编译：微科盟瓜子花生，编辑：微科盟小编、江舜尧。

导读  

自微生物群被发现以来，许多研究都强调了其在健康和疾病中的作用。根据定植的区域，微生物可以分为肠道，口腔，呼吸道和皮肤的微生物群。微生物群与宿主共生，有助于体内平衡和调节免疫功能。然而，菌群失调会导致身体功能失调和包括心血管疾病（CVD），癌症，呼吸道疾病等疾病。这篇综述讨论了现阶段有关微生物群与宿主健康或发病机制的联系，并首先总结了在健康条件下对菌群的研究，包括肠-脑轴，定植抗力和免疫调节。然后，强调疾病发育及过程中菌群失调的发病机理，主要与微生物群组成失调，宿主免疫反应的调节以及慢性炎症的诱导有关。最后，我们介绍了临床中使用微生物群进行治疗疾病的方法，例如微生物群调节和粪菌移植。

论文ID

原名：Microbiota in health and diseases

译名：健康与疾病中的微生物群

期刊：Signal Transduction and Targeted Therapy

IF：38.104

发表时间：2022.4.23

通讯作者：李吉林、陈哲生

通讯作者单位：汕头大学医学院第二附属医院、圣约翰大学

DOI号：10.1038/s41392-022-00974-4

综述目录

引言

健康中的微生物

“健康”的肠道微生物

用于人类微生物研究的啮齿动物模型

定植抗力

微生物-肠-脑轴

免疫系统发展中的微生物群

疾病发展中的微生物

心血管疾病

口腔微生物群

肠道微生物群

癌症

口腔微生物群

呼吸道微生物群

肠道微生物群

糖尿病

1型糖尿病

2型糖尿病

呼吸疾病

慢性呼吸道疾病

肺炎

炎症性肠病

脑部疾病

神经精神疾病

神经退行性疾病

脑部疾病中的口腔和呼吸道微生物群

慢性肾病

肠-肾轴通讯和肠道微生物群

慢性肝病

肝病中的肠道微生物群

肝病中的口腔微生物群

微生物群和疾病治疗

微生物群调节

益生菌和益生元

抗生素

粪菌移植

工程肠道菌

肠道微生物群和药物反应

结论

内容

“微生物群”的起源可以追溯到1900年代初。许多微生物被发现与人体的各个部位（肠道，皮肤，肺，口腔）共存，这些微生物包括细菌，酵母菌和病毒。人类微生物群（也称为“隐藏器官”）的遗传信息是整个人类基因组遗传信息的150倍以上。尽管“微生物群”和“微生物组”通常可以互换，但两个术语之间存在某些差异。微生物群描述了在定义的环境中发现活的微生物，例如口腔和肠道微生物群。微生物组是指环境中所有微生物的基因组集合，不仅包括微生物群，还包括微生物结构元素，代谢物和环境条件。在这方面，微生物组涵盖的范围比微生物群更为广泛。在该综述中，我们主要关注微生物群在人类健康和疾病中的功能。

微生物群的组成因部位不同而不同（如图1）。肠道菌群被认为是维持我们健康最重要的一种菌群。肠道细菌具有多种功能，例如食物的发酵，保护人体免 受病原体侵害，刺激免疫反应和产生维生素。一般而言，肠道菌群由6个门组成，包括厚壁菌门（Firmicutes），拟杆菌门（Bacteroidetes），放线菌门（Actinobacteria），变形菌门（Proteobacteria），梭杆菌门（Fusobacteria）和疣微菌门（Verrucomicrobia），其中厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）是主要的门。研究最多的真菌（肠道菌）是念珠菌属（Candida），酵母菌属（Saccharomyces），马拉色菌属（Malassezia）和枝孢菌属（Cladosporium）。除了细菌和真菌外，人类肠道菌群还包括病毒，噬菌体和古细菌，主要是史氏甲烷短杆菌（M. smithii）。

虽然与肠道相比，微生物群落的建立不那么完善，但也定植于其他区域，包括口腔、肺、阴道和皮肤。口腔中的微生物群被认为是人类第二大微生物群落，可进一步分为包括唾液、舌头、牙齿表面、牙龈、颊黏膜、上颚和牙龈上/下菌斑多个微生物群的栖息地，并且这些菌群的组成和活性可能会因一些因素（如PH值的变化，基因突变和细菌之间的相互作用）而发生显著且快速的变化。微生物的组成在上述七个部位中总体相似，但也存在小规模的不同。一般来说，口腔中的微生物群主要是厚壁菌门（ Firmicutes ）、变形菌门（ Proteobacteria ），拟杆菌门（ Bacteroidetes ），放线菌门（ Actinobacteria ）和梭杆菌门 （ Fusobacteria ）。

虽然健康人类的肺部被长时间认为是无菌的，但大量的研究表明，微生物群也存在于肺部组织中。肺部的核心菌群包括放线菌门（ Actinobacteria ），拟杆菌门（ Bacteroidetes ），厚壁菌门（ Firmicutes ）和 变形菌门（ Proteobacteria ）。肺部微生物群的组成主要取决于三个因素：1）微生物的迁徙，2）微生物的消失，和3）微生物的繁殖速率。

在人体皮肤中，腺体和毛囊的分布和种类会因地理区域的不同而不同。皮肤区域的物理和化学差异产生了不同的微生物群组成。一般来说，皮肤微生物群主要由放线菌门（ Actinobacteria ）、拟杆菌门（ Bacteroidetes ）、蓝细菌门（ Cyanobacteria ）、厚壁菌门（ Firmicutes ）和变形菌门（ Proteobacteria ）组成。

在近十年中，大量的研究强调了微生物群和疾病的关系，例如癌症，糖尿病，神经系统疾病。而操纵人体内的微生物群可能是疾病治疗的关键。因此，在这里我们总结和讨论了人类微生物群在疾病发展、调节健康状况以及在疾病治疗中潜在临床应用方面的现状。

图1. 不同部位的人类微生物群组成。突出显示口腔、呼吸道、皮肤、肠道和阴道中的优势菌属

健康中的微生物

1“健康”的肠道微生物

肠道微生物的平衡与人类的疾病和健康有着紧密的联系。与身体的其他部位相比，人体胃肠道（GI）含有丰富的微生物群落，聚集了约100万亿微生物。广泛的研究已经揭示肠道微生物群和人类的基本生物过程之间的重要关系。例如，目前的进展表明，人类微生物群与营养提取、新陈代谢和免疫密切相关。微生物群可能通过多种机制来影响生物过程。对于从食物中提取能量和营养，微生物群由于能提供独立且独特的酶和生化途径的多功能代谢基因，从而起着至关重要的作用。此外，例如维生素、氨基酸和脂质等生物活性分子的生物合成也高度依赖于肠道微生物群。关于免疫系统，人体微生物群不仅可以通过产生抗菌物质来保护宿主免受外部病原体的侵害，而且还在肠道黏膜和免疫系统的发育中起着重要的作用。

在健康的情况下，肠道微生物群表现出稳定性、弹性和与宿主的共生相互作用。关于“健康”肠道微生物群的定义及其与宿主生理功能的联系有很多研究。肠道微生物群由细菌、酵母菌和病毒组成。健康的微生物群落通常表现出高分类多样性、高微生物基因丰富度和稳定的核心微生物群。然而，应该注意的是，微生物的相对分布在个体之间是独特的，并且可能在同一个体内发生变化。在人类中，肠道微生物群可能会因年龄和环境因素（例如药物使用）而有所不同。此外，肠道微生物群在胃肠道的不同解剖部位有所不同。例如，变形菌门（ Proteobacteria ）中的肠杆菌科（ Enterobacteriaceae ）存在于小肠中，但结肠中没有。相反，在结肠中经常发现拟杆菌门（ Bacteroidetes ）中的拟杆菌科（ Bacteroidaceae ）， 普氏菌科（ Prevotellaceae ） 和李氏菌科（ Rikenellaceae ）等菌株。这些变化主要是因为环境的不同。在小肠中，通过时间短，胆汁浓度高，而在结肠中，流速较慢，pH值较温和，以及拥有较大的微生物群落，特别是厌氧类型，经常被观察到。除了空间分布，肠道微生物群也因年龄而异。一般来说，微生物群多样性在儿童期和成年期之间增加，在老年期（70岁以上）减少。在形成相对稳定的肠道菌群之前，儿童的菌群多样性主要是以阿克曼氏菌（ Akkermansia muciniphila ），拟杆菌属（ Bacteroides ），韦荣氏球菌属（ Veillonella ），球形梭菌（ Clostridium coccoides  spp.）和肉毒梭菌（  Clostridium botulinum  spp.）为主。大约在三岁时，儿童肠道中的微生物群和成人相当，厚壁菌门（ Firmicutes ）、拟杆菌门（ Bacteroidetes ）和放线菌门（ Actinobacteria ）占主导地位。随着年龄的增长，饮食和免疫系统的变化可能会影响人体肠道微生物群的组成。具体来说，老年人主要表现为梭菌（ Clostridium ）和变形菌（ Proteobacteria ）增加及双歧杆菌（ Bifidobacterium ）的减少   。因为厌氧菌双歧杆菌（ Bifidobacterium ）在刺激免疫系统中的角色，所以被认为与炎症状态恶化有关，微生物群在人类福祉中发挥着重要作用，也主动参与了多种生物过程和疾病的发展，因此对人类微生物群的研究正在超越组成研究和调查成员之间的联系。特别是随着高通量测序、微生物群交互建模和模拟等新技术的蓬勃发展，微生物群功能的因果关系解释受到了更多关注。总的来说，仍需要进一步研究，以揭示人类微生物群的作用，从而支持基于微生物组的诊断和个性化医疗的发展（表 1）。

表 1. 微生物群研究中的小鼠模型

2用于人类微生物群研究的啮齿动物模型

近几十年来，人类微生物群吸引了越来越多的研究。然而，由于这与实际或伦理方面的原因有关，所以对当地微生物群的研究需要侵入性采样方法。动物模型，特别是小鼠和大鼠模型，也已被用于研究微生物群对各种疾病的致病能力和治疗潜力。由于大多数微生物群研究都集中在肠道微生物群上，无菌(GF)小鼠模型的使用已经因其可译性而广受欢迎。应该注意的是，为了将这些已有的知识从啮齿动物转化为人类，需要考虑它们的微生物群分布之间的异同。在表 2中，我们总结了一些常用的啮齿动物模型及其在微生物群研究中的作用。

表 2. 病原微生物群及相关信号通路总结

基因组数据显示，人和小鼠之间85%以上的基因组序列是保守的，而主要区别在于调控元件的一级序列。Cheng等人报道，在小鼠基因组中，一半的转录因子结合位点在人类基因组中可能没有直系同源序列。此外，基因组研究表明，不同物种的免疫系统及其调节存在显著差异。由于肠道微生物群对宿主先天性和适应性免疫反应有重要的影响，因此在得出明确结论之前，应仔细验证从啮齿动物到人类的研究结果。人类和小鼠肠道微生物群在门和属水平上有90%的重叠，但微生物的组成和丰度上则存在关键差异。例如，主要区别在于厚壁菌门/拟杆菌门（ Firmicutes / Bacteroidete ）的比例，人类的这一比例明显高于小鼠。特别是人的拟杆菌门（ Bacteroidetes ）主要由普氏菌科（ Prevotellaceae ）和拟杆菌科（ Bacteroidaceae ）组成，而小鼠的拟杆菌门（ Bacteroidetes ）主要由S24-7组成。厚壁菌门（ Firmicutes ）和瘤胃球菌科（ Ruminococcaceae ）是在人类中观察到的主要门，小鼠中观察到的主要门是梭菌目（ Clostridiales ）。并且，人和小鼠各自携带特定的属，例如人携带粪杆菌属（ Faecalibacterium ），巨球菌属（ Megasphera ），小球菌属（ Asteroleplasma ），琥珀弧菌属（ Succinivibrio ），副杆菌属（ Paraprevotella ）和小鼠携带粘螺菌属（ Mucispirillum ）。

3定植抗力

人类从出生便形成了一个庞大的共生微生物和病原微生物群落，它们定植在我们的肠道、皮肤、粘膜通道中，并形成一个稳定的群落来抵抗外部病原体。Bohnhoff等人发现小鼠在抗生素治疗后对特定类型的细菌感染变得显著敏感，于是在1950年代“定植抗力”一词被创造。后来，研究人员也从中认识到这一点，然后这一结论就进一步应用于当前微生物群为入侵病原物种的定植提供抵抗的现象。微生物群是保护我们免受外源微生物侵害的关键屏障。尽管微生物群定植抗性尚未完全阐明，但随着GF动物模型的出现，研究人员已经发现了几种潜在的机制，例如营养竞争、抗菌素生产和噬菌体部署。定植抗性的另一个例子是具有代表性和致病性大肠杆菌之间的相互作用，其中本地大肠杆菌菌株与致病性大肠杆菌O157:H7竞争氨基酸脯氨酸从而消耗营养。在本节中，我们将重点关注阴道和皮肤的微生物群及其定植抗力。

胃肠道消化蛋白质和食物中的糖。代谢多糖和特定蛋白质需要各种细菌产生的多种酶。例如，大肠中的拟杆菌属（ Bacteroides ）物种负责收糖。致病性肠杆菌科（ Enterobacteriaceae ）也能利用肠道中的糖和氨基酸。Freter等人提出了一个生态位假设，该假设已得到体外和体内研究的支持。该假设指出，肠道微生物群的组成和丰度由一种或几种营养底物决定。在小鼠模型中，当去除单一类型的糖时，微生物群的组成和对病原体的抵抗能力都发生了变化。

可能由于与外来细菌竞争的必要性，肠道细菌已经开发出各种抑制竞争者的方法，包括分泌多种细菌素。肠道中一种依赖于接触的竞争，即6型分泌系统，最初是在与真核细胞有关的细菌分泌系统中发现的，后来发现这与种内杀灭有关。该系统通过接触细胞，将效应物（例如核苷酸降解剂、细胞壁和细胞膜）传递到细胞质中来工作。同时，该系统还可能有助于小鼠和人类肠道中拟杆菌属（ Bacteroides ）的丰富。除6型系统外，其他系统如7型（或ESX系统）也介导种内和种间杀戮。目前，肠道菌群抑制和生长的接触依赖系统正日益被发现。中间基因、免疫和效应因子可以作为可通过生物工程方法改变的适应性因素。此外，它们对于研究肠道微生物群的相互作用、结构和动力学也很有价值。但是杀菌机制的确切作用仍然知之甚少，需进一步研究。

