人类泌尿微生物组及其在尿路感染中潜在作用的进展

Neugent ML, Hulyalkar NV, Nguyen VH, Zimmern PE, De Nisco NJ. Advances in Understanding the Human Urinary Microbiome and Its Potential Role in Urinary Tract Infection. mBio. 2020 Apr 28;11(2):e00218-20. doi: 10.1128/mBio.00218-20. PMID: 32345639; PMCID: PMC7188990.

了解人类泌尿微生物组及其在尿路感染中潜在作用的进展

在分析定植于人体的微生物群落方面的最新进展已经确定了人类泌尿道（UT）中的常驻微生物群落。与许多其他微生物生态位相比，人类UT的生物量相对较低。研究已经确定了许多可能构成核心尿微生物组的属和物种。然而，UT微生物组对尿路感染（UTI）和复发性UTI（rUTI）病理生物学的贡献尚不清楚。有证据表明，UT 和泌尿生殖道 （UGT） 微生物组内的共生物种，例如脆乳杆菌，可能起到防止泌尿系病原体定植的作用。然而，尿液微生物组与宿主关系的机制和基本生物学尚不清楚。通过开发下一代测序和生物信息学平台，可以对常驻微生物DNA进行无偏检测，从而能够测量和表征尿液微生物组。将技术进步转化为临床见解将需要进一步研究健康和疾病中泌尿微生物组的微生物和基因组生态学。未来用于治疗UTI的诊断、预后和治疗选择可能很快就会纳入测量、恢复和/或保护泌尿微生物组的天然健康生态的努力。

关键词： 宏基因组学， 微生物群落， 微生物组， 益生菌， 尿路感染

介绍

人类微生物组是属于常驻微生物群的所有基因组信息的总和，常驻微生物群是殖民身体的非人类生命。通过多年的研究，很明显，人体在各种解剖学生态位中拥有不同的微生物种群（ 1 ， - 3 ）。一个长期未被研究但重要的微生物生态位现在正在被仔细检查和功能表征。人类泌尿道有一个常驻的微生物群落（ 4 ， - 8 ）。这些描述人类泌尿微生物群的相对较新的数据违背了数十年来泌尿生殖系统健康尿路不育的理论和临床实践（ 5 ， 9 ）。为本综述的目的，术语“尿路”（UT）是指参与尿液产生、运输、储存和排泄的器官系统，即肾脏、输尿管、膀胱和尿道。对包括UT在内的更大系统的讨论也与本综述的目的有关。因此，术语“泌尿生殖道”（UGT）用于指包括UT以及参与生殖的解剖部位和器官的器官的器官系统，这些部位和器官可能有助于尿液微生物负荷，例如阴道，子宫颈，尿道周围皮肤，阴茎，耻骨皮肤表面和会阴区域。根据采样方法，尿液微生物群可能由居住在膀胱、UT 或 UGT 内的物种组成。尿液微生物群已经过表征和可重复测量。迄今为止，来自50多个属的>100个物种被认为居住在人类UT和UGT（ 4 ， - 6 ， 9 ， -33 ）。然而，该领域内尚未就尿微生物群的组成达成共识。此外，这种微生物群落在泌尿生殖系统和疾病（如尿路感染（UTI））中的作用尚不完全清楚。

UT是成人中最常见的细菌感染部位。UTI的医疗负担是巨大的，据估计，美国所有临床就诊的1%归因于UTI管理，其费用每年超过35亿美元（ 34 ， - 41 ）。UTI不成比例地影响妇女，大约50%的妇女在其一生中经历尿路感染（ 37 ， 39 ）。虽然尿路感染在性活跃的年轻人群中很普遍，但女性患尿路感染的风险也随着年龄的增长而增加，导致绝经后和老年妇女的风险升高。UTI可由多种细菌和真菌引起，但最常见的病原体是泌尿致病性大肠杆菌（UPEC），其次是肺炎克雷伯菌，粪肠球菌和奇异变形杆菌（ 34 ）。公众对UTI治疗的看法假设这是一个简单的问题清除感染与抗生素治疗（ 36 ， 42 ）。然而，抗生素耐药性和/或过敏是频繁的，并且UTI经常复发，成为延长的感染周期，称为复发性UTI（rUTI），其显着降低生活质量（ 37 ， 43 ）。上行至肾脏的尿路感染可导致肾盂肾炎和危及生命的尿脓毒症。一些rUTI病例可持续数十年，当抗生素治疗无效时，最终可能需要切除膀胱（ 34 ）。

