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摘要
气道表面衬液（ASL）是呼吸系统对吸入病原体的第一道防线，气道微环境稳态主要体现在ASL发挥正常的生理功能。维持ASL的酸碱度、离子强度、渗透压、葡萄糖等营养物质含量的正常状态对发挥气道正常黏液纤毛清除功能及抗菌效应至关重要。当气道表面微环境稳态被破坏，呼吸道局部对病原微生物易感是导致肺部感染发生、慢性感染迁延不愈、反复病情加重的重要机制之一。
气道表面微环境稳态对发挥气道正常黏液纤毛清除功能及抗菌效应至关重要。某些病理情况下如囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）、支气管哮喘、支气管扩张、慢性阻塞性肺病（慢阻肺）、肺纤维化及糖尿病等，气道表面微环境稳态被破坏，呼吸道局部对病原微生物易感是导致肺部感染发生、慢性感染迁延不愈、病情反复加重的重要机制之一。现将气道微环境稳态与肺部感染之间的关系及相关防治措施综述如下。
一、影响气道微环境稳态的因素
1、气道表面衬液
气道微环境稳态主要体现在气道表面衬液（airway surface liquid，ALS）发挥正常的生理功能。ASL包括黏液层（上层）及含水层（下层）。黏液层主要包含杯状细胞及黏膜下腺细胞分泌的黏蛋白，黏蛋白占ASL结构蛋白总量的30%~60%，可黏附吸入的病原体，并通过黏液纤毛运动得以清除。含水层位于纤毛周边，将黏液层与上皮细胞表面分开，厚度与纤毛等高（约7 μm），上皮细胞表面及纤毛之间由附膜黏蛋白联结，形成毛刷样渔网结构，主要功能为屏蔽大分子吸入颗粒物、水化黏液层黏蛋白、促进纤毛的摆动；含水层的组成、厚度、酸碱度及黏度决定了纤毛摆动的活性及黏液纤毛清除功能的效率[1,2]。
ALS是呼吸系统对吸入病原体的第一道防线，除作为吸入刺激物或病原体的物理屏障外，ASL还含有多种抗菌肽，包括LL-37（cathelicidin家族抗菌肽）、乳铁蛋白、溶菌酶、β-防御素、分泌性白细胞蛋白酶抑制因子（secretory leukocyte peptidase inhibitor，SLPI）、表面活性蛋白（surfactant protein，SP）A和D 、内源性分泌多肽-1（short palate lung and nasal epithelial clone 1，SPLUNC1）等。此外，ASL中还有巨噬细胞、中性粒细胞等免疫吞噬细胞[1,2] 。正常情况下，ASL中的水分、离子强度、渗透压、酸碱度等处于动态平衡，气道上皮细胞表面离子通道的开放程度调节上述一系列变化，维持气道微环境的稳态及正常的生理功能[3] 。
2、酸碱稳态
生理状态下ASL酸碱稳态具有重要的感染防御功能，正常ASL的酸碱度（ASL-pH）是维持ASL中抗菌肽抗菌活性以及发挥黏液纤毛清除功能的核心要素。ASL中HCO3-及H+浓度的动态变化是ASL-pH的主要影响因素，其中HCO3-是ASL-pH的主要缓冲成分。气道上皮表面囊性纤维化跨膜转导调节因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）介导HCO3-的分泌，CFTR突变可导致HCO3-分泌减少，ASL-pH下降，是CF感染不易控制的重要发病机制[4]。此外，上皮细胞表面还分布大量具有泌酸功能的离子通道（ATPase α-subunit，ATP12A），上皮细胞内cAMP浓度增加或ASL中K+浓度增加均可激活ATP12A，从而促进ASL的酸化；反之，抑制ATP12A，泌酸减少，ASL-pH增加，ASL黏度下降，杀菌活性增强[5]。
3、离子浓度稳态
气道上皮细胞表面各类离子通道参与调节ASL离子强度的变化，从而影响水分的转运、膜电位的变化及渗透压的稳定，其中上皮细胞顶膜侧Na+的重吸收，伴随着Cl-的分泌及水分向胞内的被动转运是维持ASL稳态的主要机制：
