肺微生物组是指定植在下呼吸道内的微生物及其代谢产物的集合，参与了呼吸系统疾病的发生与发展。近年来的研究表明肺微生物组可能也参与调控多种神经系统疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病等。现对肺微生物组与神经系统疾病之间的关系及研究进展进行综述。
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肺是人体的呼吸器官，同时承载着肺循环、免疫、防御、代谢等功能。尽管已知肺部在急性感染和慢性化脓性疾病情况下含有微生物，但是在过去相当长的一段时间内，人们普遍认为健康的肺是"无菌"的。随着2007年人类微生物组计划的开展和近几年的相关探索，微生物组的相关研究已经从肠道、皮肤、口腔等其他富含微生物的器官扩展到以前认为是无菌的器官，例如肺[1]。如今，研究者对肺微生物组的存在达成了共识，并逐渐认识到肺微生物组对多种疾病产生了重大影响[2,3,4,5,6]。
研究表明，肺微生物组可以通过多种途径影响肺部疾病的发生与发展。健康状态和呼吸道疾病状态下的微生物组成存在显著差异；肺微生物组不仅会影响疾病的易感性，还会受到疾病活动或对治疗的反应的影响[1,7]。肺微生物组与肠道菌群、呼吸道与肠道还可以相互影响，存在所谓"肺-肠轴"[8,9,10]。近期陆续有研究表明肺微生物组与神经系统疾病之间也存在相互联系，尽管具体的机制尚未阐明，但得到了广泛关注，部分学者甚至提出了"肺-脑轴"理论[11]。为深入了解肺微生物组与神经系统疾病的关系，探究相关机制，本文就其研究进展进行综述。因感染性疾病对肺微生物组的影响更为直接，故本文中机制探讨部分主要聚焦于肺部感染性疾病的相关研究。
"微生物组"，英文microbiome，这一词最早出现于1952年出版的一本讨论水污染的著作中[7]。之后微生物组的含义逐渐发生了改变。现在一般认为，肺微生物组指的是位于肺部的每一种有机体(包括细菌、古生菌、真菌和病毒)及其DNA、RNA、蛋白质和代谢物等[12]。目前检测发现，健康成人肺微生物组主要包含细菌(厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、梭杆菌门和放线菌门等)，噬菌体，指环病毒和真菌等[11]。目前定义的"肺-脑轴"指的是肺微生物组-肺-脑三者之间复杂的调控关系：肺微生物组能够对肺和脑产生影响，参与调控呼吸系统和神经系统疾病的发生与发展；反之呼吸系统和神经系统疾病也会导致肺微生物组的结构和多样性发生改变[11]。肺微生物组-肺-脑之间仍有许多未解之谜，此处仅探讨肺微生物组与神经系统疾病之间的关系。
呼吸系统疾病，尤其是可以影响肺微生物组稳态的感染性疾病，常出现神经系统并发症。呼吸道合胞病毒、冠状病毒、流感病毒和人偏肺病毒感染的患者会出现神经系统并发症，如惊厥、脑炎、脑病和癫痫持续状态等[13,14]。尤其是近两年严重急性呼吸综合征冠状病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2)引起全球性2019年新型冠状病毒感染(Corona Virus Disease 2019，COVID-19)大流行，较高比例的COVID-19患者出现脑卒中、头痛、癫痫发作、意识障碍和感觉异常等神经系统症状[14]。此外，COVID-19患者还可能表现出焦虑、抑郁和认知功能障碍等[15]。尸检显示SARS-CoV-2感染可导致脑水肿、神经元变性和病毒性脑炎等病理改变[16]。同样，多种神经系统疾病也可以导致患者发生肺水肿和肺损伤等，如创伤性脑损伤、动脉瘤性蛛网膜下腔出血、癫痫持续状态和脑死亡，而且肺部出现的这些并发症预示患者预后不佳[17]。
