随着冬季到来，天气逐渐转冷，大部分呼吸道病原体在外界存活时间延长，同时人体的免疫力下降，呼吸道感染性疾病进入高发季节。
2024年第48周(11月25日—12月1日)，对全国哨点医院(不含港澳台)采集的门急诊流感样病例和住院严重急性呼吸道感染病例的呼吸道样本，开展了多种呼吸道病原体检测，检测结果如下表所示：
呼吸道病原体检测阳性率（%）
来源：中国疾病预防控制中心
呼吸道主要病原体检测阳性率区域差异
来源：中国疾病预防控制中心
呼吸道感染是最常见的传染病类别，也是全球发病率和死亡率的主要原因之一。2019年冬天爆发新型冠状病毒(SARS-CoV-2)就对人类产生了深远且持续的影响，影响了健康、日常生活、经济和心理等多个方面。
呼吸道是一个复杂的器官系统，分为不同的区域；上呼吸道包括鼻腔、咽和喉，而下呼吸道则由传导气道(气管和支气管)、小气道(细支气管)和呼吸区(肺泡)组成。曾经被认为是无菌器官的健康肺现在被描述为拥有自己的特定微生物种群——肺微生物群。
肺微生物群被认为是不断吸入和消除的细菌的短暂定居点。这些共生细菌作用于免疫系统，诱导保护性反应并防止病原体入侵和定植。同时，它们通过生产抗菌物质直接抑制病原体的生长。共生菌与常驻上皮细胞和免疫细胞之间的持续互作支持肺稳态。
肺部微生物群被视为“肺部健康状况的镜子”：多项研究表明，在肺部疾病发生期间，肺部细菌组成和肺部环境会发生巨大变化。另一方面，肺与肠道进行连续的双向串扰，并且任一部位微生物群组成的改变都会导致远端疾病的发展和进展。
在本文中，我们将重点关注宿主-微生物群相互作用在健康和最常见的呼吸道细菌(结核分枝杆菌、肺炎链球菌、肺炎克雷伯菌和流感嗜血杆菌)和病毒(流感病毒、呼吸道合胞病毒和严重急性呼吸系统综合症冠状病毒)感染中的作用，描述肺微生物群在生理防御以及疾病环境中的变化。
最后，本文总结了基于微生物群的治疗方法在呼吸道感染中的作用，包括新型微生物基础疗法(益生菌和膳食补充剂)以及微生物靶向疗法(抗菌单克隆抗体和噬菌体)，有助于重塑常驻微生物群落并恢复呼吸道健康。
doi: 10.3390/ijms25074051.
01
了解肺部微生物群
肺部微生物群是指存在于肺部的微生物群落，包括细菌、病毒、真菌和其他微生物。尽管肺部长期被认为是无菌的，但近年来的研究表明，健康的肺部也存在复杂的微生物群，其组成和功能对维持肺部健康和免疫平衡至关重要。
★ 肺部相比肠道微生物较少，但也存在
肺部环境通常不适合细菌群落的发育，导致与肠道环境相比，细菌复制率相对较低，生物量也较低(103-105VS1011-1012个细菌/克组织)。
健康个体的上呼吸道(URT)微生物群更复杂一些，其中口腔共生菌普遍存在。相比之下，下呼吸道(LRT)的微生物群生物量较低，其组成受上呼吸道微吸入的影响，同时因粘膜纤毛活动和先天免疫功能的作用，局部微生物复制受到限制。
大量研究表明，健康的肺部含有拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)的微生物群，其中普雷沃氏菌(Prevotella)、链球菌(Streptococcus)、奈瑟菌(Neisseria)、嗜血杆菌属(Haemophilus)、梭杆菌属(Fusobacterium)和Veilonella是最丰富的属。
16S rRNA 分析确定了健康URT和LRT之间微生物群的空间差异。从口腔到下肺不断发现与链球菌属的细菌重叠。然而，葡萄球菌通常栖息在上呼吸道，而普雷沃氏菌属和韦荣氏菌主要栖息在下呼吸道。
★ 呼吸道微生物定植在出生后就开始
呼吸道定植在出生后24小时内立即开始。在健康状态下，来自链球菌属(Streptococcus)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、普雷沃氏菌属(Prevotella)、莫拉氏菌属(Moraxella)、嗜血杆菌属(Haemophilus)、乳杆菌属(Lactobacillus)、棒状杆菌属(Corynebacterium)和Dolosigranulum的物种代表了生命早期呼吸道的初始定植者，有助于平衡和动态的微生物群落。
从新生儿到成熟期，呼吸道中的细菌数量逐渐增加，多样性和功能能力受到分娩方式、母乳喂养、抗生素使用和烟雾暴露等因素的影响。动物模型研究显示，出生后前两周内细菌量明显增加，菌群从γ‐变形菌纲和厚壁菌门逐步转向拟杆菌门。
★ 微生物可以通过空气吸入和扩散进肺部
微生物迁移是通过吸入空气中的细菌、沿粘膜表面直接扩散发生的，后者被认为是健康受试者中占主导地位和普遍存在的途径。事实上，下呼吸道的细菌群落在很大程度上类似于口腔微生物群的组成。
与微生物群落具有高度抗性的高生物量粘膜(即口腔、肠道)的微生物相比，肺微生物组的动态性质可能是一个重要的独特特性。
★ 影响肺部微生物群的因素
