Re: 기도와 폐의 microbiome... 2016 nature!!

[문형철]

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• Review
• Published: 14 December 2016

The respiratory tract microbiome and lung inflammation: a two-way street

• G B Huffnagle, 
• R P Dickson & 
• N W Lukacs 

Mucosal Immunology volume 10, pages299–306 (2017)Cite this article

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Abstract

The lungs are not sterile or free from bacteria; rather, they harbor a distinct microbiome whose composition is driven by different ecological rules than for the gastrointestinal tract. During disease, there is often a shift in community composition towards Gammaproteobacteria, the bacterial class that contains many common lung-associated gram-negative "pathogens." Numerous byproducts of host inflammation are growth factors for these bacteria. The extracellular nutrient supply for bacteria in the lungs, which is severely limited during health, markedly increases due to the presence of mucus and vascular permeability. While

Gammaproteobacteria benefit from airway inflammation, they also encode molecular components that promote inflammation, potentially creating a cyclical inflammatory mechanism. In contrast, Prevotella species that are routinely acquired via microaspiration from the oral cavity may participate in immunologic homeostasis of the airways.vAreas of future research include determining for specific lung diseases (1) whether an altered lung microbiome initiates disease pathogenesis, promotes chronic inflammation, or is merely a marker of injury and inflammation, (2) whether the lung microbiome can be manipulated therapeutically to change disease progression, (3) what molecules (metabolites) generated during an inflammatory response promote cross-kingdom signaling, and (4) how the lung "ecosystem" collapses during pneumonia, to be dominated by a single pathogen.

초록

폐는 무균 상태가 아니며

세균으로부터 자유롭지 않습니다.

오히려 폐는 위장관과 다른

생태학적 규칙에 의해 구성되는

독특한 미생물군집을 보유하고 있습니다.

질병 발생 시 폐 미생물군집의 구성은

폐와 관련된 많은 그람음성 '병원체'를 포함하는 세균 계통인

감마프로테오박테리아(Gammaproteobacteria)로 이동하는 경향이 있습니다.

호스트의 염증 반응에서 생성되는 수많은 대사산물은

이러한 세균의 성장 인자로 작용합니다.

폐 내 세균의 세포외 영양 공급원은

건강 상태에서는 극히 제한적이지만,

점액과 혈관 투과성 증가로 인해 염증 시 크게 증가합니다.

감마프로테오박테리아는

기도 염증으로부터 이익을 얻지만,

염증을 촉진하는 분자 구성 요소를 암호화하여 순환적 염증 메커니즘을 생성할 수 있습니다.

반면,

구강에서 미세 흡입을 통해 일상적으로 획득되는 Prevotella 종은

기도 면역 균형에 참여할 수 있습니다.

미래 연구 분야에는 특정 폐 질환에 대해

(1) 폐 미생물군이 질병 발병을 유발하는지, 만성 염증을 촉진하는지, 아니면 단순히 손상 및 염증의 지표인지,

(2) 폐 미생물군이 치료적으로 조작되어 질병 진행을 변경할 수 있는지,

(3) 염증 반응 중에 생성되는 분자(대사산물)가 종간 신호전달을 촉진하는지,

(4) 폐 “생태계”가 폐렴 동안 어떻게 붕괴되어 단일 병원체에 의해 지배되는지입니다.

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Overview

Until very recently, it was believed that the lungs were sterile or free from bacteria.1 This would be a truly remarkable fact, if true, considering that there is virtually no environmental niche on earth which is so extreme (in oxygen, pH, hydrophobicity, temperature, salinity, predators, nutrient scarcity, etc.) that bacterial communities cannot been found.2 Furthermore, the lower airways are warm, moist surfaces centimeters past the oral and nasal cavities, which are both bacteria-rich environments over which there is a constant flow of microaersosol-generating air and fluid. Microaspiration is well-documented to occur in healthy, asymptomatic subjects.3, 4, 5, 6 Since the first culture-independent report of a "lung microbiome" in healthy subjects,7 well over 50 published studies using molecular techniques for bacterial identification have found evidence of bacteria in the lower airways. No modern study has found evidence of a sterile lung environment. Thus, a better understanding of the nature and impact of the lung microbiome during health and disease may provide important information for diagnostic and/or therapeutic approaches.

Much more is known about the microbiome of the gastrointestinal (GI) tract than that of the lungs, largely due to non-invasive access to samples, ease of collecting serial samples and the high bacterial biomass in the samples. Thus, the principles of host-microbe interactions in the gut are sometimes presented as a universal model. While the lungs and GI tract share embryological origin and both contain mucosa-lined luminal surfaces, their anatomic as well as their macroscopic, microscopic and biochemical features are quite distinct. This results in marked differences in the composition and population dynamics of their respective microbiomes.

During health, migration of microbes in the digestive tract is from the mouth to the anus (i.e., "unidirectional") across a variety of physical and chemical barriers. For example, orally-introduced microbes must survive the acidic pH of the stomach followed by the alkaline pH of the duodenum during transit to the cecum and colon; at which point, they must ultimately compete for resources within the densely populated microbial communities of the large intestine. The lungs are a different story. The movement of air, mucus and microorganisms in the lungs occurs with minimal physical barriers between the larynx and the most distal sites in the alveoli. This flow occurs in both directions (i.e., "bidirectional"). The end result is that the bacterial populations of the lungs are more dynamic than that those found in the lower GI tract and the opportunity to establish colonization is quite different.

The gut and lungs also have markedly different environmental conditions on their epithelial surfaces, which results in markedly different microbial communities and immune system interactions.1, 8 The gastrointestinal tract is of uniform temperature (37 °C) throughout its entire length, while the epithelial surfaces of the upper and lower airways exist in a temperature gradient that ranges from ambient temperature at the point of inhalation to core body temperature in the alveoli. While the gut is anaerobic, the lungs are aerobic (during health). The epithelial surfaces of the trachea and bronchi are mucus-covered, similar to the GI tract; however, the vast majority of the lung’s surface area (the alveoli) is coated with surfactant, a lipid-rich substance that has bacteriostatic effects against select bacterial species. Luminal IgA levels are also far higher in the gut. Finally, while the epithelial and sub-epithelial tissues of the lungs and gut both harbor significant resident leukocyte populations, the extra-epithelial luminal surfaces of the gut are largely devoid of leukocytes during health. In sharp contrast, a resident phagocyte population (alveolar macrophages) actively patrol the luminal surfaces of the alveoli during health.

The emerging model for understanding the factors that control the lung microbiome during health and disease, as well as the effect of these changes on inflammatory processes and vice-versa, is that of an immunoecology "Life in Antarctica" model.8, 9 In other words, similar to the story of human presence in Antarctica, there is constant viable bacterial presence in the lungs when healthy with little evidence for true long-term colonization of the lower airways. However, if the physical features of Antarctica were to change and provide for the nutritional needs of the population, long-term human colonization would be possible. Similarly, if there is a change in the physical, metabolic and predatory/defense features of the lung environment, then long-term bacterial colonization is possible. A developing question for researchers will be whether the colonization within the lung during times of stress is a cause or effect scenario and whether it contributes to the ongoing immune responses.

개요

최근까지

폐는 무균 상태이거나 세균이 존재하지 않는다고 믿어져 왔습니다.1

만약 이 사실이 맞다면,

지구상에서 산소, pH, 친수성, 온도, 염분 농도, 포식자, 영양분 부족 등

모든 조건이 극단적으로 불리한 환경에서 세균 군집이 발견되지 않는다는 것은

정말 놀라운 사실일 것입니다. 2

또한 하부 호흡기는

구강과 비강에서 몇 센티미터 떨어진 따뜻한 습한 표면으로,

세균이 풍부한 환경이며

미세 에어로졸을 생성하는 공기 및 체액의 지속적인 흐름이 존재합니다.

미세 흡입은 건강한 무증상 대상자에서 잘 기록되어 있습니다.3, 4, 5, 6 건강한 대상자에서 “폐 미생물군집”을 보고한 첫 번째 배양 독립적 연구 이후,7 분자 기술을 사용한 세균 식별 연구 50건 이상이 하부 기도에 세균의 존재를 확인했습니다.

