造血干细胞移植中的肺微生物组：免疫相互作用、临床后果与新兴干预措施The lung microbiome in hematopoietic stem cell transplantation: immune interactions, clinical consequences, and emerging interventions - Respiratory Medicine

摘要

亮点

• 肺部并发症仍是造血干细胞移植后非复发死亡率的主要原因。
• 造血干细胞移植会破坏肺微生物组，异基因造血干细胞移植后的生态失调更为持续。
• 肺微生物组失调与移植受者特发性肺炎综合征、闭塞性细支气管炎和急性呼吸窘迫综合征风险相关。
• 低生物量支气管肺泡灌洗样本限制了对造血干细胞移植肺部疾病的微生物组解读。
• 针对微生物组的干预措施在造血干细胞移植中仍具前景但未获证实。

摘要

造血干细胞移植（HSCT）为血液系统恶性肿瘤和免疫疾病提供潜在治愈可能，但肺部并发症仍是非复发发病率和死亡率的主要原因。传统上归因于免疫抑制和移植物抗宿主病（GvHD），这些并发症越来越被认为是肺部微生物群落破坏的结果。越来越多的临床和实验证据表明，由预处理、抗菌药物、免疫损伤和感染驱动的HSCT相关肺微生物组改变与特定的移植后肺表型相关，并在某些队列中与死亡风险相关。这些微生物变化是肺损伤的因果因素还是免疫脆弱性的背景标志物仍不确定，这一区别对微生物组靶向干预具有直接意义。肺部生态失调与感染性和非感染性并发症相关，包括特发性肺炎综合征、闭塞性细支气管炎和纤维化肺疾病。肠-肺微生物组交互可能放大或反映全身免疫功能障碍，但这一关系的方向性尚未完全表征。整合宏基因组学、宏转录组学和代谢组学的多组学方法开始定义区分损伤亚型和预测结果的宿主-微生物组相互作用特征。本综述综合了HSCT后肺微生物组-免疫相互作用的机制见解，批判性地评估了当前证据基础的方法学限制，并评估了微生物组靶向干预措施（包括粪便微生物移植、吸入性后生元和精准抗菌药物）作为移植受者呼吸保护的候选策略，同时承认在此人群中前瞻性干预证据仍然有限。

引言

造血干细胞移植（HSCT）是治疗恶性及非恶性血液系统、免疫和代谢疾病的潜在治愈性疗法。肺部并发症仍是移植后非复发发病率和死亡率最重要的原因之一。

异基因和自体HSCT代表不同的生物学环境。异基因HSCT涉及供体来源的免疫力，具有移植物抗宿主病（GvHD）的特定风险、持续性黏膜损伤、长期免疫抑制和更大的抗菌压力。自体HSCT不涉及同种异体GvHD，但仍与化疗引起的上皮损伤、中性粒细胞减少、感染风险和微生物群落的暂时性破坏相关。这种生物学差异对本文回顾的证据具有直接解释意义：移植后肺微生物组研究主要在异基因受者中进行，而最大的多中心队列——产生最有力的微生物组-免疫关联的队列——主要纳入儿科人群，使成年异基因和自体HSCT中的肺微生物组特征不足。

肺部并发症影响高达50%的HSCT受者，包括感染性和非感染性实体，这些实体在时间、临床表现、影像学特征和生物途径方面经常重叠。感染性并发症，包括细菌、真菌和病毒，在中性粒细胞减少和黏膜屏障破坏最严重的预植和早期植活阶段占主导地位。非感染性综合征，包括特发性肺炎综合征（IPS）、弥漫性肺泡出血（DAH）、机化性肺炎、间质性肺疾病和闭塞性细支气管炎（BOS），出现在所有移植后阶段，反映的是免疫介导而非纯微生物损伤。IPS在严重表现中死亡率超过80%；BOS作为慢性GvHD中晚期非复发死亡的主要原因，报告死亡率为45%。预处理相关的上皮和内皮损伤、中性粒细胞减少、免疫重建延迟、抗菌药物暴露、呼吸道病毒感染、GvHD和长期免疫抑制的综合效应塑造了这一异质且经常重叠的临床局面。

