母婴健康系列十四：菌群在呼吸道和口腔炎症和感染中的作用
炎症性和感染性呼吸道疾病是婴幼儿死亡率和发病率的主要原因之一。常见的呼吸道炎症和感染包括感冒、鼻窦炎、咽炎、中耳炎、支气管炎和肺炎等疾病，这也是儿童就诊最常见的原因之一。传统上，呼吸系统分为上呼吸道（鼻、鼻窦和口腔、咽和喉部声带以上的部分）和下呼吸道（喉部声带以下的部位、气管、支气管、细支气管和肺泡）。呼吸系统也被粘膜上皮所覆盖，正是在这个与外部环境相互作用的界面上，不同的微生物群落共同进化并定植下来。
口腔和呼吸道微生物群落通过竞争黏附位点、分泌抗菌物质和争夺营养物质等活性，直接对抗病原体，从而帮助宿主抵御不必要的微生物入侵。这些微生物群落也可以通过调节黏膜细胞的成熟、屏障完整性和免疫调节间接影响人类健康。
微生物定植开始于出生以前、出生期间和出生之后，在儿童期间不同的口腔和呼吸道生态位会形成不同的微生物群落。这些部位的微生物生态系统受多种因素的影响，比如分娩方式、喂养方式、宿主遗传学和年龄等。外部环境，比如社会地位、抗生素使用、疫苗接种状况、季节、父母吸烟、特定的社会接触模式（如日托、兄弟姐妹人数等）也对微生物群落有很强的影响。口腔和呼吸道生态位环境，比如温度、pH值、氧化还原电势、大气条件、盐度、上皮细胞类型等，也会影响每个部位的菌群组成和活性。此外，通过接触空气和食物，新的微生物不断地进入呼吸道和口腔。有些部位是多氧环境，比如舌头和颊面；而另一些部位为菌群提供厌氧条件，比如牙龈下斑块。此外，唾液流速和流量在口腔不同部位是不同，唾液流也决定了蔗糖和酸等分子从口腔中的清除速度，因此唾液流动会形成口腔细菌多样性的空间梯度，也是影响口腔菌群的另一个因素。新一代测序技术的进步，更是证明了呼吸道和口腔不同生态位的菌群组成的巨大差异。例如，在肺部也发现了一个正常的功能菌群，这与传统观点认为的健康下呼吸道无菌的观点形成了强烈的对比。
值得注意的是，人体中的微生物是附着在黏膜或其它表面的功能独特的微生物群落，并受到多糖、蛋白质和核酸聚合而成的基质的保护。换句话说，微生物几乎从来不以浮游生物的形式存在于体内，而是以生物膜的形式存在。生物膜结构对感染的发病机制、症状和治疗的直接影响不容低估。此外，由于细胞外环境的变化导致细菌进入宿主细胞形成细胞内细菌群落，能够使细菌在宿主内迅速繁殖并有助于细菌的持久性。
感染性疾病的经典观点认为，感染是由单一病原体引起的，比如细菌、病毒或真菌，而炎症是其临床表现之一。然而，这个“单一病原体”的观念已经不再适用于呼吸道和口腔的许多炎症和感染，因为反对这一观点的证据越来越强，临床和病理表现与多种微生物的存在有关。此外，越来越多的研究也发现，我们通常被归类为细菌性病原体的许多微生物实际上是呼吸道和口腔生态系统的正常定植者，只有当它们的生活环境受到干扰时才会变得具有毒性。虽然定植是大多数感染的先决条件，但仅凭定植本身是不够的，而许多病原菌的定植通常是无症状的。
如果病原菌是正常定植菌，那么当微生物群落受到干扰，比如由于代谢、遗传、生理或生态损伤而导致菌群失调，其组成或功能的变化可能变得有利于这些病原菌的过度生长并占据优势。根据宿主的状态，感染可能变得不可避免。越来越明显的是，大多数疾病实际上都是由于正常功能的菌群失调造成的。今天将讨论影响儿童的常见呼吸道或口腔疾病以及这些部位的菌群在其发病中的作用，特别是菌群失调在急性呼吸道感染、龋齿、牙周病和口腔念珠菌病中的作用。
急性呼吸道感染
影响儿童呼吸道特定部位的大部分炎症性疾病都是由急性感染引起的，比如鼻炎、鼻窦炎、扁桃体炎、咽炎、咽扁桃体炎、喉炎、中耳炎、肺炎等。儿童平均每年可能发生6-8次急性上呼吸道感染。下呼吸道感染，比如肺炎的发生频率要低于上呼吸道感染，但是通常比上呼吸道感染更严重。急性上呼吸道感染代表了一个巨大的社会经济负担。大多数呼吸道感染具有高度传染性，当出现高毒性毒株时，可能在人群中暴发，特别是在儿童人群中。