影响肺微生物组成的因素主要有以下几个方面：
1.宿主因素
-年龄
-性别
-体重
-遗传因素
-健康状况(基础疾病)
2.环境因素
-空气质量
-吸烟
-职业暴露
-居住环境
3.生活方式因素
-饮食
-口腔卫生
-运动
-抗生素使用
4.其他因素
-季节变化
-医院环境暴露
-抗生素的使用
-疫苗接种
此外还有局部微生物竞争、宿主上皮细胞相互作用和免疫细胞活化等。术语“菌群失调”表示健康肺微生物组的三个决定因素(微生物迁移、微生物消除和繁殖率)平衡的变化，肺部菌群失调与许多不良生物学事件有关，并参与呼吸系统疾病的发生和发展。
★ 肺部微生物群的变化与疾病存在相关性
比较患病肺和健康肺发现，肺部微生物组成存在显著差异，疾病状况与细菌多样性的丧失有关，或者与一小群分类群的优势有关。微生物菌群失调是各种肺部疾病的特征，其中微生物多样性减少可能与疾病进展有关。
肺微生物组的生长条件在病理过程中发生了显著变化，导致适合受伤气道的疾病和患者的微生物群落。例如肺部富集的口腔厌氧菌群(如Prevotella和Veillonella)与炎症增强和免疫反应改变导致的感染易感性增加有关。
此外，肺微生物群成分的改变对某些个体造成更大的感染风险。肺微生物群的改变与多种肺部疾病的恶化有关，不同的细胞免疫反应与暴露于各种肺部微生物有关。例如在慢性肺部炎症中，来自病理性人支气管肺泡系统的假单胞菌(Pseudomonas)和乳杆菌(Lactobacillus)的富集与Th17型反应的增强相关。一些致病体还会诱导严重的不依赖性Toll样受体2的气道炎症和肺部免疫病理学。
呼吸道微生物组成影响人类和小鼠的炎症反应，调控肺γδ T细胞产生IL-17及肺泡巨噬细胞的分化，并影响抵抗呼吸道感染的能力。副流感嗜血杆菌通过TLR4激活促炎反应，阻碍皮质类固醇通路，诱导炎症性Th2途径，最终导致支气管反应。
健康和呼吸道感染期间的肺微生物群和免疫
doi: 10.3390/ijms25074051.
02
呼吸道感染期间肺部微生物群的变化
肺部感染包括病原体的获得、传播和侵入下呼吸道。
肺炎是肺实质的炎症。在病因学上，它被归类为社区获得性肺炎(先前健康的个体的感染)或医院获得性肺炎(住院个体在入院后48小时内的感染)。革兰氏阳性肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)是大多数社区获得性肺炎病例的原因，也是2岁以下儿童、老年人和免疫功能低下个体患病的主要原因。
★ 不同人群易感的病原体有所差异
由流感嗜血杆菌和肺炎克雷伯菌引起的肺炎易在50岁以上的慢性阻塞性肺病或酗酒患者中传播，而由肺炎支原体和肺炎衣原体引起的肺炎则在儿童中更为广泛。由呼吸道合胞病毒(RSV)和腺病毒引起的病毒性肺炎在健康人群中很少见，而由流感病毒引起的肺炎仍然是老年人和基础疾病患者高死亡率的原因。
在成人中，肺炎链球菌(S.Pneumonia)、乳杆菌(Lactobacilli)和罗斯氏菌属(Rothia)的优势与肺炎有关。新生儿中肺炎链球菌、流感嗜血杆菌或莫拉菌的定植与患支气管炎的风险较高有关。在流感患者中还发现假单胞菌增多。
主要病原体检测阳性率年龄组差异
来源：中国疾病预防控制中心
★ 呼吸道病原体感染导致肺部疾病的发展
人体研究表明，不同菌株的早期定植与发生呼吸道感染的风险增加有关。因此，病原体感染和微生物相互作用都可能影响疾病的进程。从生态学上讲，感染的特点是微生物负荷增加和群落多样性减少，以及宿主炎症和组织损伤增加。上呼吸道微生物组的改变是导致肺炎的细菌感染发生的原因。
最近的一项研究描述了严重肺部感染中病毒复制的显著增加，以及轻度和重度疾病患者之间微生物相互作用的差异，尤其是与常见病原菌之间的关联。流感导致的高死亡风险主要归因于继发性细菌感染。病毒通过多种机制增加了宿主对细菌定植的脆弱性。
注：鼻内接种H1N1病毒以模拟人类流感的小鼠微生物组、肺转录组和代谢组显示出显著变化，这些变化在恢复期持续存在。这表明感染对微环境的稳态产生了长期影响，有利于潜在病原体。
结核病
结核分枝杆菌(Mtb)是导致肺结核(TB)疾病中肺部肺炎的原因。在小鼠和人类身上进行的研究表明，肺部微生物组在抵抗结核分枝杆菌感染方面发挥作用。
结核病患者肺部存在特殊的菌群富集
一些细菌菌株可能与结核病的发病、复发和治疗失败有关。例如假单胞菌的丰度与治疗失败的风险增加有关。与健康对照组相比，感染结核分枝杆菌的个体的微生物群多样性降低，并且经常表现出链球菌和假单胞菌的富集。
在结核病中，肺部和整个下呼吸道具有特殊的微生物特征：结核分枝杆菌、金黄色葡萄球菌和乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)在123名结核病患者的支气管肺泡灌洗液 （BALF）中高度富集，而副流感嗜血杆菌在未感染的肺部富集。