人体微生物群的组成复杂，分布广泛，对致病病原体发挥抑制作用。微生物群的正常组成发生扰动(称为生态失调)被认为是解除对致病病原体生长抑制、导致后续疾病状态的第一步[18]。生态失调与各种炎症性疾病密切相关，如COVID-19、炎症性肠病、炎症性关节炎和某些癌症；证据显示肺微生物组生态失调与一些神经系统疾病相关，但二者之间的具体调控关系仍需深入研究[18]。
研究表明COPD患者肺微生物组发生改变，会导致其同时罹患阿尔茨海默病(alzheimer disease，AD)或帕金森病(parkinson disease，PD)的风险增加[19,20]。同时，AD和PD晚期都不可避免地出现呼吸系统并发症，其中慢性微量吸入、慢性肺通气不足和吸入性肺炎等都会影响肺微生物组的组成与多样性[18]。
其次，肺微生物组生态失调可能与AD的神经病理改变有关。研究发现多种致病病原体感染与AD的病理改变相关，如单纯疱疹病毒、肺炎衣原体、伯氏疏螺旋体、口腔密螺旋体和巨细胞病毒等；同时这些感染可能使AD患者的认知能力迅速下降[21]。动物实验表明，老年鼠感染百日咳博德特菌后，肺部浸润的产生干扰素γ和IL-17的T细胞和自然杀伤T细胞增加，同时伴随着神经胶质活化和淀粉样蛋白β沉积增加，这提示感染是AD进展的重要因素[21]。
另外，呼吸道病毒或细菌感染性疾病会导致多发性硬化症(multiple sclerosis，MS)患者肺微生物组生态失调，这可以进一步导致MS复发或进展；而蠕虫感染则对MS发挥保护作用[18,22]。动物实验表明百日咳博德特菌引起的呼吸道感染可能通过促进IL-10的产生来缓解MS，但是另有证据表明百日咳博德特菌定植是MS的一个重要病因；尽管有争议，但这提示肺部感染与MS有关[22,23]。最新发表的研究表明肺微生物组能调节脑中小胶质细胞的活性，改变大鼠肺微生物组会改变其MS的易感性，进一步证明了肺微生物组可以调控神经系统疾病[24]。
近年来，吸烟对肺微生物组的影响受到越来越多的关注。香烟烟雾会损害固有免疫防御机制，导致肺微生物组的丰度、分类组成和多样性发生变化；这种改变会进一步导致肺部不适当的炎症和免疫反应，反过来损害肺部的免疫防御能力，并进一步破坏肺微生物组，形成恶性循环[25]。吸烟是多种神经系统疾病的危险因素；吸烟通过影响肺微生物组，进而参与AD、PD和MS等神经系统疾病的发生与发展是可能的机制之一。
随着对呼吸系统和神经系统疾病的认识，尤其是近两年对SARS-CoV-2的研究，研究者越来越明确肺和大脑代表了一个综合的生理功能整体，因此涉及其中一个的损伤常常会累及另一个。根据目前有限的研究结果，笔者认为中枢神经系统受到肺微生物组的影响，主要通过以下几种可能的机制：微生物的直接易位、神经调节、激素调控和肺微生物组对免疫的影响等。