移植后肺损伤的病理生理学反映了预处理相关的上皮和内皮损伤、供体来源的免疫激活以及失调的细胞因子信号的汇聚。预处理方案使肺微环境对炎症性损伤更加敏感，如临床前异基因HSCT模型中对LPS诱导的肺损伤的易感性增加所示。IL-6/sIL-6R/JAK1/STAT3轴已特别涉及预处理相关的肺损伤，IL-6阻断可减少实验模型中的肺泡炎症和微血管损伤。GvHD贡献了额外的免疫介导损伤，包括在中性粒细胞植活期间可通过三维计算机断层扫描检测到的亚临床气道重塑、与异常巨噬细胞极化和组织重塑相关的失调B细胞反应，以及在γ疱疹病毒再激活背景下促进肺炎和肺纤维化的Th17极化。肺泡巨噬细胞功能障碍，部分由预处理后升高的前列腺素E2（PGE2）驱动，通过PGE2介导的机制损害细菌清除和中性粒细胞胞外陷阱形成，这种机制在植活后持续存在。

这些免疫学过程并非独立于微生物环境而运行。肺部持续被低密度微生物群落定植，其组成受上呼吸道、肠道、环境暴露和局部免疫选择的影响。HSCT通过预处理、广谱抗菌药物、黏膜损伤和免疫抑制，深刻破坏这种生态，创造条件使机会性生物扩增，共生菌被清除，微生物群落通常提供的免疫调节信号丧失。这些微生物扰动是肺损伤的独立贡献者、免疫脆弱性的生物标志物，还是严重疾病的表象，仍是未解决的核心问题，也是本综述旨在考察的问题。

在此背景下，肺微生物组和肠-肺轴为重新审视HSCT后的肺部并发症提供了一个集中框架，不是取代免疫学或抗菌方法，而是作为可能塑造宿主脆弱性、使病原体动态复杂化并可能提供新干预靶点的病理生理学的额外维度。本综述在三个方面超越了对HSCT相关肺微生物组破坏的总结：通过系统评估限制从现有证据进行因果推断的方法学约束、采样、污染、组成偏差和研究设计；通过整合异基因与自体的区别；以及通过评估微生物组靶向策略的转化潜力，以HSCT人群中已明确证实的标准为基准。通过这样做，我们旨在提供一个批判性基础的综合，不仅对移植临床医生有用，而且对那些设计下一代机制和干预研究的人有用。

1.1 HSCT中的肺微生物组：免疫相互作用和肠-肺轴

肺部最好被理解为低生物量生态界面而非无菌隔室。其微生物信号反映了上气道通过吸入和微吸入的移民、通过纤毛清除和免疫防御的清除以及气道微环境内局部生长选择之间的平衡。在健康状态下，这种平衡产生低密度群落，富含口腔相关共生菌如普雷沃菌属（Prevotella）、韦荣球菌属（Veillonella）和链球菌属（Streptococcus）。真菌和病毒群落增加了额外的跨王国信号，可能影响微生物平衡和黏膜免疫张力。在HSCT环境中，关键问题不是定植菌的目录，而是这种生态平衡在上皮损伤、抗菌压力、免疫抑制和免疫重建条件下的脆弱性。

HSCT在几个临床汇聚层面上扰乱这种平衡。预处理损伤和黏膜炎改变上皮屏障完整性；广谱抗菌药物减少定植抗性并选择耐药生物；中性粒细胞减少、GvHD、皮质类固醇和延迟的免疫重建损害微生物清除；而误吸、ICU暴露和纤毛功能障碍可能增加下呼吸道微生物负荷。这些压力有利于生态不稳定，并可能允许机会性细菌、真菌或病毒在下呼吸道扩增。

微生物-免疫串扰提供了将这些生态变化与移植后肺部脆弱性联系起来的机制框架。微生物配体与上皮和先天免疫模式识别途径相互作用，而肺泡巨噬细胞、树突状细胞、中性粒细胞和T细胞亚群协调抗菌防御、炎症修复和组织损伤反应。微生物代谢物增加了额外的调节层：肠道衍生的短链脂肪酸可能支持全身黏膜免疫张力，但它们在肺部的作用取决于区室、浓度、时间和炎症状态，不应假定为普遍保护性。这些上皮、先天、适应性、微生物和代谢相互作用在图2中示意性地总结。总体而言，这些上皮、先天、适应性、微生物和代谢相互作用为解释HSCT相关肺生态失调、肠-肺串扰及其与移植后肺部结果的潜在联系提供了概念基础。

