综述 | 微生物群和呼吸道（第二部分，推荐阅读）
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自细菌理论开始，我们就知道肺部不断暴露于吸入空气和上呼吸道的微生物群。最近，使用非培养的微生物鉴定技术已经证实，健康和疾病的肺都含有不同的微生物生态群体。这种揭示对呼吸健康以及传染性和非传染性肺病长期以来的发病机制的许多假设提出了挑战。认识到呼吸道是一个动态生态系统，为肺微生物学领域注入了新的假说,以及疾病发病机制的新概念模型。
肺微生物学的这场革命促使人们对定义的要求越来越明确和严格。“微生物组”一词在2001年由Joshua Lederberg首先提出，他用它来指“共栖的，共生的，和致病微生物的生态共同体，它们真正地共享我们的身体空间”. 微生物组作为一系列（例如“宏基因组”，“蛋白质组”，“代谢组学”）之一，最初仅指宿主体表和体内的微生物群。不幸的是，这个词与用于描述一个地点的“微观的生物群落”的生态学术语拼写相同：the micro-biome versus Lederberg’s microbe。对于本文，我们使用术语“microbiota”来表示从一个部位收集微生物。微生物组，我们指的是占据一个部位并受到该部位环境压力影响的微观细胞，病毒和噬菌体组成的群落。微生物组包括微生物和宿主细胞，以及调节这些细胞相互作用的生物和非生物因子。人们对病毒、噬菌体和真菌对肺微生物组的贡献知之甚少；因此，我们的讨论主要局限于细菌。
原名：The Microbiome and the Respiratory Tract
译名：呼吸道的微生物群（微生物群和呼吸道）
期刊：Annual Review of Physiology
IF：15.754
发表时间：2016年
通信作者：Robert P Dickson
通信作者单位：Division of Pulmonary and Critical Care Medicine, Department of Internal Medicine, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, Michigan
4 健康的呼吸道微生物组
4.1 肺微生物组的起源和发展
在子宫内，肺中充满了羊水，历来被认为没有细菌。最近使用的非培养技术已经揭示了细菌DNA是存在于羊水和胎盘样品，增加了产前肺微生物群落发育的可能性。具有挑战性的是，这些检测到的细菌的分类分布与其他身体部位相比更接近口腔的分布。但迄今为止，没有研究通过培养或转录组学方法证实胎盘微生物组的可行性，并且该发现的临床和发展意义还不确定。
分娩后立即出生的新生儿的微生物群与他/她的母亲相似，并且与分娩途径有关。新生儿的微生物在整个身体分布是相对均匀的，但很快（在几天和几周内）分化为器官特异性的群落。幼儿的肠道菌群是高度动态的，在大约3岁左右稳定下来，与成人类似，这是一种群落成熟模式，在上呼吸道的微生物群也得到了概括。尚未对下呼吸道微生物群进行类似研究。上呼吸道的微生物群受到母乳喂养，日托照护和抗生素治疗等暴露因素的影响。
4.2 健康呼吸道微生物组的组成
对健康肺微生物组采用非培养的研究在其分类群中是一致的。最丰富的门是拟杆菌门和厚壁菌门；最突出的属包括Prevotella，Veillonella，和链球菌。与身体其他部位相比，肺的菌群更接近于口腔（其主要来源）。一些报告已经确定相对于口腔，在健康的肺中相对富含Tropherymawhipplei，这意味着特定位点的繁殖和选择性生长，但这种生物至多只占健康肺细菌群体的一小部分（～1％）。健康受试者在肺部和口腔微生物群相似性方面差异很大；不确定这种变异是长期存在的，还是与食管反流，喉功能障碍和口腔卫生等临床现象有关。大多数生理微吸入发生在睡眠期间，当受试者仰卧，喉部保护和咳嗽反射减弱时，这似乎是合理但未经证实的。口腔-肺微生物相似性可能是昼夜节律的，在夜晚达到高峰，在白天逐渐减弱，当微生物迁入减慢和消除增强时。
