综述 | Trends in Microbiology：口腔宿主-微生物相互作用组:健康的生态时钟?

编译：微科盟Sunshine，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。

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导读

越来越多的研究表明，宿主-微生物相互作用网络是相互协调的，影响人类健康和疾病。最近，一些证据显示了复杂微生物群的获得和适应性免疫之间的联系，支持宿主-微生物群共生关系已经演变为维持体内平衡的一种手段。在这里，假设口腔宿主-微生物的相互作用关系可以作为健康和疾病的生态计时器，特别关注龋齿、牙周病和癌症。本文综述了人类口腔微生物群的现状及其与宿主先天免疫和宿主细胞因子调控的关系，目的是利用这些信息预测疾病，并设计局部和全身失调的新治疗方法。此外，还讨论了新的宿主-微生物信号作为潜在生物标志物的作用，以及它们与牙科和医学未来的相关性。

论文ID

原名：The Oral Host-MicrobialInteractome: An Ecological Chronometer of Health?

译名：口腔宿主-微生物相互作用组:健康的生态时钟?

期刊：Trends in Microbiology

IF：13.546

发表时间：2020.12

通讯作者：A. Edlund

通讯作者单位：美国加利福尼亚大学

综述框架

主要内容

1 口腔微生物组

大多数口腔微生物的初步研究集中在解决科赫的假设和在纯培养物中产生需氧分离株。基于培养的方法，使人们能够关注被认为与口腔疾病相关的关键病原体。DNA技术在1970年为应用重组和遗传方法来阐明几种口腔物种中存在的细胞机制而进行的研究，到20世纪80年代和90年代，DNA技术通常被用来表征许多口腔病原体和共生菌的16S rDNA基因（16S）序列。牙龈卟啉单胞菌是2003年第一个基因组完全测序的口腔微生物。早在2010年，Bik及其同事利用Sanger测序描述了10个健康人的口腔微生物群，揭示了247个物种水平的系统发育型和9个细菌门。继454和Illumina测序出现后，口腔宏基因组研究变得更加普遍，并被纳入21世纪初后期开始的关键人类微生物组计划。宏基因组学调查对于揭示口腔联合体的完整遗传特征至关重要。用于描述口腔微生物组的其他检测方法包括用于评价基因表达的变链霉菌组学、用于评价社区成员产生的小分子的代谢组学，蛋白质组学和其他“组学”技术，应用于更深入地了解口腔微生物群的功能机制。

 

2 口腔微生物组的细菌特征和人类学

已经进行了多项研究工作来获得全球人群的微生物特征以及人体部位特征。在Gupta等人的一篇综述中，探索了全球人群的生物地理微生物组模式，其中包括来自肠道、皮肤、口腔和泌尿生殖道的数据。确定了与生活方式、饮食、种族、年龄、性别、寄生负荷和暴露于现代治疗相关的多种模式。一个主要的发现是，与农业群体相比，嗜血杆菌在当代狩猎-采集者群体的牙菌斑中更普遍，龋齿发生率较低。他们的研究结果还表明，牙齿和牙根形态都可能在口腔微生物组组成以及对感染因子的先天性免疫反应中发挥作用。通过了解导致我们现代口腔微生物群选择的进化力量，可以更深入地了解宿主遗传、免疫选择和饮食影响的作用。进化微生物组研究揭示了大猩猩、古老的人类和现代人之间微生物群的组成差异，在现代人体内观察到微生物多样性显著降低。现代人微生物多样性的丧失被认为是生活方式改变的结果，如饮食转向食用高能量食物，而远离植物性食物。与其他人体体腔不同，口腔可以提供古代人类微生物组以及当代饮食习惯的证据，因为DNA在牙齿上的牙结石形成中被相对保存。通过分析不同时期牙石中的细菌组成，最近有人提出，农业带来的饮食变化在7500多年前大大改变了人类微生物群，并随着最近向以动物为基础和富含脂肪的西方饮食的转变而再次改变。这种多样性的减少被认为是微生态失调的部分原因，微生态失调是一个影响细菌群落组成和随后的微生物代谢的过程。在现代世界的人类微生物群中，微生态失调常与各种代谢、炎症、自身免疫性疾病相关。

为了解人类宿主、微生物群和环境之间复杂的相互作用网络，利用数据驱动的信息学和计算模型开发了新的方法。作者进行的一项开创性的全基因组关联研究（GWAS）检测了口腔微生物群-宿主基因组相互作用，并报道了在研究双胞胎中的龋齿相关微生物组时，口腔微生物的遗传性签名随着时间的推移而丢失。然而，在信号消失之前，与健康相关的苍白普雷沃菌在代表5-7岁儿童的群体中高度遗传，这表明宿主和该分类单元之间的相互作用可能对在儿童中的较小年龄组中进一步探索有重要意义。此外，来自GWAS和保存在牙菌斑中的古代和现代细菌群落的微生物组研究的初步证据表明，宿主基因组学、年龄、性别和各种环境因素是影响这些相关性的重要选择。与大多数微生物组领域一样，GWAS研究领域仍处于起步阶段，乞求进一步研究以确定塑造宿主与口腔微生物群相互作用的力量，未来可作为早期疾病检测、诊断和治疗的靶标。

