综述：环境因素对呼吸道微生物组和呼吸系统疾病的影响

《European Journal of Medical Research》：The impact of environmental factors on respiratory tract microbiome and respiratory system diseases

这篇综述聚焦于呼吸道微生物组（Respiratory microbiome）与呼吸系统疾病的关联。梳理了环境温度、湿度、空气污染物等因素对呼吸道微生物组的影响，探讨其在慢性阻塞性肺疾病（COPD）、哮喘等疾病中的作用机制，为防治呼吸系统疾病提供新思路。

　　

呼吸道微生物组的组成

呼吸系统在人体与外界环境的气体交换中起着关键作用。过去，下呼吸道被认为是无菌的，但随着基因技术的进步和高通量测序的广泛应用，人们逐渐发现下呼吸道和肺部存在微生物群落。

呼吸道微生物群的定植在出生后不久就开始了，新生儿在出生后 24 小时内，气管吸出物中就能检测到细菌 DNA。呼吸道以环状软骨为界，分为上、下呼吸道。上呼吸道包括鼻腔、鼻窦、咽部和喉部的声门上部分，它持续暴露于外界环境，缺乏物理屏障，其微生物组成直接影响呼吸道健康。口咽和鼻咽的微生物群有相似之处，出生时，两者主要都由链球菌定植。产后一周，鼻咽主要由莫拉克斯菌和嗜血杆菌定植。到一个月时，鼻咽微生物组中莫拉克斯菌、葡萄球菌、链球菌、棒状杆菌和嗜血杆菌的丰度较高。而口咽微生物群随时间相对稳定，主要由链球菌组成，还包括奈瑟菌、普雷沃菌、韦荣球菌和嗜血杆菌等。

目前研究表明，上、下呼吸道的微生物群具有高度同源性。下呼吸道的微生物群主要源于口咽，通过吸入迁移到下呼吸道，但它也有独特的特征。肺微生物组主要由变形杆菌、普雷沃菌、链球菌和韦荣球菌组成。

呼吸道微生物组变化与呼吸系统疾病的关系

呼吸道微生物组的稳定对维持正常呼吸功能和促进新生儿免疫系统成熟至关重要。正常的呼吸道微生物群有助于清除病原体、调节宿主免疫细胞功能，并通过竞争排斥或产生抑制物质来防止病原体定植。当呼吸道微生物群的正常组成失衡，微生物多样性降低时，可能引发或加重呼吸道疾病。近期研究证实，常见呼吸道疾病患者与健康对照者的肺微生物组存在显著差异，在许多传统上不被认为是由微生物引起的肺部疾病中，也证实存在微生物种群异常（生态失调）。

慢性阻塞性肺疾病（COPD）

与健康对照组相比，稳定期 COPD 患者肺部微生物群多样性降低，莫拉克斯菌、链球菌、韦荣球菌和普雷沃菌的数量增加。而 COPD 急性加重期患者的肺微生物组中，铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌的水平升高。

一项对 101 例 COPD 急性加重期患者的前瞻性研究显示，嗜血杆菌的丰度增加，而普雷沃菌和韦荣球菌的丰度下降。一项对 72 例 COPD 患者的横断面研究表明，气流阻塞与痰液中假单胞菌相对丰度的升高相关。研究还发现，随着 COPD 病情进展和通气功能逐渐恶化，晚期患者痰液中的微生物多样性减少，主要微生物门类包括变形菌门、厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门。

通过对痰液微生物组、宿主转录组和蛋白质组数据的多变量建模分析发现，在 COPD 患者气道内的宿主 - 微生物组相互作用中，莫拉克斯菌和嗜血杆菌主要参与将宿主干扰素和促炎信号通路与中性粒细胞炎症联系起来。