4.3人类呼吸道的空间变异
虽然肺部微生物群在肺部（和肺叶）中有相当大的差异，但健康肺的微生物群在单一的呼吸道是相对均匀的。考虑到健康的肺环境在细菌生长条件中包含相当大的空间变化，这意味着在健康肺微的微生物群更多地由微生物迁入和的平衡决定的，而不是局部生长条件（图2a）。正如肺生物地理岛屿模型所预测的（图2b），群落的丰富程度随着与口咽主要来源社区距离的增加而减少。
健康人的肺微生物组是否在地理上有所不同尚未确定。一项研究针对美国八个城市的健康受试者的肺微生物群的研究没有发现有地理上的聚集，并在英国的志愿者检测到的最丰富的菌群组成与健康的美国人相似。人类胃肠道的微生物群在国际上进行研究时，呈现出相当大的地理变异，但迄今为止对健康志愿者下呼吸道的研究仅限于西欧和北美。
5 病变肺的微生物组
5.1 哮喘
从对哮喘患者肺部微生物群的众多研究中，有两个令人振奋的观察结果。首先，过敏性哮喘的发展与儿童时期的微生物菌群的改变有关。其次，肺微生物群的差异与患者的临床过程和对治疗的反应性有关，可以定义一种未被研究的疾病变异。儿童暴露于微生物，胃肠道和咽部微生物的改变，以及随后的哮喘发展之间，有一个清楚且一致的关联。总的来说，细菌暴露和细菌多样性的增加对哮喘的发展起到了保护作用，尽管在儿童呼吸道微生物群中存在特定的潜在致病性细菌已经与哮喘呈正相关。但一旦哮喘形成，其与改变的气道微生物群的关系是不容置疑的。在哮喘患者中，呼吸微生物组的特征与气道反应性以及机体对皮质类固醇和大环内酯类抗生素的生理和临床反应相关。最近，对非嗜酸粒细胞性哮喘（一种反应性气道疾病，缺乏大多数哮喘患者中发现的TH2伴随的气道炎症）的研究兴趣增加。与嗜酸性粒细胞性哮喘患者相比，非嗜酸细胞性哮喘患者更常发生严重恶化，对糖皮质激素的反应更差。最近研究人员认为，哮喘的这种表型可能是由微生物菌群紊乱所驱动的。
5.2 COPD
与哮喘不同，在哮喘患者中，即使是轻度疾病的患者，其呼吸道微生物群也有明显的改变，而轻度和中度慢性阻塞性肺病患者的气道微生物群与健康志愿者的呼吸道菌群是难以区分的。然而，一旦COPD进展为重度，（通常为FEV 1低于预计值的40-50％），气道微生物也在不断改变。对晚期慢性阻塞性肺病患者的大多数研究都观察到，菌群从拟杆菌门向变形菌门转变，包括熟悉的潜在致病菌(例如，假单胞菌属，嗜血杆菌)，有时是厚壁菌门。最近的一些观察结果提示，呼吸道真菌的存在— 所谓的“真菌生物群落”—可能部分是COPD的原因或后果。慢性气道定植与肺孢子虫病有关，与COPD阻塞的严重程度相关，最近一项基于测序的调查表明其他真菌种类在COPD气道中富集。烟曲霉菌是另一种常见的真菌病原体，常见于COPD患者的痰液中；对曲霉菌的致敏作用与肺功能恶化显着相关。
5.3 嚢性肺纤维化
从早期对该疾病的描述来看，CF中呼吸微生物群与疾病进展之间的关系是没有争议的。到了青春期，几乎所有的CF患者都会在痰中出现呼吸道致病菌，不管是在临床稳定期和病情加重期间。虽然病情恶化期长期以来被认为是病原体感染事件，两个大型试验发现病情恶化期间患者对抗生素治疗的临床反应与其培养的微生物体外对抗生素的敏感性之间没有可检测的联系。加重期患者接受抗生素的临床反应与培养确定的痰细菌负荷的变化无关。因此，即使在培养技术出现之前，有证据表明气道微生物群与CF发病机制之间的关系比简单单一气道感染的关系更为复杂。早期通过培养的研究显示痰中微生物多样性远远超过通过培养所得到的。通过扩增转录的RNA和先进的培养技术证实了许多微生物的生存能力。痰菌群的群落多样性随着年龄和疾病严重程度而降低，虽然这种多样性的丧失与累积抗生素暴露的相关性最密集。