急性呼吸道感染通常是由病毒或细菌引起的。在儿童中，大部分急性上呼吸道感染是由病毒引起的。引起呼吸道感染的病毒有200多种，包括腺病毒、博卡病毒、冠状病毒、流感病毒、偏肺病毒、副流感病毒、呼吸道合胞体病毒和鼻病毒等。此外，许多细菌病原体也与呼吸道感染有关，比如肺炎链球菌、化脓性链球菌、卡他莫拉菌、流感嗜血杆菌、脑膜炎奈瑟氏菌、金黄色葡萄球菌等。
菌群的影响
呼吸道菌群
呼吸道不同部位的共生菌群是抵御呼吸道病原体感染、过度生长和入侵的第一道防线。因此，它们有可能影响对呼吸道感染的易感性。在儿童呼吸道发现的主要共生细菌属于棒状杆菌属、狡诈球菌属、黄杆菌属、梭杆菌属、嗜血杆菌属、莫拉氏菌属、奈瑟氏球菌属、丙酸杆菌属、普雷沃氏菌属、葡萄球菌属、链球菌属、韦荣球菌属等。除了呼吸道不同部位的菌群组成存在差异以外，菌群组成也存在较大的个体间差异和季节变化。呼吸道菌群中某些特定细菌成员的存在与呼吸道健康和疾病有关。例如，研究发现母乳喂养对上呼吸道感染的保护作用可能与鼻咽部狡诈球菌和棒状杆菌的存在和数量的增加有关。此外，生命早期呼吸道菌群的组成决定了细菌的演替模式并可能影响到生命后期的呼吸道健康。
病原菌的来源
各种细菌性病原体和呼吸道病毒的详细致病机制非常不同，这可从其主要的细菌定植或病毒复制位点和相关的免疫反应机制看出来。虽然一些病原体仅局限于呼吸道内的特定位置，但是大多数呼吸道病原体通常与整个呼吸道的急性感染有关。除了病原体与宿主的直接相互作用以外，最近的研究发现呼吸道菌群在急性呼吸道感染的病因学中发挥着重要作用。此外，鼻和鼻咽部的菌群也会影响病毒性感染的进程。例如，特定细菌成员可能影响宿主对特定病毒的反应。如前所述，许多引起儿童呼吸道感染的细菌性病原体实际上是呼吸道的常见定植菌。例如，肺炎链球菌被认为是儿童细菌性肺炎最常见的原因，经常可以从健康个体的鼻咽拭子中发现。人类鼻咽部被认为是许多其它与急性呼吸道感染相关的细菌性病原体的聚集地。
呼吸道菌群的致病性变化
呼吸道菌群组成的变化、病毒感染或宿主免疫因子的变化，可能影响无症状的鼻咽部细菌定植向呼吸道疾病的过渡。例如，细菌感染发生在病毒感染之前或与病毒感染同时发生的情况并不少见。此外，在婴儿期，病毒性上呼吸道感染时，鼻咽部菌群是感染向下呼吸道传播的重要风险决定因素。健康情况下，在下呼吸道发现的微生物很可能是通过唾液等从口腔不断流动到喉咙然后定植的，因为研究发现，健康的肺中的菌群与口腔菌群重叠较多，而与鼻或鼻咽部的菌群重叠较少。然而，据推测，在疾病期间，比如病毒性上呼吸道感染、过敏或鼻窦感染，从鼻腔流出的液体增加，将更多的微生物从鼻咽部运送到喉咙，包括鼻咽部病原体。这使得患者发生下呼吸道感染的风险升高。呼吸道病毒、细菌性病原体和呼吸道菌群的非致病性成员之间存在复杂的相互作用，既有协同作用，也有竞争作用，这也进一步支持呼吸道感染可能与多种微生物有关的观点。此外，在肺炎和中耳炎等疾病期间，黏膜表面可以检测到含有病原体的生物膜，提示生物膜的形成在疾病过程中具有一定的作用。总的来说，病原体的致病性可以通过细菌群落的变化而增强或减弱。
宿主和免疫系统的作用
