Брой 10/2018
Д-р И. Цочева, д.м., Д-р С. Лазова, Проф. д-р П. Переновска, д.м.н., Д-р С. Парина, Д-р Б. Георгиева, Доц. д-р Г. Петрова, д.м.
Клиника по педиатрия, УМБАЛ “Александровска”, Катедра по педиатрия, МУ – София
Използването на съвременни културелно-независими методи направи възможно откриването на белодробна микрофлора и обори парадигмата за стерилност на белия дроб в състояние на здраве. Формирането на белодробната микрофлора започва с раждането и е от значение за честотата на респираторните инфекции и развитието на алергенна толерантност в по-късните етапи от живота. Проучванията в областта на белодробната микрофлора ще открият нови терапевтични възможности при острите и хронични заболявания на дихателната система.
Принципите на класическата микробиология на респираторната система през последните няколко години са преоценени с развенчаването на мита за стерилността на белите дробове. “Теренът” на респираторната екосистема се различава значително, както анатомично, така и физиологично, от останалите лигавици. Тя се изменя драматично при заболяване, когато се нарушава динамичната хомеостаза между гостоприемника и микробиома. Изследователите, разработващи човешкия респираторен микробиом, са в началото на пътя, водещ към разбиране на сложното взаимодействие между бактерии, вируси, фаги и гъби. [1]
Белите дробове не са стерилни
Представата, че белите дробове са стерилни все още се споменава в научната литература като твърдение, без потвърждение с цитат. Ако това твърдение, обаче е истина, би било твърде необичайно. Бактериите са изключително разнообразни и адаптивни, в резултат на което на практика почти не съществува толкова крайна екологична ниша на нашата планета (кислород, pH, хидрофобност, температура, соленост, липса на хранителни вещества), в която да не могат да се открият живи бактерии. [1] Би било неочаквано и нелогично, ако една от тези среди на нашата планета е именно топлата влажна лигавица, намираща се на сантиметри под устната кухина, която е богата на бактерии и над която има постоянен поток на въздух, натоварен с множество бактерии, микроаерозоли и флуиди.
Многобройни проучвания, датиращи от почти век, доказват че микроаспирациите са често срещани при здрави, асимптомни субекти [2-5] и познанието за бактериалното съдържание на вдишания въздух е толкова старо, колкото и самата теория за зародиша [6]. След първия доклад за изолирана независима култура, част от белодробния микробиом на здрав индивид [7], има десетки публикувани проучвания, даващи достоверни доказателства за наличието на бактерии в долните дихателни пътища, получени с методите на молекулярната микробиология за бактериална идентификация. Нито едно съвременно проучване до момента не е открило доказателства за липсата им.
Биология на лигавиците – лигавицата на белите дробове се различава от чревната
Червата и белите дробове са изградени от луменални органи, обвити с лигавица с общ ембрионален произход, но с доста различни микро- и макро анатомични особености, което води до значителни разлики в състава и динамиката на тяхната микрофлора. При липса на повръщане или гастро-езофагеален рефлукс, движението на микроорганизмите в храносмилателния тракт е еднопосочно (в посока от устата към ануса) и се прекъсва последователно от много различни физически и химически бариери.
За да може орално въведен микроорганизъм да мигрира в цекума, той трябва да оцелее в киселото рН на стомаха (~ 2.0) и алкалното рН на дванадесетопръстника (~ 8.0), след което да се конкурира за хранителни ресурси с гъсто населения с резидентни микроорганизми долен ГИТ. От друга страна, движението на въздуха, мукуса и микроорганизмите в белите дробове е двупосочен, без физическа бариера между ларинкса и най-отдалечената алвеола. В резултат на това микробиомът на белите дробове е по-динамичен и преходен в сравнение с този в долния гастроинтестинален тракт. Докато стомашно-чревния тракт е с еднаква температура (37°C) през цялото си протежение от 9 метра, в лигавицата на дихателните пътища (около половин метър дължина) има температурен градиент между околната среда в точката на вдишване и основната телесна температура в алвеолите [8]. За разлика от червата, белодробната среда е аеробна.
