健康和呼吸系统疾病中的肠道-呼吸道微生物组轴
The gut–airway microbiome axis in health and respiratory diseases
Review article,2024-5-22,Nature Reviews Microbiology,[IF 69.2]
DOI:https://doi.org/10.1038/s41579-024-01048-8
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41579-024-01048-8
第一作者:Mustafa Özçam
通讯作者:Susan V. Lynch (susan.lynch@ucsf.edu)
主要单位:
美国,加利福尼亚州,旧金山市,加州大学旧金山分校,医学系,贝尼奥夫微生物组医学中心
- 摘要 -
肠道与远端器官(如大脑或心血管系统)之间的交流已经得到了很好的证实,最近的研究为潜在的双向肠道-呼吸道轴提供了证据。动物和人类研究的观察结果表明,呼吸损伤会影响肠道微生物组的活性,肠道微生物组产生的微生物配体和代谢产物会影响呼吸免疫。这两个大粘膜表面区域之间的信息交换调节微生物-免疫相互作用,对一系列呼吸系统疾病(包括哮喘、慢性阻塞性肺病和肺癌)的临床和治疗结果具有重要意义。在这篇综述中,我们总结了这一领域的最新数据,提供了肠道-呼吸道串扰机制及其与呼吸健康的相关性。
- 引言 -
长期以来,呼吸道健康一直与细胞(细菌、真菌)和非细胞(病毒)微生物病原体的存在和活动有关,这些病原体具有破坏上皮屏障和引发炎症反应的能力。虽然这些微生物与宿主的相互作用仍然是急性和慢性呼吸道感染和疾病的基础,但越来越多的证据表明,呼吸道粘膜反应不仅受局部呼吸道微生物的控制,还受到肠道微生物群活动的影响。最近的证据表明肠-呼吸道轴可能是双向的,呼吸道感染和慢性呼吸道炎症也会影响肠道微生物群的组成,特别是肠道微生物的代谢活动,从而对呼吸系统健康产生长期影响。
呼吸道和肠道微生物组可以通过相关细胞及分泌的化合物调节远处粘膜部位的免疫。这些微生物产物通过信号通路塑造免疫功能,包括Toll样受体、核苷酸结合寡聚化结构域样受体和G蛋白偶联受体(GPCR)。微生物衍生的代谢物也影响表观遗传修饰,导致对宿主细胞转录活性的更持久的调节控制。这种在一个粘膜部位的相互作用可以通过迁移免疫细胞和循环抗原影响远端粘膜免疫功能。此外,微生物和微生物衍生的产物可以直接或通过细胞外囊泡进入循环,细胞外囊泡是一种小的脂质结合颗粒,可以携带免疫调节因子,并且可以在人体的各个部位检测到。因此,该领域近期的研究重点在于了解肠道-呼吸道轴上的微生物如何感知并响应吸入和摄入的环境信号,并通过与宿主局部和系统免疫的动态相互作用来影响呼吸健康。
基于人群肺部疾病的人类微生物组研究表明,存在与特定疾病内源性相关的独特微生物定植模式和代谢特征。这些研究还确定了影响呼吸系统疾病风险的暴露因素,其中大多数已知对胃肠道最终和呼吸微生物组功能和活动施加强大的选择性压力。至关重要的是,最近的观察性人体研究也揭示了早期肠道和呼吸道微生物定植与儿童后期呼吸道健康结果之间的关系,这大大扩展了我们对肠道-呼吸道轴和发育时期调节宿主免疫的微生物策略的理解。提高对肠道和呼吸道中微生物-宿主相互作用的理解,为呼吸系统疾病的预防和治疗提供了一个新的框架。本文综述了有关肠-呼吸道串扰及其对人体健康的影响的最新文献。特别讨论了肠道和呼吸道微生物群的早期发育以及已知的肠道微生物群影响呼吸道免疫功能的机制,重点是呼吸道病毒感染。这两个大粘膜表面的微生物-宿主相互作用对呼吸健康至关重要,不仅因为它们提高了我们对疾病异质性的理解,还因为它们揭示了呼吸道和肠道微生物组中肺部疾病的治疗靶点。
- 肠道和呼吸道微生物群的发育 -
早期对肠道和呼吸道的独立研究证据表明,在出生后两种粘膜表面都迅速被微生物定植。虽然远端肠道拥有人体中数量最多、种类最多的微生物组,但沿着胃肠道长度可以观察到微生物系统发育的清晰的区隔化,这反映了每个胃肠道生态位中存在的特异性功能(例如咀嚼、消化和吸收)和相关的内在生态系统条件(例如粘蛋白分泌和免疫反应)。尽管呼吸道的微生物负荷和多样性明显较低,但它也表现出微生物生态位特异性,其中鼻咽部的微生物丰度最高。健康个体进入下呼吸道后,微生物负荷降低(图1)。人类肠道和呼吸道都表现出不同的环境微生物定植条件,具有明显不同的氧水平、营养物质可用性和pH值,这有助于建立特定生态位的微生物组和免疫系统相互作用。
图1 | 肠道和呼吸道中微生物系统发育的区室划分
