细菌感染在慢性阻塞性肺疾病急性加重中的作用

赵江萍，陈海龙

(1.北京军区联勤部门诊部，北京100042;2.北京军区联勤部第六分部门诊部)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)的发病率、病死率高，社会经济负担重，已成为一个重要的公共卫生问题［1］。慢性阻塞性肺疾病急性加重(AECOPD)是COPD患者就诊以及住院治疗的主要原因，它不仅会加快病程的进展，使肺功能出现急剧下降，还会增加疾病相关病死率。所以，积极治疗AECOPD对于延缓COPD的病程、降低病死率非常重要。正确的治疗是建立在对病因学充分认识基础上的，50% ～70%的COPD急性加重病例可归因于感染［2］。细菌感染在慢阻肺急性加重中的作用可能表现在以下3个方面:(1)下气道出现原发性细菌感染;(2)病毒感染继发细菌感染;(3)细菌抗原诱导气道的高反应性和嗜酸粒细胞炎症［3］。

40%～60%的AECOPD患者痰中可以培养出致病菌，最常见的是流感嗜血杆菌、肺炎链球菌和卡他莫拉菌，但它们在AECOPD中的作用曾经存在广泛的争议［4］。随着新技术的应用，如细菌定量分析、应用支气管镜下标本、分子流行病学等，从微生物、组织学、免疫学、血清学、抗生素的作用等方面验证了细菌感染在AECOPD中的作用。

1 微生物学研究

近10年来，许多研究者应用侵入性的诊断技术，特别是将纤维支气管镜保护性标本刷(PSB)和细菌定量培养结合起来观察AECOPD患者下呼吸道病原学情况。Monso等［5］应用PSB技术观察了40例稳定期患者和29例加重期患者的下呼吸道病原情况，发现在急性加重期52%的COPD患者下呼吸道致病菌的细菌载量可以达到103CFU/mL，而稳定期时仅25%患者达到这一标准。其他应用PSB的研究也发现，与稳定期患者相比，AECOPD患者下呼吸道分泌物的致病菌分离率和细菌浓度均显著升高，提示致病菌浓度的增加是细菌在AECOPD中的作用机制之一;而且，在抗生素治疗AECOPD的临床试验中，如果患者治疗后细菌被清除，那么距离下一个急性加重的时间将显著延长［6］。因此，COPD患者气道内细菌浓度的增加可以一定程度上解释急性加重。然而，Sethi等［7］在其前瞻性研究中发现COPD患者急性加重期气管内细菌的浓度与稳定期无明显差异，甚至原有菌株的浓度更低，新菌株的浓度虽然略有升高，推测细菌浓度的改变也可能不是COPD急性加重的重要机制。

2 气道炎症方面的研究

气道炎症水平增强是AECOPD的显著特征，许多研究从气道炎症的角度研究细菌感染在AECOPD中的作用。

Sethi等［8］观察了AECOPD患者痰中的白细胞介素8(IL-8)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)和中性粒细胞弹性蛋白酶水平，发现痰培养致病微生物(PPM)阳性者其水平明显高于阴性者;还比较了不同种类PPM感染对AECOPD气道炎症的影响，选择了20例患者的2次急性加重，其中1次仅分离出流感嗜血杆菌或肺炎链球菌，另1次仅分离出副流感嗜血杆菌，结果发现，分离出前者的气道IL-8、TNF-α、中性粒细胞弹性蛋白酶(NE)水平较后者高，差异有统计学意义;还另外选择了10例患者的2次急性加重，其中1次仅分离出副流感嗜血杆菌，另1次未分离出PPM，前者的气道IL-8、TNF-α、NE水平与后者差异无统计学意义，质疑了副流感嗜血杆菌在AECOPD中的作用。但近年来文献报道AECOPD患者中副流感嗜血杆菌(HPI)的分离率呈逐年上升的趋势，且与患者的炎性反应平行，因此有研究者提出该菌也可能是AECOPD的致病菌，尤其是在机体有较严重的防御机制损害时更为重要［9］。但由于HPI是人类呼吸道常见的条件致病菌，而且既往研究多为流行病学调查，缺乏直接的证据证明AECOPD与HPI之间的关系，加之以往对HPI的基因分型研究较少，不同基因型毒力情况也未见相关报道，因此它作为下呼吸道感染致病菌目前还存在争议。

髓过氧化物酶(MPO)是来自于中性粒细胞嗜天青颗粒内的绿色酶。根据痰绿色的深浅，可分为黏性痰和脓性痰，加重期表现为脓性痰的的患者痰上清液IL-8、NE、白三烯B4(LTB4)、MPO水平和血清C反应蛋白(CRP)水平显著高于其在稳定期时的水平，而表现为黏性痰者加重期与稳定期上述指标的差异无统计学意义，脓性痰细菌培养PPM阳性率为90%，其中细菌载量＞107者占83%，显著高于黏性痰者(PPM阳性率为33%，其中细菌载量＞107者占 19%)［10］。