Въпреки че трахеята и бронхите са също като червата обвити със силно гликозилирани протеини от секретираната слуз, по-голямата част от повърхността на белия дроб е облицована с повърхностно активно вещество, богато на липиди, което има бактериостатични ефекти срещу определени бактериални видове [9]. Бактериалната плътност в дихателните пътища е доста скромна, в сравнение с тези на дванадесетопръстника [7] и по-малка в сравнение с дебелото черво; следователно и междубактериалните метаболитни взаимодействия се различават значително. И накрая, червата и белите дробове се различават по характера на бактериалните взаимодействия с гостоприемника. Нивата на мукозните IgA антитела са далеч по-високи в червата, докато в белите дробове се проявяват много по-големи екстра-луменални взаимодействия между бактериите и левкоцитите на гостоприемника (алвеоларните макрофаги). Всички тези различия, взети заедно, водят до различаващи се микробни общности в дихателните пътища и ГИТ.
Микробиомът на белия дроб се определя от три екологични фактора
Съставът на белодробния микробиом се определя от баланса на три фактора [10]:
(1) микробна миграция в дихателните пътища
(2) елиминиране на микроорганизми в дихателните пътища
(3)относителната честота на възпроизвеждане на микроорганизмите, в зависимост от условията за бактериален растеж.
Всяка промяна в микробиома на конкретния индивид или при различни болестни състояния вероятно се дължи на нарушение в някои от тези три фактора.
Източник на микробна имиграция е вдишваният въздух (който съдържа 104-106 бактерии/mm3 преди достигане до гъсто колонизираните с бактерии горни дихателни пътища [11]), субклинична микроаспирация на съдържимо от горните дихателни пътища [2-5] и директно разпространение по лигавицата на дихателните пътища. Микробната елиминация се поддържа от мукоцилиарния клирънс и кашличния рефлекс (дори при здрави субекти [12]) и имунната защита на гостоприемника (вроден и придобит). Екологичните фактори, които определят локалните условия за растеж на микроорганизми в белите дробове, включват както тези, които са общи за всички екологични ниши (напр. наличност на хранителни вещества, температура, рН, кислородно насищане), така и изобилието от активирани възпалителни клетки на гостоприемника.
При здрав макроорганизъм тези условия са обикновено неблагоприятни за бактериалния растеж, което води до относително слабо възпроизводство на бактерии. По този начин основната детерминанта за развитието и състава на белодробния микробиом при здрав макроорганизъм е балансът между миграцията и елиминиране [13-15]. В състояние на болест, обаче регионалните условия за бактериален растеж в белите дробове се променят драматично, създавайки благоприятна среда за селективно възпроизводство на бактерии. Добре известният феномен на бактериална колонизация при напреднало белодробно заболяване отразява богатия растеж на видове, които са добре адаптирани към специфичните условия в увредения респираторен тракт. Селективното репродуктивно предимство на тези бактериални видове оказва влияние върху миграцията и елиминирането на всички останали микроорганизми в дихателната екосистема.
Микрофлора в белите дробове по време на здравето
Наличието на субклинична микроаспирация на фарингеални секрети сред здрави субекти е обект на дългогодишно наблюдение [2-5]. Многобройни независими проучвания оттогава потвърждават, че микробиомът на белите дробове прилича повече на този на орофаринкса, отколкото на конкурентните общности от друг източник: инхалиран въздух, назофаринкс, по-дистално от стомашно-чревния тракт или чрез хематогенна дисеминация[15-18]. Резултатите, както от директни проучвания върху отделни индивиди, така и от големи популационни модели показват, че носният микробиом не допринася много за белодробната микрофлора в условия на здраве. [15,16]; Назалният микробиом много повече наподобява този на кожната повърхност, отколкото на този в белите дробове.