현대 연구에서

무균 폐 환경의 증거는 발견되지 않았습니다.

따라서

건강과 질병 상태에서 폐 미생물군의 본질과 영향에 대한 더 깊은 이해는

진단 및/또는 치료 접근법에 중요한 정보를 제공할 수 있습니다.

위장관(GI) 미생물군에 대한 지식은

폐 미생물군에 비해 훨씬 더 풍부합니다.

이는 비침습적 샘플 채취, 연속 샘플 수집의 용이성, 샘플 내 높은 세균 생물량 때문이며,

따라서 장 내 호스트-미생물 상호작용의 원리가 보편적 모델로 제시되기도 합니다.

폐와 GI 트랙은

발생학적 기원을 공유하며 모두 점막으로 덮인 내강 표면을 가지고 있지만,

해부학적 및 거시적, 미시적, 생화학적 특징은 크게 다릅니다.

이는 각각의 미생물군집의 구성과 인구 역학에

현저한 차이를 초래합니다.

건강 상태에서 소화관 내 미생물의 이동은

입에서 항문으로(즉, '일방적') 다양한 물리적 및 화학적 장벽을 통과합니다.

예를 들어,

구강으로 도입된 미생물은

위의 산성 pH를 견뎌낸 후 십이지장의 알칼리성 pH를 통과해 맹장과 대장으로 이동하며,

이 과정에서 대장의 밀집된 미생물 군집 내에서 자원을 경쟁해야 합니다.

폐는

다른 경우입니다.

폐에서 공기, 점액 및 미생물의 이동은

후두와 폐포의 가장 먼 부위 사이에서

물리적 장벽이 거의 없이 발생합니다.

이 흐름은 양방향(즉, “양방향”)으로

진행됩니다.

결과적으로 폐의 세균 군집은

하부 소화관보다 더 동적이며,

정착을 확립할 수 있는 기회가 크게 다릅니다.

장 및 폐는

상피 표면의 환경 조건이 현저히 달라

미생물 군집과 면역 체계 상호작용도 크게 다릅니다.1, 8

소화관은 전체 길이에 걸쳐 일정한 온도(37°C)를 유지하지만,

상부 및 하부 기도의 상피 표면은 흡입 시 주변 온도에서 폐포의 체핵 온도까지 온도 차이를 보입니다.

장 내부는 무산소 환경이지만,

폐는 건강 상태에서는 산소 환경입니다.

기관지와 기관지의 상피 표면은 위장관과 유사하게 점액으로 덮여 있지만,

폐 표면적의 대부분(폐포)은

특정 세균 종에 대해 세균 증식을 억제하는 지질 풍부한 물질인

표면활성제로 덮여 있습니다.

폐 알베올라형 II형(AT-II) 세포는 단백질과 지질로 구성된 폐 표면활성제(PS)를 생성합니다. PS 내의 지질은 주로 폐 알베올라 내부의 공기-액체 표면 장력을 감소시키고 폐 붕괴(atelectasis)를 방지하는 역할을 합니다. 단백질은 친수성과 소수성 두 가지 유형으로 나뉩니다. 친수성 표면활성제는 주로 오psonisation을 통해 폐를 미생물 및 환경 오염물질로부터 보호하는 역할을 합니다. 소수성 표면활성제는 호흡 기능을 주로 담당합니다. 중증 급성 호흡기 증후군 코로나바이러스-2(SARS-CoV-2)는 폐의 ACE-2 수용체를 통해 폐로 침투하여 AT-II 세포에서 복제되며, 이는 코로나바이러스 질환-2019(COVID-19)의 병인을 유발합니다. SARS-CoV-2 바이러스는 AT-II 세포를 손상시켜 PS 생산이 감소합니다. COVID-19 환자의 급성 호흡곤란 증후군(ARDS)의 임상 증상은 신생아 호흡곤란 증후군(NRDS)과 유사합니다. PS 치료는 NRDS의 첫 번째 치료 옵션으로 사용되며, ARDS 환자에서 잘 견디지만 효과는 명확하지 않습니다. 지난 70년간 자연적/합성 PS 생산 및 PS를 폐에 직접 전달하는 시스템 개발, PS 수준과 호흡기 질환 간의 연관성 연구가 활발히 진행되어 왔습니다. 현재 COVID-19 팬데믹 상황 속에서 전 세계 과학계는 임상 결과를 개선하기 위한 효과적인 치료 옵션을 탐색 중입니다. PS가 폐의 항상성과 감염에 미치는 역할에 대한 강력한 과학적 및 증거 기반 배경 하에, COVID-19에서의 PS 기능을 평가하기 위한 몇 가지 임상 시험이 시작되었습니다. 본 연구에서는 폐 생리학과 감염에 대한 PS의 데이터를 COVID-19 환자에서의 잠재적 치료적 이점과 연결합니다.

그림 2. 코로나19(COVID-19) 시 폐 알베올의 병리학적 변화 (A) 정상적인 알베올은 적혈구를 포함한 모세혈관으로 둘러싸여 있습니다. 알베올 내의 산소는 모세혈관 내의 이산화탄소와 교환됩니다. 알베올 표면에는 알베올 유형 I 세포와 유형 II 세포가 존재합니다. 유형 I 세포는 가스 교환을 가능하게 합니다. Type II 세포는 폐 표면활성제(PS)를 분비합니다. PS는 폐포를 덮어 폐포가 붕괴되지 않도록 합니다. (B) 중등도 감염된 폐에서 폐포 Type II 세포가 염증으로 인해 폐 표면활성제 분비가 감소합니다. 폐포 내 표면 장력과 압력이 증가하여 가스 교환에 영향을 미칩니다. 모세혈관의 확장(vasodilation)이 발생하여 염증성 사이토카인의 분비와 단백질 풍부한 체액의 폐포 내 축적이 발생합니다(C) 심하게 감염된 폐에서는 폐포 유형 II 세포가 더 심하게 염증으로 인해 폐 표면 활성제의 완전한 손실이 발생합니다. 폐포 표면에 흉터 조직이 형성되기 시작합니다. 염증성 사이토카인의 분비가 증가하며, 폐포 내부에 단백질 풍부한 체액이 더 많이 축적됩니다. 산소/이산화탄소 교환이 크게 방해받기 때문에 이 단계의 환자는 호흡을 돕기 위해 기관 내 삽관을 받아야 합니다.

장 내강 IgA 수준은

장에서 훨씬 높습니다.

마지막으로,

폐와 장의 상피 및 하상피 조직 모두에 상당한 수의 상주 백혈구 군집이 존재하지만,

장의 상피 외 내강 표면은 건강 상태에서 백혈구가 거의 없습니다.

반면, 폐의 폐포 내강 표면은

건강 상태에서 상주 식세포 군집(폐포 대식세포)이

적극적으로 순찰합니다.

건강과 질병 상태에서

폐 미생물군집을 조절하는 요인 및 이러한 변화가

염증 과정에 미치는 영향, 그리고 그 반대의 관계를 이해하기 위한 새로운 모델은

면역생태학 '남극의 생명' 모델입니다.8, 9

즉,

인간이 남극에 존재하는 이야기와 유사하게,

건강한 상태에서 폐에는 지속적인 생존 가능한 세균이 존재하지만

하부 기도의 진정한 장기 정착 증거는 거의 없습니다.

그러나

남극의 물리적 특성이 변화하여 인구에게 영양적 요구를 충족시킨다면

장기적인 인간 정착이 가능할 것입니다.

마찬가지로,

폐 환경의 물리적, 대사적 및 포식/방어 특성이 변화한다면

장기적인 세균 정착이 가능할 것입니다.

연구자들에게 제기되는 주요 질문은

스트레스 상황에서 폐 내 세균 정착이 원인인지 결과인지,

그리고 이것이 지속적인 면역 반응에 기여하는지 여부입니다.

