编译：艾奥里亚，编辑：十九、江舜尧。
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过去十年有关微生物菌群研究的革命提供了关于栖息在人体内的微生物物种功能的宝贵知识。人们普遍认为，这些被统称为“微生物区系”的微生物，为了使独特生态系统种的微生物成员和哺乳动物成员都受益，它们彼此之间以及与宿主之间存在着相互作用的网络。肺部组织曾经被认为是无菌环境，但现在已知含有独特的微生物群，此外，还会受到来自远端身体部位的微生物信号的影响，例如肠道。本研究中，作者回顾了肺和肠道微生物在呼吸健康和疾病中的作用，并强调了作为肠-肺轴基础的主要沟通途径。
论文ID
论文：微生物群对呼吸健康的影响
原名：The influence of the microbiome on respiratory health
译名：微生物群对呼吸健康的影响
期刊：Nature Immunology
IF：23.53
发表时间：2019
通讯作者：Tomasz P. Wypych & Benjamin J. Marsland
通讯作者单位：莫纳什大学（Monash university）
综述内容
1 健康肺部的微生物菌群
传统意义上来说，肺部环境是无菌的环境。有关肺部细菌DNA的检测通常也被解释为技术上的污染。尽管通过上呼吸道引入支气管镜发现了咽部微生物群污染的风险，但通过实施严格的阴性控制和保护性支气管镜取样技术，其影响已得到缓解。此外，研究报告称，在连续采样气道后没有减轻微生物负荷，这有可能是微生物在插入支气管镜期间被携带到气道中。目前通过一系列的技术发展以及来自世界各地实验室的独立验证，该领域现在已经很好地描述了肺微生物群在健康和疾病中的形态和功能。
大量研究表明，健康人的肺部含有微生物菌群，这其中包括Prevotella，Streptococcus，Veillonella，Fusobacterium以及Haemophilus等。在健康的肺部，微生物生物量很低，每克组织含有103到105个细菌(相比之下，大肠的密度达到每克1011到1012个细菌)。呼吸道微生物菌群的来源和平衡被认为是由微生物从上呼吸道的迁移和由宿主防御机制所引起的微生物清除之间的平衡决定的，而微生物本身的局部繁殖的贡献相对较小。微生物进入肺部的过程主要是通过微吸作用发生的（微吸是一种被动的过程，主要发生在当口腔和咽部肌肉的音调减弱时的睡眠期间）；与鼻腔微生物菌群相比，下呼吸道微生物菌群与口腔微生物更相似支持了这一结论。
对新生儿出生后24小时气管抽吸物的细菌DNA检测可以发现，细菌在呼吸道中的定植从出生后就已经开始。与成人的微生物群相似，婴儿期的微生物群主要由Streptococcus，Prevotella，Neisseria，Veillonella，Porphyromonas以及Fusobacterium组成。分娩方式对呼吸道微生物群的影响主要局限于早产儿，其不发达的免疫系统和肺生理可能缺乏选择性压力，因此更容易受到早期环境暴露的影响。与此相一致的是，绝大部分胎龄不到35周的剖腹产新生儿都检测到了以葡萄球菌为主的微生物群。在出生后的前7周，所有婴儿的微生物进一步多样化，并获得了与健康成人预期相一致的表型。虽然胎龄和新生儿的分娩条件会影响肺部早期微生物的发育，但我们对于其他能够决定影响呼吸道中微生物组成的选择性压力的了解还很有限。无论是对于小鼠还是对于人体而言，在早期生命中，免疫系统的成熟似乎与微生物菌群的形成同时发生。虽然没有直接的证据，但间接的数据表明，宿主-微生物串扰的产生是在健康的条件下发生的，并且肺微生物菌群的成分部分是由免疫系统形成的。
对肺部生态系统需要进一步探究，以确定肺定植对宿主生理的影响。例如，在小鼠中，需要在早期阶段中对气道进行微生物定植，以诱导肺树突状细胞（DCs）在配体PD-L1表达中出现一个短暂的峰值，这将有助于促进对吸入过敏原的长期耐受性。由于需要侵入性取样技术，早期人类下呼吸道微生物群的研究进展受到限制。来自上呼吸道的样本是研究呼吸道中宿主-微生物相互作用的宝贵资源，但由于下呼吸道具有不同的微生物生态位，因此上呼吸道样本的研究否能够反映下呼吸道发生的相互作用，仍有待考证。诱导痰法是研究下呼吸道的微生物群的另一种方式；但仍存在口腔污染问题。因此，在没有用于对下呼吸道进行采样的非侵入性技术的情况下，研究仍然很大程度上取决于临床指示指标或支气管内镜探查。基于以上，还需要做进一步的研究，以更加清楚的描述健康和疾病中上、下气道的定殖模式。此外，从出生之时开始进行纵向样本采集，对于识别任何病理状况表现之前的微生物变化同样至关重要。
