Микробиом лёгких: Новые принципы респираторной бактериологии в норме и патологии

Robert P. Dickson, Gary B. Huffnagle* Division of Pulmonary and Critical Care Medicine, Department of Internal Medicine, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, Michigan, United es of America

Вступление

Принципы респираторной микробиологии переоцениваются и переписываются, начиная с разоблачения мифа о стерильности лёгких. «Местность» дыхательной экосистемы отличается — анатомически и физиологически — от других слизистых участков, и резко меняется при болезни, когда функциональный гомеостаз между хозяином и микробиомом нарушается. Исследователи только начинают понимать вклад вирусов, фагов и грибов в микробиом легких; таким образом, мы ограничили наше обсуждение только бактериальной микрофлорой легких.

Легкие не стерильны

Высказывание о том, что легкие стерильны, все еще часто встречается в учебниках, и практически всегда без ссылок на научные исследования. Это утверждение, если это правда, будет необычным. Бактерии удивительно разнообразны и обладают весьма выдающейся приспособляемостью; по сути, не существует ни одной экологической ниши на земле, настолько экстремальной (по кислороду, рН, гидрофобности, температуре, солености, хищникам, дефициту питательных веществ, и т.д.), что бактериальные сообщества не были бы в ней обнаружены . Было бы замечательно, если бы одна из редких свободных от бактерий сред на планете была теплой, влажно-слизистой, находящейся дюймом ниже ротовой полости, богатая бактериями среда над которой является постоянным потоком насыщенного бактериями воздуха, микроаэрозолей и жидкостей. Многочисленные исследования, датируемые почти столетием назад, показали, что микроаспирация является обычным явлением у клинически здоровых пациентов , и знание бактериального содержимого вдыхаемого воздуха так же старо, как и сама микробная теория . Со времен первого культурально-независимого доклада о здоровом микробиоме легких , более 30 опубликованных исследований с использованием молекулярных методов для идентификации бактерий предоставили доказательства присутствия бактерий в нижних дыхательных путях. Ни одно современное исследование не нашло доказательств их отсутствия.

Биология слизистой: легкие- это не кишка

В то время как и кишка, и легкие имеют слизистую выстилку просвета с общим эмбриональным происхождением, их макро- и микро- анатомические особенности весьма различны. Но даже эти различия не так сильны, как различия в составе и популяционной динамике их микрофлоры. При отсутствии рвоты или пищеводного рефлюкса, миграция микробов в желудочно-кишечном тракте является однонаправленной (от рта до ануса) и периодически прерывается различающимися в широких пределах физическими и химическими барьерами. Для того чтобы перорально проникший микроб иммигрировал в слепую кишку, он должен выдержать кислый рН желудка (~ 2.0) и щелочной рН двенадцатиперстной кишки (~ 8,0) и конкурировать за ресурсы с густонаселенным микробиомом. Движение воздуха, слизи и микробов в легких, напротив, является двунаправленным, без физического барьера между гортанью и наиболее дистальной альвеолой. Таким образом, микробиомом легких более динамичный и мобильный, чем в нижней части желудочно-кишечного тракта. В то время как желудочно-кишечный тракт имеет равномерную температуру (37 ° C) по всем 9 метрам его длины, слизистая оболочка дыхательных путей (короткая полметра в длину) представляет собой градиент от температуры внешней среды в точке вдоха к ядру температуры тела в альвеолах . В отличие от кишечника, среда легких богата кислородом. Несмотря на то, что трахея и бронхи, подобно кишечнику, покрыты сильно гликозилированными белками, секретируемыми слизистой, подавляющее большинство площади поверхности лёгких выстлано богатым липидами сурфактантом, который имеет бактериостатические эффекты против некоторых видов бактерий . Бактериальная плотность в дыхательных путях достаточно умеренная, сравнимая с двенадцатиперстной кишкой , величина на порядок меньше, чем в толстой кишке; таким образом, межбактериальные метаболические взаимодействия заметно отличаются. И, наконец, кишечник и легкие различаются по характеру взаимодействий хозяин-бактерия. Уровни иммуноглобулина А просвета ЖКТ гораздо выше в кишечнике, в то время как легкие показывают большее внепросветное взаимодействие между бактериями и лейкоцитами хозяина (альвеолярные макрофаги). Вместе, эти заметно расходящиеся условия приводят к соответствующим расхождениям микробных сообществ.