1.2 HSCT中的肠-肺轴

肠-肺轴为理解HSCT后肠道、口腔和肺部微生物生态系统如何相互作用提供了一个框架。在此环境中，肠道屏障破坏、口腔微生物失衡、全身炎症和肺部免疫脆弱可能并行发生，将肠外微生物失调与呼吸风险联系起来。实验证据支持这种串扰的生物学可行性：无菌小鼠模型表明，微生物定植可能有助于正常肺发育，包括肺泡成熟和实质结构复杂性。

口腔-肺微生物交换提供了另一种交互途径。口腔微生物可能通过微吸入到达下呼吸道，在那里它们可以改变微生物定植并调节呼吸免疫反应。在HSCT受者中，这一过程在临床上尤为重要，因为黏膜损伤、清除受损、抗菌暴露和免疫抑制可能增加口腔、肠道和肺部微生物信号的汇聚。这些观察共同支持一个模型，其中肠道生态失调、口腔-肺微生物交换和肺部免疫损伤可能在HSCT后相互强化（图3）。与误吸相关的微生物转移进一步支持了口腔和肺部健康之间的关系。然而，肠道-肺部微生物破坏是预测、介导还是仅仅反映移植后肺损伤，仍未解决。

在这一改变的宿主-微生物景观中，HSCT受者的呼吸道微生物组研究表明共生菌减少，同时变形菌门（Proteobacteria）和呼吸道病原体的检测增加。这些微生物变化已与局部免疫激活和炎症损伤标志物相关联，但其解释仍受到队列组成、采样背景和BAL的低生物量性质的约束。现有证据主要来自儿科和异基因HSCT队列；自体受者是否经历可比的、更短暂的或临床独特的下呼吸道生态失调，仍未得到充分表征。

由于大部分证据来自低生物量BAL样本，其解释取决于确定微生物信号能否与污染、定植或暂时性微生物DNA区分的方法学保障。

1.3 HSCT肺微生物组研究中的方法学限制

支气管肺泡灌洗液是一种低生物量样本类型，使微生物谱型易受口咽携带、支气管镜或程序相关污染、试剂污染、批次效应和测序伪影的影响。这些问题在HSCT受者中被放大，因为在这些患者中，黏膜炎、抗菌暴露、中性粒细胞减少、GvHD、纤毛清除受损、ICU暴露和免疫重建可能同时重塑口腔、肠道和肺部微生物群落。临床医生和研究人员不应自动将BAL中检测到的微生物DNA解释为可行定植、活动性感染或因果生态失调的证据；这些发现必须与微生物负荷、培养数据、靶向PCR、真菌标志物、病毒载量、影像学发现、炎症表型、抗菌暴露和整体临床背景一起评估。

除了程序性污染外，肺微生物组的生态架构引入了第二层解释复杂性。肺微生物组持续受上呼吸道和上气道的移民、咳嗽、纤毛清除和宿主免疫力的清除以及气道微环境中局部生长条件的影响。因此，BAL信号可能反映真实的下气道群落、微吸入、暂时性微生物DNA、炎症相关扩增或采样污染。最近的儿科HSCT后肺损伤配对鼻-BAL数据进一步证明上气道和支气管肺泡微生物-转录组信号之间有限的一致性，表明当评估肺泡生物学时，鼻或上气道样本不能简单替代BAL。

技术和分析异质性也限制了跨研究的可比性。基于测序的方法，包括16S rRNA扩增子测序、鸟枪宏基因组学、宏转录组学和临床宏基因组下一代测序（mNGS），在分类分辨率、功能推断、检测可行生物的能力、对宿主DNA的敏感性以及对污染的易感性方面存在显著差异。基于培养的方法提供互补优势，包括检测可行生物和抗生素敏感性分析，但遗漏不可培养的分类群、厌氧菌、病毒和低丰度共生菌。没有单一方法能捕捉完整的微生物组，平台的选择引入了限制跨研究可比性的系统偏差。此外，微生物组数据是组合性的，这意味着相对丰度变化不一定代表绝对微生物扩增或耗竭。这在广谱抗生素后尤为重要，其中总微生物生物量减少可能使耐药生物、真菌、病毒或污染物显得相对富集。

