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综述 | Sci Transl Med：肺炎中的微生物群：从保护到易感性

2021

04/06

微生态

A-

A+

对呼吸道微生物群在健康和患病时的时空分布特征、上呼吸道定植抗性的分子机制、气道和肠道微生物群对肺部免疫的影响等都需要更多的研究。

导读

上呼吸道和肠道的粘膜表面定植有它们自己的微生物群。正常的上呼吸道和肠道菌群可通过阻止潜在病原体的定植并调节免疫反应来预防肺炎。但是，抗菌治疗和重症监护程序会扰乱微生物群，从而损害其功能并容易导致肺部感染（肺炎）。个体间变异和微生物群中年龄相关的改变也会影响对肺炎的易感性。我们讨论了健康的微生物群如何预防肺炎，以及宿主因素和医学干预如何改变微生物群，从而影响对肺炎的易感性。本研究对急性肺部感染的几种类型及其相关影响因素和干预方法进行了回顾，总结了临床上预防微生物侵扰的知识，对于研究临床微生物群依赖的防御机制，以保护患者免受肺炎侵害具有重要的启发意义。

论文ID

原名：The microbiota in pneumonia: From protection topredisposition

译名：肺炎中的微生物群:从保护到易感性

期刊：Science Translational Medicine

IF：16.304

发表时间：2021.1.13

通讯作者：Bastian Opitz

通讯作者单位：德国柏林Charité-Universitätsmedizin内科/传染病及肺医学系

综述目录

1 呼吸道微生物群

2 肠道微生物群

3 微生物依赖的定植抵抗

4 定植抵抗及对社区获得性肺炎的保护

5 慢性肺部疾病中微生物群的改变和肺炎的易感性

6 医院获得性肺炎的定植抵抗让步倾向

7 肺部抗菌免疫的微生物依赖性调节

8 微生物群多样性、抗菌免疫和社区获得性肺炎

9 微生物依赖的抗菌素变化免疫和医院获得性肺炎

10 增强微生物依赖以防御肺炎

主要内容

急性肺部感染分为社区获得性肺炎、医院获得性肺炎及呼吸机相关性肺炎。社区获得性肺炎是由包括肺炎链球菌Streptococcus pneumoniae、流感嗜血杆菌Haemophilusinfluenzae和金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus等细菌或流感病毒等病毒引起的。社区获得性肺炎的发病率曲线呈U形，因为它最常见于幼儿和老年人（图1）。此外，慢性肺部疾病易发生社区获得性肺炎。除金黄色葡萄球菌S. aureus外，在医院获得性肺炎和呼吸机相关性肺炎（统称为医院性肺炎）中，常发现毒性较弱的病原体。在本文中，我们总结了目前关于上呼吸道和肠道微生物如何预防及易患肺炎的知识，并提出了可能的方法来维持微生物依赖的防御机制。

1 呼吸道微生物群

鼻咽部的微生物群以变形菌门 Proteobacteria（如莫拉氏菌Moraxella spp.和嗜血杆菌Haemophilus spp.）、厚壁菌门 Firmicutes（如葡萄球菌 Staphylococcus和白云球菌 Dolosigranulum ）及放线菌门Actinobacteria（如棒状杆菌Corynebacterium spp.）为主。口咽部分布着厚壁菌门Firmicutes（如链球菌Streptococcus和韦荣球菌Veillonella spp.）、变形菌门Proteobacteria（如奈瑟菌Neisseria spp.）、拟杆菌门Bacteroidetes（如普氏菌Prevotella spp.）和放线菌门Actinobacteria（如罗斯菌Rothia spp.）的不同细菌种类。此外，包括鼻病毒和噬菌体在内的病毒以及真菌（如念珠菌），已在健康人的呼吸道中被发现。

在健康人的支气管肺泡灌洗液样本中也可以发现少量的微生物DNA。尽管支气管肺泡灌洗液中的细菌DNA含量较低，下呼吸道微生物群的组成常常类似于口咽微生物群。然而，口腔和肺部微生物群之间的相似性各不相同，有些人的微生物群几乎完全相同，而另一些人的肺中大部分缺乏口咽微生物。口咽微生物群经支气管镜携带的污染也可以解释下呼吸道样本中口咽微生物的鉴定。此外，DNA提取试剂盒和其他实验室试剂通常含有少量的微生物DNA，因此，同时对试剂和仪器控制样品进行测序十分重要。因此，在很多健康个体的下呼吸道中存在少量存活的微生物是确定的。然而，目前还不清楚这些微生物是否仅仅代表一个持续微吸气和快速淘汰的短暂微生物群落，还是是否存在独立的自我维持的（局部复制）微生物。上呼吸道微生物群是在出生后建立起来的，在出生后逐渐成熟，细菌的绝对丰度下降，潜在致病性物种减少。有趣的是，一生中上呼吸道微生物群的发展似乎与社区获得性肺炎的易感性呈负相关，这一现象在年幼和年长群体中最突出（图1）。这可能是微生物依赖防御机制的变化导致了年轻人和老年人社区获得性肺炎的不成比例的发生率。

