顶刊综述丨NAT REV MICROBIOL(IF:78): 健康与疾病中的动态肺部微生物组

编译：微科盟听雪斋，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读  

肺生物学领域的新方法和新技术开始为呼吸道的微生物世界带来新的曙光。肺长期以来被认为是无菌环境，现在很明显，人类的肺部经常暴露于活微生物及其副产物中。肺部微生物组的性质与人体中的其他微生物群落(如肠道中的微生物群落)截然不同。值得注意的是，肺部微生物组表现出低生物量，并受微生物迁移和清除的动态通量控制，导致细菌负荷和微生物组组成在本质上是流动的而不是固定的。随着我们对肺部微生物生态的了解的提高，越来越明显的是，某些疾病状态会破坏微生物-宿主界面，并最终影响疾病的发病机制。本文概述了健康和疾病中的下呼吸道微生物动态，并讨论了发现新的治疗靶点以改善肺部健康所需的未来工作。  

论文ID

原名：The dynamic lung microbiome in health and disease

译名：健康与疾病中的动态肺部微生物组

期刊：Nature Reviews Microbiology

IF：78.297

发表时间：2022.11

通讯作者：Leopoldo N. Segal

通讯作者单位：纽约大学格罗斯曼医学院

DOI号：10.1038/s41579-022-00821-x

综述目录

1 前言

2 肺微生物组的起源

3 动态微生物-宿主界面

4 下气道免疫调节：肺-肺轴

5 呼吸道炎症性疾病中的生态失调

5.1 慢性阻塞性肺病

5.2 哮喘

5.3 特发性肺纤维化

5.4 急性呼吸窘迫综合征

6 肺部微生物组与免疫监测

6.1 HIV

6.2 癌症

7 结论和未来方向

主要内容

1 前言

人类和微生物在数十万年的时间里共生共同进化，形成了一个人类微生物组，它是多种微生物的家园，包括细菌、酵母菌、古菌、真菌、原生动物和病毒。这些微生物，以及它们所在的环境，在免疫系统调节和成熟、消化、某些维生素的产生以及疾病的预防方面发挥着至关重要的作用。据了解，微生物几乎占据了人体的所有表面，呼吸道也不例外。

上呼吸道和下呼吸道的微生物组成和生物量不同(图1)。上呼吸道，包括鼻腔、鼻窦、咽部和喉声门上部分，大部分被细菌定植。此外，在上呼吸道内，微生物组成存在地形差异。例如，鼻腔和鼻咽中的优势类群包括Moraxella、Staphylococcus、Corynebacterium、Haemophilus和Streptococcus属物种，而口咽部则有大量的普雷沃氏菌属(Prevotella)、韦荣氏球菌属(Veillonella)、链球菌属(Streptococcus)、Leptotrichia、罗斯氏菌属(Rothia)、奈瑟菌属(Neisseria)和嗜血杆菌属(Haemophilus)物种(图1)。相比之下，由气管和肺组成的下呼吸道表现出相对较低的生物量，在下呼吸道粘膜免疫中起主要作用(下文讨论)。这种低生物量是通过多种生理机制快速清除微生物来维持的(图1)，使下呼吸道能够执行其最关键的功能：氧气和二氧化碳的交换。

生态失调，定义为偏离正常的微生物组成，与许多不良的生物现象有关，有时还会产生临床后果。 在肺部，生态失调会对呼吸系统疾病的发展和进展产生重大影响，强调临床需要了解肺部微生物组的生物学。在过去十年中，应用非培养基因组学方法来描述肺部微生物环境的研究迅速扩大(BOX 1)。正如我们在下面讨论的，一些研究表明，某些微生物信号与不同的下呼吸道炎症内型和疾病过程相关。

健康和疾病中的肺部微生物组通常被概念化为在两种静态状态之间摇摆的钟摆，从肺气道中微生物的缺乏到有弹性的微生物定植模式。然而，这些极端可能不是互斥的，而是动态微生物系统的快照。在这篇综述中，描述了肺部微生物组的进化性质以及持续生态失调可能影响呼吸系统疾病进展的潜在机制。我们希望挑战肺部微生物环境是一个静态实体的概念，并强调微生物迁移和清除之间的动态平衡。如下文所述，肺微生物组的动态特性已被实验小鼠微吸模型所记录，这可能是与其他生物量高的粘膜(如口腔和肠道)中的微生物行为不同的一个重要特征，而这些粘膜中微生物群落具有很强的弹性。我们认为，重点阐明肺微生物组的动态性质对于理解肺部疾病的机制以及开发涉及微生物-宿主界面的新治疗靶点至关重要。  

图1 呼吸道和近端胃肠道的正常微生物群。

上呼吸道由鼻腔、鼻窦、鼻咽、口咽和喉声门上部分组成，具有相对较高的生物量，每个部分具有不同的微生物群。相比之下，由喉声门下部分、气管和肺组成的下呼吸道表现出相对较低的生物量，主要由口腔共生微生物组成。如红框所示，几个因素可能导致呼吸道的生态失调变化。吸入口咽或胃食管内容物是细菌到达下呼吸道的主要方式(箭头)。三种主要的肺清除机制是咳嗽、粘液纤毛转运和先天免疫系统。

