综述

人体微生物:胸部疾病研究的新方向

Published at: 2014年第1卷第14期

Anselm Wang-Hei Hui 1 , Hon-Wai Lau 1 , Tiffany Hoi-Tung Chan 1 , Stephen Kwok-Wing Tsui 1
1 School of Biomedical Sciences, Faculty of Medicine, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, China

引言

微生物组是生态环境中微生物的基因组集合(1)。了解人体微生物组将有希望揭示某些以前仅通过检测人类基因组不能解释的生理或病理现象。

通过培养技术研究微生物可以追溯到17世纪,然而培养技术在培养基和培养条件方面存在诸多限制,并且其特性决定了培养技术是一种定性技术。人体表面超过70%的菌种不能用现有的技术进行培养,因此传统的培养技术不是微生物研究唯一的黄金标准。旨在鉴定菌种、基于核糖体RNA(rRNA)序列或基因组DNA的技术已受到关注,并且作为研究正常或发生病变的肺部微生物的方法正在越来越流行(2)。

在所有项目中,美国国立卫生研究院领导的人类微生物群系项目(HMP)是目前开展的最大的项目(3)。HMP的最终目标旨在证明通过监测和调控人体微生物组有机会改善人类健康。HMP有望引导临床实践的模式发生转变,这主要通过为判定微生物组变化与健康是否存在相关性提供基础,为干预治疗提供新方法来实现。

在一项针对健康人群肺部的研究中,得到的初步结论是:健康的肺部没有一成不变的优势微生物。相反,它包含多种与上呼吸道菌群基本没有区别的微生物,这表明上呼吸道和下呼吸道微生物群存在高度相关性(4)。然而,最近一项比较吸烟者与非吸烟者肺部和口腔微生物群的研究得出不同的结论。据观察,某些类型的细菌如肠杆菌属和嗜血杆菌属在生理状态的肺部非常丰富,理论上这些细菌在口腔中也应该非常丰富,但事实与此相反。此外,吸烟者与非吸烟者间口腔微生物群存在很大的差别(5)。这个有趣且看似矛盾的现象引出一个问题,即这些差异是与处于病理状态有关,还是只是因为实验设计或数据解释引起的差异。

在本篇综述中,我们报道了慢性阻塞性肺疾病(COPD)、流感和结核病患者微生物群特征研究的最新进展。共生菌与这些疾病的显著相关性已有报道,要求我们更新对这些经典胸部疾病的理解。

慢性阻塞性肺疾病

COPD是一种以不完全可逆性气流受限为特征、导致死亡率和发病率增加的炎症性疾病(6,7)。

临床上,COPD分为肺气肿和慢性支气管炎,分别对应腺泡和支气管水平阻塞(8)。流行病学调查显示,90%的COPD案例为大量吸烟所致,但只有少数吸烟者会进展为COPD(9)。吸烟如何导致COPD的确切机制尚未完全了解(10)。

目前认为吸入物如烟草烟雾、粉尘和二氧化硅持久、反复的刺激是支气管炎发病的主要原因。早期临床特征包括粘液过度分泌和粘膜下腺肥大,最终导致慢性阻塞。其他细菌感染的作用被认为是次要的。这不影响支气管炎的进展,但显著影响疾病预后。此外,还有人认为吸烟干扰感染呼吸道上皮作用,直接导致肺损伤,造成更严重的感染。肺气肿的主要原因被认为是蛋白酶-抗蛋白酶和氧化-抗氧化失衡所致。感染经常发生于支气管炎患者,而肺气肿患者只偶尔发生(9)。

既往基于传统培养技术的微生物分类认为健康受试者支气管树是无菌的(11-13),COPD患者支气管树存在少量潜在病原微生物定植(12,14,15)。然而最近研究表明,即使生理条件下,肺部也不是完全无菌的,慢性疾病中会发生微生物的进一步变化(16)。

