nature子刊“肠-肺轴”重磅综述：肺部菌群与呼吸系统疾病
近日，nature子刊《自然-免疫学》刊登一则关于“肠-肺轴”的综述。
一支来自澳大利亚蒙纳士大学的研究团队，回顾了肺和肠道微生物群在呼吸健康和疾病中的作用，以及“肠-肺轴”之间的几种主要通讯途径。
这篇综述为了解肠道微生物群如何影响呼吸免疫和肺健康提供了机制上的见解，也是很好的学习和研究材料。
研究名称：The influence of the microbiome on respiratory health
期刊：Nature Immunology
发表时间：2019年9月9日
IF：23.53
DOI:10.1038/s41590-019-0451-9
健康人的肺中存在微生物群，但含量很低
科学界曾经认为，肺部不存在微生物。即使在肺部检测到了细菌DNA，人们也通常将其解释为技术污染。
然而，细菌培养条件和二代测序技术的发展，以及来自世界各地实验室的独立验证，已经推翻了“肺部无菌”的陈旧观点。
诸多由微生物群支撑的假说，也逐渐被用来解释某些呼吸系统疾病的机制和诱因。
大量研究表明，健康人的肺中含有微生物群，目前已鉴定出肺部的主要6种菌属为：
普雷沃菌属 Prevotella
链球菌属 Streptococcus
韦荣球菌属 Veillonella
梭杆菌属 Fusobacterium
卟啉单胞菌属 Porphyromonas
奈瑟菌属 Neisseria
不过，健康肺中的微生物量很低，每克组织中仅含有10^3-10^5个细菌——相较之下，大肠的细菌密度为10^11-10^12个/克。
研究人员认为，这是因为健康状态下的肺部，存在着一种微生物“迁入迁出”的稳态平衡：
气道微生物群的来源是：上呼吸道微生物群通过“微呼吸”迁入肺部，这种迁入主要在人们睡眠期间进行；
与此同时，宿主防御机制对微生物进行清除：比如肺泡巨噬细胞清除与粘液纤毛转运。
健康（左）与疾病（右）环境下的肺微生物群
当人们患上呼吸系统疾病，气道菌群的平衡也被打破
然而，在病变肺中，细菌的增殖似乎超过了呼吸道清除微生物的能力。
当人们肺部的纤毛出现功能失调、粘液分泌增加、细菌迁移增强（如胃食管反流），都会导致微生物密度增加。
除了微生物负荷的变化，不同的呼吸道疾病也存在各异的优势菌属，比如：
囊性纤维化（CF）：铜绿假单胞菌P. aeruginosa, 金黄色葡萄球菌S. auerus 和伯克霍尔德菌Burkholderia spp.；
低TH2型哮喘：莫拉菌属Moraxella、嗜血杆菌Haemophilus和奈瑟菌Neisseria；
嗜酸细胞性哮喘：链球菌Streptococcus、T. whipplei、放线菌科Actinomycetaceae和肠杆菌科Enterobacteriaceae；
特发性肺纤维化：嗜血杆菌Haemophilus、韦荣球菌Veillonella、链球菌Streptococcus和奈瑟菌Neisseria。
需要注意的是，“肠-肺轴”是双向的。许多胃肠道疾病在呼吸道都有表现，呼吸道感染也伴有肠道症状。比如，高达50%的IBD患者（已知肠道微生物群的组成发生变化）存在肺功能下降的情况；流感病毒感染的患者，也往往存在胃肠道症状。
“肠-肺轴”之间的主要通讯途径
可溶性微生物组分和代谢物的循环运输
1）脂多糖（LPS）
既往的研究证实，将LPS通过直肠注射到抗生素给药的小鼠体内，可恢复它们对感染流感病毒的肺部产生免疫反应的能力。
在哮喘中也有类似的观察。例如，研究观察到，LPS失活小鼠在尘螨中产生TH2反应的能力降低，这表明具备生物活性的LPS对哮喘的预防作用。