呼吸道和胃肠道都表现出微生物生态位特异性,每个生态位都有不同但相对可复制的微生物丰度和特异性定植的属。在健康个体中,肺部微生物组的组成是由微生物迁移和消除之间的平衡决定的。莫拉氏菌、嗜血杆菌、葡萄球菌、棒状杆菌和链球菌属是人类上呼吸道最常检测到的优势属。在胃肠道中,微生物负荷从近端到远端逐渐增加,胃的菌落形成单位约101至103 CFUs ml-1,远端菌落为1010至1012 CFUs ml-1。人类胃中的微生物多样性是有限的。胃腔的低pH值限制了可以定植的微生物类型,选择了耐酸细菌种群,如普雷沃氏菌、链球菌、韦荣氏球菌属和罗氏菌。从小肠到结肠,氧气水平逐渐降低,主要促进拟杆菌、梭状芽胞杆菌、肠球菌和乳杆菌的定植。结肠中的定植以拟杆菌、普雷沃氏菌、阿利斯提氏菌、另枝菌和瘤胃球菌为特征。每个生态位测量细菌密度的单位是不同的;鼻腔和鼻咽部的密度测量显示为每个鼻拭子的估计细菌数量,口咽部和肺部的密度分别表示每毫升口腔洗液或支气管肺泡洗液的估计细菌数量。NA,没有可用数据。
在人类中,粪便微生物群的发育发生在生命的最初几年,其特征是由厚壁菌门和拟杆菌门的成员主导,通常在3岁前可以观察到。然而,肠道微生物组的功能进化持续整个童年,直到成年和老年,并与健康状况有关。例如,血液循环中微生物衍生的氨基酸在不同人群中存在差异,并已被证明可以预测老年人的存活率。已经确定多种环境因素,包括抗菌素给药、饮食、季节、母体微生物组、胎龄、分娩方式、宠物或农场暴露、微生物感染,都会影响肠道和呼吸道中微生物组的组成和功能(图2)。这些暴露,加上内部特定生态位条件、微生物-微生物和微生物-宿主的相互作用,导致在特定的呼吸道和肠道生态位中明显存在相对少量的可再生微生物群组成,这些微生物群依赖于年龄并与呼吸系统疾病的结局有关。
图2 | 影响人类肠道和呼吸道微生物群在一生中发育的因素
环境因素,包括产妇压力、胎龄和分娩方式,影响着新生儿和生命早期人类微生物组的组成,进而影响着生命早期关键的“机会之窗”期间的免疫发育(黄色阴影)。生态因素,包括优先效应(指微生物在生命早期到达生态位的初始顺序或时间)、微生物-微生物-宿主相互作用和微生物生长速度也影响微生物组的发育。肠道微生物组(绿色阴影)在生命早期多样化,通常在16岁时系统发育稳定。呼吸道中的微生物组成和丰度(紫色阴影)在整个生命周期中是动态的,并受到季节、病毒感染、反流、吸入和微生物竞争等因素的影响。在整个生命过程中,肠道和呼吸道微生物组的功能进化继续受到饮食、位置和抗微生物环境暴露等因素的影响,并对健康状况产生影响。NICU,新生儿重症监护病房。
对人类呼吸道微生物群发育的纵向研究很少。然而,少数研究提供了有趣的证据,表明生命早期微生物群的发育也发生在上呼吸道,幼儿期不同的呼吸微生物群轨迹与母亲免疫状态、可遗传微生物和新生儿免疫的表观遗传修饰有关。早期上呼吸道微生物群的组成可以预测婴儿呼吸道感染和支气管扩张的加重,支气管扩张是一种慢性肺部疾病,呼吸道扩大,增加感染的风险。更具体地说,由莫拉氏菌、嗜血杆菌或链球菌组成的婴儿上呼吸道微生物群与儿童后期病毒性发热感染、随后的过敏和复发性喘息发展的风险增加有关。体外和体内研究表明,短链脂肪酸(SCFA)和产生SCFA的微生物也可能导致呼吸道疾病,例如囊性纤维化,它们会降解粘蛋白,进而为无法在肺部有效获取营养底物的病原体提供营养。
人类出生队列研究表明,非常早期的生命暴露,包括产前和产后早期的经历,如产妇产前营养、逆境和压力以及剖腹产,都会影响肠道和呼吸道微生物群,以及肺部疾病的风险。更大规模的人体研究表明,相对少量的微生物群组成在特定的身体部位是明显的,并与年龄、长期饮食暴露以及更重要的呼吸健康状况等因素有关。这些数据表明,新生儿呼吸道微生物定植和微生物群发育的差异有助于这些结果。迄今为止,呼吸道微生物群促进呼吸道疾病发展的机制在很大程度上仍然未知。
方框1 | 研究下呼吸道微生物组的技术挑战
虽然上呼吸道微生物群相对容易获取和取样,但从下呼吸道采集标本具有挑战性,通常基于支气管肺泡灌洗或咳痰。这两种下呼吸道取样方法都有被口腔和上呼吸道微生物交叉污染的高风险。然而,一些研究表明,正确执行支气管肺泡灌洗取样,并保护标本刷洗,受到上呼吸道微生物污染的影响最小。
远端呼吸样本通常含有厌氧性口腔微生物的DNA特征,包括普雷沃氏菌和韦荣氏球菌成员,尽管与在口腔或上呼吸道中观察到的负担相比要低得多。由于口咽部和气管支气管树是相邻的,因此对下呼吸道样本口腔污染的担忧是合理的。然而,一项关键研究使用手术采集的肺样本评估了轻度至中度慢性阻塞性肺疾病患者的肺组织微生物群。这项研究在肺组织中检测到典型的口腔和鼻腔细菌,证实误吸是下呼吸道微生物种类的主要来源。低浓度的呼吸道微生物核酸也使微生物组分析方法(如鸟枪宏基因组学或转录组学)具有挑战性,阻碍了呼吸道微生物组与呼吸系统疾病之间关系的功能评估。