使用鼻咽拭子样本的研究表明，结核分枝杆菌感染显著改变了微生物群组成：与健康对照组相比，结核病患者的变形杆菌、γ-变形杆菌、假单胞菌和莫拉菌科增加，而芽孢杆菌和毛螺菌属减少。
肺泡微生物多样性降低可能由炎症环境引起
与健康对照组相比，结核病患者的肺泡微生物群多样性降低(链球菌和梭杆菌减少，结核分枝杆菌丰度增加)。这些变化可能是由炎症环境决定的，因为结核分枝杆菌可以释放毒力因子，从而抑制巨噬细胞的反应。
在另一项研究中，链球菌在结核病中显著增加，而结核病中的Th1反应可能是由奈瑟菌(Neisseria)和嗜血杆菌(Haemophilus)引发的。
新冠肺炎
2019年，一种新型冠状病毒严重急性呼吸系统综合症2(SARS-CoV-2)引起了新型冠状病毒病(COVID-19)大流行。疾病严重程度和死亡率因年龄及合并症而异，其中许多与肠道和肺部微生物改变有关。这表明菌群失调可以在一定程度上预测COVID-19的严重程度。
新冠病毒感染者肺部微生物群失调
一般来说，与健康或病情较轻的COVID-19个体相比，危重症COVID-19患者的肺部物种多样性降低，细菌负荷增加。不良的临床结果与支原体的下呼吸道富集有关。
一项研究描述了来自重症COVID-19患者的支气管肺泡灌洗液(BALF)样本，假单胞菌丰度显著更高，而来自COVID-19肺炎阴性患者的 BALF 的特征是流感嗜血杆菌和韦荣氏球菌等的富集。
据报道，20名已故 COVID-19 患者的肺组织微生物组以不动杆菌(Acinetobacter)为主，不动杆菌通常与引起肺炎的肺部感染有关。
03
呼吸道感染期间的免疫细胞—微生物群作用
在上呼吸道和下呼吸道中，宿主免疫系统对潜在的有害物质做出反应，并将它们与自身成分、外来非危险物质和有益共生微生物群区分开来。
◆ 气道上皮产生粘蛋白形成抵御病原体的屏障
气道上皮是与当地微生物群相互作用的场所，也是生物物理保护屏障。产生粘液的气道上皮分泌细胞是肺先天免疫系统的关键要素。一些数据表明，呼吸道微生物群调节塑造粘液产生的上皮屏障。具体来说，在小鼠模型中，证明了粘蛋白与肺部感染反应之间存在联系。
◆ 产生lgA阻止病原体的吸附
除粘蛋白外，气道上皮细胞还提供抗原特异性分泌型IgA屏障，能够保护气道表面。分泌型IgA的作用是阻止病原体的吸附，中和它们在粘膜上皮的毒性产物，介导感染上皮细胞中病毒的消除，并促进对病原体的杀伤。
多项研究证明，IgA在防御呼吸道感染中发挥重要作用：IgA缺陷小鼠对牛分枝杆菌卡介苗(BCG)鼻内感染的易感性增加。鼻内给药中和IgA后，接种流感病毒(IV)或呼肠孤病毒导致小鼠模型中肺部病毒滴度显著降低，肺炎严重程度减轻。值得注意的是，静脉注射抗原特异性聚合物IgA可通过血清中的IgA分泌保护小鼠免受流感感染。
◆ 分泌抗菌肽来对抗病原体
局部呼吸道还分泌称为抗菌肽(AMP)的保护性介质，包括溶菌酶、乳铁蛋白、脂质运载蛋白、过氧化物酶、氨肽酶、集合蛋白(表面活性剂蛋白A和表面活性剂蛋白D)、甘露聚糖结合凝集素(MBL)、cathelicidins和β-防御素。
值得注意的是，β-防御素和cathelicidins具有抗菌和免疫调节作用，并参与塑造微生物群组成。事实上，炎症反应的直接抗菌活性和免疫调节是由微生物群的成员触发的。
免疫细胞在呼吸道病原体感染中至关重要，是机体防御系统的核心。接下来，我们一起来了解一下不同免疫细胞与病原微生物感染之间的相互作用。
▸ 巨噬细胞
肺中存在不同类型的先天免疫细胞：肺泡巨噬细胞(AMs)是最具代表性的细胞，似乎是几种呼吸道感染发病机制的核心，包括结核分枝杆菌(MTB)、肺炎链球菌、鼻病毒、流感病毒(IV)和呼吸道合胞病毒(RSV)。
◆ 肺巨噬细胞失调影响呼吸道感染的死亡率和并发症
AMs启动白细胞募集，并使用几种病原体特异性机制直接消除病原体，例如分泌促炎细胞因子/趋化因子(IL-6、IL-8或CXCL10)，启动I型IFN信号传导，增强模式识别受体的表达，以及抑制病毒基因组的核输出。
并发症发生率和死亡率的增加与肺泡巨噬细胞耗竭有关，无论是在实验过程中还是在自然过程中，呼吸道病毒感染都是相关的。此外还发现，重症COVID-19的一个一致特征是肺巨噬细胞失调。
▸ 树突状细胞
肺部的树突状细胞(DC)在防止呼吸道感染方面发挥作用，对病原体产生强大的适应性免疫反应。树突状细胞可以启动抗病毒CD8细胞毒性T细胞反应，导致病毒清除，还可以控制炎症反应的水平。
◆ 树突状细胞可作为继发性肺炎的生物标志物
炎症期间和之后的树突状细胞(DC)改变可用作继发性肺炎易感性的生物标志物，以及有希望的治疗靶点，以改善患者的预后。在结核分枝杆菌(MTB)感染中，DC在将先天免疫反应转变为适应性免疫方面发挥着多因素作用。值得注意的是，树突状细胞在防御SARS-CoV-2感染方面也发挥着关键作用。
