環(huán)境污染暴露通過(guò)呼吸道菌群紊亂影響呼吸健康指標(biāo)

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(shí)間2023年6月22日晚23時(shí)，華南師范大學(xué)王璋團(tuán)隊(duì)，廣東省疾控中心林立豐、孫九峰團(tuán)隊(duì)，廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院—廣州呼吸健康研究院關(guān)偉杰團(tuán)隊(duì)合作，在Nature Medicine雜志以長(zhǎng)文（Article）發(fā)表了題為《人體呼吸道菌群介導(dǎo)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(dǎo)致肺功能下降與呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生，對(duì)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(duì)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(duì)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?guó)重大慢病。不可逆的氣道阻塞和肺功能下降是慢阻肺的診斷標(biāo)準(zhǔn)。但環(huán)境污染暴露所導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)。識(shí)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(gè)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(kāi)展呼吸道菌群研究帶來(lái)挑戰(zhàn)。作為一種非入侵手段，誘導(dǎo)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(xiàng)研究中，我們依托2019年廣東省居民慢性阻塞性肺疾?。璺危┝餍胁W(xué)調(diào)查項(xiàng)目，對(duì)廣東省6個(gè)城市/地區(qū)，18個(gè)社區(qū)，36個(gè)居委會(huì)，共3,800余居民進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查、肺功能檢查、身體測(cè)量、并進(jìn)行了誘導(dǎo)痰樣本的采集。我們通過(guò)大規(guī)模人群呼吸道菌群多組學(xué)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(guò)對(duì)誘導(dǎo)痰樣本進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)控及微生物組分析，我們總共獲取了呼吸道細(xì)菌16S rRNA基因擴(kuò)增子1,651例、真菌ITS擴(kuò)增719例、宏基因組1,128例，對(duì)宏基因組數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàn)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(shí)，個(gè)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(gè)居委會(huì)、同一個(gè)社區(qū)、同一個(gè)地區(qū)、不同地區(qū)）增加而增加，但卻同地理距離無(wú)明顯關(guān)系。25個(gè)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(gè)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(xué)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(shè)計(jì)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(huì)、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(dǎo)環(huán)境污染暴露對(duì)肺功能及呼吸道癥狀的影響

1,393個(gè)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(gè)關(guān)聯(lián)在至少4個(gè)地區(qū)具有共同的趨勢(shì)，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(xì)菌菌群中Atopobium、Actinomyces、Prevotella顯著相關(guān)，而大氣細(xì)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(xì)菌、真菌、宏基因組功能模塊、抗生素抗性基因、細(xì)菌毒力因子）、呼吸健康指標(biāo)（肺功能、呼吸道癥狀評(píng)分）的雙向中介效應(yīng)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(biāo)中具有顯著的中介效應(yīng)。細(xì)菌菌群中Peptostreptococcus、Actinomyces、Acinetobacter顯著介導(dǎo)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(jí)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(xiàn)了多個(gè)功能基因或通路的中介效應(yīng)，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(shí)，真菌顯著介導(dǎo)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(dǎo)環(huán)境污染暴露對(duì)呼吸健康的影響

（a）呼吸道菌群（多樣性、細(xì)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(yīng)分析的模式；（c）雙向中介效應(yīng)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(yīng)模式示例圖。

職業(yè)污染暴露對(duì)呼吸道癥狀的影響與呼吸道菌群相關(guān)

我們對(duì)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(jì)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(píng)分之間具有顯著相互作用。其中，呼吸道細(xì)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(píng)分。在細(xì)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(gè)亞組，發(fā)現(xiàn)這兩組人群中呼吸道癥狀評(píng)分與職業(yè)污染暴露之間的關(guān)聯(lián)具有顯著差異。相對(duì)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(fēng)險(xiǎn)增加2.25倍（圖3）。同時(shí)，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(gè)獨(dú)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(shí)，11個(gè)與細(xì)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(dǎo)致呼吸道癥狀的更高風(fēng)險(xiǎn)，且呼吸道真菌菌群的改變?cè)谄渲邪l(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(jì)交互作用；（b）基于細(xì)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(duì)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(dú)特關(guān)聯(lián)。

呼吸道菌群健康指數(shù)可能指示個(gè)體污染暴露風(fēng)險(xiǎn)

我們對(duì)腸道菌群健康指數(shù)的算法進(jìn)行了修正，以同時(shí)納入呼吸道細(xì)菌與真菌的菌群特征，據(jù)此測(cè)算了個(gè)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(shí)，AMHI顯著介導(dǎo)職業(yè)暴露、PM2.5濃度與吸煙對(duì)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(duì)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(gè)體受污染暴露所導(dǎo)致的潛在呼吸健康風(fēng)險(xiǎn)。我們將基于我們的數(shù)據(jù)所測(cè)算的AMHI評(píng)分應(yīng)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(duì)健康人群具有統(tǒng)一下降趨勢(shì)，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(píng)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(duì)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(duì)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(yīng)分析；（f）AMHI在呼吸道菌群全球公共數(shù)據(jù)中的應(yīng)用。

