综述 | 成都中医药(IF:7.6):肺部微生物群和肺部疾病间新兴的细胞和分子相互作用(国人佳作)

2022
05/14

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微生态
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我们希望这项工作能够吸引更多人关注这一新兴但前景广阔的领域,促进新治疗靶点的识别并提供更多创新疗法。

编译:微科盟蔚蓝,编辑:微科盟小编、江舜尧。

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导读  

随着肺微生物群的发现,其在肺部健康和疾病方面的研究已成为新兴研究关注的一个充满活力的领域。迄今为止,大多数研究已经很好地描述了肺部疾病中的肺微生物群组成,其中一些研究表明肺部微生物群的改变与肺部疾病的发生和发展有关,反之亦然。但潜在的机制,特别是细胞和分子的联系,在很大程度上仍然是未知的。在这篇综述中,我们重点介绍了肺微生物群与免疫稳态和肺部疾病发病机制相互作用的复杂的细胞和分子机制的最新进展,以促进我们对肺微生物群在肺部疾病中复杂功能的理解。我们希望这项工作能够吸引更多人关注这一新兴但前景广阔的领域,促进新治疗靶点的识别并提供更多创新疗法。其他准确的基于标准的方法和技术突破对于推动该领域向前发展以最终实现维持呼吸系统健康的目标至关重要。

论文ID

原名:Emerging cellular and molecular interactions between the lung microbiota and lung diseases

译名:肺部微生物群和肺部疾病间新兴的细胞和分子相互作用  

期刊:Critical Reviews in Microbiology

IF:7.624

发表时间:2021.10

通讯作者:孟宪丽 

通讯作者单位:成都中医药大学中医药创新研究院

DOI:10.1080/1040841X.2021.1992345  

综述目录

1. 引言

2.微生物群依赖的肺部免疫

2.1 肺微生物群的特征和起源

2.2 肺免疫成熟通过与微生物群的相互作用形成

3. 肺部疾病中肺微生物群与宿主免疫反应之间的细胞和分子连接

3.1 呼吸道感染

3.1.1病毒感染

3.1.2 致病细菌感染

3.1.3 细菌和病毒合并感染

3.2肺结核TB

3.2.1肺结核中的肺微生物群

3.2.2 TB中微生群物作用的机制研究

3.3 哮喘

3.3.1 哮喘中的肺微生物群组成

3.3.2哮喘中微生物群作用的机制研究

3.4 COPD

3.4.1 COPD中的肺微生物群

3.4.2 肺微生物群在COPD发病机制中的作用

3.5 囊性纤维化CF

3.5.1 CF中基于年龄的肺微生物群组成

3.5.2 CF中微生物群作用的机制研究

3.6特发性肺纤维化IPF

3.7 肺癌

3.7.1肺癌中微生物群的特征和组成

3.7.2肺癌中微生物群作用的机制研究

3.8其他受更多关注的肺部疾病

3.8.1 支气管肺发育不良

3.8.2肺移植

4.结论和展望

主要内容

1. 引言

随着每次呼吸,肺不断地暴露于来自吸入的空气和吸入的环境中的一系列微生物中。因此,在生理上肺容纳大量共存的微生物是不足为奇的。然而,传统上肺被认为是无菌的,因为缺乏非培养的方法,一些误传和数据误解导致了这个领域的错误教条。事实上,随着二代测序技术的进步和应用,在健康个体和肺部疾病患者的肺中已识别出大量共生微生物群,包括细菌、原生生物、真菌和病毒。随后,肺微生物学领域的革命如火如荼,关于肺微生物组在呼吸道健康或疾病中的功能研究如雨后春笋般涌现。迄今为止,研究主要集中在肠道微生物对人体健康的影响上

肠道微生物群在抵御致病微生物以及局部和系统免疫反应的发展和成熟中发挥着关键作用。鉴于肺部也有不同的微生物群落,且肠道和肺部具有类似的胚胎起源和结构相关性,因此,认为肺部微生物群也会影响人类健康,尤其是肺部疾,这不足为奇。

事实上,在过去的20年里,肺微生物群领域已经取得了很大的进展。在这个领域,一致观察表明,健康和患病的肺都包含微生物群健康肺部的微生物与呼吸道感染、肺结核(tuberculosisTB)、哮喘、慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary diseaseCOPD) 囊性纤维化(cystic fibrosisCF)特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosisIPF)肺癌、支气管肺发育不良(bronchopulmonary dysplasiaBPD) 和肺移植等肺部疾病中的肺部微生物不同

对于不同的肺部疾病,微生物群因疾病而异。这些开创性观察开启了一种可能性,即肺中微生物失调可能在肺部疾病发病机制中发挥因果作用。然而,评估肺部微生物群中的一些挑战延缓了该领域的发展。两个典型例子是肺部微生物群的低密度(特别是在健康人群中),以及采样过程中来自上呼吸道(upper respiratory tract,URT)的交叉污染和采样技术的控制。交叉污染、不同采样方法、不同的样本采集和保存方法,以及标准检测技术和分析方法的缺乏,这些都是导致不同研究之间,甚至在同一疾病中,肺部微生物群组成存在重大差异的非疾病原因。此外,目前的测序技术还不能区分活微生物和死微生物。关于肺是否具有真正独特的微生物群的人体仍然没有得到解决。更重要的是,一些根本和关键的问题仍然存在。 

肺微生物群落的改变是肺部疾病的原因还是结果? 这些不同的微生物群是否作为肺部健康的驱动因素或生物标记 物? 目前的研究已开始设法在这个不断扩大的领域阐明这些问题。例如,一些证据表明, 肺微生物组组成的变化及其对肺 部疾 病发病机制的功能影响与宿主免疫反应密切相关 。同时,肺微生物群的功能开始变得清晰。然而,这些进展还不够。有关肺微生物组如何影响肺部健康和肺部健康的机制理解的研究仍处于摇篮时期。 需要进一步研究用更大的分辨率确定肺部微生物群的定植趋势 ,这可能有助于阐明微生物王国在健康和疾病中的作用。许多重要问题仍悬而未决。 在本综述中,我们提供了 肺部微生物群在一些肺部疾病中作用的知识的综述,尤其是是潜在的细胞和分子联系机制 。我们希望这篇综述可以提高我们对肺部微生物在肺部疾病中功能的认识,激发更广泛的兴趣进而促进这一前景广阔的领域更令人兴奋的发展。我们还强调了该领域面临的一些主要问题。我们提议 迫切需要更多的研究来阐明肺部疾病中潜在的微生物分子级联,未来的肺部疾病管理必须考虑微生物群的作用。  2.微生物群依赖的肺部免疫 

2.1 肺微生物群的特征和起源 在人类和小鼠中的大多数证据都支持 健康的肺含有不同的微生物群 (表1和图1),它不是静态的,随时间变化。从出生开始,新生儿的呼吸道甚至肺部就迅速被微生物群落定植,这时的微生物群数量少,是相对不复杂的发展中的微生物群落。随着年龄的增长,肺微生物群的多样性、生物量和复杂性逐渐增加,趋于动态平衡。动物研究中也观察到了类似的现象。此外,在肺微生物群中也发现了其他重要但经常被忽视的成员(真菌组和病毒组)。   

1  正常或健康状态下肺部微生物群的组成

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 图1. 呼吸系统疾病中肺微生物群的代表性组成。

不同的微生物群落存在于肺部,并有助于免疫调节和肺部的病理变化。如图所示,从逆时针方向左上到右上,健康和肺部疾病(呼吸系统感染、结核病、哮喘、CF、IPF、COPD、肺癌)患者的肺微生物群落具有明显的生境和群落多样性。在健康个体中,肺共生菌群是动态且微妙平衡的。

在肺部疾病中,微生物群紊乱,且与病理过程有关。IAV:甲型流感病毒;RV:鼻病毒;RSV:呼吸道合胞病毒;Mtb:结核分枝杆菌;DC:树突细胞;AM:肺泡巨噬细胞。