从COPD患者气道不同位置收集的样本如痰液、支气管吸出物、支气管肺泡灌洗液和支气管粘膜中观察到细菌高多样性(>100个种属)。链球菌属、普氏菌属、莫拉菌属、流感嗜血杆菌、不动杆菌属、梭杆菌属、奈瑟菌属是最常见的菌属。COPD患者中鉴定出的其他细菌包括致病菌如罗氏菌属、托菲力马菌属、链球菌属、消化链球菌属、纤毛菌属、金氏菌属和Dysgonomonas菌属,这些细菌是菌血症和心内膜炎的已知致病原因(17)。在这些样本中,痰液微生物多样性显著降低,下支气管树样本与上支气管树有明显不同的细菌组成。这表明痰液和支气管吸出物可能并不能准确代表下支气管粘膜菌群(17)。此外还观察到,COPD患者存在特征性的丰富的菌群,口腔菌群类似,这进一步印证了了肺部微生物来源于口腔菌群误吸的假设(18)。

与先前的研究(19)相反,一项最近比较中重度COPD患者与正常人肺部微生物的大型研究得出了完全不同的结果,认为肺部微生物多样性高,而且可以通过年龄差异来解释(18)。还有报道认为,极重度COPD患者与严重程度较轻的COPD患者相比,微生物多样性更高,但是少数COPD患者显示出令人意外的低微生物多样性(20)。最后也很重要的一点是,有人推测COPD患者细菌感染增加加重病情风险,并加速肺功能损伤(2)。

流感

上呼吸道微生物被证明在流感预后中发挥着多重作用。目前注重研究潜在引起继发感染的细菌组成以及生理条件下呼吸道共生菌如何调节对流感的免疫应答。

流感爆发时微生物的动态变化与继发感染

链球菌和肺炎球菌引起的继发性细菌性肺炎被证明是1918年、1957年和1968年三次流感大流行时高死亡率的主要原因(21)。事实上,最近研究显示,甲型流感病毒(PR8株)和肺炎链球菌共同感染会导致小鼠巨噬细胞浸润能力受损(22)。

2009年H1N1甲型流感(pH1N1)大爆发后,多个小组研究了流感患者微生物感染情况(23-25)。Chaban等人研究了65例pH1N1患者的细菌组成,报道了年龄与细菌多样性的正相关性(25)。研究还发现,上呼吸道微生物主要包括厚壁菌门、变形菌和放线菌。这些观察到的现象与Leung等人的研究结果(24)以及另一项重点研究生理条件下细菌组成的研究一致(26)。Chaban等人还报道称,流感患者比正常人存在更多的变形菌,尤其是肠杆菌和莫拉菌家族(25)。有趣的是,Leung等人比较了pH1N1感染与非感染肺炎患者的细菌组成,也发现pH1N1感染患者咽拭子样本中变形菌数量,尤其是莫拉菌家族显著升高(P<0.05)(24)。总之,这些研究提示,变形菌属可能与甲型流感继发细菌感染相关。

事实上Leung等人的研究表明,假单胞菌和罗尔斯通菌在pH1N1感染患者中显著增多。比较基因组学分析也表明,在pH1N1感染时丰度增加的菌种趋化性增强,鞭毛组装基因增多,而在丰度下降的菌种中则缺乏这种特征(24)。

共生菌及其在流感免疫应答中的调节作用

虽然共生菌在调节肠道免疫应答中发挥的重要作用毋庸置疑(27),但共生菌在呼吸系统中的作用仍不清楚。为此,数个团队在动物模型上进行研究以确定微生物和其相应的信号通路在肺部免疫应答中的作用。

Icihnohe等人研究表明,共生菌促进IL-1β和IL-18前体表达,反过来调节Th1、CTL和IgA免疫应答,以对流感提供必要的防御(28)。此外,还观察到新霉素治疗的小鼠免疫应答减少,这表明新霉素敏感细菌与调节肺部免疫应答有关。更为重要的是,他们的研究还发现,氨苄西林、万古霉素或甲硝唑治疗小鼠并没有引起免疫应答,这说明新霉素具有特殊作用。同样的思路,Wu等人的研究发现与单用新霉素治疗相比,新霉素与益生菌培菲康合用能减少小鼠肺损伤(29),进一步支持“微生物的存在是调节肺部免疫系统的关键”的观点。