噬菌体部署是肠道定植抗性的另一种机制。但相关研究仍处于不成熟阶段。目前已经揭示了两个涉及噬菌体感染的循环，即裂解循环和溶原循环。噬菌体通过将基因组片段注入细菌细胞质进行复制，之后两个循环开始分支。溶原阶段的噬菌体将其基因组插入细菌基因组中并产生原噬菌体，从而保证噬菌体DNA的复制并进入裂解循环。在裂解周期中，噬菌体DNA开始复制、修饰和表达，导致新的噬菌体组装、细胞裂解和噬菌体扩散。有几种潜在的机制可以预防噬菌体感染，包括表面受体识别的阻断、双重感染排除系统和顿挫感染。对于感染预防，抗性菌株表现出与细菌表面相似的成分，因此可以作为攻击噬菌体的诱饵。DNA复制可以通过“限制性修饰”系统来防止，主要是通过甲基转移酶和限制性内切酶。尽管该系统的缺点是它也会破坏宿主DNA，但该系统仍然作为人体原始的内部细菌防御系统。细菌的防御系统也促进了成簇规律间隔短回文重复序列（CRISPR）-Cas9的发现，该重复序列已被广泛评估。后来，人们发现新的防御系统，例如噬菌体排斥系统，可以通过阻止DNA复制来发挥作用。第三种可能的机制是顿挫感染，被感染的细胞被杀死，而周围的细胞则受到保护。这一机制尚未完全阐明，仍需进一步探索。

除肠道外，阴道微生物群在抵抗入侵的致病微生物组定植方面也起着至关重要的作用，这对于预防性传播感染，尿路感染和外阴阴道念珠菌病非常重要。传统方式上，培养方法表明阴道微生物群是一个缺乏产生乳酸的物种（例如，乳酸菌属）的群落。并且，阴道微生物群落中充斥着厌氧菌，包括阴道加德纳菌（ Gardnerella Vaginalis ），普氏菌属（ Prevotella spp.），动弯杆菌属（ Mobiluncus spp . ），解脲脲原体（ Ureaplasma urealyticum ）和人型支原体（ Mycoplasma hominis ）。后来的研究将乳酸杆菌（ Lactobacilli ）确定为阴道微生物群的重要菌群成员。为了更好地了解阴道微生物群，研究人员将阴道细菌群落分为五种类型，称为社区状态类型(CST)I-V。所有五个群落都以阴道乳杆菌（ L. crispatus ），格氏乳杆菌（ L. gasseri ），惰性乳酸杆菌（ L. iners ），多菌群（乳酸杆菌和细菌性阴道病相关细菌(BVAB)在内的多种微生物菌群）和詹氏乳杆菌（ L. jensenii ）为主。CSTI、III和IV常见于女性，并已被广泛研究，而其他两种类型很少见。乳酸杆菌属（ Lactobacillus ）物种被认为通过产生杀菌剂和杀病毒剂（包括乳酸和细菌素）来提供保护功能。因此，阴道乳酸杆菌（ Lactobacilli ）被认为是人类免疫缺陷病毒(HIV)、人乳头瘤病毒和单纯疱疹病毒感染等性传播感染的危险因素。在之前的一项随机临床研究中，Schwebke等人发现接受非典型革兰氏阳性染色涂片治疗的女性发生衣原体生殖器感染的风险较低。在另一项涉及3620名非孕妇的研究中，Brotman等人发现细菌性阴道疾病与生殖器感染风险升高之间存在密切关联。到目前为止，关于阴道定植抗性的研究有限，但人们普遍认为，阴道定植抗性在预防致病性感染中起着至关重要的保护作用。

皮肤作为人体最大的器官，被密集的微生物群落定植。具有平衡微生物群的健康皮肤被认为有助于抵抗病原体感染的定植。皮肤微生物群的变化（生态失调）与许多常见的皮肤病高度相关，例如痤疮，一种由痤疮痤疮丙酸杆菌（ Propionibacterium acnes ）介导的慢性炎症性皮肤病。痤疮假单胞菌病理生理学的严重程度与皮脂分泌水平相关。因此，痤疮在青少年和一小部分成年人中普遍存在。此外，定殖的微生物组产生的细菌素会对入侵物种提供进一步的保护。例如，表皮葡萄球菌（ S. epidermidis ）通过丝氨酸蛋白酶破坏金黄色葡萄球菌（ S. aureus ）生物膜。路邓沙门氏菌（ S. lugdunensis ）产生 lugdunin ，一种金黄色葡萄球菌（ S. aureus ）鼻腔定植抑制剂。 Lugdunin 还抑制其他病原体，包括粪肠球菌（ Enterococcus faecalis ）、单核细胞增生李斯特菌（ Listeria monocytogenes ）、肺炎链球菌（ Streptococcus pneumoniae ）和铜绿假单胞菌（  Pseudomonas aeruginosa ）。总的来说，了解皮肤微生物群落之间的相互作用将有利于控制皮肤疾病或障碍。

4微生物-肠-脑轴

在1980年代，随着脑成像的发展，我们对肠-脑轴在体内平衡中的关键作用有了一定的理解。研究人员随后达成共识，即该轴是双向的。一方面，肠扩张激活了大脑内的关键通路，而另一方面，这些通路与肠道疾病有关，例如肠易激综合征(IBS)。在过去的几十年中，肠道微生物群被确定为肠-脑轴的关键调节因子。多种动物模型以及人类研究已被用于模拟肠-脑轴。图 2总结了促成肠-脑轴平衡的因素。Chen等人最近的一项研究发现，由于组蛋白去甲基化酶（例如KDM5）的丢失，果蝇（黑腹果蝇）表现出肠道屏障功能障碍和交配等社会行为的改变。这是交配行为可能与肠道细菌有关的直接证据之一。同样，在小鼠模型中，Bravo等人用乳酸菌（ Lactobacillus rhamnosus ）对小鼠进行长期喂养，发现大脑中存在区域依赖性改变，例如皮质区域的GABA基因上调和海马、杏仁核和蓝斑的基因下调。因此，该一系列结果表明肠道微生物群可以影响神经生理学和行为。Buffington等人报道母体高脂肪饮食会诱导后代大脑中的肠道微生物群变化和生理变化，例如下丘脑中催产素免疫反应神经元的减少。此外，与规律饮食母亲的后代共同居住可以防止后代的社会缺陷和肠道微生物群的变化。这一发现进一步支持肠道微生物群会对后代社会行为产生负面影响。肠道微生物群也会影响伤口愈合过程。喂食乳酸菌（ Lactobacillus reuteri ）的小鼠通过上调催产素显示出增强伤口愈合的特性，而催产素是激活宿主CD4+Foxp3+CD25+免疫T调节细胞的调节因子。其他研究还表明，肠道微生物群会影响小鼠的认知、焦虑、抑郁相关行为和奖赏/成瘾途径。对黑猩猩（ Pan troglodytes ）的研究揭示了肠-脑轴中微生物群的另一个方向：肠道微生物群的组成是受到各种社会互动的影响。对人类肠道-脑轴的研究表明，大脑生理学和肠道微生物生态学之间的联系也有类似的结果。2016年Allen等人对健康志愿者进行了一项临床前研究，以测试精神生物消费是否会影响神经生理反应，如压力反应、认知和大脑活动。结果表明，食用长双歧杆菌（ B. longum ）1714与减轻压力和改善记忆力有关。然而，在这项研究中，样本数量很少（N = 11），并且没有充分考虑环境、饮食、生活方式和遗传变异等混杂因素。在另一项使用小鼠模型的研究中，发现肠道微生物群是运动缺陷、小胶质细胞激活和αSyn病理学所必需的。作者移植了帕金森病患者的微生物群，发现与来自健康供体的微生物群的小鼠相比，这些小鼠的身体损伤有所增加。因此，这表明肠道微生物可能与帕金森病等神经退行性疾病有关，并可用作治疗标志物。研究人员发现，患有和不患有自闭症谱系障碍的儿童肠道中的微生物成分存在显著差异，这是一种以社交异常、沟通障碍和重复行为为特征的普遍性发育障碍，是另一个证明胃肠道微生物群和神经生理学两者之间关系的证据。

图 2. 双向肠-脑轴相互作用和促进肠-脑活动的共同因素

对于介导肠-脑轴内交流的许多途径已经提出。沿肠-脑轴的信号通路涉及自主神经系统（ANS）、肠神经系统（ENS）、中枢神经系统（CNS）、免疫系统和内分泌系统之间的相互作用。控制胃肠道功能ANS，如肠道运动和粘液产生，是一个复杂的网络，整合了肠道和大脑之间的通讯，并且因为CNS负责处理内脏信息，所以能在肠道中诱导CNS效应。ANS能直接触发肠道中的神经反应，从而进一步引起生理变化。ANS还介导肠道微生物群和ENS之间的相互作用。ANS触发的ENS活动促进前/益生菌在胃肠道中的吸收和递送，例如淀粉和其他微生物营养素。

微生物可以通过神经调节代谢物（包括色氨酸、血清素、GABA和儿茶酚胺）影响神经系统。先前对小鼠模型的研究已经证明，肠道微生物代谢物4-乙基苯硫酸盐可诱发精神障碍（如焦虑样行为）。除此之外，肠道微生物色氨酸代谢物吲哚被发现与迷走神经的激活有关，迷走神经是连接肠道和大脑的第10脑神经。在这项研究中，急性和高吲哚过量产生的大鼠活动减少，而慢性和中度吲哚增加显示增强了的大鼠活动，例如焦虑行为。类似地，发现鼠李糖乳杆菌（ Lactobacillus rhamnosus ）在肠系膜神经束的迷走神经传入中诱导信息传递。这种诱导可以通过迷走神经切断术消除。此外，发现在大鼠模型中用罗伊氏乳杆菌（ Lactobacillus reuteri ）治疗可以帮助有社交缺陷的小鼠；做过迷走神经切断术的老鼠也得到了恢复。近期的研究还报道了微生物群-ENS相互作用的潜在机制。作为人类主要的血清素生产者之一，肠道微生物群与5-HT受体的ENS激活有关。De Vadder等人通过对5-HT受体的药理调节和内源性5-HT的消耗，证明了两者的相互作用。5-HT受体拮抗剂的存在对ENS活性产生负面影响。肠道微生物群还与另一个主要的神经内分泌系统，即下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴相联系，该轴可以协调压力反应。HPA中产生的信号分子分布在全身各处并影响肠道微生物群。为了说明HPA和肠道微生物群之间的联系，我们使用了GF小鼠。研究表明，GF小鼠血浆皮质酮水平升高，表明HPA轴高反应性和肠道菌群的调节作用。据报道，在人类中，肠综合征患者（肠道菌群发生变化）倾向于对促肾上腺皮质激素释放因子产生过度的促肾上腺皮质激素反应。尽管已经有大量关于肠道微生物群和大脑之间的双向通路研究，但仍难以完全理解其机制。

目前已经发现许多影响内部和外部的因素来调节宿主的肠-脑轴，包括遗传、社会经济地位、饮食、药物和环境因素。遗传学和表观遗传学对于了解大脑和肠道健康很重要。越来越多的研究已经对宿主（人类或小鼠）与微生物群遗传学之间的关系进行了研究。微生物群-宿主遗传相互作用的重要组成部分之一是通过RNA的调节。例如，在GF小鼠模型中，研究人员发现GF小鼠的某些大脑区域、杏仁核和前额叶皮层中的microRNA失调，这表明肠道微生物群与大脑生理学之间存在密切关系。在另一项使用GF小鼠对肠道微生物群和海马RNA的研究中，Chen等人发现肠道微生物群显著调节海马microRNA和mRNA的表达水平。具体来说，在GF小鼠中重新定植肠道微生物群并没有逆转行为变化，例如减少对熟悉食物的潜伏期，但microRNA和mRNA显著恢复。

正如上文所提到的，生活方式，尤其是饮食，已被证明是调节肠-脑轴最关键因素之一。例如，仅含动物产品的高脂肪饮食将深刻改变微生物群的组成。具体来说，高脂肪饮食的动物模型显示拟杆菌门（ Bacteroidetes ）水平降低，变形菌门（ Proteobacteria ）和厚壁菌门（ Firmicute ）水平均升高。在另一项对高脂肪饮食喂养动物的研究中也观察到变形菌门（ Proteobacteria ）中的沃氏嗜胆菌（ Bilophila wadsworthia ）的丰度。相反，由全谷物、坚果、蔬菜、水果和仅某些动物产品（鱼和家禽）组成的地中海饮食则显示对宿主有益的结果。在人类干预饮食的研究中，地中海饮食已被证明可以显著减少神经植物疾病、精神疾病、癌症和心血管疾病的发生。地中海饮食也显示出与抑郁症风险降低的相关性。虽然已经有充分的证据表明地中海饮食对宿主有益，但仍需要进一步的机制研究来阐明这种饮食对肠-脑轴的调节机制。另一种高脂肪和低碳水化合物的饮食很受欢迎，即生酮饮食，因为它会强制消耗体内保留的脂肪。由于血清酮的增加，生酮饮食被认为能够抑制神经退行性疾病的细胞凋亡，目前已被证明可以改善线粒体活性。研究表明生酮饮食也会导致肠道微生物群丰度的变化。具体来说，生酮饮食小鼠的阿克曼氏菌（ Akkermansia ）、副拟杆菌属（ Parabacteroides ）、萨特氏菌（ Sutterella ）和丹毒丝菌属（ Erysipelotrichaceae ）水平显著升高。此外，与正常饮食的对照组相比，生酮饮食的小鼠可以更好地避免急性癫痫发作。GF小鼠中增加的微生物群落定植也显示出与癫痫发作保护以及海马代谢组学特征的改变相关。以上所有研究均支持生活方式的改变对肠道微生物群有显著影响这一结论。

最后，药物，尤其是抗生素，将直接影响肠道微生物群，进而影响肠-脑轴。除了抗生素，越来越多的研究还表明，非抗生素药物可以改变肠道微生物群的组成，以及神经生理学和行为。在比利时佛兰芒肠道菌群的大型肠道微生物群项目中，发现抗生素、渗透性泻药、激素、苯二氮卓类药物、抗抑郁药、抗组胺药和炎症性肠病药物与肠道微生物群的变化高度相关。其他研究还表明，质子泵抑制剂、二甲双胍和他汀类药物会影响肠道微生物群。此外，由于对肠脑轴的兴趣增加，越来越多的精神药物被发现具有抗菌活性。以血清素拮抗剂（如舍曲林、帕罗西汀和氟西汀）为例，它们对革兰氏阳性菌如葡萄球菌（ Staphylococcus ）和肠球菌（ Enterococcus ）具有抗菌活性。这些发现表明药物对肠-脑轴的潜在影响。

5免疫系统发展中的微生物群

不同器官中的微生物群会表现出不同的特征和组成。因此微生物群与宿主之间存在多个生物过程的相互作用。在本节中，我们将介绍肠道、口腔、肺、皮肤、阴道中的人体微生物群与免疫系统发育之间的相互作用。人体免疫系统由先天性和适应性免疫反应组成，这两种免疫反应均已被证明与微生物群具有广泛的相互作用。先天免疫反应通过消除病原菌和调节对微生物群的适应性反应，在维持稳态环境中发挥着关键作用。这些作用是由分泌型IgA(sIgA)、toll样受体5(TLR5)、自噬和炎症小体等因素介导的。例如，slgA可以与共生细菌结合并形成复合物，从而选择性地将细菌成分呈递给致耐受性树突状细胞。作为一种抗炎分子，slgA可以减少可能由器官中大量细菌负荷引起的炎症反应。另一方面，微生物群的失调会改变sIgA反应，并导致细菌生长失控。Hapfelmeier等人表明，使用可逆微生物定植系统在GF小鼠中观察到微生物群特异性sIgA反应。sIgA诱导被证实是对当前细菌暴露的逐渐反应，证明微生物群和免疫系统之间存在串扰。适应性免疫反应是维持健康微生物群和免疫平衡的另一个重要部分。特别是适应性免疫反应教育是通过B和T细胞的分化和成熟以及对微生物群的免疫耐受建立来实现的。根据细菌种类，CD4T细胞反应差异很大，这导致分化为不同的亚群和随后的促炎细胞因子的释放，如干扰素-γ和白细胞介素IL-17A。微生物群和适应性免疫反应之间的串扰将在以下部分进一步讨论。