2 肺部疾病中的微生物菌群
在呼吸道疾病中经常能观察到肺部微生物迁移和微生物清除之间的平衡紊乱。例如，囊性纤维化(CF)、特发性肺纤维化或支气管扩张症患者在下气道的细菌负担增加。从微生物负荷的变化上看，在病态呼吸道中经常检测到特定的细菌，这其中包括Pseudomonas aeruginosa，Staphylococcus auerus或者Burkholderia spp.（CF患者中）；Haemophilus，Veillonella，Streptococcus或者Neisseiria (特发性肺纤维化患者中)；P. aeruginosa，Veillonella，Prevotella或者Haemophilus（支气管扩张患者中）（图1）。慢性炎症引起的理化特性的改变促进了微生物群落中特定物种的生长，使得这些微生物成为优势物种。许多胃肠道疾病在呼吸道也有表现。例如，多达50%的炎症性肠病(IBD)患者的肺功能有所下降。呼吸道症状通常发生在IBD发病后，这支持了这样一种观点，即呼吸道症状的发生可能是肠道疾病的结果。然而，肠-肺轴是双向的，许多包括流感病毒感染在内的呼吸道感染，往往伴随着胃肠道症状。这一点也在动物模型中得到证实，在这些动物模型中，流感病毒的呼吸道感染或气管内注入脂多糖(LPS)导致肠道微生物菌群的改变。然而，没有直接证据证明肠道微生物和肺微生物学之间的微生物转移，以及它们在引起肺部或肠道疾病方面的作用。
不平衡的微生物流入可能只与某些内型疾病有关。例如，与2型辅助T细胞含量较低的哮喘（TH2-low）相比，具有大量2型辅助T细胞哮喘（TH2-high）的下呼吸道细菌负担显著降低。同样，细菌负荷与患者痰中性粒细胞计数直接相关，而与嗜酸性粒细胞的表现出负相关关系。有研究通过对比不同哮喘内型之间的肺微生物菌群组成发现，TH2-low哮喘与Proteobacteria细菌门中的某些促炎性细菌的增加（包括Moraxella spp，Haemophilus spp以及Neisseria spp）和Firmicutes，Actinobacteria以及Saccharibacteria细菌门中细菌（Streptococcus，Gemella，Veillonella，Actinomyces以及Aeribacillus）降低有关。同样，来自肺移植受者研究的证据表明，中性粒细胞、炎性巨噬细胞与Proteobacteria门中细菌的出现之间存在联系。这些细菌数量的变化，通常与肺内的健康稳定状态(如Prevotella、Streptococcus和Veillonella)有关，从而支持抗炎巨噬细胞的分化，促进代谢重建。因此，在这种背景下，气管内微生物群的性质及其固有的炎症特性导致了巨噬细胞活化状态和重塑能力的反调节。目前，需要更多的研究来明确哮喘某些表型的特定分类群，特别是描述这些分类群在这种疾病的发生或发展中所起的作用。不管这种说起的作用到底如何，肺微生物菌群仍有可能被用作区分疾病内质型的生物标记物。
3 肠-肺轴
循环运输是可溶性微生物组分和代谢物在肠道微生物菌群与肺部之间交流的一种方式。微生物成分包括微生物相关的分子模式，如肽聚糖或由表达模式识别受体的宿主细胞识别的LPS。经抗生素处理的小鼠直肠内注射LPS可恢复其对流感病毒肺部感染的有效免疫应答的能力。由于这种基因修饰，这些小鼠在室内尘螨治疗后产生TH2反应的能力降低，表明生物活性LPS对哮喘有保护作用。有趣的是，这种效应在丧失微生物菌群的小鼠体内并不能产生作用，但通过直肠内注射LPS恢复了这种效果。这些实验突出了肠道微生物源的LPS影响肺对过敏原的反应的能力。
除了感测微生物相关的分子模式外，宿主还能感知微生物所产生的代谢物。其中一些是在食物中找不到，或者是由哺乳动物细胞产生，这对于微生物在健康和疾病中的作用特别重要。以膳食纤维新陈代谢产生是短链脂肪酸(SCFAs)为例，其包括丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐，由盲肠和结肠中的微生物群产生。在被释放到管腔后，它们在肠道内形成局部免疫反应，并为结肠细胞提供能量来源。SCFAs在胃肠道中不能被代谢从而进入门静脉并运输到肝脏进行代谢。未被代谢的SCFAs进入外周循环和远端身体部位，包括骨髓，在那里它们影响免疫细胞的发育（图2）。除SCFAs外，另一种影响肺部反应的微生物代谢物是去氨基酪氨酸，它通过增加I型干扰素反应来保护小鼠免受流感病毒感染（图2）。