图1 微生物群的发展与社区获得性肺炎的发生率。微生物群在幼儿时期成熟，然后在衰老过程中发生变化。社区获得性肺炎在人类群体的发病率呈U型，这是婴幼儿和老年人的易感性增加所致。可能解释U型发病率曲线的因素包括年轻人和老年人的微生物调节免疫反应及定植抗性减弱。

2 肠道微生物群

细菌密度和复杂性随着胃肠道而增加，但肠道微生物群的主要特征是检查啮齿动物和人类的粪便标本。在健康的成年人中，粪便菌群主要由拟杆菌门Bacteroidetes、厚壁菌门Firmicutes、放线菌门Actinobacteria和变形菌门Proteobacteria组成。这些门包含许多不同的细菌科、属和种，它们在个体之间的相对比例有很大的变化。与上呼吸道微生物群一样，婴儿的肠道微生物群多样性较低，在生命最初几年通过扩大多样性和功能性而变得成熟。婴儿早期肠道微生物的成熟受到分娩方式、母乳喂养与配方奶喂养的强烈影响。而老年人肠道菌群失去多样性，组成变得不稳定。这些变化似乎与同时存在的健康状况、营养状况和与年龄有关的免疫系统功能能力下降（免疫老化）有关。

3 微生物依赖的定植抵抗

对于大多数细菌病原体来说，上呼吸道的定植被认为是引起肺炎的必经的第一步。健康的微生物群通过导致定植抗性的机制提供保护，以防止携带潜在的病原体。定植抗性可以通过微生物-微生物之间对营养物质的竞争或产生杀死竞争微生物的细菌素，也可以间接通过诱导局部免疫反应，如产生抗菌肽（图2）。直接和间接定植抗性主要在肠道中进行研究，但也可能在保护上呼吸道免受潜在病原体定植方面发挥关键作用。定植细菌可以通过口咽分泌物的微量吸入进入下呼吸道，这种情况在健康人睡眠时也普遍存在。如果肺部免疫防御受损或不堪重负，吸入的病原体就会引起肺炎。

图2 健康的微生物群可以预防肺炎。 常驻微生物群阻碍了潜在病原体在上呼吸道和胃肠道的定植。这种微生物介导的定植抵抗是由于微生物群对空间和营养物质的直接竞争和细菌素的产生。微生物群介导的定植抗性是通过诱导局部免疫反应间接介导的，如抗菌肽的产生。此外，微生物群调节先天和适应性免疫反应，以防御下呼吸道的病原体。肺免疫应答的调节依赖于微生物群衍生分子，如模式识别受体（如TLR和NLR）配体和短链脂肪酸，它们进入循环并到达骨髓和肺。

4 定植抵抗及对社区获得性肺炎的保护

许多导致社区获得性肺炎的细菌种类，包括肺炎链球菌S. pneumoniae、流感嗜血杆菌H. influenzae和金黄色葡萄球菌S. aureus，经常作为正常微生物群的一部分定植于健康个体的上呼吸道。肺炎链球菌S. pneumoniae，流感嗜血杆菌H. influenzae、金黄色葡萄球菌S. aureus和卡他莫拉菌 Moraxella catarrhalis的携带率通常在婴儿中含量最高，在成人中含量较低，这可能部分解释了儿童肺炎发病率高的原因（图1）。下咽或鼻咽部存在肺炎链球菌S. pneumoniae、流感嗜血杆菌H. influenzae和卡他莫拉菌M. catarrhalis与儿童肺炎和呼吸道合胞病毒感染的风险增加有关。正常上呼吸道微生物群的几个成员与排除潜在的病原体和预防感染有关。例如，阴道分娩和母乳喂养会促进白云石菌Dolosigranulum spp.和棒状杆菌Corynebacterium spp.的定植，这与肺部健康和排除肺炎链球菌有关。