胃肠道拥有大量免疫细胞，它们不断与肠道微生物群交流。免疫系统的成熟需要共生微生物的发育。肠道微生物群影响免疫系统的机制之一是通过介导中性粒细胞迁移，从而影响T细胞分化为各种类型，如辅助性T细胞（Th1、Th2和Th17）和调节性T细胞。免疫系统成熟期间微生物群发育的障碍可能导致免疫耐受性下降和自身免疫性疾病。此外，微生物群产生的异质分子可能会诱导免疫反应并刺激炎症或慢性组织损伤。在健康和疾病状态下微生物群和宿主免疫反应的一般相互作用如图3所示。

图3. 健康和疾病状态下微生物相关慢性炎症的影响因素

人体免疫系统与微生物群密切相关，在脊椎动物和微生物群的共同进化过程中作为一种复杂的象征关系。出生时，微生物群从母亲垂直传播给孩子被认为是微生物群向孩子的最初引入。剖宫产出生的婴儿被表皮来源的细菌定植，与接受母体阴道菌群的初始微生物群的婴儿相比，可能与发生过敏和哮喘的风险更高有关。这种免疫系统和微生物群的差异会在生长过程中逐渐消除。如前所述，婴儿的微生物群在1岁左右稳定，与成人相似。新生儿免疫系统也在动态微生物群的影响下迅速发展。除了出生时微生物群的传播，母乳喂养在婴儿免疫系统和微生物群的建立中也起着至关重要的作用。除了所需的营养物质和抗菌蛋白外，母乳还提供slgA，它是由母体微生物群特别塑造的。因此，婴儿的微生物群不仅来源于母体表皮或阴道，而且sIgA还加强母体微生物群的形成。此外，在婴儿免疫系统固化之前，sIgA显著保护新生儿免受病原体侵害。总之，母婴微生物是微生物群与免疫系统密切关系的纽带。

由于肠道微生物可以通过肠道上皮细胞促进大分子和抗原，因此肠道微生物群与免疫反应密切相关。细菌鞭毛的主要成分，即鞭毛蛋白，阐述了肠道上皮完整性与宿主免疫之间的关系。鞭毛蛋白被TLR5识别，发现TLR5在B细胞和CD4+T细胞中活跃表达。分化的B细胞产生IgA，它可以中和病原体和潜在的后续感染。

肠道微生物群通过由派尔斑(PPs)、浆细胞和淋巴细胞组成的肠道相关淋巴组织促进免疫系统的发育。先前的研究表明，肠道细菌与黏膜抗体相互作用，黏膜抗体被PP中的CD11+树突状细胞吸收。研究还表明，与SIgA结合的腔内微生物群增加了它们在PPs中的存在。CD8+T细胞主要存在于上皮内肠腔中，微生物群在维持CD8+T细胞的功能中起重要作用。先前的研究证明了GF小鼠肠道的CD8+T细胞减少。总之，了解微生物群与免疫系统之间的关系是健康科学中一个至关重要的课题。然而，由于我们对肠道免疫系统网络的固有理解，需要更多的关注来进一步提升我们在免疫稳态和新型免疫微生物疗法方面的知识。

口腔是微生物群定植的另一个重要栖息地。与肠道环境不同，口腔内既有牙齿的坚硬表面，也有黏膜的上皮表面。口腔微生物群中存在大约50个物种（1000个亚种）。由于不断接触唾液，口腔微生物群获得了强烈的粘附特性，这保证了它们的定植和对流体流动力的抵抗力。口腔微生物群包含复杂的多微生物群落，与宿主的饮食和免疫力有复杂的相互作用。口腔微生物群的定植抵抗不仅受到缺乏单一治疗手段的影响，而且还受到可能使生物活性分子失活的流体相的影响。可能发生疾病的不同口腔部位的数量和局部应用疗法的保留性差也是治疗由病原体引起的口腔疾病的障碍。口腔病原体发挥了激发免疫反应的能力，例如，促炎反应。另一方面，宿主免疫系统的改变也会影响口腔微生物群落。例如，人类常见的牙龈炎是由免疫炎症反应引起的，其中中性粒细胞会进入到牙龈组织。在牙周病中，因为炎症可导致组织破坏，为微生物组提供营养，所以目前发现炎症是病原微生物生长的重要驱动力。然而，炎症随后可能引发免疫系统的杀菌活性。因此，生态失调存在这样一个悖论，即如果宿主免疫系统变慢，微生物群将因缺乏营养而饿死。与牙周炎相关的细菌（如牙龈卟啉单胞菌 P. gingivalis ）能够通过触发宿主免疫反应来解决这个难题，而无需结合杀菌活性。这种功能已在小鼠模型中得到证实，其中牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）   干预了宿主-微生物群的稳态并促进了牙周炎的发展。牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）对宿主免疫系统的特殊操作已被发现涉及C5a受体1(C5aR1)和TLR2。在人和小鼠的中性粒细胞中，牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）能够初始化C5aR1-TLR2信号，该信号将TLR2-MyD88通路与TLR2-MyD88-Mal-PI3K通路分开，导致炎症和吞噬作用受阻。总之，口腔微生物群可能通过潜在地稳定微生物多样性而获益，但对导致集体致病的结果有害。

与肠道和口腔组织一样，肺部也呈现出复杂的细菌群落。由于微生物群通过吸入、咳嗽或粘液纤毛清除而迁移和消除，所以肺部的微生物群是相对动态的。肺中的大多数微生物属于拟杆菌门（ Bacteroidetes ）、厚壁菌门（ Firmicutes ）、变形菌门（ Proteobacteria ）和放线菌门（ Actinobacteria ）。肺部微生物群负责保护宿主免受不希望发生的炎症反应的免疫耐受的状态。该功能由共生细菌和肺免疫细胞之间的相互作用介导。鉴于肺部微生物群在维持肺部稳态中发挥的重要作用，肺部微生物群的组成可用于监测肺部健康状况。肺部微生物群与局部免疫细胞之间的相互作用与模式识别受体(PRR)密切相关，其中PRRs负责微生物分子的识别。上述TLR也属于PRR。PRRs的激活可以刺激配体的参与并进一步诱导免疫相关基因的表达，从而促进对病原体的免疫反应。此外，还发现肺部微生物群可以调节抗原提呈细胞和调节性T细胞。在小鼠模型中，发现新生小鼠在暴露于过敏原后表现出过多的气道嗜酸性粒细胞增多、Th2细胞因子释放和高反应性。随着细菌负荷增加的两周内，微生物群的组成发生了变化（拟杆菌门的γ-变形菌门和厚壁菌门），对过敏原的反应性降低。主要机制包括Helios调节性T细胞亚群的出现，这是由肺部共生细菌群的变化促进的。此外，没有适当肺微生物群的婴儿小鼠会在成年之前对过敏原过度敏感。

与肠道一样，人类皮肤也被由高度多样化的微生物群组成的密集群落定植。已发现皮肤微生物群由原核生物（细菌和古细菌）和真核生物（真菌、后生代寄生虫）组成。与肠道微生物群类似，皮肤微生物群也参与先天免疫系统的发育。例如，表皮葡萄球菌（ S. epidermidis ）产生脂磷壁酸，可防止皮肤因损伤引起的炎症。潜在机制包括抑制细胞因子释放和基于TLR2的免疫反应。有趣的是，表皮葡萄球菌（ S. epidermidis ）还可以促进某些抗菌肽的表达，如增强皮肤防御的人β-防御素(hBD)。同时，表皮葡萄球菌（ S. epidermidis ）被认为能加强皮肤淋巴细胞的功能，有助于提高皮肤免疫力。总之，作为人体免疫系统的主要组成部分，皮肤拥有广泛的由细胞发挥的免疫功能，例如巨噬细胞、树突状细胞、淋巴细胞和各种T细胞群。由于高通量测序的出现，研究人员能够对皮肤微生物群进行深入的分类分析，进一步加深了我们对皮肤微生物群在人类健康中的作用的理解。

如上所述，阴道微生物群对于保护宿主免受抗性入侵病原体的定植至关重要，且还发现阴道微生物群驱动先天免疫反应。具体来说，阴道微生物群会刺激阴道和上生殖道上皮细胞内和上皮细胞上的PRR，并启动细胞因子信号级联反应。例如，白细胞介素(IL)-1β/6/8和肿瘤坏死因子α(TNF-α)聚集或激活免疫细胞，如自然杀伤(NK)细胞、巨噬细胞、CD4+辅助T细胞、CD8+细胞毒性T淋巴细胞和B淋巴细胞。细菌性阴道病(BV)是最常见的阴道菌群失调之一，原因是乳杆菌属（ Lactobacillus spp.）的置换和BVAB浓度的增加。已发现BV中的病原微生物群落，例如阴道嗜血杆菌（ G. vaginalis ）和两路普雷沃菌（ P. bivia ）可抑制阴道上皮细胞中的宿主炎症反应。然而，只有有限数量的研究检验了BVAB如何与宿主免疫系统相互作用的机制。先前的研究表明，阴道嗜血杆菌（ G. vaginalis ）感染不会引发促炎介质水平的变化，包括IL-1β、IL-6、MIP-3α或TNFα，而 A. vaginae 会诱导广泛的促炎细胞因子、趋化因子和抗菌肽，包括IL-1β、IL-6、IL-8、MIP-3α、TNFα和hBD-2；两路普雷沃菌（ P. bivia ）则诱导的免疫因子类型较少，包括IL-1β和巨噬细胞炎症蛋白(MIP)-3α。然而，有报道称两路普雷沃菌（ P. bivia ）抑制了宿主免疫反应。总的来说，进一步更好地了解阴道微生物群与宿主免疫系统之间的相互作用是十分必要的。

疾病发展中的微生物群

微生物群是由数万亿微生物组成的复杂系统。随着测序技术和生物信息学的发展，微生物相关研究大多集中在微生物组成变化与各种疾病状态之间的关系。当受到外部变化时，微生物群落的平衡会受到影响，导致身体功能失调和疾病，如图 4所示。迄今为止，越来越多的证据证实微生物群与心血管疾病、癌症、呼吸系统疾病、糖尿病、IBD、脑部疾病、慢性肾脏疾病和肝脏疾病的发展有关。由于在疾病发展中对非细菌物种的研究有限，我们在本节中主要关注微生物群的细菌元素。在表 2中总结了疾病相关病原体和信号通路，并在每个部分中详细讨论。

图 4. 人类微生物群失调导致各种疾病

1心血管疾病

心血管疾病是全球发病率和死亡率的主要原因，包括冠心病、脑血管疾病、外周动脉疾病等。虽然一般风险因素包括动脉粥样硬化、高血压、肥胖、糖尿病、血脂异常和精神疾病，但越来越多的证据表明，微生物群在维持心血管健康方面发挥作用，其失调可能导致心血管疾病。特别是对微生物群移植、微生物群依赖途径和下游代谢物的研究都表明微生物群可能通过多种代谢途径影响宿主代谢和心血管疾病。在这里，我们介绍了CVD中微生物群的潜在发病机制。

口腔微生物群 。牙周病是通过口腔微生物群的生态失调引发和扩散的，已被证明与心血管疾病风险增加有关。据1993年的报道，DeStefano等人通过用牙周病轻微的受试者相比，发现牙周炎受试者的心血管疾病风险增加了25%，这说明口腔微生物群与心血管疾病之间存在相关性。在口腔和动脉粥样硬化斑块中均发现了多种细菌系统型，表明口腔微生物群与动脉粥样硬化之间存在关联。Schenkein等人提出了将牙周炎与动脉粥样硬化联系起来的两种主要机制。一是一些微生物可以侵入粥样斑内的内皮细胞和吞噬细胞，引起病变的致病变化和进展，二是牙周病变释放出炎症介质如C反应蛋白（CRP）、纤维蛋白原、金属蛋白酶等进入体循环。Lise等人的一项队列研究报告表明，牙周病原体连翘曲霉（ T. forsythia ）的抗体水平与CVD死亡风险的增加呈负相关。事实上，其他研究也将牙周炎与几种心血管危险因素联系起来。一项随机对照试验(RCT)表明，强化牙周治疗可降低包括IL-6和CRP在内的全身炎症标志物，并降低收缩压和改善血脂。IL-6可通过IL-6信号转导受体成分糖蛋白引起心脏肥大。此外，IL-6能够诱导肝脏合成CRP。CRP被认为可通过多种机制直接影响血管脆弱性，包括调节粘附分子的局部表达、下调一氧化氮的内皮生物活性、改变巨噬细胞对低密度脂蛋白的摄取。Ramirez等人发现，与对照组相比，牙周炎患者的E选择素、髓过氧化物酶和ICAM-1水平较高，这些都是CVD的重要风险标志物。E-选择素是白细胞表面碳水化合物配体的受体。它的功能是与白细胞结合，将它们从循环中拉向内皮表面。随后，跨膜糖蛋白ICAM-1和VCAM-1与白细胞表面的整合素相互作用，促进其与内皮细胞的强结合，从而通过它们对血管内皮细胞的炎症作用来促进CVD。

肠道微生物群 。肠道微生物群被认为是体内最大的内分泌器官，因此它会影响心血管系统并导致心血管疾病。肠道微生物群参与胆碱、磷脂酰胆碱和肉碱的代谢，最终产生三甲胺-N-氧化物(TMAO)。TMAO不仅可以调节胆固醇平衡和胆汁酸水平，而且还与早期动脉粥样硬化和CVD的高长期死亡风险相关。从机制上讲，TMAO可以激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和NF-κB信号通路内皮细胞和平滑肌细胞。MAPK信号通路可被生长因子、病原体相关分子和炎性细胞因子刺激，随后是MAPKKK-MAPKK-MAPK-TFs信号级联，导致炎性细胞因子IL-6、IL-8和TNF-α的表达。众所周知，NF-κB是调节炎症免疫细胞活化、分化和效应功能的重要介质。因此，NF-κB的失调可能是通过促进单核细胞聚集而促进动脉粥样硬化的发病机制。另一种炎症介质脂多糖（LPS），也称为内毒素，是革兰氏阴性菌的一种成分，主要分布在肠道和口腔中。最近的研究表明，LPS可通过激活TLR4通路诱导血管氧化应激，导致内皮功能障碍和血管炎症。Yoshida等人进行的回顾性分析表明，与没有心血管疾病的患者相比，心血管疾病患者的粪便LPS水平更高。有趣的是，LPS的脂质A部分的结构在细菌中有所不同，而这可能决定了LPS的活性。