▸ 黏膜相关不变T细胞
黏膜相关不变T(MAIT)细胞是非常规T细胞的一个亚群，对微生物感染进行免疫监视和免疫反应。
◆ 进行免疫监视和免疫反应
不同的研究表明，MAIT 细胞通过识别和杀死细菌感染的细胞(包括树突状细胞和肺上皮细胞)在结核分枝杆菌感染的免疫控制中发挥作用。
此外，MAIT细胞在人和小鼠中都需要细胞因子来响应结核分枝杆菌抗原，这可能是由于它们在感染部位募集。一项新的研究证实，急性SARS-CoV-2感染患者循环中的MAIT被激活，但频率降低，而它们在致命性COVID-19患者的肺部蓄积。
▸ 自然杀伤T细胞
不变自然杀伤T(iNKT)细胞在控制共生菌(包括机会性病原微生物群)中发挥作用，反过来，微生物群调节iNKT细胞。
在原发性呼吸道合胞病毒(RSV)感染期间，肺iNKT细胞的激活除了导致肺嗜酸性粒细胞增多和纤维化外，还导致抗病毒CD8 T淋巴细胞反应和病毒清除。
◆ 活动性结核病患者存在iNKT细胞缺乏
人类iNKT细胞缺乏可能是活动性/急性结核病发展的基础：与潜伏性结核病患者相比，活动性结核病患者的外周iNKT细胞较少，并且通过活动性结核病的治疗可以重建正常的iNKT细胞频率。据报道，重症 COVID-19 肺炎患者 iNKT 细胞减少，表明该亚群可能作为疾病严重程度的生物标志物发挥作用。
▸ γδT细胞
肺驻留γδT细胞是粘膜上皮屏障的主要T细胞成分，对维持肺稳态和影响多种肺部疾病的进展至关重要。γδT细胞是肺炎克雷伯菌感染中 IL-17A 的主要来源，也是宿主对急性铜绿假单胞菌肺部感染的早期免疫防御。
◆ γδT细胞对肺部感染进行早期免疫防御
在肺炎链球菌肺部感染期间，观察到活化的γδ T细胞数量显著增加。γδ T 细胞对冠状病毒感染的反应仍在研究中，之前关于SARS-CoV-2感染的报道显示对感染的靶标单核细胞系具有很强的溶细胞活性。
▸ 调节性T细胞
调节性T(Treg)细胞对于肺对空气传播的过敏原的免疫耐受以及减少对自身和非自身抗原的危险免疫反应至关重要。Treg耗竭通过抗原致敏在衣原体肺炎感染的发病机制中发挥作用。
◆ 调节性T细胞对肺炎链球菌肺炎具有保护作用
此外，Tregs通过与TGF-β通路相关的机制对肺炎链球菌引起的肺炎具有保护作用。其他研究使用呼吸道合胞病毒和甲型流感病毒的小鼠模型表明，Treg细胞的耗竭可能导致CD8+ T细胞亚群的迁移延迟。
最近的研究显示，COVID-19患者的Tregs数量显著减少，导致Treg/Th17比值失衡，这与呼吸衰竭风险相关。
此外，呼吸道微生物群的成员通过TLR反复暴露于病原体相关分子模式(PAMPs)和损伤相关分子模式(DAMPs)，诱导树突状细胞和肺泡巨噬细胞的模式识别受体(PRR)耐受性。总之，呼吸道微生物群与气道上皮细胞和吞噬细胞形成正反馈回路，以实现免疫耐受并避免失控的炎症反应。
呼吸道中的宿主-微生物相互作用主要发生在粘膜部位。常驻微生物可以局部或全身引发免疫细胞(如上皮细胞、树突状细胞和中性粒细胞)的反应。这些物质能够进入循环并到达其他器官。
◆ 呼吸道微生物群与免疫和呼吸健康密切相关
呼吸道微生物组为宿主免疫系统提供重要信号，这些信号对免疫训练、器官发生和免疫耐受的维持至关重要。观察结果表明，在生命早期存在一个关键时期，正确的微生物群感知对免疫成熟和呼吸健康至关重要。
动物模型研究了微生物组在影响和管理宿主免疫系统中的作用，以及免疫系统在塑造微生物组中的作用。
例如，在小鼠模型中，拟杆菌门的成员相比流感嗜血杆菌减少了炎症、中性粒细胞募集和TLR2介导的细胞因子产生。
鼻内接种金黄色葡萄球菌导致单核细胞募集到肺部，并分化为抑制肺泡巨噬细胞的IV诱导炎症反应。
尽管肺炎链球菌被视为病原体，但它也是上呼吸道的一种共生菌。在小鼠鼻腔中同时定植肺炎链球菌和流感嗜血杆菌创造了炎症环境，导致C-X-C基序趋化因子配体2和中性粒细胞的高水平募集。协同反应依赖于肺炎链球菌产生的溶细胞毒素，表明其存在调节了对流感嗜血杆菌的免疫反应。遭受流感嗜血杆菌攻击的小鼠表现出严重的肺部疾病，显示出明显的中性粒细胞通路和高浓度的促炎细胞因子。
然而，如果小鼠在吸入共生普雷沃氏菌后进行预处理，炎症会显著减少，且不存在组织病理。腺病毒诱导的记忆肺泡巨噬细胞在小鼠急性鼻内感染中表现出主要组织相容性复合体II类(MHCII)表达增加，以及与宿主防御、趋化性、抗原呈递和糖酵解代谢相关的基因转录上调。
04
呼吸道感染↔肠道微生物群
在呼吸道病原体引起的菌群失调期间，共生细菌受到干扰，致病菌可同时出现在肺和肠道中，因此可能导致两个部位的组织损伤。
肠道和肺之间的密切生理和病理联系主要依赖于宿主-微生物的串扰。事实上，肺和肠道细菌的成员可以通过血流成分和代谢物直接交换，从而促进这两个部位的健康或疾病。
肠-肺轴主要相互作用的示意图
doi: 10.3390/ijms25074051.