不过，当研究人员给耗尽微生物群的小鼠经肠内注射LPS时，这种预防作用就消失了。这些实验突出了肠道微生物源LPS对过敏原肺反应的影响。
2）短链脂肪酸（SCFAs）
SCFAs来源于肠道微生物群对膳食纤维的代谢，包括丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐，由盲肠和结肠中的微生物群产生。它们被释放到肠腔后，在肠道形成局部免疫反应，为结肠细胞供能（特别是丁酸）。
紧接着，未被胃肠道使用的SCFAs进入门静脉，被输送到肝脏进行代谢。不被代谢的SCFAs，则进入外周循环和骨髓，影响免疫细胞发育。
这方面的例子是：给小鼠口服丙酸盐，可通过削弱DCs（树突状细胞）来提升TH2细胞的能力，从而保护小鼠免于过敏性气道炎症。
肠-肺轴内的主要通讯途径
骨髓来源的细胞在远端身体部位（如肺部）参与形成免疫反应（3）
3）脱氨基酪氨酸（DAT）
除SCFAs外，另一种影响肺反应的微生物代谢物是“脱氨基酪氨酸”（DAT），它可通过增强I型干扰素反应保护小鼠免受流感病毒感染。
已知具有免疫调节特性的其他肠道微生物代谢物包括吲哚衍生物（膳食色氨酸代谢产物）、烟酸、多胺（来自L-精氨酸代谢产物）、尿石蛋白A70、丙酮酸和乳酸，所有这些在肠内稳态中都具有重要作用。但这些肠道微生物代谢物是否会影响呼吸健康，还有待确定。
免疫细胞的直接迁移
“肠-肺轴”的通讯机制，也可能涉及免疫细胞通过循环从肠到呼吸道的直接迁移，比如ILC2s, ILC3s 和TH17细胞。
一项将两只小鼠的循环系统互相连接的研究，就报告了这样一个例子。研究人员通过给其中一只小鼠腹腔注射细胞因子IL-25，这只小鼠被激活的炎症性2型天然淋巴细胞（group 2 innate lymphoidcells, ILC2s），可同时植入两只小鼠的肺，且这种现象可能依赖于微生物群。
知几未来也曾报道，2018年，Science杂志以《肺炎起源于肠道》为标题，刊登了一则Mjösberg等人发表的一项重要的、肠道免疫细胞迁移到肺部、参与肺部免疫反应的研究，首次证实ILC2s会从肠道转移到肺部，参与肺部炎症。
👇点图直达：
肠道炎症介质“外溢”到肺部
最后，肠道可通过循环中发现的宿主源性炎症介质影响肺部的反应。
有研究报告，在肠病患者（包括IBD）中，炎症介质的血清浓度升高。这些介质“外溢”到肺部，可能影响免疫反应的可塑性和强度。
“操纵”微生物群以对抗呼吸系统疾病
在动物模型中，共生微生物与呼吸系统疾病有着重要的关系。在这些情况下，微生物可能通过帮助建立健康的稳态免疫平衡来激发其有益效果。
比如，经皮内或鼻内给小鼠注射不动杆菌Acinetobacter lwoffii，可通过诱导TH1相关细胞因子和 IL-1084，减轻过敏性气道炎症。
在呼吸道疾病动物模型中，研究人员也证实了瘤胃球菌Ruminococcus gnavus对呼吸道过敏发展的负面影响。
在益生菌干预方面，主要局限于研究较多的乳酸杆菌和双歧杆菌
在肺部疾病中，最常被研究的微生物是乳酸杆菌Lactobacillus和双歧杆菌Bifidobacterium。
它们在呼吸道病毒感染动物模型中的保护作用已被充分证实。例如，口服乳酸杆菌，包括干酪乳杆菌L. casei、鼠李糖乳杆菌L. rhamnosus、加塞利乳杆菌L. gasseri、戊糖乳杆菌L. pentosus、植物乳杆菌L. plantarum、短乳杆菌L. brevis、约翰逊氏乳杆菌L. johnsonni、双歧杆菌B. breve155 或 B. longum180，均能保护小鼠免受流感病毒诱导的病理学和死亡率的影响。
主要机制包括：益生菌给药可增加抗体产生、增强自然杀伤细胞活性和IFN-γ、IL-10增加。