肠道微生物群能够将多糖和蛋白质代谢成短链脂肪酸(SCFA)，这是与CVD相关的另一类代谢物。大多数SCFA是乙酸盐、丁酸盐或丙酸盐。大部分醋酸盐在脂肪组织中转化为脂肪，并在肌肉中氧化，其中一些被细菌转化为丁酸盐。如图3所示，丁酸盐参与介导肠屏障的完整性，并被认为对肠上皮细胞有直接的益处。而丙酸盐主要在肝脏中被氧化或代谢。这些主要在CVD中的SCFA的潜在作用已在动物模型中进行了广泛研究。SCFAs，特别是丙酸盐和丁酸盐，被证明可以保护宿主免受高血压心血管损害。丙酸被认为可以调节效应T细胞和调节性T细胞的平衡，这在高血压和高血压诱导的器官损伤中至关重要。此外，丙酸盐减少了心肌细胞中间隙连接蛋白43的偏侧化，降低了对室性心动过速的易感性。在动物模型中，丁酸已被证明可以通过抑制促肾上腺素受体和肾素的表达来调节血压。近期，越来越多的证据表明，SCFA可以作用于G蛋白偶联受体Gpr41、Gpr43和Olfr78来调节血压。Olfr78是一种嗅觉受体，在血管平滑肌细胞中表达，可以调节肾素分泌以响应SCFA。Gpr41和Gpr43在体内广泛表达，它们会在SCFA结合后被激活。Olfr78和Gpr41/43可以通过不同的G蛋白亚基和第二信使系统对SCFA作出反应。Olfr78将激活嗅觉信号通路中的腺苷酸环化酶3型和Golf，从而诱导cAMP产生；而Gpr41/43激活Gαi和/或Gαo来降低cAMP。因此，激活的Olfr78通过促进肾素的释放来增加高血压，而Gpr41和Gpr43的激活抵消了Olfr78的高血压作用。这些数据加强了微生物群在血压控制和心血管疾病进展中的重要作用。

2癌症

癌症是一种疾病，其特征是异常细胞快速增殖并不受控制地生长，几乎可以发生在身体的所有部位。目前，癌症是全球死亡的主要原因，在2020年已经有超过1000万人因为癌症死亡。一般来说，癌症的发展是由于基因突变破坏了细胞的生长或代谢活动，100多种人类致癌物已经被世界卫生组织列出。虽然致癌是一个多因素的过程，但众所周知，烟草、细菌和病毒、肥胖、酒精和辐射是癌症的主要危险因素。长期以来微生物在癌症中的作用一直被忽视，但焦点已经转移，主要是因为1994年发现幽门螺杆菌（ H. Plyori ）有助于胃癌的发生。令人惊讶的是，最近的研究表明微生物群在致癌过程中起着重要作用，主要通过1）影响宿主细胞增殖和死亡，2）改变免疫系统活性，3）影响宿主代谢。

口腔微生物群 。研究人员发现，以口腔微生物群失调为特征的牙周炎与口腔、胰腺、泌尿生殖和胃肠道癌症的发生和发展有关。Farrell等人在一项回顾性病例对照研究中发现胰腺癌患者和健康受试者的唾液微生物群之间存在显著差异。在癌症患者中，与健康受试者相比， N. elongate 和 S. mitis 的水平显著降低，而 G. adiacens 的水平则升高。Michaud等人进行的一项前瞻性队列研究表明，与抗体水平低的人相比，牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）抗体水平高的个体患胰腺癌的风险增加了两倍。同样，Fan等人表明牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）与更高的胰腺癌风险相关，而梭杆菌（ Fusobacteria ）与降低的风险相关。研究表明，与正常组织相比，在食管癌组织中的连翘曲霉（ T. forsythia ）、牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）和具核梭杆菌（ F. nucleatum ）的丰度更高。这项研究建议口腔微生物群可通过诱导慢性炎症和产生癌代谢物来促进癌变。由于许多细菌具有相似的致癌机制，我们以牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）为例介绍其发病机制。口腔鳞状细胞癌(OSCC)是头颈部最常见的癌症。第一，牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）的存在已被证明会通过调节组织完整性和宿主免疫反应来增加OSCC的风险。Cao等人认为，牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）可以与TLR4受体结合，进而激活NF-κB通路并过度刺激下游JAK1/STAT3信号通路，抑制细胞凋亡。TLR被认为是响应微生物成分的主要传感器并引发免疫反应。所有TLR信号通路最终都会激活NF-κB通路，而该通路可以控制多种炎症细胞因子的表达。第二，研究表明牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）可以通过干扰细胞周期调节来刺激上皮细胞的增殖。据Kuboniwa等人报道，牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）可以影响涉及细胞周期蛋白、p53和PI3K的信号通路。细胞周期蛋白是CDK复合物的亚基，可调节细胞周期的进展，从而调节增殖。p53是一种在癌症病因中得到充分证实的肿瘤抑制基因。p53的激活可导致细胞周期停滞和凋亡，因此p53的突变或功能丧失可能导致细胞生长失控。此外，牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）已被证明与调节细胞增殖和肿瘤发生的关键蛋白β-catenin相互作用。Wnt/β-连环蛋白信号通路是一种涉及许多人类疾病的多功能通路。Wnt/β-catenin通路的异常激活导致细胞中β-catenin的积累，从而上调包括CyclinD-1和c-Myc在内的癌基因的表达。Zhou等人表明牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）可通过牙龈蛋白酶依赖性蛋白水解加工诱导β-连环蛋白的非典型活化和β-连环蛋白破坏复合物的解离。第三，牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）可能通过增加IL-8、TGF-β1和TNF-α在内的细胞因子水平来诱导慢性炎症。IL-8和TGF-β1可通过上调基质金属蛋白酶来增强肿瘤细胞的侵袭性。TNF-α可通过产生活性氧(ROS)或活性氮(RNS)中间体导致基因突变，并诱导上皮-间质转化，从而刺激肿瘤血管生成。最后，牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）可以产生乙醛和氧自由基等癌代谢物。已知这些代谢物的积累会促进慢性炎症并导致DNA损伤和突变，进而导致癌症发展。最近的研究还表明，口腔微生物群的肠道定植会导致包括致癌在内的多种健康问题。具核梭杆菌（ F.  nucleatum ）是一种牙周病原体，已在结直肠癌(CRC)中得到广泛研究。通过比较癌症和邻近的正常组织，发现具核梭杆菌（ F.  nucleatum ）在肿瘤组织中显著富集，并可能通过增加肿瘤多样性和选择性聚集肿瘤浸润性骨髓细胞来促进CRC发展。

呼吸道微生物群 。呼吸道微生物群和癌症的焦点主要集中在肺癌上。曾经被认为是无菌的肺在整个呼吸道中被不同的微生物群定植。在健康个体中，肺中的核心微生物是假单胞菌属（ Pseudomonas ）、链球菌属（ Streptococcus ）、普氏菌属（ Prevotella ）、梭杆菌属（ Fusobacterium ）、嗜血杆菌属（ Haemophilus ）、韦荣氏菌属（ Veillonella ）和卟啉单胞菌属（ Porphyromonas ）。在系统评价中，Perrone等人总结，与健康个体相比，肺癌患者的放线菌属（ Actinomyces ）、韦荣氏菌属（ Veillonella ）、链球菌属（ Streptococcus ）、巨球菌属（ Megasphaera ）和分枝杆菌属（ Mycobacterium ）的水平更丰富。此外，Gomes等人报道生存最差的鳞状细胞癌亚群与几种肠杆菌科的细菌相关。另一项研究表明，与对照组不同，肺癌患者的微生物群中链球菌含量较高，表明它可能是一个诊断标志物。有趣的是，Peter等人发现肿瘤组织微生物群与肺癌复发之间没有关系，而邻近正常组织中有较高的微生物丰富度和多样性则与较差的结果相关。尽管潜在的致癌机制尚未完全阐明，但肺部微生物群的失调会增加炎症和宿主免疫调节，这是与癌症相关的两个重要途径。Jin等人报道，微生物群通过激活肺驻留的γδT细胞诱导与肺腺癌相关的炎症，从而促进肿瘤细胞的增殖。有趣的是，先前的研究表明，γδT细胞能够识别癌细胞并启动抗癌活性，这主要与细胞毒性和干扰素-γ的产生。因此，免疫系统如何对肺部微生物作出反应尚无定论。在上皮细胞模型中，接触链球菌（ Streptococcus ）、普雷沃氏菌（ Prevotella ）和韦荣氏菌（ Veillonella ）会导致PI3K和ERK1/2信号通路上调，从而介导细胞增殖、分化和存活。PI3K/Akt/mTOR 是最重要的细胞信号通路之一，也是公认的癌症介质。。通过基因突变、PTEN失活或上游癌基因的激活会激活PI3K/Akt/mTOR通路，有助于肿瘤的发展和对治疗的抗性。同一研究小组使用体内非小细胞肺癌小鼠模型表明，微生物群失调会导致PI3K/AKT、ERK/MAPK、IL17A、IL6/8上调和炎性小体信号通路正调控，表明微生物群可以促进肺癌的发病机制。

肠道微生物群 。越来越多的证据表明，肠道微生物群与CRC的发生和进展有关。研究表明，肠道菌群失调可引发与致癌作用间接相关的炎症和免疫反应。Grivennikov等人报道，微生物产物可诱导上皮屏障恶化，引发由肿瘤引发的炎症和驱动CRC的启动和发展。这表明肠道微生物群可以通过影响某些信号通（包括E-cadherin/β-catenin、TLR4/MYD88和SMO/RAS/p38MAPK）来促进CRC发展。Chen等人研究表明共生菌和病原菌通过以下方式促进CRC进展：1)利用肿瘤表面屏障缺陷，2)侵入正常结肠组织并诱导局部炎症，以及3)产生遗传毒性代谢物从而诱导结肠上皮细胞的致癌转化。其特征在于，导致CRC的主要细菌是粪肠球菌（ E. faecalis ），大肠杆菌（ E. coli ），脆弱拟杆菌（ B. fragilis ），牛链球菌（ S. bovis ），具核梭杆菌（ F. nucleatum ）和幽门螺杆菌（ H. pylori ）。这些细菌能够产生导致宿主DNA损伤的基因毒性物质，例如大肠杆菌素、脆弱拟杆菌（ B. fragilis ）和伤寒毒素。例如，在几项CRC研究中对肠道具核梭杆菌（ F. nucleatum ）进行了评估。与健康对照相比，CRC患者的黏膜和粪便样本中具核梭杆菌（ F. nucleatum ）的丰度显著升高。这些研究还表明具核梭杆菌（ F. nucleatum ）可以侵入CRC肿瘤细胞，从而推测具核梭杆菌（ F. nucleatum ）可能影响肿瘤发生。

3糖尿病

糖尿病（DM）是指影响血糖调节的一组疾病。糖尿病可分为1型糖尿病（T1DM）、2型糖尿病（T2DM）和妊娠糖尿病（GDM）。T1DM是由针对胰腺β细胞的自身免疫反应引起的，而T2DM的特征是使身体无法正常产生或利用胰岛素。GDM是最常见的妊娠并发症之一，与母体和胎儿代谢紊乱的风险增加有关。微生物群与DM之间的关系已被广泛研究，微生物群失调与DM发病之间的相关性已得到充分确定。

1型糖尿病 。在T1DM中，由于与慢性炎症和免疫反应密切相关，微生物群是一个有吸引力的研究领域。在多项研究中，T1DM患者的口腔和粪便微生物群的组成似乎不同。Groot等人发现粪便样品中富含 Christensenella 和双歧杆菌（ Bifidobacteria ）。口腔链球菌（ Streptococcus ）与T1DM呈正相关，而粪便链球菌（ Streptococcus ）与T1DM呈负相关。此外，T1DM患者可能表现出产生SCFA丁酸盐的细菌水平降低，这是减少慢性炎症和维持肠道内稳态的关键因素。这一发现得到了其他病例对照研究的支持，这些研究表明，T1DM患者的 R. faecis ， F. prausnitzzi 和肠单胞菌（ Intestinimonas ）水平显著低于健康对照组。然而，与其他细菌报告的结果不一致，需要进一步研究。有趣的是，Vatanen等人分析了TEDDY研究的数据，结果表明健康儿童含有更多与SCFA发酵和合成相关的基因与特定分类群没有显著关联。因此，T1DM相关微生物因子可能在分类学上是分散的，但在功能上是一致的。T1DM微生物群的研究主要在动物模型中进行，因此，致病机制需要在人体中进一步验证。Suzuki等人在1987年首次介绍T1DM的发展可能依赖于微生物群。微生物群主要通过免疫反应调节来促成T1DM。T1DM被定义为一种由朗格汉斯胰岛慢性炎症引起的自身免疫性疾病。由于微生物群参与慢性炎症的发生，因此其失调可能导致T1DM也就不足为奇了。Higuchi等人报道，T1DM患者的血浆IL-6水平显著高于健康对照组，这与瘤胃球菌科（ Ruminococcaceae ）和瘤胃球菌（ Ruminococcus ）的丰度有关。Leiva-Gea等人也报道，T1DM患者的促炎细胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α水平升高，抗炎细胞因子IL-10和IL-13水平降低，这与不同细菌显著相关。此外，观察到LPS水平上调，而LPS会诱导促炎细胞因子的释放并损害胰腺β细胞。临床数据显示，T1DM患者的TLR2和TLR4配体水平显著升高，表明TLR2和TLR4活性增加。如上所述，TLRs在先天性和适应性免疫中发挥重要作用，保护身体免受感染性微生物的侵害。在小鼠模型中进一步评估了TLR4的作用。Elke等人研究表明，TLR4加速了糖尿病的发展，提示TLR4参与了胰岛炎的发展。TLR4/MyD88通路调节NF-κB的活动和促炎细胞因子如IL-6和TNF-α的水平。Wen等人研究了MyD88阴性的非肥胖糖尿病小鼠，发现缺乏MyD88蛋白的小鼠不会发展为T1DM。总的来说，微生物群可能通过TLR4/MyD88信号通路促进T1DM的进展。

