編譯：微科盟聽雪齋，編輯：微科盟居居、江舜堯。

微科盟原創(chuàng)微文，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載須注明來(lái)源《微生態(tài)》公眾號(hào)。

導(dǎo)讀  

肺生物學(xué)領(lǐng)域的新方法和新技術(shù)開始為呼吸道的微生物世界帶來(lái)新的曙光。肺長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是無(wú)菌環(huán)境，現(xiàn)在很明顯，人類的肺部經(jīng)常暴露于活微生物及其副產(chǎn)物中。肺部微生物組的性質(zhì)與人體中的其他微生物群落(如腸道中的微生物群落)截然不同。值得注意的是，肺部微生物組表現(xiàn)出低生物量，并受微生物遷移和清除的動(dòng)態(tài)通量控制，導(dǎo)致細(xì)菌負(fù)荷和微生物組組成在本質(zhì)上是流動(dòng)的而不是固定的。隨著我們對(duì)肺部微生物生態(tài)的了解的提高，越來(lái)越明顯的是，某些疾病狀態(tài)會(huì)破壞微生物-宿主界面，并最終影響疾病的發(fā)病機(jī)制。本文概述了健康和疾病中的下呼吸道微生物動(dòng)態(tài)，并討論了發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)以改善肺部健康所需的未來(lái)工作。  

論文ID

原名：The dynamic lung microbiome in health and disease

譯名：健康與疾病中的動(dòng)態(tài)肺部微生物組

期刊：Nature Reviews Microbiology

IF：78.297

發(fā)表時(shí)間：2022.11

通訊作者：Leopoldo N. Segal

通訊作者單位：紐約大學(xué)格羅斯曼醫(yī)學(xué)院

DOI號(hào)：10.1038/s41579-022-00821-x

綜述目錄

1 前言

2 肺微生物組的起源

3 動(dòng)態(tài)微生物-宿主界面

4 下氣道免疫調(diào)節(jié)：肺-肺軸

5 呼吸道炎癥性疾病中的生態(tài)失調(diào)

5.1 慢性阻塞性肺病

5.2 哮喘

5.3 特發(fā)性肺纖維化

5.4 急性呼吸窘迫綜合征

6 肺部微生物組與免疫監(jiān)測(cè)

6.1 HIV

6.2 癌癥

7 結(jié)論和未來(lái)方向

主要內(nèi)容

1 前言

人類和微生物在數(shù)十萬(wàn)年的時(shí)間里共生共同進(jìn)化，形成了一個(gè)人類微生物組，它是多種微生物的家園，包括細(xì)菌、酵母菌、古菌、真菌、原生動(dòng)物和病毒。這些微生物，以及它們所在的環(huán)境，在免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)和成熟、消化、某些維生素的產(chǎn)生以及疾病的預(yù)防方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。據(jù)了解，微生物幾乎占據(jù)了人體的所有表面，呼吸道也不例外。

上呼吸道和下呼吸道的微生物組成和生物量不同(圖1)。上呼吸道，包括鼻腔、鼻竇、咽部和喉聲門上部分，大部分被細(xì)菌定植。此外，在上呼吸道內(nèi)，微生物組成存在地形差異。例如，鼻腔和鼻咽中的優(yōu)勢(shì)類群包括Moraxella、Staphylococcus、Corynebacterium、Haemophilus和Streptococcus屬物種，而口咽部則有大量的普雷沃氏菌屬(Prevotella)、韋榮氏球菌屬(Veillonella)、鏈球菌屬(Streptococcus)、Leptotrichia、羅斯氏菌屬(Rothia)、奈瑟菌屬(Neisseria)和嗜血桿菌屬(Haemophilus)物種(圖1)。相比之下，由氣管和肺組成的下呼吸道表現(xiàn)出相對(duì)較低的生物量，在下呼吸道粘膜免疫中起主要作用(下文討論)。這種低生物量是通過(guò)多種生理機(jī)制快速清除微生物來(lái)維持的(圖1)，使下呼吸道能夠執(zhí)行其最關(guān)鍵的功能：氧氣和二氧化碳的交換。

生態(tài)失調(diào)，定義為偏離正常的微生物組成，與許多不良的生物現(xiàn)象有關(guān)，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生臨床后果。在肺部，生態(tài)失調(diào)會(huì)對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)展和進(jìn)展產(chǎn)生重大影響，強(qiáng)調(diào)臨床需要了解肺部微生物組的生物學(xué)。在過(guò)去十年中，應(yīng)用非培養(yǎng)基因組學(xué)方法來(lái)描述肺部微生物環(huán)境的研究迅速擴(kuò)大(BOX 1)。正如我們?cè)谙旅嬗懻摰?，一些研究表明，某些微生物信?hào)與不同的下呼吸道炎癥內(nèi)型和疾病過(guò)程相關(guān)。

健康和疾病中的肺部微生物組通常被概念化為在兩種靜態(tài)狀態(tài)之間搖擺的鐘擺，從肺氣道中微生物的缺乏到有彈性的微生物定植模式。然而，這些極端可能不是互斥的，而是動(dòng)態(tài)微生物系統(tǒng)的快照。在這篇綜述中，描述了肺部微生物組的進(jìn)化性質(zhì)以及持續(xù)生態(tài)失調(diào)可能影響呼吸系統(tǒng)疾病進(jìn)展的潛在機(jī)制。我們希望挑戰(zhàn)肺部微生物環(huán)境是一個(gè)靜態(tài)實(shí)體的概念，并強(qiáng)調(diào)微生物遷移和清除之間的動(dòng)態(tài)平衡。如下文所述，肺微生物組的動(dòng)態(tài)特性已被實(shí)驗(yàn)小鼠微吸模型所記錄，這可能是與其他生物量高的粘膜(如口腔和腸道)中的微生物行為不同的一個(gè)重要特征，而這些粘膜中微生物群落具有很強(qiáng)的彈性。我們認(rèn)為，重點(diǎn)闡明肺微生物組的動(dòng)態(tài)性質(zhì)對(duì)于理解肺部疾病的機(jī)制以及開發(fā)涉及微生物-宿主界面的新治療靶點(diǎn)至關(guān)重要。  

圖1 呼吸道和近端胃腸道的正常微生物群。

上呼吸道由鼻腔、鼻竇、鼻咽、口咽和喉聲門上部分組成，具有相對(duì)較高的生物量，每個(gè)部分具有不同的微生物群。相比之下，由喉聲門下部分、氣管和肺組成的下呼吸道表現(xiàn)出相對(duì)較低的生物量，主要由口腔共生微生物組成。如紅框所示，幾個(gè)因素可能導(dǎo)致呼吸道的生態(tài)失調(diào)變化。吸入口咽或胃食管內(nèi)容物是細(xì)菌到達(dá)下呼吸道的主要方式(箭頭)。三種主要的肺清除機(jī)制是咳嗽、粘液纖毛轉(zhuǎn)運(yùn)和先天免疫系統(tǒng)。

BOX 1.臨床實(shí)踐中使用非培養(yǎng)方法。 

高通量測(cè)序方法的使用仍處于起步階段，但離臨床應(yīng)用還不遠(yuǎn)。例如，培養(yǎng)依賴性技術(shù)正在發(fā)展成為檢測(cè)疑似肺炎患者呼吸道病原體的一種有前景的方法。這種方法不僅比傳統(tǒng)的基于培養(yǎng)的方法更快速地診斷，而且可以在培養(yǎng)陰性肺炎患者中識(shí)別呼吸道病原體，最近開發(fā)的一種肺炎小組使用對(duì)痰液和支氣管肺泡灌洗樣本進(jìn)行多重PCR檢測(cè)，可在數(shù)小時(shí)內(nèi)提供診斷數(shù)據(jù)，并已證明可顯著提高微生物診斷率。靶向方法還可檢測(cè)非典型細(xì)菌和病毒病原體以及某些抗微生物耐藥基因。此外，將微生物和宿主基因組信號(hào)相結(jié)合有助于準(zhǔn)確區(qū)分下呼吸道肺部感染和其他病理狀況。

