口腔-肠道微生物组轴在健康和疾病中的作用

摘要

人体在许多不同的栖息地中拥有数万亿微生物，具有不同的物理化学特性。其中，口腔和肠道是一些最密集和最多样化的微生物群落的港湾。虽然这两个部位在生理上是不同的，但它们是直接相连的，并且可以以多种方式相互影响。例如，口腔微生物可以到达胃肠道并定殖，特别是在肠道生态失调的情况下。然而，口腔微生物组在引起或加重其他器官疾病中的定植机制和作用尚未完全阐明。在这里，我们描述了我们对口腔和肠道微生物群如何相互作用对人类健康和疾病的影响的理解的最新进展。

介绍

 由数万亿微生物组成的各种微生物群落在人体及其不同的栖息地定居。已知这些微生物群落在维持人类健康方面发挥着关键作用。值得注意的是，它们通过刺激免疫系统，防御病原体并可能作为慢性疾病过程的触发器和驱动器，对宿主产生深远的影响。微生物群组成的扰动，称为生态失调，与多种疾病有关，包括代谢紊乱，自身免疫性疾病和胃肠道疾病。因此，了解宿主及其微生物组之间的相互作用对于破译各种疾病的病因和设计有针对性的治疗干预措施至关重要。 

口腔和肠道代表了两个主要环境，其中包含了人体中最密集和最多样化的微生物群落。口腔微生物组在动态环境中茁壮成长，不断暴露于各种食物颗粒和环境影响。各种病理可影响口腔，在人群中具有相当大的患病率。这些包括牙龈炎、牙周炎、龋齿或口腔癌，所有这些都与口腔微生物组的变化明显相关。此外，口腔作为微生物定植的通道，沿着呼吸和消化系统沿着形成后续微生物群落的组成。口腔也是高度血管化的，导致口腔微生物组与各种全身性疾病相关的潜在分支。越来越多的研究表明，口腔微生物组的改变与其他健康状况之间存在相关性。沿着胃肠道，肠道-被定义为小肠和大肠-具有受各种因素影响的巨大且多样的微生物生态系统，所述因素例如宿主遗传学、饮食、生活方式和暴露于环境刺激。肠道微生物组与许多生理过程密切相关，包括调节宿主免疫反应，维持肠道屏障的完整性和防止病原体定植。由于其与宿主的重要相互作用，肠道微生物组组成和功能的差异与各种慢性疾病有关，从胃肠道炎症和代谢疾病到神经系统，心血管和呼吸系统疾病。鉴于它们的丰富性以及它们与宿主以及彼此之间建立的复杂相互作用，口腔和肠道微生物组已成为人类健康和疾病的核心参与者。了解口腔-肠道微生物组轴和这些微生物群落之间的双向串扰对于了解微生物组对宿主生理学和病理学（如炎症性肠病（IBD）和结直肠癌（CRC））的全身影响至关重要。在这篇综述中，我们深入研究了口腔和肠道微生物群之间错综复杂的关系，重点是它们的细菌对应物，揭示了它们各自在健康和疾病中的作用。我们探讨这些不同的栖息地之间的动态相互作用，并讨论如何在他们的平衡扰动可以有助于各种疾病的发展。

口腔作为人体的门户

 口腔-肠道连接

胃肠道由一系列中空的器官组成，这些器官连接在一个长的内衬良好的粘膜管中，从口腔到肛门，通过食道，胃和小肠和大肠。包括肝脏、胰腺和胆囊在内的实体器官完成胃肠道并形成消化系统。因此，口腔和肠道是位于胃肠道相对侧的解剖学上连续的区域。除了这种身体上的联系，两侧也有化学联系，特别是通过每天通过胃肠道的唾液和消化食物的升数。消化系统是继呼吸道之后身体与外部环境之间的第二大接口，并且具有与人类健康相关的两个重要但有些矛盾的功能。一方面，胃肠道具有选择性渗透性，允许营养物质进入循环。另一方面，它必须防止病原体和其他有害实体的渗透。在这种情况下，口腔代表进入身体的主要门户。首先，通过呼吸和消化系统，因为它们直接的物理连接，而且还通过循环系统，由于口腔的高度血管化，从而形成微生物聚生体和人类宿主之间的关键界面。