目前UTI和rUTI的治疗主要依赖于抗生素治疗来消除病原体并实现UT无菌（ 34 ， 43 ）。尽管在确认尿微生物组的存在方面取得了进展，但治疗UTI和rUTI的常规抗菌策略不包括保存或恢复存在于宿主健康状态下的微生物群落。这可能是因为关于尿液微生物群是否或如何提供预防感染的保护的功能知识很少。然而，已知居住在许多身体部位的微生物群落在保护宿主生理和健康方面起着关键作用。常驻微生物群的破坏与宿主健康的缺陷有关，例如炎症性肠病，细菌性阴道病，癌症和各种代谢疾病（ 44 ， - 48 ）。宿主和常驻微生物群落现在被认为是更大的复合生物，holobiont（的组成部分 49 ， 50 ）。鉴于这种相互关系，宿主生理或微生物生态学的变化可能会影响整个系统。本综述的重点是目前在理解人类泌尿微生物组的微生物和基因组生态学方面取得的进展，以及它如何促进宿主健康。特别关注女性尿液中存在的微生物群，这是一种微生物群落，具有巨大的潜力，可以为UTI的诊断和治疗提供新策略，UTI是一种每年影响全球超过1.5亿人的疾病（ 34 ， 41 ）。

人体是具有独特微生物特征的壁龛的集合

在过去的一个世纪里，人类微生物组的功能表征取得了重大进展。早在1908年，Metchnikoff就提出了健康微生物群的概念，他建议用一种被认为对人体肠道有益的乳酸杆菌来丰富饮食（ 46 ）。1921年，坎农首次通过饮食表征肠道菌群的成分变化（ 46 ）。今天，最近的研究估计，女性和男性的人体被44×1012和 38 × 1012分别是单个微生物细胞（ 51 ）。随着下一代测序（NGS）技术的出现，在研究人类微生物组方面取得了重大进展（ 52 ）。这些技术的部署允许以最小的偏差对微生物组进行高通量非培养物表征（ 53 ）。

宏基因组学作为一种易于处理和强大的工具的进化从根本上改变了我们表征微生物生态系统分类和基因组生态学的能力（ 52 ）。凭借宏基因组学和先进的培养技术，许多研究工作不仅提高了我们对哪些微生物存在于特定生态系统中的理解，而且还提高了我们对在特定生态系统中生存和茁壮成长所需的基因、代谢途径和生理适应的理解（ 1 ， 2 ）。研究重点现在不是寻找可能在特定微生物生态系统中富集的核心分类群，而是转向包括鉴定微生物群落在生态位内运作所需的核心基因集和代谢途径（ 54 ）。常驻微生物群的遗传特征可能编码宿主无法执行的功能，从而为宿主提供竞争优势。在撰写本综述时，人类微生物组项目（HMP）已经使用16S rRNA基因扩增子测序和全基因组枪法宏基因组学（ 1 ， - 3 ， 55 ）分析了250多名健康年轻人的18个不同身体部位的常驻微生物群。HMP的成就之一是首次对整个人体的微生物生态位进行详细的宏基因组表征。从这些数据中得出的一个关键观察结果是，采样的每个身体部位似乎都有独特的微生物特征，并且没有发现微生物分类群普遍存在于所有身体部位和个体中（ 1 ）。例如，口腔，肠道，阴道和皮肤微生物生态彼此不同，并且这些位点拥有微生物种群，这些微生物种群已经进化到在每个生态位的独特化学，代谢和免疫环境中生存（ 1 ，51， 56 ， - 71  ) ( 图1 ).

图1

微生物生态位及其在人体中的环境特征。总结了鼻部（56，-58）、口腔（51， 59 ，-61）、皮肤（51，62，63）、胃肠道（ 51 ，64，65）、尿路（ 66 ， - 69 ）和阴道（ 70 ， 71 ）部位的利基状况。缩写：温度，温度;O2，氧气张力（海平面平均值= 760毫米汞柱）;MD，微生物密度（以相关单位报告）。这个数字是用Biorender创建的。

人类泌尿微生物组：一个意想不到的利基成为焦点

鉴于我们目前对人类微生物组的理解取得了进展，提出在任何遇到外界的身体部位存在微生物群落似乎是合理的。然而，数十年来的UT不育教条，特别是在膀胱中，直到现在才开始被认为是被证明是错误的（ 4 ）。Nelson等人（ 33 ）和Siddiqui等人（ 5 ）的两项开创性研究使用宏基因组学方法证明健康个体的尿液不是无菌的，并且UGT微生物组可能存在于健康的女性和男性成年人中。