靶向方法受到評(píng)估目標(biāo)數(shù)量有限的限制。隨著納米孔測(cè)序技術(shù)(如MinION)的發(fā)展，可以對(duì)臨床樣本進(jìn)行RNA或DNA的實(shí)時(shí)評(píng)估，從而提供病原體的即時(shí)基因組檢測(cè)。下一代高度復(fù)用的方法可能會(huì)擴(kuò)大識(shí)別細(xì)菌、病毒或真菌感染患者的能力。此外，它們與宿主轉(zhuǎn)錄組測(cè)序方法的結(jié)合可以為肺部感染患者提供重要的預(yù)后信息。例如，在患有新冠肺炎的危重患者中，來(lái)自下呼吸道的微生物和宿主基因組信號(hào)的組合為這些患者發(fā)生的病理生理學(xué)紊亂提供了重要的見(jiàn)解，這可能解釋了不良臨床結(jié)果的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)。隨著多組學(xué)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，我們有可能更好地理解在幾種肺部疾病中具有臨床意義的表型和內(nèi)型特征。目前，在將非培養(yǎng)方法應(yīng)用于臨床實(shí)踐之前，還需要更多采用縱向調(diào)查方法的研究。

非培養(yǎng)方法也可以改變我們對(duì)臨床實(shí)踐中常用療法效果的看法。下呼吸道微生物組的特征正在挑戰(zhàn)我們目前對(duì)廣譜和窄范圍抗生素使用的理解，揭示了所謂的“脫靶”微生物效應(yīng)。在囊性纖維化中，吸入妥布霉素(通常用于假單胞菌的靶向定植)對(duì)非致病微生物有廣泛影響，這是解釋抗生素使用結(jié)果時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。例如，在慢性阻塞性肺病的早期階段，長(zhǎng)期使用阿奇霉素會(huì)導(dǎo)致下呼吸道微生物組的組成發(fā)生顯著變化，這可能與具有抗炎特性的微生物代謝產(chǎn)物的釋放有關(guān)。因此，部分脫靶效應(yīng)可能導(dǎo)致影響疾病進(jìn)展的重要機(jī)制。此外，阿奇霉素治療患有慢性排斥反應(yīng)的肺移植患者可以改善肺功能，這表明宿主與微生物的相互作用可能在其發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用。

當(dāng)然，非培養(yǎng)方法也存在局限性，這會(huì)嚴(yán)重限制其在臨床實(shí)踐中的適用性。一個(gè)例子是多重PCR檢測(cè)無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分DNA與活的和不活的生物體。因此，初始檢測(cè)不一定表明需要治療，持續(xù)檢測(cè)也不總是需要延長(zhǎng)已經(jīng)接受治療的患者的抗菌治療。另一個(gè)限制是，應(yīng)用于微生物生物量低的樣品的非培養(yǎng)方法更容易產(chǎn)生測(cè)序噪聲和DNA污染。在這方面，微生物RNA轉(zhuǎn)錄組測(cè)序方法可能特別有用，因?yàn)槲⑸颮NA的檢測(cè)通常表明存在活的微生物，并且考慮到RNA在細(xì)胞裂解后迅速降解。

盡管不斷發(fā)展的數(shù)據(jù)支持使用混合細(xì)菌轉(zhuǎn)移(如糞便微生物群移植)治療艱難梭菌感染、腸易激綜合征和潰瘍性結(jié)腸炎等胃腸道疾病，但人們對(duì)有意改變肺部微生物組對(duì)呼吸道疾病的影響知之甚少。有趣的是，有不斷發(fā)展的文獻(xiàn)表明，使用益生元和益生菌恢復(fù)正常的胃腸道微生物組對(duì)多種呼吸道疾病有治療益處，如肺癌、哮喘、肺結(jié)核和囊性纖維化(所謂的“腸-肺軸”)；然而，通過(guò)益生元或益生菌直接靶向肺部微生物組的治療干預(yù)措施仍然缺乏，需要在未來(lái)的研究中進(jìn)一步探索。 

2 肺微生物組的起源

曾經(jīng)被認(rèn)為是無(wú)菌環(huán)境的肺，現(xiàn)在人們了解到肺部經(jīng)常暴露于各種微生物。人類數(shù)據(jù)表明，微生物暴露在出生后幾天到幾周內(nèi)就開始了，對(duì)免疫系統(tǒng)的成熟有重要影響。在一項(xiàng)對(duì)嬰兒下呼吸道樣本的研究中，微生物群落組成的差異與宿主免疫的明顯變化相關(guān)。在生命的最初幾周內(nèi)，Staphylococcus或Ureaplasma在下呼吸道微生物群落中的主導(dǎo)地位代表了與新生兒分娩模式相關(guān)的肺部微生物組的兩個(gè)不同特征。下呼吸道Ureaplasma (一種常見(jiàn)的生殖道共生菌)的富集與陰道分娩相關(guān)，而葡萄球菌(一種常用的皮膚共生菌)的富集與剖腹產(chǎn)相關(guān)，為環(huán)境對(duì)肺部微生物組的作用提供了一個(gè)早期的例子。隨著新生兒的成長(zhǎng)，他們的肺部微生物群轉(zhuǎn)向豐富、更多樣化的口腔共生菌混合物，如鏈球菌、普雷沃氏菌、卟啉單胞菌和韋榮氏球菌。

肺部微生物組的這些縱向變化影響免疫球蛋白和先天免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)，因此被認(rèn)為是下呼吸道免疫成熟發(fā)生的機(jī)制之一。呼吸道其他部分的微生物變化也可能影響生命早期的免疫調(diào)節(jié)。例如，新生兒下咽中微生物多樣性和普雷沃氏菌和韋榮氏球菌等微生物的富集與隨后的反應(yīng)性氣道疾病(如哮喘)的發(fā)展有關(guān)，這表明微生物環(huán)境的早期變化，即使發(fā)生在共生類群之間，而不是發(fā)生在明顯的呼吸道病原體之間，也可能使嬰兒在生命后期易患某些呼吸道疾病。

3 動(dòng)態(tài)微生物-宿主界面

與人體任何粘膜表面一樣，微生物暴露對(duì)宿主免疫系統(tǒng)都不是不可見(jiàn)的。事實(shí)上，在下呼吸道發(fā)現(xiàn)的微生物產(chǎn)物來(lái)源于微生物遷移和微生物清除之間的平衡。然而，與其他粘膜不同，肺部必須保持較低的細(xì)菌負(fù)荷，以促進(jìn)氣體交換，這是肺的主要生理目的。在功能上，下呼吸道的條件在氧張力、蛋白質(zhì)含量、表面活性劑的存在和其他環(huán)境因素方面與其他粘膜不同。此外，為了保持較低的細(xì)菌負(fù)荷，主要依賴于促進(jìn)到達(dá)下呼吸道的微生物清除的機(jī)制，包括機(jī)械機(jī)制，如粘膜纖毛清除和咳嗽，以及先天和適應(yīng)性宿主免疫反應(yīng)(圖1)。