对于某些炎症性呼吸道疾病，比如鼻窦炎和中耳炎，到底是由感染引起的，还是由无菌性炎症引起的，一直存疑。长期以来，鼻窦和中耳等部位通常被认为是无菌的。如果无法有效清除这些部位的黏液分泌物，分泌物可能积聚并引起面部疼痛或听力丧失等不适。无法有效的清除可能是由于进入通道的物理阻塞（例如息肉）或黏膜肿胀造成的。这种黏膜肿胀可能是这些部位的黏膜组织应对其它地方的急性感染而作出的炎症反应，或者是过敏性鼻炎等其它疾病的结果。由于黏液富含营养，这些部位对于某些微生物来说是非常有吸引力的。在健康个体中，纤毛上皮阻止了微生物的进入。然而，当黏膜纤毛系统受损（例如被呼吸道病毒感染时），这一抵御细菌入侵的主要机械防御机制就会被破坏。通常情况下，微生物进入这些部位可能快速生长并引起感染。这些部位分离出的最常见的细菌包括肺炎链球菌、流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌，化脓性链球菌、金黄色葡萄球菌或其它厌氧菌，比如普雷沃氏菌、卟啉单胞菌、梭杆菌和消化链球菌。复发性感染是由于鼻腔和鼻咽部的生物膜内病原体的不断脱落导致的，这些病原体能够到达鼻窦和中耳等细菌较难到达的部位并引起感染。
儿童特有的其它因素
一般来说，儿童是急性呼吸道感染的高风险人群。婴幼儿不成熟的免疫系统使得他们特别容易发生呼吸道感染。例如，特别严重的“链球菌性咽喉炎”常见于婴幼儿，因为他们还没有对化脓性链球菌产生任何保护性免疫。随着年龄的增长，人们对许多不同血清型的链球菌产生了适应性免疫反应（包括抗体的累积），感染变得不那么频繁。然而，必须指出的是，化脓性链球菌通常广泛分布于人类中，包括儿童，但通常是无症状的携带者。尽管如此，与成年人相比，儿童上呼吸道中这些潜在病原体的定植率更高，这也使他们更容易发生急性呼吸道感染。例如，儿童鼻咽部肺炎链球菌的携带率要高于成人，儿童为20-50%，而成人为5-20%。此外，儿童解剖结构的不成熟，也使得他们更容易发生急性呼吸道感染。例如，婴儿和儿童的咽鼓管（斜行在耳朵与咽部之间的管道）比成人短，成人的咽鼓管会在耳朵内股室腔之间呈现一个斜向下45度的夹角，但婴幼儿的咽鼓管几乎接近水平位，这使得微生物更容易通过咽鼓管趁虚而入，进入中耳并引起感染。
龋齿
与急性呼吸道感染相比，龋齿更容易被理解为一种多微生物的疾病，菌斑生物膜中多种细菌相互作用导致牙齿硬组织的破坏。根据第四次全国口腔健康流行病学调查显示，我国5岁儿童乳牙龋患率为70.9%，12岁儿童龋患率为34.5%。儿童龋齿常常发生在磨牙和双尖牙的颌面小窝、裂沟以及相邻牙齿的接触面。
菌群的作用
龋齿的病因学被公认为是多因素的，与正常功能的口腔菌群及相关生物膜的失调有关。最近的一项研究报告指出，与严重蛀牙的儿童相比，口腔健康的儿童的微生物多样性水平更高。
不良的饮食和口腔卫生往往与龋齿有关。致龋微生物最初在生命早期以低数量定植，随后在有利条件下可能大量繁殖并引起龋齿。例如，碳水化合物的摄入量增加与龋齿发生之间有很强的关联。碳水化合物发酵过程中产生的酸可以破坏牙釉质和牙本质，最终导致龋齿。其它事件，如pH值的变化、唾液成分和流速的变化、其它选择性营养物质的摄入，也会造成选择性压力，使微生物群向致龋性微生物转变。
微生物测序技术在龋齿儿童中发现了韦荣球菌属、隐秘小杆菌属、巨球形菌属、欧尔森氏菌属、黄杆菌属、奈瑟氏球菌、伯杰氏菌属、链球菌属、放线菌属和陌生菌属细菌，它们似乎在龋病发生中发挥重要作用。与普遍观点相反，变异链球菌并不是龋齿预测中唯一涉及的物种，高丰度的韦荣球菌也是儿童龋齿的一个很好的预测因子。变异链球菌是产酸的细菌，而韦荣球菌是一种能够代谢酸的细菌，表明龋齿发生中产酸细菌和代谢酸的细菌之间的代谢依赖关系。
牙周病
牙龈炎和牙周炎是儿童常见的牙周病。牙龈炎的字面意思是“牙龈发炎”，本质上是边缘牙龈的炎症反应。牙周炎包括牙齿周围或支持牙齿的组织（牙龈、牙骨质、牙周韧带和牙槽骨）的感染或破坏。牙周炎是破坏性的，通常是不可逆的，导致牙齿松动和移位甚至脱落。儿童牙周炎的发生通常与口腔卫生不良有关。虽然世界各地儿童牙周炎的患病率很高，但是儿童最初的损害是可以通过良好的临床管理得到逆转的。