呼吸道感染对肠道菌群的影响
研究发现，肺微生物群的改变调节肠道微生物群落，从而影响肠道信号传导。已知结核分枝杆菌感染会导致免疫系统失调，从而使肠道微生物组改变。
◆ 结核病患者肠道微生物群发生显著改变
在一项研究中，比较了成年结核病患者与健康对照的肠道微生物组，发现厚壁菌门、变形菌门和疣微菌门减少，而放线菌门、拟杆菌门和梭杆菌门增加。
另一项研究分析了新发和复发性结核病患者，报道了拟杆菌门、普雷沃氏菌属和毛螺菌属的减少，而放线菌门和变形菌门的富集。
最后，在一组受影响的儿童中，观察到放线菌门和厚壁菌门的减少，而包括拟杆菌属、双歧杆菌属、Dorea属、粪杆菌属、瘤胃球菌属和普氏粪杆菌(F.prausnitzii)属、肠球菌属和普氏菌属的数量增加。
◆ 结核病患者的微生物代谢也变得不平衡
结核病患者可能导致微生物代谢物的产生不平衡，例如短链脂肪酸(SCFA)，这可能会重置肺微生物组和通过“肠-肺轴”的免疫反应。这些发现也可能解释了结核分枝杆菌在胃肠道中的定植和肺结核患者发生肠结核的原因。普氏粪杆菌(F.prausnitzii)还被描述具有抗炎作用，可抵御胃肠道疾病。
很少有研究分析人类呼吸道病毒感染期间发生的肠道微生物群改变的性质。在流感期间，尽管肠道中明显不存在病毒，但一些患者仍会出现类似胃肠炎的症状。
◆ 流感病毒感染患者的肠道菌群也存在失衡
一项针对H7N9病毒感染患者的研究显示，拟杆菌门(包括经黏液真杆菌属(Blautia)、罗氏菌属(Roseburia)和瘤胃球菌(Ruminococcus)）减少，但厚壁菌门和变形菌门以及属(包括埃希氏菌(Escherichia)、梭菌属(Clostridium)）增加。
另一项在流感亚型H1N1患者中进行的研究报告了放线菌门和厚壁菌门的减少，以及包括Dorea、粪杆菌、瘤胃球菌、链球菌在内的属，放线菌科和微球菌科的富集。
在最近的一篇综述中，11项不同的研究报告了与健康对照相比，确诊或疑似呼吸道感染(RTI)患者的肠道微生物组改变。总之，患者的肠道微生物组改变始终是多样化的，包括一些菌的枯竭和富集。
◆ 新冠病毒感染可在肠道中检测到病毒RNA
与甲型流感病毒(IAV)和呼吸道合胞病毒(RSV)的情况相反，在SARS-CoV-2(新型冠状病毒)感染期间，即使病毒RNA不再存在于呼吸道中，也可以在肠道中检测到病毒RNA，从而指出消化道是病毒复制和活性的潜在部位。
◆ 产丁酸抗炎菌减少，机会性病原体增多
SARS-CoV-2感染患者的肠道菌群失调与COVID-19疾病进展和严重程度以及COVID-19后综合征相关。它的特点是双歧杆菌和粪杆菌等抗炎菌减少，丁酸盐生产者丰度降低，例如瘤胃球菌科和毛螺菌科的几个属。
相反，还存在炎症相关微生物群(包括链球菌和放线菌)的富集，以及机会性细菌病原体的过度生长。
最近的一篇论文也表明，SARS-CoV-2感染会导致小鼠肠道微生物组失调，以及潘氏细胞和杯状细胞以及屏障通透性标志物的改变。同样，从96名 COVID-19患者收集的微生物组样本显示，抗菌素耐药物种在内的机会性病原菌属大量繁殖，这种肠道菌群失调与肠道细菌的继发性血流感染有关。
◆ 通过促炎因子和食物摄入减少影响肠道菌群
肺部感染的细胞免疫反应会导致食欲不振，从而改变肠道微生物组和代谢。研究发现，消除CD8+细胞可以阻止食物摄入量的减少并逆转肠道微生物群的变化，这可能是通过分泌TNF-α实现的。实际上，在呼吸道合胞病毒感染期间，中和这种细胞因子可以减少体重减轻并缓解肠道微生物群的扰动。
总的来说，炎性细胞因子的释放和食物摄入量减少是急性病毒性呼吸道感染影响肠道微生物群的可能机制。另一种机制涉及浸润的CD4+ T细胞或全身 IFN释放，它改变了上皮细胞的代谢，导致营养物质的积累，肠腔的微生物为此竞争。这些发现可能在呼吸道病毒感染期间的肠道菌群失调和胃肠道疾病中发挥作用。
肠道微生物群对呼吸道感染的影响
◆ 炎症性肠病患者通常存在肺部受损
肠道和肺之间的重要联系主要体现在炎症性肠病(IBD)患者的肺部受累范围广泛且严重，从亚临床改变到明显的慢性炎症性肺病。气道受累的症状最常见于有长期IBD病史的患者，这与肠道发育不良或全身性不当免疫反应有关。
◆ 肠道菌群失调与呼吸道感染易感性增加相关
除了慢性疾病，肠道菌群失调还与呼吸道感染的易感性增加有关。临床观察强调了健康肠道微生物群在预防病毒呼吸道感染方面的重要性。在肾移植受者和同种异体造血干细胞移植(HSCT)患者中，产丁酸盐的肠道细菌减少与病毒呼吸道感染的风险和发生率增加相关。