2型糖尿病 。在T2DM方面，肠道微生物群与疾病发展有关。大量研究证实，T2DM患者的肠道菌群组成发生了改变。Larsen等人报道，与对照组相比，T2DM患者中厚壁菌门（ Firmicutes ）和梭状芽孢杆菌（ Clostridia ）的丰度显著降低。此外，拟杆菌门（ Bacteroidetes ）与厚壁菌门（ Firmicutes ）的比例、拟杆菌门（ Bacteroides ）-普雷沃氏菌群（ Prevotella ）与 C.coccoides-E.rectale 的比率与血糖水平呈正相关。Almugadam等人研究结果表明，T2DM患者中产生SCFA的细菌镰状杆菌（ Facalibacterium ）和罗氏菌属（ Roseburia ）的丰度显著降低。降糖药物能够改善肠道微生物群的多样性和丰富度，并让有益细菌丰富肠道生态系统。肠道微生物群导致T2DM的潜在分子机制可能包括调节炎症、肠道通透性和葡萄糖代谢。通常，T2DM与促炎分子水平升高有关。LPS已被充分证明可促进低度炎症。多项研究表明，T2DM患者外周循环中的LPS水平升高。LPS可与TLR4结合，触发巨噬细胞聚集并激活NF-κB信号通路。这种相互作用导致炎症因子释放，从而抑制胰岛素的分泌。肠道微生物群可以将初级胆汁酸代谢成次级胆汁酸。次级胆汁酸与法尼醇X受体结合并释放成纤维细胞生长因子FGF19/15，能够促进胰岛素敏感性和葡萄糖耐量。因此，肠道菌群失调可能通过影响葡萄糖代谢导致胆汁酸代谢异常。肠道微生物群的另一类重要代谢物是SCFA。研究表明，SCFAs通过多种信号通路在介导葡萄糖代谢和胰岛素敏感性方面发挥重要作用。例如，SCFA可以与小肠L细胞上的游离脂肪酸受体FFAR2或FFAR3结合，刺激可以促进胰岛素分泌并减少胰高血糖素的胰高血糖素样肽1(GLP-1)和肽YY的释放。丁酸盐可以保护肠道屏障的完整性，但T2DM患者的肠道屏障可能因低度炎症而受损。此外，SCFA是重要的抗炎介质，可通过促进调节性T细胞的产生来限制自身免疫反应。因此，产生SCFA的细菌丰度降低可能有助于T2DM的发展。

口腔微生物群也可能在T2DM中扮演角色。口腔细菌可以转移到肠道，改变肠道微生物群的组成并可能介导免疫反应。一些研究已经确定了T2DM患者和健康对照之间口腔微生物群组成的显著变化。有趣的是，Xiao等人报道，T2DM诱导口腔微生物群组成发生变化，增加IL-17水平。通过转移到GF小鼠，DM修饰的口腔微生物群更具致病性，表明DM可以增加牙周病的风险和严重程度。

妊娠糖尿病 。在GDM中，几项研究报告称，肠道微生物群在怀孕期间介导胰岛素抵抗力和炎症。代谢紊乱常见于GDM女性，包括胰岛素抵抗增强和胰岛素分泌下调。在怀孕期间，GDM发生的过程中，肠道菌群的组成发生了很大的变化。例如，已发现胰岛素与柯林斯氏菌（ Collinsella ），胃肠道多肽与粪球菌属（ Coprococcus ）和脂肪因子与瘤胃球菌科（ Ruminococcaceae ）和毛螺菌科（ Lachnospiracea e）之间呈正相关。此外，Koren等人表明肠道微生物群从妊娠早期到晚期发生了多样性增加和丰富度降低的变化。研究表明，GDM孕妇的厚壁菌门（ Firmicutes ）与拟杆菌门（ Bacteroidetes ）的比例增加，这是促进肥胖和加重炎症的重要因素。与健康对照组相比，产生SCFA的细菌的丰度显著降低，表明血糖水平升高可能是由微生物群改变引起的。研究还表明，GDM母亲后代的肠道微生物群组成与非GDM母亲的后代不同。Ponzo等人报道，GDM婴儿的促炎细菌丰度高于健康对照组。其他研究证实了这一发现，即与对照组相比，GDM婴儿的α-多样性较低，某些乳酸菌的丰度可能受到孕产妇GDM状况的影响。因此，肠道微生物群可能在GDM的发展中发挥关键作用，也可能影响GDM婴儿。

4呼吸疾病

呼吸系统疾病是一组影响肺部和呼吸系统其他部位的疾病，包括慢性疾病（哮喘和慢性阻塞性肺病(COPD)、肺纤维化）和肺炎。大量研究表明，口腔、肺和肠道微生物群与呼吸系统疾病的发展有关。在本节中，我们将讨论主要发现中表明的微生物群与呼吸道疾病发展之间的联系。

慢性呼吸道疾病 。COPD和哮喘是最常被诊断出的两种慢性呼吸道疾病。COPD被定义为一种疾病状态，其特征是存在与慢性支气管炎或肺气肿相关的气流受限。哮喘是一种异质性慢性气道炎症综合征，其特征是支气管对环境诱因的高反应性以及包括喘息、气短和胸闷在内的症状。越来越多的数据表明，肺部微生物群积极参与慢性呼吸道疾病的发展。肺部微生物群的组成在患者和健康个体之间是不同的。使用16s rDNA测序技术研究发现哮喘患者有更高细菌载量和多样性，其中变形菌门（ Proteobacteria ）的丰度增加，拟杆菌门（ Bacteroidetes ）和厚壁菌门（ Firmicutes ）的丰度降低。此外，Woerden等人在哮喘患者和对照组的痰液样本中发现了不同模式的真菌，特别是厚皮马拉色菌（ Malassezia pachydermatis ）。然而，对真菌的研究有限且仍无定论。其他研究发现，在COPD恶化期间，假单胞菌属（ Pseudomonas ）、莫拉菌属（ Moraxella ）、乳酸杆菌属（ Lactobacillus ）和嗜血杆菌属（ Haemophilus ）的丰度发生了变化。最近的研究还发现了肺纤维化与病毒和细菌感染之间的潜在关系。一项临床试验报告说，肺纤维化的发展与特定的葡萄球菌（ Staphylococcus ）和链球菌（ Streptococcus ）有关。肺部微生物群引起的慢性炎症可能是慢性呼吸道疾病发生的关键过程。在哮喘患者中，变形菌门（ Proteobacteria ）与高反应性和Th17/IL-17介导的炎症有关。流感嗜血杆菌（ H. influenza ）是哮喘患者中最分离的病原体，可诱导类固醇耐药性中性粒细胞过敏性气道疾病。Alnahas等人表明 Proteobacterium M catarrhalis 可以通过在小鼠模型中触发以中性粒细胞浸润、高水平的IL-6和TNF-α以及中等水平的干扰素(IFN)-γ和IL-17为特征的强烈免疫反应来夸大过敏性气道疾病。此外，Garcia-Nuñez等人报道称，支气管微生物变形菌可能会诱发慢性炎症和预测疾病的严重程度。这些研究强调肺部微生物群失调可能是与慢性呼吸系统疾病的发展有关。

肠道微生物群是促炎和自身免疫反应的有效调节剂，可导致不同的炎症相关疾病。多项研究已将从生命早期肠道微生物群的失调到生命后期哮喘风险增加联系起来，称为肠-肺轴。慢性呼吸系统疾病中的肠-肺轴已被广泛研究和验证。因为肠道微生物群在免疫细胞成熟和病原体抵抗中起重要作用，所以早期肠道微生物群失调可能导致呼吸系统疾病的发展。事实上，Roussos等人和Rutten等人表明患有慢性胃肠道疾病的患者患哮喘和慢性阻塞性肺病在内的慢性呼吸道疾病的患病率较高，但其机制仍不清楚。Sprooten等人报道，COPD急性加重患者的GI通透性增加，这表明肠道微生物群助力了病情的加重。另一项研究表明，肠道微生物群依赖性循环TMAO水平的增加与COPD患者的全因死亡率相关。Arrieta等人发现在有哮喘风险的儿童中，韦荣氏菌属（ Veillonella ）、粪杆菌属（ Faecalibacterium ）和毛螺菌属（ Lachnospira ）的丰度显著降低。这表明肠道细菌代谢物可能通过其免疫调节作用导致哮喘。例如，Roduit等人报道，SCFA水平高的儿童在后期患哮喘的可能性较小。SCFA已被证明可促进外周调节性T细胞生成，并改善过敏性哮喘模型中的炎症。除细菌代谢物外，提示归巢特性改变的淋巴细胞可能导致哮喘。在正常情况下，淋巴细胞被认为对它们首次遇到抗原的部位表现出组织特异性。然而，来自IBD患者的肠道淋巴细胞缺乏组织特异性，这可能是肠道以外的器官出现炎症的原因。Huang等人报道，在来自IL-25的炎症信号后，先天淋巴细胞从肠道聚集到肺部。有趣的是，一些数据表明肠-肺轴可能具有双向的相互作用。Perrone等人表明，肺炎在小鼠中诱导肠上皮细胞凋亡并减少肠上皮细胞增殖。

口腔微生物因其连续的解剖结构和微吸而与慢性呼吸系统疾病有关。早期研究发现口腔和肺部微生物群之间存在显著相似性，而鼻腔微生物群与肺部微生物群的相似性较低。据推测，口腔微生物群可能通过吸气和全身炎症导致慢性呼吸道疾病。口腔细菌吸入肺部可能会导致肺部微生物群失调和炎症。Segal等人报道，支气管肺泡灌洗液样品中的口腔细菌韦荣氏球菌属（ Veillonella ）和普雷沃氏菌属（ Prevotella ）的富集与亚临床炎症有关，其特征是中性粒细胞和淋巴细胞增加。一项RCT表明，哮喘患者的支气管微生物组中独特地富含两种牙周病原体，梭杆菌属（ Fusobacterium ）和卟啉单胞菌属（ Porphyromonas ）。在慢性呼吸道疾病中也检测到许多与牙周炎相关的炎性细胞因子。Aaron等人报道，COPD患者的痰液中TNF-α升高。大量研究表明，TNF-α可以刺激肺部组织中的ROS的产生，并伴有各种粘附和促炎分子如VCAM-1、ICAM-1和RAGE。TNF-α可以聚集中性粒细胞和嗜酸性粒细胞，也被认为在哮喘中发挥促炎细胞因子的作用。牙周炎与高水平的全身炎症标志物有关，例如CRP和IL-6。Jousilahti等人报道，CRP水平与哮喘患病率显著相关。然而，口腔-肺轴尚未完全了解，值得进一步研究。

肺炎 。正常的呼吸道和肠道微生物群通过防止病原菌定植和调节免疫反应来预防肺炎。因此，呼吸道微生物群的失调被认为是肺炎的危险因素也就不足为奇了。

上呼吸道是下呼吸道微生物的主要来源。最近，研究人员表明，鼻腔微生物群多样性的减少会增加对肺炎的易感性。特别是，以乳酸杆菌（ Lactobacilli ）、罗氏菌（ Rothia ）和链球菌（ Streptococcus ）为主的三种微生物群谱与肺炎显著相关。在新生儿中，S. pneumonia ， H. influenza 和 M. catarrhalis 定植气道与肺炎和细支气管炎风险增加有关。关于下呼吸道微生物群，研究表明，普雷沃菌属（ Prevotella ）和韦永菌属（ Veillonella ）的丰度增加会导致HIV患者易患肺炎。此外，微生物群失调导致的免疫反应改变可能会增加肺炎的风险。例如，产生SCFA的细菌失调可能导致肺炎的发展。Segal等人表明肺部SCFAs与厌氧菌增加相关。事实上，SCFAs通过抑制IFN-γ和IL-17A途径对免疫反应具有直接抑制作用。在细菌感染期间，中性粒细胞迅速迁移到肺实质和肺泡。中性粒细胞释放的IFN-γ调节细菌清除，因此IFN-γ的水平对于肺炎期间的宿主防御至关重要。同样，Th17细胞及其标志性IL-17A信号传导是针对肺炎的重要免疫反应。在感染期间，IL-17A作用于非免疫细胞，触发抗菌蛋白、细胞因子和趋化因子的释放，从而在微生物感染期间增强先天免疫。通过抑制IFN-γ和IL-17A途径，它允许肺部细菌繁殖并加重炎症。Salk等人报道，流感特异性lgA的产生与乳酸杆菌（ Lactobacillus ）、普氏菌（ Prevotella ）、韦荣氏菌（ Veillonella ）、拟杆菌（ Bacteroide ）和链球菌（ Streptococcus ）的水平显著相关。有趣的是，最近的研究表明，共生微生物在肺炎的发展中发挥关键作用。最近，全球大流行COVID-19已成为呼吸道疾病的主要研究领域。新兴数据现在将COVID-19死亡率与微生物群失调联系起来。Fan等人研究了20名已故COVID-19患者的肺部微生物群特征。结果表明肺部微生物群失调的特征是不动杆菌属（ Acinetobacter spp.）的丰度增加，这与多药耐药性和死亡率有关。此外，隐球菌属（ Cryptococcus ）是肺部真菌群落中的优势真菌，与伊萨氏菌属（ Issatchenkia ），枝孢菌属（ Cladosporium ），念珠菌属（ Candida ）等齐名。Han等人报道，COVID-19可能会导致肺部微生物群严重失调，尤其是随着产酸克雷伯菌（ Klebsiella oxytoca ），普氏栖粪杆菌（ Faecalibacterium prausnitzii ）和粘滑罗斯菌（ Rothia mucilaginosa ）的丰度增加。Segal等人研究表明，口腔细菌唾液支原体（ Mycoplasma salivarium ）在下气道富集与不良临床结果相关。然而，死亡率增加与继发性呼吸道病原体之间没有显著联系。

在研究肺炎-微生物群相互作用时，肠道微生物群是另一个主要课题。Suhuijt等人发现肠道微生物群扮演者一个保护角色来抵抗肺炎链球菌（ S. pneumoniae ）感染。与对照组相比，肠道微生物群下降的C57BL/6小鼠的肺炎链球菌（ S. pneumoniae ）感染表现出细菌传播、炎症、器官损伤和死亡率增加。此外，肠道微生物群的下降与代谢途径的上调有关，导致对炎性细胞因子的反应降低。根据Felix等人研究表明共生肠道分段丝状细菌保护免疫缺陷小鼠免受肺炎链球菌（ S. pneumoniae ）感染。细菌很可能促进肺中性粒细胞的表型从炎症转变为促消退，这类似于热灭活的肺炎链球菌（ S. pneumoniae ）治疗。最近的数据还表明，肠道微生物群组成可能反映COVID-19患者的疾病严重程度。在COVID-19患者中，观察到几种肠道共生体的丰度降低，包括双歧杆菌（ Bifidobacteria ）、直肠真杆菌（ Eubacterium rectale ）和普氏粪杆菌（ Faecalibacterium prausnitzii ）。肠道菌群失调与疾病严重程度呈正相关，即炎症细胞因子和血液标志物（如CRP、天冬氨酸氨基转移酶和乳酸脱氢酶）水平的升高。因此，与慢性呼吸道疾病不同，肠-肺轴可以通过调节免疫反应为宿主提供额外的保护来抵抗肺炎。

5炎症性肠病

IBD是一种慢性和缓解性胃肠道炎症，包括克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)的多种诊断。UC被称为结肠的持续性、弥漫性和浅表性炎症，而CD的特征是影响胃肠道不同区域的不连续、跨壁病变。。

尽管IBD的发展是由于复杂的多因素机制，但一些风险因素已被广泛研究，并且现在有据可查。IBD的发病机制涉及免疫反应失调、基因突变和环境因素。肠道屏障在维持体内平衡中起重要作用；屏障功能障碍可能导致溃疡。具体而言，如果不分泌抗菌肽(AMP)或紧密连接蛋白，肠道屏障就会容易受到病原体侵袭。在遗传易感个体的初始疾病期间，免疫反应发生改变，导致对肠道抗原的免疫耐受性丧失。这随后会刺激辅助T细胞的分化以及趋化因子和促炎细胞因子的释放，从而诱发肠道的慢性炎症。除了免疫失调，遗传因素也参与决定IBD的发展。例如，与CD相关的基因突变包括核苷酸寡聚结构域2(NOD2/CARD15)、免疫相关GTPase家族M(IRGM)和自噬相关16-like1(ATG16L1)的多态性。