泌尿道的环境生态位。

人UT大致可分为上室和下室。上隔间由肾脏和输尿管组成，下隔间包含膀胱和尿道（ 图1 ) ( 72 ）. 下尿路、膀胱和近端尿道的管腔表面，称为尿路上皮，是被薄糖胺聚糖 （GAG） 层包覆的过渡上皮 （ 72 ， – 77 ）。尿路上皮的顶端分化细胞称为伞状细胞，其功能是在尿废物和下层身体组织之间形成不可渗透的屏障（ 78 ）。称为尿斑蛋白的伞状细胞跨膜蛋白通过在伞状细胞的顶端表面形成致密斑块来促进尿路上皮的屏障功能（ 73 ）。由于尿流施加的绝对力，通过 1 型菌毛结合尿斑的能力是 UPEC 的关键毒力因素;然而，不知道UT微生物群是否也利用尿坯作为粘附位点（ 79 ， 80 ）。UT微生物群的空间组织尚未得到评估。

影响微生物定植的因素包括环境特征，如pH，氧张力，渗透压，营养可用性，粘附位点和免疫相互作用（ 81 ）。尿液pH值因人而异，通常是酸性的，尽管健康的尿液pH值范围为5至8（ 82 ， - 84 ）。鉴于许多细菌具有严格的有氧或厌氧代谢，UT中的氧气可用性可能在塑造UT微生物群（的生态和空间组织中发挥作用 69 ， 85，86 ）。 例如，在健康成人中，动脉血的血氧张力范围为 75 至 100 毫米汞柱，而 UT 氧张力范围为 0.47 至 51.5 毫米汞柱（ 图1 ) ( （第69 、 85 、 86 页）。香农等人最近报道，膀胱尿氧张力的变化与尿液微生物群的组成变化相关（ 69 ）。重要的是，为了支持微生物生长，UT必须包含可补充的营养来源（ 83 ， 87 ）。在健康的排尿状态下，UT是一个化学恒温器，不断填充和排尿尿液。新尿液的通量可能提供营养以支持常驻微生物（ 88 ）。人尿液由许多可溶性元素组成，包括电解质、渗透剂、氨基酸和碳水化合物。迄今为止，在尿液中检测到超过2，600种化合物的目录 （83 ， 87 ）。然而，UT内还有其他可能的营养来源。尿路上皮被一层薄薄的GAG覆盖，用于润滑和保护下面的组织（ 73 ， - 75 ， 89 ）。人类UT GAG层的组成尚不完全清楚。然而，阴道和肠道粘膜上皮涂有一层排泄的粘性物质，主要由氨基酸，粘蛋白，各种GAG和其他复杂的碳水化合物组成（ 75 ， 89 ， - 92 ）。有趣的是，许多人类共生菌，例如乳酸杆菌属，双歧杆菌属和链球菌属的物种，已知定植于UT表达酶，可将各种细胞外GAG降解为较小的可代谢糖（ 93 ， - 95 ）。UT居民社区的代谢专业化需要进一步的机制研究，以产生可能被临床翻译的见解（ 83 ）。

我们如何研究人类泌尿微生物组？

研究和表征人类尿液微生物组的努力导致了旨在准确捕获微生物群落的技术的发展，这很难研究（ 表1 ).在没有UTI的情况下，人类尿液微生物组的生物量通常较低，从<100到<10不等5每毫升尿液的CFU（ 39 ）。因此，分析常驻微生物群落的努力必须考虑到尿液样本中有限的起始材料，Karstens等人（ 67 ）很好地审查了这一概念。任何评估微生物组的研究的主要考虑因素是所使用的采样技术。在过去的 10 年中，已经使用了三种主要的采样技术来获取建议代表尿液微生物群的尿液样本，包括收集中游清洁捕获尿液 （CC） 和通过经尿道导管 （TUC） 和耻骨上抽吸 （SPA） 收集尿液（ 表1 ).这些方法中的每一种都有优点和缺点。大多数采样技术会给当地微生物群落带来扰动。对于任何取样技术，重要的是要考虑到取样顺序会导致连续取样点的污染。