與口腔和腸腔不同，這兩個(gè)腔都有非常高的細(xì)菌負(fù)荷，其中含有數(shù)百萬(wàn)活的和可復(fù)制的微生物，下氣道必須保持薄薄的支氣管上皮流體襯里，以促進(jìn)有效的氣體轉(zhuǎn)移。這種獨(dú)特的條件有利于肺部微生物組更動(dòng)態(tài)的穩(wěn)態(tài)。具體而言，口腔和胃腸道的微生物群往往更為靜態(tài)，主要由繁殖特定地點(diǎn)的微生物群落控制，其變化被解釋為生態(tài)失調(diào)特征。然而，下呼吸道微生物組經(jīng)常發(fā)生變化，間歇性暴露于微生物并快速清除，從而形成一個(gè)動(dòng)態(tài)生理過(guò)程，定義了生態(tài)平衡(圖2)。這一點(diǎn)得到了幾項(xiàng)人體橫斷面研究的支持，這些研究顯示，盡管未能通過(guò)培養(yǎng)分離出這些細(xì)菌，但口腔共生菌的微生物DNA痕跡在健康肺部很常見(jiàn)。下呼吸道微生物群的遺傳評(píng)估(通過(guò)16S rRNA基因測(cè)序、鳥槍宏基因組測(cè)序和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序)表明，一小部分可檢測(cè)到口腔共生微生物DNA的個(gè)體也可檢測(cè)到口腔共生菌RNA。由于RNA在細(xì)胞裂解后迅速降解，這表明在抽吸事件后有活的微生物短暫存在。

圖2 生態(tài)平衡和生態(tài)失調(diào)中的肺微生物動(dòng)態(tài)。

a，一系列動(dòng)態(tài)事件促進(jìn)了下呼吸道的生態(tài)平衡。微生物的吸入會(huì)觸發(fā)白細(xì)胞的激活，從而通過(guò)巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的活動(dòng)協(xié)調(diào)細(xì)菌的清除。在適應(yīng)性免疫的短暫上調(diào)后，免疫基調(diào)恢復(fù)到基線水平，可檢測(cè)到的殘余微生物DNA水平較低。b，早期生態(tài)不良事件中常見(jiàn)的步驟。反復(fù)的呼出會(huì)導(dǎo)致下呼吸道微生物環(huán)境的變化，這種變化可能會(huì)慢慢變得不可逆轉(zhuǎn)。c，粘液產(chǎn)生增加有助于持續(xù)定植和增加細(xì)菌負(fù)荷，并與急性和慢性下呼吸道疾病相關(guān)。微生物免疫調(diào)節(jié)產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸(SCFA)和宿主免疫反應(yīng)，如輔助性T細(xì)胞1(TH1)/TH2失衡、TH17反應(yīng)加重和促炎細(xì)胞因子，可使中性粒細(xì)胞炎癥持續(xù)存在，增加調(diào)節(jié)性T(Treg)細(xì)胞反應(yīng)和免疫監(jiān)測(cè)受損。這些變化最終會(huì)增加細(xì)菌負(fù)荷。  

4 下氣道免疫調(diào)節(jié)：肺-肺軸

多項(xiàng)研究表明，腸道微生物群落在設(shè)定宿主免疫基調(diào)方面具有重要意義，而宿主免疫基調(diào)作為腸-肺軸的一部分影響肺部免疫反應(yīng)。研究較少的是，肺部微生物群落也會(huì)影響肺部免疫反應(yīng)。事實(shí)上，現(xiàn)有的人類橫截面數(shù)據(jù)，結(jié)合來(lái)自小鼠模型的數(shù)據(jù)，表明肺部頻繁、間歇性地暴露于口腔共生菌，隨后迅速清除(圖2)。微呼吸模型支持微生物清除以不同的速率發(fā)生，并取決于吸入的微生物種類。

重要的是，即使下氣道快速清除吸入的口腔共生菌，這些事件也會(huì)導(dǎo)致下氣道免疫基調(diào)的持久和動(dòng)態(tài)變化。例如，小鼠吸入混合口腔共生菌(Prevotella melaninogenica、Veillonella parvula和Streptococcus mitis)會(huì)導(dǎo)致CD4+和CD8+T細(xì)胞激活，產(chǎn)生IL-17的T細(xì)胞(輔助性T細(xì)胞17(TH17)和γδ T細(xì)胞的募集，以及其他反調(diào)節(jié)性免疫反應(yīng)，如調(diào)節(jié)性T細(xì)胞和T細(xì)胞上的免疫檢查點(diǎn)抑制劑標(biāo)記物的增加。重要的是，這種依賴于微生物組的免疫啟動(dòng)是一種持久的現(xiàn)象，它持續(xù)存在于吸入微生物的短暫存在之外，并繼續(xù)顯著影響對(duì)呼吸道病原體的先天免疫防御。如果這種反應(yīng)代表了正常的肺部微生物動(dòng)態(tài)，那么這些動(dòng)態(tài)變化可能反映了真正的肺部“生態(tài)平衡”。

上述實(shí)驗(yàn)臨床前數(shù)據(jù)與來(lái)自橫斷面研究的多個(gè)觀察結(jié)果一致，再次說(shuō)明了不同的肺部微生物特征與下呼吸道免疫基調(diào)相關(guān)。例如，一項(xiàng)對(duì)具有相似遺傳背景但微生物組成不同的小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，下氣道微生物組的組成與肺部幾種炎癥標(biāo)志物的水平有關(guān)。在人類中，下氣道富集的優(yōu)勢(shì)類群(如Prevotella、Rothia和Veillonella)與多種TH17細(xì)胞因子(如IL-1α、IL-1β、IL-6、fractalkine和IL-17)水平以及肺中TH17細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的募集呈正相關(guān)。在另一項(xiàng)針對(duì)嚴(yán)重哮喘患者的研究中，變形菌屬物種與TH17相關(guān)通路的激活相關(guān)?？傊@些數(shù)據(jù)表明，盡管肺部微生物組不斷變化，通過(guò)微吸入或環(huán)境暴露獲得的微生物被快速清除，但在下氣道免疫基調(diào)上留下了重要的特征和印記。

上述研究對(duì)人類肺部在偶爾暴露于某些微生物時(shí)的反應(yīng)有了一些了解。然而，仍有許多懸而未決的問(wèn)題。目前尚不清楚當(dāng)微生物暴露頻率增加時(shí)會(huì)發(fā)生什么。例如，尚不清楚促炎作用和反調(diào)節(jié)機(jī)制之間的平衡是否隨著吸入事件的頻繁而改變。反復(fù)接觸是否會(huì)導(dǎo)致慢性炎癥也不清楚。盡管答案很少，但數(shù)據(jù)表明，持續(xù)暴露于某些微生物會(huì)觸發(fā)機(jī)制，不僅導(dǎo)致炎癥加劇，還會(huì)導(dǎo)致免疫衰竭(圖2)。例如，在呼吸道微生物組以口腔共生菌為主的個(gè)體中，肺泡巨噬細(xì)胞的Toll樣受體4(TLR4)反應(yīng)減弱。在另一項(xiàng)人體研究中，短鏈脂肪酸(SCFA)等微生物產(chǎn)物具有顯著的免疫調(diào)節(jié)特性，并減弱了IFNγ和IL-17對(duì)病原體相關(guān)分子模式的反應(yīng)。最后，在小鼠實(shí)驗(yàn)中，下氣道暴露于口腔共生菌不僅會(huì)引發(fā)炎性細(xì)胞因子的增加，還會(huì)增加T細(xì)胞中免疫檢查點(diǎn)抑制劑標(biāo)記物(如PD1)和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的募集。這些結(jié)果共同表明，肺部微生物-宿主相互作用的動(dòng)態(tài)性質(zhì)可能隨著暴露于微生物的頻率、消除速率和免疫反應(yīng)類型的變化而變化。

5 呼吸道炎癥性疾病中的生態(tài)失調(diào)