研究表明，肠道微生物群与IBD的发展高度相关。从机制上讲，微生物群失调通过对炎症和肠道屏障的影响从而与IBD相关。如前所述，微生物群失调可诱发慢性炎症，这与癌症、糖尿病和心脏病等多种疾病的发展有关。重要的是，这假设了微生物群可以与肠道屏障相互作用并导致IBD。例如，Kleessen等人报道，在IBD患者中检测到的细菌侵入黏膜比在对照组中更多。还有报道称，CD患者中粘附侵袭性大肠杆菌（ E. coli ）的丰度显著增加，这表明病原菌可能会影响肠道的渗透性，肠道微生物群的组成，最后导致肠道炎症。在健康个体中，主要的门是厚壁菌门（ Firmicutes ）和拟杆菌门（ Bacteroidetes ），其次是变形菌（ Proteobacteria ）和放线菌（ Actinobacteria ）。大量研究表明，IBD患者和健康对照者的肠道微生物群组成不同。例如，IBD患者中拟杆菌门（ Bacteroidetes ）与厚壁菌门（ Firmicutes ）的比例降低，而γ-变形杆菌的丰度增加。保护性和正常细菌拟杆菌门（ Bacteroidetes ），真杆菌（ Eubacterium ）和乳酸杆菌（ Lactobacillus ）在CD和UC患者中显著减少。一项荟萃分析研究表明，螺旋杆菌（ Helicobacter ），而不是肠道幽门螺杆菌（ H. pylori ）感染，与IBD显著相关。值得注意的是，虽然许多研究提供菌群失调与IBD之间的联系，但其因果关系仍有待确定。菌群失调可能被认为是对肠道炎症引起的环境变化的反应。真菌和病毒在IBD中的可能作用也正在研究和验证中，但迄今为止尚未建立任何联系。

虽然大多数研究都集中在肠道微生物群上，但口腔微生物群随着口腔-肠道轴的特点而受到关注。Kitamoto等人表明口腔来源的致病菌和致病性T细胞能够在肠道中转移和定植，导致牙周炎小鼠模型中的IBD。Derrien等人得出的结论是，口腔和胃肠道中的细菌保持着密切的关系，支持了口腔-肠道轴的概念。最近，She等人的一项荟萃分析证明了牙周炎与IBD显著相关，但机制尚未确定。Kimura等人的另一项研究表明，在IBD患者的唾液微生物群中，拟杆菌门（ Bacteroidetes ）的丰度显著增加，同时变形菌门（ Proteobacteria ）的减少。他们还发现炎性细胞因子水平与链球菌（ Streptococcus ）、普氏菌属（ Prevotella ）、韦荣氏菌属（ Veillonella ）和嗜血杆菌属（ Haemophilus ）的丰度之间存在显著相关性，这表明口腔微生物群失调与IBD患者的炎症反应之间可能存在关系。Vavricka等人实施的病例对照研究表明，与健康对照组相比，CD患者的牙周炎和牙龈炎标志物水平均有所增加。尽管这些研究已经建立了口腔疾病与IBD之间的关联，但有关IBD口腔微生物群的数据仍然有限，需要进一步调查。

6脑部疾病

众所周知，大脑的神经精神和神经退行性疾病以及许多其他合并症是导致不同人群死亡率显著的原因。多年来的广泛研究表明，微生物多样性通过调节与这些疾病发展相关的因素在脑疾病中起作用。来自一项荟萃分析研究的数据例子表明，抑郁症是导致相对死亡风险增加的原因，特别是比非抑郁症患者高出约1.86倍。微生物群诱导的HPA轴过度活跃和炎症也被证明与引发抑郁症有关。

神经精神疾病 。肠道菌群被认为通过肠-脑轴介导神经元行为方面发挥着至关重要的作用。临床前研究已经确定，肠道菌群会影响不同动物模型中的认知表现、重复行为和社会互动。关于肠道的合理假设之一，微生物群参与影响神经元疾病的描述是压力诱导的肠道通透性，允许内毒素进入血液循环，从而引发免疫反应。这种外周炎症通过促进神经毒素进入大脑以及通过阻碍神经递质系统还可以影响精神健康。虽然没有研究肠道细菌影响神经精神疾病的直接机制，但许多研究认为，肠道引起的压力在肠道微生物组的破坏和其他各种因素导致的抑郁、焦虑和其他心理障碍有着至关重要的作用。最近，Jiang等人已经证明，与来自健康对照组的粪便样本相比，来自重度抑郁症患者的粪便样本中的拟杆菌门（ Bacteroidetes ）、变形菌门（ Protobacteria ）和放线菌（ Actinobacteria ）增加，而厚壁菌门（ Firmicutes ）减少。据报道，厚壁菌门（ Firmicutes ）中某些科的表达减少，例如毛螺菌科（ Lachnospiraceae ）和瘤胃球菌科（ Ruminococcaceae ），与压力引起的行为变化有关。一些细菌属如 Roseburia 、 Blautia 、 Lachnospiraceae 和 Ruminococcaceae 与SCFA（负责屏障完整性）的合成和抗炎特性有关。人们认为，肠道微生物群的多样性与情绪相关的行为，尤其是抑郁症之间存在广泛的相关性。

作为主要的脑部疾病，抑郁症和焦虑症均受到压力调节的HPA轴通路的影响，该通路被认为受到肠道微生物群组成的强烈调节。使用GF小鼠模型的表观遗传学研究表明，GF小鼠在与对照小鼠相比，大脑系统中的基因表达，特别是在皮层、小脑、纹状体和海马区域有显著的不同。有人认为，肠-脑轴可能受到应激激素的调节和神经元回路建立的影响。基于这一初步发现，与野生型对照相比，许多研究调查了在GF小鼠中观察到的实质性变化。据报道，在GF大鼠的纹状体中，去甲肾上腺素、多巴胺和血清素等神经递质水平升高，而在GF大鼠的额叶皮层、纹状体和海马中发现多巴胺能转换减少。少量研究发现，使用GF小鼠模型表明，与对照组相比，GF小鼠大脑系统中的几个脑区脑源性神经营养因子和神经生长因子诱导蛋白A减少，突触素和突触后密度(PSD-95)蛋白增加。在自闭症谱系障碍(ASD)方面，几项临床前研究报告称，肠道菌群失调会导致ASD小鼠模型的神经发育发生显著变化。在自闭症儿童和对照组之间进行比较时，发现像梭菌属（ Clostridium ）和瘤胃球菌（ Ruminococcus ）等物种存在差异。Adams等人表明，胃肠道不适症状与儿童自闭症的严重程度相关。Kang等人进行的一项小型试点研究，对被诊断患有自闭症谱系障碍的儿童使用粪便移殖标准化肠道菌群，可以增强胃肠道功能并降低行为ASD评分。

神经退行性疾病 。最近，来自各种研究的越来越多的证据强调，肠道菌群在阿尔茨海默病(AD)、脑血管中风(CVS)、帕金森病(PD)和精神分裂症等各种神经系统疾病进展中的重要性。很明显，肠道微生物通过对宿主先天免疫的影响参与大脑功能的调节。还发现群落组成因新生儿分娩方式而异。阴道分娩的新生儿被来自母体生殖道的微生物群定植，与剖宫产分娩的新生儿相比，异质性更强。剖宫产分娩的新生儿表现出较少的脑电活动，这得到使用剖宫产大鼠的体内研究的支持，其中，这些大鼠表现出青春期前皮质和海马发育的改变。

PD的症状前阶段，在ENS和迷走神经背侧运动核中观察到α-突触核蛋白介导的路易体病理学。使用16s rRNA测序分析了总共38个人类粪便样本，显示细菌组成存在显著差异，例如 Blautia ， Faecalibacterium 和 Ruminococcus 减少，而 Escherichia-Shigella ， Streptococcus ， Proteus 和 Enterococcus 增加。Li等人在中国进行的一项研究中发现，PD患者中不同分类群的显著多样性与健康对照组相比，例如普雷沃泰拉（ Prevotella ），阿克曼氏菌（ Akkermansia ）的增加和乳酸杆菌（ Lactobacillus ）丰度降低。这些物种在影响肠道稳态的和谐方面发挥着重要作用，例如，阿克曼氏菌（ Akkermansia ）的数量增加被证明是导致肠道通透性增加和促进病原体进入的原因。某些普雷沃菌属（ Prevotella ）物种水平的增加与肠道粘膜层中的粘蛋白合成和SCFAs的产生有关，这些物质被证明可以介导在PD小鼠模型中的神经炎症。然而，另一项研究报告说，与健康对照组相比，PD患者中普雷沃菌属（ Prevotella ）的丰度降低，这导致需要进行额外的研究或更大的样本量来了解普氏菌及其家族在PD进展中的具体作用。人口基因型、饮食和生活方式的差异子集可能是在该报告中这种差异的潜在原因。AD的病理特征是存在淀粉样蛋白-β斑块和基于细胞内tau的神经原纤维缠结(NFT)。Vogt等人的研究报告中表明，与健康对照组相比，AD患者的微生物组多样性显著降低。特别是在这项研究中，在AD组中厚壁菌门（ Firmicutes ），放线菌（ Actinobacteria ）   （双歧杆菌 Bifidobacterium 的成员）以及拟杆菌门（ Bacteroidetes ）和变形杆菌门（ Proteobacteria ）的增加。厚壁菌门（ Firmicutes ）和双歧杆菌（ Bifidobacterium ）的减少已被很好地研究与T2DM和炎症的关系，并被确定为AD的主要危险因素。在对患有认知障碍的老年人进行的一项研究中，发现炎症性肠道细菌类群与高水平的炎症细胞因子有关，包括IL-6、TNF-α、CXCL2、NLRP3和脑淀粉样变性。在同一项研究中，随着 Escherichia / Shigella 数量的增加，观察到促炎细胞因子水平增加。某些致病细菌菌株如弓形虫（ Toxoplasma ）和肺炎衣原体（ Chlamydiaceae pneumoniae ）的定植也被认为在AD中的慢性神经炎症和NFT中作用。

CVS是一种主要的神经系统疾病，与神经系统缺陷和认知功能障碍相关，会导致残疾和死亡。急性大脑中动脉闭塞引起的中风小鼠模型显示，小鼠中的拟杆菌门（ Bacteroidetes ）多样性减少但生长增加，而正常肠道微生物群的粪便移植使脑损伤引起的生态失调正常化并改善中风结果。另一项使用小鼠的临床前研究表明盲肠的微生物群有着显著的变化，例如普氏菌科（ Prevotellaceae ）和消化球菌科（ Peptococcaceae ），前者是小鼠微生物群的核心部分，尽管它们在人类中的功能尚未确定。此外，在中风前经历压力可能会增加细菌从肠道到血液的转移，引起免疫反应。尽管在加强肠道微生物群参与协调神经元和谐的想法方面进行了大量研究，但仍需要更多的研究来确定靶向特定微生物群在治疗这些疾病中的临床益处。

脑部疾病中的口腔和呼吸道微生物群 。口腔微生物群是神经系统疾病发展的另一个关键因素，因为口腔健康维护不当会影响牙齿、舌头或牙龈下复杂群落的生长。Hicks等人报道称，唾液微生物组分析显示ASD（通常是发育迟缓的儿童）和非发育迟缓的儿童群体之间存在很大差异。在一项与抑郁症相关的研究中，基于1S rRNA基因的下一代测序被用于分析与年轻人相比的抑郁症患者的唾液细菌组成；它已显示出多样化，但重要的是，在抑郁的个体中观察到黑普氏菌（ Prevotella nigrescens ）和奈瑟菌（ Neisseria ）增加。吸烟和饮酒是导致口腔微生物群失调和促进病原菌生长的两个主要因素。一项荟萃分析研究表明，饮酒酒精与AD的发病机制相关，并且在这些患者中，厚壁菌门（ Firmicutes ）的水平显著降低，而拟杆菌属（ Bacteroides ）的水平则升高。在一项关于PD的横断面病例对照设计研究中，发现大约16个细菌科在早期PD患者改变。其中，对双歧杆菌科（ Bifidobacteriaceae ）、酵母菌科（ Saccharomycetaceae ）和乳酸杆菌科（ Lactobacillaceae ）的变化在PD发展中的作用进行了广泛研究。一项包含68名AD患者和对照组的研究报告了两种特定分类群巴斯德氏菌科（ Pasteurellaceae ）和 Lautropia mirabilia 的丰度差异，发现它们与轻度认知障碍有关。此外，在78名患者中进行的另一项研究显示，与健康对照组相比AD患者唾液中莫拉菌属（ Moraxella ）、纤毛菌属（ Leptotrichia ）和 Sphaerochaeta 相对丰度增加，而罗氏菌属（ Rothia ）减少了。不幸的是，关于呼吸道微生物群在神经系统疾病中的作用的研究报道并不多，并且呼吸道微生物群的研究仍处于起步阶段。尽管正在广泛研究许多神经系统疾病中微生物生态失调的亲和力，但目前还没有将微生物环境的变化与这些疾病的发病机制联系起来的金标准。需要更多针对微生物组的临床前和临床研究，以了解微生物组与几种脑部疾病发展的关联程度和复杂性。

7慢性肾脏疾病

全球约有9%的人口患有慢性肾脏病(CDK)。糖尿病、高血压和心脏病等合并症被认为是CKD的一些主要危险因素。CKD在生理上被认为是肾小球滤过率下降(GFR) < 60 ml/min/1.73 m 2 或存在3个月或更长时间的蛋白尿。在CKD患者中观察到的主要特征是肾功能的逐渐丧失和不可逆的肾结构变化。

肠 -肾轴通讯和肠道微生物群 。一直在研究微生物生态系统的差异，因为它们参与CKD的进展。最近，口腔微生物群在介导慢性全身炎症失调中的作用被广泛研究。据报道，影响口腔微生物群的疾病（如牙周炎）通过增加全身炎症间接影响CKD。基于生物标志物的人体研究报告称，存在升高的牙周病原体物种（如牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）、齿垢密螺旋体（ T. denticola ）、 S. noxia 、伴放线放线杆菌（ A. actinomycetemcomitans ）和小韦荣球菌（ V. parvula ））与危害肾功能有关。Bastos等人报道称，较高频率的白色念珠菌（ Candida albicans ），牙龈卟啉菌（ P. gingivalis ），连翘曲霉（ T. forsythia ）和齿垢密螺旋体（ T. denticola ）与CKD患者慢性牙周炎的发展有关，从而表明口腔微生物群的变化与CKD之间存在双向关系。一项针对患有牙周炎的CKD患者的大型10年队列研究显示，这些患者的死亡率从32%上升到41%。然而，目前还缺乏数据对口腔微生物在CKD发病机制中的作用进行可靠的证实。

