌群的失衡并且直接促進慢阻肺的發病。惡性循環假說（Vicious circle hypothesis）的提出，用以解釋吸煙者慢性下呼吸道細菌定植如何引起持續性的慢性炎癥并引起吸煙相關性肺病的機制（圖 1）[29-30]。該假說的核心在于提出一旦病原體因吸入煙霧顆粒引起的黏膜纖毛清除功能障礙而在下呼吸道中定植，那么將會進一步的損害黏膜纖毛的清除功能，同時也導致黏液生成增加，損傷氣道上皮，下調 IgA 水平，影響吞噬細胞的吞噬功能[31-32]。細菌有關產物和細菌導致的上皮損傷均會損害宿主的免疫力，進一步使得微生物進入下呼吸道，并最終導致持續的慢性炎癥和肺部微生物定植。最終，這個無止境的循環被稱為惡性循環。從吸煙者以及存在菌群定植患者的下呼吸道中經常分離出流感嗜血桿菌、卡他莫拉菌、肺炎鏈球菌和銅綠假單胞菌，而在慢阻肺急性發作期間分離出的病原菌最常見的是流感嗜血桿菌[29]。
圖1
下呼吸道細菌定植致慢阻肺惡性循環假說
PM 通過腸-肺軸間接促進慢阻肺的發病（圖 2）。慢阻肺雖然是呼吸道疾病，但慢阻肺患者的肺外表現，特別是胃腸道的疾病卻很是常見[33-34]。腸道菌群微生態是機體內環境穩定的重要保障因素，腸道菌群在調節機體免疫中發揮了重要的作用，而肺作為全身血液的重要濾過器管，難免會受到腸道作用的影響。腸道菌群和慢阻肺之間的關系和調節機制及如何相互促進，開始受到人們的關注[35]。例如，腸道菌群不僅有益于防御腸道的局部感染，還可以調節全身免疫反應，通過腸-肺軸啟動肺泡巨噬細胞防御肺炎鏈球菌性肺炎[33]；皮下注射滅活的克雷伯菌（Klebsiella）提取物夠減輕煙霧暴露小鼠的肺部炎癥[36]。這表明宿主-微生物相互作用的影響遠遠超出了腸道局部器官，甚至影響了肺部疾病的發生。大氣中的 PM 一方面通過呼吸道黏膜纖毛運輸迅速從肺部清除而進入腸道，另一方面 PM 還能夠通過污染我們的食物和水源的方式直接進入我們的腸道[37]。吸煙作為吸入暴露的一個例子，在動物模型上已被證明能夠引起腸道菌群的變化[38]。Kish 等[39]發現攝入污染物顆粒能夠引起小鼠腸道炎癥并改變腸道正常菌群的組成，腸道中這些微生物豐度的變化與短鏈脂肪酸的生成相關，喂食污染物顆粒的小鼠其盲腸中異丁酸和異戊酸濃度明顯增加。Allais 等[40]在改用慢性煙霧暴露的小鼠身上得到了相似的結論。健康的腸道菌群通過結構配體［如脂多糖（LPS）和/或肽聚糖］和分泌代謝物［如短鏈脂肪酸（SCFAs）］來維持腸道內局部免疫應答的平衡。而暴露于煙霧或顆粒物引起的腸道菌群異常可引起全身性炎癥和機會性病原體的生長，通過腸-肺軸導致遠端部位（肺）的持續性慢性炎癥[41]。其可能機制如下：PM 對腸上皮細胞具有直接損傷作用，同時可被腸道常駐菌群代謝為有毒代謝產物；PM 通過誘導腸上皮的活性氧（ROS）產生增多而增加腸道通透性，使得微生物產物和顆粒物質進入固有層，增加與免疫細胞的相互作用，激活腸道局部免疫，釋放促炎性細胞因子入血；常駐免疫細胞的促炎反應進一步增加腸道的通透性并改變腸腔微環境，而更適合在炎性環境中存活的特定微生物菌株將成為優勢菌，腸道菌群的改變導致無益的代謝產物增多和短鏈脂肪酸的生成減少，進一步加重了遠端部位（肺）的持續性慢性炎癥[42]。
