《Allergy》：Environmental Changes and Their Effect on the Airway Microbiome: Implications for Airway Diseases
阻塞性气道疾病，包括哮喘和慢性阻塞性肺疾病（COPD），是两种主要的慢性气道炎症性疾病。在这两种疾病中，气道均暴露于多种微生物和环境刺激之下。健康的气道微生物组不仅以微生物多样性为特征，还以缺乏大量病原体为标志，并表现为生态稳定性、功能韧性以及与宿主免疫系统的平衡互作。尽管微生物多样性常被视为呼吸健康的标志，但其与疾病的关联取决于解剖部位、宿主因素和环境暴露。因此，微生物多样性本身不应被用作气道健康的通用标志物——病原体的出现和器官分区也是需要考虑的重要因素。这种微生物稳态的破坏，即生态失调（dysbiosis），可能涉及共生菌群多样性的降低以及关键病原体数量的增加，该状态被认为可刺激炎症，与哮喘和COPD的进展（包括急性加重）相关。环境变化，包括空气污染、气候变化和城市化，可通过降低多样性和增加病原体流行率来破坏微生物平衡。多种机制参与了这一相互作用，包括气道上皮损伤、黏液纤毛清除功能受损、氧化应激以及固有免疫和适应性免疫应答的改变。本综述探讨了外部环境因素与气道微生物组之间的相互作用，以及它们如何影响阻塞性气道疾病、哮喘和COPD，以理解其免疫病理学机制，并改进疾病预防和治疗方法。这是一个备受关注的领域，需要进一步研究来阐明这些相互作用，以便更好地帮助患者。
1 引言
阻塞性气道疾病，如哮喘和慢性阻塞性肺疾病（COPD），构成日益严重的全球健康问题。疾病的发生和严重程度反映了遗传易感性与环境暴露之间的相互作用。气道微生物组——即细菌、真菌和病毒的局部群落——在免疫调节、上皮屏障完整性和炎症控制中发挥关键作用。在健康状态下，平衡的微生物组支持免疫稳态，而微生物生态失调则持续与疾病发生和急性加重相关。环境因素，包括空气污染、气候变化、城市化和农业暴露，已被证实与气道微生物组组成的变化相关。然而，这些关联的强度在不同研究间存在差异，因果关系问题仍需进一步评估。颗粒物（PMs）、二氧化氮和臭氧等污染物可损伤气道上皮、诱导氧化应激并直接改变微生物群落。这些暴露常与微生物多样性降低、潜在致病菌（如葡萄球菌属和莫拉菌属）水平升高以及共生菌种丧失相关。微生物组的这些变化可能促进炎症反应增强，尽管潜在的因果机制尚未完全阐明，特别是哮喘中所见的Th2和Th17驱动通路，导致进行性肺功能下降。大规模人群研究一致显示空气污染与气道微生物组变化之间的关联。然而，由于残余混杂和暴露评估方法的差异，因果关系仍难以确立。短期NO
2暴露可增加鼻腔细菌多样性，而高温可能降低其多样性。重要的是，以莫拉菌属或葡萄球菌属为主的微生物谱与过敏致敏、喘息、呼出气一氧化氮（FeNO）升高和肺功能降低相关。此外，农业来源的空气污染与气道微生物组改变和哮喘风险增加相关。在哮喘儿童中，即使是短期暴露也可诱导气道微生物组成和炎症的持续性改变。
气候变化可能通过延长花粉季节、增加真菌暴露和促进结合污染物与过敏原的极端天气事件来加剧上述效应。这些条件可有利于微生物生长并诱导持续的基因表达改变，从而维持气道炎症。城市化可能进一步放大风险，因为城市儿童的气道微生物组往往多样性较低、病原体富集程度较高，可能contributing to更高的哮喘患病率。在COPD中，污染诱导的微生物改变可维持慢性气道炎症并增加疾病急性加重风险。研究表明，微生物组改变影响参与炎症的关键代谢和免疫通路，影响儿童哮喘的发生和成人气道疾病的持续。
本综述总结了环境暴露与气道微生物组之间相互作用的当前证据。同时讨论了影响气道微生物组研究解读的重要方法学局限性，包括采样方法、测序技术和分析方法之间的差异。值得注意的是，细菌以外的微生物可能在微生物组的局部影响中发挥重要作用。病毒组目前正吸引更多关注，越来越多的证据表明其与细菌微生物组相互作用并可能产生影响，而真菌组（真菌组）的研究则更少。然而，由于证据稀少和篇幅限制，本综述主要聚焦于细菌。
越来越多的证据支持环境暴露、气道微生物组变化与慢性气道疾病之间的关联。然而，大多数现有证据为观察性研究。因此，仅有限通路的因果机制已通过实验和纵向研究得以确立。在本综述中，研究人员区分了有实验证据支持的因果机制与在因果方面仍不确定的描述性关联，后者因此具有假设生成性质。
