生命早期呼吸道菌群与免疫共发育机制揭示：细菌失调通过单核细胞特征关联喘息发生

《SCIENCE ADVANCES》：Bacterial communities co-develop with respiratory immunity early in life, linking dysbiosis to systemic monocyte signature and wheezing

本研究针对早期微生物定植影响呼吸道疾病风险的机制不明问题，通过对256名婴儿的前瞻性出生队列进行上呼吸道细菌、真菌和病毒群落分析，并结合局部和系统性免疫基因表达纵向评估，揭示了生命早期细菌群落（而非真菌或病毒）与免疫发育的强相关性，以及细菌失调（如流感嗜血杆菌和莫拉菌富集）通过局部和系统性单核细胞相关基因特征与喘息发生的特异性联系，为呼吸道疾病的早期干预提供了潜在靶点。

　　

出生标志着包括呼吸道在内的黏膜表面微生物定植的开始，早期的微生物群落定植对呼吸道疾病风险有着重要影响，然而其中的具体机制却一直不甚清晰。为什么有些婴儿会出现喘息，甚至后续发展为哮喘？生命最初几个月里，呼吸道里微小的细菌、真菌和病毒居民，是如何与人体庞大的免疫系统互动，从而塑造长期的呼吸健康？这些问题困扰着科学家和临床医生。以往的研究多聚焦于细菌群落，而对真菌和病毒在稳态条件下的作用，以及它们如何与局部和系统性免疫反应协同演变，则知之甚少。理解这些复杂的相互作用，对于早期识别高风险儿童和开发预防策略至关重要。

为了深入探究生命早期宿主-微生物相互作用如何塑造呼吸道免疫发育并可能影响喘息 pathogenesis（发病机制），一个国际研究团队在《SCIENCE ADVANCES》上发表了他们的最新研究成果。研究人员利用了来自英国“共同呼吸”（Breathing Together）前瞻性出生队列的资源。该队列旨在识别生命早期哮喘的关键上皮和免疫决定因素。研究设计包含两组儿童：一组是纵向组（Long-Group），包含32名儿童，在生活1周、3个月、6个月和1岁时共四个时间点收集生物样本，用于研究宿主鼻腔（局部）基因表达以及微生物（细菌、真菌和病毒） profiles（谱系）；另一组是横断面组（CS-Group），包含256名1岁儿童，提供了与纵向组相同的样本类型，并额外采集了血液用于转录组学分析。在这256名儿童中，有133名在生命第一年内有父母报告的喘息史。关键的是，所有生物样本都是在没有喘息症状时获取的，以符合既定的采样方案，这有助于研究稳态下的宿主-微生物相互作用。

研究人员运用了一系列关键技术来描绘复杂的宿主-微生物相互作用图谱。他们通过对鼻腔样本进行细菌16S rRNA基因和真菌内转录间隔区（ITS）扩增子测序，以及病毒定量聚合酶链式反应（qPCR） profiling（分析），全面刻画了上呼吸道三大微生物界的特征。同时，利用RNA测序（RNA-seq）技术对鼻腔刷取物和血液样本进行转录组分析，分别评估局部和系统性的免疫基因表达。为了整合多维度数据，研究采用了多组学因子分析（MOFA）这一无监督的整合方法，以揭示不同组学数据集之间共有的变异模式。此外，研究还借助人类肺细胞图谱（HLCA）的单细胞转录组数据，对关键免疫基因的细胞来源进行了推断。

研究结果层层递进，揭示了生命早期呼吸道微生物与免疫系统协同演化的精细图景。

Characteristics of study populations

研究人群的特征明确：纵向组（32名婴儿，4个时间点）主要用于揭示发育动态，横断面组（256名1岁婴儿，含133名喘息儿）用于探讨与喘息的关系，所有样本均在无症状期采集，确保了研究稳态下的关联。

Maturation of immunological profiles aligns with the development of bacterial but not fungal or viral communities during the first 12 months of life (Long-Group)

生命最初12个月内免疫谱的成熟与细菌而非真菌或病毒群落的发育同步。分析显示，宿主鼻腔基因表达和鼻腔细菌组成均主要由年龄决定，最显著的变化发生在出生后头三个月，表现为细菌多样性增加以及免疫相关基因表达的显著转变。相反，真菌组成未显示显著的年龄相关变化，病毒在无症状儿童中检测率低且与年龄无关。通路分析揭示了伴随年龄增长的免疫“开关”，包括JAK/STAT通路中部分基因（如STAT1, STAT3, JAK1）表达下降，而另一些基因（如JAK2, TYK2, 干扰素基因）表达上升，以及B细胞受体信号、T_H1/T_H2/T_H17细胞分化等适应性免疫通路的上调。细菌差异丰度分析显示，葡萄球菌属减少，而莫拉菌属、普雷沃菌属、链球菌属、嗜血杆菌属等常见上呼吸道定植菌增加。