口腔是多种独特微环境的家园，有自己的微生物群落，允许大量多样的分类群。口腔代表了仅次于肠道的第二大最多样化的微生物栖息地，超过770种细菌分布在不同的位置，通常分为3组：颊粘膜，角化牙龈和硬腭（第1组）;唾液和舌头（第2组）;以及龈下和龈上菌斑（第3组）。健康个体口腔的主要分类群包括链球菌属、颗粒菌属、韦荣球菌属、双生菌属（芽孢杆菌门）、奈瑟氏菌属、嗜血杆菌属（假单胞菌门）、棒状杆菌属、罗氏菌属、放线菌属（放线菌门）、普雷沃氏菌属、二氧化碳噬纤维菌属、卟啉单胞菌属（拟杆菌门）和梭杆菌属（梭杆菌门），它们以不同比例存在于口腔的不同部位（图1）。尽管丰度相对较低，但古细菌、微真核生物如真菌、变形虫和鞭毛虫以及病毒已被报道为口腔微生物组的成员，并且由于其独特的代谢能力和功能，可能发挥重要的生态和致病作用。真菌的主要属包括念珠菌属、马拉色菌属、枝孢菌属、酵母菌属和青霉菌属，并且倾向于在口腔内广泛分布。与此相反，古细菌（甲烷短杆菌属），阿米巴（齿龈内阿米巴）和鞭毛虫（口腔毛单胞菌）主要生活在牙周袋中，（图1）。口腔中细菌以及其他重要的群落成员的多样性和细菌学最近得到了广泛的审查。本综述的重点是口腔细菌，因为它们是研究最充分的生物体在口腔肠道轴。

PART

01

图1|口肠轴的生物地理学和生理学。胃肠道由一条从口腔到肛门的粘膜长管组成。胃肠道的分类分布沿着存在一定的连续性。尽管一系列屏障阻止了外部病原体的肠道定植，但微生物从口腔转移到肠道可能发生，并且在功能障碍的情况下增加。该图突出显示了胃肠道沿着的不同小生境，并显示了每个胃肠道位置中最常见的属。细菌转移的途径，包括血源性和肠内途径，由循环系统（血管）中的细菌和沿着胃肠道的细菌表示（左图）。口-肠屏障的不同机制在右图中突出显示。物理屏障，包括上皮鳞状复层上皮和唾液（含有水、蛋白质和盐的混合物），防止口腔中的血源性转移。溶菌酶和分泌型免疫球蛋白A（SIgA）以及淋巴细胞、T细胞和树突状细胞进一步防止微生物转移，并且对于免疫稳态至关重要。低pH值（通常约为pH 2）对大多数微生物是有害的，因为它促进微生物细胞壁中脂质的水解或破坏质子电位。胃蛋白酶是一种天冬氨酸蛋白酶，可将食物中的蛋白质降解为肽，并具有抗菌作用。胆盐破坏细菌膜，使蛋白质变性，螯合铁和钙，从而破坏微生物细胞。与口腔中发现的屏障机制相似的屏障机制也存在于肠道中，但存在一些显著差异。上皮细胞形成单细胞层和粘液层，由杯状细胞分泌粘蛋白引起。在肠道中，它存在于管腔侧而不是唾液中。M细胞专门用于采样大分子（抗原和病原体），并将这些大分子从腔表面运输到上皮下，在那里它们被免疫细胞加工。