尽管越来越多的证据将环境暴露、气道微生物组变化和气道疾病联系起来，但这些证据的科学强度差异很大。问题在于大多数已发表研究为观察性或横断面研究，识别的是关联而非因果关系，而纵向队列研究和实验研究仍占少数。此外，采样部位（鼻腔、口咽、痰液、支气管肺泡灌洗或支气管镜样本）、测序方法、生物信息学分析和研究人群的差异使得跨研究比较发现变得困难。在本综述中，研究人员区分了观察性、纵向和实验性证据，并强调了一致的发现以及需要进一步验证的领域。
2 健康状态下的气道微生物组
2.1 健康个体中的复杂相互作用
微生物组研究的快速进展已改变了对其在健康和疾病中 essential 作用的理解（Box 1）。
BOX 1 气道微生物组研究的重大里程碑发现
里程碑：非无菌下气道（2000年代）：下气道含有独特的低生物量微生物群落。生态失调与气道疾病：微生物多样性降低及嗜血杆菌属、莫拉菌属和链球菌属丰度增加与哮喘和COPD相关。生命早期微生物组：婴儿期微生物定植影响后期哮喘和过敏性疾病风险。上皮屏障功能障碍：环境暴露损害上皮完整性和黏液纤毛清除功能，促进生态失调。微生物组-免疫相互作用：气道微生物塑造固有和适应性免疫应答，包括2型和中性粒细胞性炎症。环境影响：空气污染、城市化和生物多样性降低与气道微生物组变化及疾病风险相关。空气污染效应：污染物可降低微生物多样性、促进病原体生长并改变宿主-微生物相互作用。特定微生物特征：不同的微生物组模式与哮喘内型、COPD进展和支气管扩张严重程度相关。微生物组靶向干预：探索使用益生菌、环境干预和基于微生物组的生物标志物用于诊断和治疗的研究。
气道包括暴露于吸入空气的内部表面，分为上呼吸道（包括鼻腔和口腔、鼻旁窦、鼻咽和口咽以及声门上喉）和下呼吸道（包括声门下喉、气管、支气管和肺）。尽管曾被认为无菌，下呼吸道现在通过先进测序技术已知含有多样化的微生物群落，在个体之间和肺区域之间存在差异。从历史上的"无菌肺"概念向当前"微生物组"范式的转变揭示了下呼吸道是一个动态的微生物生态系统，可用适应的岛屿模型 of 肺生物地理学来描述。近期宏基因组研究通过显示同一优势细菌属内物种间的显著差异（仅靠16S rRNA测序无法识别）改善了研究人员的理解。这些研究还表明，即使分类组成相似，微生物功能（包括代谢通路、抗菌耐药基因和与宿主相互作用的毒力因子）也可能存在显著差异。因此，微生物功能可能是气道稳态比分类组成更有信息量的衡量指标。在该模型中，个体气道微生物组是口咽部持续迁入与宿主防御机制（如黏液纤毛清除和固有免疫）清除之间平衡的最终结果。在慢性气道疾病中，这种平衡可能向基于生态位的选择偏移，有利于致病共生菌的持续存在。值得注意的是，气道微生物定植在出生后不久即开始，在新生儿气管抽吸物中可在出生后24小时内检测到细菌DNA。
快速扩展的气道微生物组文献凸显了其处于外部环境与免疫系统之间的独特界面位置。人类和动物模型研究表明，上气道和下气道均含有低生物量但可检测的微生物群落，这些群落调节宿主免疫和炎症应答，促进呼吸稳态和疾病易感性。在健康个体中，气道微生物组具有多样性，以厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门和变形菌门为主，尽管个体间变异和长期稳定性仍研究不足。气道还含有多个厌氧微生态位，从牙周间隙到腺样体、扁桃体和咽部的上皮隐窝，主要含有厌氧菌种如普雷沃菌属和韦荣球菌属。远端气道的微生物负荷通常通过宿主防御机制（包括咳嗽、黏液纤毛清除和固有免疫应答）维持在低水平，这有助于确保有效的气体交换。下气道的微生物组成由微生物迁入、清除和生长之间的平衡决定，受氧张力和营养可用性等局部因素调节，如适应的岛屿模型所述。
除细菌外，健康气道还含有多样化的病毒和真菌群落，它们与宿主免疫系统和细菌微生物组均发生相互作用。呼吸道病毒，包括鼻病毒、呼吸道合胞病毒、流感病毒和SARS-CoV-2，也可能引起细菌群落的变化，这些变化在急性感染消退后持续存在。同样，曲霉属、念珠菌属、枝孢属和马拉色菌属等真菌属是气道真菌组的组成部分，可能影响上皮屏障功能和宿主免疫应答。尽管病毒和真菌群落的研究不如细菌群落充分，但越来越多的证据表明细菌、病毒和真菌之间的相互作用有助于气道稳态和慢性炎症性气道疾病。新兴证据表明气道微生物组通过调节局部免疫应答促进人类健康。
