综述：从共生到发病机制：呼吸道病毒组的隐藏作用

《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：From commensalism to pathogenesis: the hidden role of the respiratory virome

　　本综述系统阐述了呼吸道病毒组（包括真核病毒和噬菌体）在呼吸道微生态中的重要作用，揭示了其在健康状态下维持免疫平衡、在疾病中（如哮喘、COPD、肺炎、肺纤维化）驱动病理改变的动态变化，强调了病毒组研究对开发新型诊断标志物和治疗策略的潜力。

　　

引言

呼吸道病毒组作为人体微生物组中的病毒组成部分，其内涵远不止于引起急性感染的病原体。它涵盖了感染人类细胞的真核病毒、感染细菌的噬菌体以及内源性病毒元件。得益于深度测序和宏基因组学技术的发展，研究人员发现，即使在健康个体的呼吸道中也存在着一个复杂的病毒群落。近期一项荟萃分析在人类病毒组中识别出约320种不同的病毒物种，分属于26个病毒科，其中指环病毒科（Anelloviridae）、乳头瘤病毒科（Papillomaviridae）和布尼亚病毒科（Bunyaviridae）是整体上最丰富的家族之一。许多病毒属于“共生”或低水平病毒，它们建立持续性或短暂性感染而不引发急性疾病。

在肺部，这种基础的病毒组包括DNA病毒、RNA病毒以及噬菌体，它们定植于鼻咽、支气管和肺泡。宏基因组学调查通常会检测到常见的呼吸道病毒（如鼻病毒、呼吸道合胞病毒、腺病毒、疱疹病毒）、指环病毒（例如 torque teno viruses）、乳头瘤病毒以及大量靶向 resident bacteria 的噬菌体。值得注意的是，噬菌体通常在回收的序列中占主导地位，这反映了气道中类似肠道的噬菌体组的高度多样性。例如，与细菌性呼吸道病原体相对应的活性噬菌体可以从人类下气道标本（如痰液、支气管肺泡灌洗液）中检测到，甚至在囊性纤维化患者中分离出铜绿假单胞菌的Pf丝状噬菌体。此外，典型的肠道噬菌体（如crAssphages）也在呼吸道样本中被检测到。这些发现表明，噬菌体是呼吸道微生物组的主要组成部分，很可能通过微吸入或胃食管反流进入肺部。

重要的是，健康的肺部病毒组并非惰性存在。其低水平的病毒居民持续与免疫系统互动，并可能提供保护。这种被称为“居住性病毒组”的亚临床定植，可能有助于气道中先天性抗病毒免疫的紧张性启动。相反，当病毒载量升高或免疫应答失效时，这种平衡被打破，可能触发或加重炎症性疾病。

正常呼吸道病毒组

健康人类正常的呼吸道病毒组是一个复杂的生态系统，主要由噬菌体主导，同时包含一个较小但在生物学上意义重大的真核病毒组成部分。噬菌体通过裂解和溶原循环调节细菌种群动态，并影响细菌基因转移，包括毒力因子和抗生素耐药基因的传播。常见的噬菌体家族包括长尾噬菌体科（Siphoviridae）、肌尾噬菌体科（Myoviridae）、短尾噬菌体科（Podoviridae）（均为有尾噬菌体目Caudovirales成员）以及微噬菌体科（Microviridae）。这些噬菌体被认为有助于维持呼吸道内细菌群落的平衡，并可能间接支持宿主对抗机会性病原体的防御。

呼吸道病毒组中的真核病毒包括在健康个体中以非致病状态持续存在的几个分类群。其中，指环病毒——特别是扭矩特诺病毒（TTV）及相关物种——一直被报道为丰富的组成部分，并被认为是免疫状态的潜在生物标志物。在健康呼吸道分泌物中检测到的其他真核病毒包括疱疹病毒科、腺病毒科、乳头瘤病毒科和副粘病毒科的成员，以及呼吸道合胞病毒（RSV）和鼻病毒，它们可能由于无症状定植而以低水平存在。此外，宏基因组研究偶尔在气道样本中识别出来自胃肠道的病毒，这表明可能发生了微吸入或易位事件。