   一个该表总结了与研究人类UT和UGT微生物组相关的选定主题，方法和参考文献。

b参考文献 53 、 67 、134、 137至139 和140至 144 包括相关的技术评论。

对于CC，尿液在通过整个下尿路后获得，并且使用CC的优点是可以通过侵入性最小的手段收集（ 9 ， 29 ）。然而，如果在尿液收集前未对尿道周围区域进行消毒，这种方法可能会受到尿液样本的皮肤，阴道和会阴污染（ 67 ）。更高的污染可能性使CC更多地用于UGT微生物群的研究。研究UT特异性微生物群空间组织的小组使用TUC对膀胱和尿道微生物群进行采样。与使用CC相比，使用TUC具有更具体地对尿液微生物群落进行采样的优点。然而，插入经尿道导管进入膀胱会破坏尿道微生物群并取样（ 67 ）。将扰动的尿道微生物群与膀胱居民微生物群分离的一种技术是取尿道拭子来评估污染。最后，耻骨上抽吸（SPA）是对膀胱驻留微生物群进行特异性采样的最准确方法。然而，它也是最具侵入性的，并且很难在道德上证明，特别是在老年人群中（ 6 ， 9 ）。在SPA期间，通过将针插入耻骨上方耻骨上区域的皮肤进入膀胱，并直接从膀胱收集尿液（ 9 ）。事实上，Wolfe等人在2014年的一项研究中发现，当比较TUC和SPA的使用时，SPA似乎是减少尿液样本外阴阴道和尿道污染的最佳方法，用于研究膀胱微生物组（ 9 ）。然而，据报道，使用TUC会产生与使用SPA产生的结果相似的结果（ 6 ）。平衡抽样技术的优缺点是为未来研究选择方法的关键步骤。

尿液微生物培养。

通常，培养依赖性方法用于检测尿液样本中是否存在泌尿病原体。尿液培养技术的一个关键优势是能够识别和验证活细菌种群，这是通过Hilt等人用TUC从女性UT收集的样品完成的（ 4 ）。UTI的诊断主要依赖于标准尿培养，该方法包括将尿液接种到含有5%羊血琼脂的琼脂平板上以及MacConkey琼脂平板上，并在35°C下有氧孵育24小时以获得定量菌落计数（ 4 ）。然而，这种方法在检测尿液中的细菌方面存在显着局限性，诊断阈值为≥105可培养的CFU/ml（ 96 ）。利用 16S rRNA 扩增子测序和高级尿液培养的研究表明，大约 90% 的样本中存在活细菌，标准尿培养没有生长（ 4 ) ( 表1 ).新方法，如增强定量尿培养（EQUC），提高了我们对UT和UGT微生物群内致病和共生物种的理解（ 4 ， 9 ， 24 ）。该技术包括使用不同尿量、孵育时间和培养基的各种组合，以及需氧、厌氧、微需氧和一氧化碳2-丰富的大气层（ 19 ）。相比之下，标准尿培养旨在检测主要的泌尿病原体大肠杆菌和其他具有相似生长要求的细菌物种。Price等人在2016年的一项研究中对这些方法的直接比较显示，标准尿培养遗漏了67%的泌尿病原体和88%的扩谱EQUC检测到的非大肠杆菌泌尿病原体（ 19 ）。为了促进EQUC在临床实验室中的使用，Price等人开发了简化的EQUC方案，该方案涉及将100μl尿液接种到5%CO的血琼脂平板，粘菌素 - 萘啶酸琼脂平板和MacConkey琼脂平板上248小时（ 19 ）。据报道，简化的EQUC方案可检测84%通过扩展的EQUC方案培养的潜在尿路病原体，而标准尿培养可检测33%的潜在泌尿病原体（ 19 ）。在 2015 年的一项研究中，Pearce等人比较了使用 TUC 采样的有和没有压力性尿失禁的女性的尿微生物组，发现乳酸杆菌、棒状杆菌、链球菌、放线菌和葡萄球菌是 EQUC 从尿液中分离的最普遍属，其次是气球菌、加德纳菌、双歧杆菌和放线杆（ 24  ).Thomas-White等人报告说，EQUC捕获了宏基因组学检测到的大约72%的属。EQUC未检测到来自放线菌门（丙酸微生物，变异杆菌，Atopobium），厚壁菌（嗜肽菌，Megasphaera，Finegoldia）或拟杆菌门（Prevotella）的厌氧菌（ 13 ）。