BOX 1.临床实践中使用非培养方法。  

高通量测序方法的使用仍处于起步阶段，但离临床应用还不远。例如，培养依赖性技术正在发展成为检测疑似肺炎患者呼吸道病原体的一种有前景的方法。这种方法不仅比传统的基于培养的方法更快速地诊断，而且可以在培养阴性肺炎患者中识别呼吸道病原体，最近开发的一种肺炎小组使用对痰液和支气管肺泡灌洗样本进行多重PCR检测，可在数小时内提供诊断数据，并已证明可显著提高微生物诊断率。靶向方法还可检测非典型细菌和病毒病原体以及某些抗微生物耐药基因。此外，将微生物和宿主基因组信号相结合有助于准确区分下呼吸道肺部感染和其他病理状况。

靶向方法受到评估目标数量有限的限制。随着纳米孔测序技术(如MinION)的发展，可以对临床样本进行RNA或DNA的实时评估，从而提供病原体的即时基因组检测。下一代高度复用的方法可能会扩大识别细菌、病毒或真菌感染患者的能力。此外，它们与宿主转录组测序方法的结合可以为肺部感染患者提供重要的预后信息。例如，在患有新冠肺炎的危重患者中，来自下呼吸道的微生物和宿主基因组信号的组合为这些患者发生的病理生理学紊乱提供了重要的见解，这可能解释了不良临床结果的个体风险。随着多组学的应用越来越广泛，我们有可能更好地理解在几种肺部疾病中具有临床意义的表型和内型特征。目前，在将非培养方法应用于临床实践之前，还需要更多采用纵向调查方法的研究。

非培养方法也可以改变我们对临床实践中常用疗法效果的看法。下呼吸道微生物组的特征正在挑战我们目前对广谱和窄范围抗生素使用的理解，揭示了所谓的“脱靶”微生物效应。在囊性纤维化中，吸入妥布霉素(通常用于假单胞菌的靶向定植)对非致病微生物有广泛影响，这是解释抗生素使用结果时的一个重要考虑因素。例如，在慢性阻塞性肺病的早期阶段，长期使用阿奇霉素会导致下呼吸道微生物组的组成发生显著变化，这可能与具有抗炎特性的微生物代谢产物的释放有关。因此，部分脱靶效应可能导致影响疾病进展的重要机制。此外，阿奇霉素治疗患有慢性排斥反应的肺移植患者可以改善肺功能，这表明宿主与微生物的相互作用可能在其发病机制中发挥作用。

当然，非培养方法也存在局限性，这会严重限制其在临床实践中的适用性。一个例子是多重PCR检测无法准确区分DNA与活的和不活的生物体。因此，初始检测不一定表明需要治疗，持续检测也不总是需要延长已经接受治疗的患者的抗菌治疗。另一个限制是，应用于微生物生物量低的样品的非培养方法更容易产生测序噪声和DNA污染。在这方面，微生物RNA转录组测序方法可能特别有用，因为微生物RNA的检测通常表明存在活的微生物，并且考虑到RNA在细胞裂解后迅速降解。

尽管不断发展的数据支持使用混合细菌转移(如粪便微生物群移植)治疗艰难梭菌感染、肠易激综合征和溃疡性结肠炎等胃肠道疾病，但人们对有意改变肺部微生物组对呼吸道疾病的影响知之甚少。有趣的是，有不断发展的文献表明，使用益生元和益生菌恢复正常的胃肠道微生物组对多种呼吸道疾病有治疗益处，如肺癌、哮喘、肺结核和囊性纤维化(所谓的“肠-肺轴”)；然而，通过益生元或益生菌直接靶向肺部微生物组的治疗干预措施仍然缺乏，需要在未来的研究中进一步探索。  

2 肺微生物组的起源

曾经被认为是无菌环境的肺，现在人们了解到肺部经常暴露于各种微生物。人类数据表明，微生物暴露在出生后几天到几周内就开始了，对免疫系统的成熟有重要影响。在一项对婴儿下呼吸道样本的研究中，微生物群落组成的差异与宿主免疫的明显变化相关。在生命的最初几周内，Staphylococcus或Ureaplasma在下呼吸道微生物群落中的主导地位代表了与新生儿分娩模式相关的肺部微生物组的两个不同特征。下呼吸道Ureaplasma (一种常见的生殖道共生菌)的富集与阴道分娩相关，而葡萄球菌(一种常用的皮肤共生菌)的富集与剖腹产相关，为环境对肺部微生物组的作用提供了一个早期的例子。随着新生儿的成长，他们的肺部微生物群转向丰富、更多样化的口腔共生菌混合物，如链球菌、普雷沃氏菌、卟啉单胞菌和韦荣氏球菌。

肺部微生物组的这些纵向变化影响免疫球蛋白和先天免疫反应的调节，因此被认为是下呼吸道免疫成熟发生的机制之一。呼吸道其他部分的微生物变化也可能影响生命早期的免疫调节。例如，新生儿下咽中微生物多样性和普雷沃氏菌和韦荣氏球菌等微生物的富集与随后的反应性气道疾病(如哮喘)的发展有关，这表明微生物环境的早期变化，即使发生在共生类群之间，而不是发生在明显的呼吸道病原体之间，也可能使婴儿在生命后期易患某些呼吸道疾病。

3 动态微生物-宿主界面

与人体任何粘膜表面一样，微生物暴露对宿主免疫系统都不是不可见的。事实上，在下呼吸道发现的微生物产物来源于微生物迁移和微生物清除之间的平衡。然而，与其他粘膜不同，肺部必须保持较低的细菌负荷，以促进气体交换，这是肺的主要生理目的。在功能上，下呼吸道的条件在氧张力、蛋白质含量、表面活性剂的存在和其他环境因素方面与其他粘膜不同。此外，为了保持较低的细菌负荷，主要依赖于促进到达下呼吸道的微生物清除的机制，包括机械机制，如粘膜纤毛清除和咳嗽，以及先天和适应性宿主免疫反应(图1)。