Важно е да се отбележи, че сходството между белодробната и оралната микрофлора е неоспоримо, дори когато биологичния материал е взет чрез назално въвеждане бронхоскоп, показващо минималното влияние на замърсяването от горните дихателни пътища върху бронхоскопски взети проби [10,19]. От орофаринкса се секретират приблизително два литра слюнка дневно, което многократно надвишава обема на секретите, отделяни от назалната мукоза в здраве. Възможно е, без да е научно потвърдено, че белодробната и назална микробна флора да стават сходни временно при повишена ринорея (например в хода на остри вирусни инфекции или алергичен ринит, и при двете от които могат да се провокират екзацербации на белодробно заболяване, асоциирани с назални микроорганизми като Staphylococcus aureus и Moraxella catarrhalis).
Промените в белодробната микробиология по време на заболяването
Екологичните детерминанти на белодробните микроорганизми – миграция, елиминиране и регионални условията на растеж, се променят драстично по време на острата или хронична белодробна болест [10]. Следователно, съставът на белодробния микробиом се променя при болестни състояния. От десетки изследвания, при които е сравнявана микрофлората на субекти с ИДДП с тази на здрави субекти, при почти всички се откриват значителни различия в състава на преобладаващите микроорганизми [20]. При много проучвания се описва увеличено богатство на микрофлората (брой видове) при хронични заболявания на дихателните пътища, често с промяна в състава на преобладаващите микроорганизми от семейство Bacteroidetes, които доминират при здрави индивиди, към Proteobacteria, към които се отнасят много известни респираторни грам-отрицателни бактерии.
Особеностите в състава на белодробната микрофлора са свързани с важни клинични признаци на хроничното белодробно заболяване като честота на екзацербациите при бронхиектазии [21], смъртност при идиопатична белодробна фиброза [22] и отговор към кортикостероиди и антибиотици при астма [23,24]. Активни теми на проучване в тази област на науката са: (1) дали измененията в белодробния микробиом допринасят към патогенезата на основното заболяване или са просто маркер за наличието на увреждане и възпаление, (2) дали микробиомът на белите дробове може да бъде променен терапевтично, за да се повлияе върху честотата на екзацербациите или прогресията на респираторните заболяването, и (3) как се нарушава разнообразната и динамична хомеостаза на белодробната екосистема и се стига до доминиране на един доминантен патоген при пневмония [14,25].
Астма и микробиом
Астмата и атопията класически се асоциират с хипер-активиране на T helper 2 (Th2) рамото на придобития имунен отговор и са сред най-честите хронични заболявания в световен мащаб. Въпреки, че все още е ново поле на научни изследвания, доказателствата към днешна дата показват, че микрофлората на дихателните пътища и/ или червата може да бъде потенциално поле за профилактика или лечение на алергична астма и други заболявания, в основата на които лежи патологично променен придобит имунен отговор [2].
Съществуват скорошни доказателства, че бактериалният микробиом може да повлияе имунния отговор при вирусни инфекции. Тежко протичащи вирусни инфекции като респираторно-синцитиалния вирус и риновируса се асоциира с повишен риск от развитие на астма, поради което се наричат астмагенни [26].
При опит с мишки, подложени на назална експозиция на две вида колонии на коменсални бактерии Lactobacillus rhamnosus (LR05 and LR06), е установен протективен ефект при последваща RSV инфекция. Защитният ефект се асоциира с увеличени нива на of IFN-b, IFN-g, IL-6, and TNF-a, както в серум, така и в БАЛ, които спомагат за вирусното очистване. Успоредно на това при тестваните животни са наблюдавани повишени нива на анти-инфламатония цитокин IL-10, който редуцира асоциираното с възпаление тъканно увреждане [27].