其他已知具有免疫调节特性的肠道微生物代谢物包括吲哚衍生物（食品色氨酸代谢产物），烟酸，多胺等物质，所有这些都被认为在肠道内环境平衡中起着重要作用；然而，这些肠道微生物代谢物是否影响呼吸系统健康仍有待考究。在某些情况下，微生物群也能改变宿主产生的代谢物。胆汁酸被释放到十二指肠，促进脂质吸收，被常驻微生物群转化为次级胆汁酸，因此，微生物群组成或丰度的改变会导致胆汁酸分布的改变。考虑到这些代谢物的免疫调节特性，微生物-胆汁酸在胃肠道疾病中的可能作用以有研究。然而，这些相互作用对呼吸系统健康的可能影响仍然未知。
微生物产物或代谢物在临床方面具有应用价值，并有可能克服对微生物本身的依赖。但由于个体间的差异，这种应用效果很难进行预测。例如，据报道，益生菌的短暂定植在人下消化道具有多样性，一些人可以允许这种定植，而另一些人却表现出排斥反应。此外，受这些益生菌影响的宿主途径在人与人之间也有显著差异。
肠-肺轴还包括免疫细胞通过循环从肠道直接迁移到呼吸道。其中一个例子就是，一项研究将两只老鼠的循环联系在一起，一只小鼠经细胞因子IL-25腹腔内处理后的活化肠组2型固有淋巴样细胞(ILC2s)可接种到两只小鼠的肺部组织。免疫细胞在肠道和肺部之间的迁移可能对增强宿主抵抗感染的能力起到有益的作用。例如，肠道树突状细胞对共生细菌的感知需要刺激产生IL-22的ILC3迁移到肺部，并发挥对肺炎的保护作用（图2）。
最后，肠道可以通过在循环中发现的宿主来源的炎症因子从而影响肺部的响应。在患有肠道疾病的患者中发现其血清中炎性因子浓度增加。这些炎性因子从肺部的“溢出”可能会影响免疫反应的可塑性和大小，这将构成另一种机制，通过它形成局部微环境并确定炎症的性质。
4 微生物群在呼吸保健中的应用
以膳食补充剂的形式使用特定的微生物菌株来促进人类健康的想法并不新鲜。个体微生物对呼吸健康的影响主要局限于已知的Lactobacillus菌属和Bifidobacterium菌属，而除此之外的认知有限。在本节中，作者基于已有研究总结并强调了在动物模型中所表现出与呼吸系统疾病有影响关系的共生微生物。由于特定物种可能会与宿主在不同的环境中进行不同的交互作用，因此如何合理的解释所获得的数据尤为重要。以Candida albicans为例，它们栖息在大约30%的健康人的粘膜表面，但一旦宿主的先天免疫或适应性免疫遭到损害，这种微生物可能成为致病性的危害。此外，在一项研究中，通过抗生素处理的小鼠中存在的某些菌株不仅失去了它们的毒力，而且还能保护它们的新宿主免受随后的真菌感染，这说明Candida albicans的行为也可能取决于其他微生物的存在。这个例子表明，根据不同生态位特点，某种微生物对宿主可能是有害的、但也有可能是中性或是有益的。
在变态反应和哮喘的背景下，通过对微生物菌群与外周血单个核细胞基因表达网络的分析，发现Acinetobacter与正常人IL-10表达之间存在联系，而在特应性实验中则不然。在小鼠体内，皮下注射或鼻内给药Acinetobacter lwoffii，可通过诱导TH1相关细胞因子或是IL-10表达，从而减轻过敏性气道炎症。滴鼻给药后，小鼠实验性哮喘也得到改善，这与这些细菌诱导TH1极化细胞因子的能力有关。小鼠肺部接触E. coli改变了肺的DC功能，并诱导了γδT细胞的募集，这对哮喘小鼠模型起到了很好的保护作用。此外，小鼠口腔感染致病性Helicobacter pylori(一种具有致病潜力的微生物)，可以通过促进炎症体活化、诱导IL-18和促进Treg细胞分化，减轻哮喘症状。这种调节作用通过长期表观遗传重新编程传递给第一代和第二代后代。
微生物治疗用于肺部感染所表现出的益处已被广泛研究。例如鼻内接种或口服能接种细菌菌株可以有效激活Nod2受体，可保护小鼠免受肺Streptococcus pneumoniae或是 Klebsiella pneumoniae引起的呼吸道感染，其效果取决于这些菌株诱导细胞因子产生的能力。图4a中作者概述了在呼吸道疾病动物模型中产生有益影响的微生物。它们在临床环境中的应用可能成为改善呼吸道健康的一种新方法（图3c）。