上呼吸道的健康微生物群的有益影响可解释为它们可直接与病原微生物竞争。金黄色葡萄球菌S. aureus也常在鼻咽部定植。鼻咽部携带金黄色葡萄球菌与成人分泌细胞外丝氨酸蛋白酶Esp的表皮链球菌呈负相关。此外，表皮葡萄球菌S. epidermidis能够诱导产生抗菌肽，从而抑制金黄色葡萄球菌S. aureus和携带其他潜在致病菌，而对儿童的研究表明表皮链球菌S. epidermidis和鼻咽部携带肺炎链球菌S. pneumoniae和金黄色葡萄球菌S. aureus呈负相关。

流行病学和实验性人类挑战研究表明，反复的定植事件诱导免疫可部分防止年龄较大的儿童和成人免受肺炎链球菌S. pneumoniae的携带。这种免疫似乎依赖于肺炎球菌血清型特异性和血清型非特异性机制，可能包括抗体、记忆T细胞，或许还有训练有素的先天免疫细胞。总的来说，健康成熟的上呼吸道微生物群，特别是鼻咽部的微生物群，扮演着一个看门人的角色，以防止携带病原体和随后感染社区获得性肺炎。有益微生物的相对缺乏和“缺乏经验的”免疫系统可能是导致儿童较高的病原体携带率和社区获得性肺炎的原因。此外，我们有理由推测，老年人微生物群功能相对减弱和保护性免疫机制的损害会削弱定植性抵抗，从而导致该年龄组的肺炎风险升高。

5 慢性肺部疾病中微生物群的改变和肺炎的易感性

几种慢性肺部疾病可以改变微生物清除和细菌生长的动态过程。炎症反应的副产品（如硝酸盐）可以被一些革兰氏阴性细菌用来生长并击败正常微生物群成员，这仅在肠道中被研究过，但也可能发生在气道慢性炎症的增殖过程中。慢性呼吸道疾病患者气道内存在不同的微生物群落，变形菌群的丰度增加。已发表的研究在COPD相关微生物群方面部分结果不一致，这可能反映了取样、疾病严重程度和药物的差异。一些研究表明，吸烟与呼吸道微生物群落的变化有关，在下呼吸道样本中富集嗜血杆菌Haemophilus、链球菌Streptococcus、普氏菌Prevotella和梭杆菌Fusobacterium，然而，其他的研究并没有表明吸烟者和不吸烟者下呼吸道微生物群落存在不同。总的来说，慢性肺部疾病与呼吸微生物群的变化和易患肺炎的潜在病原体的携带率有关。

6 医院获得性肺炎的定植抵抗让步倾向

革兰氏阴性杆状细菌的口咽定植是随后医院获得性和呼吸机相关的革兰氏阴性细菌性肺炎的的危险因素。然而，危重疾病和相关的临床过程，本质上改变了微生物群，而易于肠杆菌科和铜绿假单胞菌 P. aeruginosa 的口咽定植（图3）。抗生素治疗是治疗细菌感染的基础，但它也是铜绿假单胞菌P. aeruginosa和多药耐药菌随后定植和感染的危险因素。肠杆菌科和铜绿假单胞菌P. aeruginosa易在接受抗生素治疗的危重病人的胃和肠道内定植而后过度生长，从而使其胃和肠道成为条件致病菌的宿主。因此，革兰氏阴性菌在胃肠道的定植是由这些细菌引起的随后的呼吸机相关肺炎的一个危险因素。

抗生素会对上呼吸道及胃肠道的微生物群造成严重的附加损害，而微生物区系的变化与微生物多样性、丰富度和稳定性的降低有关；产生短链脂肪酸（SCFA）的细菌减少；肠杆菌科的浓缩；并且与抗生素耐药性相关的微生物基因表达增加。研究进一步表明，口咽和下呼吸道微生物群的多样性随着使用机械呼吸机时间的延长而减少，而这种变化与呼吸机相关性肺炎的发生有关。此外，在插管时，属于杆菌纲（厚壁菌门）的相对口咽丰度较低的菌群与呼吸机相关性肺炎的发展相关。意识减退可加速口咽微生物的吸入，镇静剂和气管插管可通过减少咳嗽反射和清除黏膜纤毛来减少这些微生物的清除（图3）。总的来说，抗菌素治疗、危重疾病和重症护理程序会削弱微生物依赖的定植抗性，促进机会性病原体的携带，并增加随后发展为医院获得性和呼吸机相关性肺炎的风险。然而，对革兰氏阴性菌在上呼吸道定植耐药性的分子机制尚未被探索。此外，到目前为止，还没有研究详细分析特定抗生素类别和其他医疗干预对呼吸道和肠道微生物群以及微生物群依赖性定植耐药性的差异影响。

