環(huán)境污染暴露通過呼吸道菌群紊亂影響呼吸健康指標

The airway microbiome mediates the interaction between environmental exposure and respiratory health in humans

Article，2023-06-22

Nature Medicine [IF: 87.245]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41591-023-02424-2

文章鏈接： https://www.nature.com/articles/s41591-023-02424-2

北京時間2023年6月22日晚23時，華南師范大學王璋團隊，廣東省疾控中心林立豐、孫九峰團隊，廣州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院—廣州呼吸健康研究院關(guān)偉杰團隊合作，在Nature Medicine雜志以長文（Article）發(fā)表了題為《人體呼吸道菌群介導環(huán)境污染暴露與呼吸健康的相互作用》（The airway microbiome mediates the interaction between environmental exposure and respiratory health in humans）的研究論文（圖1）。

環(huán)境污染暴露影響呼吸健康，導致肺功能下降與呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生，對全球公共衛(wèi)生造成重大威脅。健康人體下呼吸道存在微生物群落（呼吸道菌群），其可受環(huán)境污染暴露發(fā)生改變，并對人體呼吸健康產(chǎn)生影響。盡管污染暴露影響人體腸道菌群，對于人體呼吸道這一直接與環(huán)境刺激物相接觸部位的菌群特征，及其與環(huán)境暴露及呼吸健康的關(guān)系仍知之甚少。

慢性阻塞性肺疾?。璺危┦侨蚣拔覈卮舐　２豢赡娴臍獾雷枞头喂δ芟陆凳锹璺蔚脑\斷標準。但環(huán)境污染暴露所導致的肺損傷可能早于慢阻肺發(fā)生。部分人群肺功能正常但具有污染暴露史和呼吸道癥狀，其具有發(fā)展為慢阻肺的較高風險。識別早期慢阻肺發(fā)生發(fā)展的微生物群落變化可為疾病防治政策的制定提供參考。

明確疾病狀態(tài)下呼吸道菌群的變化需要建立一個健康人群的呼吸道菌群基線，但健康人群下呼吸道樣本采集的困難性較大，為規(guī)模開展呼吸道菌群研究帶來挑戰(zhàn)。作為一種非入侵手段，誘導痰是目前最可行的規(guī)模性獲取呼吸道菌群樣本的手段之一，但它有多大程度能代表下呼吸道仍不確切。在這項研究中，我們依托2019年廣東省居民慢性阻塞性肺疾病（慢阻肺）流行病學調(diào)查項目，對廣東省6個城市/地區(qū)，18個社區(qū)，36個居委會，共3,800余居民進行了問卷調(diào)查、肺功能檢查、身體測量、并進行了誘導痰樣本的采集。我們通過大規(guī)模人群呼吸道菌群多組學分析，揭示了環(huán)境污染暴露、呼吸道菌群與呼吸健康的關(guān)系。

呼吸道菌群的地域差異

通過對誘導痰樣本進行了嚴格的質(zhì)控及微生物組分析，我們總共獲取了呼吸道細菌16S rRNA基因擴增子1,651例、真菌ITS擴增719例、宏基因組1,128例，對宏基因組數(shù)據(jù)進行了物種譜、功能譜、抗生素抗性基因（圖1）。我們發(fā)現(xiàn)在所有的環(huán)境和宿主因素中，地理區(qū)域顯著貢獻了呼吸道微生物群落的變化，其Adonis R2值比排名第二的環(huán)境因子（吸煙史）高出10.9倍。同時，個體呼吸道菌群差異隨著居民所居住行政區(qū)劃的差異性（同一個居委會、同一個社區(qū)、同一個地區(qū)、不同地區(qū)）增加而增加，但卻同地理距離無明顯關(guān)系。25個宿主與環(huán)境因素同地域顯著相關(guān)，方差分解分析發(fā)現(xiàn)13.1-57.8%的菌群地域差異可被這25個宿主及環(huán)境因素所解釋，提示呼吸道菌群的地域差異可能同地域相關(guān)的環(huán)境及人口學因素有關(guān)。

