鼻腔微生物组与环境暴露及呼吸道健康的关联研究

本研究系统探讨了青少年鼻腔微生物组与空气污染物（PM2.5、NO2、O3）、气象条件（温度、湿度、绿化指数）及呼吸道健康指标（哮喘、花粉症、肺功能等）的关联，首次通过多维度分析（α多样性、鼻型聚类、菌属丰度）揭示环境暴露通过微生物失调影响呼吸道健康的潜在机制，为呼吸疾病防治提供新视角。

　　

引言

慢性呼吸系统疾病是全球最常见的疾病之一，对患者生活质量产生重大影响，尤其在儿童群体中。哮喘是最常见的儿科慢性疾病，常与特应性体质、嗜酸性粒细胞增多、过敏合并症及对过敏原、病毒和空气污染物等多种因素的气道高反应性相关。呼吸道疾病患病率的持续上升支持了环境暴露在其发展中的关键作用，这在当前气候紧急情况下尤为重要。气温和空气污染的增加导致气传过敏原暴露增加和肺功能下降，尤其是在组织器官更易受影响的儿童中。

人体微生物组——栖息在人体内的微生物及其遗传组成——在呼吸道健康和过敏中发挥重要作用。气道和肠道微生物组通过调节免疫和炎症反应以及上皮屏障的完整性来促进呼吸道健康。微生物暴露还可以调节哮喘遗传变异的风险效应。鼻腔微生物组因其与肺部连续且作为气道第一线直接接触环境暴露的位置，在识别呼吸道健康非侵入性生物标志物和捕捉环境影响方面具有高度价值。

空气污染物是呼吸道疾病的主要风险因素，其吸入会诱导氧化应激、气道炎症和上皮屏障防御破坏。污染物可通过将环境微生物引入气道、抑制宿主免疫防御机制以及诱导气道微环境组织损伤促进某些细菌生长，从而引起呼吸道微生物组菌群失调。

研究方法

本研究分析了来自马萨诸塞州Project Viva出生队列研究的416名青少年（平均年龄13岁，52%为女性）。通过靶向测序16S核糖体RNA（16S rRNA）基因（V1-V3高变区）对鼻腔拭子进行微生物组分析。使用机器学习算法估算每日地面浓度的PM_2.5、NO₂、O₃以及环境温度和相对湿度，评估从采样前2天到过去一年不同时期的平均环境暴露。住宅绿度基于卫星衍生的归一化差异植被指数（NDVI）估算。

呼吸道健康评估包括哮喘、花粉症、喘息、总IgE血清水平、气传过敏原致敏（特异性IgE水平>0.35 IU/mL）、呼出气一氧化氮分数（FeNO）、支气管扩张剂前第一秒用力呼气量（FEV₁）、用力肺活量（FVC）、FEV₁/FVC比值和支气管扩张剂药物反应（BDR）。

统计分析包括通过回归模型测试环境暴露和呼吸道健康与α多样性（线性模型）、鼻型（多项模型）和细菌丰度（负二项模型）的关联，调整混杂因素并使用错误发现率（FDR）<5%进行多重比较校正。

研究结果

研究人群特征

研究样本包括416名青少年，平均年龄13.0岁，51.9%为女性。大多数自我认同为非西班牙裔白人（65.1%），其余为非西班牙裔黑人（16.1%）、西班牙裔（9.6%）或多个种族或其他种族（9.1%）。部分青少年有呼吸道和过敏性疾病史：26.7%曾患哮喘，12.9%当前患哮喘，20.6%患花粉症，11.3%有喘息，58.8%存在气传过敏原致敏。呼吸道生物标志物方面，FeNO平均值为22.8 ppb，总血清IgE平均值为115.6 IU/mL。

环境暴露特征

青少年暴露的环境空气污染物水平低于美国环境保护署（EPA）标准水平：过去一年PM_2.5平均浓度为7.2 μg/m³，NO₂为20.2 ppb，O₃为38.8 ppb。平均温度为3.7°C，平均相对湿度为66.1%。不同采样点的环境污染物和气象条件之间存在中度至高度相关性。

鼻腔细菌多样性关联

环境暴露

在未调整的相关性分析中，α细菌多样性（通过观察指数和香农指数测量）与短期至中期暴露（从过去2天到过去3个月）于空气污染物和气象条件显著相关。NO₂与α多样性指数持续正相关，而温度和O₃显示负相关。在调整后的回归模型中，NO₂暴露（过去一个月）与细菌丰富度正相关，而温度（过去一个月）与细菌多样性负相关。这些关联在调整社会经济地位（SES）因素的敏感性分析中仍然显著。

呼吸道健康

在调整后的回归模型中，有花粉症病史的个体显示通过丰富度和香农指数测量的细菌多样性增加。这一发现在调整SES因素后仍然显著。未观察到α多样性与其他呼吸道结局之间的任何其他关联。

鼻腔微生物组聚类关联

基于鼻腔微生物组谱将青少年分为六个不同的组，由特定细菌 dominance 定义：棒状杆菌（33.9%）、葡萄球菌（21.4%）、丙酸杆菌（20.9%）、葡萄球菌-链球菌（10.8%）、未分类奈瑟菌科（8.7%）和莫拉克斯菌（4.3%）。

