背景：
肺生物学领域的新方法和新技术正开始为呼吸道微生物世界带来新的曙光。长期以来一直被认为是无菌的环境，现在很明显，人类的肺经常暴露在活的微生物及其产物中。肺微生物组的性质与居住在我们身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，肺部微生物组生物量低，由微生物迁移和清除的动态通量主导，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了解的提高，我们越来越清楚地看到，某些疾病状态可破坏微生物-宿主界面，并最终影响疾病的发病机制。
简介：
2022年11月16日，来自美国纽约大学格罗斯曼医学院医学系肺、重症监护和睡眠医学学部的Leopoldo N. Segal教授课题组在Nat Rev Microbiol（IF: 78.3）杂志上发表题为“The dynamic lung microbiome in health and disease”的文章[1]。在这篇综述中，作者概述了健康和疾病中的下气道微生物动力学，并讨论了未来需要开展的工作，以发现新的治疗靶点，以改善肺部健康。
主要结果：
动态微生物-宿主界面。
与人体的任何黏膜表面一样，宿主免疫系统并非看不到微生物暴露。事实上，下气道中发现的微生物产物来自微生物迁移和微生物清除之间的平衡作用。然而，与其他黏膜不同，肺必须保持较低的细菌负荷，以促进气体交换，这是它们的主要生理目的。从功能上讲，下气道的情况与其他黏膜不同，包括氧分压、蛋白质含量、表面活性剂的存在和其他环境因素。此外，为了保持低细菌负荷，在很大程度上依赖于促进到达下气道的微生物清除的机制，包括机械机制(如黏液纤毛清除和咳嗽)以及固有和适应性宿主免疫应答。
口腔和肠腔均有非常高的细菌负荷，其中包含数百万存活和复制的微生物，与这两种情况不同，下气道必须保持较薄的支气管上皮液体衬里，以促进气体的有效传输。这种独特的条件有利于肺微生物组的动态稳态。具体来说，口腔和胃肠道的微生物群往往是静态的，由繁殖部位特定的微生物群落主导，这些变化被解释为生态失调的特征。然而，下气道微生物组经常发生变化，间歇性地暴露于微生物并迅速清除，从而产生了定义共生的动态生理过程。这一观点得到了几项人体横断面研究的支持，这些研究表明，尽管未能通过培养分离出口腔共生菌，但健康肺中常见口腔共生菌的微量微生物DNA。
图1：呼吸道和近端胃肠道的正常微生物群
下气道免疫基础: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的重要性，而肠道微生物群落作为肠-肺轴的一部分，影响肺部免疫应答。目前研究较少的是，肺部微生物群落也影响肺部免疫应答。事实上，现有的人类横断面数据结合小鼠模型的数据提示，肺部经常发作地暴露于口腔共生菌，这些共生菌随后被迅速清除(图2)。微吸入模型支持微生物清除的速率不同，并且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张力的持久和动态变化。例如，小鼠吸入混合口腔共生菌(产黑普雷沃菌、小韦龙菌和缓症链球菌)导致CD4+和CD8+ T细胞活化、分泌IL-17的T细胞(辅助性T 17 [TH17]和γδ T细胞)募集以及其他反调节免疫应答，如调节性T细胞和T细胞上的免疫检查点抑制剂标志物增加。重要的是，这种依赖微生物群的免疫启动是一种持久的现象，在吸入微生物短暂存在之后仍持续存在，并继续显著影响针对呼吸道病原体的固有免疫防御。如果这些反应是正常肺微生物动力学的代表，那么这些动态变化可能反映了真正的肺“共生”。
图2：正常生态和生态失调的肺微生物动力学
呼吸道炎症性疾病中的生态失调。
微生物菌群失调存在于各种肺部疾病中，如囊性纤维化、慢性阻塞性肺疾病(COPD)和特发性肺纤维化(IPF)，其中细菌组成多样性的减少与疾病进展相关。然而，微生物生态失调本身是疾病的病因还是疾病过程的结果尚不清楚。例如，在肺部疾病中，肺结构的病理生理学变化和黏液清除机制受损可能导致微生物生态失调，而不是由微生物生态失调引起。另外，生态失调可能通过上调炎症信号(如NF-κB、Ras、IL-17和PI3K)或抑制下气道病原体产生的TNF和IFNγ而在疾病中发挥致病作用。
慢性阻塞性肺疾病。
COPD是一个有用的例子，说明了肺微生物组的进化性质及其对呼吸系统疾病进展的影响。对稳定期COPD患者进行的初始微生物组研究表明，潜在致病性微生物PPMs)(如嗜血杆菌、肺炎链球菌、卡他莫拉菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和革兰阴性肠道细菌)的存在与下气道中中性粒细胞性炎症和细胞因子(如IL-8和TNF)表达增加之间存在明确关联。下气道ppm定植与COPD日常症状的严重程度增加和进行性影像学改变相关。然而，我们对这些微生物事件如何在疾病发病的早期阶段发挥作用知之甚少。单独吸烟似乎与下气道微生物组的显著变化不相关;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。