与口腔和肠腔不同，这两个腔都有非常高的细菌负荷，其中含有数百万活的和可复制的微生物，下气道必须保持薄薄的支气管上皮流体衬里，以促进有效的气体转移。这种独特的条件有利于肺部微生物组更动态的稳态。具体而言，口腔和胃肠道的微生物群往往更为静态，主要由繁殖特定地点的微生物群落控制，其变化被解释为生态失调特征。然而，下呼吸道微生物组经常发生变化，间歇性暴露于微生物并快速清除，从而形成一个动态生理过程，定义了生态平衡(图2)。这一点得到了几项人体横断面研究的支持，这些研究显示，尽管未能通过培养分离出这些细菌，但口腔共生菌的微生物DNA痕迹在健康肺部很常见。下呼吸道微生物群的遗传评估(通过16S rRNA基因测序、鸟枪宏基因组测序和转录组测序)表明，一小部分可检测到口腔共生微生物DNA的个体也可检测到口腔共生菌RNA。由于RNA在细胞裂解后迅速降解，这表明在抽吸事件后有活的微生物短暂存在。

图2 生态平衡和生态失调中的肺微生物动态。

a，一系列动态事件促进了下呼吸道的生态平衡。微生物的吸入会触发白细胞的激活，从而通过巨噬细胞和中性粒细胞的活动协调细菌的清除。在适应性免疫的短暂上调后，免疫基调恢复到基线水平，可检测到的残余微生物DNA水平较低。b，早期生态不良事件中常见的步骤。反复的呼出会导致下呼吸道微生物环境的变化，这种变化可能会慢慢变得不可逆转。c，粘液产生增加有助于持续定植和增加细菌负荷，并与急性和慢性下呼吸道疾病相关。微生物免疫调节产物，如短链脂肪酸(SCFA)和宿主免疫反应，如辅助性T细胞1(TH1)/TH2失衡、TH17反应加重和促炎细胞因子，可使中性粒细胞炎症持续存在，增加调节性T(Treg)细胞反应和免疫监测受损。这些变化最终会增加细菌负荷。  

4 下气道免疫调节：肺-肺轴

多项研究表明，肠道微生物群落在设定宿主免疫基调方面具有重要意义，而宿主免疫基调作为肠-肺轴的一部分影响肺部免疫反应。研究较少的是，肺部微生物群落也会影响肺部免疫反应。事实上，现有的人类横截面数据，结合来自小鼠模型的数据，表明肺部频繁、间歇性地暴露于口腔共生菌，随后迅速清除(图2)。微呼吸模型支持微生物清除以不同的速率发生，并取决于吸入的微生物种类。

重要的是，即使下气道快速清除吸入的口腔共生菌，这些事件也会导致下气道免疫基调的持久和动态变化。例如，小鼠吸入混合口腔共生菌(Prevotella melaninogenica、Veillonella parvula和Streptococcus mitis)会导致CD4+和CD8+T细胞激活，产生IL-17的T细胞(辅助性T细胞17(TH17)和γδ T细胞的募集，以及其他反调节性免疫反应，如调节性T细胞和T细胞上的免疫检查点抑制剂标记物的增加。重要的是，这种依赖于微生物组的免疫启动是一种持久的现象，它持续存在于吸入微生物的短暂存在之外，并继续显著影响对呼吸道病原体的先天免疫防御。如果这种反应代表了正常的肺部微生物动态，那么这些动态变化可能反映了真正的肺部“生态平衡”。

上述实验临床前数据与来自横断面研究的多个观察结果一致，再次说明了不同的肺部微生物特征与下呼吸道免疫基调相关。例如，一项对具有相似遗传背景但微生物组成不同的小鼠的研究发现，下气道微生物组的组成与肺部几种炎症标志物的水平有关。在人类中，下气道富集的优势类群(如Prevotella、Rothia和Veillonella)与多种TH17细胞因子(如IL-1α、IL-1β、IL-6、fractalkine和IL-17)水平以及肺中TH17细胞和中性粒细胞的募集呈正相关。在另一项针对严重哮喘患者的研究中，变形菌属物种与TH17相关通路的激活相关。总之，这些数据表明，尽管肺部微生物组不断变化，通过微吸入或环境暴露获得的微生物被快速清除，但在下气道免疫基调上留下了重要的特征和印记。

上述研究对人类肺部在偶尔暴露于某些微生物时的反应有了一些了解。然而，仍有许多悬而未决的问题。目前尚不清楚当微生物暴露频率增加时会发生什么。例如，尚不清楚促炎作用和反调节机制之间的平衡是否随着吸入事件的频繁而改变。反复接触是否会导致慢性炎症也不清楚。尽管答案很少，但数据表明，持续暴露于某些微生物会触发机制，不仅导致炎症加剧，还会导致免疫衰竭(图2)。例如，在呼吸道微生物组以口腔共生菌为主的个体中，肺泡巨噬细胞的Toll样受体4(TLR4)反应减弱。在另一项人体研究中，短链脂肪酸(SCFA)等微生物产物具有显著的免疫调节特性，并减弱了IFNγ和IL-17对病原体相关分子模式的反应。最后，在小鼠实验中，下气道暴露于口腔共生菌不仅会引发炎性细胞因子的增加，还会增加T细胞中免疫检查点抑制剂标记物(如PD1)和调节性T细胞的募集。这些结果共同表明，肺部微生物-宿主相互作用的动态性质可能随着暴露于微生物的频率、消除速率和免疫反应类型的变化而变化。