尽管大多数肺部疾病都表现在下呼吸道,但这个区域也更难取样(框1)。尽管如此,有证据表明,人类下呼吸道的微生物群更接近口咽微生物群,而不是吸入空气、鼻咽或下胃肠道的微生物群。在成人中,下呼吸道的细菌负荷(即细菌的数量,不同于细菌的多样性)可预测特发性肺纤维化的死亡率和疾病进展,以及支气管扩张患者对吸入抗生素的反应性。痰液微生物群多样性也被发现可以预测慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者的死亡率。机械通气患者肺和肠道微生物群多样性的降低与生存率降低有关,肺部细菌负荷的增加预示着肺移植患者的慢性排斥和死亡。因此,虽然数据较少,但仍旧表明呼吸道微生物组在生命早期发育,上、下呼吸道的局部呼吸道微生物定植与整个生命过程中的呼吸系统疾病发展和结果呈现持续的关系(框2)。这些研究强调肠道和呼吸道内的微生物组状态与年龄、环境因素和呼吸道疾病有关。数据还表明,更精细的微生物组谱分析工具,如鸟枪法宏基因组学、非靶向代谢组学和蛋白质组学,与免疫谱分析同时应用,将能够更精确地评估疾病风险,并促进将患者分层为不同的内型,从而实现针对其微生物免疫功能障碍的专门干预。
方框2 | 产前和生命早期微生物组-免疫系统的相互作用影响呼吸健康
产前阶段是胎儿免疫发育的基础。在人类中,胎儿免疫激活和记忆发育在妊娠中期很明显,在胎儿肠道中观察到多种T细胞效应物记忆表型。胎儿免疫发育的机制包括免疫球蛋白、细胞因子、代谢物、细胞外囊泡和抗原微嵌合细胞的经胎盘转移。对人类胎儿肠道组织的研究表明,与活菌的接触可能发生在子宫内,这已被证明可促进转录反应,包括上皮抗微生物基因的表达和记忆T细胞编程。肺功能的纵向研究表明,7岁前诊断为哮喘的儿童在新生儿时表现出明显的气流缺陷,最终在幼儿期进展。因此,很大一部分(40%)与哮喘相关的肺功能缺陷出现在出生时,在幼儿期还会出现进一步的下降。这导致了一种假设,即致病性呼吸道和/或肠道微生物群的发育,部分由产前暴露引发,可能是导致这一人群新生儿肺功能缺陷的原因。
新出现的证据表明,导致儿童慢性呼吸道疾病的轨迹可能始于怀孕期间,与产前使用抗微生物药物、感染和营养不足等破坏微生物组的暴露有关的风险增加。对母婴二联体的研究提供了证据,表明母体产前免疫状态与后代的呼吸系统疾病有关。此外,母体产前免疫状态与脐带血单个核细胞上的特定甲基化标记有关。已知大多数这些表观遗传修饰的基因座是抗菌反应元件,这些婴儿呼吸道微生物群的纵向抽样和分析进一步揭示了新生儿抗菌免疫功能的缺陷与呼吸道微生物群发育改变有关。
在慢性呼吸道疾病的背景下,生命早期微生物定植与后天免疫培养之间的相互作用引起了人们相当大的兴趣。母体微生物群是新生儿微生物种类的主要来源。代际微生物传播可能在儿童时期慢性呼吸道疾病的发展中发挥关键作用,大多数证据来自过敏和哮喘的出生队列。哮喘发生风险高或低的新生儿表现出明显的胎粪微生物群和延迟的肠道微生物群多样性。最近一项关于母婴双体的研究表明,产前阴道微生物群的组成与母亲的饮食和压力水平有关,而可遗传阴道细菌的差异,即配对阴道和婴儿粪便样本之间共享的细菌,与母亲和婴儿的特应性状态有关。这些数据提供了第一个证据,表明从母亲传给孩子的遗传微生物功能可能会影响幼儿期的免疫功能和呼吸道疾病的风险,这一框架很可能适用于其他儿童呼吸道疾病。此外,肠道微生物组与呼吸道健康之间的关系在整个童年和成年时期都保持着,这表明产前和产后早期的微生物暴露和定植事件可能会影响长期的呼吸道健康。多项研究表明,成人呼吸道和肠道微生物组与成人一系列呼吸系统疾病有关,包括慢性阻塞性肺病、囊性纤维化、SARS-CoV-2严重程度、结核病和肺癌。
- 肠道-呼吸道串扰机制 -
微生物群在局部和系统的免疫系统的教育、发育和功能中起着至关重要的作用。有几个因素已被证明沿肠-肺轴发挥其功能,包括微生物来源的免疫调节代谢物的全身传播、细胞外囊泡和免疫细胞的表观遗传修饰。微生物衍生的免疫调节代谢物研究得最好的例子可能是SCFAs,它是肠道微生物代谢最丰富的产物之一,在免疫调节中起重要作用。
饮食对肠道微生物群的形成有很大的影响。反过来,微生物宏基因组,特别是由远端肠道微生物组编码的基因库,决定了饮食来源的微生物代谢物的产生,这些代谢物调节了局部和远程免疫功能。值得注意的是,与实验室小鼠相比,自由生活的哺乳动物,如野生小鼠,具有更高的免疫激活,而被病原体感染的实验室小鼠表现出更接近自由生活动物的免疫特征。