圖2
PM 通過腸-肺軸間接促進慢阻肺的發病
4 小結
目前，國內外對 PM 對肺部微生態的影響以及在慢阻肺發生中的作用研究甚少，許多相關的致病機制仍有待闡明。未來對肺部微生態的研究將為慢阻肺的防治提供新的有效手段，尤其是對呼吸道或腸道益生菌制劑使用的研究，將有助于慢阻肺的早期防治。
大氣顆粒物（particulate matter，PM）是指空氣中懸浮的混合污染物，包括煙霧、灰塵、固體或液體的復雜混合物，以及多種生物成分，主要來源于自然現象（如沙塵暴）、工業生產、生物燃料使用和交通相關活動。大氣 PM 的暴露與多種疾病的患病率和死亡率有著明顯的相關性[1-2]。流行病學研究表明，大氣 PM 暴露顯著增加呼吸系統疾病的患病風險[3-5]，我們發現這在慢性阻塞性肺疾病（簡稱慢阻肺）上表現得尤為明顯[6-7]，而減少 PM 暴露的濃度能夠改善慢阻肺患者的肺功能和減少急性發作[8]。鑒于大氣 PM 暴露是慢阻肺發病的重要危險因素，因此研究 PM 在慢阻肺發病中的機制就顯得尤為重要及迫切，目前對于 PM 暴露致慢阻肺發病的研究主要集中在炎癥機制方面[9-12]，但隨著近年來對肺部微生態認識的不斷加深，PM 暴露對肺部微生態的影響以及在慢阻肺發病機制中的作用開始受到科研工作者的關注[13]。因此，本文就目前國內外關于 PM 對肺部微生態的影響以及在慢阻肺發生中的作用的研究進展做一綜述。
1 肺部微生態在慢阻肺發病過程中的變化
慢阻肺的特征是不完全可逆性氣流受限，但慢阻肺在疾病的表型、病情進展、組織學異常和急性發作上常常具有異質性，這也是慢阻肺的發病機制還沒完全清楚的重要原因。隨著近年來測序技術（如 16S ribosomal RNA）和生物信息學的發展，相關研究結果改變了我們對肺部疾病和微生物之間的看法，也模糊了微生物“定植”和“感染”之間的界限。目前，下呼吸道不再被認為是無菌狀態，而是跟腸道一樣存在有大量的定植菌群[14-15]，而這種菌群的存在保持著一種動態的平衡，慢性疾病條件往往對常駐菌群的繁殖更為有利。最近研究表明，肺部菌群的定植與慢阻肺患者肺部炎癥反應、氣道病理改變、局部免疫應答以及臨床癥狀的加重均密切相關[16-17]。
慢阻肺的菌群研究結果顯示，隨著慢阻肺嚴重程度的增加，肺部菌群的多樣性降低。首先，前人分別證實了慢阻肺患者的下呼吸道并不是無菌的，而是存在有大量可被檢測到的細菌菌群，并且上呼吸道菌群和下呼吸道（支氣管樹）菌群之間存在著差異[18-19]。Galiana 和 Garcia-Nunez 等[20-21]研究發現重度慢阻肺患者誘導痰標本中的菌群多樣性較輕度和中度患者減少，而放線菌屬的比例在輕中度慢阻肺患者中卻是增加的，并指出放線菌屬的比例可能預測慢阻肺病情的嚴重程度。Erb-Downward 等[15]對“健康”吸煙者和慢阻肺患者的肺泡灌洗液進行測序，發現肺功能較差的患者其肺部菌群的多樣性往往較低，假單胞菌屬與這種變化密切相關。同樣隨著肺氣腫病理病變加重以及肺部 CD4+細胞的浸潤增加，肺部菌群的多樣性和豐度明顯下降[16]。