5 呼吸道炎症性疾病中的生态失调

微生物生态失调存在于各种肺部疾病中，如囊性纤维化、慢性阻塞性肺病(COPD)和特发性肺纤维化(IPF)，其中细菌组成的多样性降低与疾病进展有关。然而，微生物生态失调本身是疾病的原因还是疾病过程的结果尚不清楚。例如，在肺部疾病中，肺部结构的病理生理变化和粘液清除机制受损可能会导致微生物生态失调，而不是由其引起的。或者，生态失调可能通过上调炎症信号(如NF-κB、Ras、IL-17和PI3K)或抑制肿瘤坏死因子(TNF)和IFNγ的产生来响应下气道病原体。在本节中，我们回顾了一些在通常被描述为炎症的肺部疾病中发现的生态失调特征的例子，并讨论了下气道微生物在其发病机制中的潜在作用。

5.1 慢性阻塞性肺病

慢性阻塞性肺病(COPD)是肺部微生物组进化性质及其对呼吸系统疾病进展影响的一个有用例子。对稳定期COPD患者进行的初步微生物组研究表明，潜在致病微生物(PPMs)的存在与中性粒细胞炎症和细胞因子(如IL-8和TNF)表达增加之间存在明显关联，如Haemophilus物种、Streptococcus pneumoniae、Moraxella catarrhalis、Staphylococcus aureus、Pseudomonas aeruginosa和革兰氏阴性肠道细菌。PPMs下气道定植与COPD患者日常症状的严重程度增加和进行性影像学改变相关。然而，这些微生物事件对疾病发病早期的确切作用尚不清楚。单独吸烟似乎与下气道微生物组的显著变化无关；然而，随着吸烟者开始出现COPD的早期病理生理学证据，这种情况发生了变化。在最近一项对早期COPD患者下气道微生物组的研究中，链球菌、葡萄球菌、普雷沃氏菌和Gemella(属于正常口腔微生物群的菌株)的富集与肺功能异常相关，包括对支气管扩张剂治疗的反应受损。为了支持微生物组在慢性阻塞性肺病中的致病作用，在猕猴临床前模型中，重复下气道样本中口腔共生菌的纵向富集导致COPD样变化的发展。

随着慢性阻塞性肺病的进展，慢性炎症导致肺部先天免疫防御功能受损，这反过来为增加新病原体和现有病原体的细菌负荷铺平了道路。多项研究表明，在中晚期COPD患者中，γ变形菌(包括许多PPMs，如Haemophilus和Moraxella)富集。在另一项针对COPD患者的研究中，痰液中以变形菌为主的微生物的存在与肺功能较差、医学研究委员会呼吸困难量表评分较差和更频繁的恶化有关。在一项多中心试验中，从三个大的中重度COPD患者队列中纵向抽样，气道微生物组(在痰液样本中评估)显示其组成与炎症内型之间有明显的关联。具体来说，随着时间的推移，以嗜血杆菌为主的痰液微生物群表现得相当稳定，并与IL-1β和TNF水平升高相关。这些发现得到了另一项对稳定期COPD患者的研究的支持，该研究同样表明，流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)的定植与气道炎症的增加有关。因此，这些患者可能受益于靶向抗菌疗法，以减轻慢性炎症。相比之下，具有“平衡”微生物组特征的患者，其特征是多个口腔共生菌(如韦荣氏球菌属和普雷沃氏菌)的富集，随着时间的推移，其微生物组表现出更动态的特征，血清和痰液IL-17A升高。该亚组在病情加重期间更容易受到微生物组变化的影响。因此，这些患者可能会受益于一种不同的、可能具有明确针对性的抗炎治疗方法，或更密切地监测气道生态和病原体获取，尤其是在急性加重时。重要的是，一些口腔共生菌的相对丰度增加，如弯曲杆菌(Campylobacter)和Granulicatella，与患者体内从嗜中性粒细胞炎症转变为嗜酸性粒细胞炎症有关。总之，这些发现与一个模型相一致，即在疾病的早期阶段，口腔共生菌的反复微吸开始以较高的比率出现，其有助于下气道炎症；随后，微生物清除的进一步损害导致免疫衰竭，并最终导致呼吸道病原体的下气道定植，这一现象已通过基于基因组和基于培养的方法在疾病的后期得到了很好的记录。因此，在COPD等炎症性气道疾病患者中可以看到多种形式的生态失调(图3a)。

图3 疾病特异性生态失调信号。

在不同疾病状态下，不同形式的生态失调与不同的免疫内型和病理表型共存。a，慢性阻塞性肺病(COPD)进展到晚期，其特征是一秒用力呼气量(FEV1)减少和慢性阻塞性肺疾病全球倡议(GOLD)阶段更高，其特征在于存在潜在致病微生物、嗜中性粒细胞、炎性细胞因子和趋化因子增加。最新的研究正在确定早期的不良生物事件，包括一些口腔共生菌和细菌代谢物，这些事件可能在晚期COPD发展之前。b，细菌负荷增加已被证明与特发性肺纤维化(IPF)患者预后较差有关。在动物研究中，与具有正常细菌负荷的常规小鼠相比，在博莱霉素诱导的肺纤维化诱导后，无菌小鼠具有生存优势。c，在急性呼吸窘迫综合征(ARDS)中，肠道相关细菌和混合口腔共生菌与肺泡充血、粘液或细胞碎片增加以及免疫激活之间存在关系。d，混合口腔共生菌可以通过维持TH17内型、增加PI3K信号和免疫检查点抑制在肺癌的进展中发挥作用。这些事件，再加上更直接的致癌前体(如DNA突变和细胞凋亡，进一步导致促炎肿瘤微环境)，可能对肺癌的预后产生严重影响。微生物代谢调节的代谢产物可能在癌症发病机制中发挥重要作用，值得进一步研究。ROS，活性氧。  