那么肺微生物群的起源是什么?宿主如何维持这些微生物的内稳态呢?非培养的研究证实, 肺部微生物群与上呼吸道微生物群非常相似 。研究还进一步证明,在 健康个体中微生物群通过直接微吸入和粘膜扩散 侵入肺部 ,特别是口咽和鼻咽。此外,与鼻相比, 肺部微生物群与口腔的相似性更强 ,这支持了口咽是成人肺部微生物群主要来源的假设。对儿童而言,肺微生物群更有可能起源于口咽和鼻咽。另一个潜在来源可能是 空气的直接吸入 ;然而,目前它对肺微生物群的直接影响仍然未知。此外,上消化道通过胃食管反流也可能产生较小的贡献。肺部微生物群的维持被认为是 由上呼吸道微生物的迁移和宿主防御系统消灭微生物群之间的平衡 驱动的,微生物自身局部繁殖产生的贡献相对较小。   

2.2 肺免疫成熟通过与微生物群的相互作用形成 

越来越多的证据表明,微生物来源的信号对肺成熟至关重要,长远来看主要决定了肺免疫系统(图2)。与其他器官不同,在出生时肺的发育是不完整的;因此,肺免疫系统的成熟是一个复杂的多阶段过程。在生命早期,人类和小鼠的肺免疫成熟似乎与肺微生物的建立同时进行。随后,在非致病性共生菌群的先天免疫感知和适应间,以及生命后期对原生病原体或新入侵者的抵抗力间,维持着一种微妙平衡。  

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2. 肺免疫成熟通过与微生物群的相互作用形成。

宿主-微生物组的相互作用,特别是细胞和分子的相互作用,在肺部疾病的发病机制中起着重要作用。箭头线表示激活或诱导,条形线表示抑制作用。

肺微生物群被推测调节生命早期的粘膜免疫反应并参与免疫耐受 。例如,预测的人类呼吸道微生物宏基因组补充了局部细胞的基因表达谱;例如裂解免疫球蛋白A (IgA)的蛋白酶编码基因在微生物中上调,与宿主体内IgA途径的上调一致。缺乏初级抗体的患者口咽微生物群的组成变化也被发现与IgA缺乏有关。尽管是间接的,但这一证据意味着在健康状态下存在宿主-微生物群相互作用,免疫系统部分塑造了肺微生物群的成分。体外研究表明,上皮Toll样受体(TLRs)和核苷酸结合寡聚域(NOD)样受体(NLRs)的激活会触发抗菌肽的分泌,如β-defensin 2,它可能会影响微生物群的组成。在小鼠模型中,拟杆菌门Bacteroidetes phylum成员普雷沃菌属 Prevotella 减少了TLR2调节的炎性因子的分泌,且严重的气道中性粒细胞增多与流感嗜血杆菌 Haemophilus influenzae 相关,这可能与相应的脂多糖(LPS) 上酰基侧链数量有关。最近另一项动物研究也表明,在呼吸道TLR2或TLR3激活后,呼吸道共生细菌(假白喉棒状杆菌 Corynebacterium  pseudodiphtheriticum 和懒惰狡诈球菌 Dolosigranulum  pigrum )可以通过明显的菌株依赖方式调节免疫应答。此外,辅助性T细胞17 (Th17)触发抗菌肽的分泌,而抗菌肽的分泌又受到不同微生物种类的刺激。另外有证据表明一些器官形成可能也需要IL-17或调节性T (Treg)细胞进行微生物诱导的信号传导。 事实上,肺泡巨噬细胞(AM)的成熟以及其他的肺CD11c + 细胞的成熟,是通过给新生小鼠鼻内注射混合微生物萃取物来激活的。据报道,新生儿期树突状细胞(DCs)的激活模式部分受微生物群存在的影响。例如,在小鼠出生后的前两周,小鼠肺中CD11b + 传统DCs和FOXP3C + D25 + Treg细胞水平升高,而这两种细胞的作用在很大程度上受到微生物定植的影响。在这项研究中,肺微生物群通过CD11b + DCs中程序性死亡配体1 (PD-L1)表达的一个瞬时峰值触发了Treg细胞,这是Treg细胞诱导的过敏缓解所必需的。Larsen等人也证明了存在于健康和不健康的肺中的某些特定微生物,包括共生微生物(即普雷沃氏菌属);病原微生物(例如嗜血杆菌属 Haemophilus 和莫拉菌属 Moraxella );以及韦荣球菌属 Veillonella 和放线菌属 Actinomyces ,通过诱导CD40、CD83和CD86的表面表达来刺激DCs。尽管如此,致病微生物触发白介素(IL)-10、IL-23和IL-12p70的分泌增加3-5倍。共培养试验表明普雷沃氏菌可使流感嗜血杆菌诱导的IL-12p70分泌减少50%。肺微生物群和宿主体内的局部免疫反应相互影响的最有说服力的证据来自一项2016年的涉及健康成年人的研究。在该研究中,特定肺微生物(普雷沃氏菌属和韦荣球菌属)与支气管肺泡灌洗液(BAL)中淋巴细胞水平升高和Th17细胞诱导的肺部炎症有关,同时AM诱导的TLR4应答降低。此外,肺内的微生物群还可以调节一些先天免疫基因的表达,导致特异性无病原体小鼠中IL-5、C-C趋化因子配体(CCL)-11、IL-10和干扰素-γ (IFN-γ)水平升高。 上述研究表明, 生命早期接触细菌及其生物制品对长期肺部健康至关重要 ,这可能与机会窗口假说(window-of-opportunity hypothesis)一致。在特定发育期间肺部细菌的存在,对于定义成年期对共生微生物的适应性免疫反应至关重要,并协同促进宿主、微生物群和环境之间微妙的动态平衡以实现长期平衡。但早期发育时期可以看作非典型微生物定植的脆弱时期,可能导致免疫紊乱的刺激,值得注意的是,同样的发育时期也可以提供一个干预的机会窗口。 

此外, 真菌 和病毒 也有助于先天 和适应性免疫成熟 。烟曲霉 Aspergillus fumigatus 是一种可引起免疫缺陷患者肺炎的真菌病原体。在IL-17缺失的小鼠模型中烟曲霉孢子的清除增强,而IL-17的存在与Th2触发的以嗜酸性粒细胞增多为特征的炎症刺激有关。据报道,血清中每天至少有约10 9 个指环病毒颗粒的流通,这些颗粒被认为刺激持续的免疫监视并影响其他微生物的定植。类似地,关于慢性感染,疱疹病毒已经与哺乳动物共同进化了数百万年,至少90%的人体内都能检测到(疱疹病毒),通过促进巨噬细胞激活和基础IFN-γ分泌来防止微生物感染。同样,由常规呼吸道病毒引起的急性感染也会诱导先天免疫级联,甚至在病毒清除后仍保持活跃。举个例子,小鼠中仙台病毒感染与IL-13刺激自然杀伤T (NKT)细胞和AMs以及随后的气道高反应性有关。同时早期呼吸道合胞病毒(RSV)感染导致小鼠Treg细胞功能下降,增加了过敏性气道疾病的可能性。这些结果还得到了来自一项人类婴儿队列研究的支持,在该研究中,急性呼吸道合胞病毒感染1个月后仍可检测到持续的免疫调节功能障碍。 在生命后期 ,一系列免疫系统成分在健康肺的免疫稳态中起着至关重要的作用 。例如,肺泡表面活性剂影响肺固有免疫反应,因为表面活性剂蛋白A的缺乏与细菌吞噬或AMs杀灭的减少有关。呼吸道上皮细胞层可产生多种参与屏障功能的抗菌产物,如人β-defensin 2。DCs位于肺泡上皮细胞的下方,在这里它们将处理后的抗原递呈给肺引流区域淋巴结中的不同T细胞亚群,然后激活适应性免疫。总的来说,肺上皮细胞、巨噬细胞和DCs有多种受体可以通过先天模式识别受体(PRRs)感知不同的微生物,例如TLR和NLR,这是炎症信号激活和免疫耐受维持之间复杂平衡的关键。尤其是在肺免疫稳态中,抗炎AMs对于调节上皮细胞、DCs和T细胞之间的相互作用至关重要。这些细胞抑制TLR触发的上皮炎症信号通路,并通过抑制DCs诱导的T细胞激活和诱导调节细胞来降低炎症反应。 