The nasal microbiome

The resident nasal bacterial microbiome in healthy adults is largely distinct from that found in the oral cavity and shares membership with that of the skin microbiome (Figure 1).10, 11, 12, 13 In the culture-independent 16S rRNA amplicon sequencing surveys of 300 healthy adults performed by the Human Microbiome Project, as well as similar sequencing studies from our group and others,11, 12, 14 the most commonly found and dominant members of the nasal microbiota were drawn from the following genera: Propionibacteria, Corynebacteria, Staphylococcus, and Moraxella. This is consistent with decades of culture-based analyses of the nasal microbiota. The Human Microbiome Project metagenomic studies could further speciate the major colonizing organisms as P. acnes, C. accolens, C. kropenstedtii, S. aureus, and S. epidermitidis.11 In studies by Charlson et al., the bacterial communities in the nasopharynx (as well as the oropharynx) were significantly different in smokers compared with non-smokers, both in terms of membership and distribution.12 Aging and disease processes, such as chronic rhinosinusitis, can also markedly alter the nasal microbiota.15, 16 Bisgaard et al. reported that blood eosinophil counts and total IgE at 4 years of age were significantly increased in children colonized neonatally with S. pneumoniae, M. catarrhalis, H. influenzae, or a combination of these organisms.17 Furthermore, the preval‎ence of asthma and the reversibility of airway resistance after β2-agonist administration at 5 years of age were significantly increased in the children colonized neonatally with these organisms as compared with the children without such colonization.

비강 미생물군집

건강한 성인의 비강에 상주하는 세균 미생물군집은

구강에서 발견되는 것과 크게 다르며,

피부 미생물군집과 구성원을 공유합니다 (그림 1). 10, 11, 12, 13 

인간 미생물군집 프로젝트(Human Microbiome Project)에서

300명의 건강한 성인을 대상으로 수행된

배양 독립적 16S rRNA 증폭자 시퀀싱 조사 및 우리 연구팀과 다른 연구진의 유사한 시퀀싱 연구11, 12, 14에서,

비강 미생물군집에서 가장 흔히 발견되고 우점하는 종은 다음과 같은 속으로부터 유래되었습니다: 

Propionibacteria, Corynebacteria, Staphylococcus, 및 Moraxella.

이는 수십 년간의 배양 기반 분석 결과와 일치합니다.

인간 미생물군집 프로젝트의 메타게놈 연구는

주요 정착 미생물을 

P. acnes, C. accolens, C. kropenstedtii, S. aureus, 및 S. epidermitidis로 추가 분류했습니다.11 

Charlson et al.의 연구에서,

비강인두(구인두 포함)의 세균 군집은

흡연자와 비흡연자 간에 구성과 분포 측면에서 유의미하게 달랐습니다. 12 

노화 및 만성 부비동염과 같은 질병 과정은

비강 미생물군집을 크게 변화시킬 수 있습니다.15, 16 

Bisgaard et al.은 신생아기 때 

S. pneumoniae, M. catarrhalis, H. influenzae 또는

이 미생물들의 조합으로 식민화된 어린이의 4세 시점 혈액 호산구 수치와

총 IgE 수치가 유의미하게 증가했다고 보고했습니다. 17 

또한,

신생아기 때 이러한 미생물에 의해 식민화된 어린이들은

식민화되지 않은 어린이에 비해 5세 시점의 천식 유병률과

β2-아고니스트 투여 후 기도 저항성의 가역성이 유의미하게 증가했습니다.

Figure 1

Comparison of the anatomy and bacterial microbiomes of the upper regions of the aerodigestive tract in humans. Bacterial composition is shown at the phylum-level. Gammaproteobacteria are a class in the Proteobacteria phylum. Arrows depict flow of air and microaerosols, with a greater contribution in most individuals during health coming from the oral cavity.

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The oral microbiome

While not discussed in this review, the human oral cavity contains a number of different microbiological habitats that range from the teeth and gingival pockets to the tongue, cheeks and tonsils as well as the hard and soft palates.18 Numerous culture-independent studies have shown that the oral microbiome is comprised of hundreds of different species, with distinct clusters of microbes predominating in different oral habitats. The major bacterial inhabitants of the oral cavity are Prevotella, Veillonella, Streptococcus, Haemophilus, Fusobacterium, Neisseria, and Corynebacteria species.11, 12, 14, 18, 19 Similar to the nasal cavity, smoking, aging and disease processes can all markedly alter the oral microbiota.

구강 미생물군집

이 리뷰에서는 논의되지 않았지만,

인간 구강은 치아와 치은 주머니부터

혀, 볼, 편도선 및 경구개와 연구개에 이르는

다양한 미생물 서식지를 포함합니다.18 

문화 독립적 연구들은 구강 미생물군집이 수백 종의 서로 다른 종으로 구성되어 있으며, 다양한 구강 서식지에서 서로 다른 미생물 군집이 우점한다고 보여주었습니다.

구강 내 주요 세균 종은

 Prevotella, Veillonella, Streptococcus, Haemophilus, Fusobacterium, Neisseria 및 

Corynebacteria입니다.11, 12, 14, 18, 19

코강과 마찬가지로

흡연, 노화 및 질병 과정은

구강 미생물군집을 크게 변화시킬 수 있습니다.

Upper airway anatomy

The upper and lower airways comprise an anatomically contiguous surface that begins in the mouth and nose and terminates in the lungs (Figure 1). A healthy human inhales 12–15 times per minute at rest, on average, with ∼20% of the air in the lungs being exchanged on each breath. Both of these parameters change during disease. Air that enters the lungs passes through the nasal and oral cavity and across the microbe-laden mucosal surfaces of these sites.

All regions of the upper airways are mucus-covered epithelium, with a flow of mucus, resident microbes, trapped particulates and inhaled microbes down the aerodigestive tract (the vast majority moving with salivary flow into the gastrointestinal tract). In addition to air passing through oropharynx, there is a constant flow of saliva carrying resident and ingested oral microbes (∼2 liters per day). Further along, in the laryngopharynx, food, fluid, saliva, and mucus is diverted into the esophagus by the epiglottis, a flap of elastic cartilage, while air is diverted into the opening of the larynx and trachea. However, this constant movement of fluid and air through this cavity also creates a biologically significant amount of aerosols, even in healthy individuals. Microaspiration of these aerosols is responsible for the vast majority of the constant microbial seeding of the lower airways from the oral cavity during health and both nasal and oral cavity when nasal mucus flow increases (discussed below).

상부 호흡기 해부학

상부 및 하부 호흡기는 구강과 코에서 시작되어 폐에서 끝나는

해부학적으로 연속된 표면을 구성합니다(그림 1).

건강한 인간은

휴식 시 분당 평균 12–15회 호흡하며,

각 호흡 시 폐 내 공기의 약 20%가 교환됩니다.

이 두 매개변수는 질병 시 변화합니다.

폐로 들어가는 공기는

코와 구강을 통과하며,

이 부위의 미생물이 풍부한 점막 표면을 지나갑니다.

상기도의 모든 부위는

점액으로 덮인 상피 조직으로 구성되어 있으며,

점액,

거주 미생물,

포집된 입자,

흡입된 미생물이

기식소화관(대부분은 타액 흐름과 함께 소화관으로 이동)을 따라 흐릅니다.

All regions of the upper airways are

mucus-covered epithelium,

with a flow of mucus,

resident microbes,

trapped particulates and

inhaled microbes down the aerodigestive tract

(the vast majority moving with salivary flow into the gastrointestinal tract).

구인두를 통과하는 공기 외에도,

거주 미생물과 섭취된 구강 미생물을 운반하는

타액의 지속적인 흐름(하루 약 2리터)이 있습니다.

In addition to air passing through oropharynx,

there is a constant flow of saliva carrying resident and ingested oral microbes (∼2 liters per day). 

더 아래쪽인 후인두에서는

식도, 액체, 타액, 점액이 탄성 연골로 된 뚜껑인 후두개에 의해 식도로 분산되며,

공기는 후두와 기관의 개구부로 분산됩니다.

그러나

이 동굴을 통해 액체와 공기가 지속적으로 이동하는 것은

건강한 개인에서도 생물학적으로 의미 있는 양의 에어로졸을 생성합니다.

이러한 에어로졸의 미세 흡입은

건강 상태에서 구강에서 하부 호흡기로의 지속적인 미생물 침투의 대부분을 담당하며,

비강 점액 유동량이 증가할 때(아래에서 논의됨)는

비강과 구강 모두에서 발생합니다.