在COVID-19(新冠病毒感染)患者中也发现了肠道菌群失调和肠道代谢产物的变化，这与炎症反应和疾病并发症相关。值得注意的是，将COVID-19患者的粪便移植到无菌小鼠体内会导致肺部炎症，并在多重耐药肺炎克雷伯菌感染期间导致更糟糕的结果，这表明微生物群可能直接导致疾病后遗症。
此外，肠道菌群还可以调节血管紧张素转换酶2(ACE2)受体的结肠表达。这些证据可能有助于解释肠道菌群失调患者(如老年人、免疫功能低下患者和有其他合并症的患者)疾病易感性和胃肠道症状的增加。
◆ 肠道微生物及其代谢物可以调节肺部免疫反应
在几种细菌和病毒呼吸道感染的实验模型中，肠道共生菌的缺失或通过抗生素耗竭导致微生物传播、炎症、器官损伤和死亡率增加。这些影响大多与肠道微生物群塑造全身免疫的能力有关。由肠道微生物及其代谢物(如SCFAs)触发的免疫细胞和细胞因子可以到达体循环，并调节肺部、健康和疾病中的免疫和炎症反应。
此外，据报道，炎症性肠病患者的肠道淋巴细胞缺乏组织特异性；这可以解释IBD患者肠外器官存在炎症的原因。菌群失调介导的炎症也会导致粪便钙卫蛋白、血浆C反应蛋白、IL-6和IL-8的循环水平升高，这可能导致肺部感染期间的并发症发生。
肠道菌群失调也可能通过减少营养吸收和能量可用性来影响肺部感染的结果，这反过来会干扰患者产生有效免疫反应的能力。
关于肠道微生物群如何影响呼吸道感染的机制，动物研究提供了更多见解。
在抗生素处理的小鼠中，腹膜巨噬细胞中IFN-γRI、MHC-I、CD86和CD40分子的表达在对病毒感染的早期反应中减弱，这表明肠道微生物群在病毒在宿主体内复制之前就向先天免疫反应发出信号。
Th1、IgA和巨噬细胞对呼吸道病毒感染的反应建立取决于肠道微生物。直肠TLR刺激为IL-1β和IL-18分泌提供信号，恢复了抗生素处理小鼠的肺CD4+和CD8+ T细胞对感染的反应。
最近报道了一种常见细菌种类，即分段丝状细菌(SFB)在肠道中的定植，重新编程了肺泡巨噬细胞，使其增殖、补体产生和吞噬作用增强，从而增强了对流感病毒、呼吸道合胞病毒和SARS-CoV-2的保护。
总体而言，这些发现证实了肠道微生物刺激在先天抗病毒免疫反应激活中的重要性。在感染模型中，抗生素消耗肠道微生物群增加了结核分枝杆菌的负担和传播。菌群失调特别降低了肺树突状细胞中先天受体和巨噬细胞诱导的C型凝集素的表达，导致对幼稚T细胞的刺激功能受损，从而减少了感染小鼠的效应细胞和记忆T细胞数量。
◆ 肺部重叠感染可能受肠道微生物群的影响
肺部重叠感染可能是肺部原发感染诱导的肠道微生物组成改变的进一步后果。对继发性细菌感染的易感性增加，特别是由肺炎链球菌和金黄色葡萄球菌诱导的细菌感染，经常发生在患有呼吸道病毒感染的儿童和老年人中，导致并发症和死亡。
流感期间的肠道菌群失调通过改变短链脂肪酸的产生导致肺炎链球菌重叠感染。在接受甲型流感病毒条件微生物群的小鼠中，乙酸盐的产生减少，改变了肺泡巨噬细胞的杀菌活性，降低了肺对继发性肺炎链球菌感染的防御能力，并促进了重叠感染小鼠的死亡。肠道疾病也可能导致重症 COVID-19 患者伴随或继发性细菌感染。
因此，局部肺部或肠道菌群失调，改变了微生物间相互作用的动力学以及微生物代谢，可能会增强潜在致病细菌物种的增殖。
05
靶向微生物群对抗呼吸道感染
揭示肺和肠道之间的复杂相互作用有助于更好地了解共生微生物群作为各种呼吸道传染病的治疗靶点。
使用益生菌(微生物)、有利于其生长的产品(如益生元)或微生物代谢物(如后生元)的给药可以通过与病原微生物的直接竞争、改善上皮屏障功能或免疫调节，在呼吸系统疾病期间提供宿主保护。
病毒感染下的治疗
◆ 使用益生菌能够减少流感风险和发生率
在一项系统评价中，评估了益生菌在大规模健康受试者中预防病毒性呼吸道感染(RTI)的疗效。乳杆菌(Lactobacillus)是最常用的益生菌，其次是双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳球菌(Lactococcus)。
大多数研究表明，益生菌的使用与病毒RTI的风险和发生率降低相关。然而，在临床表现、病毒载量和免疫学结局的改善方面尚无共识。益生菌鼠李糖乳杆菌和短乳杆菌也与流感感染发生率的减少有关。
在新型冠状病毒(COVID-19)背景下，一项针对SARS-CoV-2诱发肺炎的ICU患者的回顾性研究显示，与单独使用标准治疗相比，使用乳杆菌、双歧杆菌和链球菌属的益生菌混合物治疗与死亡率降低相关。
◆ 益生菌增强了免疫反应，有助于提高生存率
几份报告描述了口服益生菌对病毒性呼吸道感染结果的影响，也提供了机制见解。在感染流感病毒或呼吸道合胞病毒之前服用益生菌，如乳杆菌、双歧杆菌、肠球菌或乳球菌，可缓解症状并提高生存率。肺部和鼻腔冲洗液中的病毒载量也有一定程度的降低。
