综述 | CURR OPIN MICROBIOL：微生物组介导的抗真菌免疫调节
编译：小鹿同学，编辑：小菌菌、江舜尧。
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抗真菌免疫的特征在于免疫激活和免疫调节过程之间的持续相互作用。现在不仅在临床前动物模型中而且在人体中都清晰地显示了这些过程。为了建立并维持这种免疫稳态，宿主的免疫系统、真菌病原体和微生物组之间的互惠相互作用至关重要。值得注意的是，微生物组具有多种直接和间接的抗真菌作用，旨在最大程度地减轻宿主的组织损伤。因此，在这个微生物组的时代，3D培养系统或“组织类器官”等体系结构可能最终代表了一种简单而有效的体外“共生功能体”，从而揭示为克服真菌感染而发展起来的各种相互作用和适应性。
论文ID
原名：Microbiome-mediated regulation of anti-fungal immunity
译名：微生物组介导的抗真菌免疫调节
期刊：Current Opinion in Microbiology
影响因子：8.134
发表时间：2020.6
通讯作者：Teresa Zelante
通讯作者单位：意大利佩鲁贾大学实验医学系
主要内容
1 共生功能体
最近描述“生物学形而上学”的一个模型——将宿主-微生物组的多物种系统定义为“共生功能体”。在共生功能体中，系统内相互作用的演变确保了总体稳态。为了理解共生功能体如何控制人类宿主不断地暴露于真菌病原体中，研究者必须考虑不同水平条件下的“全基因组”适应性：宿主与真菌病原体之间、宿主与微生物组之间以及微生物组与真菌之间（图1）。
图1.共生功能体的概念。多物种有机体作为一种独特的生物个体共同进化出多种生物学适应性。图中上部显示了宿主-病原体-微生物组三角关系中多种类型的相互作用。在图中下部，根据宿主中多种相互作用的发生数目，绘制了三种不同人类表型的真菌感染结果。
2 宿主-真菌的相互作用：从先天感知到适应性耐受
在宿主与真菌之间的初始相互作用期间，宿主免疫系统通过模式识别受体（包括Toll-样受体（TLR）和C型凝集素受体（CLRs））来检测富含生物活性碳水化合物（如β-葡聚糖、甘露聚糖和几丁质）的真菌颗粒。真菌细胞壁的结构调节与宿主间的复杂通讯，因为真菌可以改变细胞壁的成分并改变其与宿主CLRs相互作用的能力。激活CLR后出现的细胞内信号传导能够促进树突细胞（DCs）的成熟以及其向淋巴结的迁移。这种作用是通过ITAM或FcRγ链介导的细胞内信号传导以及CARD9/MALT1/Bcl10复合体的招募而实现的。复合体激活的转录因子（如NFκB、NFAT和AP1）促进炎症，但也促进调控机制（包括确定几种共刺激分子的转录和从DCs中释放极化的细胞因子）。CLRs之间的协作对真菌的侵入量进行了严格控制。实际上，由于早期的先天免疫应答缺陷，缺乏CLRs的小鼠与对照小鼠相比极易受到系统性念珠菌的感染。这些小鼠发炎过度从而试图控制真菌的过度生长，但这很可能导致小鼠的多器官衰竭。因此，早期感测能力的缺乏似乎删除了防止宿主组织损伤所必需的调节网络。
就适应性免疫来说，天然免疫识别针对动物和人类血液、肺、肠和皮肤中的真菌感染，从而形成特异性的T细胞免疫。在白色念珠菌感染的情况下，激活自由的Th17可能导致宿主的组织损伤，并使宿主易患气道呼吸系统疾病。在稳态条件下，当皮肤受损时Th17保护皮肤屏障的完整性，例如在马拉色氏菌的皮肤感染中，IL-23和IL-17AF维持着马拉色氏菌引起的炎症。Th17细胞似乎具有很高的疫苗接种潜力。例如在隐球菌感染的情况下，产生IL-17的肺部驻留记忆T细胞在真菌的二次暴露时会提供保护。基于DC给药的疫苗接种抑制了肺部真菌的侵入，并提高了感染隐球菌小鼠的存活率。因此，在宿主和真菌病原体相互作用期间，炎症细胞/途径的激活通常由调节网络来平衡。