环境暴露

短期暴露于O₃、温度和相对湿度（过去一周）与微生物组聚类分配可能性相关。成对比较显示，较低的O₃暴露和较高的温度和湿度暴露与拥有以莫拉克斯菌为主的微生物组比其他鼻腔微生物组谱的几率增加相关。未检测到绿度与微生物组聚类之间的关联。

呼吸道健康

气传过敏原致敏是唯一与聚类分配可能性相关的呼吸道结局。具体而言，与以丙酸杆菌为主的鼻腔聚类相比，以葡萄球菌为主的微生物组聚类与气传过敏原致敏正相关。

差异丰富细菌属分析

在至少10%的鼻腔样本中检测到48个细菌属。最丰富的属包括棒状杆菌（33.5%）、葡萄球菌（23.5%）、丙酸杆菌（16.7%）、未分类奈瑟菌科（4.7%）、惰性球菌（4.4%）、莫拉克斯菌（3.7%）和链球菌（3.2%）。

环境暴露

观察到13个独特细菌属与短期至中期暴露于PM_2.5、NO₂和/或温度之间存在19个显著关联。与NO₂检测到的关联数量最多，特别是过去一个月的中期暴露。这些包括与未分类瘤胃球菌科、未分类毛螺菌科、罗斯氏菌、戴阿利斯特杆菌、另枝菌属和粪杆菌的正相关，以及与葡萄球菌和棒状杆菌的负相关。

PM_2.5暴露（主要在过去3个月）与戴阿利斯特杆菌、罗斯氏菌、粪杆菌、另枝菌属和丙酸杆菌正相关，与嗜血杆菌负相关。最后，从过去2天到过去一个月的平均环境温度与类Pelomonas、假单胞菌、乳酸球菌和罗斯氏菌正相关。仅观察到四个细菌分类单元与绿度相关，但只有另枝菌属与90米分辨率NDVI的负相关在考虑SES后仍然显著。

呼吸道健康

发现12个独特细菌属与喘息、花粉症、FeNO、总IgE水平和/或肺功能（FVC和FEV₁/FVC z评分）存在14个关联。大多数显著关联检测到用于肺功能降低和纤毛菌、金氏菌、颗粒链菌和棒状杆菌丰度。FeNO是与较多细菌属相关的呼吸道特征，包括与粪杆菌的正相关和与未分类梭菌目、金氏菌和未分类巴斯德菌科的负相关。

此外，罗斯氏菌与花粉症正相关。罗斯氏菌和葡萄球菌分别与IgE水平和喘息相关，但这些关联在SES敏感性分析中保持边界显著。

总共六个细菌属与环境暴露和呼吸道健康显著相关。短期NO₂暴露与葡萄球菌和棒状杆菌负相关，这些菌分别与喘息和肺功能负相关。此外，四个与FeNO正相关的细菌属（类Pelomonas、乳酸球菌、未分类毛螺菌科和粪杆菌）显示与短期至中期暴露于NO₂、PM_2.5和/或温度正相关。

讨论

本研究首次系统检查鼻腔微生物组与呼吸道健康及多种短期至长期环境暴露的关联。在三个不同层面分析微生物组：多样性、鼻型和细菌属丰度。发现较高的细菌多样性与花粉症和短期NO₂暴露相关，而较低的多样性与较高的短期温度暴露相关。鼻腔微生物组以莫拉克斯菌为主的青少年暴露于较低的O₃水平和较高的温度和湿度。此外，与丙酸杆菌主导相比，葡萄球菌主导与气传过敏原致敏正相关。13个和8个细菌属的丰度分别与短期至中期暴露（PM_2.5、NO₂和/或温度）和呼吸道结局（花粉症、喘息、IgE、肺功能和FeNO）相关。葡萄球菌、棒状杆菌、类Pelomonas、乳酸球菌、未分类毛螺菌科和粪杆菌的丰度与环境暴露和呼吸道特征均相关。

短期NO₂暴露与更大的细菌丰富度和多样性相关，而O₃暴露和环境温度与较低的细菌多样性相关。花粉症与更大的鼻腔细菌丰富度和多样性相关。通过无监督聚类鼻腔微生物组，识别出以莫拉克斯菌为主的受试者组，他们更可能暴露于较低的O₃水平和较高的环境温度和相对湿度。识别出以葡萄球菌为主的鼻腔微生物组个体与气传过敏原致敏正相关。

研究检测到不仅整体微生物组谱差异，还有特定细菌属丰度差异。短期至中期暴露于PM_2.5、NO₂和温度与多达13个细菌属相关。罗斯氏菌和戴阿利斯特杆菌与这三个不同环境暴露在不同时期相关。此外，增加暴露于PM_2.5、NO₂和/或温度与鼻腔微生物群常见成员（如葡萄球菌、棒状杆菌或嗜血杆菌）负相关。

研究优势包括大样本量、广泛表征参与者、应用最先进统计方法控制微生物组混杂因素和多重测试。局限性包括横断面设计限制确定因果关系方向的能力、药物处方潜在混淆、需要在其他独立人群中复制以及16S rRNA测序限制。

总之，短期至中期暴露于空气污染（NO₂、PM_2.5和O₃）、温度和湿度，以及呼吸道健康的表型和生物标志物（花粉症、喘息、气传过敏原致敏、IgE、肺功能和FeNO）与鼻腔微生物组在多样性、微生物群落结构和细菌属丰度差异方面相关。未来研究应确定微生物组变化是否可能介导环境暴露对呼吸道健康的影响。