泌尿微生物组的宏基因组测序。

即使是EQUC也无法检测到人类UT和UGT内常驻微生物种群的完整范围。为了评估没有培养偏倚的完整微生物组成，研究人员采用了基于NGS的宏基因组测序方法（ 3 ， - 5 ， 9，10 ，12， 13 ， 15 ， 27 ， 29 ， 31 ）。目前使用的宏基因组测序有两种主要途径：16S rRNA扩增子测序和全基因组霰弹枪宏基因组测序（WGMS）（ 3 ， 15 ， 53 ) ( 表1 ).这两种技术都依赖于NGS技术。然而，16S rRNA扩增子测序使用包含16S rRNA基因可变区域的扩增子的深度测序。下游生物信息学分析允许序列鉴定、群落分析和生态结构评估。16S rRNA扩增子测序的优点和缺点是它使用PCR扩增。因此，16S rRNA宏基因组测序具有高灵敏度，可以在没有宿主污染的情况下检测低丰度微生物DNA（ 15 ）。然而，16S rRNA扩增子测序不能捕获引物指定扩增子之外的基因组序列信息，并且在引物结合中存在内在偏差，这在所有分类群中并不普遍有效。因此，16S rRNA扩增子测序可以合理地仅用于分类学评估和相对丰度的测量（ 15 ， 67 ）。相比之下，WGMS对样品中存在的所有DNA进行测序。如果有足够的测序深度，WGMS有可能全面分析整个宏基因组序列空间。WGMS实验通常受到一定程度的宿主污染（ 53 ）。例如，Moustafa等人发现，人类基因组污染占从临床尿液样本中获得的测序读数的1.3%至99.9%（ 15 ）。因此，有必要对样品进行测序，使其具有足够的读取深度，以考虑宿主污染，并对微生物群落进行适当采样（ 53 ）。样品制备以及DNA提取技术可以优化以富集微生物DNA（ 97 ， 98 ）。由于整个宏基因组可用于分析，可以获得群落结构和分类概况，以及从功能上表征常驻微生物群的遗传潜力（ 53 ）。然而，由于群落分类学分析一直是大多数人类尿液微生物组研究的主要目标，16S rRNA测序一直是迄今为止使用的主要方式（ 6 ）。

人类UT和UGT微生物组的分类概况。

许多分类学分析研究已经表征了人类尿液微生物组（ 4 ， 5 ， 9 ，-11，13， - 19 ， 21 ，- 33 ）。 这些研究中的大多数都使用16S rRNA扩增子测序和先进的培养技术，如EQUC来评估健康和疾病状态之间的分类富集（ 4 ， 5 ， 9 ) ( 表1 ).在健康的尿液微生物组中鉴定的主要分类群是通常被认为是挑剔，生长缓慢的微生物（ 5 ， 6 ， 9 ）的物种。大多数属于五大门，厚壁菌门，拟杆菌门，放线菌，梭杆菌和变形杆菌（ 5 ），并且经常包括乳酸杆菌属，棒状杆菌属，普雷沃氏菌属，葡萄球菌属和链球菌属（ 6 ）。 许多研究观察到个体之间存在高度的变异性（ 31 ）。因此，核心微生物群落的成员尚未确定。

使用CC或混合采样技术的几项研究已经确定了男性和女性尿微生物群之间的差异 （15 ， 17 ， 31 ）。例如，Fouts等人报告说，男性尿液微生物群显着富含棒状杆菌属，该属通常与皮肤微生物组有关。这一发现可能与使用CC时的皮肤污染有关（ 31 ）。有趣的是，许多研究发现，女性泌尿微生物组通常由乳酸杆菌属主导（ 6 ）。Thomas-White等人的一项研究数据使用EQUC和用TUC收集的尿液中细菌分离株的全基因组测序表明，阴道和UT微生物组是相互关联的。虽然采样期间的污染可能会混淆这些结果，但本研究的作者证明，UT和阴道微生物群不仅共享克隆病原体，而且还共享与阴道健康相关的共生生物（ 13 ）。在健康的育龄妇女中，阴道微生物组通常由属于乳酸杆菌属的物种主导（ 99 ）。Lactobacillus crispatus，L. iners，L. gasseri和L. jensenii是阴道微生物组中发现的最普遍的乳酸杆菌（ 100 ）。已知阴道微生物组在维持阴道pH值和预防各种泌尿生殖系统疾病（中发挥关键作用 47 ， 99 ， 101 ）。证据表明，阴道乳酸杆菌赋予一定程度的保护，以防止细菌性阴道病，性传播疾病和UTI（ 47 ， 99 ）。继续研究的重点是破译保护的机制基础（ 47 ，100， - 103 ）。

人类UT和UGT中微生物种群的时间稳定性仍然相对未知，因为迄今为止进行的大多数研究都采用了横断面队列设计（ 表1 ) ( 73 ）. 未来的工作需要了解泌尿微生物群落如何随着短期和长期观察间隔而变化。表征尿微生物组的大部分研究集中在泌尿系统疾病，不成比例地影响妇女，如UTI，尿失禁和盆腔器官脱垂 。这种偏见导致了对女性泌尿微生物组的更彻底的表征。尽管现在已经对尿液微生物组进行了分类学分析，但高变异性、与宿主表型缺乏明确的关联以及未知的时间动态为WGMS的功能分析和纵向观察留下了重要的机会领域。