微生物生態(tài)失調(diào)存在于各種肺部疾病中，如囊性纖維化、慢性阻塞性肺病(COPD)和特發(fā)性肺纖維化(IPF)，其中細(xì)菌組成的多樣性降低與疾病進(jìn)展有關(guān)。然而，微生物生態(tài)失調(diào)本身是疾病的原因還是疾病過(guò)程的結(jié)果尚不清楚。例如，在肺部疾病中，肺部結(jié)構(gòu)的病理生理變化和粘液清除機(jī)制受損可能會(huì)導(dǎo)致微生物生態(tài)失調(diào)，而不是由其引起的?；蛘撸鷳B(tài)失調(diào)可能通過(guò)上調(diào)炎癥信號(hào)(如NF-κB、Ras、IL-17和PI3K)或抑制腫瘤壞死因子(TNF)和IFNγ的產(chǎn)生來(lái)響應(yīng)下氣道病原體。在本節(jié)中，我們回顧了一些在通常被描述為炎癥的肺部疾病中發(fā)現(xiàn)的生態(tài)失調(diào)特征的例子，并討論了下氣道微生物在其發(fā)病機(jī)制中的潛在作用。

5.1 慢性阻塞性肺病

慢性阻塞性肺病(COPD)是肺部微生物組進(jìn)化性質(zhì)及其對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病進(jìn)展影響的一個(gè)有用例子。對(duì)穩(wěn)定期COPD患者進(jìn)行的初步微生物組研究表明，潛在致病微生物(PPMs)的存在與中性粒細(xì)胞炎癥和細(xì)胞因子(如IL-8和TNF)表達(dá)增加之間存在明顯關(guān)聯(lián)，如Haemophilus物種、Streptococcus pneumoniae、Moraxella catarrhalis、Staphylococcus aureus、Pseudomonas aeruginosa和革蘭氏陰性腸道細(xì)菌。PPMs下氣道定植與COPD患者日常癥狀的嚴(yán)重程度增加和進(jìn)行性影像學(xué)改變相關(guān)。然而，這些微生物事件對(duì)疾病發(fā)病早期的確切作用尚不清楚。單獨(dú)吸煙似乎與下氣道微生物組的顯著變化無(wú)關(guān)；然而，隨著吸煙者開始出現(xiàn)COPD的早期病理生理學(xué)證據(jù)，這種情況發(fā)生了變化。在最近一項(xiàng)對(duì)早期COPD患者下氣道微生物組的研究中，鏈球菌、葡萄球菌、普雷沃氏菌和Gemella(屬于正?？谇晃⑸锶旱木?的富集與肺功能異常相關(guān)，包括對(duì)支氣管擴(kuò)張劑治療的反應(yīng)受損。為了支持微生物組在慢性阻塞性肺病中的致病作用，在獼猴臨床前模型中，重復(fù)下氣道樣本中口腔共生菌的縱向富集導(dǎo)致COPD樣變化的發(fā)展。

隨著慢性阻塞性肺病的進(jìn)展，慢性炎癥導(dǎo)致肺部先天免疫防御功能受損，這反過(guò)來(lái)為增加新病原體和現(xiàn)有病原體的細(xì)菌負(fù)荷鋪平了道路。多項(xiàng)研究表明，在中晚期COPD患者中，γ變形菌(包括許多PPMs，如Haemophilus和Moraxella)富集。在另一項(xiàng)針對(duì)COPD患者的研究中，痰液中以變形菌為主的微生物的存在與肺功能較差、醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)呼吸困難量表評(píng)分較差和更頻繁的惡化有關(guān)。在一項(xiàng)多中心試驗(yàn)中，從三個(gè)大的中重度COPD患者隊(duì)列中縱向抽樣，氣道微生物組(在痰液樣本中評(píng)估)顯示其組成與炎癥內(nèi)型之間有明顯的關(guān)聯(lián)。具體來(lái)說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，以嗜血桿菌為主的痰液微生物群表現(xiàn)得相當(dāng)穩(wěn)定，并與IL-1β和TNF水平升高相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)得到了另一項(xiàng)對(duì)穩(wěn)定期COPD患者的研究的支持，該研究同樣表明，流感嗜血桿菌(Haemophilus influenzae)的定植與氣道炎癥的增加有關(guān)。因此，這些患者可能受益于靶向抗菌療法，以減輕慢性炎癥。相比之下，具有“平衡”微生物組特征的患者，其特征是多個(gè)口腔共生菌(如韋榮氏球菌屬和普雷沃氏菌)的富集，隨著時(shí)間的推移，其微生物組表現(xiàn)出更動(dòng)態(tài)的特征，血清和痰液IL-17A升高。該亞組在病情加重期間更容易受到微生物組變化的影響。因此，這些患者可能會(huì)受益于一種不同的、可能具有明確針對(duì)性的抗炎治療方法，或更密切地監(jiān)測(cè)氣道生態(tài)和病原體獲取，尤其是在急性加重時(shí)。重要的是，一些口腔共生菌的相對(duì)豐度增加，如彎曲桿菌(Campylobacter)和Granulicatella，與患者體內(nèi)從嗜中性粒細(xì)胞炎癥轉(zhuǎn)變?yōu)槭人嵝粤＜?xì)胞炎癥有關(guān)。總之，這些發(fā)現(xiàn)與一個(gè)模型相一致，即在疾病的早期階段，口腔共生菌的反復(fù)微吸開始以較高的比率出現(xiàn)，其有助于下氣道炎癥；隨后，微生物清除的進(jìn)一步損害導(dǎo)致免疫衰竭，并最終導(dǎo)致呼吸道病原體的下氣道定植，這一現(xiàn)象已通過(guò)基于基因組和基于培養(yǎng)的方法在疾病的后期得到了很好的記錄。因此，在COPD等炎癥性氣道疾病患者中可以看到多種形式的生態(tài)失調(diào)(圖3a)。

圖3 疾病特異性生態(tài)失調(diào)信號(hào)。

在不同疾病狀態(tài)下，不同形式的生態(tài)失調(diào)與不同的免疫內(nèi)型和病理表型共存。a，慢性阻塞性肺病(COPD)進(jìn)展到晚期，其特征是一秒用力呼氣量(FEV1)減少和慢性阻塞性肺疾病全球倡議(GOLD)階段更高，其特征在于存在潛在致病微生物、嗜中性粒細(xì)胞、炎性細(xì)胞因子和趨化因子增加。最新的研究正在確定早期的不良生物事件，包括一些口腔共生菌和細(xì)菌代謝物，這些事件可能在晚期COPD發(fā)展之前。b，細(xì)菌負(fù)荷增加已被證明與特發(fā)性肺纖維化(IPF)患者預(yù)后較差有關(guān)。在動(dòng)物研究中，與具有正常細(xì)菌負(fù)荷的常規(guī)小鼠相比，在博萊霉素誘導(dǎo)的肺纖維化誘導(dǎo)后，無(wú)菌小鼠具有生存優(yōu)勢(shì)。c，在急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)中，腸道相關(guān)細(xì)菌和混合口腔共生菌與肺泡充血、粘液或細(xì)胞碎片增加以及免疫激活之間存在關(guān)系。d，混合口腔共生菌可以通過(guò)維持TH17內(nèi)型、增加PI3K信號(hào)和免疫檢查點(diǎn)抑制在肺癌的進(jìn)展中發(fā)揮作用。這些事件，再加上更直接的致癌前體(如DNA突變和細(xì)胞凋亡，進(jìn)一步導(dǎo)致促炎腫瘤微環(huán)境)，可能對(duì)肺癌的預(yù)后產(chǎn)生嚴(yán)重影響。微生物代謝調(diào)節(jié)的代謝產(chǎn)物可能在癌癥發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用，值得進(jìn)一步研究。ROS，活性氧。  