总之，健康的呼吸道承载着一个复杂的病毒组：包含偶然的病原体、潜伏病毒，尤其是一个丰富的噬菌体群落。这些 resident viruses 帮助定义了一个“基线”气道环境。

急性呼吸道疾病

急性呼吸道疾病以突发性感染和炎症为特征，常伴有病原体快速过度生长。此处我们以肺炎为代表，描述气道病毒组在感染期间的变化。

肺炎

近期研究表明，肺炎伴随着呼吸道病毒组的显著变化，包括真核病毒、噬菌体和内源性逆转录病毒。儿科和成人队列研究均表明，与健康状态相比，肺炎发病与病毒组多样性和组成的改变相关。例如，一项对南非幼儿的宏基因组调查显示，患有严重急性呼吸道感染（SARI）的儿童比对照组携带更高丰度和多样性的病毒，包括普遍存在的鼻病毒和人类内源性逆转录病毒K113（HERV-K113）序列，而致病性肺炎病毒科（如RSV）仅在肺炎病例中检测到。这些发现暗示，病毒生态系统的扰动——良性病毒组成员丢失和其他病毒激增——可能促进肺炎发展，而非仅仅反映其存在。

一旦肺炎确立，动态的病毒组变化似乎影响疾病严重程度。在儿童中，宏基因组特征分析揭示了与肺炎相关的独特病毒组合。Cui等人识别出超过1100种病毒分类单元在肺炎病例和健康对照之间存在差异：感染普雷沃菌属（Prevotella）、奈瑟菌属（Neisseria）和韦荣球菌属（Veillonella）等共生菌的噬菌体减少，而腺病毒、多瘤病毒以及靶向链球菌属（Streptococcus）和葡萄球菌属（Staphylococcus）的噬菌体富集。值得注意的是，一些高丰度的腺病毒和多瘤病毒感染被基于PCR的检测所遗漏，这凸显了病毒组分析在诊断中的价值。合并感染进一步影响结局：在一项北京队列中，超过一半的肺炎支原体（Mycoplasma pneumoniae）肺炎患儿合并感染呼吸道病毒，最常见的是流感病毒或RSV，导致发热时间延长和住院时间增加。更近期的分析显示，学龄期肺炎支原体肺炎患儿的病毒组扩大，DNA病毒科（痘病毒科Poxviridae、逆转录病毒科Retroviridae、虹彩病毒科Iridoviridae）富集，噬菌体科发生变化（肌尾噬菌体科增加，长尾噬菌体科减少），同时在下气道检测到鼻病毒和呼吸病毒，而对照组则没有。类似的趋势在墨西哥观察到，肺炎患者的病毒组以扭矩特诺小病毒（torque teno mini-virus）和一种链球菌噬菌体EJ-1为主，而哮喘患者的病毒组则以鼻病毒和RSV等RNA病毒为主。这些儿科研究表明，细菌性或病毒性肺炎扰乱了 resident virome，使得潜伏或不常见病毒得以扩张，并改变了噬菌体-宿主相互作用。

在成人中，肺炎进展常涉及潜伏病毒再激活和病毒多样性崩溃。近期，宏基因组测序证实了疱疹病毒在危重COVID-19急性呼吸窘迫综合征（ARDS）患者中的优势地位，其中巨细胞病毒（CMV）和单纯疱疹病毒1型（HSV-1）在几乎所有病例中被发现。引人注目的是，内源性逆转录病毒元件在重症肺炎中也处于激活状态：与轻症病例或非COVID对照组相比，危重COVID-19患者气管吸出物中的HERV-K转录本显著升高，并与富含IL-17的炎症、单核细胞活化及早期ICU死亡率相关。在体外，SARS-CoV-2感染单核细胞直接诱导了HERV-K表达，提示内源性逆转录病毒是免疫病理的放大器。儿科样本中也显示SARI和健康儿童体内存在HERV-K113，但其致病作用尚不明确。除人类病毒外，重症肺炎还与外来病毒的富集有关：对COVID-19肺部的宏转录组分析意外地检测到仅在患者体内存在的植物烟草花叶病毒，同时伴有克雷伯菌过度生长和良性类群丢失，反映了极端的生态失调。