 

3 唾液和口腔黏膜免疫

作为胃肠道的第一个入口，口腔粘膜上皮由复层鳞状上皮组成，分为咀嚼上皮和衬里粘膜。口腔组织的总体渗透性具有异质性；角质化区域的细胞渗透性较低（牙龈组织和腭粘膜、嘴唇），而渗透性较高的非角质化区域（长结合上皮、前庭、颊粘膜）呈现出更多样化的免疫系统。口腔黏膜主要由抗原提呈细胞（APC）和中性粒细胞形成先天性免疫细胞网络，信号激活包括T细胞和B细胞在内的淋巴细胞。在健康结缔组织中，相关的微生物群刺激适应性免疫细胞的活性，适应性免疫细胞负责维持体内平衡和防止组织损失。然而，当疾病中存在致病性微生物种类时，异质性APC亚群变得活化。最近，研究人员开发了一种可靠评价唾液免疫的新方案。与口腔黏膜组织相反，唾液是一种生物体液，已被证明主要由上皮细胞和免疫细胞组成，中性粒细胞异质性水平增加，其次是淋巴细胞和其他骨髓细胞。单细胞RNA测序和流式细胞标记的机器学习策略证明了通过趋化因子表达具有不同成熟水平的新奇唾液中性粒细胞群。来源于口腔液体的细胞的异质性是巨大的，但需要功能和机制分析来确定这种广泛细胞库的功能。

在所有免疫细胞中，中性粒细胞占口腔组织中总白细胞的95%。30000个中性粒细胞通过连接上皮和口腔黏膜允许免疫细胞进入口腔。当多种微生物和共生生物膜转变为牙周病时，这些中性粒细胞估值增加。虽然数量很少，但其他重要的免疫细胞驻留在牙龈组织中；这些细胞包括驻留的T细胞和B细胞、先天淋巴细胞、巨噬细胞和树突状细胞。与传统的复层衬里口腔上皮相比，牙龈组织缺乏粘膜下层，因此建立了固有层与牙槽骨外膜更紧密的相互作用。

除了粘膜免疫外，唾液内容物对口腔免疫也有显著的价值。唾液在维持口腔健康和调节口腔微生物组中起重要作用。它参与消化、清除微生物、硬组织和软组织的润滑。首先，唾液膜由早期微生物定植菌所需的蛋白质组成，随后很快出现某些革兰氏阴性杆菌和丝状细菌。唾液还通过宿主和微生物细胞产生的乳铁蛋白、乳过氧化物酶、溶菌酶、他汀类和组他汀类提供抗微生物和抗病毒活性。在正常情况下，未刺激的全唾液流速平均为0.3-0.4 mL/min，刺激的唾液流速约为1.5-2.0 mL/min。由全身性疾病、药物和环境因素引起的唾液流丧失是已知的进行性龋齿和感染的原因。

4 健康和疾病中的宿主-微生物群相互作用

各种全身性疾病受微生物代谢和宿主相互作用的影响。人类疾病与特定微生物群特征的相关性示例包括：（i）肥胖，其与厚壁菌门与拟杆菌门的比例降低相关；（ii）炎症性肠病呈现肠杆菌科细菌增加；（iii）来源于肠道菌群的磷脂酰胆碱促进的心血管疾病；（iv）银屑病显示厚壁菌门与放线菌门的比例增加；（v）结肠癌与梭杆菌的相关性。人类的微生物组分析主要基于观察结果，与疾病表型和微生物成分相关。为了理解因果关系和发病机制，模式生物提供了重要方法，可以帮助验证组学发现。然而，在进行宿主-微生物组相互作用研究时，如笼子效应、共噬作用和小鼠品系遗传学都值得考虑。然而，人源化模型提供了更相关的人类疾病状态和免疫系统的直接调节。口腔界面的研究表明，微生物群与宿主的相互作用对疾病易感性、微生物代谢活动和免疫力有重要影响（图1）。影响从健康到口腔疾病病理转变的因素包括龋病、牙龈炎、牙周病和口腔癌，仍然是需要研究的重要问题。表1给出了三种最常见口腔疾病的总体视图以及与每种疾病相关的已知免疫微生物相互作用和细菌病原体的例子。

牙周病

在生态系统内，特定的形态微生物群落根据其确切的位置在组成上存在相当大的差异。支持和包围牙齿的高度神经支配组织被称为牙周组织，它来源于包括外胚层、中胚层和内胚层原始组织在内的多组织层。牙齿的萌出与口腔微生物组的重大变化和牙周龛（龈沟、牙龈液和牙周袋）的形成相对应。微生物组甚至相距毫米也存在差异；；龈上和龈下牙菌斑根据不同的组成、生态位解剖、抗原和免疫暴露以及营养背景进行进化选择。牙周炎的特征是微生物相关的宿主介导的炎症，导致牙周附着丧失。该疾病的病理生理学包括宿主来源的蛋白酶、细胞异质性以及韧带纤维和连接上皮的边缘牙周损失。病变的发生和发展受到附着在牙齿/牙根表面的生物膜的生态失调和唾液浮游生态的调节。