Lower airway anatomy

Connecting the larynx to the bronchial trees of the lungs is the trachea, which is connected to the two primary bronchi of the lungs (Figure 1). This Y-shaped split of the conducting airways is called the carina and recent studies from our laboratory have shown that the bacterial communities of the carina are more similar to those found in the oral cavity than at any other point below the epiglottis (Dickson et al., submitted). Moving deeper into the lower airways, each bronchus is further divided into smaller, secondary bronchi, which continue to successively branch off (forming tertiary bronchi) that further divide into terminal bronchioles. The surface and wall temperatures of the upper portion of the trachea and bronchial tree are typically lower than core body temperature due to the movement of colder ambient air into the lungs. This is a factor that has not been historically considered when discussing the human microbiome and/or airway colonization. During disease, such as asthma and chronic obstructive pulmonary disease (COPD), airflow markedly changes in the lower bronchi and bronchioles due to a number of structural and inflammatory factors, all of which can markedly affect the dynamics of microbial immigration into the airways.

The bronchial tree is a mucosal surface and is the only section of the aerodigestive tract where mucus flow is backward (toward the oropharynx). Diseases or activities that destroy ciliary function, reduce the cough reflex, increase lower airway mucus secretion or increase the viscosity of the mucus, can markedly affect the dynamics of microbial elimination from the airways, increase airway temperatures and also create anaerobic zones for microbial growth in the lungs. However, the cellular architecture and function of the lungs markedly changes as you advance past the terminal bronchioles into the alveoli. Overall, the total surface area of the alveoli in an adult is estimated to be around 70 m2. The alveoli are not lined with the type of epithelium found in the bronchial tree; rather, the alveoli contain a thin single-cell squamous epithelial layer (type 1 alveolar epithelial cells) that are coated with a thin layer of surfactant (not mucus). Pulmonary surfactant is a lipid-rich lipoprotein complex (phospholipoprotein) formed by type 2 alveolar epithelial cells, which contains a number of free fatty acids, as well as phosphatidylcholine-containing lipids (primarily dipalmitoyl phosphatidylcholine) and sphingomyelins. It also contains a number of proteins, some of which have potent anti-bacterial or opsonization activity, especially for Gram-negative bacteria. Free fatty acids are bacteriocidal to many Gram positive bacteria. Thus, the large surface area of the alveoli is an aerobic lipid-covered surface, making it a markedly distinct ecological habitat from those found in the upper airways and GI tract. As described below, disease and inflammatory processes that introduce anaerobic zones, cause serum leak or mucus accumulation in the alveoli, or result in alveolar collapse (atalectasis) can markedly change the microbiome of the lungs, which in turn, has the potential to further drive inflammatory processes.

Finally, another critical difference in the alveolar surface compared with that of the bronchi, trachea, upper airways and GI tract is the presence of a host-derived microbial "predator" as a resident of the microbiome during health: the alveolar macrophage. This is the only "externally-exposed" surface of the body in which a leukocyte resides on the surface during health, rather than in the epithelium or sub-epithelial layers. Functioning much as an ameba might function in a pond environment, alveolar macrophages are highly active phagocytes. Thus, microbes that have developed virulence strategies based on competition with ameba in aqueous environments (e.g. Legionella, Pseudomonas, etc.) can often use those same mechanisms for surviving predatory alveolar macrophages.

하부 호흡기 해부학

후두를 폐의 기관지 나무와 연결하는 기관은

두 개의 주요 기관지(그림 1)와 연결됩니다.

이 공기 통로가 Y자형으로 분기되는 부분을 카리나라고 하며,

우리 연구실의 최근 연구에서 카리나의 세균 군집은

후두개 아래의 다른 어떤 부위보다

구강 내 세균 군집과 더 유사하다는 것이 밝혀졌습니다(Dickson et al., 제출 중).

하부 호흡기로 더 깊이 들어가면 각 기관지는

더 작은 2차 기관지로 분할되며,

이 기관지들은 차례로 분기되어 3차 기관지를 형성한 후

최종적으로 말단 기관지로 분할됩니다.

기관지와 기관지 나무의 상부 부분의 표면 및 벽 온도는

폐로 유입되는 차가운 주변 공기의 움직임으로 인해

체온보다 일반적으로 낮습니다.

이는

인간 미생물군집 및/또는 기도 식민화에 대해 논의할 때

역사적으로 고려되지 않은 요인입니다.

천식이나 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)과 같은 질환 시,

구조적 및 염증성 요인들로 인해 하부 기관지와 기관지 분지의 공기 흐름이 크게 변화하며,

이는 모두 미생물의 기도 내 이주 동역학에 크게 영향을 미칠 수 있습니다.

기관지 나무는 점막 표면이며,

호흡소화관 중 유일하게 점액 흐름이 역방향(구인두 방향)으로 흐르는 부분입니다.

섬모 기능 파괴, 기침 반사 감소,

하부 기도 점액 분비 증가 또는 점액 점도 증가를 유발하는 질환이나 활동은

기도 내 미생물 제거 동역학을 크게 영향을 미치며,

기도 온도를 상승시키고

폐 내 미생물 성장에 유리한 무산소 구역을 생성할 수 있습니다.

그러나

폐의 세포 구조와 기능은

말단 기관지에서 폐포로 진행될수록 크게 변화합니다.

성인의 폐포 총 표면적은

약 70m²로 추정됩니다.

폐포는

기관지 나무에 존재하는 상피 세포와 같은 유형의 상피로 덮여 있지 않습니다.

대신 폐포는

얇은 단일층 편평 상피 세포(제1형 폐포 상피 세포)로 구성되어 있으며,

이 세포는 점액이 아닌 얇은 표면활성제 층으로 덮여 있습니다.

폐 표면활성제는

제2형 폐포 상피세포에 의해 형성된 지질 풍부한 지단백 복합체(인산지단백질)로,

자유 지방산, 인산콜린을 함유한 지질(주로 디팔미토일 인산콜린) 및 스핑고마이린을 포함합니다.

또한 항균 또는 옵소닌 활성을 가진 단백질도 포함되며,

특히 그람 음성 세균에 대해 강력한 효과를 나타냅니다.

자유 지방산은

많은 그람 양성균에 대해 세균 살균 작용을 합니다.

따라서

폐포의 넓은 표면적은 산소 공급이 풍부한 지질로 덮인 표면으로,

상기도나 소화관과 같은 다른 부위의 생태적 환경과 현저히 구분됩니다.

아래에서 설명되듯이,

질병 및 염증 과정은 폐포에 무산소 구역을 도입하거나,

폐포 내 혈청 유출 또는 점액 축적을 유발하거나,

폐포 붕괴(atalectasis)를 초래하여 폐의 미생물군집을 크게 변화시킬 수 있으며,

이는 다시 염증 과정을 더욱 촉진할 잠재력을 가지고 있습니다.

마지막으로,

폐포 표면과 기관지, 기관, 상부 호흡기, 소화관 표면 간의 또 다른 중요한 차이는

건강 상태에서 미생물군집의 거주자로 존재하는

호스트 유래 미생물 '포식자'의 존재입니다:

폐포 대식세포입니다.

이는 건강 상태에서 표면에 거주하는 백혈구가

상피층이나 상피하층이 아닌 표면에 존재하는

신체 유일의 '외부 노출' 표면입니다.

아메바가 연못 환경에서 기능하는 방식과 유사하게,

폐포 대식세포는 매우 활성적인 식세포입니다.

따라서

수중 환경에서 아메바와의 경쟁을 기반으로 독성 전략을 발달시킨 미생물(예: Legionella, Pseudomonas 등)은

동일한 메커니즘을 이용해 포식자 폐포 대식세포로부터 생존할 수 있습니다.

The immunoecology of the respiratory tract microbiome

In the "Life in Antarctica" model of the lung microbiome, the balance of three factors determine and shape the lung microbiome (Figure 2):9 (1) microbial immigration into the airways, (2) elimination of microbes from the airways, and (3) the relative reproduction rates of the microbes found in the airways, which is determined by the growth conditions of the region. Any change in the lung microbial communities, within an individual or as viewed across disease states, must be the result of a change in one of these three factors. Evidence from our lab and others strongly points to subclinical microaspiration as the primary source of microbial immigration5, 14, 20, 21, 22, 23 (Dickson et al., submitted). Subclinical microaspiration of pharyngeal secretions among healthy subjects is well-documented. Other contributing factors can include the inhalation of bacteria from the air and direct migration along airway mucosal surfaces. Microbial elimination is accomplished by a combination of mucociliary clearance, cough, and host immune defenses (both innate and adaptive).