从机制上讲，益生菌可以通过参与免疫细胞并诱导特定的细胞因子/趋化因子产生来引发针对病毒呼吸道感染的保护性反应，尽管其作用似乎是高度菌株特异性的。
研究表明，益生菌给药后，自然杀伤细胞活性增加，浸润性巨噬细胞和中性粒细胞减少，支气管肺泡灌洗液中的病毒特异性IgA/G滴度增加。粘膜乳杆菌抑制呼吸道合胞病毒复制并降低血炎细胞(如粒细胞和单核细胞)的比例。
用副流感病毒对用益生菌治疗的小鼠肺淋巴细胞进行离体刺激，导致IFN-α和IFN-β的高度表达。病毒感染期间IL-10的上调和IL-6的相应减少也由益生菌给药引发。除了这些保护作用外，经鼻给药鼠李糖乳杆菌GG和嗜酸乳杆菌L-92还增加了IL-1β和单核细胞趋化蛋白1细胞因子以及趋化因子eotaxin和M-CSF的水平。
注意：尽管益生菌具有令人满意的安全性，但它们的使用可能与体弱人群感染或发病率的较高风险有关。因此，人们对使用非活微生物越来越感兴趣。动物研究证明了热灭活益生菌在呼吸道感染中的有益作用，尽管它们的全球影响似乎仅次于活益生菌。
◆ 通过饮食补充益生元提高了抗病毒感染的能力
肠道微生物群可以通过产生短链脂肪酸来调节免疫反应。摄入微生物可利用的膳食纤维(益生元)，促进特定共生微生物的多样性和活性的增加，导致对微生物代谢物产生不同影响，进而对宿主对感染的反应产生不同影响。
高纤维(可发酵菊粉)饮食通过两种互补机制传达对流感的保护。小鼠表现出增强的选择性激活巨噬细胞的骨髓生成，这些巨噬细胞促进CXCL1介导的中性粒细胞募集到气道的能力有限，从而导致感染期间组织免疫病理学受限。
同时，饮食衍生的短链脂肪酸刺激CD8+ T细胞抗病毒活性。这种作用是由丁酸盐通过游离脂肪酸受体(FFAR)介导的。同样，高纤维(可发酵果胶)饮食通过刺激肺上皮细胞中的I型IFN 反应来防止呼吸道感染，这种保护是由乙酸盐通过GPR43介导的。
此外，有研究报道，流感感染期间口服醋酸盐补充剂以FFAR2依赖性方式加强了肺部对继发性肺炎球菌感染的防御能力，并降低了重叠感染小鼠的致死结局。同样，鼻内醋酸盐增加了鼻病毒感染期间的干扰素依赖性反应，降低了肺病毒载量。
有趣的是，一项评估益生元(低聚半乳糖和聚葡萄糖)预防新生儿病毒性呼吸道感染功效的试验表明，与益生菌相比，益生元显示出更好的有益效果，这可能与对预先存在的有益细菌生长的直接刺激作用有关。
细菌感染下的治疗
通过调节微生物群对肺部细菌感染又有怎样的效果，让我们接着往下看。大多数研究分析了益生菌在预防和治疗ICU患者肺部感染中的疗效。
◆ 口服益生菌降低了细菌性肺部感染的概率
口服或口咽给予干酪乳杆菌和鼠李糖乳杆菌，可以减少铜绿假单胞菌或相关病原体对下呼吸道的定植和感染。一项研究观察到，在脓毒症患者中，使用短双歧杆菌、副干酪乳杆菌和低聚半乳糖的混合物后，呼吸机相关性肺炎(VAP)的发生率降低。
对感染肺炎链球菌的小鼠研究表明，口服不同的益生菌，如乳杆菌属和链球菌属的菌株，可增加对感染的抵抗力，降低肺细菌负荷，提高存活率。
◆ 鼠李糖乳杆菌等益生菌增强了肺部的免疫反应
鼠李糖乳杆菌的使用通过增加 Foxp3 + Treg 和减少促炎IL-6来增强抗炎反应。在气管内给予其他乳杆菌菌株后，在感染的小鼠中也观察到这种抗炎特征。
活的或灭活的益生菌长双歧杆菌 51A的给药通过增强肺泡巨噬细胞中活性氧的产生和减少促炎性TNF-α和IL-6来刺激肺炎克雷伯菌的肺清除。然而，只有活的益生菌诱导了IL-10水平的同时升高，主要是由醋酸盐介导的。
经鼻或口服接种能有效激活Nod2受体的细菌菌株（分别为脆弱乳杆菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌，或罗伊氏乳杆菌、粪肠球菌和解黄酮梭菌）可保护小鼠免受肺炎链球菌或肺炎克雷伯菌感染。
补充乳杆菌还可以恢复肺部树突状细胞介导的抗结核分枝杆菌免疫。在感染结核分枝杆菌的小鼠中，口服A.muciniphila或A.mucinihila介导的棕榈烯酸通过表观遗传抑制肿瘤坏死因子，强烈抑制了结核病感染。
呼吸道益生菌
虽然大多数用作益生菌的共生菌起源于肠道，但已经尝试使用呼吸道共生菌。特别是，在婴儿小鼠中鼻内施用Corynebacterium pseudodiphteriticum能够改善呼吸道合胞病毒原发感染和继发性肺炎链球菌重叠感染的特征，降低病原体负荷和肺损伤。据我们所知，迄今为止还没有人类研究评估过呼吸益生菌(即滴注或雾化到下呼吸道的活菌群)的潜力。