尿路感染和尿路感染背景下的女性泌尿微生物组

尿路感染是女性最常见的感染之一，仅次于绝经后和老年妇女的呼吸道感染（ 39 ）。单纯性尿路感染与导尿或UT异常无关。在所有年龄组中，女性单纯性尿路感染的发病率高于男性。性活跃的年轻女性报告的发病率为每人每年0.5至0.7例，而年龄匹配的男性报告的发病率约为每人每年0.01例（ 39 ）。泌尿微生物组的组成动力学与尿路感染发病率之间的关系目前是一个活跃的研究领域。

rUTI的病理生物学尚不完全清楚;然而，该疾病可以通过复发感染的振荡模式来建模，其中穿插着感染之间的缓解期（ 38 ）。有两种主要模型可以解释rUTI的病因：从UT以外的水库中反复上行感染或从居住在UT内的持续人群中重新出现（ 104 ）。两种模型的证据都存在（ 105，106 ）。 例如，Forde等人最近展示了一名患有rUTI的老年女性患者在5年内的大肠杆菌序列131型菌株的动力学，并提供了肠道储存库复发的证据（ 107 ）。另一方面，Hannan等人（108）和De Nisco等人（ 109 ）分别表明小鼠模型和人类患者的膀胱壁内存在持续的泌尿病原体群体，Schreiber等人的一项研究发现，在14名频繁患有rUTI的女性中，相同菌株rUTI的发生率很高（ 110 ).识别触发UT内持续细菌种群重新出现的机制信号对于理解rUTI的发病机制至关重要。有趣的是，在2017年的一份报告中，Gilbert及其同事表明，短暂暴露于阴道微生物群，特别是阴道加德纳菌，可以唤醒静止的UPEC储库，导致膀胱腔重新接种，上皮细胞死亡和剥落以及肾脏损伤（ 111 ）。

尿液微生物群组成动力学与UTI病理生物学之间的关系开始在人类中得到密切研究（ 15 ）。有证据表明，感染本身和治疗策略，如抗生素治疗，影响泌尿微生物组（ 15 ，112， 113 ）。 迄今为止，很少有宏基因组研究直接分析UTI期间的尿液微生物组;因此，目前尚不清楚感染期间和感染后泌尿微生物群落如何变化。先进的培养技术已被用于表征感染期间的活尿微生物群。该领域目前的进展主要是建立用于研究和临床实验室的稳健程序（ 19 ）。然而，Price等人报告说，在经历UTI的患者和健康对照者之间，几种物种的丰度存在差异（ 19 ）。例如，与无UTI组相比，肺炎克雷伯菌、无乳链球菌、尿液气球菌、粪埃克菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和心绞痛链球菌在UTI组中富集（ 19 ）。虽然鉴定和培养泌尿致病菌种很有价值，但UTI期间尿微生物组的整个生态学表征目前需要使用基于NGS的宏基因组学方法。2014年，发表了一份关于首次使用WGMS对23名疑似UTI患者的临床尿液样本的报告（ 25 ）。在这项研究中，Hasman等人在他们分析的许多样品中检测到多种微生物群落（ 25 ）。作者还能够识别，注释和量化这些微生物群落中抗菌素耐药性基因的丰度（ 25 ）。在2018年的一项研究中，Moustafa等人在121个CC样品上使用16S rRNA扩增子测序和WGMS来分析UGT微生物组的细菌，病毒和真核成分（ 15 ）。他们的分析确定了患者尿液中的三种微生物特征。两个特征与UTI无关，主要由放线菌和厚壁菌主导。UTI相关的微生物群特征以变形杆菌为主，包括许多典型的泌尿系病原体，如UPEC，克雷伯菌，假单胞菌和肠杆菌。重要的是，UTI相关宏基因组的分析还检测到几种与感染相关的新型分类群，如Acidovorax，Rhodanobacter和Oligella。作者还指出了哺乳动物病毒和噬菌体的检测，表明需要进一步研究尿液微生物组的病毒成分以充分表征生态系统（ 15 ）。对于rUTI患者的尿液，明显缺乏WGMS分析。未来纵向设计的WGMS研究将极大地有助于对rUTI的微生物生态学和病理生物学的基本理解。