小鼠研究表明,通过口服引入约氏乳酸菌介导的肠道微生物代谢重编程可保护小鼠免受呼吸道合胞病毒(RSV)的急性呼吸道感染。约氏乳杆菌介导的呼吸道保护表现为:呼吸道T辅助细胞对2型细胞因子IL-4、IL-5和IL-13的表达降低,树突状细胞活化减少,调节性T(Treg)细胞频率增加。值得注意的是,只有补充了约氏乳杆菌的动物在呼吸道RSV感染时才表现出快速产生多种抗炎脂质的能力。这表明口服约氏乳杆菌导致小鼠肠道微生物组产生或刺激抗炎脂质的能力发生变化,从而下调对病毒感染的炎症反应并减轻呼吸道病理。此外,呼吸道免疫反应的重新编程可以在RSV感染前暴露于二十二碳六烯酸(一种多不饱和脂肪酸(PUFA),发现在补充了L. johnsoni的小鼠血浆中高度富集)的小鼠骨髓源树突状细胞中重现。在人群中,一项大型随机临床试验表明,产前补充Omega-3长链PUFA和/或维生素D导致1个月大的婴儿呼吸道中与补充相关的微生物群发生变化,但没有改变婴儿粪便或产妇阴道微生物群,这表明产前补充的PUFA主要对呼吸道中的微生物定植产生影响。后一种观察指向免疫代谢,定义为通过不同的细胞代谢程序调节免疫细胞功能,作为一种策略,微生物可能通过这种策略塑造全身免疫,从而决定定植景观和微生物-宿主相互作用。免疫代谢处于代谢信号和细胞命运的交叉点,它为肠道微生物群如何塑造肠道和远端呼吸道的免疫功能提供了一个框架,肠道微生物群对局部和全身代谢池有着不可逆转的贡献。
短链脂肪酸
微生物衍生的免疫调节代谢物中研究最深入的例子可能是SCFA,它是肠道微生物代谢中最丰富的产物之一。人口研究提供的证据表明,粪便和全身SCFA浓度与呼吸道疾病直接相关。例如,在1岁的儿童中,粪便中SCFAs浓度升高,特别是丙酸和丁酸,与哮喘发展风险降低相关。在成人中,SCFA浓度的降低与COPD的存在和严重程度有关,而丁酸生成细菌丰度的降低与非小细胞肺癌有关(图3)。
图3 | 肺和肠道微生物群之间的串扰
上皮细胞是肠道和呼吸道的主要屏障。次级防御是通过分散在肠上皮和固有层的粘膜免疫来促进的。这些防御机制防止微生物易位到肠外部位。肠道微生物、肠道微生物代谢物和在肠道环境中训练的免疫细胞可以进入肺部并影响呼吸道免疫。短链脂肪酸(SCFAs)是研究得最好的微生物来源的免疫调节代谢物。SCFAs是由复杂多糖的微生物代谢产生的,并已被证明通过调节先天(中性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞(DCs))和适应性(病毒特异性CD8+ T细胞、调节性T(Treg)细胞和辅助性T2(TH2)细胞)免疫细胞和编程骨髓来源的细胞群来促进呼吸道保护表型。SCFAs介导的免疫调节包括增强抗菌活性、病毒清除、维持上皮完整性以及减轻呼吸道内的组织损伤和过敏性炎症。对人群的研究表明,SCFAs浓度升高与哮喘或慢性阻塞性肺疾病(COPD)发病风险降低以及肺癌治疗的积极结果之间存在关联。在图形表示中,黑色实线箭头表示SCFAs对免疫细胞和呼吸道生理的影响,而虚线箭头表示SCFAs、微生物代谢物和免疫细胞向远处器官(包括肺和骨髓)的易位。ILC2,2型先天淋巴样细胞;MDPs,单核树突状细胞祖细胞;pDC,浆细胞样树突状细胞。
产生呼吸道保护性SCFAs的发酵微生物丰度的减少被广泛归因于饮食习惯的改变和复杂植物多糖摄入的减少,特别是在慢性炎症疾病发病率特别高的西方国家。事实上,怀孕期间母亲不良的饮食是婴儿时期严重下呼吸道感染的一个危险因素。动物模型已经提供了关于缺乏纤维的饮食促进人体呼吸道感染易感性的机制的见解。在怀孕期间喂食低纤维饮食的小鼠,由于浆细胞样树突状细胞的募集延迟和肺部Treg细胞扩增的干扰,下呼吸道感染严重程度增强。在这项体内研究中,低纤维产前饮食也改变了母乳微生物组的组成,减少了新生儿肠上皮细胞分泌树突状细胞生长因子FMS样酪氨酸激酶3配体(Flt3L),并损害了下游浆细胞样树突状细胞造血。补充从高纤维饮食母亲的乳汁中分离的产丙酸细菌或单独补充丙酸可恢复Flt3L表达和肠道浆细胞样树突状细胞造血功能,从而防止严重的下呼吸道感染。此外,在急性肺损伤动物模型中,肠道微生物群产生的丙酸对氧化锌纳米颗粒诱导的肺损伤具有保护作用。
在一些独立研究中也报道了类似的观察结果,在这些研究中,给小鼠喂食可发酵膳食纤维,通过产生SCFAs或病毒性流感感染来保护小鼠免受呼吸道过敏原的攻击。在后一项研究中,小鼠呼吸道保护与淋巴细胞抗原6复合物(Ly6c-)巡逻单核细胞数量增加有关,这增加了交替激活的巨噬细胞的频率。这些巨噬细胞表达趋化因子(C-X-C基序)配体1(CXCL1)的能力有限,CXCL1是控制呼吸道先天免疫细胞募集的关键因素。抑制CXCL1的产生导致呼吸道中性粒细胞募集减少和组织损伤。与此同时,肠道微生物发酵活动产生的SCFAs通过改变细胞代谢,增加了CD8+ T细胞对病毒病原体的效应功能(图3)。
在单独的COPD急性加重小鼠模型中,口服丁酸盐治疗可降低结肠和肺组织中炎性2型先天淋巴样细胞的比例,从而改善疾病。SCFAs从肠道转移到血液,在那里它们可以到达远端器官。关于呼吸道中SCFAs浓度升高的报道有限,这表明循环浓度通常不会在呼吸道组织中积累,也不会被呼吸道细胞迅速代谢。然而,在囊性纤维化患者的痰液样本中检测到毫摩尔浓度的SCFAs,它们与痰中性粒细胞计数和一氧化氮生成受损呈正相关。