5.2 哮喘

一些研究集中在哮喘的气道微生物组上。尽管缺乏对儿童早期下呼吸道样本的研究，但多项研究表明，微生物组的变化与喘息和哮喘诊断之间存在关联。即使在已确诊哮喘的儿童中，上呼吸道微生物组的组成变化也与疾病控制相关。对哮喘患者下呼吸道微生物组的评估已在成人中进行得更广泛。几项研究表明，下气道微生物组的组成与哮喘患者的不同临床特征有关，包括气道支气管反应性和严重性。现已了解，哮喘包括一组非常异质的内型，其中大部分患者患有嗜酸性粒细胞或2型(T2)高炎症，更易受到类固醇和靶向治疗的影响。相比之下，治疗对于非T2-高炎性内型患者(即大多数为中性粒细胞性气道炎症患者)，治疗效果较差，原因尚不清楚。一个有趣的假设是，肺部微生物组可能在非T2-高炎性中性粒细胞内型患者中起主要作用。例如，使用从哮喘患者获得的气道刷拭物对下气道微生物群的评估表明，细菌组成与嗜酸性粒细胞炎症无关。相反，变形菌和其他分类群的富集与TH17炎症标记物之间存在显著关联，可能导致中性粒细胞募集，更好地理解影响这些关联的分子机制可能有助于在哮喘患者中发现新的可治疗特征。

5.3 特发性肺纤维化

肺部微生物组对各种其他肺部疾病的疾病进展和生存具有重要意义。目前有几项研究表明，IPF患者的下气道细菌负荷与疾病无进展生存期之间存在关联(图3b)。特别是，一项研究报告了肺泡炎性和纤维化细胞因子与肺微生物群多样性和组成之间的相关性，较低的Shannon多样性指数(样本内多样性)与较高浓度的IL-1Ra、IL-1β、CXCL8、MIP1α、G-CSF和EGF相关。此外，肺泡中IL-6的浓度与肺厚壁菌门的相对丰度呈正相关，而肺泡中IL-12p70与肺变形菌门的相对丰度呈负相关。其他IPF研究也显示了肺生态失调与外周血单核细胞免疫通路转录组表达和无进展生存期之间存在明显关联，表明微生物与宿主的相互作用在肺纤维化的发病机制中具有重要作用，这些人体研究的一个主要局限是无法测试观察到的关联的方向性。在博莱霉素诱导肺纤维化小鼠模型中，微生物生态失调先于肺损伤峰值，并持续到纤维化发生。相反，与常规小鼠相比，暴露于博莱霉素诱导的肺纤维化的无菌小鼠具有死亡率优势(图3b)。在另一个临床前小鼠模型中，拟杆菌和普雷沃氏菌物种通过IL-17R信号传导与纤维化发病增加相关。总之，这些数据表明，某些微生物暴露可能会作为反复肺泡损伤的持续刺激物，最终导致该疾病的肺纤维化和持续炎症损伤。

5.4 急性呼吸窘迫综合征

在脓毒症的临床前模型和已建立的急性呼吸窘迫综合征患者中，肺微生物组可能在疾病的发病机制中发挥重要作用(图3c)。2016年的一项研究使用非培养方法表明，肠道相关细菌在下呼吸道的富集与肺泡TNF的浓度相关，肺泡TNF是急性呼吸窘迫综合征肺泡炎症的关键媒介。此外，最近对使用机械通气的新冠肺炎患者进行的一项研究表明，下呼吸道微生物组中富含Mycoplasma salivarium (另一种口腔共生菌)的患者临床预后较差。此外，最近对300多名机械通气患者进行的一项大型研究表明，下气道中葡萄球菌或假单胞菌科的富集与下气道炎症增加和更差的临床结果相关，包括较低的30天生存期和从机械通气中解脱出来的时间更长。综上所述，这些数据表明，微生物生态失调可能在局部和全身炎症的失调中发挥重要作用，从而影响急性呼吸衰竭的临床结果。  

6 肺部微生物组与免疫监测

尽管许多研究都集中在肺部微生物组如何促进炎症状态，但其对免疫监测的影响却鲜为人知，但可能非常重要。在囊性纤维化患者中，α多样性的减少与疾病严重程度和细菌病原体的定植直接相关。在许多情况下，这可能是由于一种优势病原体的出现，其相对丰度增加。此外，微生物多样性的降低有时先于囊性纤维化恶化的发展。这些数据表明，随着时间的推移，生物多样性的减少会使下呼吸道更容易被假单胞菌或伯克霍尔德菌等优势病原体定植。  