临床实验室经常忽略表现出多种菌落类型的尿液培养物，因为他们认为这些结果来自尿道周围或阴道污染。然而，表征UT的多种微生物感染的工作突出了这些以前被低估的培养结果的潜在重要性。多种微生物UTI在老年人或免疫功能低下人群中更常见（ 114 ）。多种微生物生态系统有助于协同微生物关系的发展。有趣的是，多种微生物UTI的小鼠模型显示，奇异假单胞菌和腐生葡萄球菌在合并感染期间协同作用，以增加上行性肾盂肾炎的发病率（ 115 ）。同样，已经表明奇异假单胞菌和UPEC通过相互增强细菌定植和持久性的代谢相互作用在小鼠混合感染中协同作用（ 116 ）。在2016年的一份报告中，Keogh等人显示了UPEC与粪肠杆菌（E. faecalis）之间在铁限制环境中的显着协同关系（ 117 ）。粪肠杆菌分泌代谢线索l-鸟氨酸，刺激UPEC对铁摄取机制的生物合成（ 117 ）。综上所述，这些研究强调了UT和UGT内协同多微生物关系的致病潜力，这可能成为新的UTI疗法的靶向（ 114 ）。

目前的rUTI治疗策略包括长期抗生素管理，局部雌激素和手术干预，如三角炎的电化（ 37 ， 43 ， 104 ， 118 ）。然而，长期或频繁的抗生素治疗仍然是一线治疗策略（ 43 ， 104 ）。有趣的是，Schilling等人在2002年的一份报告中表明，在UTI小鼠模型中，使用甲氧苄啶-磺胺甲噁唑（一种治疗UTI的常见一线抗生素）治疗10天不足以根除膀胱库中的细菌（ 119 ）。现在的重点是使用适当的抗菌药物选择和管理策略来治疗UTI和rUTI（ 120 ）。UT不育教条的遗产是使用抗生素治疗相关但潜在的良性疾病，如无症状菌尿（ASB），这是在没有症状的情况下尿培养阳性的常见临床观察（ 121 ）。未来的全基因组宏基因组研究必须阐明当前的抗生素治疗范式如何选择抗菌素耐药性，并旨在区分UTI和ASB的宏基因组特征。在2019年的一份报告中，Mulder等人使用CC评估抗生素治疗对老年人尿液微生物组组成的影响，发现抗生素治疗与尿液微生物组组成的改变有关（ 112 ）。有趣的是，他们指出，可能与UGT健康相关的乳酸杆菌属在最近有抗生素使用史的患者中显着耗尽，而泌尿致病物种显着富集（ 112 ）。

用益生菌调节UGT微生物组已被证明是通往新型UTI疗法的可能途径（ 122 ）。一些研究表明，阴道微生物组可能支持UGT健康，作为保护性共生物种的储存库，对抗UTI和rUTI（ 13 ， 122 ）。女性UT，UGT和阴道微生物群经常富集在乳酸杆菌属（ 6 ， 9 ， 17 ， 22 ）。在阴道微生物生态位中，已知乳酸杆菌通过乳酸的分泌作为保护性微生物种群，其调节局部化学环境（ 71 ， 103 ，122， - 125 ）。 乳酸杆菌产生的乳酸的抗菌和保护特性与分泌大量d-（−）-异构体的物种有关，例如L. crispatus（ 71 ）。Edwards等人已经表明，阴道脆乳杆菌分离株可以防止沙眼衣原体感染，而不具有合成d-（−）-乳酸的能力的乳杆菌不能提供保护（ 47 ）。在2011年的一项随机安慰剂对照临床研究中，Stapleton等人发现，与给予安慰剂的患者相比，给予阴道L. crispatus益生菌的患者的rUTI发病率适度降低（ 122 ）。这些观察结果表明对脆乳杆菌具有保护作用，并暗示定植乳酸杆菌物种之间的宿主益处不同。

管理和预防尿路感染和尿路感染的微生物组意识未来。 

随着对泌尿生殖系统健康作用的认识越来越多，越来越清楚的是，UTI和rUTI治疗范式可能需要考虑泌尿微生物组的状态。在 UTI 和 rUTI 管理中实现 UT 无菌的传统目标可能会破坏有益的、保护性的微生物种群以及病原体。如果没有有益的微生物群，UT可能会进入一种失调的致敏状态，有被泌尿道病原体定植的风险。因此，益生菌是开发新疗法的合理途径。然而，在制定最佳益生菌微生物联盟之前，必须对尿液微生物群如何直接影响宿主健康（反之亦然）有机械理解。最近，Lev-Sagie等人报告说，来自健康供体的阴道微生物组移植可能是患有顽固性细菌性阴道病的女性的可行治疗选择（ 48 ）。鉴于阴道和UT微生物生态位预计将高度相互关联，阴道微生物组移植也可能是治疗rUTI的一种选择（ 13 ）。了解泌尿微生物种群与UTI风险之间的关系不仅是开发治疗方案的关键步骤，也是开发诊断和预后工具的关键步骤。健康的分子生态特征的发展可以准确识别生态失调，并允许对高危社区进行筛查以进行主动干预。