与其他黏膜部位一样，气道微生物组反映了宿主生理、微生物生态、生活方式和环境暴露的综合影响。正常气道微生物组通过调节宿主免疫应答以及通过竞争性排斥和产生抑制性物质防止定植，在病原体清除中发挥关键作用。口腔共生菌如普雷沃菌属和韦荣球菌属的低水平微量误吸与有利的肺部感染结局相关。同样，鼻腔微生物组作为环境微生物的守门人，影响下气道微生物组的密度和组成。鼻腔和鼻咽部的保护性菌属如棒状杆菌属和Dolosigranulum通常与定植抵抗相关，通过直接抑制病原体和调节宿主免疫介导。
尽管微生物多样性降低在慢性气道疾病中被普遍报道，但多样性不应被视为健康或疾病的通用标志物。微生物多样性与呼吸健康之间的关系取决于解剖部位、疾病阶段、炎症内型、宿主年龄、药物使用和环境暴露。例如，下气道多样性降低通常与晚期哮喘或COPD中潜在致病菌的优势相关，而某些上气道部位多样性增加可能反映微生物不稳定、炎症或短暂环境微生物的定植，而非更好的健康状态。此外，多样性相似的个体可能在微生物组成和功能上存在显著差异。因此，近期研究越来越关注微生物群落结构、生态稳定性和微生物功能，而非仅关注多样性，作为气道稳态的指标。
2.2 气道微生物组研究中的方法学考量
对气道微生物组研究的解读确实需要仔细考虑若干方法学挑战，这些挑战可能影响所报告的微生物组成和多样性。与胃肠道不同，下呼吸道具有低微生物生物量，使得微生物组分析特别容易受到环境、实验室试剂和采样处理过程中上气道微生物的污染。因此，严格的实验对照（包括阴性对照和标准化采样程序）对于区分真实生物信号与技术伪影至关重要。
另一个重要挑战是采样方法的巨大差异。已有研究采用鼻腔拭子、鼻咽抽吸物、口咽拭子、诱导痰、气管内抽吸物、保护性标本刷、支气管肺泡灌洗（BAL）和支气管活检等方法。这些样本来自呼吸道的不同部位，每个部位具有不同的微生物群落和微生物生物量，使得跨研究结果比较变得困难。此外，即使使用保护性采样技术，支气管镜检查过程中上气道的污染也无法完全避免。测序方法的差异也导致研究间的变异。大多数早期研究使用16S rRNA基因测序，该方法可识别微生物组的细菌组成，但区分近缘物种的能力有限，且提供的微生物功能信息很少。更近期的鸟枪法宏基因组测序提供更高的分类分辨率，还可识别功能基因以及病毒和真菌。宏转录组测序提供关于活跃微生物群落和宿主-微生物相互作用的额外信息，但技术上要求高、费用昂贵，在大型临床研究中仍不常见。这些方法已表明，微生物代谢、毒力和免疫调节通路的变化可能比分类组成更好地区分疾病表型。总之，这些发现强调了在未来气道微生物组研究中结合分类和功能分析的重要性。最后，DNA提取方案、测序平台、生物信息学流程、参考数据库和统计分析存在显著差异。结合研究人群、药物使用、吸烟状态、环境暴露和疾病严重程度的差异，这些方法学因素导致了已发表研究间的异质性，并可能部分解释关于特定微生物分类群的不一致发现。因此，采样方案、实验室程序、分析方法和报告标准的更大标准化对于提高可重复性和促进未来气道微生物组研究的比较至关重要。
2.3 影响气道微生物组的宿主和治疗相关因素
对已发表的关于环境暴露对气道微生物组影响的研究的解读确实需要仔细考虑宿主和治疗相关因素；这些因素可能混杂所观察到的关联。年龄是气道微生物组成的主要决定因素，气道微生物组在婴儿期、儿童期、成年期和老年期发生显著变化。生命早期微生物定植高度动态，在免疫系统发育中发挥重要作用，而老年期与免疫衰老、气道微生物组变化和呼吸系统疾病风险增加相关。药物也是影响气道微生物组的重要因素。抗生素使用，特别是在生命早期或反复治疗疗程后，可降低微生物多样性、改变微生物群落组成并促进耐药细菌的生长。吸入性糖皮质激素（ICS）是哮喘的主要治疗药物并在COPD中广泛使用，也与气道微生物组变化相关。一些研究报道接受ICS的患者中变形菌门丰度增加和微生物多样性降低。然而，由于ICS更常用于疾病更严重的患者，很难将药物效应与疾病严重程度的影响区分开来。
吸烟是另一个可能影响气道微生物组的主要因素。除损伤气道上皮、损害黏液纤毛清除和改变固有免疫应答外，香烟烟雾还改变气道微生物组的组成，并可能与环境污染物相互作用增加气道生态失调。肥胖、糖尿病、慢性鼻窦炎、胃食管反流病和支气管扩张等合并症也可能通过全身性炎症、宿主免疫应答改变、微量误吸、药物使用或反复感染影响气道微生物组。由于这些因素在各研究中未被一致控制，在解读环境暴露与气道微生物组变化之间的关联时应予以考虑。
2.4 气道微生物组变化的环境驱动因素
2.4.1 历史方面与城市化