循环的SCFAs也可以到达骨髓,在那里它们可以促进造血,解决呼吸道炎症,以及恢复肺部的内稳态。这表明SCFAs的呼吸道保护作用可能更广泛地归因于它们对免疫代谢调节的全身性作用。在小鼠中,SCFAs维持和加强肠上皮的完整性,减少炎症,并防止胃肠道和呼吸道粘膜表面的病原体入侵。动物研究表明,SCFAs还通过β-氧化和三羧酸循环为结肠细胞提供重要的能量来源,从而决定了局部和迁移免疫细胞群体的代谢状态。SCFAs可以通过GPCR信号激活抗炎信号级联反应,在有丁酸盐的情况下,抑制树突状细胞活化,增加FoxP3+ Treg细胞极化,并促进促进FoxP3表达的表观遗传修饰。SCFAs诱导的免疫调节在感染的情况下也可能是有害的。在HIV感染人群中,血清SCFAs的增加与结核分枝杆菌易感性的增加有关。在体外,为了响应结核分枝杆菌抗原刺激,SCFA诱导从HIV感染者和接受抗逆转录病毒治疗的个体分离的外周血单个核细胞产生干扰素-γ(IFNγ)和IL-17A。肺部SCFAs的存在与口腔厌氧菌(如普雷沃菌)的增加,以及与由结核分枝杆菌抗原引发的Treg细胞有关。
亚油酸代谢物
随着该领域的发展,越来越多的额外肠道微生物衍生代谢物已被证明对呼吸道免疫产生影响。亚油酸代谢物二高-γ-亚油酸酯在儿童后期发生过敏和哮喘风险较低的婴儿的粪便中浓度升高。相反,高风险婴儿(其肠道菌群组成与低风险婴儿不同)表现另一种亚油酸代谢物12,13-二羟基-9Z-十八烯酸(12,13-diHOME)的粪便浓度升高。这表明,新生肠道微生物组的微生物代谢活动决定了亚油酸代谢的命运。鸟枪法宏基因组研究证实,在婴儿肠道中,编码环氧化物水解酶的粪肠球菌和两歧双歧杆菌可以产生12,13-diHOME。在随后的儿童时期发生特应性或过敏的婴儿中,观察到细菌环氧化物水解酶的拷贝数显著增加,这些酶具有产生12,13-diHOME的能力。在体内,腹腔给予12,13-diHOME或口服补充大肠杆菌菌株以产生这种脂质提取物可减轻呼吸道中的过敏性炎症。12,13-diHOME介导的呼吸道炎症以小鼠呼吸道中表达IL-10的Treg细胞频率降低和循环免疫球蛋白E(IgE)水平升高为特征。亚油酸是一种omega-6 PUFA,在西方饮食中已经非常普遍,这表明在肠道微生物群功能失调的情况下,底物利用率的增加会导致胃肠道中脂质介质的产生,从而加剧呼吸道炎症。亚油酸也可以代谢产生花生四烯酸(一种产生类二十烷前列腺素的环加氧酶和脂加氧酶的底物)、血栓烷和白三烯,所有这些都与过敏性致敏和哮喘的病理生理有关。作为一类脂类,亚油酸代谢物正在成为一组强有力的肠道微生物衍生代谢物,它们沿着肠道-呼吸道轴起作用,调节呼吸道免疫。虽然亚油酸存在多种异构体,但健康人体肠道双歧杆菌、梭状芽胞杆菌或丙酸杆菌产生的主要代谢产物是共轭亚油酸(CLA)。喂食CLA的小鼠表现出过敏原诱导的呼吸道高反应性明显降低,支气管肺泡灌洗液中IL-5浓度降低,嗜酸性粒细胞数量减少。在对桦树过敏的成年人中,口服补充CLA可改善呼吸道临床症状,降低血浆粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子水平和嗜酸性粒细胞衍生神经毒素浓度。因此,新出现的证据表明,饮食底物的菌株水平肠道微生物代谢,特别是那些在西化饮食中过量的肠道微生物,其代谢产物已知会影响呼吸道生理和免疫反应,在调节呼吸道对抗原和致病性遭遇的反应中发挥作用。
表观遗传机制
微生物衍生的代谢物,特别是SCFAs,也会形成表观遗传标记,从而影响免疫细胞群的转录活性和功能。例如,当巨噬细胞暴露于丁酸盐中时,它们表现出增强的抗菌活性,特别是由于抗菌肽的产生。这与巨噬细胞代谢的改变和组蛋白去乙酰化酶3(HDAC3)的抑制有关,组蛋白去乙酰化酶3通过染色质重塑调节表观遗传修饰。在一项大型人类研究中,哮喘发展风险最高的儿童拥有一个脐带血单核细胞甲基化标记模块,富含抗菌反应元件。与这些表观遗传修饰一致,这些新生儿的脐带血单核细胞对脂多糖刺激的反应能力显著降低,并且在生命的前3年表现出明显的呼吸道微生物群发育轨迹。这些儿童呼吸道微生物群的特点是早期定植有嗜血杆菌,随后是莫拉氏菌属的成员。在一些研究中,这种出生后细菌定植的模式与随后儿童哮喘的发展有关。此外,在诊断为哮喘的大龄儿童中,以嗜血杆菌为主或莫拉菌为主的呼吸道微生物群也与更高的肺部恶化频率相关。因此,出生时的表观遗传修饰,特别是抗菌反应元件的修饰,可能在发育早期塑造微生物定植景观,从而对呼吸健康产生长期影响。一项独立研究进一步支持了这一观点,该研究表明,婴儿期上呼吸道微生物组成与儿童期过敏性鼻炎的发展有关,并且这种联系至少部分是通过上呼吸道粘膜细胞DNA甲基化模式的改变来介导的。
细胞外囊泡