近年来的研究表明，AECOPD时气道内细菌负荷增加，气道内炎症介质如LTB4、白介素-6(IL-6)、IL-8、TNF-α等亦明显上升［11］。抗生素治疗后气道内炎症介质和MPO水平在细菌清除者明显下降，细菌未清除者则维持在原有水平，说明抗生素清除细菌同时也抑制了气道炎症，对AECOPD的治疗是有利的［12］。以上关于AECOPD气道炎症的研究证实细菌感染能增强AECOPD患者的气道炎症，支持细菌感染在AECOPD中的作用。

对COPD患者下呼吸道分泌物细菌定量培养和气道炎症的研究促进了“降-升”或“阈值假说”(“fall and rise”or quantitative hypothesis)的产生:Miravitlles［13］推测，在 COPD 稳定期，气道内存在致病菌定植，当致病菌负荷量增加到一定水平时会引起急性发作，即有一个引起急性发作的细菌负荷量阈值，当细菌负荷量超过阈值时就会产生足够严重的炎性反应，从而诱发急性发作的临床症状。一种或多种调节因素的出现，使不同的患者具有不同的细菌负荷量阈值。对细菌负荷量阈值可能有调节作用的因素包括内源性因素和外源性因素，其中内源性因素包括:肺功能损害、吸烟、气道高反应性、慢性黏膜过度分泌、防御机制受损、高龄、存在基础疾病;外源性因素包括:细菌的种类、环境温度过低、空气污染。如调节因素多，触发AECOPD所需的细菌浓度较低，甚至为零(表现为黏痰或非感染性恶化)。相反，如调节因素少或无，触发AECOPD则需很高细菌浓度(表现为脓痰或感染性恶化)［13］。上述假说如果成立，推测在加重期使用可以有效清除致病菌的抗生素，那么致病菌浓度增加达到阈值而发生下一次恶化的时间应显著延长。Wilson等［14］报道支持上述假说。

3 组织学方面的研究

对AECOPD、稳定期COPD患者和正常受试者进行气道黏膜活检发现，15例AECOPD患者中，有13例黏膜中发现细胞内流感嗜血杆菌，而24例稳定期患者仅有8例阳性，7例正常受试者无一阳性［15］。从组织学上证明流感嗜血杆菌在AECOPD的发病中起重要的作用。

4 免疫学和血清学方面的研究

Sethi等［16］在1项队列研究中，对从COPD患者的痰分离出的致病菌进行了分子学分型，并分析了AE前后1个月的血清抗体，结果发现，AECOPD与新菌株的获得关系密切，如患者在稳定期和加重期都可分离出未定型流感嗜血杆菌(NTHi)，但若出现新菌株，则多与AE相关。血清学的研究也发现，AECOPD患者痰培养出NTHi新菌株者，1个月后血清可出现新菌株的特异性抗体，且杀菌抗体反应只对同源菌株起作用［16-17］。这两个重要的研究支持“新致病菌株学说”，即AECOPD不仅与细菌负荷的周期性增加有关，可能也与宿主感染了具有新抗原结构的菌株有关，导致气道的免疫和炎性反应，临床表现为急性加重。新致病菌株学说也可解释其他致病菌如肺炎链球菌，卡他莫拉菌引起的AECOPD。然而，Sethi等［16］也观察到，并不是每次新菌株的获得都导致急性加重，也并不是每一次急性加重都与新菌株的获得有关，这可能是由于不同菌株的毒性不同，近来的研究观察到:与从稳定期COPD患者气道分离出的流感嗜血杆菌的菌株相比，从同一患者加重期时的气道分离到的流感嗜血杆菌的菌株在体外能诱导人气道上皮细胞产生更强的炎性反应［18］;另外致病菌抗原变异可能也是一个机制，即定植的致病菌表面抗原发生变异，使其逃避了宿主先前建立的免疫防御体系，导致急性加重反复发作。

为了证实细菌浓度增加是独立于新菌株获得的一个急性加重的危险因素，Sethi等［7］进行了一项为期81个月的临床研究，采集了104例患者加重期和稳定期的临床资料，并进行了细菌定量培养和分子生物学分型，结果发现，同源菌株的细菌浓度加重期与稳定期相比并不增加，质疑了细菌浓度的变化在COPD急性加重中的作用，强调了“新致病菌株学说”。

5 抗生素研究

已有的关于抗生素治疗AECOPD的研究未得出一致的结论，究其原因可能为:研究对象存在异质性、疗效判定指标不一致、未考虑到致病菌耐药对疗效的影响、未考虑到除抗生素的其他治疗对疗效的影响等。但对在1957-1992年进行的9个前瞻性随机对照试验的一项 Meta分析表明，尽管差别较小，但抗生素治疗显然能缩短病程，迅速恢复到日常生活水平，减少不能工作的天数，并预防再住院［19］。