图 3 医院获得性肺炎的抗生素治疗和重症监护。抗菌素治疗和重症监护干预会损害微生物依赖的定植耐药机制，这促进了上呼吸道和胃肠道的机会性病原体定植，如铜绿假单胞菌P. aeruginosa。微生物群受到干扰可能会导致有益微生物分子（如短链脂肪酸）的产量减少。循环中这些分子数量的减少可能损害肺部的抗菌免疫。当严重疾病、意识减退或昏迷时，口咽细菌吸入量增加，而重症护理程序，如插管和镇静，通过清除粘液纤毛和咳嗽反射减少正常微生物的清除。炎症、肺水肿和儿茶酚胺增加会增加肺部细菌的复制。这些因素共同导致了医院获得性肺炎的发生。

7 肺部抗菌免疫的微生物依赖性调节

由抗菌素治疗、其他医学干预或宿主因素引起的微生物群紊乱也可损害抗菌素免疫。微生物群通过产生模式识别受体配体来校准几个免疫细胞和通路。这些微生物产物调节邻近免疫细胞的活动，并进一步进入循环系统，从而到达远处的身体部位。因此，无菌小鼠或微生物减少的动物更容易受到各种肺部感染。Lwasaki等人研究表示，用多种抗生素治疗的小鼠对流感病毒感染的肺部炎症小体成分表达减少，CD4⁺ T细胞、CD8⁺ T细胞和B细胞免疫应答受损。鼻内或直肠内传输TLR配体挽救了这些小鼠的免疫反应，这表明呼吸道微生物群和肠道微生物群可能能够通过TLR配体的产生启动免疫防御途径。此外，定植细菌也可校准中性粒细胞和肺泡巨噬细胞的活性，肠道微生物来源的肽聚糖从肠道转位到骨髓，并与NOD1受体结合，从而增强中性粒细胞的抗菌能力，增加小鼠对肺炎链球菌感染的抗药性（图2）。此外，肠道和呼吸道微生物产生的肽聚糖片段刺激了由NOD2受体、白细胞介素-17 （IL-17）和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子介导的肺泡巨噬细胞杀死病原体。

通过NOD1受体感知微生物源信号可以调节稳态造血和循环中性粒细胞和炎症单核细胞的寿命。同样的，小鼠原生造血微生物产生的短链脂肪酸可增加巨噬细胞和树突状细胞的生成（图2）。在新生小鼠中，IL-22的产生和肺炎链球菌S. pneumoniae感染的控制也需要依赖于微生物群的ILC3s内流。此外，在小鼠和人类体内，白色念珠菌Candida albicans的肠道定植校准了全身和肺部的交叉反应性TH17细胞。免疫球蛋白A （IgA）参与小鼠铜绿假单胞菌P. aeruginosa感染的肺部防御，而IgA的产生依赖于TLR介导的微生物区系信号的传感。然而，还需要进一步研究IgA在肺防御中的作用，以及IgA是否以及如何塑造呼吸道微生物群。

抗生素治疗在一定程度上损害了小鼠和健康人类志愿者对流感疫苗和小鼠对13价肺炎球菌结合疫苗的抗原特异性抗体应答。此外，人类研究表明，微生物群组成、益生菌治疗和疫苗应答之间存在关联。抗病能力也受到微生物群的影响。此外，小鼠上呼吸道携带金黄色葡萄球菌S. aureus可通过TLR2-依赖的单核细胞招募进入肺部，并极化成选择性激活的巨噬细胞，减轻流感病毒诱导的炎症、肺损伤、体重减轻和死亡（图2）。总的来说，微生物群在肺部感染期间校准各种抗菌素防御和耐受机制，以及疫苗接种后的抗体反应。因此，内源性或外源性因素对微生物群的干扰可能会影响对肺炎的敏感性。

8 微生物群多样性、抗菌免疫和社区获得性肺炎

在特定无菌环境中饲养的健康实验室小鼠与野生小鼠在微生物群、相关先天免疫和适应性免疫以及对流感病毒的抵抗力方面有所不同。此外，在来自不同供应商的健康实验室小鼠中，肺微生物群和IL-1α和IL-4的基线产量也有所不同。这些都解释了小鼠免疫研究预测人类临床试验结果的能力有限，有时甚至预测后续动物实验结果。来自人类的功能基因组学项目的数据表明，个体间肠道微生物群的差异可解释高达10%的外周血细胞产生细胞因子以应对病原体的能力变化。此外，最近对异基因造血干细胞移植受者的研究表明，产生丁酸盐的肠道细菌与对下呼吸道病毒感染的耐药性之间存在关联。在未来的研究中，研究不同的微生物组成是否以及如何影响人类对不同类型肺炎的敏感性将是一个有趣的方向。