过度的炎症反应也会改变真菌的毒力或存活率，从而影响感染的结果。例如，研究者证明了高水平的IL-17通过与病原体直接相互作用而影响念珠菌的基因表达和毒力。在另一方面，有研究显示念珠菌通过释放念珠菌素（一种损害口腔上皮细胞的菌丝相关肽）来招募IL-17+细胞。因此，宿主与真菌之间的相互作用可能解释了黏膜水平上免疫功能失调而产生的免疫病理作用。在人类T细胞的生理库中，诸如曲霉孢子或念珠菌等颗粒状空气型抗原会诱导出特异性循环的稳定Tregs和常规T细胞（Tcon），其中Tregs占Tcon优势的百分比。可溶性抗原不会诱导这种作用，因为这些抗原不会以颗粒的形式出现在真菌中。占优势的Tregs的这种诱导作用支持了在针对真菌病原体的免疫反应期间效应T细胞和Tregs共扩增的概念，从而限制免疫病理作用。令人惊讶的是，特异性针对白色念珠菌的Th17细胞也可以在肺部驱动针对曲霉的免疫病理作用。因此，真菌与宿主的相互作用属于交叉反应，且通常在真菌与宿主相互作用的部位也具有保护性。口服基于β-葡聚糖的益生元在体外具有诱导Foxp3+、IL-10+和IL-17+ T细胞的能力，这说明真菌与宿主之间的相互作用可能直接影响宿主的致耐受性反应。养分的可利用性、宿主-真菌的共同代谢和来自真菌的次级代谢产物的传递均介导了宿主-真菌之间的相互作用。总之，真菌和宿主免疫系统之间存在互惠的相互作用。炎症途径和调控网络共存从而控制真菌的数量和宿主组织的损伤。通常在环境中，细菌和真菌之间的相互作用对于改善生态系统的性能也至关重要。有证据支持了人类作为一种共生功能体，其中宿主、真菌和细菌之间的多种相互作用可以提高人体对真菌的免疫反应效率（图1）。
3 微生物与宿主的相互作用：在真菌感染的情况下我们期望什么？
过去十年针对微生物组的研究表明，微生物与宿主之间关系的逐渐演变对于确保地球上人类的生命至关重要。这一发现已在几种生理环境中得到了证实。实际上，生态失调可能是产生肥胖、自身免疫性、癌症和感染风险的关键因素。整合人类微生物组计划强调了人体内的交互关联在健康和疾病中的重要性。研究者已经证明，在必需氨基酸色氨酸能够自由利用的条件下，乳酸杆菌可通过激活异质物受体——芳烃受体（AhR）和3型先天淋巴细胞（ILCs）来提高宿主对黏膜念珠菌感染的抵抗力。在这种情况下，研究者强调了宿主、病原体和共生微生物之间相互作用的完美“三角关系”，其中通过增加由共生体驱动的细胞因子IL-22的水平来实现对念珠菌的抗性。念珠菌和乳杆菌之间的直接相互作用也表明它们在黏膜环境中是天然竞争者，其中乳杆菌通过几种代谢产物（如乳酸、醋酸盐或生物表面活性剂）而发挥抑制真菌的作用。相比之下，真菌可以通过释放抗生素来抑制细菌的生长，从而对细菌产生“抗生性”。此外，细菌和真菌也可以通过交换基因片段、代谢产物和营养物质来实现相互作用。细菌可以形成屏障免疫轴的另一个证明是粪便微生物群的移植可以阻止念珠菌在肠道的定植。这些发现凸显了微生物群在防止病原性真菌感染中的潜在临床应用。在小鼠中，肠道对白念珠菌的完全抵抗力归因于共生的Bacteroides thetaiotamicron，该菌触发了由HIF-1α和LL-37介导的针对真菌的屏障免疫。有趣的是，口腔链球菌以一种TLR2-依赖性的方式引起念珠菌的传播。因此，当感染部位引起过度炎症时，微生物群也可能加剧念珠菌的定植和免疫病理作用。
值得注意的是，肠道菌群也可能影响肺部的抗真菌免疫力。在侵入性曲霉病的小鼠模型中，抗生素万古霉素的处理表明肠道的生态失调会降低肺部Th17的极化，从而影响宿主的抵抗力。至于肠道内Th17的极化，分节丝状菌是Th17极化的原因。微生物群也可能影响抗真菌炎症发作的延迟，使宿主易于发生系统性感染。在肺部隐球菌感染的情况下已观察到了这种效果。无菌小鼠感染了隐球菌，并与常规小鼠比较了抗真菌免疫力。在这种情况下，细胞因子的产生和肺组织的损伤减少了。