历史上，人类与土壤、动物和自然环境保持密切接触，实现了广泛的微生物交换。环境微生物组，特别是土壤，作为微生物多样性的关键储库，塑造黏膜微生物群落并支持免疫发育（图1）。吸入的微生物可能因气道的环境界面而改变局部微生物组。温度、湿度和微生物多样性等因素影响气道微生物群的组成和稳定性。值得注意的是，大多数工业化国家的福祉通过卫生、抗生素、饮食和住房变化深刻改变了人类受试者的平均微生物暴露。这些变化奠定了卫生假说的基础，将减少的微生物暴露（特别是生命早期）与过敏和免疫介导疾病风险增加联系起来。环境微生物多样性降低与微生物组发育改变和免疫成熟受损相关。
由于气道的环境界面，吸入暴露通过调节气道微生物组来塑造呼吸健康，而气道微生物组反过来影响宿主对吸入污染物和其他应激源的反应。城市化通过增加污染物暴露同时减少与自然微生物来源的接触来放大这些效应，而气候变化可能通过改变气传过敏原模式、更频繁的极端天气事件和空气质量下降进一步影响呼吸健康。
2.4.2 环境空气污染与颗粒物
环境空气污染是影响呼吸健康和过敏性疾病的最重要环境因素之一。它包括若干组分，如颗粒物（PM）和气态污染物如二氧化氮（NO
2）、臭氧（O
3）和二氧化硫（SO
2）。空气污染还包括交通、工业排放和生物质燃烧产生的复杂混合物。
越来越多的证据表明，暴露于空气污染物可直接改变气道微生物群落和宿主-微生物相互作用，促进呼吸道炎症、过敏致敏和气道疾病恶化。气道微生物组存在于由吸入颗粒和气体持续塑造的动态平衡中。环境污染物可作为选择压力降低微生物多样性并促进潜在致病微生物的生长。这得到了观察性研究和实验模型证据的支持。
2.4.3 气态污染物
臭氧和氮氧化物等气态污染物是空气污染的关键组分，可诱导气道上皮的氧化损伤并调节控制呼吸道微生物定植的免疫应答。多项研究表明，暴露于臭氧和PM
2.5可激活气道组织中的分子通路，特别是在哮喘中，而二氧化氮和臭氧等气态污染物通过增加氧化应激进一步加剧这些效应。臭氧暴露促进促炎性肺环境，改变微生物多样性，导致肺微生物组重塑。
2.4.4 气象和季节因素、气候变化、高温
气道微生物组存在于受温度、湿度、季节变化和大气条件等气候因素强烈影响的动态生态环境中。这些因素影响微生物扩散、空气传播群落组成和宿主黏膜免疫，促成季节性呼吸道感染和过敏性疾病急性加重。
温度和湿度强烈影响微生物传播、存活和宿主-微生物相互作用。这些条件的波动影响空气传播微生物的活力和扩散，以及气道上皮完整性、黏液产生和黏液纤毛清除，从而塑造微生物定植和呼吸道感染易感性。环境温度还影响环境储库和宿主相关生态位中微生物的代谢活性和微生物群落的稳定性。全球气温上升和极端天气事件可重塑环境微生物生态系统并改变气传过敏原和呼吸道病原体的分布。极端高温还可能加剧空气污染并改变大气化学，增加颗粒物和臭氧水平，损害呼吸上皮功能和免疫应答。
气候和季节压力通过直接和间接机制影响气道微生物生态系统，包括空气传播微生物暴露的变化以及对宿主生理、免疫应答和污染物暴露的影响。
2.4.5 室内环境暴露与生物质烟雾
尽管室外空气污染受到大量关注，但人们大部分时间在室内度过，使得室内暴露对理解气道微生物组变化同等重要。室内环境含有来自居住者、宠物、建筑材料和通风系统的复杂微生物群落。室内颗粒物污染来自烹饪、取暖、烟草烟雾和室外污染物渗透等活动。
生物质（如木材、农作物残渣和动物粪便）燃烧产生的烟雾在世界许多地区仍是室内空气污染的主要来源。燃烧这些物质向空气中释放大量PM
2.5、PM
10和一氧化碳。长期暴露于生物质烟雾与气道炎症、微生物定植改变以及呼吸道感染和慢性气道疾病风险增加相关，特别是在生物质燃料广泛用于烹饪和取暖的低收入和中等收入地区。在通风不良的室内环境中，革兰阴性菌、霉菌孢子和尘螨过敏原以及化学污染物可能促进下气道的微生物定植。氡是一种天然存在的放射性气体，可在室内积聚。近期证据将学校氡暴露与哮喘儿童通过IL-5介导通路的嗜酸性粒细胞增多联系起来，实验研究表明氡暴露还可能改变肠道微生物群。
3 环境变化与气道微生物组改变的联系机制
环境和室内空气污染物，包括颗粒物和气态污染物，可通过改变结构和常住免疫细胞的功能直接和间接影响肺微生物组。这些效应可能驱动微生物生态失调并促进气道疾病的发生和进展，特别是在气候变化背景下（图2）。
3.1 气道污染与气道微生物组
空气传播的颗粒物（PM
2.5和PM
10）可作为微生物（包括细菌）的载体，微生物负荷在污染和雾霾事件期间增加。这些运输的微生物大多来源于土壤，通常对人类非致病。PM大小和环境因素（包括湿度和一氧化碳及臭氧水平）影响微生物负荷和组成，包括致病菌的存在。