除了微生物代谢的产物,微生物细胞成分也可以沿着肠道-呼吸道轴移动,影响呼吸道生物学。迄今为止,大多数细胞类型(微生物和人类)都分泌细胞外囊泡,它们促进细胞间的交流,并可在循环系统中检测到。细胞外囊泡携带货物,包括微生物病原体相关的分子模式,如细胞壁成分、脂质体蛋白质、碳水化合物或核酸。病原体相关分子模式被免疫细胞上的模式识别受体识别,促进免疫细胞活化和炎症介质的释放。微生物细胞外囊泡,通常称为膜囊泡或外膜囊泡,可在体液中检测到,与呼吸道疾病有关。例如,金黄色葡萄球菌产生的膜囊泡通过T辅助细胞1和T辅助细胞17反应诱导呼吸道中性粒细胞炎症,而肠道微生物群中的嗜粘杆菌菌株产生的囊泡通过上调闭合蛋白的表达促进上皮屏障的完整性。α-半乳糖神经酰胺是一种由肠道细菌脆弱拟杆菌产生的糖脂,在肠道缺血再灌注损伤动物模型中已被证明可以通过上调IL-4和IL-10来减轻肠道细菌向肠系膜淋巴结的易位,恢复紧密连接蛋白的表达,并减轻肠道和肺损伤。
- 呼吸道病毒感染中的肠道和呼吸道微生物群 -
呼吸道病毒感染,包括甲型流感病毒(IAV)、呼吸道合胞病毒(RSV)和冠状病毒病(SARS-CoV-2),可诱发肠胃炎症状,导致肠道微生物组组成和代谢效率受损。紊乱的肠道微生物群反过来又与呼吸道感染的易感性有关,支持这两个控制抗病毒免疫的粘膜部位之间的双向通信系统。
肠道微生物群的扰动,例如,抗生素的使用,可以远端影响呼吸道病毒感染期间呼吸道免疫。几项体内和人体临床研究现已表明,抗生素介导的肠道微生物群紊乱会增加流感等病毒性呼吸道感染的严重程度。抗生素治疗损害了小鼠的先天和适应性抗病毒免疫反应,这大大延迟了呼吸道感染后的病毒清除。从抗生素治疗小鼠中分离的巨噬细胞的全基因组转录谱显示,与抗病毒免疫相关的基因表达减少,包括I型和II型干扰素反应缺陷和限制病毒复制的能力受损。其他研究强调了肠道微生物群在肺部产生I型干扰素方面的作用,这种干扰素也控制其他呼吸道病毒感染,包括SARS-CoV-2。
动物研究表明,肠道共生菌及其代谢物通过不同的机制调节呼吸道黏膜的抗病毒免疫,包括病毒特异性CD4+和CD8+ T细胞的产生和呼吸道病毒感染后的抗体反应。例如,肠道微生物衍生的代谢物去氨基酪氨酸(通过类黄酮代谢产生),通过增强肺吞噬细胞的干扰素调节反应来促进呼吸道对流感病毒感染的保护性先天免疫,这是病毒清除的关键。独立的研究表明,动物双歧杆菌的肠道菌群扩增与呼吸道病毒感染后小鼠存活率的提高有关。粪便微生物群移植(FMT)实验已经证实,在IVA感染中存活的小鼠的肠道微生物群为感染病毒的经抗菌剂处理或无菌的受体动物提供了保护。此外,单独补充动物B.animals益生菌足以保护小鼠免受IAV感染。呼吸道保护与碳水化合物、脂质、能量、核苷酸和氨基酸代谢的改变有关,更具体地说,与动物双歧杆菌合成缬氨酸、异氨酸、赖氨酸和辅酶A的能力有关。口服补充缬氨酸或腹腔注射辅酶A也能保护小鼠免受呼吸道IAV感染,进一步支持IAV感染的严重程度与肠道微生物群的代谢能力有关。事实上,富含纤维的饮食减少了感染RSV的小鼠的病毒载量和肺部炎症,这种效果至少部分依赖于肠道最终微生物群产生的醋酸盐。醋酸扩散到循环中,激活间质细胞表达的GPCR GPR43,增强I型干扰素抗病毒反应。通过IFN1受体的I型干扰素信号传导被发现是肺上皮细胞系中醋酸盐抗病毒活性和RSV感染小鼠中醋酸盐的保护作用所必需的。激活肺上皮细胞中的GPR43可降低病毒诱导的细胞毒性,并通过IFNβ反应促进抗病毒作用。
由于全球大流行,SARS-CoV-2已成为急性呼吸道感染的前沿,并促使人们对其呼吸道和胃肠道的病理学进行了大量研究。在大约80%的患者的直肠拭子中检测到SARS-CoV-2,即使他们的鼻咽样本呈病毒阴性,这表明远端肠道是病毒持续存在的肺外部位。对小肠类器官的研究表明,SARS-CoV-2可在肠细胞中复制。SARS-CoV-2感染患者肠道微生物组组成与炎症标志物浓度之间的关联表明,与流感严重程度一样,肠道微生物组对宿主免疫的调节会影响SARS-CoV-2的临床结果。在人体研究中,SARS-CoV-2感染已被证明会改变关键免疫调节肠道微生物的丰度,包括屎肠球菌、罗氏菌和嗜黏蛋白阿克曼菌,同时也会改变肠道屏障的完整性。宏基因组分析对粪便样本的分析鉴定出33个宏基因组组装的基因组,这些基因组在轻度、中度、重度或危重SARS-CoV-2感染患者组中显示出差异分布。SARS-CoV-2感染患者的肠道微生物群系表现出SCFA和l-异亮氨酸生物合成能力受损,即使在感染消退后也持续存在。这些微生物功能标志与宿主免疫反应以及呼吸道病毒感染的严重程度和结果显著相关。SARS-CoV-2小鼠模型证实,呼吸道感染可改变肠道上皮细胞中免疫相关基因和感染相关基因的表达。在小鼠中,呼吸道感染SARS-CoV-2诱导肠道微生物群的扰动,并与Paneth细胞数量减少、肠上皮屏障通透性标志物增加和杯状细胞增生有关。呼吸道感染引起的肠道微生物群紊乱导致机会性致病菌的增殖,有证据表明细菌易位进入体循环,严重者发生菌血症。
- 治疗干预 -