噬菌体日益被认为是肺炎相关微生物失衡的介质。在儿童肺炎支原体肺炎中，噬菌体的变化与细菌变化平行：裂解性噬菌体（肌尾噬菌体科、阿克曼噬菌体科Ackermannviridae）的扩张和温和噬菌体（长尾噬菌体科）的减少反映了细菌的过度生长。在墨西哥，肺炎患者显示出指环病毒和链球菌噬菌体EJ-1的富集，而哮喘病例则以RNA呼吸道病毒为主。这些发现支持了一个模型，即噬菌体破坏了细菌群落的稳定，清除了机会性病原体的生态位，或转移了毒力基因，从而促进了肺炎的发生。总体而言，肺炎反映了病毒组-微生物组-宿主平衡的崩溃：真核病毒占据主导，噬菌体重构细菌生态系统，内源性逆转录病毒激活，所有这些都放大了炎症和组织损伤。

慢性呼吸道疾病

慢性呼吸道疾病以持续性气道炎症和进行性重塑为特征。在这些情况下，病毒感染可作为发病机制的触发因素或调节因素。

哮喘

呼吸道病毒被认为是哮喘急性发作的主要诱因。特别是人鼻病毒（HRV），是哮喘发作期间最常检测到的病毒，并与持续性喘息的发展有关，尤其是在生命早期发生感染时。鼻病毒感染通过诱导黏蛋白基因表达和释放损害上皮屏障功能的促炎细胞因子来促进气道炎症。在哮喘个体中，这些病毒感染与免疫应答向Th2表型倾斜相关，IL-4、IL-5和IL-13的产生增加，促进了嗜酸性粒细胞炎症。RSV是另一个在儿童早期突出的病毒，其感染与后续哮喘风险相关，可能通过其改变新生儿肺发育和免疫成熟的能力实现。此外，流感病毒和副流感病毒提供了额外的触发因素，不仅加重哮喘，还可能与新出现的病毒科如指环病毒科相互作用以调节疾病严重程度。证据还表明，特定的病毒亚型，如鼻病毒C型，通过受体介导的细胞进入和随后的强烈炎症反应，在易感个体中表现出增强的致病性。

近期研究为哮喘气道中病毒组生态失调的独特模式提供了令人信服的证据。在哮喘儿童中，宏基因组调查发现噬菌体的丰度和多样性显著降低，这与真核病毒的扩张相关，特别是指环病毒科和小RNA病毒科（Picornaviridae）。这种改变的病毒生态被假设损害了噬菌体的调节功能，导致细菌群落紊乱和气道微生物生态系统弹性下降。详细研究将病毒组划分为不同的特征组；例如，“原核生物病毒组特征组”（PVPG）在健康儿童中更普遍，而以高真核病毒丰富度或指环病毒科（如AVPG）为主导的组在哮喘队列中过度代表，并倾向于与较差的哮喘控制和增加的严重程度相关。这些发现强调，气道病毒组的重构可能是哮喘中观察到的慢性炎症环境的结果和促成因素。

COPD

COPD以不可逆的气流受限和慢性炎症为特征。在COPD患者中，检测到多种多样的呼吸道病毒，从常见的RNA病毒——如鼻病毒、流感病毒、呼吸道合胞病毒（RSV）、副流感病毒和冠状病毒——到DNA病毒，包括腺病毒、EB病毒（EBV）和巨细胞病毒（CMV）。值得注意的是，也记录了潜伏病毒感染；例如，腺病毒E1A蛋白表达和持续性EBV存在与炎症反应增加和肺功能更快下降相关。此外，新兴的分子研究确定了指环病毒，特别是扭矩特诺病毒（TTV），作为COPD患者气道病毒组的重要组成部分，其相对丰度与健康受试者观察到的存在显著差异。除了致病病毒，气道生态系统还包括噬菌体，如长尾噬菌体科、肌尾噬菌体科和短尾噬菌体科的成员，它们可能通过水平基因转移和调节细菌毒力等过程影响细菌微生物组。这种复杂的病毒物种混合形成了一个动态群落，其组成受宿主因素、环境暴露和治疗干预的影响。