未来的HSCT肺微生物组研究应通过标准化BAL采集协议、配对上气道样本、提取空白、无模板对照、模拟群落、绝对生物量量化、批次感知测序设计和透明去污染管道来解决这些约束。需要从一开始就按移植类型分层的纵向设计，以区分伴随严重疾病的微生物标志物与预测、介导或修饰肺部并发症的微生物标志物。异基因和自体HSCT代表生物学上不同的免疫-微生物环境，不应在没有分层的情况下合并；此类设计还应整合预处理强度、抗菌暴露、黏膜炎严重程度、GvHD等级、病毒再激活、免疫细胞谱和临床结果。

下表（表1）总结了临床和临床前研究中调查HSCT受者和实验HSCT模型中肺微生物组改变的关键发现。详细的研究特征见补充表1。

表1 HSCT后肺微生物组生态失调和肺部并发症的临床和临床前研究关键发现

讨论

肺部并发症仍是HSCT后非复发发病率和死亡率的主要来源，但其生物学基础不能仅用免疫抑制和机会性感染来解释。本文回顾的证据支持一个更综合的模型，其中上皮损伤、免疫功能障碍、抗菌压力和微生物生态破坏在移植后肺部相互作用。在现有研究中，HSCT相关肺微生物组改变的特征是失去共生菌为主导的群落结构、机会性分类群的富集和宿主炎症标志物，在儿科异基因队列中，这些与不良结果相关。这些微生物变化是直接导致肺损伤、标记免疫脆弱性还是反映疾病严重程度仍不确定，这定义了该领域的一个中心方法学挑战。

这种不确定性尤为重要，因为最强有力的证据来自主要在儿科和异基因人群中进行的低生物量BAL研究。异基因和自体受体之间的直接比较仍然有限，横断面BAL数据不能区分直接抗菌效果、耐药生物的生态释放、免疫介导的选择压力或疾病严重程度。因此，当前文献支持肺微生物组谱型作为有希望的病理生物学和预后框架，但尚未作为经过验证的因果或治疗靶点。

来自异基因HSCT队列的前瞻性证据已将减少的预植肠微生物多样性和粪便中γ-变形菌门（γ-Proteobacteria）的优势与随后的肺部浸润相关联，在某些分析中与死亡率相关，表明肠道微生物组组成可能携带有关呼吸脆弱性的预测信息。机制上，肠道生态系统炎症破坏有利于肠杆菌科（Enterobacteriaceae）扩增，而肺微生物组中肠道相关细菌的富集已与危重疾病和急性呼吸窘迫综合征（ARDS）中的炎症性肺损伤相关联。这些发现将粪便中γ-变形菌门优势定位为HSCT后肠-肺失调的候选生物标志物，尽管因果机制尚未完全解决。

HSCT后微生物组扰动还创造了有利于感染性和非感染性肺部并发症的环境。肺部共生菌的耗竭与特发性肺炎综合征、闭塞性细支气管炎和急性呼吸窘迫综合征易感性增加相关。最近的mNGS研究已确定肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、卡氏肺孢子菌以及潜伏病毒包括EB病毒、巨细胞病毒和人类疱疹病毒6型作为HSCT后肺部感染的常见贡献者。在免疫重建期间持续的病毒再激活可能进一步放大炎症级联，加速肺损伤。

HSCT后肺部感染的诊断格局反映了敏感性和可解释性之间的基本张力。传统基于培养的方法在有先前抗菌暴露的患者中表现不佳，无法检测宏基因组下一代测序（mNGS）常规识别的非培养病原体的全部谱系。然而，mNGS无差别地产生信号，定植生物、污染物和真正病原体在测序输出中看起来相似，其临床效用完全取决于应用于其结果的解释框架。在HSCT后环境中，免疫抑制、黏膜损伤和抗菌暴露同时重塑口腔、肠道和肺部微生物组，区分感染、定植和污染很少是直接的。目前最合理的立场是，mNGS在诊断不确定的情况下作为高灵敏度辅助手段，而非培养为基础评估的一线替代品。

微生物组破坏和先天免疫功能障碍的相互作用在肺泡巨噬细胞（AM）水平上可能最为明显。预处理后PGE2升高通过抑制NADPH氧化酶和TLR信号损害AM吞噬功能，创造一种细菌摄取保留但细胞内杀伤丧失的悖论。结果是持续的细菌负担、慢性先天免疫激活和自我强化的炎症状态，抗菌药物本身无法解决。靶向这一轴，通过抑制CD47-SIRPα检查点或PGE2信号通路，代表了一个有机制基础的治疗机会，尚未在HSCT受者中前瞻性评估。