综上所述, 肺-微生物群的相互作用对免疫系统的多个方面都有贡献,如免疫发育、免疫成熟、免疫耐受和微生物群的入侵抵抗 。   

3. 肺部疾病中肺微生物群与宿主免疫反应之间的细胞和分子连接 

如前所述,健康肺内的微生物群不仅可以与宿主免疫系统相互作用,还可加重或抵御多种肺部疾病。目前正从一些独立研究中重新聚焦,以阐明肺微生物群在肺部疾病中的功能(图3)。从机制上了解微生物群在肺部疾病中的作用对开发新的治疗方法非常重要且急需阐明。  

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3. 肺部疾病中宿主-微生物群的相互作用。

宿主-微生物组的相互作用,特别是细胞和分子联系,在肺部疾病的发病机制中起重要作用。(A)呼吸道感染;(B)肺结核;(C)哮喘;(D)COPD;(E)囊性纤维化;(F)特发性肺纤维化;肺癌(G)。箭头线表示激活或诱导,条形线表示抑制作用。IAV:甲型流感病毒;RV:鼻病毒;RSV:呼吸道合胞病毒。

3.1 呼吸道感染 

下呼吸道(Lower respiratory tract,LRT)感染已成为日益加重的全球卫生保健负担。病毒和致病细菌是造成呼吸道感染的主要原因,尤其是急性呼吸道感染。大量新出现的证据有助于揭示呼吸道感染对动物模型和人类肺菌群影响的机制。 

3 .1.1 病毒感染 甲型流感病毒 (IAV)、呼吸道合胞病毒(RSV)和鼻病毒(RV)是大多数呼吸道感染的主要病毒,在调节微生物群和相关肺部感染中发挥关键作用

几项研究表明,IAV、RSV或RV的呼吸道感染经常会导致肺部微生物群组成改变(表2)。 从机制上讲,肺内AMs是IAV感染的主要目标。例如,抗生素治疗小鼠的AMs对IAV感染和IFN治疗的感知和反应较弱,这意味着肺微生物群对抗原呈递细胞的警觉状态有直接作用。此外,在微生物群耗竭的小鼠中,感染IAV后发现AM相关抗病毒基因的表达减少,包括干扰素调节因子(IRF) 7、IFN-β、IL-6、粘病毒抵抗素1 (MX1)、TNF-α和IL-1β。另一项研究阐明了金黄色葡萄球菌 Staphylococcus aureus 启动模型的一种新机制,金黄色葡萄球菌的定殖增强了单核细胞募集和M2巨噬细胞极化,进而抑制了IAV感染时的肺部炎症细胞。极化CD11b + M2巨噬细胞(选择性激活的AMs)可以通过TLR2和AM依赖方式防止感染IAV。此外,研究表明自然杀伤(NK)细胞不能刺激无菌(GF)小鼠的抗流感免疫反应,因为DCs和巨噬细胞都不能分泌1型IFN来应对感染。而且RSV感染的特征是中性粒细胞进入气道和脱颗粒,以及一些抗菌蛋白的过表达,如杀菌/通透性增加蛋白(BPI)、嗜酸性粒细胞蛋白X (EPX)、髓过氧化物酶(MPO)和天青素1 (AZU1)。另一项研究发现,COPD患者中RV感染促进中性粒细胞弹性蛋白酶诱导的抗菌肽变性。   

3.1.2 致病细菌感染 

致病细菌可能是另一种重要的呼吸道感染病原微生物。例如,抗生素治疗小鼠和GF小鼠比对照组小鼠更容易受到细菌感染,并显著表现出更高的病原体滴度和更差的肺部病变。肺炎或其他细菌感染患者的微生物群组成似乎与健康肺部的菌群不同(表2)。   

2. 肺部疾病中肺部微生物群的组成

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有研究者调查了肺微生物对肺炎病原菌的保护机制。最近的研究表明鼻内接种共生轻型链球菌 Streptococcus mitis 的小鼠对肺炎链球菌株 Streptococcus pneumoniae  D39(血清型2)和TIGR4(血清型4)的肺部感染具有保护作用,表明轻型链球菌具有抵抗不同血清型肺炎链球菌的特殊能力。另一项精心设计的综合研究发现接种细菌后,使用抗生素治疗的小鼠肺中肺炎链球菌和肺炎克雷伯杆菌 Klebsiella pneumoniae 的负荷增加,这与天然免疫系统中的重要因子—粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)产生的减少有关。GM-CSF在体内中和后,从对照组小鼠获得微生物并恢复肺部微生物清除的抗生素治疗小鼠,被发现更容易感染。这一证据表明GM-CSF对微生物组防御革兰氏阳性(肺炎链球菌)和革兰氏阴性(肺炎克雷伯杆菌)细菌至关重要。进一步研究证实GM-CSF可以通过细胞外信号调节激酶(ERK)特异性信号来调控AMs,并最终通过活性氧(ROS)增强其病原体杀伤能力。此外,在微生物耗竭小鼠中,肺炎克雷伯杆菌早期清除的受损可被NLR配体[NOD1配体MurNAcTri (DAP)和NOD2配体胞壁酰二肽(MDP)]挽救,而TLR配体不能。有趣的是,与这一发现一致的是,在肺炎链球菌感染和GM-CSF中和前,口服抗生素治疗的小鼠NLR配体可消除肺部病原体清除的减缓作用。

总之,可确定 肺微生物群和 NLR配体可以通过GM-CSF信号通路调节肺对呼吸道病原体的固有免疫应答 。同样,最近肺炎链球菌肽链内切酶O (PepO)被发现可以抵御呼吸道病原体,通过下调含SH2结构域的肌醇磷酸酶1 (SHIP1)和上调补体受体3 (CR3)显著促进金黄色葡萄球菌或肺炎链球菌的清除。   

3 .1.3 细菌和病毒合并感染 

最后但同样重要的是,细菌的重复感染已成为病毒感染后最常见的并发症之一。一项包含127名COPD患者的前瞻性队列研究表明慢性流感嗜血杆菌定殖的急性RV感染患者比流感嗜血杆菌阴性患者会出现更多的季节性急性恶化。另一项研究也发现RV感染可促进中性粒细胞弹性蛋白酶触发的抗菌肽变性,表明病毒诱导途径可增加继发性细菌感染的易感性。然而,目前尚不清楚这些继发性感染是新的感染还是仅为最初菌株的结果。 IAV、RSV和RV感染可上调上皮细胞 的细菌粘附分子 ,如细胞间粘附分子-1 (ICAM-1)、癌胚抗原相关细胞粘附分子-1 (CEACAM-1)和血小板活化因子受体(PAFR),这表明这些粘附分子增强某些微生物群中特定微生物的粘附和过度生长的机制,例如不可分型流感嗜血杆菌(NTHi)、铜绿假单胞菌 Pseudomonas aeruginosa 和肺炎链球菌。病毒感染还抑制粘液纤毛清除,损害上皮细胞,增强对细菌病原体(如肺炎链球菌)的渗透性,促进入侵宿主并导致病原体在肺微生物群中的持续存在。 