微生物组研究中以前总被忽视的生态位是呼吸道组织。直到最近，通过深度测序等先进技术才表明健康的肺并不是无菌的。肺部微生物群中富含细菌、真菌和病毒，它们来自黏膜分泌物、鼻咽和口咽的吸入。在健康的肺部内，丙酸杆菌属、链球菌属、嗜血杆菌属和韦荣氏菌属的细菌与曲霉菌、青霉菌和念珠菌等真菌共存，但并未引起感染。如果考虑了在其它组织中多个已知的相互作用，现在的这种情况就不足为奇了。在过去的几年中，肠道和呼吸道的微生物群轴也得到了深入研究。这两个生态位都通过免疫和代谢途径而产生相互作用，并影响哮喘、囊性纤维化和肺癌的肺部发病机制。
有趣的是，根据肺部微生物组的类型，人类可以分成不同的肺型。一种肺型的特征是高细菌量和声门上存在优势菌属，如厌氧的普氏菌属和韦荣氏菌属。另一种肺型的特征在于低细菌量和有关环境的分类群。在一项多重中心的研究中，上呼吸道的UniFrac距离与Th17细胞的百分比呈显著负相关，而与声门上主要的肺型菌属呈正相关。因此，Th17细胞的极化和扩增与肺部微生物组（特别是富含口腔菌属的）有关。现在尚未确定不同的人类肺型是如何应对病原体的挑战，尤其是那些引起肺部慢性炎症（如曲霉菌感染）的挑战。
研究者最近建立了一个多重中心的前瞻性研究，在该研究中，研究者招募了被诊断为血液恶性肿瘤的患者。研究者收集了鼻拭子和咽拭子，结果正如先前的研究所料，研究者发现咽部微生物的丰富度比鼻腔微生物组的更高。此外，真菌感染风险更高的患者表现出较低的微生物富集水平，其中严格厌氧菌（如梭菌目）的丰度降低，而韦荣氏菌属、肠球菌和乳杆菌则相对扩增。
总体而言，专注于微生物组与宿主相互作用的研究突出了这样一种观念，即在真菌感染发生时，抗药性或致耐受性免疫反应均可被激活。因此，一种可能的假设是真菌、细菌和宿主之间的多种相互作用决定了一个宽容的共生功能体，而相互作用的改变或减少相互作用量（如在生态失调或免疫功能紊乱的情况下）可能导致宿主对病原体的敏感性。作者已经表明，当缺少致耐受性的免疫应答（如在Ido1-缺陷型小鼠中）时，宿主会获得一种以抗真菌屏障免疫为特征的抗性表型，而肠道内乳杆菌的数量增加和宿主IL-22的释放为该表型提供了支持（图1）。
4 一种3D共生功能体的模型
如今，利用新颖且先进的生物技术方法而形成的不同体外模型可用于研究宿主、病原体和微生物组之间的多种相互作用。上皮细胞的类器官培养物（无论是衍生自iPSCs还是成体干细胞）构成了众多应用于免疫学研究的平台。3D类器官系统可作为一种微型的共生功能体（图2），其可以轻易地剖析三角关系（宿主、微生物组和病原体）中关键点的不同功能。实际上，感染后上皮细胞的成分会发生变化，而在微生物组的作用下免疫细胞的激活也会发生变化。研究者已经提出：使用人类3D肺和来源于iPSCs的肠道类器官，通过添加人类单核细胞来模拟黏膜组织的炎症过程。本文中的类器官已经被曲霉菌感染，并通过几种细胞因子的表达和释放来响应PRR刺激。将来，优化三重培养的类器官将是研究这些感染中的相互作用以及开发新治疗方法的基础。
图2.一种3D类器官的共生功能体。不同的组织类器官可以利用人源iPSCs或成体干细胞获得，并使用真菌病原体感染，从而类似于感染发生时的体内情况（1~2）。混合共培养可通过显微注射具有潜在抗真菌活性的免疫细胞和选定分类群来获得，而选定的分类群是利用宏基因组学对感染的目标组织进行研究而获得的（3）。免疫细胞可以是天然免疫细胞（如ILCs、单核细胞和嗜中性白细胞）以及生物工程改造的CAR T细胞或先前激活的T细胞（Th17和Treg）。图中显示了3D类器官-共培养物中可能的指示数据（4）。
结论
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