Заключение
Микрофлората на белия дроб се променя в резултат от приложението на различни медикаменти като антибиотици, кортикостероиди, инхибитори на протонната помпа и вероятно много други фактори, които тепърва започват да се откриват и проучват. Дефинирането на състава на назофаринегалния и белодробен микробиом постави началото на нова ера от изследвания, чиято основна цел е да се установи дали насочената промяна на микробиома може да промени хода на хроничните белодробни заболявания. Проучването на микробиома в дълбочина би ни позволил да разберем как разнообразната и динамична хомеостаза на екосистемата „бял дроб“ се ограничава до доминирането на един или няколко доминантни патогени при пневмония или хронични белодробни заболявания и ще ни насочи към търсене на нови терапевтични възможности.
Благодарност: Обзорът е подготвен във връзка с грант от Съвета по наука към Медицински Университет София ( проект №.7770/декември 2017, грант № 106/2018)
Литература
1.Horikoshi K, Grant WD (1998) Extremophiles: Microbial Life In Extreme Environments: Wiley-Liss.
2. Gleeson K, Eggli DF, Maxwell SL Quantitative aspiration during sleep in normal subjects. Chest. 1997;
111: 1266–1272. PMID: 9149581
3. Huxley EJ, Viroslav J, Gray WR, Pierce AK Pharyngeal aspiration in normal adults and patients with
depressed consciousness. Am J Med. 1978; 64: 564–568. PMID: 645722
4. Quinn LH, Meyer OO The relationship of sinusitis and bronchiectasis. Archives of Otolaryngology—Head & Neck Surgery. 1929; 10: 152.
5. Amberson JB A clinical consideration of abscesses and cavities of the lung. Bull Johns Hopkins Hosp.
1954; 94: 227–237. PMID: 13160680
6. Pasteur L Expériences relatives aux générations dites spontanées. Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences D: Sciences Naturelles. 1860; L: 303–307.
7. Hilty M, Burke C, Pedro H, Cardenas P, Bush A, Bossley C, et al. Disordered microbial communities in asthmatic airways. PLoS One. 2010; 5: e8578. doi: 10.1371/journal.pone.0008578 PMID: 20052417
8. Ingenito EP, Solway J, McFadden ER Jr., Pichurko B, Bowman HF, Michaels D, et al. Indirect assessment of mucosal surface temperatures in the airways: theory and tests. J Appl Physiol. 1987; 63:
2075–2083. PMID: 3693240
9. Wu H, Kuzmenko A, Wan S, Schaffer L, Weiss A, Fisher JH, et al. Surfactant proteins A and D inhibit the growth of Gram-negative bacteria by increasing membrane permeability. J Clin Invest. 2003; 111:1589–1602. PMID: 12750409
10. Dickson RP, Martinez FJ, Huffnagle GB The role of the microbiome in exacerbations of chronic lung diseases. Lancet. 2014; 384: 691–702. doi: 10.1016/S0140-6736(14)61136-3 PMID: 25152271
11. Lighthart B Mini-review of the concentration variations found in the alfresco atmospheric bacterial populations. Aerobiologia. 2000; 16: 7–16.
12. Munyard P, Bush A How much coughing is normal? Arch Dis Child. 1996; 74: 531–534. PMID: 8758131
13. Dickson RP, Erb-Downward JR, Freeman CM, McCloskey L, Beck JM, Huffnagle GB, et al. Spatial variation in the healthy human lung microbiome and the adapted island model of lung biogeography. Ann Am Thorac Soc. 2015.
14. Dickson RP, Erb-Downward JR, Huffnagle GB Towards an ecology of the lung: new conceptual models of pulmonary microbiology and pneumonia pathogenesis. Lancet Respir Med. 2014; 2: 238–246. doi:10.1016/S2213-2600(14)70028-1 PMID: 24621685
15. Venkataraman A, Bassis CM, Beck JM, Young VB, Curtis JL, Huffnagle GB, et al. Application of a neutral community model to assess structuring of the human lung microbiome. MBio. 2015; 6.