在动物模型中，细菌B.bacteriovorus和M.aeruginosavorus的鼻内给药大大降低了呼吸道肺炎克雷伯菌的负担。它们随后被宿主先天免疫机制消除，没有产生不良影响，这预示了它们可能用于治疗人类细菌性肺炎。
◆ 单克隆抗体特异性对抗细菌病原体
使用单克隆抗体(mAb)选择性消耗机会性细菌病原体，通过靶向和灭活细菌及其毒力因子或毒素，成为对抗传染病的一种有前景的方法。
这些抗体因其靶标特异性，不会对本身微生物群产生不良影响，且不太可能导致广泛耐药性。此外，多价mAb经过工程改造，能够发挥多种抗菌作用，包括灭活毒力因子、促进补体沉积和激活先天免疫。
Gremubamab(MEDI3902；AstraZeneca)是一种双特异性人IgG1 mAb，能选择性结合铜绿假单胞菌毒力因子，用于预防高危患者的医院肺炎。该单克隆抗体促进中性粒细胞清除细菌，并防止其附着在气道上皮细胞。Gremubamab的预防性和治疗性给药在急性铜绿假单胞菌肺炎中表现出高度保护作用。
单克隆IgM抗体帕诺巴单抗(AR-101，Aerumab；Aridis Pharmaceuticals)正在临床开发中，用于治疗医院获得性肺炎中的铜绿假单胞菌。帕诺巴单抗的给药减少了急性铜绿假单胞菌感染小鼠模型中的细菌负荷，并减轻了肺部炎症。
另外两种抗体已被检测用于预防和治疗金黄色葡萄球菌肺炎。舒拉妥珠单抗(MEDI4893；Aridis Pharmaceuticals)特异性结合并灭活金黄色葡萄球菌的成孔α-毒素，这是一种关键的毒力因子。在针对金黄色葡萄球菌定植的机械通气ICU患者的临床试验中，单克隆抗体显著缩短了部分患者的肺炎、住院时间和ICU住院时间。
◆ 噬菌体及其内溶素有助于治疗细菌感染
噬菌体疗法在治疗细菌病原体的呼吸道感染方面受到了临床关注，因为它能够在不影响宿主微生物群的情况下选择性地消除目标细菌，与抗生素相容性好，免疫原性低。
噬菌体制剂在治疗铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌或大肠杆菌方面显示出很强的临床疗效，目前正在临床上评估用于治疗人类呼吸道感染。四种针对铜绿假单胞菌呼吸道感染的专性裂解噬菌体混合物被用于成功治疗肺炎和肺气肿患者。
噬菌体衍生的内溶素或溶酶在对抗细菌感染方面可能优于全噬菌体制剂，因为其细胞壁靶标的保守性使得耐药性难以产生。在鼻咽定植小鼠模型中，噬菌体内溶素的给药降低了肺炎链球菌的滴度，并有效保护小鼠免受致命性肺炎球菌肺炎或铜绿假单胞菌感染，显示出其在预防和治疗呼吸道细菌感染中的潜力。
06
结语
呼吸道感染是最常见的病毒或细菌来源的传染病之一，造成严重社会和经济负担。研究发现呼吸道感染会导致肺部微生物群的多样性和组成发生变化，进而影响宿主与病原体的相互作用、炎症信号和免疫细胞因子的产生，最终影响疾病的进展和结果。
肺和肠道之间的重要性和复杂的串扰以及肠-肺轴与呼吸健康的紧密联系越来越受到认可，特别强调了肺-肠轴在调节炎症和免疫反应中的双向通信作用。然而，对涉及肠-肺轴的机制的理解，特别是在呼吸道感染的情况下才刚刚开始。需要更好地了解微生物组、呼吸道粘膜和潜在免疫途径之间的相互作用。
迄今为止，大多数用作益生菌的共生菌都来自胃肠道。由于肠道微生物群在影响免疫系统方面起关键作用，它会影响局部和全身(肺部)对病原体的反应。因此，改变肠道微生物组的微生物群靶向疗法(如益生菌、益生元和噬菌体疗法)已被证明对急性和慢性呼吸系统疾病都有益处。
然而，最近的研究表明，与肠道微生物群落相比，肺微生物群与肺免疫变化的相关性始终更密切。此外，肺共生菌的实验性调节直接和持续地改变了肺免疫反应，表明它们可能具有作为局部应用益生菌预防和管理呼吸道感染的潜力。
值得注意的是，致病细菌的抗生素耐药问题。下呼吸道感染是多重耐药感染导致死亡的主要原因，通常与金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、肺炎链球菌、鲍曼不动杆菌和铜绿假单胞菌等重点病原体相关。同时，新变种的出现使呼吸道病毒感染愈加难以控制。
未来的研究应进一步揭示肺和肠道微生物群在健康和疾病状态下的具体机制，特别是它们如何通过代谢产物和免疫细胞影响呼吸道的免疫稳态。此外，需要更多的临床数据来验证这些微生物组干预措施在改善呼吸道感染预后方面的有效性。通过深入理解肺-肠轴的复杂相互作用，有望开发出新的预防和治疗策略，以减轻呼吸道感染的负担并改善患者的整体健康状况。
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