Микробиомом определяется тремя экологическими факторами

Состав микробиомома легких определяется балансом трех факторов (рис 1) : (1) микробная иммиграция в дыхательных путях, (2) элиминация микробов из дыхательных путей, и (3) относительные коэффициенты воспроизводства членов своего сообщества, определяемых местным условиям роста. Любое изменение в микробиомоме — в индивидуальных пределах или при болезненных состояниях, должны быть из-за какого-то отклонения в этих факторах. Источники микробной иммиграции включают вдыхание воздуха (который содержит 104-106 бактерий / мм3 даже до достижения верхних дыхательных путей, густо населенных бактериями ), субклиническую микроаспирацию содержимого верхних дыхательных путей , и прямой дисперсии по слизистой дыхательных путей. Микробная элиминация движима мукоцилиарным клиренсом, кашлем (который часто встречается даже среди здоровых субъектов ), и иммунной защитой (как врожденной, так и адаптивной). Условия окружающей среды, которые определяют местные условия роста в легких, включают в себя как общие для всех экологических ниш (например, наличие питательных веществ, температура, рН, давление кислорода), а также обилие и состояние активации воспалительных клеток хозяина. В норме, эти условия, как правило, неблагоприятны для роста бактерий, что приводит к относительно небольшому размножению бактерий; таким образом, основной фактор, определяющим микробиом легких в норме, — баланс иммиграции и элиминации . Тем не менее, во время болезни, местные условия роста в легких резко меняются, создавая разрешительные ниши для избирательного размножения бактерий. Давно признанный феномен бактериальной колонизации в поздних стадиях заболеваний легких отражает обогащенный рост видов, которые хорошо адаптированы к конкретным условиям окружающей среды травмированных дыхательных путей. Избирательное репродуктивное преимущество окружающей среды легких на членов этого сообщества подорвало динамическое влияние иммиграции и элиминации на дыхательную экосистему. Экологические детерминанты респираторного микробиома

Состав респираторного микробиома определяется тремя факторами: микробной иммиграцией, элиминацией и относительной скоростью размножения его членов. В норме (у здоровых людей), он в первую очередь определяется иммиграцией и элиминацией; при прогрессирующем легочном заболевании местными условиями роста. Взято из Dickson 2014.

Микробиом полости рта является первичным источником для бактериальной микробиоты здоровых легких

Давно установлена и подтверждена распространенность субклинических микроаспираций фарингеальных секретов у здоровых людей . Множество культурально-независимых исследований подтверждают, что микробиом легких больше напоминает таковой в ротоглотке, чем в сообществах конкурирующих источников: вдыхаемом воздухе, носоглотке или нижних отделах ЖКТ (посредством гематогенного распространения). И исследование на отдельных испытуемых, и исследование большой популяционной модели продемонстрировали, что назальный микробиом в норме вносит малый вклад в легочное сообщество ; микробиом носа наиболее близок к микробиому кожи, а не легких. Важно отметить, что такая схожесть между микробиотой легких и полости рта обнаруживается, тогда, когда из легких берется образец посредством интраназального введения бронхоскопа, что означает минимальное влияние загрязнения верхнего дыхательного тракта бронхоскопически привнесенными образцами . Два литра слюны в день, выделяемых в ротоглотке это гораздо больший объем секреции, чем у слизистой носа. Возможно (но не подтверждено), что легочные и назальные микробиологические сообщества становятся схожими при сильной ринорее (к примеру, острые вирусные инфекции или аллергический ринит могут провоцировать обострения легочных заболеваний, связанных с назальными микробами, такими как Staphylococcus aureus и Moraxella catarrhalis).