对于 IAV感染 ,在小鼠模型中即使是灭活的IAV疫苗(LAIV)也能增强肺炎链球菌和金黄色葡萄球菌的定殖。已有多种机制支持IAV感染后的细菌重复感染。IAV被发现可通过IL-10依赖的信号破坏NK细胞的功能,导致金黄色葡萄球菌易感性增加。不同的研究表明在病毒诱导的上皮细胞凋亡和肺损伤后肺炎链球菌的黏附和定植增加,这种损伤可能是由TNF相关的凋亡通路引起的,该通路可诱导TNF相关凋亡诱导配体(TRAIL) + 单核细胞。此外,流感可以改变IL-1β和IL-27的表达,从而增加宿主对继发性细菌感染的易感性。在接种了LIAVs疫苗和重复感染肺炎链球菌的人群中,CXC-motif趋化因子配体10 (CXCL10)与肺炎严重程度呈正相关,这与之前在小鼠中观察到的结果相同。 对于 RSV感染 ,较高丰度的嗜血杆菌和莫拉菌可能调节婴儿严重RSV细支气管炎的气道炎症。嗜血杆菌的高丰度可能与CXCL8(也称为IL-8)有关,而莫拉菌的高丰度可能与IL-6相关。成人中RSV感染也会加重慢性呼吸道疾病。例如,RSV可诱导粘蛋白的产生和CXCL8/10依赖的炎症反应,并通过与气道上皮上的核素和CX3CR1结合,激活NOX依赖途径诱导表皮生长因子受体(EGFR),进而抑制IFN-λ反应。值得注意的是抑制EGFR可以激活内源性上皮抗病毒保护,这可能是一种潜在的呼吸道感染治疗方法。此外,RSV感染加重了人单核细胞来源的巨噬细胞和小鼠AMs的免疫应答损伤,导致线粒体功能障碍和TGF-β1相关I型IFN应答的抑制。   

3.2肺结核TB

由结核分枝杆菌( Mycobacterium tuberculosis , Mtb ) 感染引起的肺结核仍是全球主要传染病。在过去的200年里,肺结核造成至少10亿人死亡并被认为是一个重大公共卫生问题。TB可在暴露后数十年逃避免疫监视,并能够在包括易感、感染、发展为活跃状态以及治疗成败等一系列病理变化中动态循环。此外,复发是TB的一个重大挑战,而其诱发因素所知甚少。 TB 可能源 于复杂的微生物群相互作用,而不是传统所认为的单一致病因素 。因此,确定TB感染和治疗中的肺部微生物组特征对阐明该病的起始、发展、持续和复发至关重要。   

3 .2.1 肺结核中的肺微生物群 

由于TB的复杂病理生理过程,TB患者的肺微生物组成是一个动态实体。大量研究表明,TB患者的肺部微生物组成更为复杂多样(表2)。值得注意的是,已在正接受治疗或复发的TB 患者中发现肺部微生物差异。例如,与新治愈患者相比,假单胞菌 Pseudomonas 在治疗失败患者的痰液中占主导地位,且治疗失败患者的假单胞菌/分枝杆菌的比例高于新感染患者。此外,与新诊断TB患者相比,复发TB患者中也富含布雷德菌属 Bulleidia 和 阿托波菌属 Atopobium 。   

3 .2.2 TB中微生群物作用的机制研究 

微生物群和TB发病机制间相互作用的机制才刚开始浮现。目前证据表明,可能机制主要为 TB感染清除或保护的免疫网络机制,这种机制维持了宿主免疫发病机制和宿主防御间微妙的平衡 。各种研究已经评估了上皮细胞和多种先天免疫细胞的功能,包括中性粒细胞、NK细胞、NKT细胞、γδT细胞、黏膜相关不变T细胞(MAIT)和先天淋巴细胞(ILCs),这些细胞在 Mtb 暴露或感染后募集到肺部。 气道上皮细胞是最初吸入气溶胶后遇到结核分枝杆菌的宿主细胞,主要参与分枝杆菌的结合、识别和内化,并随后激活免疫系统。上皮细胞对 Mtb 的识别可启动多种信号级联和一些趋化因子的分泌,如IL-8和IL-27, IFN-γ诱导的单细胞因子(MIG),单核细胞趋化蛋白-1 (MCP-1), IFN-γ诱导蛋白10 (IP-10)和细胞因子(IL-10, IL-6, GM-CSF, TNF-α和IFN-γ)。值得注意的是,研究还发现, Mtb 可定位于肺上皮的晚期核内体空泡,这种上皮细胞诱导MHC I表达,并有效地将细胞内抗原递呈给CD8 + T细胞,以诱导IFN-γ。 越来越多的证据表明 先天免疫细胞在保护免疫系统免受TB中发挥着重要作用 。在免疫细胞中,中性粒细胞可以迁移到 Mtb 感染部位并释放抗菌酶,如脂质运载蛋白、乳铁蛋白、基质金属蛋白酶和α-防御素,这些酶可以抑制巨噬细胞内分枝杆菌的生长,促进 Mtb 感染巨噬细胞的凋亡。一旦中性粒细胞被 Mtb 激活,它们也会产生促炎因子(TNF-α和IFN-γ)和趋化因子(MIP-1α/β、MCP-1、IP10)来招募和激活其他免疫细胞。此外,在活动性肺结核患者血液中中性粒细胞可诱导I型IFN诱导基因和PD-L1的高表达。NK细胞是主要的先天免疫细胞,在细胞内病原体清除中做出了核心贡献。急性分枝杆菌感染后,NK细胞细胞毒性增加、TNF-α和IFN-γ分泌增加以及自然杀伤细胞表面活化性受体D (NKG2D)/自然杀伤细胞p46相关蛋白(NKp46)上调。此外,NK细胞还能裂解 Mtb 感染的单核细胞、AMs和Treg细胞,刺激γδ T细胞的增殖,并促进CD8 + T细胞分泌IFN-γ。同样,在潜伏性结核病感染小鼠中也观察到了IL-21依赖的记忆样NK细胞的扩张。越来越多的证据表明在人类和小鼠实验中,NKT细胞协同抵抗 Mtb 感染。在早期TB感染期间,NKT细胞被激活以清除 Mtb 。研究发现将一种不变NKT (iNKT)激动剂单独或与抗结核药物联合应用于小鼠可改善 Mtb 感染的结果。此外,在活动性TB患者中观察到NKT细胞功能失调和PD-1表达上调。最近的一项研究表明在相关抗原的体外诱导下,从结核患者胸水中分离出的NKT细胞可诱导IL-2、IL-17、IL-21、TNF-α和IFN-γ的表达。γδ T细胞提供了抗TB感染的早期保护,并在先天免疫反应和适应性免疫反应之间发挥桥梁作用。据报道,在早期 Mtb 感染中γδT细胞募集到肺部分泌IL17和IFN-γ并产生细胞毒效应。在活动性TB患者的肺部也发现了γδ-T细胞水平的升高。此外,γδT细胞通过与DCs、NK细胞和CD8 + T细胞的相互作用也可诱导免疫防御反应。此外, MAIT细胞被推测从外周区域迁移到粘膜感染部位,在 Mtb 感染期间起防御作用,与健康对照组相比活动性肺结核患者的肺部MAIT细胞增加,但外周血中MAIT细胞减少,这一证据支持了这一结论。而且一旦受 Mtb 抗原刺激,活动性肺结核患者外周血中的MAIT细胞具有细胞毒性(颗粒溶解素和颗粒酶B)和功能失调的细胞因子(IL-17, TNF-α, IFN-γ),并过表达PD-1,阻断该分子可增强抗原触发的IFN-γ分泌。相似地,流式细胞术检测表明微生物群缺失的MR1-5-OP-Rutetramer + TCR β + 表型小鼠肺中MAIT细胞减少,IL-17A表达较对照组显著上调。最近,有证据表明药物敏感TB治疗不能恢复ILC2s,但能恢复ILC1s和ILC3s。此外,与T细胞和NK细胞相比,从TB患者肺部分离的ILC群过表达活化标志物,如CD69、C-C趋化因子受体6 (CCR6)和CD25。 

此外, 微生物代谢生物活性及其产物也可能影响T B 感染的结果 。经评估,HIV感染患者下呼吸道的普雷沃菌产生的短链脂肪酸(SCFAs)代谢产物(如丙酸和丁酸)与活动性结核病的高发病率呈正相关。丁酸已被证明能增加 Mtb 抗原特异性FOXP3 + Treg细胞,并降低肺部结核分枝杆菌抗原特异性IL-17和IFN-γ的应答,表明微生物代谢产物在宿主对结核分枝杆菌免疫中的活跃功能。 初步证据表明, 微生物群可能参与了 Mtb 的发病机制,而结核治疗长期影响着人类微生物群的多样性 。对抗结核免疫中气道上皮细胞和许多天然免疫细胞功能的深刻认识,可能为TB免疫治疗方法的设计带来新的可能性。然而,新的研究应聚焦于超越关系,以 一种可在体外和动物模型中验证的理想的方式从机制上将微生物群与宿主连接起来 。   