分析肠道和呼吸微生物组,特别是在免疫功能和临床数据的背景下,为识别不同的患者亚群和/或呼吸系统疾病内型(endotypes)提供了机会。确定疾病内型对于个性化医疗和针对患者或患者群体的特定致病机制制定有针对性和更有效的干预措施至关重要。在针对肠-肺轴的基于微生物组的治疗干预的背景下,这一知识变得有用。肠道-呼吸道轴的新证据导致了旨在利用微生物群系操纵来改善呼吸健康的治疗干预(图4)。迄今为止,这些方法主要集中在肠道微生物群系的操纵上,包括饮食和活微生物补充策略。在小鼠模型中,通过活微生物补充或饮食干预来调节肠道微生物群被证明可以保护呼吸道免受过敏原攻击或病毒性呼吸道感染。这些研究也提供了代际呼吸道保护的证据;用活菌(如约氏乳杆菌或幽门螺杆菌)对小鼠进行产前处理,可以促进后代呼吸道保护,这在一定程度上是通过在呼吸道微生物病原体攻击后诱导Treg细胞反应的能力来实现的。在一项为期3个月、随机、双盲、安慰剂对照的试验中,55名成年哮喘患者参与了这项试验,与安慰剂组相比,每日口服补充乳酸双歧杆菌(作为吸入皮质类固醇治疗的辅助剂)与呼出一氧化氮分数浓度的显著降低和哮喘控制测试分数的显著改善有关。虽然干预没有导致循环IgE的显著降低,但它增加了血清5-十二烯酸(一种对环氧化酶I和II具有抑制活性的脂质)和色氨酸(一种有效的免疫调节氨基酸,其代谢产物与过敏性哮喘有关)的浓度。在患有囊性纤维化的儿童中,连续12个月每日口服市售益生菌物种鼠李糖乳杆菌GG可降低肺部恶化率,改善肺功能,减少肠道炎症和减少抗生素使用。然而,这些阳性结果仅在服用鼠李糖乳杆菌GG补充剂后形成以双歧杆菌(NCT01956916)为主的肠道微生物群的患者中观察到。
图4 | 微生物组医学的未来
内型发现在呼吸系统疾病中是一个相对较新的概念,是指基于潜在的生物学机制而不仅仅是可观察到的临床症状来识别不同的疾病亚型。疾病内分型可以帮助为特定患者群体量身定制治疗方法,以改善结果。随着人类微生物组研究的扩大,使用人工智能和深度学习方法来识别预测或区分呼吸临床结果的微生物功能特征的能力正在进行中。将这种基于微生物组的患者分层方法与一系列微生物组操作技术相结合,如精确饮食干预、活细胞微生物治疗、CRISPR-Cas介导的微生物组工程、噬菌体治疗和粪便微生物群移植,是肠道-呼吸道微生物组研究领域的一个主要焦点。
FMT代表了微生物重构谱的另一端。少数旨在治疗呼吸系统疾病的FMT试验正在进行中。其中包括FMT增强抗pdl1在肺癌中的疗效(NCT05502913,NCT04924374和NCT04951583)(框3),用于治疗肺结节病(一种以淋巴结肿大和肉芽肿形成为特征的系统性炎症性疾病;NCT04924270)或改善SARS-CoV-2感染患者的全身炎症张力,NCT05873348)。这些干预措施如何影响呼吸系统健康以及这些影响是否可持续,仍有待确定。然而,临床前动物研究提供了有希望的发现;观察到FMT和高纤维饮食通过抑制炎症和细胞凋亡来减轻肺气肿(一种由吸烟引起的肺部疾病)的发展。
方框3 | 肠道和肺部微生物组与肺癌ICI治疗反应的关系
越来越多的证据支持呼吸道和肠道微生物组在肺癌中的作用和治疗结果。靶向PD1和PDL1的免疫检查点抑制剂(ICIs)在一定比例的肺癌患者中诱导缓解,有证据表明微生物组影响免疫检查点分子的表达。对ICIs无反应的患者与对治疗有反应的患者表现出不同的肠道微生物组组成。此外,抗生素治疗被证明可以抑制ICI的疗效,这表明肠道微生物组在增强ICI免疫治疗的疗效方面发挥了作用。使用动物模型的体内研究表明,使用ICI应答患者的粪便进行粪便微生物组移植,而不是使用对ICI无应答的患者的粪便,可以改善受体动物体内PD1阻断的抗肿瘤作用。对治疗有反应的患者的微生物组具有较高的嗜黏蛋白阿克曼氏菌相对丰度,这通过IL-12依赖的方式和通过增加CCR9+ CXCR3+ CD4+ T淋巴细胞在小鼠肿瘤床的浸润来恢复PD1阻断的有效性。然而,嗜黏蛋白阿克曼氏菌诱导抗肿瘤免疫作用的具体机制尚不清楚。在一项单独的PD1阻断研究中,对治疗有反应的患者在治疗前具有更高的粪便微生物群多样性,并且在治疗期间表现出稳定的微生物群组成。肺微生物群也被证明通过激活肺内的γδT细胞来诱导与肺腺癌相关的炎症。无菌或抗生素治疗的小鼠免于肺癌发展,而在无特定病原体的小鼠中,呼吸道微生物的存在通过髓细胞分化主要反应88(MyD88)依赖的IL-1β和IL-23的产生刺激炎症。这促使产生IL-17的γδT细胞增殖和活化,导致肿瘤细胞增殖。最近,与粪便微生物多样性较低的患者相比,发现粪便微生物多样性较高的患者经历了更长的无进展生存期(癌症治疗期间和治疗后疾病没有恶化的时间长度)。同步放化疗开始后的肠道微生物群组成和功能也与非小细胞肺癌患者的无进展生存期相关。在过去的几年中,微生物组已成为免疫疗法和癌症治疗的关键组成部分。免疫治疗和化疗的效果已被证明在ICI治疗期间抗生素给药的影响。尽管有许多研究表明微生物群与肺癌治疗结果之间存在显著关联,但微生物群、宿主免疫和恶性肿瘤之间的分子机制仍有待阐明。这些见解可能导致开发基于微生物组的辅助疗法,提高疗效并降低医疗成本。