慢阻肺急性加重期同樣與肺部菌群的變化密切相關。Molyneaux 等[22]發現在鼻病毒感染后，慢阻肺急性加重患者呼吸道中的細菌菌群負荷顯著增加，其中流感嗜血桿菌的比例顯著增長，但在健康個體中卻不存在這種現象。而 Wang 等[23]進一步指出肺部菌群的變化可能是急性發作的表型之一。慢阻肺患者急性加重期經治療后與發作期間相比，其誘導痰中細菌豐度較急性發作期間明顯下降（>2 倍差異）。在急性加重期期間，增加的細菌菌群主要是變形桿菌門（Proteobacteria），一部分經抗生素治療后好轉的患者表現為變形桿菌門豐度下降，與此相反的是經皮質類固醇治療后好轉的患者卻表現為變形桿菌門的豐度上升[24]。由此可見，抗生素和類固醇這兩種不同的治療手段似乎對肺部菌群有著不同的影響。總的來說，上述研究結果指出了慢阻肺的發病過程中存在著潛在致病菌的定植，為我們對慢阻肺發病機制的研究以及治療開辟了新的視野，但是這種菌群失衡與氣道炎癥、氣流受限以及肺氣腫病理改變的因果關系究竟如何，值得我們進一步研究。
2 PM 對肺部微生物的影響
近年來，PM 暴露對肺部微生態的影響以及在慢阻肺發病機制中的作用開始受到科研工作者的關注，但到目前為止研究極為有限。Yu 等[25]發現，人體內的微生物菌群多樣性與顆粒物的暴露密切相關，并隨著居住環境污染程度的加重以及周圍顆粒物暴露量的增加而增加。Rylance 等[26]在 Malawi 地區對使用不同燃料來源（生物燃料或電力）的居民的肺泡灌洗液進行高通量測序，發現低 PM 暴露組和高 PM 暴露組在菌群的生物多樣性上并沒有顯著性的差異，但在高 PM 暴露組中卻發現潛在致病菌奈瑟球菌和鏈球菌的豐度明顯升高。有趣的是，他們同時還發現佩特羅菌屬（Petrobacter）的豐度在主要使用生物燃料的人群中要較主要使用電力燃料的人群明顯升高。這表明肺部菌群的特征性改變或許與不同來源的 PM 相關。我們近期的研究發現，暴露于生物燃料來源顆粒物和機動車尾氣來源顆粒物 4 周后能夠改變大鼠肺部菌群組成，而這種菌群的改變是先于組織結構發生變化出現的[27]。生物燃料暴露與機動車尾氣暴露后細菌的負荷量要高于清潔空氣對照組，雖然機動車尾氣組暴露的濃度更低，但在細菌的負荷量上確是最高的，這表明肺部微生物的改變與不同的顆粒物暴露源密切相關。
3 PM 引起的微生態改變在慢阻肺發病中的作用
PM 通過直接影響肺部微生態促進慢阻肺的進展。吸入的顆粒物沉積在呼吸道中，較大的顆粒（如 PM10）易沉積在上呼吸道（鼻腔）中，而較小的顆粒物（如 PM2.5）和氣體則更易吸入到下呼吸道[28]。這些吸入的顆粒物引起肺部的氧化應激、微環境或局部免疫的變化，則可能導致肺部菌群的失衡并且直接促進慢阻肺的發病。惡性循環假說（Vicious circle hypothesis）的提出，用以解釋吸煙者慢性下呼吸道細菌定植如何引起持續性的慢性炎癥并引起吸煙相關性肺病的機制（圖 1）[29-30]。該假說的核心在于提出一旦病原體因吸入煙霧顆粒引起的黏膜纖毛清除功能障礙而在下呼吸道中定植，那么將會進一步的損害黏膜纖毛的清除功能，同時也導致黏液生成增加，損傷氣道上皮，下調 IgA 水平，影響吞噬細胞的吞噬功能[31-32]。