호흡기 미생물군집의 면역생태학

폐 미생물군의 “남극에서의 생명” 모델에서,

세 가지 요인의 균형이 폐 미생물군을 결정하고 형성합니다(그림 2):9

(1) 기도로의 미생물 이주,

(2) 기도로부터의 미생물 제거,

(3) 기도에 존재하는 미생물의 상대적 번식률로,

이는 해당 지역의 성장 조건에 의해 결정됩니다.

개체 내 또는 질병 상태 간에 폐 미생물 군집의 변화는 이 세 요인 중 하나 이상의 변화에 의해 발생해야 합니다. 우리 연구실과 다른 연구 결과는 무증상 미세 흡입이 미생물 유입의 주요 원천임을 강력히 시사합니다5, 14, 20, 21, 22, 23 (Dickson et al., 제출 중). 건강한 대상에서 인두 분비물의 무증상 미세 흡입은 잘 문서화되어 있습니다. 다른 기여 요인에는 공기 중 세균의 흡입과 기도 점막 표면을 따라의 직접적 이동이 포함될 수 있습니다.

Figure 2

Model of the environmental, microbial, structural, and immunologic factors that control the composition of the lung microbiome during health and disease.

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Inflammation plays a key role in the third ecological factor that shapes the lung microbiome, largely by affecting the regional growth conditions (e.g. nutrient availability, temperature, pH, oxygen tension). Inflammation can increase vascular leak into the airways, providing critical nutrient elements such as carbon sources, amino acids, vitamins, and iron. Epithelial cell damage can create exposed zones of basement membrane matrix, which facilitates bacterial adherence. Damaged epithelial cells also produce key innate cytokines, such as TSLP, IL-25, and IL-33, in response to bacterial components.24 These mediators can induce activation of ILC2s that produce IL-5 and IL-13 leading to additional inflammation, such as eosinophils, and expansion of goblet cells.25 Goblet cell hyperplasia, seen in allergies and other states of chronic IL-13 production, can lead to excessive mucus levels deep in the airways providing anaerobic niches that inhibit phagocytosis and further enhance bacterial colonization.26 Inflammatory cells can also be sources of catecholamines that could modulate bacterial virulence.27, 28 Finally, as discussed in more detail below, the production of reactive nitrogen species can provide the necessary terminal electron acceptors to grow in airways that have become anaerobic due to excessive mucus production, atalectasis or inflammatory consolidation. When healthy, the regional growth conditions generally do not support robust bacterial growth, resulting in relatively little bacterial growth.

염증은

폐 미생물군집을 형성하는 세 번째 생태적 요인에서 핵심적인 역할을 하며,

주로 지역별 성장 조건(예: 영양소 가용성, 온도, pH, 산소 농도)에 영향을 미칩니다.

염증은

기도로의 혈관 누출을 증가시켜 탄소 원천, 아미노산, 비타민, 철분 등

중요한 영양소를 공급합니다.

상피 세포 손상은

기저막 매트릭스의 노출된 영역을 생성하여

세균의 부착을 촉진합니다.

손상된 상피 세포는

세균 성분에 반응하여 TSLP, IL-25, IL-33과 같은

주요 선천성 사이토카인을 생성합니다. 24

이러한 매개체는

IL-5와 IL-13을 생성하는 ILC2의 활성화를 유도하여

추가적인 염증(예: 호산구 증가)과 점액 세포의 증식을 유발할 수 있습니다.25

알레르기 및 만성 IL-13 생성 상태에서 관찰되는 점액 세포 과증식은

기도의 깊은 부위에서 과도한 점액 수준을 유발하여

세균 식균 작용을 억제하고

세균 정착을 더욱 촉진하는 무산소 환경을 제공할 수 있습니다. 26

염증 세포는

세균의 독성을 조절할 수 있는 카테콜아민을 생성할 수 있습니다.27, 28

마지막으로, 아래에서 자세히 논의되듯이,

반응성 질소 종의 생성은 과도한 점액 생성, 아탈렉타시스 또는 염증성 고착으로 인해

무산소 상태가 된 기도에 필요한 최종 전자 수용체를 제공하여 세균의 성장을 촉진할 수 있습니다.

건강한 상태에서는

지역적 성장 조건이 일반적으로 강력한 세균 성장을 지원하지 않아

상대적으로 적은 세균 성장이 발생합니다.

The oral microbiome as the primary source of the bacterial microbiota in human lungs during health

The end result of this interplay of these three factors is that in the vast majority of healthy individuals, the microbiome of human lungs during health more closely resembles that of the oropharynx than it does inhaled air, the nasopharynx or the lower gastrointestinal tract.14, 19, 29, 30 The dominant bacteria genera found in the lower airways are Prevotella, Veillonella, and Streptococcus but also include Fusobacterium and Haemophilus. The nasal microbiome contributes little to lung communities during health in most, but not all, individuals.14, 29 This is likely due the low volume of nasal secretions relative to salivary flow. However, liquids applied to the nares do appear in the lungs3 and rhinorrhea can cause the lung and nasal microbial communities to look more similar. Nasal colonizers such as S. aureus and M. catarrhalis are both also well-documented respiratory pathogens during pneumonia and various other inflammatory respiratory diseases. While the oral microbiome is the primary source of the bacterial microbiota in human lungs during health, it remains to be determined what are the factors that additionally shape the lung microbiome in those healthy individuals with enhanced similarity between their nasal and lung microbiomes.14

건강 상태에서 인간 폐의 세균 미생물군의 주요 원천으로서 구강 미생물군

이 세 요인의 상호작용의 최종 결과는

건강한 대부분의 개인에서 건강 상태에서의 인간 폐 미생물군이

흡입된 공기, 비인두 또는 하부 소화관보다 구인두의 미생물군과 더 유사하다는 것입니다. 14, 19, 29, 30 

하부 호흡기에서 발견되는 주요 세균 속은 

Prevotella, Veillonella, Streptococcus이며, 

Fusobacterium과 Haemophilus도 포함됩니다.

대부분의 개인에서 건강 상태 시 비강 미생물군은

폐 미생물군에 거의 기여하지 않지만,

모든 개인에 해당되는 것은 아닙니다.14, 29 

이는 비강 분비물의 양이 타액 흐름에 비해 적기 때문일 가능성이 높습니다.

그러나 비강에 적용된 액체는 폐에 나타나며3,

비루는 폐와 비강 미생물 군집이 더 유사해 보이게 할 수 있습니다.

비강 정착균인 S. aureus와 M. catarrhalis는

폐렴 및 다양한 염증성 호흡기 질환 동안 잘 문서화된 호흡기 병원체입니다.

건강한 상태에서 인간 폐의 세균 미생물군은

주로 구강 미생물군에서 유래하지만,

비강과 폐 미생물군 사이의 유사성이 높은 건강한 개인에서 폐 미생물군을 추가로 형성하는 요인은

아직 명확히 밝혀지지 않았습니다.14

The lung microbiome changes during disease

Acute and chronic lung diseases can dramatically change the ecological determinants of the lung microbiome - immigration, elimination and regional growth conditions, resulting in markedly different microbial communities.1, 8 Surprisingly, smoking does not change the lung microbiome, although it does change the nasal microbiome as well as immune function in the airways. A major feature of the microbiome in diseased lower airways is a shift in community composition away from the Bacteroidetes phylum that dominates the healthy lung microbiome towards Gammaproteobacteria, the class that contains many common lung-associated gram-negative "pathogens." Changes in the lung microbiota are just beginning to be associated with important clinical features of chronic lung disease such as exacerbation frequency in bronchiectasis,31 mortality in idiopathic pulmonary fibrosis,32 and responsiveness to corticosteroids and antibiotics in asthma.33, 34

폐 미생물군은 질병 시 변화합니다

급성 및 만성 폐 질환은

폐 미생물군의 생태학적 결정 요인(이민, 제거, 지역별 성장 조건)을 극적으로 변화시켜

현저히 다른 미생물 군집을 유발합니다.1, 8 

놀랍게도 흡연은

폐 미생물군을 변화시키지 않지만,

비강 미생물군과 기도 면역 기능을 변화시킵니다.