圖1. 呼吸道菌群概況及地域差異

（a）研究總體設計與技術(shù)路線；（b）宿主及環(huán)境因子同呼吸道菌群關(guān)聯(lián)的Adonis分析；（c）居住在同一居委會、同一社區(qū)、同一地區(qū)與不同地區(qū)的居民呼吸道菌群Bray-Curtis距離；（d）呼吸道菌群與地域相關(guān)宿主及環(huán)境因子的方差分解分析。

呼吸道菌群介導環(huán)境污染暴露對肺功能及呼吸道癥狀的影響

1,393個菌群特征與環(huán)境暴露因素（吸煙、二手煙、PM2.5濃度、職業(yè)暴露、生物燃料暴露）、肺功能以及呼吸道癥狀之間具有顯著關(guān)聯(lián)。其中1,311個關(guān)聯(lián)在至少4個地區(qū)具有共同的趨勢，表明雖然菌群具有地域差異，但菌群與宿主及環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)模式卻在不同地域之間基本保持一致。其中，我們發(fā)現(xiàn)吸煙主要同細菌菌群中Atopobium、Actinomyces、Prevotella顯著相關(guān)，而大氣細顆粒物（PM2.5）濃度主要同真菌菌群中如Cladosporium顯著相關(guān)（圖2）。我們建立污染暴露（吸煙、二手煙、空氣污染、生物燃料暴露、職業(yè)暴露）、呼吸道菌群（細菌、真菌、宏基因組功能模塊、抗生素抗性基因、細菌毒力因子）、呼吸健康指標（肺功能、呼吸道癥狀評分）的雙向中介效應模型，發(fā)現(xiàn)呼吸道菌群具在環(huán)境污染暴露與呼吸健康指標中具有顯著的中介效應。細菌菌群中Peptostreptococcus、Actinomyces、Acinetobacter顯著介導吸煙與肺功能的關(guān)聯(lián)。在菌群功能層面，氨基酸分解代謝和次級代謝在吸煙者中顯著升高，而氨基酸合成代謝及能量代謝顯著降低。Acinetobacter顯著貢獻了多個功能基因或通路的中介效應，包括苯丙氨酸代謝途徑、四環(huán)素抗性基因tet32及菌群毒力因子PNAG。同時，真菌顯著介導PM2.5與肺功能的關(guān)聯(lián)，其中Penicillium和Cladosporium最為顯著。

圖2. 呼吸道菌群介導環(huán)境污染暴露對呼吸健康的影響

（a）呼吸道菌群（多樣性、細菌組分、真菌組分、KEGG模塊、抗生素抗性基因、毒力因子）與環(huán)境暴露因子及、肺功能及呼吸道癥狀的關(guān)聯(lián)；（b）污染暴露因子與肺功能及呼吸道癥狀的關(guān)聯(lián)及雙向中介效應分析的模式；（c）雙向中介效應分析結(jié)果概況；（d）具體呼吸道菌群物種及功能的中介效應模式示例圖。

職業(yè)污染暴露對呼吸道癥狀的影響與呼吸道菌群相關(guān)

我們對呼吸道菌群、環(huán)境污染暴露和呼吸健康指數(shù)之間建立交互式統(tǒng)計模型，發(fā)現(xiàn)呼吸道菌群、職業(yè)污染暴露與呼吸道癥狀評分之間具有顯著相互作用。其中，呼吸道細菌菌群第一主成分與職業(yè)暴露史具有顯著交互作用，共同影響呼吸道癥狀CAT評分。在細菌分類單元中，Neisseria是唯一具有同職業(yè)暴露與呼吸道癥狀具有顯著相互作用的菌屬，且其同菌群第一主成分顯著相關(guān)。據(jù)此，我們基于Neisseria將人群分為兩個亞組，發(fā)現(xiàn)這兩組人群中呼吸道癥狀評分與職業(yè)污染暴露之間的關(guān)聯(lián)具有顯著差異。相對于Neisseria-low亞組人群，在職業(yè)污染暴露影響下，Neisseria-high亞組人群呼吸道癥狀風險增加2.25倍（圖3）。同時，在基于Neisseria所劃分的兩組人群中，職業(yè)污染暴露與呼吸道微生物群落的關(guān)聯(lián)模式也具有顯著差異。在Neisseria-high人群中，職業(yè)污染暴露與一個獨特的呼吸道真菌變化模式顯著相關(guān)，包括Aspergillus和Penicillium等包含病原真菌的分類單元。同時，11個與細菌粘附和外毒素相關(guān)的毒力因子也在Neisseria-high人群中顯著同職業(yè)暴露相關(guān)。這些結(jié)果提示，呼吸道菌群中Neisseria富集的人群，在職業(yè)暴露污染的影響下，具有導致呼吸道癥狀的更高風險，且呼吸道真菌菌群的改變在其中發(fā)揮了潛在作用。