哮喘。
一些研究聚焦于哮喘中的气道微生物组。虽然缺乏使用下气道样本对幼儿进行的研究，但多项研究表明微生物组的变化与喘息发生和哮喘诊断之间存在关联。即使在已确诊为哮喘的儿童中，上气道微生物组的构成变化也与疾病控制相关。对于成人哮喘患者的下气道微生物组，已经进行了更广泛的评估。目前有几项研究表明，下气道微生物组的组成与哮喘患者的不同临床特征相关，包括气道支气管反应性和严重程度。目前已知，哮喘包括一组非常异质性的内型，其中很大一部分患者有嗜酸性粒细胞性或2型(T2)高炎症，这些炎症对类固醇和靶向治疗更敏感。相比之下，对于非T2高炎症内型患者(即气道炎症以中性粒细胞为主的患者)，治疗效果较差，原因尚不清楚。
特发性肺纤维化。
肺部微生物组对其他多种肺部疾病的进展和生存具有重要意义。目前有几项研究表明，在IPF患者中，下气道细菌负荷与疾病无进展生存期相关。特别是，一项研究报告了肺泡炎症和纤维化细胞因子与肺微生物群多样性和组成的相关性，较低的Shannon多样性指数(样本内多样性)与较高的IL-1Ra、IL-1β、CXCL8、MIP1α、G-CSF和EGF浓度相关。此外，肺泡中IL-6浓度与肺厚壁菌门相对丰度呈正相关，而肺泡中IL-12p70浓度与肺变形菌门相对丰度呈负相关。其他IPF研究也表明，肺生态失调与外周血单个核细胞免疫通路的转录组表达和无进展生存期之间存在明确关联，提示微生物-宿主相互作用在肺纤维化发病机制中具有重要作用。然而，这些人体研究的一个主要局限性是无法检验观察到的关联的方向性。在博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型中，微生物菌群失调先于肺损伤峰值，并持续至纤维化发生。相比之下，暴露于博来霉素诱导的肺纤维化的无菌小鼠与常规小鼠相比在死亡率方面有获益。
图3：疾病特异性的生态失调信号
肺微生物组和免疫监视。
虽然许多研究集中在肺部微生物组如何促进炎症状态，但其对免疫监视的影响尚不清楚，但可能非常重要。在囊性纤维化患者中，α多样性(量化样本内微生物多样性)的减少与疾病严重程度和细菌病原体定植直接相关。在许多情况下，这可能是由于出现了相对丰度增加的优势病原体。此外，微生物多样性减少有时发生在囊性纤维化加重之前。这些数据提示，随着时间的推移，生物多样性的减少可能使下气道更容易被假单胞菌或伯克霍尔德菌等优势病原体定植。
图4：生态失调事件使宿主对病原体的易感性增加
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描述了病原体在下呼吸道微生物组中成为优势或非优势的一些情况。例如，在支气管扩张患者中，有铜绿假单胞菌下气道定植的患者发作更频繁，且通常病情更严重。假单胞菌定植(当有假单胞菌时，往往在气道微生物群中占主导地位)与以重度中性粒细胞炎症(包括高水平中性粒细胞弹性蛋白酶)为特征的下气道宿主免疫特征相关。然而，假单胞菌感染前发生的微生物事件尚不清楚。此外，我们是否可以识别假单胞菌定植前的下气道生态失调仍有待确定。这样的调查需要在主要病原体出现之前对下气道进行纵向采样。相比之下，其他呼吸道病原体即使存在，通常也不会主导下气道微生物群落(图4b、c)。例如，非结核分枝杆菌(NTM)通常是非主要的感染性病原体，因此有可能在病原体本身之外识别出非生态失调标签。在这种情况下，最初有利于宿主对NTM易感性的下气道生态失调可能在感染NTM后持续存在，这可能促发了NTM的炎症损伤(图4b)。有趣的是，在NTM病患者的一个小规模病例系列中，下气道中测定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。
图5：下气道微生物组过程的潜在调节剂
结论和展望：
通过对不同疾病状态下肺部微生物组的研究，发现了与诊断、疾病严重程度和预后相关的微生物特征。然而，由于不同研究之间缺乏一致的发现，因此很难明确定义肺生态失调。很有可能，即使在一个单一的疾病过程中，也存在多种形式的生态失调。更不确定的是我们如何定义肺部微生物共生。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有相当大的背景噪声，以及肺部环境中微生物迁移和消除之间的动态变化对我们的评估产生了重大影响。更复杂的是，即使在同一个体内，肺部微生物组也存在地形差异。因此，在这样一个动态的环境中定义微生物的复原力本质上是困难的。随着不依赖培养的多组学方法的应用越来越广泛，理解这些原理对于成功开发靶向微生物-宿主相互作用的新型诊断和治疗模式至关重要。
总之，我们需要了解下呼吸道微生物的动态特性，特别是因为它与宿主免疫张力和多种不同疾病过程的发病机制相关。新的临床应用需要考虑肺部微生物组的进化特性，在肺部微生物组中，共生和生态失调确实存在于一个谱系中。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41579-022-00821-x
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