질병이 있는 하부 호흡기 미생물군의 주요 특징은 건강한 폐 미생물군을 지배하는 Bacteroidetes 문에서 폐와 관련된 그람 음성 '병원체'를 많이 포함하는 Gammaproteobacteria 계로 커뮤니티 구성의 변화입니다.

폐 미생물군집의 변화는

만성 폐 질환의 중요한 임상적 특징과 연관되기 시작했습니다.

예를 들어,

기관지확장증의 악화 빈도,31 

특발성 폐섬유증의 사망률,32 

천식에서의 코르티코스테로이드 및 항생제 반응성 등이 포함됩니다.33, 34

The lung microbiome and inflammation: a two-way street

Inflammation is most often viewed as a process that generates activated leukocytes and antimicrobial molecules to destroy invading microbes. However, it is now appreciated that inflammation plays a key role in wound repair35 and unregulated inflammation is an underlying cause of many chronic diseases. More recently, it has been proposed that certain taxonomic groups of bacteria, especially those found in the Gammaproteobacteria class, encode the metabolic capacity to utilize inflammatory byproducts to survive and prosper under anaerobic and low oxygen conditions.22, 36, 37 During chronic inflammation these Gammaproteobacteria can markedly increase in relative abundance in a site (i.e., "bloom") and outcompete bacteria that lack the metabolic capacity to benefit from inflammation. This connection between Gammaproteobacteria blooms and inflammation and has been largely studied for the gastrointestinal (GI) tract. However, the same mechanisms are likely at play in the respiratory tract in chronic respiratory diseases such as asthma and chronic obstructive pulmonary disease, with the most intensely studied bacteria being Pseudomonas aeruginosa outgrowth during cystic fibrosis.38

In the GI tract, inflammation changes the metabolic environment of the mucosa by providing the terminal electron acceptors needed for anaerobic respiration by many Gammaproteobacteria, thereby allowing them to outgrow the resident anaerobes that primarily utilize fermentation for their energy needs (fermentation generates less ATP than respiration).22, 36, 37 Production of reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS) are two of the primary antimicrobial effectors of inflammatory cells. Reactive nitrogen species are produced via inducible nitric oxide synthase (iNOS) in myeloid cells and even other leukocytes.39 O2− and NO can react together to produce peroxynitrite (ONOO−), which breaks down into nitrate (NO3−) and nitrite (NO2−). This extracellular nitrate can be used as a terminal electron acceptor to support anaerobic respiration and outgrowth of Gammaproteobacteria in vivo via denitrification.21, 22, 37, 40, 41, 42, 43, 44 Thus, iNOS/RNS can also promote the colonization of inflamed mucosal surfaces by providing a selective advantage for denitrifying facultative anaerobic bacteria such as E. coli, S. typhimurium, and K. pneumoniae. Most Gammaproteobacteria, including Pseudomonas aeruginosa, encode these pathways. P. aeruginosa has long been held to be an obligate aerobic bacterium; however, recent studies have highlighted that this is not true. P. aeruginosa has a highly branched respiratory system for growth under both microaerophilic and anaerobic conditions.45 Inflammation is a common feature of chronic respiratory diseases such as asthma and chronic obstructive pulmonary disease. It has been observed in a number of studies of humans and mice that the relative proportion of Gammaproteobacteria in the lungs increases during disease.1, 38, 46 We have recently reviewed the role of inflammation in promoting the growth of P. aeruginosa in cystic fibrosis and inflamed airways.38 Thus, one of the consequences of the upregulated host inflammatory response on mucosal surfaces is the production of terminal electron acceptors for anaerobic respiration that allow P. aeruginosa and other Gammaproteobacteria to grow, persist and outcompete all other microbial members on that surface.

Gammaproteobacteria will not only benefit from mucosal inflammation, they also encode molecular components that promote inflammation. Microbe-associated molecular patterns (MAMPs) on the surface of bacteria interact with receptors on immune cells to drive inflammation, including lipopolysaccharide (LPS), which interacts with TLR4 on immune cells.47 LPS that is hexa-acylated is 100-fold more immunostimulatory when bound to TLR4 then LPS that is penta-aceylated..48 While penta-aceylated LPS is found in most Gram-negative bacteria, Gammaproteobacteria both penta- and hexa-aceylated LPS. The difference in inflammatory potential between commensal oral Prevotella sp. in the lungs and COPD/asthma-associated Gammaproteobacteria is likely partly due to differences in LPS structure.47, 49 Many Gammaproteobacteria also encode TLR5-binding flagellins, as well as TLR9-binding unmethylated CpG motifs.50, 51 Thus, a feedback loop can develop where bacteria that contain the most immunostimulatory microbe-associated molecular patterns are also the ones that benefit most metabolically from an inflammatory environment.

폐 미생물군집과 염증: 양방향 관계

염증은

일반적으로 침입한 미생물을 파괴하기 위해

활성화된 백혈구와 항균 분자를 생성하는 과정으로 간주됩니다.

그러나,

염증은 상처 치유에 중요한 역할을35 하고,

조절되지 않은 염증은 많은 만성 질환의 근본적인 원인이라는 것이 현재 인정되고 있습니다.

최근에는 특정 세균 분류군,

특히 감마프로테오박테리아(Gammaproteobacteria)에 속하는 세균이

염증 부산물을 활용하여 혐기성 및 저산소 조건에서

생존하고 번식하는 대사 능력을 암호화하고 있다는 것이 제안되었습니다. 22, 36, 37 

만성 염증 상태에서

이 감마프로테오박테리아는

특정 부위에서 상대적 풍부도가 현저히 증가(즉, “번식”)하며,

염증으로부터 이점을 얻을 수 없는 세균을 경쟁적으로 배제합니다.

감마프로테오박테리아 번식과 염증 간의 이 연결은

주로 소화관(GI)에서 광범위하게 연구되었습니다.

그러나

동일한 메커니즘은

천식 및 만성 폐쇄성 폐질환과 같은 만성 호흡기 질환에서 호흡기에서도 작용할 가능성이 있으며,

가장 집중적으로 연구된 세균은 낭성 섬유증에서 과증식하는 

Pseudomonas aeruginosa입니다.38

GI 트랙에서 염증은 많은 감마프로테오박테리아가 혐기성 호흡에 필요한 최종 전자 수용체를 제공함으로써 점막의 대사 환경을 변화시킵니다. 이는 주로 발효를 통해 에너지를 얻는 거주 혐기성 세균보다 더 많은 ATP를 생성하는 혐기성 호흡을 통해 이들이 번식할 수 있도록 합니다(발효는 호흡보다 ATP 생성이 적습니다). 22, 36, 37 

활성 산소 종(ROS)과 활성 질소 종(RNS)의 생산은

염증 세포의 주요 항균 효과기 중 두 가지입니다.

활성 질소 종은

골수 세포 및 기타 백혈구에서

유도성 산화질소 합성효소(iNOS)를 통해 생성됩니다.39 

O2−와 NO는 함께 반응하여 퍼옥시니트라이트(ONOO−)를 생성하며,

이는 질산염(NO3−)과 아질산염(NO2−)으로 분해됩니다.

이 세포외 질산염은

혐기성 호흡을 지원하고

Gammaproteobacteria의 증식을 촉진하는 최종 전자 수용체로 작용하여 

in vivo에서 질산화 과정을 통해 작용합니다. 21, 22, 37, 40, 41, 42, 43, 44 

따라서

iNOS/RNS는 

E. coli, S. typhimurium, K. pneumoniae와 같은 질소 환원성 선택적 혐기성 세균의 정착을 촉진함으로써

염증성 점막 표면의 식민지화를 촉진할 수 있습니다. 

Pseudomonas aeruginosa를 포함한

대부분의 감마프로테오박테리아는

이러한 경로를 암호화합니다. 

P. aeruginosa는

오랫동안 필수 호기성 박테리아로 여겨져 왔지만,

최근의 연구에서는 이것이 사실이 아니라는 것이 밝혀졌습니다. 