圖3. 呼吸道菌群與職業(yè)暴露顯著互作，共同影響呼吸道癥狀

（a）呼吸道菌群多樣性、環(huán)境暴露、肺功能及呼吸道癥狀的統(tǒng)計交互作用；（b）基于細菌菌群第一主成分與Neisseria的人群分層中，職業(yè)暴露與呼吸道癥狀的關(guān)聯(lián)具有顯著差異；（c）Neisseria-high及Neisseria-low人群中職業(yè)暴露對呼吸道菌群具有不同的影響；（d）Neisseria-high人群中，職業(yè)暴露與真菌菌群中Aspergillus和Penicillium的增加具有獨特關(guān)聯(lián)。

呼吸道菌群健康指數(shù)可能指示個體污染暴露風險

我們對腸道菌群健康指數(shù)的算法進行了修正，以同時納入呼吸道細菌與真菌的菌群特征，據(jù)此測算了個體化的呼吸道菌群健康指數(shù)（Airway Microbiome Health Index，AMHI）。我們發(fā)現(xiàn)AMHI隨著污染暴露、呼吸道癥狀及呼吸疾病同步發(fā)生變化（圖4）。其中污染暴露史中的因素種類越多，AMHI下降越顯著。同時，AMHI顯著介導職業(yè)暴露、PM2.5濃度與吸煙對呼吸健康的影響，且同生物燃料暴露、二手煙以及職業(yè)污染暴露對呼吸道癥狀的影響具有顯著交互作用。提示該指數(shù)可能指示個體受污染暴露所導致的潛在呼吸健康風險。我們將基于我們的數(shù)據(jù)所測算的AMHI評分應用至全球公共呼吸道微生物組數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)其在不同公共數(shù)據(jù)的疾病人群相對健康人群具有統(tǒng)一下降趨勢，且在部分研究的疾病組與健康組中具有顯著差異，提示該評分具有一定的普適性。以上結(jié)果表明呼吸道菌群指數(shù)可指示污染暴露對呼吸健康的影響。

圖4. 呼吸道菌群健康指數(shù)及其與環(huán)境污染暴露的關(guān)聯(lián)

（a）呼吸道菌群健康指數(shù)（AMHI）算法；（b）AMHI對呼吸健康的指示功效；（c）AMHI在呼吸疾病與呼吸道癥狀中的變化；（d）AMHI隨著環(huán)境暴露因素增加逐漸降低；（e）AMHI、污染暴露與呼吸健康的中介效應分析；（f）AMHI在呼吸道菌群全球公共數(shù)據(jù)中的應用。

呼吸道細菌-真菌互作可能指示早期慢阻肺發(fā)生發(fā)展

環(huán)境污染暴露是早期慢阻肺發(fā)生的重要風險因子。在此研究中，190名居民可通過肺功能診斷為慢阻肺（COPD），93.7%處于早中期。我們將未診斷為慢阻肺，但有污染暴露史及顯著呼吸道癥狀的人群定義為慢阻肺風險人群（Pre-COPD）。通過多元網(wǎng)絡分析，我們發(fā)現(xiàn)呼吸道細菌-真菌的交互作用從健康人群、慢阻肺風險人群、到慢阻肺患者中顯著增強（圖5），且在COPD中發(fā)生了細菌與真菌（包括Aspergillus和Penicillium）互作模塊的融合。在Pre-COPD和COPD網(wǎng)絡中亦出現(xiàn)了獨特的真菌-真菌相互作用模式。環(huán)境污染暴露也導致呼吸道細菌-真菌互作的增強，其中吸煙導致的互作網(wǎng)絡的變化最為顯著。我們通過NetMoss算法鑒定網(wǎng)絡變化中的驅(qū)動物種，發(fā)現(xiàn)變形菌門（如Haemophilus和Neisseria）顯著貢獻了從健康人群到Pre-COPD人群的網(wǎng)絡變化，而擬桿菌門貢獻了從Pre-COPD到COPD人群中的網(wǎng)絡變化。這些網(wǎng)絡變化的細菌驅(qū)動者同時顯著貢獻了從健康人群到慢阻肺患者的菌群功能變化，包括二組分系統(tǒng)、物質(zhì)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、碳水化合物代謝和次級代謝等。據(jù)此我們提出，環(huán)境污染暴露可能影響呼吸道菌群跨界互作，其可能進一步導致早期慢阻肺菌群功能失調(diào)。