5.4 支气管扩张
非CF支气管扩张的气道微生物组没有像CF那样被广泛研究。一类似于其它慢性气道炎症性疾病的微生物群，支气管扩张的微生物群相对富含变形菌门，而显著的菌群成员（嗜血杆菌属和假单胞菌属）的相对丰度与基质金属蛋白酶的浓度显著相关，其与不可逆性气道疾病的进展有关。重要的是，支气管扩张患者的微生物群落在其临床基线上的群体组成预示随后的恶化频率，这种关联在限于基于培养的结果时是无法检测的。
5.5 肺移植
肺移植显著改变了呼吸生态系统的地形和群落动态。移植会影响迁入（通过增加反流和误吸），消除（通过减弱/缺乏咳嗽反射和侵略性全身免疫抑制），以及局部生长条件（预防肺孢子虫选择性的压力）。移植后第一年死亡的主要原因是感染，在随后的几年中因闭塞性细支气管炎综合征（BOS）形成的慢性排斥所替代。四个研究报告迄今曾用非培养技术研究了移植肺的肺微生物组。结果表明，与健康对照组相比，移植后的细菌负荷更大。所有人都发现，群落的富集与变形菌，通常是假单胞菌属和其他熟悉的肺相关类群的成员。尽管大多数研究报道移植后，BAL微生物群的菌群多样性降低，但我们观察到，菌群多样性下降局限于活动性呼吸道症状患者，当分析仅限于无症状患者时并不存在，且与急性感染（增加的细菌负荷，BAL中性粒细胞增多和阳性培养生长）的治疗措施密切相关。这些关联说明了适用于所有肺微生物组研究的关键因素：受试者的临床状况—特别是急性感染的存在或不存在—必须被认为是微生物组分析中的关键潜在混杂因素。患有呼吸系统感染的患者应该系统地排除在慢性肺病研究之外，或者与临床稳定的患者分开进行分析。
5.6 特发性肺纤维化
尽管细菌在传统上与特发性肺纤维化(IPF)的发病机制没有关系，但最近的临床观察和非培养的研究已经引起了广泛的兴趣，认为微生物组有助于疾病的发展。cotrimoxazole（磺胺甲恶唑的一项随机对照试验发现，在接受抗生素治疗的IPF患者中死亡率降低，而PANTHER试验表明IPF患者接受免疫抑制的死亡率增加。近期的两项研究证实了肺微生物组与IPF预后之间的关联。Han等人观察到特定微生物群落成员（葡萄球菌属和链球菌属）的相对丰度与疾病进展呈正相关。
5.7 肺炎
临床微生物学实验室的基于培养的方案不是为了鉴定健康肺中的细菌，而是为了确定是否存在急性感染。通过与非培养技术的检测比较表明，虽然偶尔有例外，这种检测方式可很好地完成了这项工作。尽管我们已经发现罕见的培养阴性肺炎，但肺炎患者的BAL培养和非培养的检测通常是一致的。虽然足够深度的测序的可在肺炎患者的BAL识别许多额外的细菌种类，占主导地位的致病物种通常构成绝大多数(74%或以上)被检测到的序列。一些长期以来对肺炎微生物学的认识仍然是正确的：大多数肺炎是由单一病原体引起的，大多数（但不是全部）病原体可通过细菌培养有效鉴定。然而，肺微生物组的发现已经使我们对肺炎发病机制的认识有所改变。传统的肺炎发病机理模型反映了在健康个体中肺是无菌的假设：一种致病物种的接种物进入下呼吸道，打破宿主防御，并且导致单个细菌物种的快速和无限制的生长。认识到肺部是一个充满活力的生态系统已经对这种模式提出了挑战。在一种特定的肺炎中确定的致病物种仅仅是进入下呼吸道的许多致病物种之一，其各自具有其自身的正向和负向生长因子。在许多健康志愿者的研究中，已经在无症状，未感染受试者的下呼吸道中鉴定出潜在的病原体。而不是反映病原体对无菌空间的侵袭，肺炎是一种微生物多样性低，微生物生物量高，以及由于生物多样性内稳态引起的宿主炎症等突发现象，而不是病原体侵入无菌的空间。
6 主要概念和模型
6.1 肺部疾病的生态失调-炎症循环