（1）钠离子转运：水分从肺泡腔转运至肺间质的过程取决于跨上皮细胞渗透压梯度，该渗透压梯度是通过Na+从肺泡腔到肺间质的重摄取形成的[6]；Na+的重吸收过程主要依赖上皮细胞顶膜的Na+通道（epithelial sodium channel，ENaC）和基侧膜的Na+/K+-ATP酶的协同作用。上皮细胞顶膜ENaC是维持Na+稳态的关键因素，是介导Na+重吸收入细胞内的主要离子通道，阿米洛利、SPLUNC1可抑制ENaC活性，从而减少Na+的重吸收，导致肺泡表面液体清除明显下降[1]。基侧膜的Na+/K+-ATP酶通过消耗ATP，将3个Na+转运出细胞外，同时将2个K+泵入细胞内，从而产生顶膜Na+的重吸收入细胞内的驱动力。缺氧时，ATP合成明显下降，此时将严重影响Na+/K+-ATP酶活性，从而影响肺泡液体的清除；而激活多巴胺或肾上腺素受体、增加Na+/K+-ATP酶活性可增加肺泡腔液体的清除[3]。
（2）氯离子转运：参与Cl-转运的离子通道很多，CFTR、Cl-电压门控通道（chloride channel protein 2，CLCN2）、Ca2+激活离子通道（Ca2+-activated chloride channels，CaCC）等介导顶膜Cl-向细胞外的分泌，基侧膜表面的Na+-K+-Cl-共转运通道（Na+-K+-Cl-cotransporter，NKCC）、HCO3-/Cl-交换通道介导细胞外间质中Cl-向胞内转运，提供胞内充足的Cl-，上述通道共同调节顶膜Cl-向肺泡腔的分泌[3]。人气道上皮细胞Cl-的分泌主要由离子通道CFTR介导，CFTR功能与ENaC活性受相同的生理（β-受体激动剂）和环境（缺氧、炎症反应、流感病毒感染）因素的影响，且CFTR可下调ENaC活性，因此CFTR功能缺失（如CF）导致ENaC活性增强，Na+和水的重吸收增加，PCL中水含量减少，黏液纤毛清除功能受损[1,7]。
4、葡萄糖稳态
健康人的ASL中葡萄糖浓度维持在0.4 mmol/L，远低于血糖水平，产生如此高浓度梯度的主要机制为上皮细胞间的紧密连接以及葡萄糖的转运及代谢[8] 。气道上皮之间紧密连接主要由密封蛋白（claudin）和闭合蛋白（occludin）组成，允许特定分子在细胞间进行选择性的通透和弥散。葡萄糖的弥散系数较低，葡萄糖的转运主要依赖上皮细胞表面的促葡萄糖转运蛋白（glucose transporter 1，GLUT1），位于顶膜的GLUT1介导将ASL中葡萄糖摄取入细胞内，直接降低ASL中葡萄糖的浓度。肺泡上皮细胞表面主要是Na+偶联葡萄糖转运蛋白1（sodium-coupled glucose transporter 1，SGLT1）介导葡萄糖胞内的摄取[8] 。
血糖增高可致ASL葡萄糖浓度升高，血糖水平每增加10 mmol/L，下呼吸道分泌物葡萄糖浓度随之增加0.4~0.8 mmol/L；糖尿病患者鼻腔、下气道表面葡萄糖浓度较健康人高出4~10倍。如果合并气道炎症ASL葡萄糖浓度升高更为显著，如病毒性鼻炎、慢性鼻窦炎、CF、慢性支气管炎的患者，鼻腔分泌物、BALF中葡萄糖的浓度升高2.5~7.5倍，其机制可能是感染降低了claudin和occludin的表达，破坏细胞间的紧密连接，增加葡萄糖向ASL的渗漏[8] 。
二、肺部感染的发病机制
肺部感染的发生取决于3个要素：一是入侵，病原菌通过呼吸道吸入直接播散到达感染部位；二是清除，病原菌可被咳嗽动作、黏液纤毛清除作用、天然及获得性免疫功能清除出气道；三是繁殖，健康肺为营养物质相对缺乏的环境，不利于细菌生长。病原菌入侵后，因种种因素导致气道表面微环境稳态破坏，导致黏液纤毛清除（mucociliary clearance, MCC）作用降低、抗菌效应受损、营养环境改善时，病原菌未能及时清除并进一步生长繁殖，从而引发定植或感染的发生[9]。