肠道由小肠和大肠组成，是人体最大的微生物生态系统之一，拥有多达1,000种不同的微生物。肠道微生物组主要由拟杆菌门、芽孢杆菌门和放线菌门的厌氧菌组成，包括拟杆菌属、普雷沃氏菌属和瘤胃球菌属，以及一些值得注意的变异，包括脱硫弧菌属和阿克曼氏菌属。胃肠道的分类分布沿着存在一定的连续性。虽然由于获得特定隔室样本的固有困难，关于栖息在食管和胃中的微生物的信息较少，但认为食管由与口腔中的微生物相似的属占主导地位，如链球菌属、普雷沃菌属、韦荣球菌属、罗氏菌属和Gemella属。在胃中，链球菌属（Streptococcus spp.）和普雷沃氏菌属（Prevotella spp.）也很常见，但这些群落的分布似乎在相对丰度方面有所不同（图1）。

虽然口腔和肠道直接相连，但两个栖息地的微生物组是不同的，特别是在pH值，氧气水平，营养物质可用性和免疫反应方面，两个地点之间只有有限数量的分类群。这种隔离是由于口-肠屏障，一系列防御机制和微生物屏障，包括通过胃酸、胆汁和胰腺分泌物杀死微生物，以及常驻肠道微生物的定植抗性（方框1）。然而，研究表明，可以根据从粪便中回收的群落预测口腔群落类型，并且几个物种经常从口腔传播到肠道，并沿着胃肠道沿着形成连贯的菌株种群。此外，已经表明，口-肠屏障效率可能降低，并且典型的口腔细菌可以定殖于肠的管腔内容物和粘膜组织。

方框1

无论口腔和肠道之间的微生物连接和不断转移如何，两个部位的微生物组都是不同的，肠道中发现的一小部分微生物起源于口腔。这种隔离是由于口-肠屏障，其防止潜在病原体进入肠道，但也防止口腔微生物易位（即，穿过上皮屏障）到肠道。屏障由三条主要防线组成，它们沿着胃肠道存在，包括物理化学屏障、免疫屏障和生物屏障。肠道病原体具有不同的到达和侵入肠道的机制。一些粘附并定居在肠上皮细胞中，而另一些则增加肠通透性并可转移到血流中。最终，功能失调的屏障导致各种全身性和/或肠道微生物组相关的慢性疾病。 

从口腔开始，唾液是屏障的关键部分，因为它含有各种抗微生物酶，如溶菌酶和乳铁蛋白，或抗体，包括分泌型免疫球蛋白A（SIgA）。在健康状态下，唾液调节和维持健康的口腔微生物组组成。然而，在唾液流速降低的情况下，微生物和营养物质在口腔中的保留时间延长，这反过来又会导致微生物组成的变化。 

沿着胃肠道，胃的酸性环境（pH通常在1.5至3.5的范围内）充当大多数口腔微生物的天然障碍，因为低pH抑制它们的存活和生长。此外，消化酶，包括胃蛋白酶，以及胰腺分泌物和胆汁进一步分解设法通过胃的微生物，从而限制它们在肠道定殖的能力。 

在肠道中，肠壁的衬里包括上皮和粘液、固有层（其中存在各种髓样和淋巴样细胞）和粘膜肌层。在上皮内，紧密连接蛋白连接相邻的上皮细胞并调节细胞旁通透性。与这种物理屏障相一致，其他特化上皮细胞参与屏障功能。肠细胞和潘氏细胞产生抗微生物肽，如溶菌酶C、磷脂酶和凝集素。杯状细胞分泌粘蛋白，保护上皮细胞并支持树突状细胞进行抗原呈递，这反过来又促进调节性T细胞的发育。除此之外，M细胞通过将转胞吞的微生物呈递给下面的树突细胞或骨髓细胞来帮助粘膜免疫监视。重要的是，除了抗微生物肽，粘膜表面分泌物还含有SIgA，其可防止病原体粘附并有助于调节肠道微生物群组成和肠道稳态。 

最后，常驻肠道微生物组在赋予定植抗性方面发挥着关键作用，并且对于防止病原生物过度生长和异位定植至关重要。事实上，肠道微生物组可以直接通过竞争性排斥资源和空间以及抗菌活性或间接通过刺激宿主的免疫防御来防止肠道病原体的生长。