呼吸道細(xì)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(fēng)險(xiǎn)因子。在此研究中，190名居民可通過(guò)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(fēng)險(xiǎn)人群（Pre-COPD）。通過(guò)多元網(wǎng)絡(luò)分析，我們發(fā)現(xiàn)呼吸道細(xì)菌-真菌的交互作用從健康人群、慢阻肺風(fēng)險(xiǎn)人群、到慢阻肺患者中顯著增強(qiáng)（圖5），且在COPD中發(fā)生了細(xì)菌與真菌（包括Aspergillus和Penicillium）互作模塊的融合。在Pre-COPD和COPD網(wǎng)絡(luò)中亦出現(xiàn)了獨(dú)特的真菌-真菌相互作用模式。環(huán)境污染暴露也導(dǎo)致呼吸道細(xì)菌-真菌互作的增強(qiáng)，其中吸煙導(dǎo)致的互作網(wǎng)絡(luò)的變化最為顯著。我們通過(guò)NetMoss算法鑒定網(wǎng)絡(luò)變化中的驅(qū)動(dòng)物種，發(fā)現(xiàn)變形菌門(mén)（如Haemophilus和Neisseria）顯著貢獻(xiàn)了從健康人群到Pre-COPD人群的網(wǎng)絡(luò)變化，而擬桿菌門(mén)貢獻(xiàn)了從Pre-COPD到COPD人群中的網(wǎng)絡(luò)變化。這些網(wǎng)絡(luò)變化的細(xì)菌驅(qū)動(dòng)者同時(shí)顯著貢獻(xiàn)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(yùn)系統(tǒng)、碳水化合物代謝和次級(jí)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(jìn)一步導(dǎo)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(luò)在早期慢阻肺中的變化

（a）呼吸道細(xì)菌-真菌互作網(wǎng)絡(luò)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(luò)的模塊分析；（c）菌群互作網(wǎng)絡(luò)變化的驅(qū)動(dòng)物種分析；（d）互作網(wǎng)絡(luò)變化的細(xì)菌驅(qū)動(dòng)者對(duì)菌群功能變化的貢獻(xiàn)。

討論

通過(guò)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(guò)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(dǎo)環(huán)境暴露與呼吸健康的關(guān)聯(lián)，其可能進(jìn)一步同環(huán)境暴露因子相互作用，來(lái)改變它們對(duì)呼吸健康的影響。因此，對(duì)人群呼吸道菌群的測(cè)定有助于對(duì)污染暴露的健康影響進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分層與精準(zhǔn)評(píng)估，且對(duì)于不同的污染暴露因素需要考慮不同的呼吸道細(xì)菌或真菌組成。基于呼吸道細(xì)菌與真菌群落結(jié)構(gòu)，我們測(cè)算了菌群健康指數(shù)及互作網(wǎng)絡(luò)，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(duì)呼吸健康的影響及早期慢阻肺的發(fā)生提供新型標(biāo)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(yīng)用于因果效應(yīng)推斷的中介效應(yīng)分析，但菌群與環(huán)境暴露及呼吸健康的因果關(guān)系仍無(wú)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(wú)法評(píng)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(xì)菌和真菌的同時(shí)擴(kuò)增和測(cè)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(jìn)一步分析。后續(xù)對(duì)于呼吸道菌群和環(huán)境樣本的配對(duì)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(jìn)一步在不同國(guó)家、不同人種、不同暴露史的人群中進(jìn)行驗(yàn)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。“環(huán)境暴露-呼吸道菌群-健康指標(biāo)”的交互作用可為環(huán)境污染暴露對(duì)人體呼吸健康的影響提供潛在的菌群風(fēng)險(xiǎn)因子。呼吸道菌群可能影響環(huán)境污染暴露的個(gè)體健康效應(yīng)，為基于呼吸道菌群的環(huán)境污染暴露風(fēng)險(xiǎn)分層，及靶向呼吸道菌群的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。

作者簡(jiǎn)介

華南師范大學(xué)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(xué)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(xué)易歆竹、廈門(mén)大學(xué)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、廣州市科技計(jì)劃、廣東省鐘南山醫(yī)學(xué)基金會(huì)、廣州醫(yī)科大學(xué)科研提升計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

相關(guān)知識(shí)

代謝健康肥胖：從流行病學(xué)、機(jī)制到臨床意義
瘦型非酒精性脂肪性肝病的研究進(jìn)展
16:8輕斷食，減肥又健康，但要選對(duì)時(shí)間！最新研究：“過(guò)午不食”才是關(guān)鍵，還能改善血糖
特別關(guān)注：瘦型非酒精性脂肪性肝病
肺康復(fù)治療
臨床問(wèn)題｜2020瘦型
重磅！中國(guó)院士團(tuán)隊(duì)：這類患者血壓降到 120mmHg 更好，NEJM：標(biāo)準(zhǔn)能改了？
腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與妊娠期糖尿病相關(guān)性的研究進(jìn)展
孕期睡眠障礙的流行病學(xué)研究進(jìn)展
50% 以上成人存在超重或肥胖！不只影響審美，還有這些危害

網(wǎng)址: Nat Med http://m.u1s5d6.cn/newsview48100.html