双歧杆菌还可以减轻哮喘小鼠模型的肺部病理学改变，这可能是由于双歧杆菌能够诱导Treg细胞。
肠道蠕虫：另一条线索
关于蠕虫疗法（Helminth therapy）的研究，为复杂微生物群落对呼吸健康的益处提供了另一条线索。
除了蠕虫自身产生的免疫调节产物所产生的直接抗炎作用外，研究人员还发现了它们影响微生物群成分的间接机制。
比如，研究报告，感染Heligmosomoides polygyrus bakeri的小鼠改变了肠道内细菌群落的组成和功能，导致SCFAs增加、过敏性气道炎症减轻。
FMT：还需要更多研究
有小鼠模型研究表明，FMT逆转了肺炎链球菌感染后抗生素引起的死亡率增加。这为FMT在肺部疾病中的应用提供了概念上证明，但显然还需要进一步的研究。
纯化代谢物：有希望的靶点
使用膳食调整促进特定微生物菌株来干预健康的想法并不新鲜。在知几未来的《中国哮喘儿童全景报告》中我们曾提到，一项在台北进行的双盲安慰剂对照随机人类实验表明，提高膳食中水果、蔬菜、鱼类和益生菌食品的比例，可作为哮喘的辅助干预策略。
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然而，在人类中的益生菌干预却往往不能得到令人兴奋的结果。
研究人员认为，这可能是因为菌株在不同的环境中的功能和生存能力具有差异。对数据的谨慎解读很重要，因为一个特定的物种可能根据其环境与宿主进行不同的相互作用。
基于这种不确定性，本综述作者提出，更有临床潜力的是微生物产品或代谢物：
“临床证实，使用标准剂量的纯化微生物成分，更具备有益的效果。它们能克服微生物在受者体内是否存活和功能的不确定性，并可能比益生菌本身具有更大的潜力”。
操纵微生物群以对抗呼吸道疾病。经纯化的代谢物（如SCFAs）也是治疗呼吸系统疾病的一个有前途的靶点
在过去的二十年中，人们对人体微生物组在健康和疾病中的作用有了深刻的认识。许多数据支撑了“肠-肺轴”背后机制的探索，并指出了微生物衍生代谢物在这一过程中的重要性。
作者认为，虽然近年来对微生物群中细菌的分析已成为研究的中心，但真菌、原生动物、蠕虫、病毒和噬菌体的研究（相对较少）可能同样重要。小鼠研究表明，当这些物种数量受到影响时，细菌群落也会发生变化。
不知你是否还有印象，我们曾报道过一个使用噬菌体成功治疗15岁、囊性纤维化（一种遗传性胰腺病）伴耐药菌感染女孩的案例。这个案例当时在医药和学界传播非常广泛。
5月8日，《Nature Medicine》刊登一则利用三噬菌体混合物，治疗囊性纤维化伴播散性脓肿分枝杆菌（M. abscessus）耐药菌感染的案例。
患者是一名患有囊性纤维化的15岁女孩，此前服用抗生素控制细菌达8年之久。在接受过双侧肺移植手术后，切口红肿，后被诊断为播散性分枝杆菌感染。手臂、腿和臀部持续出现皮肤结节，并且传统的抗生素不再有效。
来自匹兹堡大学霍华德休斯医学院（HHMI）的Graham Hatfull教授团队，利用基因工程和正向遗传学方法，研制出了能有效杀灭感染性脓肿株的三噬菌体混合物。
这三个噬菌体分别是：Muddy、ZoeJ和BPs。研究人员将其纯化，并进行安全性测试。随后通过静脉注射给药，每天2次，每次注射10亿个噬菌体颗粒。6周后，肝脏扫描显示感染基本消失。 DOI: 10.1038/s41591-019-0437-z
此外，在未来的研究中，有关样本处理、测序（特别是序列数据库注释）方面的进展，有可能成为该领域的关键推力，它有望让疾病的防治发生革命性的变化。
封面图源 Michigan Medicine
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