菌群对发病的贡献
牙周病的主要病因是牙周组织中微生物菌斑的形成和发展。牙菌斑是微生物在牙齿表面以及牙齿与牙齿之间组成的生物膜，它们通过启动和传播宿主组织炎症反应，间接诱导大多数牙周组织损伤。炎症细胞浸润包括多形核白细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、浆细胞，它与急性和慢性细胞反应有关，包括胶原蛋白的大量丢失。牙周病的预防和治疗可以通过机械和/或化学抗菌治疗来实现，这一事实有力地支持了微生物在牙周病病因学中的重要作用。
儿童时期存在着一些解剖结构上的差异，比如牙龈间间隙大，这有利于微生物菌斑的沉积和生物膜的形成。有研究表明，当龈下菌斑中革兰氏阴性菌和厌氧菌数量增加时，就会发生牙周病。主要的定植菌与其它细菌共凝集的能力尤其独特，在早期和晚期定植菌之间充当桥梁的作用，促进生物膜的形成和成熟。一些主要的定植菌，比如具核梭杆菌具有粘附到哺乳动物细胞的能力，如成纤维细胞和上皮细胞。
虽然儿童患牙周病的风险和诱发因素各不相同，也没有很好的定义，但是导致儿童龋齿最重要的局部因素之一仍然是不良的口腔卫生习惯。当菌斑和食物残渣在口腔卫生不佳的情况下积聚时，微生物也会积聚起来，引发炎症过程。许多证据表明，牙龈炎先于牙周炎的发生；然而，并非所有的牙龈炎病例都会发展成牙周炎。因为牙龈菌斑的积聚并不足以导致牙周炎的发生。研究还发现了一些与牙周炎有关的细菌，但是与牙龈炎无关，包括普雷沃氏菌属、密螺旋体属和月形单胞菌属。
口腔念珠菌病（鹅口疮）
在呼吸道和口腔中，除了细菌以外，真菌也很重要，但却经常被忽视。在口腔中，它们也参与口腔生物膜的结构和功能。念珠菌是一种机会致病性真菌，在大多数健康口腔中大量存在。口腔念珠菌病或鹅口疮是一种口腔真菌感染，白色念珠菌一般占50%左右，其它念珠菌的报道也越来越多。
菌群对发病的贡献
口腔真菌菌群的研究目前还相对缺乏，因此很难对这些真菌有机体的作用得出结论。然而，随着口腔环境向有利于念珠菌生长和毒性的状态改变，念珠菌可能从无害的共生状态转变为致病状态。这些诱发因素通常与宿主免疫防御的减弱有关，例如医疗或牙科设备的使用、唾液流量减少、可发酵碳水化合物的摄入量高、内分泌失调、免疫抑制、抗生素使用或营养不良等。其它因素可能取决于年龄、免疫成熟、饮食和环境变化等。
念珠菌在口腔内的过度生长和占主导地位可导致上皮细胞脱落以及额外的微生物、角蛋白和其它蛋白质有时甚至是坏死的组织的积累。念珠菌的毒性与多种机制有关，包括通过各种细胞壁糖蛋白粘附在口腔表面、形成生物膜和在宿主组织内外定植、免疫细胞裂解、产生毒素或酶等。念珠菌是一种在不同环境下进化而茁壮成长的生物有机体，这些毒性因素与念珠菌从酵母形态到菌丝形态的转换的独特能力密切相关。多形态转换具有重要的致病意义，因为酵母形态允许其通过体液（比如唾液、阴道分泌物和肠液）在黏膜表面快速转运；与此相反，菌丝形态允许其在黏膜的特定区域快速附着、形成生物膜、清除营养物质并负责在黏膜表面诱导促炎症反应。
在健康个体中也能发现念珠菌的多种形态，甚至有证据表明念珠菌与细菌共存，在口腔健康中发挥作用。念珠菌与细菌之间通过物理、化学和代谢相互作用相关联。念珠菌是一种可以与口腔共生菌共凝集的生物，在其上可以形成口腔生物膜。这为细菌生物膜提供了一个保护环境，帮助它们抵抗唾液或吞咽物的清除，也使它们更不容易受到抗生素的影响。此外，由于白色念珠菌可以在好氧和厌氧条件下生长，当它利用口腔生物膜中有限的氧气时，就给厌氧细菌的生长创造了有利条件。念珠菌和细菌共同进化，并形成一种化学通讯系统（称为群体感应），允许细菌界和真菌界之间的信号传导，以影响生长、毒性和粘附等过程。白色念珠菌本身已经进化到可以利用各种碳源（比如蔗糖和葡萄糖以及不可发酵的乳酸）。一些研究认为，白色念珠菌的生长是由口腔中能够产生乳酸的细菌物种所刺激的，比如变异链球菌。