5.2 哮喘

一些研究集中在哮喘的氣道微生物組上。盡管缺乏對(duì)兒童早期下呼吸道樣本的研究，但多項(xiàng)研究表明，微生物組的變化與喘息和哮喘診斷之間存在關(guān)聯(lián)。即使在已確診哮喘的兒童中，上呼吸道微生物組的組成變化也與疾病控制相關(guān)。對(duì)哮喘患者下呼吸道微生物組的評(píng)估已在成人中進(jìn)行得更廣泛。幾項(xiàng)研究表明，下氣道微生物組的組成與哮喘患者的不同臨床特征有關(guān)，包括氣道支氣管反應(yīng)性和嚴(yán)重性?，F(xiàn)已了解，哮喘包括一組非常異質(zhì)的內(nèi)型，其中大部分患者患有嗜酸性粒細(xì)胞或2型(T2)高炎癥，更易受到類固醇和靶向治療的影響。相比之下，治療對(duì)于非T2-高炎性內(nèi)型患者(即大多數(shù)為中性粒細(xì)胞性氣道炎癥患者)，治療效果較差，原因尚不清楚。一個(gè)有趣的假設(shè)是，肺部微生物組可能在非T2-高炎性中性粒細(xì)胞內(nèi)型患者中起主要作用。例如，使用從哮喘患者獲得的氣道刷拭物對(duì)下氣道微生物群的評(píng)估表明，細(xì)菌組成與嗜酸性粒細(xì)胞炎癥無(wú)關(guān)。相反，變形菌和其他分類群的富集與TH17炎癥標(biāo)記物之間存在顯著關(guān)聯(lián)，可能導(dǎo)致中性粒細(xì)胞募集，更好地理解影響這些關(guān)聯(lián)的分子機(jī)制可能有助于在哮喘患者中發(fā)現(xiàn)新的可治療特征。

5.3 特發(fā)性肺纖維化

肺部微生物組對(duì)各種其他肺部疾病的疾病進(jìn)展和生存具有重要意義。目前有幾項(xiàng)研究表明，IPF患者的下氣道細(xì)菌負(fù)荷與疾病無(wú)進(jìn)展生存期之間存在關(guān)聯(lián)(圖3b)。特別是，一項(xiàng)研究報(bào)告了肺泡炎性和纖維化細(xì)胞因子與肺微生物群多樣性和組成之間的相關(guān)性，較低的Shannon多樣性指數(shù)(樣本內(nèi)多樣性)與較高濃度的IL-1Ra、IL-1β、CXCL8、MIP1α、G-CSF和EGF相關(guān)。此外，肺泡中IL-6的濃度與肺厚壁菌門的相對(duì)豐度呈正相關(guān)，而肺泡中IL-12p70與肺變形菌門的相對(duì)豐度呈負(fù)相關(guān)。其他IPF研究也顯示了肺生態(tài)失調(diào)與外周血單核細(xì)胞免疫通路轉(zhuǎn)錄組表達(dá)和無(wú)進(jìn)展生存期之間存在明顯關(guān)聯(lián)，表明微生物與宿主的相互作用在肺纖維化的發(fā)病機(jī)制中具有重要作用，這些人體研究的一個(gè)主要局限是無(wú)法測(cè)試觀察到的關(guān)聯(lián)的方向性。在博萊霉素誘導(dǎo)肺纖維化小鼠模型中，微生物生態(tài)失調(diào)先于肺損傷峰值，并持續(xù)到纖維化發(fā)生。相反，與常規(guī)小鼠相比，暴露于博萊霉素誘導(dǎo)的肺纖維化的無(wú)菌小鼠具有死亡率優(yōu)勢(shì)(圖3b)。在另一個(gè)臨床前小鼠模型中，擬桿菌和普雷沃氏菌物種通過(guò)IL-17R信號(hào)傳導(dǎo)與纖維化發(fā)病增加相關(guān)?？傊?，這些數(shù)據(jù)表明，某些微生物暴露可能會(huì)作為反復(fù)肺泡損傷的持續(xù)刺激物，最終導(dǎo)致該疾病的肺纖維化和持續(xù)炎癥損傷。

5.4 急性呼吸窘迫綜合征

在膿毒癥的臨床前模型和已建立的急性呼吸窘迫綜合征患者中，肺微生物組可能在疾病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用(圖3c)。2016年的一項(xiàng)研究使用非培養(yǎng)方法表明，腸道相關(guān)細(xì)菌在下呼吸道的富集與肺泡TNF的濃度相關(guān)，肺泡TNF是急性呼吸窘迫綜合征肺泡炎癥的關(guān)鍵媒介。此外，最近對(duì)使用機(jī)械通氣的新冠肺炎患者進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，下呼吸道微生物組中富含Mycoplasma salivarium (另一種口腔共生菌)的患者臨床預(yù)后較差。此外，最近對(duì)300多名機(jī)械通氣患者進(jìn)行的一項(xiàng)大型研究表明，下氣道中葡萄球菌或假單胞菌科的富集與下氣道炎癥增加和更差的臨床結(jié)果相關(guān)，包括較低的30天生存期和從機(jī)械通氣中解脫出來(lái)的時(shí)間更長(zhǎng)。綜上所述，這些數(shù)據(jù)表明，微生物生態(tài)失調(diào)可能在局部和全身炎癥的失調(diào)中發(fā)揮重要作用，從而影響急性呼吸衰竭的臨床結(jié)果。  

6 肺部微生物組與免疫監(jiān)測(cè)

盡管許多研究都集中在肺部微生物組如何促進(jìn)炎癥狀態(tài)，但其對(duì)免疫監(jiān)測(cè)的影響卻鮮為人知，但可能非常重要。在囊性纖維化患者中，α多樣性的減少與疾病嚴(yán)重程度和細(xì)菌病原體的定植直接相關(guān)。在許多情況下，這可能是由于一種優(yōu)勢(shì)病原體的出現(xiàn)，其相對(duì)豐度增加。此外，微生物多樣性的降低有時(shí)先于囊性纖維化惡化的發(fā)展。這些數(shù)據(jù)表明，隨著時(shí)間的推移，生物多樣性的減少會(huì)使下呼吸道更容易被假單胞菌或伯克霍爾德菌等優(yōu)勢(shì)病原體定植。  

然而，在不同的情況下，生態(tài)失調(diào)可能會(huì)影響宿主對(duì)病原體的易感性。圖4描述了其中一些情況，其中病原體在下呼吸道微生物組中占主導(dǎo)地位或非主導(dǎo)地位。例如，在支氣管擴(kuò)張患者中，銅綠假單胞菌下氣道定植的患者會(huì)經(jīng)歷更頻繁的惡化，并且往往會(huì)有更嚴(yán)重的疾病。假單胞菌的定植(當(dāng)存在時(shí)，往往主導(dǎo)氣道微生物群)與以嚴(yán)重中性粒細(xì)胞炎癥(包括高水平的中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶)為特征的明顯的下氣道宿主免疫特征相關(guān)。然而，在獲得假單胞菌之前發(fā)生的微生物事件尚不清楚(圖4a)。此外，我們是否能夠確定假單胞菌定植之前的下呼吸道生態(tài)失調(diào)還有待確定。這種調(diào)查需要在出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)病原體之前對(duì)下呼吸道進(jìn)行縱向采樣。相比之下，存在其他呼吸道病原體時(shí)，它們通常不會(huì)主導(dǎo)下呼吸道微生物群落(圖4b，c)。例如，非結(jié)核分枝桿菌(NTM)通常是一種非優(yōu)勢(shì)感染性病原體，因此可能允許在病原體本身存在之外識(shí)別生態(tài)失調(diào)特征。在這種情況下，有可能在獲得這種病原體后，有利于宿主對(duì)NTM易感性的初始下氣道生態(tài)失調(diào)持續(xù)存在，這可能導(dǎo)致這種疾病的炎癥損傷(圖4b)。有趣的是，在一小組NTM患者中，下氣道中測(cè)量的炎性細(xì)胞因子水平與下氣道中幾種口腔共生菌的相對(duì)豐度相關(guān)，而不是與分枝桿菌的豐度相關(guān)。或者，在非優(yōu)勢(shì)病原體的情況下，病原體前下呼吸道生態(tài)失調(diào)不僅可能導(dǎo)致獲得非優(yōu)勢(shì)病原體，還可能導(dǎo)致另一種生態(tài)失調(diào)特征的替代，這可能對(duì)病原體本身的生存(微生物-微生物相互作用)很重要，并影響炎癥損傷(圖4c)。