3.3 哮喘 

哮喘具有高度异质性,以过敏性气道炎症反应、气道重塑和超敏感性为特征,临床表现为反复喘息、胸闷、呼吸困难和咳嗽。在世界范围内,哮喘影响着包括儿童和成人在内的所有年龄段的3.34亿人。最近发现 肺微生物群丰度的增加 哮喘的发展之间有显著相关性 。   3 .3.1 哮喘中的肺微生物群组成 目前,在哮喘中已发现了大量的肺部细菌群(表2)。一项研究还表明,在患者BAL中曲霉菌 Aspergillus 、茎点霉属 phoma 、假单胞菌、嗜血杆菌、链球菌和韦荣氏球菌之间存在共同联系,这为哮喘气道中真菌和细菌病原体的共存提供了证据。此外,烟曲霉致敏与哮喘患者的肺功能受损密切相关。虽然目前的研究中微生物群成分已得到更多的关注,但 迫切需要阐明微生物群与哮喘发展/加重之间的机制 联系 。   

3 .3.2 哮喘中微生物群作用的机制研究 

肺部微生物群和哮喘进展之间相互作用的细胞和分子机制涉及广泛的免疫细胞类型及其介质 。肺微生物群在这些机制中的贡献尚未明确,但已逐渐出现线索。例如,Herbst等人利用过敏性哮喘小鼠模型揭示GF小鼠气道炎症、嗜碱性粒细胞和II型细胞因子水平增加,但暴露于过敏原前进行多次微生物群移植的新生GF受体小鼠循环中IgE水平下降。此外,一份关于新生小鼠的报告显示出生后肺部微生物群落的转变与Helios T调节细胞亚群的激活和气道过敏原反应性的降低有关。此外,卡他莫拉菌 Moraxella catarrhalis 或肺炎链球菌刺激后,外周血单核细胞(PMCS) 表现出 IL-13和IL-17的强分泌。在学龄时出现哮喘的婴幼儿的PBMCs IL-13和IL-5的产生显著增加,这是对这些微生物病原体的反应。

这一证据表明, 肺微生物群可以调节生命早期的过敏反应随着肺微生物群落的成熟,哮喘进展与微生物群变化间的相互作用越来越清晰 。尽管面临诸多挑战,但来自人类临床研究的不同证据揭示了肺部微生物变化与多种哮喘表型之间的相关性

例如,过敏性炎症的生物标志物与微生物群成分的变化相关,比如钙活化氯离子通道调节因子1 (CLCA1)、丝氨蛋白酶抑制因子B (SERPINB2)和骨膜蛋白(POSTN)。这三个基因的表达被发现与某些细菌类群相关,如莫拉菌科 Moraxellaceae 。进一步的研究表明中性粒细胞哮喘气道中致病性嗜血杆菌和莫拉菌属的逐渐扩大,可能实际上构成了非典型Th17免疫反应的刺激因子,并伴有其他炎症信号通路的激活。据报道,NTHi感染可导致过敏性哮喘的实验小鼠气道中性粒细胞浸润增加,并以IL-17依赖的方式减少嗜酸性粒细胞炎症。鼻内注射亚致死剂量NTHi的小鼠可在肺内诱导强烈的Th17反应。TH17相关的细胞因子与中度或重度哮喘相关,如IL-17A、IL-17F和IL22,通过诱导中性粒细胞CXCL1和CXCL8趋化因子的产生促进平滑肌聚集、粘液分泌和间接的中性粒细胞从上皮细胞到气道的募集。此外,哮喘患者BAL液中副流感嗜血杆菌和巨噬细胞共培养可激活p38-MAPK通路,提高丝裂原活化激酶磷酸酶-1 (MAKP-1)和CXCL8水平,并抑制皮质类固醇反应。这在共生型产黑素普雷沃菌与巨噬细胞共培养中未见。事实上,在这项研究中,副流感嗜血杆菌也被认为可通过抑制TAK1/MAPK激活来恢复AM对皮质类固醇的反应。在另一项研究中,变形菌门卡他莫拉菌感染与中性粒细胞浸润、IL-6和TNF-α水平升高以及中等量的CD4 T细胞来源的IL-17和IFN-γ水平,这些都加剧了过敏性气道疾病。包括流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌和金黄色葡萄球菌在内的细菌病原体也与中性粒细胞哮喘有关,已有研究表明细菌负荷增加与气道中性粒细胞和CXCL8水平之间存在相关性。此外,中性粒细胞的模式识别作用可以代表一个直接连接肺中肺微生物组成分检测和中性粒细胞生存的重要级联。相反,一些微生物暴露可以防止II型气道反应。例如,在卵清蛋白触发的过敏性哮喘小鼠模型中,肺内接种大肠杆菌 Escherichia coli 后,在γδ-T细胞的刺激下引发tlr4依赖反应,IL-2分泌减少,肺内DC激活减少,共同保护小鼠免受气道过敏性炎症的影响。 

肺部微生物群在重症哮喘中也具有因果关系 。嗜中性粒细胞在更严重的哮喘似乎很常见。一些证据表明,气道中潜在致病性变形菌门成员的富集一旦建立,如嗜血杆菌属、莫拉菌属、假单胞菌属和克雷伯菌属,可能会以IL -17驱动的方式促进中性粒细胞炎症。最近一项对28名正在接受治疗的重症哮喘患者痰液中细菌组成的研究发现流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌和链球菌的丰度与中性粒细胞数量、痰液CXCL8水平升高和肺功能恶化有关。此外,惠普尔养障体 tropheryma whipplei 已被确认为嗜酸性炎症表型伴发重症哮喘患者痰液中另一种常见的微生物菌群成员。 

真菌也与哮喘的进展相关 。哮喘中一个有说服力的的案例是过敏性支气管肺曲霉病(ABPA),这一疾病由定植在下呼吸道的曲霉菌引起。ABPA的临床特征包括哮喘加重、复发性肺浸润、中央型支气管扩张、嗜酸性粒细胞增多、粘液栓分泌以及烟曲霉特异性IgG或IgE的产生。此外,烟曲霉的肺部感染可直接引起Th2反应。烟曲霉的定植可诱导小鼠气道反应,并使小鼠肺中CD4 + T细胞产生的IL-4增加。 尽管微生物参与哮喘的研究仍处于起步阶段,但这些研究支持了应进行肺微生物平衡相关机制的观点,以寻求预防哮喘的潜在途径。   

3.4 COPD 

COPD是一种进行性肺部疾病,其特征为肺气肿、支气管炎、不可逆性气道阻塞和肺功能受损,这与香烟烟雾及其他污染物的暴露有关,发病率和死亡率迅速增加。与哮喘不同,似乎在COPD的每个阶段都能检测到肺微生物群改变,而微生物群失调仅在疾病加重时才会被观察到。在轻度或中度COPD患者与健康对照组之间没有发现肺部微生物组的显著差异。   

3 .4.1 COPD中的肺微生物群 

大多数晚期COPD病例显示出与哮喘患者相似的肺微生物特征。许多研究也鉴定了COPD患者的肺微生物群组成(表2)。这些研究都发现了COPD患者的群落成员通常从拟杆菌门Bacteroidetes向变形菌门Proteobacteria过渡,偶尔过渡为厚壁菌门Firmicutes。在COPD患者中,微生物多样性的减少和假单胞菌和烟曲霉的优势经常与肺功能严重受损或加重期相关。   

