人体微生物组
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一、正常人体呼吸系统的解剖及生理

人体的呼吸系统由呼吸道和肺构成。其中呼吸道以喉部的环状软骨下缘为界分为上呼吸道和下呼吸道两部分。构成上呼吸道的主要有鼻、咽和喉,而下呼吸道主要包括从气管气道到肺内终末细支气管的整个气管树。气管和终末细支气管主要司职气体的正常传导,而肺内最末端的呼吸性支气管及肺泡主要参与气体的物质交换。肺脏位于人体胸膜腔内,是富有弹性的海绵样器官,上端位于锁骨后,称为肺尖;下端与膈肌相邻称为肺底;肺门是支气管、肺动脉、肺静脉、肺部神经及淋巴管进出的通道。

呼吸道和消化道、泌尿生殖道、外耳道一样,是人体重要的与外界相通的腔道,也是人体正常菌群寄生的场所。呼吸道的上皮组织既参与构成了细菌定植的场所,为正常菌群的生长提供了有利的生存内环境,同时也作为预防外源性致病菌感染及内源性机会感染的重要屏障。上、下呼吸道的上皮组织主要由假复层纤毛柱状上皮构成,纤毛摆动是呼吸道自净作用及预防外来病原体入侵的重要手段,炎症等病理状态下引起的纤毛功能障碍及结构缺失是造成外源致病菌感染和内源性机会感染的重要促进因素。同时,整个呼吸道,特别是下呼吸道还零星分布着黏液细胞、基底细胞、K细胞、Clara细胞等多种形态功能各异的细胞,这些细胞虽然不是构成屏障组织的主要成分,但却在保持呼吸道湿润、神经内分泌、细胞分化储备等方面发挥着重要作用,参与呼吸道内环境的稳定。在肺内,呼吸道逐步延伸为终末呼吸单位,此时随着气道的职能由气体传导逐步向气体交换转变,纤毛柱状上皮逐渐稀少直至演变为扁平细胞。而在肺泡内,上皮主要由Ⅰ型肺泡上皮细胞和Ⅱ型肺泡上皮细胞构成,前者是覆盖肺泡上皮及构成血气屏障的主要结构,后者分泌保障肺顺应性所必需的表面活性物质,同时作为Ⅰ型细胞的储备细胞。此外,肺内游走的吞噬细胞也起到肺泡内防御的作用。

人体在呼吸作用中吸入的空气是气体和诸多“颗粒”样物质的混合体,而在这些颗粒中含有一定量的微生物,因此呼吸道和消化道一样,也是正常菌群寄生和外来细菌入侵的主要场所之一。正常人体在呼吸运动的过程中,通过气管纤毛摆动的自净作用,以及呼吸道的特殊结构,特别是鼻甲骨、会厌、喉等解剖结构以及黏液的附着和主支气管树二分叉的折射作用阻挡了大量外来有害因子的入侵,同时通过黏膜局部的分泌性IgA以及人体的咳嗽反射等,保护呼吸道免遭外界有害因子的侵害。由于呼吸道保护作用的存在,呼吸道正常细菌的分布呈现一种极不均匀的状态。经典理论认为正常人体上呼吸道,诸如鼻腔、咽、喉等解剖部位有大量正常菌群寄生,而环状软骨以下的解剖位置接近于无菌状态。同时,在某些情况下,如:用力呼吸、急促呼吸、炎症所致鼻腔堵塞等,口腔也承担重要上呼吸道的气体传导的功能,因此,口腔菌群对于呼吸道菌群的影响亦然不容忽视。构成上呼吸道的菌属主要有链球菌属(Streptococcus)、奈瑟菌属(Neisseria)、罗氏菌属(Rothia)、嗜血杆菌属(Haemophilus)、假单胞菌属(Pseudomonas)和放线菌属(Actinomyces)等。而对于正常人体下呼吸道的菌群构成,由于普遍认为是无菌状态,因此鲜有文献记载。

学者Emily S.Charlson等在最新发表的文献中第一次比较系统地阐述了整个呼吸道(包括上呼吸道及下呼吸道)的微生物组分布特点。患者在进行吸入麻醉之后,以位于喉部的声门为界,在声门以上通过拭子取样,在声门以下右肺的中叶以及下叶的主支气管进行多点生理盐水灌洗取样,而左肺进行套管式支气管镜毛刷取样(该毛刷在经过上呼吸道时被包裹,在进入左肺后才伸出进行取样),因此从取样的方法上,他们在做到上、下呼吸道多点取样的同时也避免了取样物在经过上呼吸道时的细菌污染。在应用了对于细菌16S rRNA基因的实时定量PCR、广范围PCR以及454测序等一系列的定量研究手段,基本否定了“下呼吸道,特别是肺部处于无菌状态”这一传统的概念,他们认为整个呼吸道的微生物组存在以下特征:首先,对比其他人体解剖部位的微生物组特征,整个呼吸道存在着一个高度同源的微生物组(homogenous microbiota),上下呼吸道微生物组表现为“地貌连续性”(topographical continuity)。而相比于消化道的微生物组,从其起始端到末端,随着解剖部位的移行,微生物组的构成特点有明显的变化。因此,对于整个呼吸道而言,下呼吸道并不存在具有唯一性的微生物组结构,而仅仅是上呼吸道微生物组的一种延续。其次,所谓上下呼吸道的微生物组的差异只体现在生物量(biomass),而不体现在微生物组构成的特异性。因此,从上呼吸道到下呼吸道,虽然菌量逐渐减少,但是通过培养不依赖方法检出的上呼吸道细菌在下呼吸道同样可以检出。最后,下呼吸道的正常寄生菌很有可能是由于下呼吸道支气管以及微支气管的微抽吸作用(micro-aspiration)将上呼吸道过度生长的冗余菌(carryover bacteria)“吸”入下呼吸道定植的,这可能是下呼吸道不存在特征性的微生物组,仅仅是上呼吸道微生物组延续的原因所在。

最新的基于细菌16S rRNA基因V3高变区的焦磷酸测序技术的微生物组研究技术表明,人体呼吸道正常定植菌主要由5个菌门构成,分别是:厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形菌门(Proteobacteria)、梭杆菌门(Fusobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)。而这5个菌门在微生物组构成中所占比例也各不相同,大致的比例分别为:厚壁菌门41%、拟杆菌门27%、变形菌门15%、梭杆菌门7%、放线菌门5%。其中厚壁菌门占细菌总数的