圖4 生態(tài)失調(diào)事件導(dǎo)致宿主對(duì)病原體的易感性增加。

a，在獲得優(yōu)勢(shì)病原體的情況下，在病原體播種之前發(fā)生的生態(tài)失調(diào)變化可能會(huì)促進(jìn)宿主的易感性。b，在非優(yōu)勢(shì)呼吸道病原體的情況下，一旦病原體在下氣道中建立，導(dǎo)致肺部損傷，下氣道微生物組的變化可能會(huì)繼續(xù)作為一種生態(tài)失調(diào)特征。c，或者，非優(yōu)勢(shì)病原體可能導(dǎo)致新的生態(tài)失調(diào)特征，有利于病原體存活并導(dǎo)致肺損傷。  

6.1 HIV

作為另一個(gè)可能導(dǎo)致宿主免疫監(jiān)測(cè)下降的生態(tài)失調(diào)的例子，盡管廣泛使用抗逆轉(zhuǎn)錄病毒療法(ART)，HIV感染者仍繼續(xù)經(jīng)歷較高的呼吸道感染和肺癌發(fā)病率。據(jù)推測(cè)，深層組織中殘留的HIV水平會(huì)導(dǎo)致慢性免疫激活和肺部炎癥。這種長(zhǎng)期的促炎狀態(tài)最終會(huì)導(dǎo)致免疫細(xì)胞衰竭和肺免疫失調(diào)，從而使HIV感染者面臨更高的肺部感染和惡性疾病風(fēng)險(xiǎn)。幾項(xiàng)研究試圖確定HIV中存在的生態(tài)失調(diào)信號(hào)，包括一項(xiàng)多中心試驗(yàn)，該試驗(yàn)描述了一些HIV患者的肺中存在高水平的Tropheryma whipplei；然而，值得注意的是，在吸煙者和其他人群中也觀察到這種情況，因此可能并非HIV獨(dú)有。此外，HIV感染者(尤其是晚期HIV感染者)的肺部微生物組顯示，普雷沃氏菌和韋榮氏球菌屬物種的負(fù)擔(dān)增加。即使在ART開始后發(fā)生免疫重建，這些口腔共生菌也會(huì)持續(xù)增加下呼吸道微生物群。這種微生物生態(tài)失調(diào)模式與亞臨床炎癥有關(guān)，其特征是中性粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞增加。此外，與健康對(duì)照組相比，未經(jīng)治療的HIV患者生物多樣性降低，樣本間多樣性增加，這表明這種生態(tài)失調(diào)特征在HIV患者中可能是突出的，并可能會(huì)增加對(duì)肺炎的易感性。在接受ART治療的HIV患者中，下氣道中口腔類群的富集與微生物SCFAs的產(chǎn)生增加相關(guān)，SCFA通過(guò)抑制IFNγ和IL-17的產(chǎn)生對(duì)T細(xì)胞功能有直接的抑制作用，并與肺結(jié)核風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)。鑒于SCFA眾所周知的免疫調(diào)節(jié)特性，以及這些分子可以通過(guò)吸入的口腔厭氧菌發(fā)酵產(chǎn)生，這可能是下呼吸道微生物組削弱宿主對(duì)病原體免疫監(jiān)視的一種潛在機(jī)制。

6.2 癌癥

除了與病原體易感性相關(guān)之外，一些研究表明下氣道生態(tài)失調(diào)與肺癌之間存在聯(lián)系。流行病學(xué)研究和培養(yǎng)依賴性技術(shù)表明，慢性或復(fù)發(fā)性細(xì)菌感染在肺癌患者的整個(gè)病程中很常見(jiàn)，阻塞性肺炎會(huì)對(duì)其治療反應(yīng)和總體生存率產(chǎn)生負(fù)面影響。研究報(bào)告了某些呼吸道病原體(如結(jié)核分枝桿菌)與肺癌之間的相關(guān)性，并且一項(xiàng)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，與煙草接觸無(wú)關(guān)，與先前存在的結(jié)核病相關(guān)的肺癌風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。這可能是由于結(jié)核病與炎癥介質(zhì)(如TNF)和過(guò)度的細(xì)胞外基質(zhì)周轉(zhuǎn)有關(guān)。從機(jī)理上講，致病細(xì)菌的增加可通過(guò)持續(xù)產(chǎn)生炎癥介質(zhì)導(dǎo)致慢性炎癥，從而影響細(xì)胞凋亡并增加DNA突變的風(fēng)險(xiǎn)。細(xì)菌代謝產(chǎn)物，如活性氧和氮，可引起直接的DNA損傷并破壞多種信號(hào)通路，從而產(chǎn)生促致癌環(huán)境(圖3d)。包括SFCAs在內(nèi)的許多細(xì)菌代謝物也與肺部宿主代謝的調(diào)節(jié)和信號(hào)通路有關(guān)。因此，細(xì)菌衍生分子的改變可能會(huì)影響腫瘤微環(huán)境和致癌信號(hào)。過(guò)度使用抗生素治療感染可能會(huì)破壞肺部微環(huán)境中耐受性和免疫激活之間的微妙平衡。例如，使用廣譜抗生素的臨床前模型證明了共生菌在支持宿主對(duì)癌癥的免疫反應(yīng)中的重要性，確定了γδ TH17細(xì)胞反應(yīng)在機(jī)制中的重要作用，并顯示了抗生素治療對(duì)癌癥進(jìn)展的有害影響。

隨著越來(lái)越多的非培養(yǎng)方法的使用，目前可以了解肺癌診斷患者和未診斷患者之間的微生物組差異。與非惡性肺組織樣本相比，肺腫瘤的微生物群具有較低的α多樣性，這種關(guān)聯(lián)似乎與煙草使用、環(huán)境暴露和臨床分期無(wú)關(guān)。在分類學(xué)特征中，已經(jīng)描述了肺部惡性腫瘤與鏈球菌屬、普雷沃氏菌屬、韋榮氏球菌屬、羅斯氏菌屬、Megasphaera和Acidovorax等口腔共生菌相對(duì)豐度的增加之間的關(guān)聯(lián)。在肺癌患者的下呼吸道樣本中也發(fā)現(xiàn)了其他不太常見(jiàn)的呼吸道病原體，如葡萄球菌、厚壁菌門和Saccharibacteria(以前稱為TM7)的細(xì)菌。不同類型的癌癥之間也存在微生物差異。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，Brevundimonas、Acinetobacter和Propionibacterium在肺腺癌中富集，而腸桿菌在鱗狀細(xì)胞癌中富集。另一項(xiàng)研究表明，Acidovorax與吸煙者的鱗狀細(xì)胞癌之間存在關(guān)聯(lián)，特別是在攜帶TP53突變的腫瘤中；這些微生物暴露中的一些也可能有助于宿主免疫反應(yīng)，從而影響癌變。事實(shí)上，人類數(shù)據(jù)表明，聲門上優(yōu)勢(shì)類群(如鏈球菌、普雷沃氏菌和韋榮氏球菌屬)的富集與轉(zhuǎn)錄組通路的上調(diào)有關(guān)，這些轉(zhuǎn)錄組通路已知在ERK和PI3K17等致癌過(guò)程中起主要致病作用。PI3K通路的上調(diào)發(fā)生在肺癌發(fā)生的早期，可能影響增殖、凋亡和細(xì)胞存活以及誘導(dǎo)PDL1表達(dá)。因此，這些數(shù)據(jù)表明失調(diào)的微生物群可能會(huì)增加肺癌發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)。此外，KRAS突變的支氣管上皮細(xì)胞暴露于這些分類群的上清液或其熱滅產(chǎn)物，會(huì)導(dǎo)致與人類數(shù)據(jù)相似的轉(zhuǎn)錄組特征上調(diào)?？傮w而言，盡管根據(jù)樣本類型和患者隊(duì)列的不同，不同研究中識(shí)別的特定細(xì)菌分類群有所不同，但一致的觀察結(jié)果是，肺癌與以α多樣性降低和細(xì)菌組成改變?yōu)樘卣鞯氖д{(diào)的局部微生物組有關(guān)(圖3d)。