3 .4.2 肺微生物群在COPD发病机制中的作用 

在COPD-微生物群串扰的细胞和分子机制方面,痰液中的CXCL8与特定的微生物群有显著相关性,提示CXCL8可能是COPD肺微生物群成分监测的生物标志物。此外,嗜中性粒细胞加重的COPD患者痰液中莫拉菌丰度增加。Segal等人发现了特定类群(如韦荣球菌属和普雷沃菌属)与肺泡灌洗液中的淋巴细胞和中性粒细胞计数以及呼出气一氧化氮之间的关联。一项独立研究发现同一类群与Th17表型肺部炎症密切相关。另一项研究也发现,在COPD加重时经常出现Th17反应,但肺泡灌洗液样本中发现的相关微生物群为罗氏菌属 Rothia 、链球菌属或假单胞菌属。此外,上皮细胞触发的IL-17A炎症反应的信号与合并或不合并COPD的吸烟者的皮质类固醇反应降低和气道阻塞升高相关。这一发现与COPD小鼠模型一致,该模型支持肺微生物群刺激的IL–17A炎症和自身抗体分泌增多在COPD中发挥关键作用。最近,发现COPD加重患者的痰液中IL-17A的表达以及乳酸菌属 Lactobacillus 和莫拉菌属的丰度显著上调,同时miR-122和miR-30a表达下调,在烟雾诱导的COPD小鼠模型中也观察到这一结果。该研究表明,miR-122和miR-30a表达的降低可能与微生物群紊乱有关,这可能通过增加IL-17A的生成参与COPD恶化。此外,Larsen等人发现,嗜血杆菌属和普雷沃氏菌属能刺激人单核细胞来源的树突状细胞中CD40、CD83和CD86的表达,而且嗜血杆菌属的促炎活性约为普雷沃氏菌属的3倍。然而在共培养试验中普雷沃氏菌降低了流感嗜血杆菌引发的IL-12p70,这表明不同的微生物与免疫细胞表现出不同的串扰。COPD的炎症在很大程度上与变形杆菌门和放线菌门相关,而变形杆菌门和放线菌门与肺免疫细胞浸润(如中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和B细胞)相关。Dicker等人也证实,在重症COPD患者的痰液中发现嗜血杆菌丰度增加,这与中性粒细胞胞外陷阱的形成有关。与此形成鲜明对比的是,肺微生物群中高丰度的口腔分类群也与AMs中TLR4反应的减少相关,COPD小鼠模型中的发现揭示了COPD小鼠模型的发现揭示了TLR激活的抑制可能是一个新的潜在治疗干预靶点,这意味着COPD的宿主免疫和肺微生物群的相互作用比健康和疾病间的简单比较更为复杂。有趣的是,最近的一项宏基因组学研究发现了COPD患者痰液中关键的大环内酯耐药基因,包括 msrD 、 ermF 、 ermB 和 ermX ,这些基因被认为与链球菌、放线菌和普雷沃氏菌的抗菌耐药有关。在许多肺部疾病中,这些基因与微生物群之间的联系是一个重要的警示,需要在多种肺部疾病中考虑。此外,除了加重症状外,在COPD中病毒组的功能仍在研究中;然而,现有的研究结果已揭示了真菌组的重要作用(如烟曲霉),特别是与COPD肺功能恶化相关的致敏反应。 COPD患者肺部的微生物群落可能参与COPD进展,并与宿主炎症 关。 关于肺微生物群与COPD相互作用的研究尚处于起步阶段,仍有许多关键问题需要解决 。   

3.5 囊性纤维化CF 

CF是一种由囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)基因突变引起的遗传疾病,已成为发病率和死亡率的主要原因。CF以多种微生物感染、慢性炎症、持续支气管扩张和阻塞性肺病为特征。   

3 .5.1 CF中基于年龄的肺微生物群组成 

CF患者肺微生物群与宿主年龄特异性相关 。在婴儿中,尽管微生物量可以忽略不计(表2),但肺微生物群组成相对丰富。随着CF的进展 (约1-2年),微生物群中口腔类群中变得丰富(3-5岁),最终形成与疾病特征相关的CF微生物群。基于年龄的低微生物多样性、丰度和均匀度与老年患者中国更差肺功能有关。此外,脓肿分枝杆菌 Mycobacterium abscessus 被认为与CF的死亡率和发病率增加有关。   

3 .5.2 CF中微生物群作用的机制研究

与哮喘和COPD中的发现一致,高相对丰度的变形菌门与炎症水平间呈正相关,CF中还发现疾病进展与变形菌门的相关性。例如CF患者巨噬细胞CFTR缺失,一旦暴露于铜绿假单胞菌 P. aeruginosa ,吞噬细胞的杀微生物作用将受到影响,这部分解释了CF中发现的假单胞菌富集。此外,CF患者中的铜绿假单胞菌在定植11年后从非粘液型转变为粘液型,这可以增强对吞噬作用和抗菌素的抵抗。此外,非黏液型可以通过分泌过氧化氢酶(KatA)来消除过氧化氢应激,从而提高存活率。证据表明,病原体主导和口腔分类群主导的微生物群都与肺结构特征的改变和CF炎症反应增加有关。因此,以前被认为是上呼吸道污染物的 微生物可能在塑造CF中肺部微生物群和增强炎症反应方面具有关键作用 。此外,CF发病机制中的巨噬细胞表型转变仍有待研究,尽管尚不清楚肺部微生物群的改变是否与这种表型转变有关。此外,尽管CF患者的肺微生物群分布有显著差异,但整个微生物组的代谢途径是相似的,如氨基酸分解代谢、叶酸和胆汁酸生物合成、硝酸盐还原和硫辛酸生物合成途径。重要的是,研究发现胆汁酸(吸入后在CF患者肺部富集)可促进铜绿假单胞菌生物被膜形成并提升抗生素耐药性。而一项研究表明,硝酸盐还原途径主要由假单胞菌属和罗氏菌属编码。这些观察结果表明, 代谢途径的分析可能是CF预后和进展的潜在生物标志物 。 也有证据表明 真菌组在 CF中发挥着关键作用 。例如,CF患者痰液或BAL中曲霉菌和白色念珠菌 Candida albicans 的定植与恶化频率升高相关。值得注意的是,烟曲霉和铜绿假单胞菌之间的微生物串扰在CF肺中非常重要。它们都与PRR pentraxin 3 (PTX3)结合,这反过来促进了先天免疫对它们的识别和清除。值得注意的是,CF患者中影响肺PTX3表达的遗传变异与铜绿假单胞菌定植有关。总的来说,这些结果表明,PTX3可能在肺微生物群稳态中发挥重要的调节作用,在特殊情况下(如CF的肺微环境),共生菌群可以破坏PTX3表达以控制冲突的物种。 虽然CF的驱动因素仍存在相当大的知识差距,我们对CF中肺微生物群落功能和代谢的进一步理解,可提出一个有前景的应用策略,即 肺微生物群落的作用可以促进预后生物标志物的发展或呼吸健康的新治疗策略 。   3.6特发性肺纤维化IPF 