圖5. 呼吸道跨界菌群互作網(wǎng)絡在早期慢阻肺中的變化

（a）呼吸道細菌-真菌互作網(wǎng)絡在健康，Pre-COPD，COPD人群中的發(fā)生顯著變化；（b）菌群互作網(wǎng)絡的模塊分析；（c）菌群互作網(wǎng)絡變化的驅(qū)動物種分析；（d）互作網(wǎng)絡變化的細菌驅(qū)動者對菌群功能變化的貢獻。

討論

通過大規(guī)模人群呼吸道菌群分析，我們揭示了環(huán)境污染暴露通過呼吸道菌群影響呼吸健康的可能方式。同腸道菌群類似，地域差異顯著影響呼吸道菌群。盡管如此，“環(huán)境-菌群-宿主”的關(guān)聯(lián)在不同地域中具有一致性。我們發(fā)現(xiàn)呼吸道菌群不僅介導環(huán)境暴露與呼吸健康的關(guān)聯(lián)，其可能進一步同環(huán)境暴露因子相互作用，來改變它們對呼吸健康的影響。因此，對人群呼吸道菌群的測定有助于對污染暴露的健康影響進行風險分層與精準評估，且對于不同的污染暴露因素需要考慮不同的呼吸道細菌或真菌組成?；诤粑兰毦c真菌群落結(jié)構(gòu)，我們測算了菌群健康指數(shù)及互作網(wǎng)絡，這些方法不同于傳統(tǒng)基于差異物種豐度的菌群分析，可能為污染暴露對呼吸健康的影響及早期慢阻肺的發(fā)生提供新型標志物。

本研究仍具有較多局限性。首先，本研究是觀察性、橫斷面研究。雖然使用了可應用于因果效應推斷的中介效應分析，但菌群與環(huán)境暴露及呼吸健康的因果關(guān)系仍無法直接建立。其次，痰液是口腔及上下呼吸道的內(nèi)在混合物，因此我們無法評估所得到的菌群物種及分類單元在呼吸道不同結(jié)構(gòu)部位的分布。再次，由于痰液樣本量的影響，僅有部分樣本能夠完成細菌和真菌的同時擴增和測序，且痰液宏基因組中的高宿主比例仍是領(lǐng)域重要挑戰(zhàn)。呼吸道病毒組未能獲得足夠的覆蓋度，因此未納入進一步分析。后續(xù)對于呼吸道菌群和環(huán)境樣本的配對分析可為環(huán)境和人體呼吸道之間的菌群交流提供線索。最后，我們的研究結(jié)論需要進一步在不同國家、不同人種、不同暴露史的人群中進行驗證。

綜上，該研究揭示了呼吸道菌群在污染暴露、呼吸道癥狀與呼吸健康中的關(guān)鍵作用?！碍h(huán)境暴露-呼吸道菌群-健康指標”的交互作用可為環(huán)境污染暴露對人體呼吸健康的影響提供潛在的菌群風險因子。呼吸道菌群可能影響環(huán)境污染暴露的個體健康效應，為基于呼吸道菌群的環(huán)境污染暴露風險分層，及靶向呼吸道菌群的風險預防提供科學依據(jù)。

作者簡介

華南師范大學王璋、廣東省疾控中心林立豐、鄭雪燕、孫九峰、廣州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院—廣州呼吸健康研究院關(guān)偉杰為本文的共同通訊作者。廣東省疾控中心林立豐、華南師范大學易歆竹、廈門大學附屬第一醫(yī)院劉海月、廣東省疾控中心孟瑞琳為本文的共同第一作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、廣州市科技計劃、廣東省鐘南山醫(yī)學基金會、廣州醫(yī)科大學科研提升計劃等項目的資助。

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