肺微生物組可能在肺癌的進(jìn)展或其復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)中起作用。在手術(shù)切除的早期非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)患者中，復(fù)發(fā)與肺組織微生物組中擬桿菌科、毛螺菌科和瘤胃球菌科的多樣性和富集程度較高相關(guān)。在另一項(xiàng)對(duì)NSCLC手術(shù)切除患者的研究中，與隨后3年沒(méi)有復(fù)發(fā)的患者相比，肺癌早期復(fù)發(fā)患者的支氣管肺泡灌洗液中Sphingomonas、Psychromonas和Serratia富集，而Cloacibacterium、Geobacterium和Brevibacterium的豐度降低。重要的是，術(shù)前支氣管肺泡灌洗微生物組與參與細(xì)胞增殖、免疫和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因的腫瘤表達(dá)有關(guān)。在不同疾病階段的患者中也可以注意到明顯的微生物差異。例如，據(jù)報(bào)道，Thermus在晚期疾病患者(TNM IIIB–IV期)的腫瘤組織中更豐富，而在發(fā)生轉(zhuǎn)移的患者中Legionella的豐度更高。此外，在最近的一項(xiàng)研究中，以口腔共生菌富集為特征的下氣道生態(tài)失調(diào)特征在TNM IIIB–IV期NSCLC患者中比早期階段患者更為普遍，并且類似的微生物信號(hào)與預(yù)后不良和死亡風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)。從機(jī)制上講，肺癌患者下呼吸道微生物組和宿主轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的多組學(xué)整合表明，包括韋榮氏球菌屬和鏈球菌在內(nèi)的幾種口腔共生菌與氣道轉(zhuǎn)錄組中IL-17、PI3K、MAPK和ERK通路的上調(diào)相關(guān)。肺腺癌的臨床前小鼠模型顯示，由氣管內(nèi)吸入這些口腔共生菌引起的下氣道生態(tài)失調(diào)可導(dǎo)致TH17炎癥、T細(xì)胞免疫檢查點(diǎn)抑制劑分子(PD1)表達(dá)增加、加速腫瘤進(jìn)展和死亡。使用無(wú)菌臨床前肺癌模型，其他研究表明共生類群刺激髓系細(xì)胞產(chǎn)生Myd88依賴性IL-1β和IL-23，激活γδ T細(xì)胞產(chǎn)生IL-17，并導(dǎo)致誘發(fā)腫瘤增殖的促炎狀態(tài)。此外，臨床前證據(jù)表明，通過(guò)抗IL-17單克隆抗體直接阻斷IL-17通路可以在吸入口腔共生菌引起的下氣道生態(tài)失調(diào)的環(huán)境中減緩腫瘤生長(zhǎng)。這些發(fā)現(xiàn)清楚地將局部微生物群-免疫串?dāng)_與肺部腫瘤發(fā)展聯(lián)系起來(lái)，從而確定了可作為抗癌治療靶點(diǎn)的候選細(xì)胞和分子介質(zhì)。

上述證據(jù)表明，與肺惡性腫瘤相關(guān)的特定微生物類群缺乏一致性。研究之間的不一致可能是由于住院患者隊(duì)列的社會(huì)人口統(tǒng)計(jì)學(xué)差異或所采用的研究技術(shù)的差異，這一現(xiàn)象在與惡性腫瘤相關(guān)的腸道微生物組信號(hào)研究中也有類似的發(fā)現(xiàn)。例如，盡管已發(fā)現(xiàn)腸道微生物特征與黑色素瘤和非小細(xì)胞肺癌的炎癥反應(yīng)和免疫治療易感性相關(guān)，但在不同研究中確定的特定分類群并不一致。分類特征也可能是功能微生物差異的標(biāo)志，但由于缺乏對(duì)肺部微生物代謝的研究(例如，使用宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組、代謝組或蛋白質(zhì)組等方法)，對(duì)這一假設(shè)的評(píng)估受到阻礙。然而，盡管存在這些不同的分類特征，與下氣道生態(tài)失調(diào)相關(guān)的宿主信號(hào)似乎同樣指向免疫反應(yīng)失調(diào)，促炎TH17狀態(tài)和免疫檢查點(diǎn)抑制表達(dá)增加，這可能會(huì)損害新生惡性細(xì)胞的有效免疫監(jiān)視。重要的是，腫瘤微生物組研究通常受到非常低的微生物生物量的限制，因此容易受到試劑盒和試劑的測(cè)序噪聲和DNA污染的影響，盡管已經(jīng)提出了各種方法來(lái)有效處理這兩個(gè)問(wèn)題。因此，盡管最近的研究表明，肺微生物組可能很快成為肺癌分期、基因型和風(fēng)險(xiǎn)因素分層的重要診斷和預(yù)防生物標(biāo)志，但需要進(jìn)一步的機(jī)制和大規(guī)模臨床研究來(lái)剖析其在腫瘤發(fā)生中的確切作用。

7 結(jié)論和未來(lái)方向

研究不同疾病狀態(tài)下的肺部微生物組已確定了與診斷、疾病嚴(yán)重程度和預(yù)后相關(guān)的微生物特征。然而，缺乏一致的研究結(jié)果使得很難明確定義肺生態(tài)失調(diào)。很有可能，即使在一個(gè)疾病過(guò)程中，也有多種形式的生態(tài)失調(diào)，這一概念以前曾被稱為“安娜·卡列尼娜原則”，參考托爾斯泰的著作，即“幸福的家庭都是相似的；不幸的家庭各有各的不幸”。對(duì)于我們?nèi)绾味x肺部微生物的生態(tài)平衡，就更不確定了。部分困難可能在于肺部微生物組的性質(zhì)，其低生物量導(dǎo)致測(cè)序數(shù)據(jù)中存在相當(dāng)大的背景噪聲，以及肺部環(huán)境中微生物遷移和消除之間的動(dòng)態(tài)鐘擺對(duì)我們?cè)u(píng)估的重大影響。因此，與安娜·卡列尼娜原理形成對(duì)比的是，所有幸福的家庭(生態(tài)平衡)看起來(lái)可能并不相似，至少基于肺部微生物組的靜態(tài)快照。為了進(jìn)一步增加復(fù)雜性，即使在同一個(gè)體內(nèi)，肺部微生物組也存在地形差異。因此，在這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境中定義微生物的恢復(fù)力本質(zhì)上是困難的。隨著非培養(yǎng)和多組學(xué)方法的使用越來(lái)越廣泛，了解這些原理對(duì)于成功開發(fā)針對(duì)微生物-宿主相互作用的新型診斷和治療方式至關(guān)重要。