IPF是一种病因不明的进行性、年龄相关、通常是致命的肺部疾病,诊断后中位生存期为3年。越来越多的研究表明 肺微生物群在IPF的发病机制和进展中发挥重要作用 。 在 IPF患者中发现了许多肺部微生物群 (表2)。一些特定的微生物群(尤其是链球菌)被发现与IPF的进展密切相关。显然这种联系的机制有待进一步研究。 虽然肺微生物群与IPF的相关机制研究才刚刚开始就已取得了一些可喜进展。Molyneaux等人证实细菌负荷可能与MUC5B粘蛋白基因rs35705950多态性独立相关,这是一个已被证实的IPF危险因素。与具有MUC5B多态性的IPF患者相比,无MUC5B多态性的IPF患者肺泡灌洗液中的细菌负荷显著增加,且进展更快,这提示了IPF发病机制中的微生物群作用。受这一结果的启发,Molyneaux等人接着研究了IPF患者肺部微生物群和外周血转录组之间的联系。他们发现一些抗菌蛋白NLRC4、PGLYRP1、SLPI、CAMP可能与肺泡灌洗液和血液中性粒细胞增多、肺泡灌洗液的细菌负荷增高呈正相关,而与奈瑟菌丰度呈负相关。CD58和LY96基因也被发现与更高比例的韦荣氏球菌属、BAL升高和外周血中的中性粒细胞增多相关。另一项类似的研究表明,更高的物种积累曲线丰度与NODs和TLRs的抑制密切相关,而链球菌丰度的增加与NLR信号通路的增加有关。TLR信号的表达被发现与CpG寡脱氧核苷酸(CpG-ODN)反应性成纤维细胞和普雷沃氏菌有关。特别地,PBMCs中TLR9的表达与葡萄球菌属和普雷沃氏菌属呈正相关,而韦荣球菌属与CpG-ODN成纤维细胞反应性增加相关。此外,表达CD8 T-X-C趋化因子受体3 (CXCR3)的淋巴细胞与葡萄球菌属显著相关。这些重要的研究表明,宿主对现有或改变的微生物群的明显的反应,支持IPF中肺微生物群的潜在调节作用。然而,已观察到的关联不足以确定因果关系。 需要大量的研究来确定特定的微生物种类,并 阐明 这是否是一种直接的因果关系 。最近的一项研究表明, 在IPF中肺微生物可能导致急性炎症失调,   在缺乏微生物组的小鼠中肺部Th1反应的减少以及博莱霉素治疗的GF小鼠FOXP31 T调节细胞反应增强这些观察结果支持了前述观点。值得注意的是,最近一项研究发现在博莱霉素诱导的小鼠肺纤维化中拟杆菌属和普雷沃氏菌属通过IL-17R依赖信号促进纤维化发病。研究发现来自自已确定的共生微生物的外膜囊泡可通过TLR-MyD88信号通路触发IL-17B的分泌。另外,TLR4和TLR2被发现是IL-17B诱导所必需的。这项重要的工作已直接证明 动物模型中 特定的微生物种类和 IPF发病机制之间的因果关系 。   

3.7 肺癌 

肺癌目前是全球肿瘤相关发病率和死亡率的最常见原因,5年生存率<20%。鳞状细胞癌(SCC)和腺癌构成非小细胞肺癌(NSCLC)的主要类型。目前正在深入研究肺微生物群与肺癌之间的相互作用。虽然少有研究,但相当多的证据支持肺微生物组的组成在肺癌的发展中发挥的重要作用。   

3 .7.1 肺癌中微生物群的特征和组成 

近年来,肺微生物群在肺癌中的作用受到了广泛的关注。已发现大量肺部微生物群落以及群落多样性的下降(表2)。 肺微生物群的某些特定成员在肺癌的分类和进展中 发挥 关键 作用 。例如,Liu HX等人发现链球菌在肺癌中显著富集;而在健康人群中葡萄球菌更为丰富,这表明在肺癌的发展中链球菌可能发挥有害作用,而葡萄球菌具有保护作用。然而另一项研究得出了相反的结论,葡萄球菌可以刺激DNA变性,而链球菌可防止损伤。这些前后矛盾的结果可归因于在癌症样品中实际物种/菌株识别的困难。此外,某些类群可能在不同的身体部位发挥特定的作用,甚至由于刺激的不同,同一类群在同一部位可能发挥相反的作用。此外,与SCC相比,腺癌肺组织中遗传异质性增加,栖热菌属 Thermus 丰度升高、劳尔氏菌属 Ralstonia 丰度降低,提示 微生物 可能与肺癌的组织病理学有关 。该研究还表明晚期肺癌中栖热菌属更丰富,而军团菌属 Legionella 在转移性肺癌中更丰富,这意味着军团菌属可能参与了癌症的进展。重要的是,在肺癌和COPD患者中发现了一个显著增加的门——TM7,这意味着TM7可能参与了COPD向肺癌的转变。肺癌中高丰度的 Mtb 也表明了TB和肺癌间的关系。有趣的是,在肺癌预测中巨球型菌属 Megasphaera 和韦荣球菌属联合表现出较高的曲线下面积(area under the curve, AUC)值,具有作为肺癌生物标志物的巨大应用潜力。   

3 .7.2 肺癌中微生物群作用的机制研究 

虽然肺微生物群的改变已被证明参与了肺癌的病理进展,但肺微生物群与肺癌联系机制的研究仍处于初级阶段 。与其他肺部疾病类似,微生物群驱动的免疫反应中的免疫细胞也可能参与肺部肿瘤的发展。有证据表明,基于微生物的免疫激活可加重致癌性炎症。Ma等人发现与健康对照组相比NSCLC患者中对无乳链球菌 Streptococcus agalactiae 和唾液链球菌 Streptococcus salivarius 产生反应的Th1和Th17细胞显著升高。值得注意的是,Th17诱导的肺部炎症已被确定为肺癌起始、发展和转移的关键因素。但仍需谨慎对待这些结果,因为其他研究已经报道,Th17诱导的中性粒细胞应答可能会促进癌症发生或者反过来可能会预防癌症并有助于治疗效果。此外,微生物刺激的Th17细胞可以增强肺癌的增殖和血管生成。Cheng等人的小鼠实验结果表明共生微生物组参与了γδTh17细胞的抗肺癌免疫应答。这一联系是髓系细胞通过促进γδT细胞的启动和增殖来调节的。与这些结果类似,最近的一项肺癌遗传模型研究发现肺中低细菌丰度与肿瘤生长的抑制显著相关,这表明肺部微生物群与肺癌的发展之间存在明确相互作用。共生微生物丰度的增加和癌症相关微生物群多样性的减少伴随着IL-17诱导的γδT细胞募集,这反过来又促进了促癌中性粒细胞和癌细胞的增殖。此外,在抗生素治疗小鼠中,从肺微生物中分离微生物的雾化给药可通过促进T细胞和NK细胞抗肿瘤反应的启动以及天然抗原递呈细胞(APCs)的成熟,从而减少肺转移,这与致癌的Treg细胞和M2巨噬细胞的减少有关。 特别的是一些 微生物可以直接诱导具有致癌潜力的信号通路

Greathouse等人的一项研究发现微生物、吸烟和TP53基因之间的相互作用可导致吸烟引起的癌症。磷酸肌醇3-激酶(PI3K)是NSCLC发病机制中一个关键的信号通路,因为它调控了细胞的增殖和存活。先前的一项研究显示在体外和体内将气道上皮暴露于韦荣氏球菌、链球菌和普雷沃氏菌后,ERK和PI3K信号通路上调。此外,CD36可能是肺癌进展的特异性损伤与肺微生物群之间的联系。改变CD36可通过影响多聚(ADP-核糖)聚合酶1 (PARP1)信号通路(调节细胞增殖和癌变的关键途径)调控肺癌的发生。也有报道称CD36可以通过调节残留在肺泡中的蓝藻诱导的微囊藻毒素的内化和发育从而诱导PARP1表达的升高。此外最近的研究表明COPD是肺癌的一个诱发因素。在COPD患者中,NTHi刺激的上皮细胞因子IL-17C通过上调中性粒细胞炎症反应来调节微生物群的促癌功能,提示IL-17C增强肿瘤相关炎症和癌细胞增殖。而最近一项前瞻性人类队列和一项临床前模型为下呼吸道生物失调特征与肺癌进展间的强关联性提供了证据。该研究表明这一微生物群特征与IL17、PI3K、MAPK和ERK信号通路的上调高度相关,并确定小韦荣球菌 Veillonella parvula 是驱动这种串扰的最丰富分类群。在KP肺癌模型中小韦荣球菌的微生物菌群失调导致生存率降低,Th17和PD– 1 + T细胞增加,IL-17炎症表型、中性粒细胞募集以及检查点抑制剂标志物激活。我们相信这项研究将提供一种可能性,即 肺癌 肺微生物群可以影响 宿主对免疫治疗的 免疫系统应答 。 

现有证据表明 了解肺微生物群如何影响肺癌的发展及微生物治疗疗效可能是预测肺癌进展以提高治疗有效性和安全性的关键 。因此,在将肺微生物作为癌症生物标志物或微生物疗法成功应用于肺癌患者之前, 迫切需要进一步大规模动物和临床研究来深入了解肺微生物组在肺癌发生中的作用 。   