尽管上述研究证明共生菌是免疫系统激活的关键,但另一组研究报道却认为微生物的存在实际上也是通过TLR2信号通路减少肺部炎症。植入金黄色葡萄球菌的小鼠与SPF级的小鼠相比,生存时间更长,肺损伤更少(30)。

结核病

结核病是一种空气传播性疾病,众所周知由结核分枝杆菌引起。目前已经对结核分枝杆菌本身的特征做了广泛深入的研究(31)。最近研究转向研究结核病中其他细菌的作用,并且报道了令人意外的发现。

微生物与潜伏性结核感染的预后

据估计,世界三分之一的人口潜伏感染结核分枝杆菌,但只有10%的人群最终患结核病(32)。对于这一现象的真正原因依然知之甚少,提示需要在这方面进行更多的研究。

Perry等人报道了令人意外的结果,认为人体幽门螺旋杆菌感染与增强结核感染抵抗力相关。在一项潜伏性结核感染患者队列研究中,观察到最终进展为结核病的患者中约50%幽门螺旋杆菌血清学阴性。对食蟹猴的回顾性研究也表明幽门螺旋杆菌血清学阳性与进展为结核病风险降低相关(33)。虽然这些研究仍是观察性研究,但这引出一个假设,即幽门螺旋杆菌的存在或一般微生物的状态可以预测潜伏性结核感染患者的预后。为在这二者间建立起更多确切的联系,需要开展动物模型的前瞻性研究。

结核病中微生物的表征

新一代测序技术的进步也使结核病患者的微生物表征作为对传统培养方法的一个补充,提供在细菌组成的可能变化方面更为全面的观点。到目前为止,两个小组通过16SRNA焦磷酸测序技术研究了结核病患者的痰液微生物(34,35)。

Cui等人报道称,结核病患者痰液中细菌组成的多样性增加。此外,对照组细菌组成表现出明显的集群模式,而结核病患者则相反,表现出更分散的模式(34)。在细菌门的水平上,Cui等人和Cheung等人均报道称,厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门是结核病患者和健康人痰液微生物的主要门类,占至少70%(34,35)。这些门类也被认为是生理条件下肺部的优势门类(10)。而在细菌属的水平上,Cheung等人报道认为,链球菌属、奈瑟氏菌属、普氏菌属是最主要的菌属,这与其他肺部疾病患者痰液微生物的研究结果一致,但还是不同于正常人肺部(10,17,36-38)。厚壁菌门的一些菌属也被认为在结核病患者中更丰富。另一方面,Cui等人报道称,部分菌属包括窄食单胞菌属和叶杆菌属独特存在于结核病患者中(34)。然而,两项研究均观察了门水平上细菌组成的变化,研究结果仍有些不一致。这些差异可能是由于纳入患者的标准不同所致,将需要更多证据以得出明确的结论。

讨论

虽然观测结果还不一致,但在肺部微生物特征这个相对年轻的领域中取得的最新进展已经引起了广泛的关注,这为今后调查特定细菌种类与经典胸部疾病之间的关系提供了基础和潜在的目标。

虽然测序技术的快速进展以一种新颖的方式为研究细菌特征提供了可能性,但仍存在一定的技术困难,与传统培养技术相比,还需要投入更多努力在研究新技术的优缺点上。由于多项研究报道称传统培养技术在某些情况下仍具有优势(39),因此两种技术将彼此互补以更全面了解呼吸道微生物。