不同炎症表型的 COPD 患者呼吸道微生物群也存在差异。分析 510 名受试者痰液样本的研究显示，中性粒细胞性 COPD 患者的呼吸道微生物组具有异质性，一个亚组以嗜血杆菌为主，另一个亚组微生物组成较为平衡。一项涉及 87 例 COPD 患者的队列研究表明，中性粒细胞炎症与痰液中莫拉克斯菌水平升高有关。对 43 名受试者的队列分析发现，中性粒细胞优势与痰液中嗜血杆菌和奈瑟菌丰度增加呈正相关，且中性粒细胞炎症患者的微生物多样性低于其他 COPD 炎症表型。相反，COPD 中的嗜酸性粒细胞炎症与细菌感染减少和肺部微生物群多样性增加相关。因此，呼吸道微生物群组成的炎症特异性变化可作为潜在的生物标志物，用于追踪和预测 COPD 患者的炎症表型。

然而，一项研究发现，下呼吸道微生物组组成在样本和个体之间差异较大，个体差异远大于频繁和不频繁急性加重者之间的差异，所以呼吸道微生物组能否作为预测 COPD 疾病严重程度和炎症状态的生物标志物，还需要大量实验验证。

哮喘

哮喘患者肺部微生物组中变形杆菌、嗜血杆菌、莫拉克斯菌和奈瑟菌的丰度高于健康对照组。哮喘患者痰液样本中奈瑟菌和变形杆菌的相对丰度较高，微生物多样性增加，而健康个体的痰液中厚壁菌门和放线菌门占主导。重度哮喘患者中放线菌门的丰度显著高于健康对照组或轻 - 中度哮喘患者。

哮喘儿童的鼻腔中莫拉克斯菌和嗜血杆菌的丰度高于健康儿童。一项对 234 名 2 - 12 个月大澳大利亚哮喘儿童的队列研究显示，他们的鼻咽微生物组主要由嗜血杆菌、链球菌、莫拉克斯菌、差异球菌、棒状杆菌和葡萄球菌组成。

哮喘和 COPD 存在重叠的炎症表型（中性粒细胞和嗜酸性粒细胞浸润）和相似的微生物组特征。中性粒细胞性哮喘患者的呼吸道微生物组多样性低于其他炎症表型。

与成年人不同，儿童哮喘风险与早期发育阶段的呼吸道微生物组组成有关。前瞻性队列研究表明，1 个月大时新生儿呼吸道微生物组中韦荣球菌和普雷沃菌的相对丰度升高，与 6 岁时哮喘风险增加有关；婴儿期（0 - 12 个月）嗜血杆菌的鼻腔定植增加和莫拉克斯菌的持续低丰度与 7 岁时哮喘诊断相关；2 岁时口咽奈瑟菌的丰度与哮喘发病率呈正相关。哮喘儿童气道细菌载量升高，其特征是肿瘤坏死因子 - α（TNF - α）/ 白细胞介素 - 1β（IL - 1β）产生受抑制，趋化因子配体 2（CCL2）/ 趋化因子配体 17（CCL17）表达上调。由于 CCL2 和 CCL17 是独立的哮喘生物标志物，这些发现表明微生物驱动的免疫失调可能在哮喘发病机制中起重要作用。

肺癌

新兴研究强调了肺癌与慢性炎症性呼吸道疾病之间的关联，越来越多的证据表明肺癌与 COPD 之间存在病理相互作用。前瞻性队列分析显示，肺癌患者肺部韦荣球菌富集与不良临床结局相关，这突出了肺微生物组失调可能参与肿瘤发生和疾病进展。

肺癌患者下呼吸道中链球菌和普雷沃菌的丰度高于健康个体。非小细胞肺癌（NSCLC）患者唾液微生物组分析显示，韦荣球菌定植增加，奈瑟菌丰度降低。研究表明，癌症患者支气管肺泡灌洗液（BALF）中链球菌和韦荣球菌的丰度升高，与炎症细胞浸润增加和支气管上皮细胞中磷脂酰肌醇 3 - 激酶（PI3K）/ 细胞外调节蛋白激酶（ERK）信号轴激活相关。另一项研究发现，下呼吸道中拟杆菌门的富集对肺癌发生有保护作用，下呼吸道中普雷沃菌、链球菌和梭菌的组成变化与局部肺部炎症程度显著相关。