微生物所表现出益处的同时也可能产生一定的害处。这其中之一就是对呼吸道过敏的发展有负面影响的细菌Ruminococcus gnavus。一项基于出生至1岁的粪便样本进行纵向筛查发现，在台湾台北出生的双胞胎婴儿中，3岁时发生过敏反应的数量与该细菌的存在正相关关系。给小鼠口服R. gnavus会导致卵清蛋白(OVA)引起的过敏性气道炎症恶化，强调了这种微生物与过敏之间的因果关系。在空气中不暴露相关过敏源的条件下，这些细胞在肺部共发生，这表明它们沿着肠肺轴移动，并在气道中建立一个TH2环境。
虽然许多真菌抗原是已知的过敏原，但共生真菌的生长也可能影响对非过敏原的过敏反应。口服抗生素处理的小鼠接种C. albicans可加重OVA或Aspergillus fumigatus引起的哮喘。口服Aspergillus amstelodami，Epicoccum nigrum以及Wallemia sebi的复合物对哮喘小鼠模型过敏反应的加重效应取决于肠道内CX3CR1+单核吞噬细胞对真菌的感知作用。图4b中作者提供了对呼吸道健康有负面影响的微生物的概述。
尽管Lactobacillus和Bifidobacterium在动物模型中具有良好的生物学特性，但由于特殊的生态位或者是菌株发挥作用的能力不同，其在人体中的效应让人大失所望。基于此，研究学者将眼光进一步聚焦在复合制剂上。这种制剂的经典例子是粪便微生物移植(FMT)，这是一种治疗人体Clostridium difficile反复感染的有效方法。在有限数量的试验基础上，FMT还有望用于治疗其他胃肠疾病患者，包括肠易激综合征或IBD。而这种疗法对呼吸道健康的可能益处仍未得到探讨。对小鼠模型的研究表明，FMT逆转了抗生素引起的肺炎S. pneumoniae感染后死亡率的增加，为这种疗法在肺部疾病中的应用提供了理论依据（图3a）。然而，还需要进一步进行深入的研究。
肠道蠕虫的研究提供了另一条线索，说明复杂的微生物群落对呼吸道健康的益处。除了由蠕虫本身产生的免疫调节产物直接产生的抗炎作用外，还有间接机制影响微生物区系的成分（图3b）。感染Heligmosomoides polygyrus bakeri的小鼠肠道内细菌群落的组成和功能发生了改变，导致SCFA的产生增加，过敏性气道炎症减轻。这种作用依赖于微生物菌群和GPR41的表达，而GPR41是SCFAs的受体之一。真菌-细菌之间的相互作用在抗生素后小鼠微生物区系的恢复过程中也很明显。有趣的是，肠道内对C. albicans的病毒感染、抗真菌治疗和抗生素后给药都已证明对呼吸道健康有影响，不仅导致哮喘恶化，而且至少在C. albicans或者是Saccharomyces cerevisiae感染的抗生素后给药的情况下，也可以预防流感病毒的感染。但有关改变的细菌群落对这些现象的直接贡献仍未被探索。
总体而言，以上的例子说明了跨界相互作用的可塑性及其在塑造所有微生物群落的组成和功能方面的重要性。这些相互作用可能扩展到感染和抗真菌或抗生素治疗之外，因为细菌、真菌、病毒、古细菌和原生动物都生活在哺乳动物宿主的稳态条件下。描述它们的特征和对健康的影响是未来研究的一个挑战。
5 展望
在过去的二十年中，人们对固有微生物在健康和疾病中所起的作用有了实质性的认识。呼吸道的无菌假说已经被揭破，肺部微生物定植的机制已经开始被描绘出来。这些数据支持了研究学者为探索肠-肺轴背后的机制所做出的的努力。同时指出了微生物来源的代谢物在这一过程中的重要性。与此同时，还引入了几个概念来解释某些呼吸系统疾病流行率上升的原因。例如，在哮喘中，这些包括卫生假说及其衍生物(强调减少接触环境微生物的作用)，饮食假说(例如，减少某些营养素的消耗，如生牛奶或膳食纤维)或生活方式的改变(例如，减少体育锻炼，肥胖和吸烟)等。所有这些概念都是以微生物群的变化为基础的。近年来，微生物菌群的细菌成分分析已成为研究的焦点，然而，真菌、原生动物、蠕虫、病毒和噬菌体的作用可能同样重要，但对这些作用知之甚少。样本处理、测序，特别是序列数据库注释方面的进展，对于有可能彻底改变疾病预防和治疗方法的领域的进一步进展至关重要。
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