研究人类UT和UGT微生物组的未来方向

从人类泌尿微生物组研究中获得转化见解将需要集中精力填补我们目前理解的空白。迄今为止，大多数尿液微生物组研究都使用横断面队列设计，以便将具有疾病状态的个体与健康对照进行比较。虽然它们非常有价值，但横断面队列设计经常被人际差异所混淆，并且无法捕捉时间变化。时间稳定性是微生物生态位的一个重要特征，并被纳入生态失调的测量中（ 44 ）。最近的证据表明，在其他微生物生态位中看到的一些，如果不是很多，变异性可归因于时间变化（ 103 ， 126 ）。采用与参与者一起在合理定义的时间过程中提供尿液样本的纵向队列将建立尿液微生物群的基线时间变化，并阐明宿主生理学的周期性变化（如月经和UTI）对尿液微生物组（ 表1 ).

10年来，使用16S rRNA扩增子测序一直是分析人类尿液微生物组的主要策略，但尚未为膀胱，UT或UGT的微生物生态位建立核心微生物组。与其确定核心分类富集，不如建立核心遗传富集，这需要使用WGMS。到目前为止，肠道微生物组是研究最多的人类微生物生态位（ 51 ）。在 MetaHIT 项目 2010 年的一份报告中，Qin 等人报告说，使用 WGMS 从人类粪便样本中估计的 1，150 种微生物物种中鉴定出 330 万个非冗余微生物基因 （ 54 ）。人类肠道微生物组中的微生物基因目录大约是人类基因组大小的150倍，具有多种功能潜力。特别令人感兴趣的是，作者确定了人类肠道微生物群拥有的核心最小宏基因组。在肠道最小宏基因组中编码的是补充宿主生理学的基因和代谢途径，例如糖发酵成短链脂肪酸。同样，使用WGMS确定尿液微生物组的遗传潜力将深入了解UT和UGT中需要哪些基因或代谢途径来建立宿主健康。临床医学也将受益于WGMS的整合，因为抗菌素耐药性的遗传评估可以丰富抗菌素管理实践（ 25 ）。该领域目前的研究机会涉及模拟感染期间UT居民微生物种群的群落动态。常用的测序深度有时不足以分析UTI期间丰度较低的UT微生物群。宏基因组的更深入测序和绝对丰度的计算可能有助于确定UTI期间推定共生人群的命运（ 67 ）。

UT中的宿主 - 微生物相互作用已由研究界可用的模型系统定义。模型系统的一个关键特征是它概括了相关的生理学。迄今为止，人类UT疾病（如UTI）的建模主要依赖于小鼠模型，其中TUC用于将泌尿道病原体的高密度溶液注射到膀胱中。这些模型在定义UTI期间细菌发病机制和宿主反应（ 108 ， 111 ， 127 ，- 132 ）中是必不可少的。据报道，新的模型系统，包括三维培养类器官和基因工程小鼠模型，可能有助于生成用于UTI和rUTI机制研究的可处理模型系统（ 129 ， 133 ）。结合允许研究与泌尿微生物组相关的免疫系统的模型系统对该领域非常重要。宿主免疫与泌尿微生物组的相互作用目前尚不清楚，并可能导致对UTI和rUTI发病机制的关键见解以及维持尿微生物组生态结构。

人类宏基因组数据集的公开可用性对于转化进展至关重要，因为它允许进行大规模的meta分析和对已发表结果的独立审查（ 134 ）。在2017年的一份报告中，Duvallet等人对来自人类病例对照队列的28个已发表的公开肠道微生物组数据集进行了荟萃分析（ 135 ）。他们发现多个独立生成的数据集中微生物组组成存在一致的疾病相关变化。他们还确定了多种疾病状态之间共享的常见属水平变化，表明可能与宿主健康的非特异性变化有关，而不是特定的临床关联（ 135 ）。数据民主化对于人类UT和UGT在健康和疾病（ 表1 ).

随着该领域对泌尿微生物组的更深入了解，许多患者等待能够改善其生活质量的进步。2010年的一项研究发现，尿路感染对士气有显着影响，老年妇女的UTI发病率与抑郁症之间存在密切联系（136）。许多人希望治疗UTI和rUTI的新疗法即将出现。了解泌尿微生物组在健康和疾病中的功能对于这一追求至关重要。

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