16. Bassis CM, Erb-Downward JR, Dickson RP, Freeman CM, Schmidt TM, Young VB, et al. Analysis of the upper respiratory tract microbiotas as the source of the lung and gastric microbiotas in healthy individuals. MBio. 2015; 6.
17. Morris A, Beck JM, Schloss PD, Campbell TB, Crothers K, Curtis JL, et al. Comparison of the respiratory microbiome in healthy nonsmokers and smokers. Am J Respir Crit Care Med. 2013; 187: 1067– 1075. doi: 10.1164/rccm.201210-1913OC PMID: 23491408
18. Segal LN, Alekseyenko AV, Clemente JC, Kulkarni R, Wu B, Chen H, et al. Enrichment of lung microbiome with supraglottic taxa is associated with increased pulmonary inflammation. Microbiome. 2013; 1: 19. doi: 10.1186/2049-2618-1-19 PMID: 24450871
19. Robert P. Dickson and Gary B. Huffnagle The Lung Microbiome: New Principles for Respiratory Bacteriology in Health and Disease PLoS Pathog. 2015 Jul; 11(7): e1004923.
20.Dickson RP, Erb-Downward JR, Huffnagle GB The role of the bacterial microbiome in lung disease. Expert Rev Respir Med. 2013; 7: 245–257. doi: 10.1586/ers.13.24 PMID: 23734647
21. Rogers GB, Zain NM, Bruce KD, Burr LD, Chen AC, Rivett DW, et al. A novel microbiota stratification system predicts future exacerbations in bronchiectasis. Ann Am Thorac Soc. 2014; 11:496–503. doi: 10.1513/AnnalsATS.201310-335OC PMID: 24592925
22. Molyneaux PL, Cox MJ, Willis-Owen SA, Mallia P, Russell KE, Russell AM, et al. The role of bacteria in the pathogenesis and progression of idiopathic pulmonary fibrosis. Am J Respir Crit Care Med. 2014; 190: 906–913. doi: 10.1164/rccm.201403-0541OC PMID: 25184687
23. Huang YJ, Nelson CE, Brodie EL, Desantis TZ, Baek MS, Liu J, et al. Airway microbiota and bronchial hyperresponsiveness in patients with suboptimally controlled asthma. J Allergy Clin Immunol. 2011; 127: 372–381 e371–373. doi: 10.1016/j.jaci.2010.10.048 PMID: 21194740
24. Goleva E, Jackson LP, Harris JK, Robertson CE, Sutherland ER, Hall CF, et al. The effects of airway microbiome on corticosteroid responsiveness in asthma. Am J Respir Crit Care Med. 2013; 188: 1193–1201. doi: 10.1164/rccm.201304-0775OC PMID: 24024497
25. Dickson RP, Erb-Downward JR, Prescott HC, Martinez FJ, Curtis JL, Lama VN, et al. Analysis of culture-dependent versus culture-independent techniques for identification of bacteria in clinically obtained bronchoalveolar lavage fluid. J Clin Microbiol. 2014; 52: 3605–3613. doi: 10.1128/JCM.01028-14 PMID: 25078910
25.Tracy M1, Cogen J, Hoffman LR. The pediatric microbiome and the lung. Curr Opin Pediatr. 2015 Jun;27(3):348-55.
26. Narang R, Bakewell K, Peach J et al. Bacterial distribution in the lungs of children with protracted bacterial bronchitis. PLoS One. 2014 Sep 26;9(9):e108523
27. Tomosada Y, Chiba E, Zelaya H, Takahashi T, Tsukida K, Kitazawa H, Alvarez S, Villena J. Nasally administered Lactobacillus rhamnosus strains differentially modulate respiratory antiviral immune responses and induce protection against respiratory syncytial virus infection. BMC Immunol. 2013 Aug 15;14:40. doi: 10.1186/1471-2172-14-40.