然而，在不同的情况下，生态失调可能会影响宿主对病原体的易感性。图4描述了其中一些情况，其中病原体在下呼吸道微生物组中占主导地位或非主导地位。例如，在支气管扩张患者中，铜绿假单胞菌下气道定植的患者会经历更频繁的恶化，并且往往会有更严重的疾病。假单胞菌的定植(当存在时，往往主导气道微生物群)与以严重中性粒细胞炎症(包括高水平的中性粒细胞弹性蛋白酶)为特征的明显的下气道宿主免疫特征相关。然而，在获得假单胞菌之前发生的微生物事件尚不清楚(图4a)。此外，我们是否能够确定假单胞菌定植之前的下呼吸道生态失调还有待确定。这种调查需要在出现优势病原体之前对下呼吸道进行纵向采样。相比之下，存在其他呼吸道病原体时，它们通常不会主导下呼吸道微生物群落(图4b，c)。例如，非结核分枝杆菌(NTM)通常是一种非优势感染性病原体，因此可能允许在病原体本身存在之外识别生态失调特征。在这种情况下，有可能在获得这种病原体后，有利于宿主对NTM易感性的初始下气道生态失调持续存在，这可能导致这种疾病的炎症损伤(图4b)。有趣的是，在一小组NTM患者中，下气道中测量的炎性细胞因子水平与下气道中几种口腔共生菌的相对丰度相关，而不是与分枝杆菌的丰度相关。或者，在非优势病原体的情况下，病原体前下呼吸道生态失调不仅可能导致获得非优势病原体，还可能导致另一种生态失调特征的替代，这可能对病原体本身的生存(微生物-微生物相互作用)很重要，并影响炎症损伤(图4c)。

图4 生态失调事件导致宿主对病原体的易感性增加。

a，在获得优势病原体的情况下，在病原体播种之前发生的生态失调变化可能会促进宿主的易感性。b，在非优势呼吸道病原体的情况下，一旦病原体在下气道中建立，导致肺部损伤，下气道微生物组的变化可能会继续作为一种生态失调特征。c，或者，非优势病原体可能导致新的生态失调特征，有利于病原体存活并导致肺损伤。  

6.1 HIV

作为另一个可能导致宿主免疫监测下降的生态失调的例子，尽管广泛使用抗逆转录病毒疗法(ART)，HIV感染者仍继续经历较高的呼吸道感染和肺癌发病率。据推测，深层组织中残留的HIV水平会导致慢性免疫激活和肺部炎症。这种长期的促炎状态最终会导致免疫细胞衰竭和肺免疫失调，从而使HIV感染者面临更高的肺部感染和恶性疾病风险。几项研究试图确定HIV中存在的生态失调信号，包括一项多中心试验，该试验描述了一些HIV患者的肺中存在高水平的Tropheryma whipplei；然而，值得注意的是，在吸烟者和其他人群中也观察到这种情况，因此可能并非HIV独有。此外，HIV感染者(尤其是晚期HIV感染者)的肺部微生物组显示，普雷沃氏菌和韦荣氏球菌属物种的负担增加。即使在ART开始后发生免疫重建，这些口腔共生菌也会持续增加下呼吸道微生物群。这种微生物生态失调模式与亚临床炎症有关，其特征是中性粒细胞和淋巴细胞增加。此外，与健康对照组相比，未经治疗的HIV患者生物多样性降低，样本间多样性增加，这表明这种生态失调特征在HIV患者中可能是突出的，并可能会增加对肺炎的易感性。在接受ART治疗的HIV患者中，下气道中口腔类群的富集与微生物SCFAs的产生增加相关，SCFA通过抑制IFNγ和IL-17的产生对T细胞功能有直接的抑制作用，并与肺结核风险增加相关。鉴于SCFA众所周知的免疫调节特性，以及这些分子可以通过吸入的口腔厌氧菌发酵产生，这可能是下呼吸道微生物组削弱宿主对病原体免疫监视的一种潜在机制。

6.2 癌症

除了与病原体易感性相关之外，一些研究表明下气道生态失调与肺癌之间存在联系。流行病学研究和培养依赖性技术表明，慢性或复发性细菌感染在肺癌患者的整个病程中很常见，阻塞性肺炎会对其治疗反应和总体生存率产生负面影响。研究报告了某些呼吸道病原体(如结核分枝杆菌)与肺癌之间的相关性，并且一项系统研究发现，与烟草接触无关，与先前存在的结核病相关的肺癌风险显著增加。这可能是由于结核病与炎症介质(如TNF)和过度的细胞外基质周转有关。从机理上讲，致病细菌的增加可通过持续产生炎症介质导致慢性炎症，从而影响细胞凋亡并增加DNA突变的风险。细菌代谢产物，如活性氧和氮，可引起直接的DNA损伤并破坏多种信号通路，从而产生促致癌环境(图3d)。包括SFCAs在内的许多细菌代谢物也与肺部宿主代谢的调节和信号通路有关。因此，细菌衍生分子的改变可能会影响肿瘤微环境和致癌信号。过度使用抗生素治疗感染可能会破坏肺部微环境中耐受性和免疫激活之间的微妙平衡。例如，使用广谱抗生素的临床前模型证明了共生菌在支持宿主对癌症的免疫反应中的重要性，确定了γδ TH17细胞反应在机制中的重要作用，并显示了抗生素治疗对癌症进展的有害影响。