间质肺疾病

与健康对照组相比，间质性肺炎患者 BALF 中链球菌的丰度降低，而普雷沃菌和韦荣球菌的丰度增加。研究表明，特发性肺纤维化（IPF）患者 BALF 中的细菌负荷超过健康对照组，链球菌和葡萄球菌等微生物群落与疾病进展加速有关。因此，影响呼吸道微生物生态系统的因素可能间接影响这些疾病的发展和临床结局。

急性肺损伤 / 急性呼吸窘迫综合征（ALI/ARDS）

通过气管内注射脂多糖（LPS）构建标准 ALI 小鼠模型，研究人员观察到 ALI 小鼠 BALF 中的厚壁菌门、变形菌门和拟杆菌门与总细胞计数呈正相关，而放线菌门呈负相关。越来越多的临床证据表明，ALI/ARDS 患者的肺微生物群存在明显失调，这可能与损伤驱动的促炎因子上调有关，促炎因子增强了细菌增殖，破坏了肺部微环境的稳定性。

实验研究表明，高氧暴露（FiO₂ 95%）最早在 24 小时就会导致小鼠肺部微生物群改变，早于 72 小时后观察到的高氧介导的肺损伤。这种时间模式表明气道微生物群可能参与了 ALI/ARDS 病理过程的起始。因此，影响呼吸道微生物生态系统的因素可能间接影响这些疾病的发展和临床结局。

环境因素对呼吸道微生物组的影响

环境温度和湿度

环境温度的变化会影响呼吸道微生物组的组成。有研究观察到，11 周龄健康伊莎褐蛋鸡周期性暴露于升高的环境温度下，其呼吸道微生物群的多样性会显著改变。具体来说，与维持在 24°C 的对照组相比，暴露于 30°C 的组 BALF 中变形菌门显著增加，厚壁菌门减少。在雌性小鼠中，同时暴露于 1 ppm 臭氧和 36°C 的热环境下，BALF 中厚壁菌门减少，同时总蛋白、肿瘤坏死因子 - α（TNF - α）和 8 - 羟基脱氧鸟苷（8 - OHdG）水平增加。高温环境会促进包括金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌在内的病原菌增殖，从而降低正常呼吸道微生物群的多样性。相反，低温环境也会影响呼吸道微生物群。临床研究表明，健康人长时间吸入 26°C 的冷空气，咽部莫拉克斯菌属的丰度会降低。此外，暴露于 4°C 和 20°C 环境的兔子，其肺微生物组组成有显著差异，4°C 时变形杆菌的患病率高于 20°C。

长时间暴露于高温对健康的危害已广为人知，不合适的环境湿度水平也会对健康产生不利影响，尤其是在高温环境下。研究表明，在炎热潮湿的条件下（31 - 33°C，相对湿度 91 - 95%），小鼠肠道微生物群的多样性与标准条件下不同，小鼠粪便中厚壁菌门减少，拟杆菌门增加。对科特迪瓦学龄儿童口咽微生物群变化及其与环境条件关系的研究发现，奈瑟菌的丰度与湿度水平呈负相关。

空气污染物

环境污染已成为当代社会的一个关键问题。工业排放、汽车尾气、化石燃料燃烧、建筑灰尘和沙尘暴等自然现象产生了各种空气污染物，包括颗粒物（PM2.5、PM10）、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、挥发性有机化合物（VOCs）和臭氧等。研究表明，小鼠暴露于高浓度的 PM2.5 会显著影响肺微生物群，导致拟杆菌门和厚壁菌门的丰度增加。长期暴露于空气污染物会促进呼吸道中肺炎链球菌、流感嗜血杆菌和莫拉克斯菌等病原菌的定植。一项研究中国东北冬季供暖期空气污染物与呼吸道微生物群失衡关系的研究发现，污染严重地区的个体咽喉拭子中厚壁菌门和变形菌门的相对丰度高于污染较轻地区，且随着空气污染水平的上升，梭杆菌属和普雷沃菌属的相对丰度下降。

复合因素

与环境温度相比，季节变化是一个更复杂的因素，它包括温度、降水、日照时长、生物多样性和人类活动的变化。上呼吸道微生物群的组成在不同季节会有所波动。研究表明，在秋季和冬季，儿童鼻咽部变形菌门的丰度升高，而春季拟杆菌门占主导。