P. aeruginosa는

미세호기성 및 혐기성 조건 모두에서 성장할 수 있도록

고도로 분지된 호흡 시스템을 가지고 있습니다.45 

염증은

천식 및 만성 폐쇄성 폐 질환과 같은 만성 호흡기 질환의 공통적인 특징입니다.

인간과 쥐를 대상으로 한 여러 연구에서 질병 발생 시

폐 내 감마프로테오박테리아의 상대적 비율이 증가한다는 것이 관찰되었습니다. 1, 38, 46 

우리는

최근 낭성 섬유증과 염증성 기도에 있는 P. aeruginosa의

성장 촉진에 염증이 미치는 역할을 검토했습니다.38 

따라서 점막 표면에서 호스트 염증 반응이 증가하면 혐기성 호흡을 위한 최종 전자 수용체가 생성되어 P. aeruginosa와 다른 감마프로테오박테리아가 성장하고 생존하며 해당 표면의 다른 미생물과 경쟁에서 우위를 차지할 수 있습니다.

감마프로테오박테리아는

점막 염증의 이점을 누릴 뿐 아니라

염증을 촉진하는 분자 성분을 암호화합니다.

박테리아 표면의 미생물 관련 분자 패턴(MAMP)은

면역 세포의 수용체와 상호 작용하여 염증을 유발하며,

여기에는 면역 세포의 TLR4와 상호 작용하는 지질 다당류(LPS)도 포함됩니다. 47 

헥사-아실화된 LPS는

TLR4에 결합할 때 펜타-아실화된 LPS보다 100배 더 강한 면역 자극 효과를 나타냅니다.48 

펜타-아실화된 LPS는 대부분의 그람 음성 세균에서 발견되지만, 감마프로테오박테리아는 펜타- 및 헥사-아실화된 LPS를 모두 포함합니다. 공생 구강 Prevotella 종과 COPD/천식 관련 감마프로테오박테리아 간의 염증 잠재력 차이는 부분적으로 LPS 구조의 차이에서 기인할 가능성이 있습니다. 47, 49 많은 감마프로테오박테리아는 TLR5 결합 플래깅린과 TLR9 결합 비메틸화 CpG 모티프도 암호화합니다.50, 51 따라서, 면역 자극성이 가장 높은 미생물 관련 분자 패턴을 포함하는 박테리아가 염증 환경에서 대사적으로 가장 많은 이점을 얻는 피드백 루프가 형성될 수 있습니다.

Lung microbiota and immunity

The lung and airway microbiome can directly impacts immunity and disease or can be an effect of altered local immunity/inflammation during the development of disease. Early and severe viral infections, such as respiratory syncytial virus (RSV), influenza, and even rhinovirus, can alter the long-term immune response of the lung, especially in infants that may not yet have a stable lung microbiome. Numerous correlative studies have suggested that changes in the lung microbiome may accompany disease progression, including allergic disease, but other than in confirmed cases of bacterial pneumonia, it has yet to be definitively established whether specific members of the lung microbiota provide a direct stimuli that leads to disease susceptibility or protection.

However, there is emerging mechanistic data in this area, most notably on the role of Prevotella spp. in the airways. As described earlier, Gram-negative Prevotella spp. are often found in the airways of healthy individuals14, 19, 29, 30 and exhibit differences in LPS structure compared with Gram-negative Gammaproteobacteria.47, 49 In one study, human monocyte-derived dendritic cells (Hu mDCs) were cultured with either Prevotella spp. or Haemophilus spp. and activation markers and cytokine expression‎ were monitored. While all bacteria could induce CD83, CD40 and CD86, Haemophilus spp. induced higher levels of IL-23, IL-12p70 and IL-10. Furthermore, co-culture experiments found that Prevotella spp. were able to reduce Haemophillus influenzae-induced IL-12p70 in Hu mDCs.49 Similar responses were observed in mice for both in vitro and in vivo assays.47 In another set of studies from 112 patients post-lung transplantation, it was observed that a shift away from a Prevotella-dominant airway microbiome correlated with the development of inflammatory or remodeling profiles in macrophages.46 Prevotella-high and -low community profiles have been noted in healthy subjects,14, 30 with the Prevotella-high profile being associated with enhanced "subclinical" lung inflammation, that is notable for enhanced expression‎ of inflammatory cytokines and elevated Th-17 lymphocytes.30, 52 However, association studies do not determine the direction of causality and this data would be very consistent with a model where subclinical airway inflammation leads to higher levels of micro-aspirated Prevotella. In support of this model is the observation in cystic fibrosis patients that colonization with P. aeruginosa, a pro-inflammatory bacteria, significantly increased the likelihood that Prevotella will be present.53 However, as described earlier, chronic airway inflammation is ultimately associated with the emergence of Gammaproteobacteria dominated bacterial communities in the airways.1, 38, 46 The inflammation-microbiome connection is a two-way street in that pulmonary inflammation in LPS/elastase-treated mice (a model of COPD) has been reported to increase Pseudomonas spp. and reduce Prevotella spp. and intranasal transfer of bronchoalveolar lavage fluid that contains the lung microbiota from these diseased mice enhances IL-17A production in the lungs of antibiotic-treated or germ-free recipients.54 This is consistent with the findings that targeting of the lung microbiota by innate immunity, as a result of pIgR/sIgA deficiency, results in progressive small airway remodeling and emphysema.55 Collectively, these observations support an emerging model that exposure of the pulmonary immune system to oral-derived microbiota (notably Prevotella spp.) during health is part of the central homeostatic processes that regulate pulmonary inflammatory responses.

Numerous studies have also demonstrated that the composition of the gut microbiome has an impact on the development of pulmonary immune responses, such as allergic airway disease.56, 57, 58, 59, 60 For example, in the study by Trompette et al., mice fed a high-fiber diet had increased circulating levels of short-chain fatty acids (SCFAs) and were protected against allergic inflammation in the lung, whereas a low-fiber diet decreased levels of short-chain fatty acids and increased allergic airway disease.59 The mechanism underlying this immune modulation involved alterations in bone marrow hematopoiesis that were characterized by enhanced generation of macrophage and dendritic cell (DC) precursors and subsequent seeding of the lungs by DCs with high phagocytic capacity but an impaired ability to promote Th2 cell effector functions. Despite observations in mouse models over a decade ago, the mechanisms that underlie the gut-lung axis of immune regulation still emain to be completely elucidated.

While the PAMP distribution from various organisms likely contributes to the nature of innate immune responses that can be pathogenic, the organisms themselves produce intermediates that can alter the subsequent immune responses. The ability of bacteria-derived metabolites to affect the nature of the immune response has been outlined in several studies in the gut microbiome. For example, a link between diet and microbiome for regulation of immune responses has been established with dietary fiber and Clostridium species leading to production of short-chain fatty acids and development of Treg cells.61, 62, 63, 64, 65 Other microbial members of the micrbiota may provide protective mediators, including anti-inflammatory omega-3 polyunsaturated fatty acids (ω-3 PUFA), as well as immune modulating tryptophan metabolites.66, 67 Thus, by understanding the cohorts of micro-organisms that colonize the lung during health and disease, and the metabolites that they generate, a clearer picture of the immune environment and modulated response can be identified.

폐 미생물군과 면역

폐와 기도 미생물군은 면역과 질병에 직접적인 영향을 미칠 수 있으며, 질병 발달 과정에서 변화된 국소 면역/염증의 결과일 수도 있습니다. 호흡기 세포융합 바이러스(RSV), 인플루엔자, 심지어 라이노바이러스와 같은 조기 및 심각한 바이러스 감염은 특히 안정적인 폐 미생물군을 아직 갖추지 못한 영아에서 폐의 장기적 면역 반응을 변화시킬 수 있습니다.

수많은 상관관계 연구는 폐 미생물군집의 변화가 알레르기 질환을 포함한 질병 진행과 동반될 수 있음을 제시했지만, 세균성 폐렴이 확인된 경우를 제외하면 특정 폐 미생물군집 구성원이 질병 취약성이나 보호에 직접적인 자극을 제공하는지 여부는 아직 명확히 확립되지 않았습니다.