1、清除
呼吸道具备「自净」的功能。黏液纤毛清除功能的异常导致细菌容易与上皮细胞表面结合、定植；杀菌效应的降低引起细菌进一步生长、繁殖，上述因素在感染发生的早期至关重要。
1、MCC是气道抵御感染的第一道防线。正常情况下，病原体接触气道表面时，MCC机制启动，富含HCO3-的液体释放，黏蛋白分泌及纤毛活动增强，促进病原体的清除，之后液体及黏液的分泌水平降低，ASL厚度恢复正常。临床上，慢性肺部感染的患者，尤其是自主咳痰功能差的患者，MCC功能受损，此时痰液较为黏稠，甚至形成痰栓阻塞气道，此时感染往往不易控制。引起MCC功能受损的主要原因有：
（1）水分含量减少：各种原因导致的上皮细胞自由水转运障碍，如Cl-分泌减少（CF时CFTR功能缺失）或Na+重吸收增加（ENaC活性增加）均会引起ASL脱水化，呼吸道表面液体变薄，一方面黏液层大分子浓缩，黏液变得稠厚不易移动；另一方面PCL厚度降低，影响纤毛的正常摆动，进而导致MCC功能受损[7]。
（2）酸碱度异常：各种原因导致的气道ASL酸化，H+与黏蛋白表面阴离子结合，导致蛋白表面负电荷排斥作用消失，黏蛋白构象变化发生串珠样凝聚，黏蛋白可溶性降低，黏液变得黏稠；此外，PCL-pH值低于7时，气道纤毛活性减弱，纤毛摆动频率随之降低[10]。
（3）离子浓度异常：Na+及Ca2+浓度也可改变黏度。与等张盐水相比，7%盐水可降低ASL黏度，甚至在酸性环境下，高张盐水也能降低黏度。Ca2+浓度增加同样可增加ASL黏度，但作用偏弱[10]。
2、抗菌效应： 病原体在气道表面长期定植与ASL杀菌效应降低关系密切。气道表面微环境中离子浓度和酸碱度稳态是保证抗菌肽及吞噬细胞发挥正常抗菌效应的关键因素：
（1）离子浓度异常： 体外实验结果证实正常气道的ASL具有杀菌活性，当ASL中抗菌肽浓度不发生变化，改变ASL中盐分的浓度可影响ASL的杀菌效应，离子强度增加可抑制抗菌肽的抗菌活性，导致ASL杀菌特性消失[1] 。
（2）酸碱度变化： ASL-pH降低可抑制抗菌肽的抗菌活性，如导致LL-37构型变化，防御素生成减少，SLPI、SP-A、SP-D等抗菌肽抗菌协同作用降低，降低肺泡巨噬细胞吞噬功能等。应用NaHCO3纠正CF患者气道ASL的酸化，乳铁蛋白、溶菌酶对病原菌如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的杀菌活性增强[4] 。
2、繁殖
疾病状态下，呼吸道上皮细胞的损伤导致微环境稳态的破坏，ASL中营养物质含量增加，促进微生物的生长繁殖。葡萄糖作为细菌生长的主要碳源之一，ASL中葡萄糖浓度的增加，有利于细菌的生长繁殖[11]。临床研究结果表明，慢阻肺患者急性加重的发作频率与空腹血糖浓度正相关，急性加重伴有血糖增高时，痰中的革兰阴性菌、金黄色葡萄球菌等病原体检出率增高[12]。CF患者血糖控制不良时，绿脓杆菌、洋葱伯克霍尔德菌、嗜麦芽窄食单胞菌定植增加，更容易发生肺部感染[13]。气管插管的患者气管吸出物葡萄糖浓度增加时，病原菌尤其是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的检出率成倍增加[14]。
三、肺部感染的非抗生素防治措施靶点
通过恢复气道表面微环境稳态，可改善MCC功能，强化抗菌效应，阻止或减少肺部的细菌定植及繁殖，对控制感染迁延不愈至关重要，是治疗肺部感染的重要措施之一。
1、改善MCC功能
通过增加气道表面水分的含量、改变黏液特性，可降低黏液黏稠度，改善MCC功能。
1、离子通道活性药物：