Изменения легочного микробиома в течение заболевания

Экологические детерминанты микробиома легких — иммиграция, элиминация, состояния местного роста — все они значительно изменяются при острых и хронических заболеваниях легких . Следовательно, при болезни изменяется и легочный микробиом. Во множестве исследований, сравнивающих микробиоту у больных различными заболеваниями легких и ее же у здоровых субъектов, были обнаружены значительные различия в составе микробного сообщества . Было описано увеличение разнообразия сообщества (количества видов) при хронических заболеваниях воздухоносных путей, чаще со сдвигом в составе сообщества от типа Bacteroidetes, доминирующего в микробиоме здоровых легких, к типу Proteobacteria, содержащему множество родственных легочных грамотрицательных бактерий. Исходные различия в легочной микробиоте связаны с важными клиническими проявлениями хронических легочных заболеваний: частотой обострений бронхоэктатической болезни , смертностью при идиопатическом легочном фиброзе , чувствительностью к кортикостероидам и антибиотикам при астме . Актуальные темы для исследования в этой области включают в себя: (1) является ли повреждение легочного микробиома причиной заболевания или же только маркером повреждения и воспаления, (2) возможно ли лекарственно изменять легочный микробиом для снижения частоты обострений или прогрессии заболевания, и (3) может ли быть нарушение разнообразного и динамичного гомеостаза легочной экосистемы единственным доминирующим патогеном для пневмонии . Оригинал статьи References 1. Horikoshi K, Grant WD (1998) Extremophiles: Microbial Life In Extreme Environments: Wiley-Liss. 2. Gleeson K, Eggli DF, Maxwell SL Quantitative aspiration during sleep in normal subjects. Chest. 1997; 111: 1266-1272. pmid:9149581 doi: 10.1378/chest.111.5.1266 3. Huxley EJ, Viroslav J, Gray WR, Pierce AK Pharyngeal aspiration in normal adults and patients with depressed consciousness. Am J Med. 1978; 64: 564-568. pmid:645722 doi: 10.1016/0002-9343(78)90574-0 4. Quinn LH, Meyer OO The relationship of sinusitis and bronchiectasis. s of Otolaryngology- & Neck Surgery. 1929; 10: 152. doi: 10.1001/archotol.1929.00620050048003 5. Amberson JB A clinical consideration of abscesses and cavities of the lung. Bull Johns Hopkins Hosp. 1954; 94: 227-237. pmid:13160680 6. Pasteur L Expériences relatives aux générations dites spontanées. Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences D: Sciences Naturelles. 1860; L: 303-307. 7. Hilty M, Burke C, Pedro H, Cardenas P, Bush A, Bossley C, et al. Disordered microbial communities in asthmatic airways. PLoS One. 2010; 5: e8578. doi: 10.1371/journal.pone.0008578. pmid:20052417 8. Ingenito EP, Solway J, McFadden ER Jr., Pichurko B, Bowman HF, Michaels D, et al. Indirect assessment of mucosal surface temperatures in the airways: theory and tests. J Appl Physiol. 1987; 63: 2075-2083. pmid:3693240 9. Wu H, Kuzmenko A, Wan S, Schaffer L, Weiss A, Fisher JH, et al. Surfactant proteins A and D inhibit the growth of Gram-negative bacteria by increasing membrane permeability. J Clin Invest. 2003; 111: 1589-1602. pmid:12750409 doi: 10.1172/jci200316889 10. Dickson RP, Martinez FJ, Huffnagle GB The role of the microbiome in exacerbations of chronic lung diseases. Lancet. 2014; 384: 691-702. doi: 10.1016/S0140-6736(14)61136-3. pmid:25152271 View Article PubMed/NCBI Google Scholar 11. Lighthart B Mini-review of the concentration variations found in the alfresco atmospheric bacterial populations. Aerobiologia. 