3.2 气道上皮
气道上皮作为呼吸道的主要保护屏障，整合结构防御与固有免疫功能和病原体感知。
上气道由基底细胞、杯状细胞和纤毛细胞组成，过滤和加湿吸入空气，而杯状细胞和纤毛细胞在下气道中占主导，其中由紧密连接和黏附连接维持的上皮完整性对正常功能至关重要。在稳态条件下，气道上皮将常住细菌与下层免疫细胞分隔，防止不适当的免疫激活。该屏障的破坏促成慢性非传染性气道疾病，包括哮喘，如上皮屏障理论所示。
体外研究表明，环境污染物如PM
2.5可通过损伤紧密连接蛋白破坏气道上皮功能，导致上皮屏障功能障碍。这种"渗漏"上皮是上皮屏障理论的核心，允许过敏原和微生物产物易位至上皮下空间，促进病原体定植、氧化应激、生态失调和慢性炎症。微生物产物进一步加重屏障损伤，强化气道失调的自我延续循环。
3.3 黏液纤毛清除
黏液纤毛清除是维持气道稳态和调节环境暴露对气道微生物组影响的关键防御机制。它依赖于协调的纤毛功能和适当的黏液产生来清除吸入颗粒和病原体。环境暴露，包括空气污染、烟草烟雾和温度或湿度变化，损害纤毛活性并改变黏液特性，允许微生物持续存在和积聚。这促进向致病性气道群落的转变并改变局部免疫应答。
3.4 氧化应激
氧化应激是连接环境暴露与气道微生物组改变的关键机制。PMs、臭氧和香烟烟雾等污染物增加活性氧（ROS）产生超过抗氧化能力，导致上皮损伤、屏障功能障碍和免疫应答改变，有利于致病微生物的扩增。实验研究表明氧化应激可能促进耐药的促炎微生物生长。然而，来自人类纵向研究的确认仍然有限。总体而言，氧化应激既介导又放大环境驱动的气道微生物组变化。
3.5 固有免疫与白细胞亚群
环境应激源——包括空气污染、温度和湿度变化以及过敏原暴露增加——可损害气道上皮完整性。上皮损伤触发警报素（IL-33、IL-25和TSLP）的释放，激活固有免疫细胞如肥大细胞、嗜酸性粒细胞、中性粒细胞和固有淋巴样细胞（ILCs）。这些细胞通过协调激活对改变的气道微环境作出反应，重塑局部条件并进一步使微生物群落失稳。总之，这些过程启动并放大哮喘发病机制中的中心炎症通路。
肥大细胞作为机械敏感性免疫哨兵，对非IgE刺激（包括污染物、渗透应激和温度变化）发生脱颗粒。它们释放组胺、类胰蛋白酶和前列腺素等介质，增加上皮通透性和黏液分泌，重塑气道微生物生态位并促进生态失调。肥大细胞来源的IL-4和IL-13进一步改变上皮抗菌肽表达，促进2型相关微生物转变和早期哮喘发病机制。细颗粒物还可增强IgE介导的肥大细胞激活，放大这些效应。
嗜酸性粒细胞通过警报素诱导的趋化因子如CCL11和CCL24被招募至气道，激活后释放细胞毒性颗粒蛋白，包括主要碱性蛋白（MBP）、嗜酸性粒细胞阳离子蛋白（ECP）和活性氧。这些介质损伤上皮并施加选择性抗菌压力，优先抑制共生菌，促进早期气道生态失调。嗜酸性粒细胞来源的细胞外结构促进黏液积聚和气流阻塞，这是2型驱动气道炎症的标志。嗜酸性粒细胞驱动的气道变化强化生态失调并放大哮喘中的2型炎症。过敏性鼻炎中嗜酸性粒细胞计数升高与较高温度、湿度和臭氧水平相关。
中性粒细胞通过释放蛋白酶和中性粒细胞胞外诱捕网对污染物诱导的氧化应激作出反应，破坏上皮连接并重塑气道表面，从而促进病原体如流感嗜血杆菌和卡他莫拉菌的定植。此类微生物特征与严重的激素难治性哮喘密切相关，反映了中性粒细胞驱动的上皮损伤和生态失调放大非嗜酸性炎症通路。中性粒细胞对空气污染高度敏感，PMs诱导的激活表现为活性氧、IL-8、髓过氧化物酶、中性粒细胞弹性蛋白酶和中性粒细胞胞外诱捕网形成的增加。
2型固有淋巴样细胞（ILC2）被机械或化学损伤后释放的上皮警报素快速激活。激活后，ILC2产生IL-5、IL-4和IL-13，促进嗜酸性粒细胞招募、黏液过度分泌和早期气道重塑。环境暴露，包括冷空气、柴油尾气颗粒、微塑料和过敏原，进一步增强ILC2反应性，强化上皮应激、环境损伤和2型炎症之间的联系。病毒感染，如呼吸道合胞病毒和流感病毒，以及微生物产物，可有效激活ILC2。在儿童哮喘中，对呼吸道细菌的IL-33/ST2通路增强激活表明生命早期微生物暴露作为"二次打击"放大ILC2驱动的过敏性炎症。警报素驱动的ILC2激活、生态失调和2型免疫之间的这种强化循环越来越被认为是哮喘起始和急性加重的中心机制。
3.6 适应性免疫与T细胞亚群