肺部微生物直接易位，即穿过1 μm厚的肺泡-毛细血管屏障，是肺微生物组作用于神经系统的第一种预测机制。当微生物成功进入血液循环时，它们可能会到达中枢神经系统发挥作用，当然这一过程仍需要深入研究。关于病毒感染，尤其是SARS-CoV-2感染的研究表明，肺部的病毒可以通过血流进入中枢神经系统，直接引起神经元的损伤，并诱发血管内皮功能障碍[26]。另外，冠状病毒感染白细胞后可以通过白细胞进入血液循环及大脑，从而实现在不感染神经元的情况下进入中枢神经系统并引起损伤[27]。机制研究表明，冠状病毒靶向CD4+ T淋巴细胞和巨噬细胞，受感染的单核细胞和巨噬细胞穿过血脑屏障并分化为血管周围的小胶质细胞；病毒在小胶质细胞中复制并释放炎症细胞因子，从而诱导中枢神经系统损害，并导致神经变性，引起癫痫发作等症状；冠状病毒还可以感染少突胶质细胞和星形胶质细胞，导致大脑中致命的炎症性疾病和神经退行性症状[28]。冠状病毒等RNA病毒还可以感染脑微血管内皮细胞，激活脑部炎症，引起神经系统疾病；血脑屏障损伤之后，免疫细胞进入中枢神经系统，也会引起神经退行性变[29]。
值得注意的是，冠状病毒可以通过与感觉神经和自主神经轴突末端受体结合，进入周围神经系统，之后通过外周神经系统和中枢神经系统之间的直接连接渗透到脑组织中[29]。神经肌肉接头是运动神经元和肌肉之间的特殊突触，用于控制运动；近期研究提示，神经肌肉接头可能是某些病毒进入中枢神经系统的通路[30]。嗅觉神经是周围神经系统的一部分，起源于中枢神经系统中的嗅觉上皮至嗅球；嗅觉系统为冠状病毒进入中枢神经系统提供了一个特殊且直接的通道。多项研究表明，冠状病毒感染可以导致患者发生嗅觉功能障碍，冠状病毒在鼻内感染后通过嗅觉系统感染中枢神经系统是其中的机制之一[29]。
肺主要由交感神经和副交感神经支配，交感神经来自脊髓胸第2~5节段的侧角，副交感神经来自迷走神经核；远端气道则主要由迷走神经支配。迷走神经受到刺激之后，神经末梢通过C纤维传入并释放乙酰胆碱或神经肽，以调节肺部感染和免疫。迷走神经感觉神经末梢、大脑整合中心、乙酰胆碱和α7烟碱乙酰胆碱受体表达细胞是肺副交感神经炎症反射的关键组成部分。肺2型固有免疫细胞表达α7烟碱乙酰胆碱受体和神经肽受体，乙酰胆碱和神经肽可以通过作用于2型固有免疫细胞参与调控肺部的感染和免疫[31]。气道上皮细胞中也存在少量的肺神经内分泌细胞，它们受感觉神经末梢的支配，可以分泌神经肽等多种神经递质，调节肺部的感染和免疫等功能[32]。研究表明，肺部呼吸道合胞病毒感染除了引起气道炎症之外，也可诱导肺和脑出现神经重塑[33]。促炎性因子IL-1β、肿瘤坏死因子α可激活气道C纤维受体和高阈值δ阿片受体，这意味着炎症可以通过激活中枢神经系统影响肺部的免疫反应[18]。
糖皮质激素作为呼吸道疾病治疗的基石之一，临床应用广泛。当以药理学剂量使用糖皮质激素抑制过敏反应或炎症时，可引起多种不良反应；若长期使用(>2周)则会抑制下丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamus-pituitary-adrenal，HPA)轴；全身给药策略的重点在于最大限度地降低糖皮质激素对HPA轴抑制的风险[34]。除去作为机体重要的调控轴之一，HPA轴还可以通过调节周围神经系统功能和内分泌反应，参与免疫和炎症。促肾上腺皮质激素释放激素在HPA轴对压力的应激反应中起关键作用，同时也可以发挥抗炎的作用。研究表明免疫细胞表达多种激素、神经递质和神经肽的受体，因此肺部的免疫细胞可以在免疫和炎症反应微环境中充当自体激素贮存器，产生促肾上腺皮质激素释放激素和促肾上腺皮质激素[11]。另外，黑皮素对胚胎和胎儿HPA轴的发育成熟至关重要，也对肺的发育影响深远[11]。至于肺微生物组如何通过激素参与调控呼吸道疾病和神经系统疾病目前尚不清楚，需进一步研究。