为明确细菌感染在AECOPD中所起的作用，还有一个问题要回答——抗生素治疗是否可以改善AECOPD的预后。Anthonisen等［20］进行了开创性的前瞻研究，最后认为，如果满足3项主要临床标准(呼吸困难加重、痰量增加、脓性痰)中的2项(AnthonisenⅡ型)，约80%的AECOPD患者会从抗生素治疗中获益;而满足全部3项主要临床标准的患者(AnthonisenⅠ型)抗生素治疗获益最大，可缩短急性发作的天数，加快肺功能恢复的速度。

［1］ Jemal A，Ward E，Hao Y，et al.Trends in the leading causes of death in the United States，1970-2002［J］.JAMA，2005，294(10):1255-1259.

［2］ Sethi S，Murphy TF.Infection in the pathogenesis and course of chronic obstructive pulmonary disease［J］.N Engl J Med，2008，359(22):2355-2365.

［3］ 慢性阻塞性肺疾病急性加重抗菌治疗论坛专家组.“慢性阻塞性肺疾病诊治指南”中急性加重抗菌治疗的地位［J］.中华结核和呼吸杂志，2013，36(9):712-714.

［4］ 康怡，赖国祥，柳德灵，等.慢性阻塞性肺疾病与细菌感染［J］.中国呼吸与危重监护杂志，2011，10(3):298-300.

［5］ Monso E，Ruiz J，Rosell A，et al.Bacterial infection in chronic obstructive pulmonary disease:a study of stable and exacerbated outpatients using the protected specimen brush［J］.Am J Respir Crit Care Med，1995，152(4pt1):1316-1320.

［6］ Chodosh S，Sehreum A，Siami G，et a1.Efficacy of oral ciprodoxacin vs.clarithromycin for treatment of acute bacterial exacerbation of chronic bronchitis［J］.Clin Infect Dis，1998，27(4):730-738.

［7］ Sethi S，Sethi R，Eschberger K，et a1.Airway bacterial concentrations and exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease［J］.Am J Respir Crit Care Med，2007，176(4):356-361.

［8］ Sethi S，Muscarella K，Evans N，et al.Airway inflammation and etiology of acute exacerbations of chronic bronchitis［J］.Chest，2000，118(6):1557-1565.

［9］ Miravitlles M，Kruesmann F，Haverstock D，et a1.Sputum colour and bacteria in chronic bronchitis exacerbations:a pooled analysis［J］.Eur Respir J，2012，39(6):1354-1360.

［10］ Gompertz S，O'Brien C，Bayley DL，et al.Changes in bronchial inflammation during acute exacerbations of chronic bronchitis［J］.Eur Respir J，2001，17(6):1112-1119.

［11］ Aaron SD，Angel JB，Lunau M，et al.Granulocyte inflammatory markers and airway infection during acute exacerbation of chronic obxtructive pulmonary disease［J］.Am J Respir Crit Care Med，2001，163(2):340-355.

［12］ White AJ，Gompertz S，Bayley DL，et al.Resolution of bronchial inflammation is related to bacterial eradication following treatment of exacerbations of chronic bronchitis［J］.Thorax，2003，58(8):680-685.

［13］ Miravitlles M.Exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease:when are bacteria important?［J］.Eur Respir J Suppl，2002，36:9s-19s.

［14］ Wilson R，Allegra L，Huchon G，et al.Short-term and long-term outcomes of moxifloxacin compared to standard antibiotic treatment in acute exacerbations of chronic bronchitis［J］.Chest，2004，125(3):953-964.

［15］ Bandi V，Apicella MA，Mason E，et al.Nontypeable Haemophilus influenzae in the lower respiratory tract of patients with chronic bronchitis［J］.Am J Respir Crit Care Med，2001，164(11):2114-2119.

［16］ Sethi S，Evans N，Grant BJ，et al.New strains of bacteria and exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease［J］.N Engl J Med，2002，347(7):465-471.

［17］ Sethi S，Wrona C，Grant BJ，et al.Strain-specific immune response to haemophilus influenzae in chronic obstructive pulmonary disease［J］.Am J Respir Crit Care Med，2004，169(4):448-453.

［18］ Chin CL，Manzel LJ，Lehman EE，et al.Haemophilus influenzae from patients with chronic obstructive pulmonary disease exacerbation induce more inflammation than colonizers［J］.Am J Respir Crit Care Med，2005，172(11):85-91.

［19］ Saint S，Bent S，Vittinghoff E，et al.Antibiotics in chronic obstructive pulmonary disease exacerbations:a meta-analysis［J］.JAMA，1995，273(12):957-960.

［20］ Anthonisen NR，Manfreda J，Warren CP，et al.Antibiotic therapy in exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease［J］.Ann Intern Med，1987，106(2):196-204.