그러나 이 분야에서는 메커니즘적 데이터가 점차 쌓이고 있으며, 특히 Prevotella 속의 역할이 주목받고 있습니다. 앞서 설명된 바와 같이, 그람 음성 Prevotella 속은 건강한 개인의 기도에서 자주 발견되며14, 19, 29, 30 그람 음성 감마프로테오박테리아와 비교해 LPS 구조에 차이가 있습니다. 47, 49 한 연구에서 인간 단핵구 유래 ден드리틱 세포(Hu mDCs)를 Prevotella 속 또는 Haemophilus 속과 함께 배양하고 활성화 표지자와 사이토킨 발현을 모니터링했습니다. 모든 세균은 CD83, CD40 및 CD86을 유도했지만, Haemophilus 속은 IL-23, IL-12p70 및 IL-10의 수준이 더 높게 유도되었습니다. 또한 공동 배양 실험에서 Prevotella spp.는 Hu mDCs에서 Haemophillus influenzae에 의해 유도된 IL-12p70을 감소시켰습니다. 49 in vitro 및 in vivo 실험에서 마우스에서도 유사한 반응이 관찰되었습니다.47 폐 이식 후 112명의 환자를 대상으로 한 다른 연구에서는 Prevotella 우점형 기도 미생물군집에서 벗어나면 대식세포의 염증 또는 재형성 프로파일 발달과 연관성이 관찰되었습니다. 46 Prevotella 고농도 및 저농도 미생물군 프로파일은 건강한 대상에서 관찰되었으며,14, 30 Prevotella-고농도 프로파일은 염증성 사이토카인의 증가된 발현과 Th-17 림프구 수치 상승을 특징으로 하는 “무증상” 폐 염증과 연관되었습니다. 30, 52 그러나 연관성 연구는 인과 관계의 방향을 결정하지 않으며, 이 데이터는 무증상 기도 염증이 미세 흡입된 Prevotella 수준 증가로 이어지는 모델과 매우 일치합니다. 이 모델을 뒷받침하는 증거로, 낭성 섬유증 환자에게서 염증 유발 세균인 P. aeruginosa의 정착이 Prevotella의 존재 가능성을 유의미하게 증가시킨다는 관찰 결과가 있습니다.53 그러나 앞서 설명된 바와 같이, 만성 기도 염증은 궁극적으로 기도 내 Gammaproteobacteria 우점 세균 군집의 출현과 연관되어 있습니다. 1, 38, 46 염증-미생물군 연결은 양방향 관계로, LPS/엘라스테이스 처리 마우스(COPD 모델)에서 폐 염증이 Pseudomonas spp.를 증가시키고 Prevotella spp.를 감소시킨다는 보고가 있습니다. 또한, 이 질환 마우스의 폐 미생물군을 포함한 기관지 알베올라 세척액을 항생제 처리 또는 무균 상태의 수혜자에게 비강 내 이식했을 때 폐에서 IL-17A 생산이 증가했습니다. 54 이는 pIgR/sIgA 결핍으로 인한 선천성 면역 체계의 폐 미생물군집 표적화가 진행성 소기도 재형성과 폐기종으로 이어진다는 연구 결과와 일치합니다.55 이러한 관찰 결과는 건강 상태에서 구강 유래 미생물군집(특히 Prevotella spp.)에 노출되는 것이 폐 면역 체계의 염증 반응을 조절하는 중심적 항상성 과정의 일부라는 새로운 모델을 지지합니다.

수많은 연구에서도 장 미생물군집의 구성은 알레르기성 기도 질환과 같은 폐 면역 반응의 발달에 영향을 미친다는 것이 입증되었습니다. 56, 57, 58, 59, 60 예를 들어, Trompette et al.의 연구에서 고섬유질 식이를 섭취한 쥐는 순환하는 단쇄 지방산(SCFAs) 수치가 증가했으며 폐 알레르기 염증으로부터 보호받았지만, 저섬유질 식이는 단쇄 지방산 수치를 감소시키고 알레르기성 기도 질환을 증가시켰습니다. 59 이 면역 조절의 메커니즘은 골수 혈액 생성 변화로 특징지어지며, 대식세포와 ден드리틱 세포(DC) 전구체의 생성 증가와 이후 고식작용 능력이 높지만 Th2 세포 효과 기능 촉진 능력이 저하된 DC의 폐로의 이동이 포함되었습니다. 10년 전 마우스 모델에서 관찰된 결과에도 불구하고, 장-폐 축의 면역 조절 메커니즘은 여전히 완전히 규명되지 않았습니다.

다양한 유기체에서 분비되는 PAMP는 병리적일 수 있는 선천성 면역 반응의 특성에 기여할 가능성이 있지만, 유기체 자체는 후속 면역 반응을 변경할 수 있는 중간체를 생성합니다. 세균 유래 대사물이 면역 반응의 특성에 영향을 미치는 능력은 장 미생물군집에 대한 여러 연구에서 설명되었습니다. 예를 들어, 식이와 미생물군집 간의 면역 반응 조절 연관성은 식이 섬유와 Clostridium 종이 단쇄 지방산 생산과 Treg 세포 발달을 유도한다는 점에서 확립되었습니다. 61, 62, 63, 64, 65 미생물군집의 다른 미생물 구성원은 항염증성 오메가-3 다불포화 지방산(ω-3 PUFA)과 면역 조절 트립토판 대사산물과 같은 보호 매개체를 제공할 수 있습니다. 66, 67 따라서 건강과 질병 상태에서 폐에 정착하는 미생물 군집과 그들이 생성하는 대사물을 이해함으로써 면역 환경과 조절된 반응의 명확한 그림을 파악할 수 있습니다.

Conclusions and future directions

There is much to be explored and proven about the concept that the relationship between inflammation and changes in the lung microbiome is a two-way street. The luminal surfaces of the lungs are significantly different from those of the GI tract and ecological principles are the driving force of lung microbiome-immmune system interactions ("immunoecology"). Numerous byproducts of the host inflammatory response are known growth factors for select bacterial species, including catecholamines,68 inflammatory cytokines,69, 70, 71 increased temperature,72, 73 and free ATP.72, 73 The extracellular nutrient supply for bacteria in the airways, which is severely limited during health, is abruptly increased by the presence of mucus and vascular permeability. Areas of future research include determining for specific lung diseases (1) whether an altered lung microbiome initiates disease pathogenesis, promotes chronic inflammation, or is merely a marker of injury and inflammation, (2) whether the lung microbiome can be manipulated therapeutically to change disease progression, (3) what other molecules (metabolites) generated during an inflammatory response promote cross-kingdom signaling and augmentation of virulence, and (4) how the diverse bacterial community composition and dynamic homeostasis of the lung "ecosystem" collapses during pneumonia, to be dominated by a single dominant pathogen.9

결론 및 미래 방향

염증과 폐 미생물군집의 변화 사이의 관계가 양방향적이라는 개념에 대해 탐구되고 입증되어야 할 부분이 많습니다. 폐의 내막 표면은 소화관과 크게 다르며, 생태학적 원리가 폐 미생물군집과 면역 체계 간의 상호작용('면역생태학')의 핵심 동력입니다. 호스트의 염증 반응에서 생성되는 수많은 부산물은 특정 세균 종의 성장 인자로 알려져 있습니다. 예를 들어 카테콜아민,68 염증성 사이토킨,69, 70, 71 온도 상승,72, 73 및 자유 ATP 등이 있습니다.72, 73 건강 상태에서는 극히 제한적인 기도 내 세균의 세포외 영양 공급은 점액과 혈관 투과성 증가로 인해 급격히 증가합니다.

미래 연구 분야에는 특정 폐 질환에 대해

(1) 변형된 폐 미생물군이 질병 발병을 유발하는지, 만성 염증을 촉진하는지, 아니면 단순히 손상과 염증의 지표인지,

(2) 폐 미생물군이 치료적으로 조작되어 질병 진행을 변경할 수 있는지,

(3) 염증 반응 중에 생성되는 다른 분자(대사산물)가 종간 신호전달과 독성 증강을 촉진하는지,

(4) 폐 “생태계”의 다양한 세균 군집 구성과 동적 균형이 폐렴 시 어떻게 붕괴되어 단일 우점균에 의해 지배되는지입니다.9

References

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