3.8其他受更多关注的肺部疾病 

近年来,微生物-宿主相互作用的机制研究在其他肺部疾病中也取得了重要进展,如支气管肺发育不良(BPD)和肺移植。   

3 .8.1 支气管肺发育不良 

BPD是一种常见的早产儿慢性肺病,在世界范围内仍是新生儿重症监护病房的沉重负担。 微生物多样性的减少和某些微生物组特征也被认为有助于BPD的形成 (表2)。BPD中宿主-微生物相互作用的分子机制才刚揭开面纱。Lal等人利用代谢组学和宏基因组学阐明:与BPD抵抗的婴儿相比,BPD易感婴儿的气道代谢组中富含雄激素和雌激素生物合成和脂肪酸代谢的代谢产物,这表明 早期气道微生物组可以通过改变代谢组进而改变极端早产儿 的BPD风险 。近期一项动物研究表明,母体抗生素暴露对肠道共生群落的破坏导致更严重的BPD表型。这些改变与肺泡灌洗液中IL-22的降低相关。阐明肺微生物群参与BPD的潜在机制可能为BPD的病理生理提供新的认识。但这项工作才刚刚开始,未来充满了挑战。   

3 .8.2 肺移植 

与其他实体器官移植相比,肺移植的存活率更差,效果仍然令人沮丧。移植后死亡的主要原因是感染和慢性排斥反应。在许多呼吸系统疾病中都已报道了肺微生物群的失调,包括肺移植。Charlson等人确定了移植患者(3个患CF, 1个患IPF)肺泡灌洗液中特定的细菌种群,包括铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、无色杆菌 Achromobacter 、斯尼思菌 Sneathia 、链球菌、普氏菌、肠杆菌分类群和梭杆菌。 近年来的一些研究尝试揭示肺移植中宿主-微生物相互作用的可能机制。Bernasconi等人证实 细菌菌群失调可影响巨噬细胞的炎症和 重塑 ,提示 移植物的长期生存 可能受肺微生物群的影响 。他们证实TNF和COX-2或金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP)-1/基质金属蛋白酶(MMP)-12比值和血小板源性生长因子D (PDGFD)可分别作为炎症或重塑的标志物,并发现肺移植后肺泡灌洗液中主要的促炎菌(葡萄球菌和假单胞菌)或低刺激菌(普雷沃菌和链球菌)分别与肺移植后BAL细胞中的炎症或组织重塑基因表达谱相匹配。在后续研究中他们发现肺泡灌洗液中主要的促炎细菌(葡萄球菌、假单胞菌和棒状杆菌)与分解代谢重塑相关,而普雷沃菌、链球菌和韦荣球菌(健康稳定状态的典型细菌)与合成代谢重塑相关。MMP-7、MMP-9、MMP-12的高表达以及最大血小板反应蛋白和PDGFD的表达分别与分解代谢和合成代谢的重塑有关。该研究提供了上述细菌可以影响巨噬细胞成纤维细胞激活和基质沉积的证据。一项研究 通过 肺泡灌洗液 样本中的微生物群和细胞因子特征区分细菌性肺炎和肺移植后的气管支气管炎 。肺炎样本中以假单胞菌属、葡萄球菌属、链球菌属和(在一个病例中)棒状杆菌属为主。与气管支气管炎相关的样本主要由假单胞菌属、葡萄球菌属以及来自放线菌门、厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门和肠杆菌门的属组成。IL-1β、IL-17A、IFN-γ、IL-4和IL-9在肺炎中升高但在气管支气管炎中降低或不变。相反的是,巨噬细胞炎症蛋白(MIP)-1β、IP-10、粒细胞集落刺激因子、IL-2和IL-7在气管支气管炎中升高,但在肺炎中降低或不变。最近的一项纵向研究描述了来自64名移植受者的234个纵向BAL样本中的细菌群落。研究者前瞻性地将肺微生物群分为四种不同的组成状态,即“肺型”,说明了肺部健康与局部微生物群组成之间的强烈相关性,并阐明了潜在的群落特征和肺环境。重要的是他们开创性地建立了一个开放获取的生物库,称为肺微生物群培养物保藏中心(LuMiCol),该生物样本库基于来自18个肺移植受者的21个随机肺泡灌洗液样本,为未来的实验研究提供了宝贵的培养分离株资源。   

4.结论和展望 

肺微生物群的发现是肺疾病研究的突破之一,标志着肺中宿主微生物相互交流需要更多关注的新纪元。健康和患病肺部的许多微生物群已被初步鉴定。虽然近期证据已证实肺微生物群的组成变化可能至少部分与免疫稳态和肺病的发生和发展有关,反之亦然,但对其潜在机制的研究远不如对肠道微生物群中所取得的研究进展。 本文主要总结了关于肺微生物群、免疫稳态及肺部疾病 (呼吸道感染、结核病、哮喘、COPD、CF、IPF、肺癌、BPD和肺移植) 相互作用中的肺部菌群、 细胞和分子机制的研究进展 。然而,这一领域仍处于起步阶段,许多问题仍亟待解决。 未来的研究需要精确地描述肺微生物的动态生态环境; 全面深刻地理解肺部微生物组成或其代谢物改变的细胞和分子机制及其对肺部疾病发病机制的贡献 阐明微生物群与 肺-肠 轴之间的串扰机制 确定微生物或疾病发展的关键窗口 定义健康与疾病中真实的微生物-环境、微生物-微生物和微生物-宿主 串扰基于微生物群的干预措施似乎是一种创新和有前景的肺部疾病的治疗选择。与此同时,基于微生物的生物特征 也可能对疾病的预防和诊断产生影响 。系统性地理解肺部微生物群落与疾病之间的相互作用是建立创新治疗干预措施的必要平台。近期的研究初步尝试了益生菌、益生元、共生菌、微生物移植、疫苗接种和噬菌体等新疗法,显示出对呼吸道疾病的保护作用或治疗潜力。然而,其潜在机制仍不明确。 

虽然肺微生物研究是一个活跃而有前途的领域,但同时它也面临着普遍的阻碍和挑战

首先,肺部微生物群落密度极低,特别是在健康个体中,这是肺微生物群落研究中的一个普遍挑战。少量的RNA/DNA阻碍了全基因组测序,造成了分类解析和功能解释的困难。

第二,从肺中采样繁琐且不规范。采用不同的样本类型,如痰液、肺泡灌洗液、肺组织和支气管镜检样本由于采样偏倚所导致的不同甚至完全相反的结果使得肺微生物组研究存在问题。

第三,URT和LRT之间的解剖联系使得二者间的区分更加复杂。因此,上呼吸道交叉污染的高风险是肺微生物学研究存在的另一个问题。因为提取的DNA数量很低,即使环境污染程度很低也会使结果无效。更重要的是,基本和统一的实验室工作流程(样本采集/存储、DNA提取和测序技术)和数据分析路线的缺乏阻碍了准确结果的获取。我们必须作出更多努力来制定标准化的操作程序以推动该领域的发展。此外,由于技术限制,与确定细菌作用的研究相比,真菌、病毒、原生动物、寄生虫和噬菌体在肺部健康和疾病中作用的机制研究很少。另一个阻碍是现有的非培养方法仍然无法复制肺部微生物,这妨碍了研究人员开展特定作用的研究。 这些局限性严重阻碍了肺微生物研究领域的发展。寻求技术突破并建立基于标准的方法迫在眉睫。 

更大型的纵向研究、更复杂的小鼠模型、创新成像技术、多组学技术 (宏基因组学、代谢组学、元转录组学和宏蛋白质组学)、数学模型和高级生物信息学的应用可能会满足这些需求

这些革命性的方法对于推进该领域的发展至关重要,有助于理解肺部微生物群和肺部疾病之间相互作用的细胞和分子机制,并为创新的新疗法提供基础。只有这样才有可能最终实现预防和治疗战略的最终目标,而不是对症治疗呼吸道疾病。这一伟大项目需要很多时间和精力,但最终的目标值得我们为之付出。

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关键词:
微生物,研究,肺部,细胞,相关

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