除固有免疫激活外，空气污染物还通过CD4+辅助性T（Th）细胞刺激适应性免疫。抗原呈递后，初始Th细胞分化为具有不同细胞因子谱和转录因子的Th1、Th2或Th17亚群。Th1细胞（T-bet+）产生IFN-γ和TNF-α，支持对胞内病原体的防御，但过度时促成黏膜损伤和微生物组破坏。Th2细胞（GATA-3+）分泌IL-4、IL-5、IL-10和IL-13，驱动过敏性炎症、嗜酸性粒细胞增多、IgE产生和黏液过度分泌，从而促进气道生态失调。Th17细胞由IL-6和TGF-β诱导，产生IL-17A/F并介导中性粒细胞性炎症和上皮激活；失调的应答与中性粒细胞性和重症哮喘相关。重症哮喘患者表现出FOXP3+调节性T细胞减少和功能受损，对Th2炎症的控制减弱。Tregs分泌IL-10、IL-35和TGF-β，对免疫耐受和抑制过度气道炎症至关重要。
3.7 空气污染对免疫介导的Th细胞应答和肺微生物组的影响
流行病学和实验研究表明，城市空气污染物，包括PM
2.5、超细颗粒和柴油尾气颗粒，作为有效的佐剂激活适应不良的Th2和Th17免疫应答。这些污染物增强过敏原致敏并加剧哮喘，主要通过氧化应激和免疫调节机制。体外研究表明，外周血CD4+ T细胞暴露于PM
2.5显著增加IFN-γ、IL-10、IL-17和IL-21的产生，表明Th1/Th17偏斜的激活谱。在肺中，环境应激源诱导促炎应答，破坏Th17/Treg平衡，可能改变肺微生物组。因此，以炎症增强为标志的急性加重可能使气道微生物组从多样化群落向多样性较低、促炎状态转变。
临床研究表明，重症哮喘患者即使在没有明显感染的情况下也表现出病原体定植和Th1偏斜的炎症，表明生态失调促进促过敏性炎症应答。生命早期微生物定植对建立Th1/Th2平衡至关重要，微生物多样性降低促进Th2偏斜和过敏性气道疾病易感性增加。环境和微生物信号可使Th2/Th17应答偏斜，驱动炎症和气道生态失调。
4 对呼吸健康的意义
4.1 哮喘
哮喘是一种异质性慢性炎症性气道疾病，由免疫系统、环境暴露和气道微生物组之间的相互作用驱动。环境变化——包括城市化、空气污染、气候变化和生物多样性降低——可塑造呼吸道中的微生物群落并影响哮喘风险、疾病严重程度和治疗应答。环境暴露是气道微生物组成的关键决定因素。空气污染，包括颗粒物和氮氧化物，可直接改变呼吸道微生物群落，同时损害上皮防御机制。气候相关环境变化还可能改变微生物暴露。气温上升和大气条件改变可影响微生物扩散、过敏原产生和病原体传播，间接重塑气道微生物生态系统（表1）。
暴露于多样化环境微生物，如自然和农业环境中发现的微生物，与较低的哮喘患病率相关。这种保护效应被认为源于促进有益微生物定植和增强免疫耐受机制。
气候极端事件，包括热浪和野火，可能通过改变微生物群落和促进促炎特征进一步增加哮喘风险。气温升高和颗粒物与真菌生长增加和中性粒细胞性哮喘表型相关。此外，鼻腔微生物组多样性降低与较高二氧化氮（NO
2）暴露、温度变异性和花粉症（过敏性哮喘的替代指标）相关。总之，这些发现表明环境污染物可重塑上气道微生物群落并加剧呼吸道症状和IgE介导的炎症。
与健康个体相比，哮喘患者通常具有较低的微生物多样性和较高的潜在致病微生物丰度。然而，这些变化是发生在哮喘发展之前还是气道炎症的结果仍不清楚。在哮喘中，这种平衡被破坏，多样性降低和潜在致病菌如嗜血杆菌属、莫拉菌属和链球菌属的富集，同时有益共生菌丧失。然而，这些发现并非在所有哮喘表型或疾病阶段中一致。多项研究表明，微生物组成、生态稳定性和微生物功能可能比微生物多样性 alone 更好地区分哮喘内型。这种失衡可能通过上皮屏障功能障碍和免疫失调驱动气道炎症。观察性研究一致报道暴露于环境污染物后微生物多样性降低。实验研究通过显示污染物可引起上皮损伤、氧化应激和宿主-微生物相互作用改变支持这些发现。近期研究表明，环境污染物如PM
2.5和臭氧（其水平可能随气候变化而增加） consistently 与气道微生物多样性降低相关并促进潜在致病分类群（包括莫拉菌属和嗜血杆菌属）的扩增。这些微生物变化与儿童和成人中增强的Th2驱动免疫应答、嗜酸性炎症和哮喘急性加重相关。此外，脆弱拟杆菌的气道定植已被提出作为哮喘发展的潜在contributing因素。生命早期韦荣球菌属、粪杆菌属、Lachnospira和Rothia的气道定植与血嗜酸性粒细胞计数增加相关。此外，在过敏性气道疾病患者中观察到肠道拟杆菌门和双歧杆菌属丰度降低。此外，婴儿粪便中Lachnospira物种和Clostridium neonatale丰度降低与4岁时哮喘发展相关。尽管这些关联已在多个队列中报道，但所识别的特定细菌分类群在各研究间差异很大。这种变异可能源于年龄、疾病表型、环境暴露和采样方法的差异。