肠-肾轴功能基于相互关联的代谢和免疫途径。代谢途径主要集中于肠道微生物群产生的代谢物，这些代谢物介导宿主生理功能，而免疫途径依赖于其他几种成分，如单核细胞、淋巴细胞和细胞因子，促进肠道和肾脏之间的交流。最近，肠道微生物环境中的生态失调导致CKD引起了人们的关注，因为这意味着肠道和肾脏系统之间存在交叉功能的影响。许多研究将肠道微生物群的定性和定量变化与CKD和终末期肾病(ESRD)的发病机制联系起来。然而，没有确凿的证据证实CKD患者肠道微生物群发生改变。蛋白质吸收增加、膳食纤维摄入量减少、肠道转运减慢以及经常口服铁补充剂和抗生素等因素导致肠道微生物环境发生改变，从而导致全身炎症和尿毒症毒素的积累。炎症和尿毒症毒素都极大地促进了CKD和CKD相关并发症的发展。Vaziri等人表明肾功能的持续丧失会加剧CKD和ESRD患者的肠道菌群失调。一项比较健康受试者与CKD患者的粪便样本之间的比较研究表明，CKD患者的放线菌门（ Actinobacteria ）和阿克曼氏菌（ Akkermansia ）属的丰度降低，而后者与调节IL-10的水平有关，表明其在全身炎症中的重要性。另一项使用73名受试者进行的临床研究确定了CKD与对照组之间的31种系统型差异，这些系统型如拟杆菌属（ Bacteroides ），副拟杆菌属（ Parabacteroides ），活泼瘤胃球菌（ R. gnavus ）， R. torques ， Flavonifractor ， Weissell ， Ruminiclostridium ， Erysipelatoclostridium ， Eggerthella 和 Sellimonas 在CKD患者中占主导地位。与对照组相比，ESRD患者的放线菌门（ Actinobacteria ），变形菌门（ Proteobacteria ）和厚壁菌门（ Firmicutes ）增加，双歧杆菌（ Bifidobacteria ）和乳酸杆菌（ Lactobacilli ）减少。另一项研究表明，肠道的变化微生物群也被证明通过增加肠道衍生的尿毒症毒素（如硫酸吲哚酚、胺、氨、对甲酚葡糖苷酸(PCG)、对甲酚硫酸盐(PCS)和TMAO）在CKD患者中的积累，从而促进炎症和氧化应激的重要因素。饮食干预也是导致尿毒症毒素翻译后修饰的另一个变量，间接促进CKD进展。富含纤维的饮食是结肠细菌发酵的主要贡献者，CKD患者通常采用低纤维摄入饮食来限制钾摄入量。一项荟萃分析研究报告称，三分之一的CKD患者表现出较高水平的致病菌，如大肠杆菌（ E. coli ）和肠杆菌属（ Enterobacter ），而轻度CKD患者中产生尿毒症毒素的细菌增加。使用4α3型胶原蛋白(Col4a3)缺陷小鼠进行的体内研究证明，尿毒症与肠道菌群失调和肠道屏障功能障碍有关，导致在尿毒症CKD中持续的全身性炎症。对CKD患者进行的人体研究表明，一般来说PCS和PCG水平较高，且PCS水平比PCG高约200倍。Mutsaers等人已经证明PCS和PCG影响肾小管功能，同时影响MRP4（PCS和PCG）和BCRP（PCG）转运蛋白的活性。体内研究表明，给予PCS的大鼠以50 mg/kg的剂量持续4周诱导肾小管细胞损伤。各种体外研究也表明，硫酸吲哚酚负责诱导肾小管细胞的炎症和促纤维化反应。在CKD患者中，TMAO水平升高与心血管疾病、全身炎症和死亡率的风险预测增加有关。一项使用CKD患者样本的试验研究显示，与非CKD患者相比，CKD患者的血浆TMAO水平更高。由于肠道通透性增加，细菌和细菌产物从肠腔转移到血液，从而加剧了持续的低度炎症。还观察到某些微生物群代谢物（如丁酸盐和维生素K）的水平降低，这些代谢物具有肾脏保护作用。这些研究表明，在肾脏疾病的进展和发病机制中，微生物群中的菌群失调会导致肠道-肾脏系统通讯的各种障碍。

8慢性肝病

肝病仍然是全球发病率和死亡率的主要原因之一。非酒精性脂肪性肝病/非酒精性脂肪性肝炎(NAFLD/NASH)和酒精性肝病(ALD)是最常见的慢性肝病，通常会导致肝硬化和癌症。NAFLD包括从良性脂肪变性到脂肪性肝炎的肝细胞炎症和损伤的广泛肝损伤。ALD可能表现为慢性疾病状态（脂肪变性、脂肪性肝炎、纤维化或肝硬化）或急性受累（酒精性肝炎）。肝硬化是所有慢性肝病的终末期，其特征是组织纤维化和正常肝脏结构向异常结节的转变。最近的研究表明，口腔和肠道微生物群在慢性肝病发病机制中的作用。

肝病中的肠道微生物群 。由于肝脏分泌胆汁酸进入胆道并通过门静脉接受血液供应，越来越多的证据支持双向的肠-肝轴。因此，肠道菌群可能通过门静脉将病原体或代谢物输送到肝脏，从而促进肝脏疾病的发生。目前，关于肠道菌群失调与肝脏疾病之间关系的临床资料还很有限。Mouzaki等人报道，与健康对照相比，NASH患者的拟杆菌属水平较低。Raman等人表明肥胖NAFLD患者肠道菌群的组成发生了变化。粪便微生物组分析显示乳酸杆菌（ Lactobacillus ）和厚壁菌门（ Firmicutes ）的某些成员丰度增加。Wong等人报道，粪便中的副拟杆菌属（ Parabacteroides ）和艾里森氏菌（ Allisonella ）的丰度增加，但粪杆菌（ Faecalibacterium ）和厌氧孢子杆菌（ Anaerosporobacter ）的丰度水平降。在肝硬化患者中，Chen等人表明，与健康对照相比，拟杆菌门的丰度显著降低，而变形杆菌门和梭杆菌门的丰度增加。然而，肝病肠道微生物群的研究主要在临床前研究中进行。需要更多的证据来证明生态失调是导致肝脏疾病还是疾病状态的结果。

研究人员假设了几种将肠道微生物群与肝脏疾病联系起来的机制，包括调节胆汁酸代谢、肠道通透性、慢性炎症和免疫反应。肠道微生物群通过将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸，在胆汁酸代谢中发挥着重要作用。其中，脱氧胆酸是一种主要的次级胆汁酸，已被证明通过产生ROS来激活NF-κB应激反应通路。最近的研究已经确定了ROS和NF-κB信号通路之间的串扰。虽然高的ROS水平通常会导致细胞损伤，但NF-κB途径可促进细胞增殖。所以，脱氧胆酸可能通过促进ROS的产生来诱导细胞毒性，同时激活NF-κB途径以允许受损细胞抵抗凋亡。因此，微生物群失衡可能影响胆汁酸的动态平衡，导致NAFLD/NASH等慢性肝病的发病。此外，肠道微生物群参与胆碱的代谢，肠道微生物群的缺乏通常会导致肝脂肪变性。有多种机制可以解释胆碱缺乏和肝脏疾病，包括1）胆碱耗竭期间DNA损伤的积累，2）胆碱缺乏肝细胞中的自由基，以及3)由于肝细胞死亡而诱导炎症反应。Spencer等人表示伽玛变形杆菌（ Gammaproteobacteria ）和芽胞菌（ Erysipelotrichi ）的丰度与胆碱缺乏诱导的脂肪肝显著相关。肠道通透性受损导致肠道细菌及其成分的易位，而这与慢性肝病有关。例如，在ALD和肝硬化中，革兰氏阴性菌结构元素LPS被认为在门静脉中升高。从机制上讲，Seki等人描述了在LPS结合后，TLR4上调趋化因子分泌并下调TGF-β假受体Bambi以增强TGF-β信号通路。该研究还表明LPS的作用是由MyD88-NF-κB依赖性途径介导的，如MyD88缺陷小鼠的肝纤维化减少。肠道微生物群介导的慢性炎症和免疫激活是多种疾病发病机制的核心。最近的研究还提出了NAFLD/NASH发展中的这种机制。总之，目前的研究强调了肠道微生物群在肝病中的潜在作用，但需要进一步研究来证实它们的关系。

肝病中的口腔微生物群 。正如在其他疾病中提到的，已经证明口腔微生物或其代谢物能够侵入身体的其他部位。虽然牙周病和肝病之间的相关性尚未确定，但最近的研究表明牙周细菌可能参与NAFLD、NASH和肝硬化的进展。根据Yoneda等人报道，牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）（最常见的牙周病原体之一）可能会影响小鼠模型中 NAFLD/NASH的发病机制。此外，他们发现与对照组相比，牙龈卟啉单胞菌（ P. gingivalis ）感染主要在NAFLD患者中观察到。临床数据也支持牙周炎可能是NAFLD/NASH进展的危险因素的观点。

从机制上讲，这一过程可能归因于许多因素，包括促炎介质、氧化应激和病原体入侵。牙周细菌及其代谢物（LPS、肽聚糖等）迁移到体循环中通常被TLRs识别，这导致T细胞和促炎细胞因子、趋化因子和ROS/RNS的激活。正如Acharya等人所建议的那样，这可能表明炎症通路中的口腔-肠-肝轴。他们提出肠道通透性受损的肠道可能充当口腔微生物群和肝脏之间的中间体。因此，细菌和代谢物进入体循环后，可以到达肝脏并与肝细胞和肝巨噬细胞固有的TLR结合，从而诱发炎症并引起肝脏疾病。Silva Santos等人观察到肝硬化患者除了牙周炎外还表现出多种口腔疾病，例如念珠菌病、口干症和瘀点。此外，口腔微生物群的生态失调被认为促进了由乙型肝炎病毒(HBV)引起的慢性肝病的发病。HBV相关的口腔细菌，包括梭杆菌（ Fusobacterium ）、真杆菌（ Eubacterium ）和密螺旋体（ Treponema ），可能作为机会性病原体侵入并导致肠道菌群失调，进而参与肝脏疾病的形成。

微生物群和疾病治疗

随着对微生物群的逐渐了解，通过操纵微生物群来治疗疾病的潜力引起了人们的关注。由于人体肠道涉及广泛的生理功能，微生物的调节有望预防或治疗相应的疾病。因此，越来越多的临床试验正在研究这种可能性（图5a）。大多数关注粪便微生物群移植（FMT）疗效的临床试验是关于各种疾病的。由于艰难梭状芽孢杆菌（ C.Difficile ）感染、癌症和IBD的试验数量最多，我们还总结了来自pubmed的数据（补充表S1）。如图5b、c所示，与安慰剂治疗相比，IBD和艰难梭状芽孢杆菌（ C.Difficile ）感染中的FMT治疗显示出显著的反应率。同样，益生菌作为癌症患者的辅助治疗也显示出最佳结果（图5d）。需要注意的是，虽然反应率是有希望的，但这些试验主要是小样本的试点研究。此外，完全反应的潜在机制需要进一步研究以优化实验设计和个性化处理。饮食以及健康的生活习惯被认为是肠道微生物群的主要短期和长期调节剂。如图6所示，本节将介绍针对肠道微生物群的最新临床干预措施，包括微生物群调节、FMT和细菌工程。我们还将讨论临床环境中的药理学的微生物群-药物相互作用。

图 5. 目前按地区和研究阶段划分的微生物群相关临床试验数量。数据更新至2021年10月

图 6. 改变肠道微生物群以治疗疾病的策略

1微生物群调节

益生菌和益生元 。一般来说，益生菌和益生元是微生物群调节研究中最受欢迎的话题。它们经常被用作一种膳食补充剂的临床干预口服给药。剂型和宿主的差异被认为是影响益生菌和益生元有效性的主要因素。益生菌通过占据宿主组织和防止病原菌定植来恢复微生物的失调和维持肠道微生物平衡。广泛的研究表明益生菌在疾病治疗中的潜在机制，包括不同益生菌菌株和黏膜免疫系统的差异，调节宿主代谢或改变肠道神经肌肉功能。然而，临床数据不足以支持其作用。几项临床试验否认了益生菌在癌症治疗中的益处。重要的是，肠道屏障受损和/或免疫系统受损的患者可能存在益生菌易位。一些已发表的病例报告将益生菌的负面影响与菌血症、真菌血症、心内膜炎、肝脓肿和肺炎等疾病联系起来，这迫使我们思考益生菌的实际效果。

益生元最近在2017年被重新定义为“一种被寄主微生物有选择地利用并有益于健康的底物”。益生元最初用于研究益生菌的刺激作用。最著名的益生元是菊粉、低聚果糖(FOS)、乳果糖和低聚半乳糖(GOS)。益生元主要用于调节产生乳酸和乙酸的双歧杆菌（ Bifidobacterium ）和乳酸杆菌（ Lactobacillus ），并通过发酵益生元来维持宿主的健康。研究证实，服用益生元可以刺激肠道中益生菌的选择性富集，从而调节免疫反应和预防病原体。虽然一些基础研究已经证实，益生元可以通过模仿微绒毛的糖缀合物来抑制病原体的定植，甚至直接作用于肠道以调节免疫，但益生元作为一种临床干预仍有待商榷。Belcheva等人表明补充益生元/丁酸盐可以促进由于个体遗传变异而导致的肿瘤进展。他们的研究结果表明丁酸盐作为一种致癌代谢物发挥作用，而大量研究报告则认为丁酸盐是作为肿瘤抑制代谢物。事实上，丁酸盐对正常和癌性结肠细胞表现出不同的影响。在结肠癌细胞中，丁酸盐的代谢程度低于正常细胞，因此作为HDAC抑制剂积累从而抑制细胞增殖并诱导细胞凋亡。本研究中观察到的差异可能由于宿主遗传背景、年龄和其他细菌代谢物的存在。此外，该研究是在小鼠模型中进行的，因此向人类的转化需要进一步研究。

Sasaki等人表明产生益生元的转葡萄糖苷酶可以降低T2DM患者的高血糖水平并抑制体重增加。由于益生菌和益生元价格便宜且易于处理，它们经常用于AD患者的护理。长期补充富含双歧杆菌（ Bifidobacterium ）和乳酸杆菌（ Lactobacillus ）的牛奶可改善AD患者的学习和记忆力。在CRC治疗中，一些益生菌菌株可作为有益的辅助治疗剂，例如多基因和多菌株益生菌，包括 B. breve ， B. infantis ， B. longum ， L. acidophilus 。最近对肠道炎症性疾病的研究表明，益生菌可能对UC和储袋炎有一定的疗效，但对CD的影响不大。尽管益生菌在NSAID肠病和IBS中的疗效存在争议，但补充益生菌可能会显著降低轮状病毒腹泻的发生率。这是因为研究人群、益生菌的类型以及剂量和随访时间在临床研究之间差异很大。同样，由于数据有限，合生素和FMT治疗显示出有争议的结果。在心脏病方面，一项体内研究表明，在冠状动脉结扎前，用益生菌和含有植物乳杆菌（ Lactobacillus plantarum ）299v的益生元治疗的大鼠可以减少梗塞面积并改善左心室功能。Gan等人表明在补充鼠李糖乳杆菌（ Lactobacillus rhamnosus ）GR-1后，在大鼠心肌缺血模型中证明了类似的心脏保护结果。此外，通过益生菌调节肠道微生物群可能是预防肺部疾病的潜在治疗策略。益生菌被认为对COVID-19治疗具有一些积极的影响。例如，Chen等人表明益生菌可以通过抗炎作用减少COVID-19引起的过度炎症。然而，Bafeta等人对384项RCT进行系统评价发现，已发表的RCT评估益生菌、益生元和共生通常缺乏或不足。因此，如果没有足够的安全数据，就无法确定这些干预措施的安全性。