海拔对人体的影响也是多方面的。高海拔地区气压低、氧分压低、紫外线辐射强、温度低、气候干燥且风力大。正常情况下，呼吸道微生物群包括需氧菌和厌氧菌，它们对氧气水平的波动有不同的适应机制。在高海拔普遍存在的缺氧条件下，呼吸道中需氧菌的多样性可能会降低，但这一领域的科学研究还非常有限。

环境因素影响呼吸道微生物组的机制

直接影响

环境因素的变化可以直接影响呼吸道微生物的增殖和繁殖，从而影响它们在呼吸道中的存在情况。体外研究表明，改变培养环境会改变呼吸道微生物的数量和活力。有研究探讨了环境氧浓度（厌氧环境或由过氧化氢酶提供的有氧环境）和温度（30 - 39°C）对多种肺炎链球菌菌株体外生长的影响。在过氧化氢酶提供的有氧条件下，30 - 35°C（正常鼻腔温度）时，菌株在培养 24 小时后达到最大密度。随着培养温度升高，菌株密度降低，在 37 - 39°C 时密度最小。大多数菌株在 35 - 37°C 时生长速率最佳，且在有氧条件下比在厌氧条件下生长更快。另一项研究发现，痰液样本的储存温度显著影响肺炎链球菌的活力，4°C 时的活力明显低于室温。

环境因素的变化还会影响呼吸道微生物的毒力，引发呼吸道炎症反应，从而破坏呼吸道微环境，影响其稳定性。在 26°C 的环境条件下，卡他莫拉菌外膜蛋白 UspA1 的表达会升高，这有助于细菌黏附到上呼吸道细胞，增强其毒力，扰乱正常的呼吸道微环境。在 26°C 时，卡他莫拉菌还会增强细菌诱导的白细胞介素 - 8（IL - 8）释放，加剧炎症反应。

肠道 - 肺轴

肠道 - 肺轴是当前的研究热点，它描述了肠道微生物群与肺部健康之间的复杂相互作用，以及在调节免疫和炎症反应中的关键作用。ARDS 患者的 BALF 中肠道特异性拟杆菌属的患病率和丰度较高，这与全身炎症的严重程度有关。值得注意的是，脆弱拟杆菌已被证明有助于预防呼吸道感染。已有证据表明肠道微生物群的变化与哮喘的发展有关。新兴研究发现，肠道原生动物三毛滴虫可调节肺部免疫环境，从而介导与过敏性气道炎症和肺部感染相关的免疫反应。

目前研究表明，肠道微生物群产生的短链脂肪酸及其细胞外囊泡可以通过血液循环或淋巴途径渗透到肺部系统，从而影响肺部微环境。此外，当肠道黏膜屏障被破坏时，肠道微生物群有可能侵入血液或淋巴系统，随后到达肺部，调节肺部微生物群的组成。持续暴露于高温或在这种条件下进行剧烈体力活动会加剧热应激，增强肠道内的氧化应激，损害肠道上皮细胞和紧密连接蛋白，破坏肠道物理屏障，使肠道细菌侵入血液并迁移到肺部，进而影响肺微生物组。然而，针对不同环境条件下肠道 - 肺轴的具体变化及其与呼吸道微生物组和肺部疾病关系的综合研究仍然较少。

结论与展望

随着全球气候变暖加剧和空气污染恶化，环境因素对健康的影响日益受到关注。呼吸道直接暴露于大气的物理和化学参数中，是环境因素影响人类健康的关键途径。现有证据表明，环境温度、湿度和空气污染物可能通过影响呼吸道微生物组改变呼吸道疾病的发病率，但这方面还缺乏全面系统的研究。此外，对微生物的研究有助于预防疾病的发生和发展，已有证据证实摄入益生菌可降低呼吸道感染的易感性。未来的研究应着眼于探究不同环境条件下呼吸道微生物组的变化，加深对其在维持体内平衡中的作用的理解，明确其调节机制，这可能为疾病的预防和治疗提供新的思路和策略。