以菌群为靶点的治疗策略
就口腔健康而言，良好的口腔卫生是关键。儿童建立良好口腔卫生习惯的关键时期是3个月至3岁。因为随着生理变化（比如免疫发育和长牙）以及环境改变（比如饮食改变），口腔菌群在出生后的最初几年会发生显著变化。大多数卫生工作都是围绕着通过物理和化学方法减少口腔内微生物而展开。治疗口腔疾病的另一个优先事项是减轻任何可确定的诱发因素。一些简单直接的微生物管理策略，比如避免摄入过多的可发酵碳水化合物和在口腔清洁中适当去除牙菌斑，已被证明可以增强口腔健康和减少儿童龋齿的发生率。有效控制牙菌斑也是牙周病治疗成功的基础。应谨慎使用抗菌牙膏和漱口水，例如含有三氯生的产品，会破坏口腔菌群，甚至有研究表明三氯生还可以破坏肠道菌群，增加肠炎和肠癌的发生。
目前大多数用于维持婴幼儿人群呼吸道健康的方法主要包括疫苗和抗生素，旨在消除潜在的病原体。其中一些治疗策略更多地依赖于对病原体传播的预防控制措施，而不是实际治疗。例如，接种疫苗已经成功地帮助人们消除了特定血清型的肺炎球菌的感染。然而，这一策略是不可持续的，因为疫苗只能针对特定血清型的菌株，其它血清型可能迅速占据生态位。因此，肺炎球菌的总体携带率并没有下降，或者只是暂时下降。此外，使用特定的清除策略减少鼻咽部携带的特定病原体也可能为其它呼吸道病原体的定植提供机会。
由于病原体具有高度适应性，完全消除几乎是不可能的，还可能严重损害呼吸道和口腔菌群。例如，广谱抗生素在清除特定病原体的同时，正常的共生菌群也会受到影响。在儿童人群中，尽管许多呼吸道感染都是病毒性的，但是医生仍然常常会开具抗生素以预防继发性细菌感染。谨慎使用抗生素确实是有必要的，再加上有时可能鉴别病原体错误，一些看似无害的上呼吸道感染有时也会发展成严重的疾病，比如脑膜炎、败血症或风湿热。例如，抗生素治疗链球菌性咽喉炎的主要目的是预防儿童患者的非化脓性和化脓性的并发症，防止细菌向其它个体的传播。然而，由于过度使用抗生素而出现的抗生素耐药菌是一个严重的全球健康问题。因此，现在许多临床医生采取一种“观望”的非治疗方法来治疗大多数急性荨麻疹，因为大多数感染会自然痊愈。
在呼吸道和口腔中能够维持共生菌群的替代疗法是非常理想的。益生菌在预防呼吸道和口腔炎症和感染方面显示出较大的潜力。例如，口服益生菌可以减少某些致龋细菌物种的数量。此外，研究也表明，益生菌可以降低各种上呼吸道感染的风险。益生菌可以预防耳部感染的复发、减少抗生素处方的数量以及减少急性上呼吸道感染的学生患者因感冒而缺课的次数，表现潜在的临床应用价值。
结论
在儿童时期影响呼吸道和口腔的炎症和感染的病因学中，呼吸道和口腔微生物群落也起着重要作用。在呼吸道和口腔中，病毒以及细菌和真菌病原体与呼吸道和口腔微生物群落的非致病性细菌成员之间存在复杂的相互作用。人体这些不同的生态位之间的菌群组成和活性也存在巨大差异。许多与呼吸道或口腔疾病有关的细菌病原体实际上就是这些生态位的常见细菌居民。此外，各个部位某些特定细菌成员的存在也与呼吸道和口腔健康或疾病有关。总之，越来越明显的是，疾病可能是由于正常功能的菌群失调造成的。菌群紊乱导致呼吸道和口腔炎症和感染性疾病发生的观点可能为疾病治疗提供新的见解。儿童中经常发生的轻度呼吸道疾病是很自然的事件，在很大程度上与他们正在发育中的免疫系统有关。充分了解呼吸道和口腔菌群的组成和活性，通过靶向恢复菌群稳态，重建健康有益的共生关系，对于减少儿童呼吸道和口腔炎症和感染大有希望。