在迄今研究的每种肺部疾病中，与健康对照相比，肺微生物组发生改变。肺部微生物的改变是否会导致肺疾病的进展，还是仅仅是肺生长环境改变的次要结果？我们提出了一个宿主—微生物组界面的模型： 生态失调－炎症循环，这承认改变的肺微生物组和宿主反应之间这种关系的双向性（图4）。呼吸道中的任何来源的炎症都会引发一连串的宿主反应，改变呼吸道的微生物生长状况。气道壁渗透性的增加和粘液的产生增加为通常贫乏的肺部环境提供营养供应。肺泡内儿茶酚胺和炎性细胞因子的产生促进了选择性细菌种类的生长（例如，铜绿假单胞菌，肺炎链球菌，金黄色葡萄球菌，洋葱伯克霍尔德氏菌复合物），而炎症细胞的募集和激活则杀死并清除具有变异特异性的细菌。粘液可以增加温度，降低氧张力，有选择地利于疾病相关微生物的生长。这些对微生物生长条件的多重影响导致呼吸微生物群落紊乱和失调。群落成员向具有增强的免疫原性的物种的转变使气道和肺泡暴露于与病原体相关的分子模式和微生物代谢产物，从而引发进一步的炎症，进而进一步改变气道生长条件。因此，自我放大的反馈循环使呼吸炎症以及推动它紊乱的微生物群持续存在。重要菌落成员的直接损伤，微生物行为的改变以及炎症反应失调的间接影响都可以造成气道和肺实质的组织损伤。
6.2 呼吸道恶化不是急性呼吸道感染
呼吸道急性感染在不依赖于培养的分析中具有清晰直观的特征：细菌负荷升高，菌群多样性下降。该领域的启示是慢性肺部疾病的彻底和持续恶化缺乏这些定义特征。对三种不同的疾病（COPD，CF，和支气管扩张）八个非培养的研究比较了病人的呼吸道标本在临床稳定期和疾病恶化期的表现。所有人都报告了相同的发现：在恶化期间，细菌负荷或菌群多样性没有变化。这一发现与急性加重期和呼吸道感染之间的许多明显的临床差异是一致的（例如，体外药物敏感性和治疗反应之间缺乏相关性，缺乏与败血症的相关性，对抗生素不敏感或缺乏反应性）。这些发现并不意味着呼吸道微生物群不会参与恶化的发病机制。相反我们建议，与呼吸道感染相反，恶化是呼吸系统生物失调的急性加重：呼吸系统生态失调和调节异常，以及宿主免疫反应失调，从而对宿主生物学产生负面影响。上述研究显示，在恶化时，患者气道中的细菌群落从拟杆菌（健康受试者肺部群体中最丰富的门）转移到变形杆菌和其他疾病相关分类群。炎症性刺激（例如病毒感染，过敏性暴露）引发急性加重，引发了一系列的宿主炎症反应，加速了图4中描绘的生态失调－炎症循环。只有在正反馈回路切断后才能恢复平衡。这种恶化病机的生态学模型提供了一个合理解释，为什么在直接暴露于炎性沉淀物后，气道炎症的加剧会持续很长时间。
图 4
注：生态失调-炎症循环。气道炎症通过正负选择性压力改变气道微生物的环境生长条件。无序的生长条件导致了一个无序的微生物群落，通过病原体相关的分子模式(PAMP) -模式识别受体(PRR)相互作用，通过微生物代谢物向白细胞和上皮细胞发出信号，通过其他途径引发进一步的气道炎症。这种级联导致气道炎症和呼吸困难的自我放大循环。
6.3 肺炎是由呼吸生态系统复杂适应系统引发的一种急性现象
在我们对肺炎的传统认识中，任何几个关键因素（细菌接种物的大小，病原体的毒力，宿主防御力）的变化应该与感染的频率和严重程度产生成比例的，可预测的变化。然而，这个模型预先假定了一个线性系统的发病机制，在这种机制中，其中初始条件的小变化会产生相应的小的结果变化。然而，从现代生态学的角度来看，从呼吸生态系统的复杂适应系统中突然出现肺炎（不可预测地）。复杂适应系统的定义是存在不同的实体，这些实体在公共空间内相互作用，相互依赖，并且具有适应条件变化的能力。与线性系统不同，复杂自适应系统不支持简化模型，并且通过计算技术（如基于代理的建模）可更好地建模。肺炎的现代方法将试图解释急性感染（高细菌生物量，低菌落多样性）突发的生态秩序是如何从先前生态系统的动态稳态中出现的。以上讨论的宿主反应和微生物生长的自我加速正反馈回路的识别对于推进这种基于系统的肺炎发病机制的理解至关重要。