老年等宿主因素会影响呼吸道和肠道微生物群的组成和功能能力（图1）。年龄相关的肠道微生物群变化与肠道通透性增强和炎症细胞因子增加有关。目前尚不清楚婴儿对肺炎易感性的增强是否与未成熟微生物的免疫启动不足有关。此外，在无症状的人类新生儿中，流感嗜血杆菌H. influenzae和卡他菌M. catarrhalis的下咽部定植与气道黏膜炎症相关，这反过来可能影响免疫细胞对抗随后感染的能力。总之，个体间差异和与年龄相关的肺和肠道微生物组成似乎对抗菌免疫有显著影响，这些变异可能导致人类肺炎易感性的变异，并增加老年人和婴儿感染的风险。

9 微生物依赖的抗菌素变化免疫和医院获得性肺炎

广谱抗生素被广泛应用于重症监护病房，使患者容易发生院内肺部感染，例如铜绿假单胞菌P. aeruginosa感染。这部分反映了抗生素对定植抗性机制的负面影响。此外，临床使用的抗生素可能会严重损害患者远端肺的抗菌防御功能，从而进一步增加医院获得性和呼吸机相关性肺炎的风险（图3）。这一假设得到了许多小鼠相关研究的支持，这些研究表明抗生素依赖的微生物群缺失会损害抗菌素免疫。在未来的研究中，需要检查临床使用的抗生素方案对小鼠模型、健康个体和患者的微生物群和肺免疫的影响。

10 增强微生物依赖以防御肺炎

有几种策略可以维持或促进微生物依赖的防御机制（图4）。虽然这些策略目前许多还远未成为护理的标准，但它们有潜力保护大量患者免患肺炎。然而，没有一种干预适用于所有情况，我们需要对干预的背景有一个清晰的理解。首先，合理使用抗生素以减少对微生物群的附加损害是预防医院获得性肺炎和呼吸机相关性肺炎的必要条件；第二，益生元、益生菌和合生元可用于预防、促进或维持易感人群（如幼儿和老年人）的微生物群的有益功能，以防止住院患者的社区获得性肺炎或微生物菌群紊乱；第三，在特定脆弱人群中，通过肠道和上呼吸道的完全微生物群的重新播种来挽救或增强定植性抵抗和免疫防御是另一种预防社区和医院获得性以及呼吸机相关肺炎的方法；第四，通过使用不可吸收的抗生素或吸入的抗生素进行选择性口服和肠道清除，可以减少潜在病原体在口咽、胃、肠道或呼吸道中的携带（图4）；第五，最近来自小鼠研究的证据表明，特定的微生物分子，如模式识别受体激动剂和短链脂肪酸可能有助于增强或挽救保护性免疫通路；第六，被微生物群破坏而解除限制的特异性免疫途径可以有针对性地增强或挽救抗菌耐药性（或忍耐性）。

图4 针对微生物依赖的防御以预防肺炎。与广谱抗生素相比，窄谱抗生素和病原体特异性抗菌素疗法（如噬菌体治疗或抗体偶联抗生素）对微生物群造成的损害较小。因此，它们保护微生物依赖的防御机制，并有助于预防肺炎的发展。选择性口咽或肠道清理或雾化（吸入）抗生素不仅减少呼吸道和肠道潜在病原体的负荷，而且也消耗微生物群成员。口服或鼻内治疗益生元、益生菌，或合生剂，或转移一个完整的微生物群，有潜力恢复微生物群，挽救定植抗性和微生物群依赖的免疫反应。给予特定的微生物分子（如TLR或NLR配体或短链脂肪酸）、免疫介质（如IL-22）或效应分子（如IgA）（其产生因微生物群干扰而减少）有助于恢复肺部的保护性免疫。

展望

对呼吸道微生物群在健康和患病时的时空分布特征、上呼吸道定植抗性的分子机制、气道和肠道微生物群对肺部免疫的影响等都需要更多的研究。同时，还需要进一步阐明微生物依赖的防御机制如何受到年龄和不同种类抗生素的影响。未来的研究应利用先进的基因组测序技术在微生物种类及其遗传库水平上表征微生物群。此外，由于许多现有的人类研究因其横断面设计而难以解释，应进行前瞻性病例对照研究和随机对照临床试验。对微生物更好的理解将有助于完善我们目前临床上预防微生物群干扰的方法，并促进干预策略发展，以保存微生物群依赖的防御机制，保护患者免受肺炎侵害。