对这些发现的解读需要仔细考虑重要的混杂因素。哮喘中的气道微生物组成不仅受环境暴露影响，还受疾病严重程度、吸入性糖皮质激素治疗、既往抗生素使用、吸烟、年龄和合并症的影响。由于这些因素常同时存在，在许多观察性研究中难以确定环境暴露的独立效应。在城市环境中，自然生物多样性暴露减少可改变生命早期气道微生物组，导致保护性分类群的耗竭。这些环境"微生物信号"的丧失可能损害免疫训练，鼻腔微生物组多样性降低与IgE介导的致敏增加和过敏性鼻炎及哮喘的发展相关。
实验和队列数据表明气道微生物群影响哮喘相关免疫表型。在已确立的哮喘中，气道微生物群落 across 炎症表型存在差异，包括嗜酸性和中性粒细胞性哮喘、肥胖相关哮喘，以及良好控制与重症疾病之间。气道微生物特征越来越被认为是哮喘内型和治疗应答的关键决定因素。变形菌门（特别是嗜血杆菌属和莫拉菌属）的扩增与中性粒细胞性、T2-low炎症和对吸入性糖皮质激素的反应性降低强烈相关。相反，T2-high嗜酸性哮喘通常保持较高的整体多样性，但保护性共生菌如放线菌门和双歧杆菌属的丧失可能削弱对过敏性致敏的免疫调节控制。因此，环境驱动的生态失调可能contributing to哮喘内型和差异化治疗应答。
香烟吸烟是气道微生物组改变的关键环境驱动因素，与多样性降低、群落结构破坏和链球菌属扩增相关，这可能contributing to气道炎症和气流受限。在哮喘中，吸烟与不同的变化相关，包括奈瑟菌属增加和低丰度共生菌丧失。
环境微生物多样性可能对哮喘具有保护效应。农场儿童研究表明，室内灰尘中较高的细菌多样性与较低的哮喘风险相关，而室内灰尘中多样性降低与哮喘患病率增加相关。这些发现支持以下概念：由于城市化、室内生活方式或污染导致的环境和黏膜微生物多样性丧失可能通过限制免疫调节微生物信号增加哮喘风险。近期宏基因组研究表明，气道微生物组的功能特征可能改善疾病分层。特别是，结合气道宏基因组数据与宿主遗传易感性的研究已识别出与婴儿期严重毛细支气管炎后后期哮喘发展相关的微生物物种和功能通路。这些发现凸显了多组学方法识别生物学相关哮喘内型的潜力。
4.2 慢性阻塞性肺疾病
在慢性阻塞性肺疾病（COPD）中，固有免疫受损和黏液纤毛清除减少通常与微生物多样性降低和变形菌门（特别是嗜血杆菌属物种）丰度增加相关，特别是在晚期疾病和急性加重期间。然而，微生物多样性因疾病严重程度、采样部位、吸烟状态和治疗而异。因此，优势微生物分类群和功能通路的变化可能提供比微生物多样性 alone 更有用的疾病指标。随着COPD严重程度进展，气道微生物组向普雷沃菌属减少和莫拉菌属扩增转变。这些变化伴随上皮防御通路的下调和Th17及Th1介导炎症应答的上调，促进持续的促炎气道环境。
环境暴露与慢性阻塞性肺疾病（COPD）中气道微生物组的变化相关。然而，它们相对于吸烟、药物使用和疾病严重程度的贡献仍不清楚。PM
2.5暴露以季节依赖方式改变痰液微生物群，较高水平与α多样性降低相关——特别是在春季——而较低暴露与Treponema socranskii等分类群丰度增加相关。季节效应明显，夏季观察到较高的α多样性和不同的微生物谱。
与畜牧业相关的空气污染，特别是PM
10组分、内毒素和氨排放，确实改变COPD中的鼻咽微生物群。住宅氨暴露已被确定为微生物群落组成的最强环境决定因素，解释6.6%的个体间变异。较高氨水平与共生菌属如莫拉菌属和棒状杆菌属丰度降低相关，同时富集厌氧分类群包括Peptoniphilus、Anaerococcus、Finegoldia magna和普雷沃菌属。这种向厌氧优势的转变表明上气道微生物生态系统的破坏，可能增加COPD中炎症和感染的易感性。农场排放的内毒素和PM
10增加轻度COPD患者的口咽微生物群丰富度，但在健康对照中未增加，表明COPD对环境暴露的易感性更高。尽管COPD患者和对照之间总体细菌群落组成无差异，但链球菌属在COPD中显著富集，可能contributing to居住在畜牧密集地区患者中观察到的急性加重风险增加和肺功能降低。