在圖5中，闡述了微生物遷移(由吸入、微呼吸和粘膜擴(kuò)散驅(qū)動(dòng))和微生物消除(由咳嗽、粘膜纖毛轉(zhuǎn)運(yùn)和免疫機(jī)制驅(qū)動(dòng))之間的微妙平衡如何建立復(fù)雜的微生物-宿主界面的總體推測(cè)性觀點(diǎn)。此界面可能受到許多因素的影響，包括與宿主和環(huán)境相關(guān)的因素。這些因素對(duì)微生物組的確切影響相對(duì)未知，盡管我們可以推測(cè)一些有益和其他有害因素的存在，這些因素可能會(huì)在我們的整個(gè)生命過(guò)程中發(fā)生變化(圖5)。我們假設(shè)陰道分娩、運(yùn)動(dòng)和健康飲食等因素直接或通過(guò)腸肺軸促進(jìn)下氣道生態(tài)平衡。相反，肥胖、不健康的飲食和頻繁使用抗生素可能會(huì)以不利的方式破壞下氣道微生物群。母乳喂養(yǎng)與配方奶粉喂養(yǎng)的效果同樣未知，只有一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)顯示，母乳喂養(yǎng)與配方奶粉喂養(yǎng)的嬰兒在胃腸道和呼吸道感染的發(fā)生率上沒(méi)有差異，盡管這項(xiàng)研究沒(méi)有專門調(diào)查微生物組。最后，我們推測(cè)，隨著年齡的增長(zhǎng)，較低的氣道免疫恢復(fù)力和肺微生物組的多樣性可能會(huì)發(fā)生變化，因此外部因素對(duì)肺微生物組的影響可能會(huì)在整個(gè)生命周期中發(fā)生變化。需要精心設(shè)計(jì)的對(duì)照研究來(lái)評(píng)估這些環(huán)境因素對(duì)肺部微生物組和宿主免疫反應(yīng)的潛在影響。仔細(xì)考慮年齡、性別和其他重要的臨床條件是更好地理解下氣道微生物群如何影響下氣道免疫調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。因此，未來(lái)的研究將需要從橫斷面設(shè)計(jì)和相關(guān)研究轉(zhuǎn)向考慮地形特征和實(shí)驗(yàn)條件的縱向取樣方法。此外，盡管了解人類肺部微生物組需要人體研究，但臨床前模型可以更好地控制微生物和宿主條件，以及在受控環(huán)境下實(shí)施實(shí)驗(yàn)方法。需要這些機(jī)制方法來(lái)了解肺部微生物組如何影響宿主對(duì)炎癥過(guò)程、感染和惡性腫瘤的易感性。

圖5 下氣道微生物組過(guò)程的潛在調(diào)節(jié)劑。

下呼吸道微生物組的動(dòng)態(tài)性質(zhì)不斷演變?？刂莆⑸锶浩胶獾氖滓蛩厥峭ㄟ^(guò)吸入和微呼吸的微生物遷移，以及通過(guò)咳嗽、粘液纖毛運(yùn)輸和免疫反應(yīng)的微生物消除。我們假設(shè)陰道分娩、運(yùn)動(dòng)和健康飲食等因素可能有助于下呼吸道的生態(tài)平衡，而肥胖、不健康飲食和頻繁使用抗生素可能會(huì)以不利的方式破壞下呼吸道微生物群。最后，我們推測(cè)，較低的氣道免疫恢復(fù)力和肺部微生物組的多樣性(其本身就是健康的象征)遵循準(zhǔn)正弦曲線，在成年后達(dá)到峰值。  

接下來(lái)，我們必須考慮調(diào)節(jié)肺部微生物組可能對(duì)呼吸道疾病產(chǎn)生的潛在治療影響。目前，除抗生素外，許多現(xiàn)有的和廣泛使用的干預(yù)措施，如吸入性皮質(zhì)類固醇和囊性纖維化跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)劑，已經(jīng)改變了呼吸微生物群。事實(shí)上，現(xiàn)在已經(jīng)提出了幾種潛在的機(jī)制來(lái)解釋皮質(zhì)類固醇治療如何影響上皮屏障功能，從而改變氣道生態(tài)，包括參與緊密連接促進(jìn)的上皮基因表達(dá)增加以及IL-17和TNF炎癥途徑的上調(diào)。除了皮質(zhì)類固醇和囊性纖維化跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)劑外，還試驗(yàn)了其他幾種干預(yù)措施來(lái)調(diào)節(jié)肺部微生物群，并取得了不同的成功。例如，已經(jīng)在囊性纖維化和呼吸機(jī)相關(guān)肺炎的背景下對(duì)口服益生菌進(jìn)行了研究，盡管這些可能的目標(biāo)腸道微生物組的變化及其對(duì)呼吸微生物組的影響尚不清楚。噬菌體療法也進(jìn)行了類似的試驗(yàn)，盡管其應(yīng)用仍處于起步階段。其他研究采用了吸入和全身抗生素來(lái)調(diào)節(jié)呼吸道微生物群，但在各種肺部疾病的結(jié)果參差不齊。

與腸道微生物組不同，益生菌可用于恢復(fù)正常的胃腸道菌群，目前還不存在此類呼吸道益生菌。然而，在臨床前模型中，向下呼吸道間斷性滴注口腔共生菌會(huì)改變宿主對(duì)呼吸道病原體的易感性。盡管這些類型的研究可能提供了肺部微生物組改變可能帶來(lái)健康益處的生物學(xué)合理性，但需要包括臨床前工作和呼吸系統(tǒng)疾病患者的機(jī)制研究。這些類型的研究反過(guò)來(lái)可能使我們能夠識(shí)別與炎癥減少或病原體易感性降低相關(guān)的微生物特征。在我們了解所謂的理想呼吸微生物群的有益生態(tài)目標(biāo)之前，我們實(shí)施安全和有意義的臨床試驗(yàn)的能力有限。

綜上所述，有必要探索下呼吸道的微生物的動(dòng)態(tài)特性，特別是因?yàn)樗c宿主免疫調(diào)節(jié)和多種不同疾病過(guò)程的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。新的臨床應(yīng)用需要解釋肺部微生物組的進(jìn)化性質(zhì)，其中生態(tài)平衡和生態(tài)失調(diào)確實(shí)存在于一個(gè)光譜中。

本文由“健康號(hào)”用戶上傳、授權(quán)發(fā)布，以上內(nèi)容（含文字、圖片、視頻）不代表健康界立場(chǎng)?！敖】堤?hào)”系信息發(fā)布平臺(tái)，僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)，如有轉(zhuǎn)載、侵權(quán)等任何問(wèn)題，請(qǐng)聯(lián)系健康界（jkh@hmkx.cn）處理。

相關(guān)知識(shí)

頂刊綜述丨NAT REV MICROBIOL (IF:78): 健康與疾病中的動(dòng)態(tài)肺部微生物組
頂刊綜述丨NAT REV MICROBIOL (IF:78): 膽汁酸和腸道微生物群: 代謝相互作用和對(duì)疾病的影響
頂刊綜述丨NAT MED(IF:82): 心臟代謝健康、飲食和腸道微生物組: 宏組學(xué)視角
綜述丨ANNU REV MED(IF:16): 腸道微生物組和炎癥性腸病
Nat Rev Drug Discov：吃藥=運(yùn)動(dòng)？Nature子刊綜述運(yùn)動(dòng)“成藥”靶點(diǎn)及前景@MedSci
高分綜述丨CHEM REV(IF:62): 微生物組與人類健康: 當(dāng)前的理解、工程和支持技術(shù)(下)
《自然》子刊：迄今為止最大規(guī)模分析顯示，健康人血液中不存在微生物組
頂刊綜述
綜述丨TRENDS ECOL EVOL(IF:20.5): 除草劑對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響: 微生物組的作用
Cell子刊：聚焦母乳前沿，4種微生物代謝物或可助力寶寶健康

網(wǎng)址: 頂刊綜述丨NAT REV MICROBIOL (IF:78): 健康與疾病中的動(dòng)態(tài)肺部微生物組 http://m.u1s5d6.cn/newsview1170615.html