Daycare and antibiotics affect bacterial and respiratory viruses at year 1 with a minimal impact on local host gene expression (CS-Group)

托儿所和抗生素影响1岁时的细菌和呼吸道病毒，对局部宿主基因表达影响最小。在横断面组中，环境因素分析发现，入托和抗生素使用会降低细菌丰富度，但增加病毒检出率。宿主基因表达主要受性别影响。入托主要影响细菌组成，与致病菌（如莫拉菌、流感嗜血杆菌）增加有关。真菌组成则主要受采样季节影响。

Parent-reported wheeze associates with higher H. influenzae abundance and local expression of immunomodulatory genes at year 1 (CS-Group)

父母报告的喘息与1岁时较高的流感嗜血杆菌丰度和局部免疫调节基因表达相关。研究发现，喘息组婴儿在1岁时（无症状期）鼻腔细菌丰富度显著降低，差异丰度分析显示喘息与流感嗜血杆菌丰度增加显著相关，莫拉菌的关联则受入托因素影响。纵向数据提示喘息儿中流感嗜血杆菌出现更早。病毒和真菌在两组间无差异。宿主鼻腔基因表达分析发现喘息组有215个基因差异表达（152个上调，63个下调），包括IL18RAP, IL27RA, IL32, FCGR3B, CD79A等免疫基因，但血液基因表达无差异。

Increased abundance of H. influenzae and Moraxella is associated with a local and systemic monocyte signature (CS-Group)

流感嗜血杆菌和莫拉菌丰度增加与局部和系统性单核细胞特征相关。这是本研究最核心的发现。通过MOFA整合多组学数据，发现了一个关键因子（因子1），它解释了微生物（主要是细菌）与宿主鼻腔和血液免疫特征之间的协同变异。该因子得分在喘息儿中显著更高，且在入托的喘息儿中最高。因子1关联的细菌特征包括流感嗜血杆菌和莫拉菌属ASVs（扩增子序列变体）的丰度增加。更重要的是，因子1在鼻腔和血液免疫数据中均排名靠前的特征基因高度一致，包括ACVR1C (ALK7), OSM, AQP9, TNFSF13B (BAFF), IL36A, HLA-E, TLR8, CSF2RA等，提示存在一个共享的局部-系统性免疫转录程序。通过映射到HLCA单细胞数据，发现这些共享基因主要在髓系细胞，尤其是鼻腔单核细胞中高表达。进一步与经典单核细胞标志物（CD14, CCR2）及其配体（CCL2, CCL7）的正相关性，表明该特征与经典单核细胞表型一致。

DISCUSSION

讨论部分对研究结果进行了深入阐释和定位。生命早期，特别是前三个月，细菌群落与宿主免疫系统存在显著的协同演化，这可能是免疫系统发育的“机会窗口”。而真菌和稳态下的残留病毒则未显示出与宿主免疫的共进化关系。本研究最重要的发现是通过多组学整合，揭示了一种与喘息相关的、由鼻腔细菌失调（流感嗜血杆菌/莫拉菌富集）触发的、涉及经典单核细胞的局部-系统性免疫特征。这种特征即使在无症状期也持续存在，提示了一种由脂多糖（LPS）等细菌成分驱动的、低度、单核细胞主导的炎症状态可能参与了喘息的发病过程。例如，OSM（制瘤素M）在哮喘中作用关键，BAFF（B细胞活化因子）与病毒感染和嗜血杆菌相关，LPS吸入可快速招募单核细胞至肺部。这些已有的证据支持了本研究提出的生物学假设。当然，由于是观察性研究，细菌失调与免疫改变/喘息之间的因果关系尚待明确，可能是细菌定植在先，也可能是之前的炎症事件为这些细菌定植创造了利基。研究的局限性包括无法直接量化单核细胞、喘息状态基于父母报告等。未来需要纵向采样和长期随访来验证这些发现并探索其临床转化潜力。

综上所述，这项研究揭示了生命早期细菌与宿主免疫系统独特的共进化关系，并首次将婴幼儿喘息与特定的上呼吸道细菌失调（流感嗜血杆菌/莫拉菌）以及一个由经典单核细胞驱动的局部和系统性免疫基因特征联系起来。这些发现深化了我们对早期生命微生物-免疫相互作用的理解，为预防和早期干预儿童喘息及哮喘提供了新的科学依据和潜在的干预靶点。