随着越来越多的非培养方法的使用，目前可以了解肺癌诊断患者和未诊断患者之间的微生物组差异。与非恶性肺组织样本相比，肺肿瘤的微生物群具有较低的α多样性，这种关联似乎与烟草使用、环境暴露和临床分期无关。在分类学特征中，已经描述了肺部恶性肿瘤与链球菌属、普雷沃氏菌属、韦荣氏球菌属、罗斯氏菌属、Megasphaera和Acidovorax等口腔共生菌相对丰度的增加之间的关联。在肺癌患者的下呼吸道样本中也发现了其他不太常见的呼吸道病原体，如葡萄球菌、厚壁菌门和Saccharibacteria(以前称为TM7)的细菌。不同类型的癌症之间也存在微生物差异。一项研究发现，Brevundimonas、Acinetobacter和Propionibacterium在肺腺癌中富集，而肠杆菌在鳞状细胞癌中富集。另一项研究表明，Acidovorax与吸烟者的鳞状细胞癌之间存在关联，特别是在携带TP53突变的肿瘤中；这些微生物暴露中的一些也可能有助于宿主免疫反应，从而影响癌变。事实上，人类数据表明，声门上优势类群(如链球菌、普雷沃氏菌和韦荣氏球菌属)的富集与转录组通路的上调有关，这些转录组通路已知在ERK和PI3K17等致癌过程中起主要致病作用。PI3K通路的上调发生在肺癌发生的早期，可能影响增殖、凋亡和细胞存活以及诱导PDL1表达。因此，这些数据表明失调的微生物群可能会增加肺癌发展的风险。此外，KRAS突变的支气管上皮细胞暴露于这些分类群的上清液或其热灭产物，会导致与人类数据相似的转录组特征上调。总体而言，尽管根据样本类型和患者队列的不同，不同研究中识别的特定细菌分类群有所不同，但一致的观察结果是，肺癌与以α多样性降低和细菌组成改变为特征的失调的局部微生物组有关(图3d)。

肺微生物组可能在肺癌的进展或其复发风险中起作用。 在手术切除的早期非小细胞肺癌(NSCLC)患者中，复发与肺组织微生物组中拟杆菌科、毛螺菌科和瘤胃球菌科的多样性和富集程度较高相关。在另一项对NSCLC手术切除患者的研究中，与随后3年没有复发的患者相比，肺癌早期复发患者的支气管肺泡灌洗液中Sphingomonas、Psychromonas和Serratia富集，而Cloacibacterium、Geobacterium和Brevibacterium的丰度降低。重要的是，术前支气管肺泡灌洗微生物组与参与细胞增殖、免疫和信号转导的基因的肿瘤表达有关。在不同疾病阶段的患者中也可以注意到明显的微生物差异。例如，据报道，Thermus在晚期疾病患者(TNM IIIB–IV期)的肿瘤组织中更丰富，而在发生转移的患者中Legionella的丰度更高。此外，在最近的一项研究中，以口腔共生菌富集为特征的下气道生态失调特征在TNM IIIB–IV期NSCLC患者中比早期阶段患者更为普遍，并且类似的微生物信号与预后不良和死亡风险增加相关。从机制上讲，肺癌患者下呼吸道微生物组和宿主转录组数据的多组学整合表明，包括韦荣氏球菌属和链球菌在内的几种口腔共生菌与气道转录组中IL-17、PI3K、MAPK和ERK通路的上调相关。肺腺癌的临床前小鼠模型显示，由气管内吸入这些口腔共生菌引起的下气道生态失调可导致TH17炎症、T细胞免疫检查点抑制剂分子(PD1)表达增加、加速肿瘤进展和死亡。使用无菌临床前肺癌模型，其他研究表明共生类群刺激髓系细胞产生Myd88依赖性IL-1β和IL-23，激活γδ T细胞产生IL-17，并导致诱发肿瘤增殖的促炎状态。此外，临床前证据表明，通过抗IL-17单克隆抗体直接阻断IL-17通路可以在吸入口腔共生菌引起的下气道生态失调的环境中减缓肿瘤生长。这些发现清楚地将局部微生物群-免疫串扰与肺部肿瘤发展联系起来，从而确定了可作为抗癌治疗靶点的候选细胞和分子介质。

上述证据表明，与肺恶性肿瘤相关的特定微生物类群缺乏一致性。研究之间的不一致可能是由于住院患者队列的社会人口统计学差异或所采用的研究技术的差异，这一现象在与恶性肿瘤相关的肠道微生物组信号研究中也有类似的发现。例如，尽管已发现肠道微生物特征与黑色素瘤和非小细胞肺癌的炎症反应和免疫治疗易感性相关，但在不同研究中确定的特定分类群并不一致。分类特征也可能是功能微生物差异的标志，但由于缺乏对肺部微生物代谢的研究(例如，使用宏基因组、宏转录组、代谢组或蛋白质组等方法)，对这一假设的评估受到阻碍。然而，尽管存在这些不同的分类特征，与下气道生态失调相关的宿主信号似乎同样指向免疫反应失调，促炎TH17状态和免疫检查点抑制表达增加，这可能会损害新生恶性细胞的有效免疫监视。重要的是，肿瘤微生物组研究通常受到非常低的微生物生物量的限制，因此容易受到试剂盒和试剂的测序噪声和DNA污染的影响，尽管已经提出了各种方法来有效处理这两个问题。因此，尽管最近的研究表明，肺微生物组可能很快成为肺癌分期、基因型和风险因素分层的重要诊断和预防生物标志，但需要进一步的机制和大规模临床研究来剖析其在肿瘤发生中的确切作用。