我们对病理状态下呼吸道微生物变化的理解现在还仍然较为短浅,这是由于收集下呼吸道样本是一种侵入性检查导致健康人下呼吸道样本缺乏所致。目前对胸部疾病的研究如肺结核,主要集中于痰液样本,还需要进一步研究以观察这些样本是否也能准确代表下呼吸道微生物。我们预期更加深入理解呼吸道微生物将对胸部疾病的发病机制和预后提供新的见解,也将为基于微生物改变进行干预提供可能性。

致谢

声明:作者宣称没有利益冲突。

参考文献

  1. Blaser MJ, Falkow S. What are the consequences of the disappearing human microbiota? Nat Rev Microbiol 2009;7:887-94.
  2. Han MK, Huang YJ, Lipuma JJ, et al. Significance of the microbiome in obstructive lung disease. Thorax 2012;67:456-63.
  3. NIH HMP Working Group, Peterson J, Garges S, et al. The NIH Human Microbiome Project. Genome Res 2009;19:2317-23.
  4. Charlson ES, Bittinger K, Haas AR, et al. Topographical continuity of bacterial populations in the healthy human respiratory tract. Am J Respir Crit Care Med 2011;184:957-63.
  5. Morris A, Beck JM, Schloss PD, et al. Comparison of the respiratory microbiome in healthy nonsmokers and smokers. Am J Respir Crit Care Med 2013;187:1067-75.
  6. Mathers CD, Loncar D. Projections of global mortality and burden of disease from 2002 to 2030. PLoS Med 2006;3:e442.
  7. Jemal A, Ward E, Hao Y, et al. Trends in the leading causes of death in the United States, 1970-2002. JAMA 2005;294:1255-9.
  8. Rabe KF, Hurd S, Anzueto A, et al. Global strategy for the diagnosis, management, and prevention of chronic obstructive pulmonary disease: GOLD executive summary. Am J Respir Crit Care Med 2007;176:532-55.
  9. Kumar V, Abbas AK, Aster JC, et al. Pathological basis of disease, 8th Edition. Philadelphia: Elsevier Saunders, 2009:683-8.
  10. Beck JM, Young VB, Huffnagle GB. The microbiome of the lung. Transl Res 2012;160:258-66.
  11. Kahn FW, Jones JM. Diagnosing bacterial respiratory infection by bronchoalveolar lavage. J Infect Dis 1987;155:862-9.
  12. Rosell A, Monsó E, Soler N, et al. Microbiologic determinants of exacerbation in chronic obstructive pulmonary disease. Arch Intern Med 2005;165:891-7.
  13. Thorpe JE, Baughman RP, Frame PT, et al. Bronchoalveolar lavage for diagnosing acute bacterial pneumonia. J Infect Dis 1987;155:855-61.
  14. Marin A, Garcia-Aymerich J, Sauleda J, et al. Effect of bronchial colonisation on airway and systemic inflammation in stable COPD. COPD 2012;9:121-30.
  15. Marin A, Monsó E, Garcia-Nuñez M, et al. Variability and effects of bronchial colonisation in patients with moderate COPD. Eur Respir J 2010;35:295-302.
  16. Armougom F, Bittar F, Stremler N, et al. Microbial diversity in the sputum of a cystic fibrosis patient studied with 16S rDNA pyrosequencing. Eur J Clin Microbiol Infect Dis 2009;28:1151-4.
  17. Cabrera-Rubio R, Garcia-Núñez M, Setó L, et al. Microbiome diversity in the bronchial tracts of patients with chronic obstructive pulmonary disease. J Clin Microbiol 2012;50:3562-8.
  18. Pragman AA, Kim HB, Reilly CS, et al. The lung microbiome in moderate and severe chronic obstructive pulmonary disease. PLoS One 2012;7:e47305.
  19. Erb-Downward JR, Thompson DL, Han MK, et al. Analysis of the lung microbiome in the "healthy" smoker and in COPD. PLoS One 2011;6:e16384.
  20. Sze MA, Dimitriu PA, Hayashi S, et al. The lung tissue microbiome in chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med 2012;185:1073-80.
  21. Morens DM, Taubenberger JK, Fauci AS. Predominant role of bacterial pneumonia as a cause of death in pandemic influenza: implications for pandemic influenza preparedness. J Infect Dis 2008;198:962-70.