吸烟对COPD中的气道微生物组产生复杂影响。在轻度至中度COPD患者的支气管镜来源下气道样本中，烟雾暴露与口腔共生菌富集和吸烟相关生态失调相关。这种转变伴随炎症损伤增强，表现为IL-17、IL-6、ERK/MAPK、PI3K和黏蛋白MUC1和MUC4的上调，表明关键促炎和上皮重塑通路的激活。Tangedal等报道COPD患者保护性支气管肺泡灌洗样本中α多样性降低 compared with 对照，主要由均匀度降低而非丰富度丧失驱动。吸烟降低对照中嗜血杆菌属和Lachnoanaerobaculum丰度，但在COPD中未降低，表明一旦疾病确立，微生物组反应性降低。保持的丰富度伴随降低的均匀度可能反映持续的上气道播种和慢性炎症COPD气道中分类群的选择性过度生长。Ditz等使用支气管活检和宏转录组学发现COPD吸烟者和戒烟者之间微生物多样性或转录活性无显著差异，微生物生物量检测为超低水平（0.009%）。这些发现表明隔室特异性效应，即吸烟主要改变管腔气道微生物组，而组织相关微生物组保持相对稳定并对吸烟相关扰动具有抵抗力。
暴露于烟草以外生物质燃烧产生的烟雾可能与报道的烟草燃烧烟雾暴露相关的微生物组变化不同。在生物质暴露的COPD患者中，鼻腔和口腔微生物群显示放线菌属、放线杆菌属、巨球藻属、月形单胞菌属和棒状杆菌属的富集。
季节变化显著塑造COPD中的气道微生物组，夏季具有较高的α多样性、不同的季节性分类群，以及与急性加重相关的Brevibacillus和变形杆菌属富集。
总体而言，观察性研究表明烟草吸烟可能与气道微生物组变化相关。然而，采样部位和测序方法的差异可能解释研究间的部分变异。类似的考虑适用于慢性阻塞性肺疾病（COPD）。除环境暴露外，吸烟史、吸入性糖皮质激素使用、急性加重期间反复抗生素治疗、疾病严重程度、年龄较大和合并症均影响气道微生物组。这些因素可能与环境暴露相互作用并contributing to研究间报道的差异。
5 知识空白与未来方向
当前连接环境暴露、气道微生物组和慢性气道疾病的证据存在若干重要局限性。大多数研究为观察性和横断面研究，难以建立因果关系。此外，许多研究受混杂因素影响，包括年龄、吸烟、疾病严重程度、吸入性糖皮质激素和抗生素使用以及合并症。纵向出生队列和前瞻性研究提供了更强的证据表明生命早期环境暴露和气道微生物定植与后期哮喘风险相关，而实验研究表明环境污染物可损害上皮屏障功能、改变免疫应答并促进微生物生态失调。然而，这些研究仍然有限，其发现不能完全转化为人类疾病。
方法学差异进一步使结果解读复杂化。采样部位、测序方法、生物信息学分析、研究人群和暴露评估的变异使得研究间直接比较变得困难。尽管如此，独立研究一致表明空气污染、吸烟和环境生物多样性降低与微生物多样性降低、微生物组成变化和潜在致病微生物丰度增加相关，尽管特定分类群在研究间存在差异。
未来研究应使用标准化方案进行样本采集、污染控制、测序、数据分析和报告，同时仔细考虑主要混杂因素。纵向多组学研究整合细菌、病毒和真菌群落与宏基因组学、宏转录组学、代谢组学和宿主免疫谱分析将改善对气道微生物组功能的理解，加强因果推断，并有助于识别连接环境暴露与慢性气道疾病的临床相关生物标志物和机制（Box 2）。
BOX 2 气道微生物组-环境-免疫相互作用的未来研究展望
主题：建立因果关系：定义环境暴露、气道生态失调和免疫失调之间的因果联系。开展纵向研究：使用精心设计的出生队列和长期随访识别影响微生物组发育和疾病发展风险的关键暴露窗口期。开发机制模型：应用体外系统、动物模型和人类激发研究探索通路和治疗靶点。评估外部因素：确定合并症、饮食、抗生素使用和吸烟如何影响微生物组对环境暴露的应答。靶向生命早期干预：关注产前和生命早期暴露以预防长期气道疾病。基于微生物组的治疗：开发精确方法通过特定调节和环境策略恢复微生物平衡。应对气候变化效应：研究气候相关因素如何改变微生物生态系统和气道疾病负担。促进临床转化：识别微生物组相关生物标志物以改善疾病表型分析、病程和个性化治疗。使用多组学：结合和整合微生物组数据与不同组学数据集以促进对这些复杂机制的理解。
6 结论
阻塞性气道疾病涉及环境暴露与气道微生物组之间的复杂相互作用。气道微生物组的变化与免疫失调、慢性炎症和疾病急性加重相关，尽管许多情况下的因果机制关系仍不清楚。有限数量的实验研究表明这些效应可能由上皮损伤、黏液纤毛清除受损、氧化应激以及固有和适应性免疫应答改变所介导。需要新的和纵向研究来描绘宿主、微生物组和环境之间的相互作用，并为基于微生物组的预防和有效治疗策略的开发提供充分的科学基础。未来研究还应超越以细菌为中心的分析，纳入病毒和真菌群落，以提供对气道微生物生态及其在慢性气道疾病中作用的更完整理解。