7 结论和未来方向

研究不同疾病状态下的肺部微生物组已确定了与诊断、疾病严重程度和预后相关的微生物特征。然而，缺乏一致的研究结果使得很难明确定义肺生态失调。很有可能，即使在一个疾病过程中，也有多种形式的生态失调，这一概念以前曾被称为“安娜·卡列尼娜原则”，参考托尔斯泰的著作，即“幸福的家庭都是相似的；不幸的家庭各有各的不幸”。对于我们如何定义肺部微生物的生态平衡，就更不确定了。部分困难可能在于肺部微生物组的性质，其低生物量导致测序数据中存在相当大的背景噪声，以及肺部环境中微生物迁移和消除之间的动态钟摆对我们评估的重大影响。因此，与安娜·卡列尼娜原理形成对比的是，所有幸福的家庭(生态平衡)看起来可能并不相似，至少基于肺部微生物组的静态快照。为了进一步增加复杂性，即使在同一个体内，肺部微生物组也存在地形差异。因此，在这样一个动态环境中定义微生物的恢复力本质上是困难的。随着非培养和多组学方法的使用越来越广泛，了解这些原理对于成功开发针对微生物-宿主相互作用的新型诊断和治疗方式至关重要。

在图5中，阐述了微生物迁移(由吸入、微呼吸和粘膜扩散驱动)和微生物消除(由咳嗽、粘膜纤毛转运和免疫机制驱动)之间的微妙平衡如何建立复杂的微生物-宿主界面的总体推测性观点。此界面可能受到许多因素的影响，包括与宿主和环境相关的因素。这些因素对微生物组的确切影响相对未知，尽管我们可以推测一些有益和其他有害因素的存在，这些因素可能会在我们的整个生命过程中发生变化(图5)。我们假设阴道分娩、运动和健康饮食等因素直接或通过肠肺轴促进下气道生态平衡。相反，肥胖、不健康的饮食和频繁使用抗生素可能会以不利的方式破坏下气道微生物群。母乳喂养与配方奶粉喂养的效果同样未知，只有一项随机对照试验显示，母乳喂养与配方奶粉喂养的婴儿在胃肠道和呼吸道感染的发生率上没有差异，尽管这项研究没有专门调查微生物组。最后，我们推测，随着年龄的增长，较低的气道免疫恢复力和肺微生物组的多样性可能会发生变化，因此外部因素对肺微生物组的影响可能会在整个生命周期中发生变化。需要精心设计的对照研究来评估这些环境因素对肺部微生物组和宿主免疫反应的潜在影响。仔细考虑年龄、性别和其他重要的临床条件是更好地理解下气道微生物群如何影响下气道免疫调节的关键。因此，未来的研究将需要从横断面设计和相关研究转向考虑地形特征和实验条件的纵向取样方法。此外，尽管了解人类肺部微生物组需要人体研究，但临床前模型可以更好地控制微生物和宿主条件，以及在受控环境下实施实验方法。需要这些机制方法来了解肺部微生物组如何影响宿主对炎症过程、感染和恶性肿瘤的易感性。

图5 下气道微生物组过程的潜在调节剂。

下呼吸道微生物组的动态性质不断演变。控制微生物群平衡的首要因素是通过吸入和微呼吸的微生物迁移，以及通过咳嗽、粘液纤毛运输和免疫反应的微生物消除。我们假设阴道分娩、运动和健康饮食等因素可能有助于下呼吸道的生态平衡，而肥胖、不健康饮食和频繁使用抗生素可能会以不利的方式破坏下呼吸道微生物群。最后，我们推测，较低的气道免疫恢复力和肺部微生物组的多样性(其本身就是健康的象征)遵循准正弦曲线，在成年后达到峰值。  

接下来，我们必须考虑调节肺部微生物组可能对呼吸道疾病产生的潜在治疗影响。目前，除抗生素外，许多现有的和广泛使用的干预措施，如吸入性皮质类固醇和囊性纤维化跨膜电导调节剂，已经改变了呼吸微生物群。事实上，现在已经提出了几种潜在的机制来解释皮质类固醇治疗如何影响上皮屏障功能，从而改变气道生态，包括参与紧密连接促进的上皮基因表达增加以及IL-17和TNF炎症途径的上调。除了皮质类固醇和囊性纤维化跨膜电导调节剂外，还试验了其他几种干预措施来调节肺部微生物群，并取得了不同的成功。例如，已经在囊性纤维化和呼吸机相关肺炎的背景下对口服益生菌进行了研究，尽管这些可能的目标肠道微生物组的变化及其对呼吸微生物组的影响尚不清楚。噬菌体疗法也进行了类似的试验，尽管其应用仍处于起步阶段。其他研究采用了吸入和全身抗生素来调节呼吸道微生物群，但在各种肺部疾病的结果参差不齐。

与肠道微生物组不同，益生菌可用于恢复正常的胃肠道菌群，目前还不存在此类呼吸道益生菌。然而，在临床前模型中，向下呼吸道间断性滴注口腔共生菌会改变宿主对呼吸道病原体的易感性。尽管这些类型的研究可能提供了肺部微生物组改变可能带来健康益处的生物学合理性，但需要包括临床前工作和呼吸系统疾病患者的机制研究。这些类型的研究反过来可能使我们能够识别与炎症减少或病原体易感性降低相关的微生物特征。在我们了解所谓的理想呼吸微生物群的有益生态目标之前，我们实施安全和有意义的临床试验的能力有限。

综上所述，有必要探索下呼吸道的微生物的动态特性，特别是因为它与宿主免疫调节和多种不同疾病过程的发病机制有关。新的临床应用需要解释肺部微生物组的进化性质，其中生态平衡和生态失调确实存在于一个光谱中。