2000; 16: 7-16. View Article PubMed/NCBI Google Scholar 12. Munyard P, Bush A How much coughing is normal? Arch Dis Child. 1996; 74: 531-534. pmid:8758131 doi: 10.1136/adc.74.6.531 View Article PubMed/NCBI Google Scholar 13. Dickson RP, Erb-Downward JR, Freeman CM, McCloskey L, Beck JM, Huffnagle GB, et al. Spatial variation in the healthy human lung microbiome and the adapted island model of lung biogeography. Ann Am Thorac Soc. 2015. 14. Dickson RP, Erb-Downward JR, Huffnagle GB Towards an ecology of the lung: new conceptual models of pulmonary microbiology and pneumonia pathogenesis. Lancet Respir Med. 2014; 2: 238-246. doi: 10.1016/S2213-2600(14)70028-1. pmid:24621685 15. Venkataraman A, Bassis CM, Beck JM, Young VB, Curtis JL, Huffnagle GB, et al. Application of a neutral model to assess structuring of the human lung microbiome. MBio. 2015; 6. doi: 10.1128/mbio.02284-14 16. Bassis CM, Erb-Downward JR, Dickson RP, Freeman CM, Schmidt TM, Young VB, et al. Analysis of the upper respiratory tract microbiotas as the source of the lung and gastric microbiotas in healthy individuals. MBio. 2015; 6. doi: 10.1128/mbio.00037-15 17. Morris A, Beck JM, Schloss PD, Campbell TB, Crothers K, Curtis JL, et al. Comparison of the respiratory microbiome in healthy nonsmokers and smokers. Am J Respir Crit Care Med. 2013; 187: 1067-1075. doi: 10.1164/rccm.201210-1913OC. pmid:23491408 18. Segal LN, Alekseyenko AV, Clemente JC, Kulkarni R, Wu B, Chen H, et al. Enrichment of lung microbiome with supraglottic taxa is associated with increased pulmonary inflammation. Microbiome. 2013; 1: 19. doi: 10.1186/2049-2618-1-19. pmid:24450871 19. Dickson RP, Erb-Downward JR, Freeman CM, Walker N, Scales BS, Beck JM, et al. Changes in the lung microbiome following lung transplantation include the emergence of two distinct pseudomonas species with distinct clinical associations. PLoS ONE. 2014; 9: e97214. doi: 10.1371/journal.pone.0097214. pmid:24831685 20. Dickson RP, Erb-Downward JR, Huffnagle GB The role of the bacterial microbiome in lung disease. Expert Rev Respir Med. 2013; 7: 245-257. doi: 10.1586/ers.13.24. pmid:23734647 21. Rogers GB, Zain NM, Bruce KD, Burr LD, Chen AC, Rivett DW, et al. A novel microbiota stratification system predicts future exacerbations in bronchiectasis. Ann Am Thorac Soc. 2014;11:496-503. doi: 10.1513/AnnalsATS.201310-335OC. pmid:24592925 22. Molyneaux PL, Cox MJ, Willis-Owen SA, Mallia P, Russell KE, Russell AM, et al. The role of bacteria in the pathogenesis and progression of idiopathic pulmonary fibrosis. Am J Respir Crit Care Med. 2014; 190: 906-913. doi: 10.1164/rccm.201403-0541OC. pmid:25184687 23. Huang YJ, Nelson CE, Brodie EL, Desantis TZ, Baek MS, Liu J, et al. Airway microbiota and bronchial hyperresponsiveness in patients with suboptimally controlled asthma. J Allergy Clin Immunol. 2011; 127: 372-381 e371-373. doi: 10.1016/j.jaci.2010.10.048. pmid:21194740 24. Goleva E, Jackson LP, Harris JK, Robertson CE, Sutherland ER, Hall CF, et al. The effects of airway microbiome on corticosteroid responsiveness in asthma. Am J Respir Crit Care Med. 2013; 188: 1193-1201. doi: 10.1164/rccm.201304-0775OC. pmid:24024497 25. Dickson RP, Erb-Downward JR, Prescott HC, Martinez FJ, Curtis JL, Lama VN, et al. Analysis of culture-dependent versus culture-independent techniques for identification of bacteria in clinically obtained bronchoalveolar lavage fluid. J Clin Microbiol. 2014; 52: 3605-3613. doi: 10.1128/JCM.01028-14. pmid:25078910