肺微生物组可以通过调节炎性介质的产生，作用于机体免疫系统，进而调控中枢神经系统。例如，SARS-CoV-2肺部感染引起的细胞因子风暴可以降低紧密连接的稳定性并导致血脑屏障损伤，并且细胞因子风暴的强弱程度与其神经系统并发症的严重程度相关[35]。另外，微生物组作用于肺部，可以改变肺部的细胞免疫状态和哮喘等呼吸系统疾病的易感性；同时也可以作用于机体的细胞免疫功能，从而影响神经系统疾病的进展[36]。免疫细胞渗透对于脑内的病毒感染至关重要，因其可能会促进病原体入侵，导致神经系统疾病[37]。实验性自身免疫性脑脊髓炎动物实验发现，静脉输注的髓鞘反应性记忆T细胞首先进入肺部并短暂停留；与此同时髓鞘反应性记忆T细胞可以增殖并获得迁移特性，并产生趋化因子，获得黏附能力，使其能够在脑血管系统中发生迁移；当其进入中枢神经系统时，便会诱发中枢神经系统功能障碍[31]。一项发表于Nature杂志的研究表明，使用新霉素气管灌注预处理，可以实现肺微生物组局部改变(多样性减少和拟杆菌丰度增加2.5倍)，大鼠实验性自身免疫性脑脊髓炎炎症程度被抑制，与此同时，肠道菌群和肺部免疫细胞未发生明显改变；相反地，中枢神经系统T细胞浸润减少，小胶质细胞活性下降，这提示肺微生物组可以不经过肺部免疫系统而直接改变脑部的免疫环境，从而调节中枢神经系统疾病的进展[24]。
肺微生物组-肺-脑相关的机制研究目前相对较少，相信除上述之外，尚存在其他的调控机制，例如肺微生物代谢产物调控等；同时，以上4种调控机制，均需要更多的研究证据来进一步佐证和明确。
虽然肺与富含微生物的上呼吸道紧密相邻，但是健康的肺部具有极低的微生物量；并且肺微生物组在数量和动态上与器官(如肠道、皮肤和口腔)不同，空气和黏液的双向流动导致肺微生物组是高度动态变化的[1]。
迄今为止已发表的对肺微生物组的研究几乎都是观察性的，且多限于环境因素(尤其是吸烟、空气污染)的作用及呼吸系统疾病状态下发生的变化[38]。罹患哮喘、COPD、支气管扩张、肺癌或病毒感染等呼吸道疾病患者的肺微生物组与健康人群不同，但仅对肺微生物组的描述性研究不足以深入了解其调控机制，同样也不足以探究其与神经系统疾病的关系。
与传统的16S rRNA基因测序技术相比，宏基因组学极大地加深了人们对肠道微生物组的理解，但是其在肺微生物组方面的应用仍处于起步阶段。肺微生物组宏基因组学的另一个障碍是人类DNA与微生物DNA的比率非常高，且研究较多使用痰标本，需要深度测序，这使得低生物量样本的大规模研究可行性较低且成本高昂[7]。
肺微生物组领域为新兴领域，肺微生物组-肺-脑之间的关系及调控机制需要更多的纵向、人为干预和动物研究来解决因果关系。尤其是关于肺真菌组等的研究更是稀少，需要得到更多的重视和研究。
了解人类微生物组，明确其发挥的作用和调控机制，可以更好地服务于疾病的诊断和综合治疗。尽管肺微生物组研究有限，但它可以为宿主-微生物相互作用研究增加更多维度。通过新的多组学方法扩展对肺微生物组的理解有助于在临床中发现呼吸系统和神经系统疾病的诊断或预后生物标志物。该领域未来需要关注并解决的关键性问题包括：肺微生物组影响宿主的具体机制是什么？肺微生物组是呼吸系统和神经系统疾病的原因(延续者)还是结果(标志物)，还是两者兼而有之？肺微生物组测序技术是否有助于判断或预测呼吸系统和神经系统疾病的进展或预后？吸烟、空气污染等环境因素是否可以影响肺生物组？如果可以，如何影响肺微生物组？肺微生物组中的细菌、病毒和真菌之间存在何种复杂的相互作用，并如何影响呼吸系统和神经系统疾病？以上问题的解答都将使我们获益匪浅，有助于发现影响临床结局的关键诊断或治疗特征，实现精准医疗。
所有作者声明无利益冲突