口腔和肠道微生物组紊乱提供了微生物失调可能与HSCT后肺部结果相交的额外、部分独立的途径。口腔生态失调，以肠球菌科过度生长和链球菌属和奈瑟菌属耗竭为标志，已与HSCT受者更差的呼吸结果相关，可能通过口腔病原体微吸入到下呼吸道。小鼠模型表明，牙周炎诱导的口腔生态失调加剧全身炎症并加速慢性GvHD进展，为将口腔微生物组监测作为移植护理组成部分提供了临床前依据。肠道微生物组贡献了肺部脆弱性的额外和部分独立维度：抗生素驱动的共生厌氧菌耗竭、短链脂肪酸产生减少以及色氨酸和次级胆汁酸代谢的破坏都已与黏膜免疫调节受损和肺部并发症易感性增加相关联。这些发现强化了基于微生物组的干预措施（如粪便微生物移植和代谢物导向疗法）的潜在治疗相关性，尽管在HSCT后肺部环境中的直接证据仍然有限。

粪便微生物移植已在血液恶性肿瘤和HSCT相关背景中作为微生物群落恢复策略进行了探索，有证据支持其对类固醇难治性GvHD结肠炎的有效性，但直接肺部益处尚未得到证实。安全档案在移植类型之间差异很大：异基因受者承担供体-宿主免疫复杂性、持续免疫抑制和理论上移植物植入干扰的风险的额外负担，而自体受者具有更可预测的免疫重建且无同种异体轴，可能代表更可行的早期肺部微生物组干预试验人群。吸入性益生菌和后生元已成为肺免疫调节的候选调节剂，鼻内给予热灭活的乳杆菌约翰逊ii在临床前HSCT模型中已证明对肺炎和纤维化具有保护作用。多药耐药肺部感染的日益普遍重新引发了人们对噬菌体疗法的兴趣：噬菌体提供了高度特异、保留微生物组的广谱抗生素替代品，气溶胶噬菌体疗法已在最近的临床报告中成功根除多药耐药铜绿假单胞菌。噬菌体配方的标准化、开发适应性鸡尾酒以对抗细菌耐药性以及在免疫抑制人群中的安全性评估代表了临床应用的主要障碍。

应用于多组学数据集的机器学习方法，整合BAL宏转录组学、宿主基因表达、细胞因子谱和临床变量，已在儿科HSCT后肺损伤中证明了死亡风险分层的判别价值，如Zinter等人报告的随机森林分类器所示。将此类模型扩展到前瞻性临床队列，验证其在不同移植类型和年龄组中的性能，并整合宿主遗传变异（包括与HSCT后肺部易感性相关的ACE和NOD2多态性），代表了方法学上可行的下一步。AI辅助解释实时mNGS数据是否最终能够指导个体患者的病原体导向抗菌选择或微生物组靶向干预，仍有待前瞻性评估。

作为一种未来药物输送的推测性前景，可吸入生物杂化微型机器人已在非移植宿主的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）肺炎临床前小鼠模型中证明了高杀菌活性和延长的组织保留。在免疫抑制或移植人群中尚无数据，且显著的转化障碍，包括免疫介导的清除、生物相容性和可扩展生产，仍未解决。此类平台是否最终能够适应HSCT后肺疾病的靶向抗菌递送或微生物组恢复仍完全是推测性的。

总体而言，回顾的证据确立了HSCT后肺微生物组组成系统性改变，并与特定的宿主炎症程序相关，在儿科异基因队列中与死亡率相关。然而，因果方向性、肺与肠微生物组破坏的相对贡献以及对成人和自体人群的发现的可推广性仍未完全解决。在推荐微生物组靶向干预（如FMT、吸入性后生元或噬菌体疗法）作为HSCT护理的辅助策略之前，该领域需要按移植类型分层的纵向和干预研究，纳入标准化BAL和配对黏膜采样、验证的去污染管道、绝对微生物生物量量化、免疫谱分析和临床有意义的终点。微生物组靶向干预是否最终将减少HSCT后肺部发病率仍未知，但当前文献提供了足够的机制连贯性和临床相关性，证明进行严格的前瞻性研究是合理的。

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