操纵微生物组的额外努力集中在开发定义的,多物种的活微生物治疗联盟。这些研究的目的是重新引入物种,更重要的是,重新引入从受干扰的微生物群中被侵蚀的功能特征,以促进呼吸道健康。同样,这一领域尚处于萌芽阶段,正在进行的试验数量有限。尽管如此,这些在呼吸系统疾病患者群体中进行的高度对照的人体干预性试验为更好地了解与治疗效果相关的微生物组特征和功能机制提供了机会。这样的努力也将保证微生物预后的发展,在治疗之前识别干预有效的个体,将该领域推向精确的微生物组医学。
对慢性阻塞性肺病和哮喘等呼吸系统疾病的营养干预产生了好坏参半的结果。不同的试验试图解决特定营养补充剂对改善呼吸系统健康的影响。例如,产前补充维生素D或PUFA可降低儿童组的发病率(NCT00798226)。营养保健品是指具有营养以外的实质性健康益处的食品或食品衍生元素。那些富含抗氧化和抗炎性的食物,当作为均衡饮食的一部分食用时,与改善肺功能,减少肺功能下降和降低COPD的风险相关。然而,这种干预的不同结果至少可以部分解释为微生物组功能特征的个人差异,特别是代谢膳食补充剂以产生呼吸保护代谢物的能力。在人类和小鼠中进行的机制研究表明,对饮食或微生物干预的反应在很大程度上是由预先存在的肠道微生物群决定的。这些观察到的结果促使了精准微生物组领域的出现,该领域利用肠道微生物组的功能特征来预测对特定饮食成分的反应,其最终目标是产生针对个体微生物组的饮食和干预措施。
细菌CRISPR-Cas和其他基因组编辑系统在微生物中广泛分布,并彻底改变了精确工程基因组的能力。CRISPR-Cas编辑的造血干细胞和祖细胞,被设计用于破坏促进镰状细胞病(一种遗传疾病,以红细胞中血红蛋白异常为特征)的基因启动子,最近已成功地用于治疗这种疾病的首次人体临床试验(NCT04443907)。其他工程细胞类型也在人体试验中显示出前景,包括用于恶性肿瘤的嵌合抗原受体或T细胞受体工程T细胞,用于白血病和自身免疫缺陷综合征的造血干细胞,以及用于治疗糖尿病的诱导多能干细胞。精密细胞工程干预治疗人类疾病的早期成功,开启了将这项技术扩展到在人类微生物组内或外设计特征的可能性。CRISPR-Cas技术已被用于成功地改造微生物细胞,包括传统上对基因组工程保持沉默的细菌和真菌物种。此外,微生物(细菌和病毒物种)正被用作CRISPR-Cas货物的递送系统,包括靶向细胞内病原体的基于噬菌体的系统,这是细菌呼吸道病原体的共同特征。动物模型表明,微生物物种中的特定基因可以在复杂的哺乳动物微生物组中原位工程化。例如,即使在与等基因非荧光大肠杆菌菌株竞争定植的条件下,噬菌体传递的CRISPR-Cas9介导的肠道微生物组中大肠杆菌菌株靶荧光基因的缺失也成功地导致了基因切除。虽然刚刚起步,但肠道和呼吸道微生物群的精确工程潜力,特别是在慢性呼吸道疾病的背景下,是巨大的。此外,有巨大的机会了解特定微生物基因在复杂微生物群中直接在其自然环境中的贡献以及这些基因如何影响宿主的生理特征或疾病结果。同样重要的是,定制技术以精确设计患者微生物群中的特定微生物特征并根据患者具体情况调整此类干预措施的机会非常吸引人。
- 结论与展望 -
越来越多的证据表明,肠道和呼吸道微生物组相互作用调节呼吸系统健康,这使得人们对促进这种相互作用的分子和细胞机制有了新的认识。人们识别肠道微生物衍生的代谢物、这些代谢物在局部和全身上影响免疫张力、并且越来越多地认识到肠道微生物群特征与呼吸道疾病治疗结果相关,这为开发一系列呼吸系统疾病的新型微生物预测、诊断和干预措施提供了可能性。虽然该领域前景广阔,但要了解此类发展对不同患者群体的影响,还有很多工作要做。
参考文献
Özçam, M., Lynch, S.V. The gut–airway microbiome axis in health and respiratory diseases. Nat Rev Microbiol22, 492–506 (2024). https://doi.org/10.1038/s41579-024-01048-8
- 作者简介 -
加州大学旧金山分校Mustafa Özçam为本文第一作者。
加州大学旧金山分校Susan V. Lynch为本文通讯作者。
第一作者
加州大学旧金山分校
Mustafa Özçam
博士后
Mustafa Özçam,Ondokuz Mayis大学食品科学理学士,Celal Bayar大学微生物学硕士,威斯康星大学麦迪逊分校微生物学博士,加州大学旧金山分校医学博士后
研究方向:
人类微生物组,微生物-宿主相互作用,生物治疗学,哮喘,炎症。
通讯作者
加州大学旧金山分校
Susan V. Lynch
教授
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