  22. Nakamura S, Davis KM, Weiser JN. Synergistic stimulation of type I interferons during influenza virus coinfection promotes Streptococcus pneumoniae colonization in mice. J Clin Invest 2011;121:3657-65.
  23. Greninger AL, Chen EC, Sittler T, et al. A metagenomic analysis of pandemic influenza A (2009 H1N1) infection in patients from North America. PLoS One 2010;5:e13381.
  24. Leung RK, Zhou JW, Guan W, et al. Modulation of potential respiratory pathogens by pH1N1 viral infection. Clin Microbiol Infect 2012. [Epub ahead of print].
  25. Chaban B, Albert A, Links MG, et al. Characterization of the Upper Respiratory Tract Microbiomes of Patients with Pandemic H1N1 Influenza. PLoS One 2013;8:e69559.
  26. Lemon KP, Klepac-Ceraj V, Schiffer HK, et al. Comparative analyses of the bacterial microbiota of the human nostril and oropharynx. MBio 2010;1.pii:e00129-10.
  27. Round JL, Mazmanian SK. The gut microbiota shapes intestinal immune responses during health and disease. Nat Rev Immunol 2009;9:313-23.
  28. Ichinohe T, Pang IK, Kumamoto Y, et al. Microbiota regulates immune defense against respiratory tract influenza A virus infection. Proc Natl Acad Sci U S A 2011;108:5354-9.
  29. Wu S, Jiang ZY, Sun YF, et al. Microbiota regulates the TLR7 Signaling pathway against respiratory tract influenza A virus infection. Curr Microbiol 2013. [Epub ahead of print].
  30. Wang J, Li F, Sun R, et al. Bacterial colonization dampens influenza-mediated acute lung injury via induction of M2 alveolar macrophages. Nat Commun 2013;4:2106.
  31. Smith I. Mycobacterium tuberculosis pathogenesis and molecular determinants of virulence. Clin Microbiol Rev 2003;16:463-96.
  32. Young DB, Gideon HP, Wilkinson RJ. Eliminating latent tuberculosis.Trends Microbiol 2009;17:183-8.
  33. Perry S, de Jong BC, Solnick JV, et al. Infection with Helicobacter pylori is associated with protection against tuberculosis. PLoS One 2010;5:e8804.
  34. Cui Z, Zhou Y, Li H, et al. Complex sputum microbial composition in patients with pulmonary tuberculosis. BMC Microbiol 2012;12:276.
  35. Cheung MK, Lam WY, Fung WY, et al. Sputum microbiota in tuberculosis as revealed by 16S rRNA pyrosequencing. PLoS One 2013;8:e54574.
  36. Zhou Y, Lin P, Li Q, et al. Analysis of the microbiota of sputum samples from patients with lower respiratory tract infections. Acta Biochim Biophys Sin (Shanghai) 2010;42:754-61.
  37. Filkins LM, Hampton TH, Gifford AH, et al. Prevalence of streptococci and increased polymicrobial diversity associated with cystic fibrosis patient stability. J Bacteriol 2012;194:4709-17.
  38. Guss AM, Roeselers G, Newton IL, et al. Phylogenetic and metabolic diversity of bacteria associated with cystic fibrosis. ISME J 2011;5:20-9.
  39. Dubourg G, Lagier JC, Armougom F, et al. The gut microbiota of a patient with resistant tuberculosis is more comprehensively studied by culturomics than by metagenomics. Eur J Clin Microbiol Infect Dis 2013;32:637-45. 

(翻译:肖定洪)

Cite this article as: Hui AW, Lau HW, Chan TH, Tsui SK. The human microbiota: a new direction in the investigation of thoracic diseases. J Thorac Dis 2013;5(S2):S127-S131. doi : 10.3978/j.issn.2072-1439.2013.07.41 

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