稀释黏液最简单的方法就是调节盐离子浓度和水的转运[15]。地纽福索（Denufosol）为嘌呤受体亚型P2Y激活剂，可刺激胞内钙动员，提高胞质中Ca2+的浓度，激活CaCC通道，增加Cl-和水的分泌，降低ENaC活性，喷雾剂已被批准用于CF的吸入治疗。CFTR通道开放增强剂依伐卡托（Ivacaftor）、磷酸二酯酶抑制剂氨力农和米力农，可通过刺激CFTR增加Cl-外流；蛋白激酶C抑制剂（如阿米洛利、苯扎明、甲磺酸酯、洛哌丁胺）、二酯酰甘油激酶抑制剂、非大环内酯类抗生素等药物可抑制ENaC，减少Na+的重吸收，从而减少水分的吸收，使黏液得到稀释，增加纤毛功能及黏膜纤毛清除能力[15]。上述药物或类似物全身给药时可产生其他器官的不良反应，如过度抑制ENaC会导致水分在肺内的积聚，引发肺水肿[16]。因此，是否可通过局部给药发挥离子通道活性作用有待进一步研究。
2、气道表面渗透压调节药物：
吸入干粉甘露醇可增加ASL的渗透压，增加ASL水分含量。临床研究发现，吸入甘露醇可明显改善支气管哮喘、支气管扩张、CF患者的黏液清除能力，减少抗生素的应用，提高肺功能和生活质量。常用剂量为320~420 mg干粉吸入，2次/d，疗程为12周，治疗前吸入沙丁胺醇或福莫特罗可减轻不良反应[17]。吸入高渗盐水（3%~7% NaCl溶液）除可增加ASL渗透压和水分含量，还可破坏黏蛋白多聚体静电作用，降低黏液黏度；但气道表面过高的盐分有可能导致ASL杀菌效应的降低，因此联合雾化吸入时，应优化雾化药物的组合，避免存在作用机制上的相互抵消，降低疗效，甚至加重损害。在高渗盐水中加入低浓度的透明质酸可以改善雾化吸入时患者的耐受性[18]。
2、碱化ASL的药物
吸入2%的碳酸氢钠比生理盐水对降低黏液黏度、改善MCC功能更为有效[19]。但由于吸入碳酸氢钠对ASL酸碱度的影响时间短暂，可影响治疗效果。研究结果显示吸入三乙醇胺可明显延长碱化ASL、提高杀菌效应的效果，优于高张盐水（7% NaCl)[20]。此外，通过激活CFTR、CaCC或抑制ATP酶等离子通道活性，从而刺激HCO3-的分泌或抑制H+的释放，可有效调节ASL的酸碱度，可成为未来新的药物治疗靶点。
3、恢复ASL葡萄糖稳态
1、控制血糖：机体血糖水平降低，葡萄糖跨上皮转运浓度梯度随之降低。临床研究发现，患有慢性肺部疾病的糖尿病患者，服用二甲双胍、噻唑烷二酮期间，呼吸道感染的发病率较低，如支气管哮喘合并糖尿病的患者，因感染导致急性发作的风险降低了2~5倍[21]。慢阻肺合并糖尿病的患者服用噻唑烷二酮，与其他口服降糖药相比，急性加重的发生率降低了14%[22]。
2、降低细胞间紧密连接的通透性：二甲双胍可通过刺激claudin和occludin的表达，降低细胞间紧密连接的通透性，增加葡萄糖跨上皮细胞的转运阻力，使ASL中葡萄糖浓度降低[23]。此外，1,25-羟维生素D3、阿奇霉素可减轻绿脓杆菌感染导致的紧密连接的破坏及跨上皮细胞阻力的下降。糖皮质激素、噻唑烷二酮类、胰岛素可增加紧密连接蛋白的表达，强化气道屏障功能。
3、促进葡萄糖的转运：过氧化物酶体增殖物激活受体γ激活剂可增加胞内葡萄糖的代谢；胰岛素通过增加膜表面促葡萄糖转运蛋白含量刺激人气道上皮细胞葡萄糖的摄取[8]。
4、β-受体激动剂
支气管哮喘、慢阻肺、支气管扩张等气道疾病临床上常会选择吸入β-肾上腺素受体激动剂，从而引起细胞内cAMP水平增加，一方面可激活Na+通道，加强肺泡上皮细胞表面Na+的转运，促进Na+重吸收，清除肺泡表面过多液体，减轻肺水肿的程度，但肺部感染时，应用β-受体激动剂可导致ASL变得黏稠、杀菌效应降低，破坏MCC功能，对控制肺部感染不利。另一方面，胞内cAMP浓度升高，可同时激活CFTR和ATP12A，对ASL酸碱稳态产生影响[5]。因此，临床上需要吸入β-受体激动剂时，可联合应用增加ASL渗透压及碱化的药物，可起到扬长避短的效果。
* 参考文献（略）
作者：王东 李凤芝 张波 - 空军特色医学中心
文章来源： 中华结核和呼吸杂志,2020,43 (09): 801-804
（DOI：10.3760/cma.j.cn112147-20191109-00746）