微生物从口腔转移到肠道的证据

有两种途径可用于细菌转移到肠道和其他沿着胃肠道的远端器官：肠内途径，通过该途径，细菌从口腔通过胃肠道传播到肠道;和血原途径，通过该途径，口腔细菌进入病变并全身循环，从而潜在地定植在肠道粘膜（图1）以及其他身体部位。

来自口腔和外部环境的微生物嵌入唾液和食物中，不断被摄入并沿着胃肠道。虽然口-肠屏障应该防止大多数微生物的易位，但存在这些第一道防线被突破并允许口-肠转移的情况。例如，低胃酸，特别是由于使用质子泵抑制剂，可以将肠道微生物组成向口腔的轮廓转移。抗生素的使用减少了肠道中微生物的浓度，有利于口腔细菌在肠道中的定植。此外，一些细菌是耐酸的，典型的口腔菌种可以沿着胃肠道，特别是在胃中发现。例如，链球菌属的成员，如变形链球菌，是已知对酸性条件具有抗性的口腔微生物。此外，牙龈卟啉单胞菌的增殖细胞已显示在暴露于pH 5的人工胃液2小时后保持活力。

常见的口腔细菌没有主动侵入血液的能力。然而，发炎的牙周组织或来自牙科手术的病变促进细菌通过牙周袋的血管化和牙龈溃疡被动转移到循环系统。事实上，病原体的存在可能会加剧炎症反应，并导致对软牙周组织和硬牙周组织的损害。以这种方式，口腔细菌包括链球菌属，牙龈卟啉单胞菌或具核梭杆菌可以通过身体传播并到达肠道以及其他远端器官，在那里它们可以触发发病机制。例如，口腔细菌已经在从IBD、CRC、糖尿病和类风湿性关节炎到心血管病症的病理学中被鉴定。

最近的数据表明，口腔微生物可以克服口腔和肠道之间的物理化学和生物屏障在病理背景下或在屏障损伤和易位到肠道。在正常的生理条件下，一些物种可以在口腔和肠道中找到。例如，属于普雷沃氏菌属的唾液细菌大量存在于粪便样本中。最近的一项研究观察了来自口腔和粪便微生物组的310种物种，尽管群落结构与不同地点之间的不同种群一致，但唾液和粪便样本中普遍存在125种物种，包括链球菌，韦荣氏球菌，放线菌和嗜血杆菌菌株。然而，值得注意的是，共有物种的相对丰度在不同地点之间差异很大。尽管如此，似乎口腔微生物群在肠道中的反映比预期的更广泛，即使在健康个体中也是如此，而不仅仅是在病理情况下。

重要的是，虽然在肠道微生物组中发现口腔细菌是口腔到肠道转移证据的重要线索，但它并不总是足够的。将伪影识别为真正的微生物信号可能会错误地导致在两个不同的地点或条件下识别出相同的细菌。这种伪像来源的一个有据可查的例子是所谓的试剂盒，其中如果不使用适当的阴性对照，则来自DNA提取和/或测序试剂的污染细菌DNA导致在不同样品中错误鉴定相同的细菌分类群，即使这些分类群不存在于实际样品中。为了确定微生物细胞的传播，必须确定其确切的来源群体。为了评估一种微生物是否是从某一特定来源分散的，必须将其遗传物质与潜在来源的遗传物质进行比较，并与所涉分类群的已知菌株特征进行比较。事实上，来自同一物种的细菌可以在口腔和肠道中找到，但不一定是由于活跃和持续的转移。如果基因组在菌株水平上得到解析，并且两种环境都含有相同的菌株，则可以得出正在进行的转移的结论，但还不能得出菌株的活性/生存力的结论。为了实现这一目标，需要在功能层面解决应变传递问题。确定来源群体的策略包括检测共享的单核苷酸变体、CRISPR信号、菌株特异性基因或重建的基因组的存在。方框2详细讨论了这些问题。