抗生素 。抗生素给药是控制肠道微生物群组成的最常用方法。研究人员发现，抗生素对肠道微生物群的调节可改善高脂肪喂养小鼠的胰岛素信号。在一项对黑色素瘤和肺癌模型的研究中，万古霉素可通过增加CD8+T细胞浸润和IFN-γ表达来增强小鼠放疗诱导的抗肿瘤反应。许多研究表明，抗生素可以预防癌症发展或减弱肿瘤增殖。例如，Bullman等人表明甲硝唑治疗可以根除梭杆菌属（ Fusobacterium ）的定植并改善CRC的进展。结果表明，梭杆菌属（ Fusobacterium ）在CRC肿瘤细胞的远端转移中保持定殖，说明原发肿瘤和转移肿瘤之间具有稳定的微生物组组成。此外，减少梭杆菌属（ Fusobacterium ）负荷的抗生素治疗也抑制了癌细胞增殖和肿瘤生长。因此，这一发现表明微生物群调节（如抗生素干预）对微生物相关癌症患者的潜力。然而，我们不能排除广谱抗生素可能对健康的肠道微生物群产生负面影响的可能性，因此针对特定细菌使用抗菌剂非常重要。同时，抗生素也显示出作为免疫疗法的潜力。在转移性小鼠模型中，肠道微生物群的抗生素消耗可通过引发抗肿瘤免疫反应来抑制肿瘤生长。研究人员研究了抗生素对胰腺癌、CRC和黑色素瘤肿瘤生长的影响。发现口腔微生物群消耗的肠道微生物群显著降低了所有肿瘤模型中的肿瘤生长。有趣的是，在缺乏成熟B细胞和T细胞的Rag-1KO小鼠中未观察到抑制作用，这表明该作用可能依赖于宿主免疫。事实上，机制研究表明，肠道微生物群耗竭导致产生IFγ的T细胞显著增加，而产生IL-17A/IL-10的T细胞减少。此外，肠道微生物群耗竭导致效应T细胞浸润到胰腺肿瘤中。先前的研究表明，由于效应T细胞浸润低，免疫检查点抑制剂未能拮抗胰腺癌。因此，抗生素治疗与常规免疫治疗一起作为辅助治疗可能是有益的。在早期胃癌患者中，阿莫西林与克拉霉素联合根除幽门螺杆菌（ H. pylori ）可降低异时性胃癌的发生率，改善胃腺萎缩程度。

尚存争议的是，虽然抗生素可以有效地消灭病原体或有害细菌，但其非选择性抗菌作用可能会杀死共生微生物，导致另一种生态紊乱。它还可能损害癌症免疫疗法的功效并导致治疗抵抗。Vétizou等人证明CTLA-4阻断的功效与小鼠和患者的T细胞对脆弱拟杆菌 （ B. fragilis ）反应有关。此外，虽然GF小鼠对CTLA-4阻断没有反应，但引入脆弱拟杆菌 （ B. fragilis ）能够克服这一缺陷。因此，本研究表明微生物群在触发对免疫治疗的反应中的有着关键作用，并且探索是否其他细菌也有类似的功能是有意义的。Hernández等人报道，与未经治疗的个体相比，接受抗生素的受试者表现出更好或不平衡的糖合成代谢能力。临床研究表明，抗生素与CRC发展风险的增加密切相关，尽管这一结果可能会受到混杂适应症的影响。例如，与癌症患者相比，免疫缺陷患者更容易受到需要抗生素处理的细菌感染。尽管围绕抗生素的使用存在争议，但不应低估其在微生物群调节方面的潜力。随着现代测序方法的发展，我们可以更全面地了解抗生素对微生物群落的影响，从而为抗生素的使用带来新的活力。

2粪菌移植

FMT是指将来自供体的粪便溶液引入受体的肠道以治愈疾病的方法。最早记载于4世纪的中国的FMT治疗将直接改变接受者的微生物组成。使用粪菌移植治疗疾病最突出的结果是复发性艰难梭菌感染(rCDI) 的治疗，据报道治愈率接近90%。2013年，FMT被FDA批准用于治疗rCDI。FMT方法包括使用鼻肠管、胃镜检查和结肠镜检查，均具有不同的功效。Laniro等人进行的荟萃分析表明胶囊FMT的总体反应率超过90%，并且是微创的。

迄今为止，已经发表了100多篇FMT治疗rCDI的病例报告和临床试验；大多数报告对与rCDI相关的腹泻有高分辨率。多项荟萃分析证实FMT优于标准抗生素治疗。他们还表明，对于rCDI患者，FMT是一种安全的治疗方法。与只有31%效率的传统治疗的万古霉素相比，FMT治疗的累积有效率为94%。FMT治疗的临床缓解率在UC的RCT研究中约为36-37%。FMT在癌症、糖尿病、ASD、多发性硬化、动脉粥样硬化和高血压、移植物抗宿主病、帕金森病、肝性脑病和NAFLD的治疗中也得到广泛研究。尽管这些治疗显示出有希望的结果，但它们是在临床前模型中进行的研究，或者样本量太小。因此，在得出进一步结论之前，需要进行广泛的研究

目前，针对FMT提出了多种机制，包括：1)FMT可通过直接生态竞争刺激病原微生物去定植，并增强宿主对病原体的抵抗力；2)通过FMT重新填充肠道微生物群有助于恢复免疫功能，并减少由胃肠道异常微生物定植引起的宿主损伤；3)FMT促进用于宿主代谢的必需代谢物的恢复，包括SCFA、抗菌肽、细菌素和胆汁酸。FMT在很大程度上是安全的，而大型研究报告主要是轻微的、短期的不良反应。特定的高危人群主要是免疫功能低下的患者。但这种疗法仍然面临许多挑战。例如，关于供体筛查的标准化，如果考虑到感染的风险，合格的粪便捐赠者则通常很少见。从供体的选择到FMT治疗后的给药途径和动态监测，整个FMT过程都需要使用个性化的方法来发挥其全部潜力。因此，FMT未来的发展方向可能是精准医疗。

3工程肠道细菌

大多数与人类共存的细菌是非致病性的。现代DNA技术的进步使工程细菌用于疾病治疗成为可能。基于传统的基因工程方法，工程益生菌已被用于治疗结肠炎、糖尿病、肥胖症和大量病原体感染。詹氏乳杆菌（ Lactobacillus jannaschii ）（女性阴道的一种常规菌群）被修饰后，可以分泌HIV-抗性青霉素-N蛋白。这种工程细菌已被证明可以将恒河猴的HIV感染减少63%。有不同类型的工程细菌用来治疗疾病，例如合成免疫调节蛋白、趋化反应系统和蛋白质递送系统。

利用基因工程技术打造的“智能益生菌”为益生菌的应用注入了活力。它比天然益生菌具有更好的功效。例如，表达人Trefoil因子1（一种参与上皮伤口愈合的细胞肽）的乳酸乳球菌已被配制成漱口水，用于治疗口腔粘膜炎。工程乳酸乳球菌的联合疗法已用于T1DM治疗的临床试验。此外，分泌抗炎细胞因子IL-10的工程乳酸乳球菌（ Lactococcus lactis ）菌株在CD中显示出临床益处。肠道激素GLP可诱导上皮细胞中的胰岛素产生。Duan等人报道，一种工程化分泌GLP-1的格氏乳杆菌（ Lactobacillus gasseri ）可以将肠道细胞重新编程为分泌胰岛素的细胞。

细菌可以绕过与传统癌症化学疗法的低选择性和有限的肿瘤穿透性相关的问题，并且可以经过精细工程以感知和响应肿瘤微环境。第一种策略是利用天然细菌的细胞毒性杀死癌细胞。例如，梭菌属（ Clostridium ）和沙门氏菌（ Salmonella ）在小鼠模型中表现出抗癌作用。细菌在肿瘤组织中的积累会诱导中性粒细胞浸润和抗肿瘤免疫反应。这种反应也在1期临床试验中观察到，该试验将改良的沙门氏菌（ Salmonella ）菌株施用于转移性黑色素瘤的患者。第二种策略是使用工程细菌直接表达抗癌剂或将真核表达载体转移到癌细胞中。通过这些方法，细菌可以1)产生细胞毒剂，如Cytolysin A以诱导癌细胞凋亡，2)传递细胞因子，如IL-2、TNFSF14，激活免疫细胞以消灭癌细胞，以及3)通过表达肿瘤抗原使免疫系统对癌细胞敏感。第三种策略是利用细菌将遗传物质转移到癌细胞。因此，它通过原位递送具有促凋亡活性的多肽、抗血管生成因子和细胞因子来刺激与促进肿瘤形成的机制的竞争。通过RNA干扰，细菌也被设计来沉默与肿瘤发展相关的重要基因的表达。例如，Xiang等人报道，大肠杆菌可以被设计成用编码短发夹RNA(shRNA)的质粒转染宿主细胞，该质粒可抑制过表达与多种癌症有关的连环蛋白beta-1。该疗法已被FDA授予用于治疗家族性腺瘤性息肉病的罕见药地位，目前正在进行临床试验，以分析其安全性和耐受性。

CRISPR等基因编辑技术拓宽了工程菌在微生物群调节中的应用。CRISPR正被用于开发新的抗菌策略。Hwang等人表明外切核酸酶CRISPR相关蛋白3(Cas3)可以被设计成一种益生菌，该益生菌具有有效杀死病原菌的能力。细菌蛋白分泌系统(T3SS)可以将蛋白质转移到受感染细胞的细胞质中。有了这个系统，工程菌可以将多肽疫苗或蛋白质携带到宿主细胞中，并将转录因子携带到细胞中。此外，微生物组的失调可导致细胞因子风暴，这可能与血管紧张素2(ACE2)的减少有关。基于此，Verma等人开发了一种表达和递送系统(LP)，使用益生菌物种 Lactobacillus piracies 作为活载体，用于口服递送人类ACE2。它提供了一种提高血清ACE2水平的同时纠正肠道微生物群失衡的新策略。但给定补充剂或药物影响微生物群-宿主界面的方式显然不足以应对复杂的人类环境。应考虑干预与宿主饮食、基因组、免疫系统和常驻共生体之间可能相互作用的范围。尽管T3SS和CRISPR等新技术的临床应用还需要更多的研究，但它们为未来的微生物治疗提供了更多的机会和可能性。

4肠道微生物群和药物反应

众所周知，主要以药代动力学(PK)和药效学(PD)特性为特征的药物反应可能因性别、年龄和遗传变异等因素而因个体而异。然而，直到最近，研究人员才发现微生物群作为药物反应的中介，强调了其在医学治疗中的作用。因为它是当前的研究重点，所以我们在此描述了肠道微生物群对调节药物影响的作用。

众所周知，肠道微生物群可以代谢多种物质，这可能对影响药物吸收产生潜在影响。特别是，口服药物在进入体循环之前在胃肠道中的稳定性会受到影响。Sousa等人总结了三十多种药物，均是远端肠道细菌酶的底物。最近，有人提出小肠微生物群也可能对宿主生理功能产生深远影响。因为小肠是药物吸收的主要场所，这一发现突出了潜在的药物-微生物群相互作用。事实上，许多研究报道了由肠道微生物群介导的药物PK的改变具有临床意义。例如，Sun等人报道，缺氧环境会影响肠道微生物群的组成，从而导致大鼠对阿司匹林的吸收增加。Matuskova等人发现同时口服益生菌大肠杆菌菌株Nissle 1917(EcN)会影响雄性大鼠中抗心律失常药物胺碘酮的PK。EcN增加胺碘酮代谢物的血浆水平，可能是由于增加药物吸收或CYP2C酶的活性，但在参考非益生菌菌株中未观察到。

Wallace等人表明来自大肠杆菌（ E. coli ）的β-葡萄糖醛酸酶可以将伊立替康代谢成肠腔中的活性代谢物SN-38，并在小鼠模型中损伤肠上皮细胞。Lindenbaum等人报道说，最广泛使用的强心苷地高辛可以转化为由迟缓真杆菌（ Eubacterium lentum ）（一种常见的肠道厌氧菌）产生的还原衍生物。同一研究小组报告了一项后续研究，表明施用抗生素红霉素或四环素能够显著降低地高辛水平，减少代谢物，且血清地高辛水平最多增加2倍。Wu等人建立了伪GF糖尿病大鼠模型，研究二甲双胍与肠道菌群的关系。他们发现二甲双胍的降血糖作用在肠道微生物减少组中降低了40%以上。此外，在没有肠道微生物群的情况下，二甲双胍的保肝作用显著降低。最近对IBD的研究表明，肠道微生物群可能影响IBD药物美沙拉嗪、甲氨蝶呤、硫鸟嘌呤和糖皮质激素的代谢。特别是硫鸟嘌呤可以通过肠道细菌转化为其活性形式，而无需宿主代谢。研究还表明，微生物群可以通过调节细胞色素P450酶和UDP葡萄糖醛酸转移酶来影响宿主代谢。有趣的是，Klünemann等人最近的一项研究，建立了多种新的细菌-药物相互作用，其中一半以上归因于生物蓄积，细菌可以在没有化学修饰的情况下储存药物，从而改变宿主药物反应的现象。尤其是秀丽隐杆线虫（ Caenorhabditis elegans ）对抗抑郁药度洛西汀的行为反应被唾液链球菌（ S. salivarius ）等生物蓄积性细菌减弱。

大量数据证实，肠道微生物群可以对药物PK产生重大影响，进而影响临床环境中的药物反应。为了制定有效的治疗策略，需要更好地理解这种相互作用。

结论

经过数十年的研究，我们逐渐确立了微生物群在健康和疾病中的新作用。现在已经证实，微生物群几乎可以影响宿主的所有方面，而其失调与多种疾病有关。得益于先进的研究技术，我们能够进一步的研究微生物群如何维持人类健康并促进发病机制。然而，微生物群的研究主要集中在细菌成分上；真菌、病毒和其他微生物在健康和疾病中的作用在很大程度上仍然没有定论。此外，虽然在疾病状态下经常观察到微生物群失调，但微生物群的致病作用尚未确定。因此，该领域仍有许多问题有待解答。对这种宿主-微生物群关系的更深入了解使得基于微生物群疗法的发展成为可能，例如FMT和细菌调节。这些策略在治疗艰难梭菌（ C. difficile ）感染、糖尿病、炎症性肠病等方面取得了最佳临床效果。总而言之，我们现在可以通过操纵微生物共生体来更好地治疗疾病和促进健康。

原文 链接：https://www.nature.com/articles/s41392-022-00974-4