表1 潜在的分类生物标记和口腔健康和疾病研究的例子

简称:FISH，荧光原位杂交

图1 口腔、牙科和颅面界面宿主微生物细胞的共生和非共生关系。（A）人体软硬组织的微生物定植导致生物膜的形成。（B）粘膜免疫系统和微生物群之间的相互作用促进稳态机制和健康。（C）由于环境压力（例如,组织损伤）或压力引起的微生态失调, 宿主和微生物群之间的信号发生改变，导致一系列效应，包括触发促炎因子，如果不及时治疗，可引起组织炎症，随后组织损失。（D）口腔内的炎症反应与全身性疾病有关，如2型糖尿病、关节炎和关节硬化。

 

龋齿

（龋病）是世界上发病率最高的疾病之一。龋齿病不仅源于不良的口腔卫生习惯、含糖饮食、免疫和遗传因素，也源于致病菌的存在，如变形链球菌和产酸乳酸杆菌和双歧杆菌群。研究变形链球菌菌株的已知致龋性和在几分钟内分泌数百毫摩尔酸性乳酸的能力，发现其导致牙釉质快速脱矿，使病情进一步恶化。变形链球菌还产生不溶性葡聚糖基质，使其粘附在牙釉质上，防止酸代谢产物扩散，进一步增加了其毒性。疾病可以预防，不仅可以通过直接抑制产酸和酸尿性龋相关病原体，还可以通过干扰驱动这些细菌选择和富集的环境因素。在引入深度测序技术后发现龋病是一种多微生物疾病，不同的物种与疾病的不同阶段相关。

 

口腔癌

    癌症的发展涉及多种机制的特定微生物，特别是毒素的产生、激素稳态和免疫耐受的丧失、慢性炎症信号的诱导和致癌代谢物的诱导。一些病原体，尤其是病毒，与人类致癌作用有关。研究已经发现特定微生物与癌症之间存在着正相关性。其他病原体也与特定类型的癌症有关，如结肠癌中的牛链球菌，肝胆癌中的伤寒沙门氏菌。此外，人类乳头瘤病毒与宫颈癌和头颈癌（HNCs）的发病机制有关。口腔微生物组环境的改变现在被认为是HNC的一个危险因素。

目前的证据表明，多种人类疾病归因于微生物组的整体变化。在人类肠道和食管异常相关炎症的研究中，化学致癌物如乙醛和N-亚硝基化合物的产生是通过微生物群影响细胞向恶性肿瘤转化的几种机制之一。口腔中存在类似的微生物群-宿主关系的可能性很高，但这些仍未被探索。肠道和口腔微生物组组成差异很大，因此来自两个生态位的代谢可能不同。肠道主要受拟杆菌门的影响，但唾液和口咽拭子显示厚壁菌门在口腔中占主导地位。除了微生物组，众所周知，吸烟和饮酒等环境和风险因素也会调节口腔组织中的细菌。奈瑟菌与高乙醇脱氢酶活性相关，将乙醇转化为乙醛，是一种致癌物。同样，在重度饮酒者和吸烟者中也发现乙醛水平升高。无论个体的微生物含量是否存在差异，都出现了代谢微生态失调可能导致癌变的假设。未来对微生物相关致癌机制的研究，将在何种程度上对这些相互作用可以为HNC诊断和治疗的发展提供新的途径有一个更清晰的认识。

 

5 口腔-全身轴（口腔-肠、口腔-脑、口腔-全身炎症）

   2700年前描述了口腔健康和全身影响的早期指征。口腔来源的局灶性感染可能来源于闭合或开放部位。开放性病灶包括龋损、牙周袋和拔牙窝，而闭合性病灶包括根尖周围感染、感染和未萌出的牙齿以及感染的牙髓组织。微生物组（细菌、病毒、真菌）可能通过沿结缔组织、肌肉和筋膜平面、通过骨腔、沿血液或淋巴管或神经或通过唾液腺粘膜表面传播，从口腔病灶直接进入深层组织。这个系统允许有机体“转移”，并通过循环从原来的位置转移到其他地方。另一种被称为“间接机制”的机制表明，微生物的副产品包括蛋白质、多肽、脂类和核苷酸能够到达系统区域。这一认识表明，来自免疫微生物组相互作用的口腔-系统信号为内稳态、疾病前和疾病发展过程提供了潜在的信息。

总结

牙科和口腔科学与医学分离的时代已经过去，牙科医学已成为卫生保健的一个重要领域。最近的研究表明，人体是一个复杂的生态系统，其中微生物和宿主细胞持续相互作用。尽管最近的发现能够证明细菌在个体和种群水平上的分类学变化，但对于宿主-微生物群相互作用的复杂性，仅仅揭示了冰山一角。通过加强在这些研究领域的研究，将有可能实现宿主-微生物群特征作为临床计时器，可以跟踪疾病的早期发作，并促进微生物组靶向治疗的发展。

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