細菌有關產物和細菌導致的上皮損傷均會損害宿主的免疫力，進一步使得微生物進入下呼吸道，并最終導致持續的慢性炎癥和肺部微生物定植。最終，這個無止境的循環被稱為惡性循環。從吸煙者以及存在菌群定植患者的下呼吸道中經常分離出流感嗜血桿菌、卡他莫拉菌、肺炎鏈球菌和銅綠假單胞菌，而在慢阻肺急性發作期間分離出的病原菌最常見的是流感嗜血桿菌[29]。
圖1
下呼吸道細菌定植致慢阻肺惡性循環假說
PM 通過腸-肺軸間接促進慢阻肺的發病（圖 2）。慢阻肺雖然是呼吸道疾病，但慢阻肺患者的肺外表現，特別是胃腸道的疾病卻很是常見[33-34]。腸道菌群微生態是機體內環境穩定的重要保障因素，腸道菌群在調節機體免疫中發揮了重要的作用，而肺作為全身血液的重要濾過器管，難免會受到腸道作用的影響。腸道菌群和慢阻肺之間的關系和調節機制及如何相互促進，開始受到人們的關注[35]。例如，腸道菌群不僅有益于防御腸道的局部感染，還可以調節全身免疫反應，通過腸-肺軸啟動肺泡巨噬細胞防御肺炎鏈球菌性肺炎[33]；皮下注射滅活的克雷伯菌（Klebsiella）提取物夠減輕煙霧暴露小鼠的肺部炎癥[36]。這表明宿主-微生物相互作用的影響遠遠超出了腸道局部器官，甚至影響了肺部疾病的發生。大氣中的 PM 一方面通過呼吸道黏膜纖毛運輸迅速從肺部清除而進入腸道，另一方面 PM 還能夠通過污染我們的食物和水源的方式直接進入我們的腸道[37]。吸煙作為吸入暴露的一個例子，在動物模型上已被證明能夠引起腸道菌群的變化[38]。Kish 等[39]發現攝入污染物顆粒能夠引起小鼠腸道炎癥并改變腸道正常菌群的組成，腸道中這些微生物豐度的變化與短鏈脂肪酸的生成相關，喂食污染物顆粒的小鼠其盲腸中異丁酸和異戊酸濃度明顯增加。Allais 等[40]在改用慢性煙霧暴露的小鼠身上得到了相似的結論。健康的腸道菌群通過結構配體［如脂多糖（LPS）和/或肽聚糖］和分泌代謝物［如短鏈脂肪酸（SCFAs）］來維持腸道內局部免疫應答的平衡。而暴露于煙霧或顆粒物引起的腸道菌群異常可引起全身性炎癥和機會性病原體的生長，通過腸-肺軸導致遠端部位（肺）的持續性慢性炎癥[41]。其可能機制如下：PM 對腸上皮細胞具有直接損傷作用，同時可被腸道常駐菌群代謝為有毒代謝產物；PM 通過誘導腸上皮的活性氧（ROS）產生增多而增加腸道通透性，使得微生物產物和顆粒物質進入固有層，增加與免疫細胞的相互作用，激活腸道局部免疫，釋放促炎性細胞因子入血；常駐免疫細胞的促炎反應進一步增加腸道的通透性并改變腸腔微環境，而更適合在炎性環境中存活的特定微生物菌株將成為優勢菌，腸道菌群的改變導致無益的代謝產物增多和短鏈脂肪酸的生成減少，進一步加重了遠端部位（肺）的持續性慢性炎癥[42]。
圖2
PM 通過腸-肺軸間接促進慢阻肺的發病
4 小結
目前，國內外對 PM 對肺部微生態的影響以及在慢阻肺發生中的作用研究甚少，許多相關的致病機制仍有待闡明。未來對肺部微生態的研究將為慢阻肺的防治提供新的有效手段，尤其是對呼吸道或腸道益生菌制劑使用的研究，將有助于慢阻肺的早期防治。