总体而言，COPD病毒组的扰动方式与其他慢性肺病相似：致病病毒在急性加重期间激增，低水平病毒（指环病毒、疱疹病毒）随着疾病进展而积累，而保护性噬菌体群落则减弱。这些变化放大了气道上皮细胞的先天性炎症并驱动疾病急性加重。

肺纤维化

呼吸道病毒长期以来被认为是遗传易感个体中特发性肺纤维化（IPF）发展的潜在触发因素。特别是EB病毒（EBV）和其他疱疹病毒在IPF患者中频繁被检测到。然而，这些研究均未能建立EBV与纤维化之间的直接因果关系。一些报告将丙型肝炎病毒（HCV）感染与IPF联系起来，提出了HCV可能促进肺纤维化疾病的可能性。尽管如此，研究结果并不一致，因为其他分析发现IPF患者中HCV流行率并未更高。此外，现代广谱病毒组分析并未在IPF中发现独特的病毒特征。一项对肺组织进行的下一代RNA测序调查（筛查数百种病毒）仅检测到零星的病毒序列，并且显示IPF肺与对照肺之间的总病毒载量无显著差异。一致地，近期一项荟萃分析报告称，虽然超过一半的IPF患者有病毒感染的证据——特别是疱疹病毒如EBV和HSV——但这些病毒在普通人群中也普遍存在，其在纤维化中的明确病因学作用仍未得到证实。

在IPF急性加重（AE-IPF）的背景下，肺部病毒组似乎扮演着更显著的角色。Wootton等人使用分子检测方法在肺部检测病毒，发现约44%经历IPF急性加重的患者体内存在病毒遗传物质，而病情稳定的IPF患者在当时未携带可检测到的病毒。在这些加重病例中，扭矩特诺病毒（TTV）被频繁识别（存在于约三分之一的AE-IPF患者中），并且其存在与IPF较差的生存结局相关。类似地，另一项研究在AE-IPF患者的鼻咽样本中观察到57种不同的病毒物种，其中疱疹病毒和甲型流感病毒最常见，并且总体病毒检测频率在急性加重期显著高于稳定期。这些观察支持了病毒感染可在慢性纤维化背景上引发急性肺损伤，从而加速临床衰退的观点。然而，重要的是要注意，并非所有加重病例中都一致发现某种单一病毒，并且许多加重病例没有可识别的病原体——这表明病毒是几种可能的触发因素之一。

总之，虽然IPF肺部显示出生态紊乱（微生物失调）和对感染的易感性，但没有单一病毒被指认为病因。IPF中的病毒组很可能反映了免疫受损和上皮损伤的环境：随着纤维化进展，肺泡屏障破坏，允许更多的微生物（包括病毒）进入。更高的病毒载量（作为总负荷增加的一部分）可能加重晚期IPF的炎症，但缺乏病毒直接驱动纤维化的证据。

结论与未来展望

呼吸道病毒组是肺部生态学中一个不可或缺但未被充分认识的元素。在健康状态下，一个丰富且平衡的病毒组——由真核病毒和多样化的噬菌体组构成——有助于维持免疫稳态和微生物组平衡。上述例子表明，病毒组组成的改变常伴随呼吸道疾病：哮喘以病毒过度生长和噬菌体丢失为特征；COPD以反复病毒刺激为背景伴随病毒组转变；肺炎以病原体主导和病毒多样性减少为特征；肺纤维化则以总体微生物负荷增加为特征而无特定病毒标志。这些观察强调，在发病机制模型中，应将病毒组与细菌和真菌一同考虑。

然而，许多问题仍然存在。因果关系难以确定：是紊乱的病毒组驱动了疾病，还是疾病（及其治疗）重塑了病毒组？需要纵向队列研究来厘清因果关系。此外，迄今为止的大多数病毒组分析依赖于DNA测序，并对RNA病毒存在偏倚——然而许多呼吸道病原体是RNA病毒。改进的宏转录组学方法将能更好地捕获完整的病毒组。功能研究也是必需的。我们能否通过实验操作病毒组（例如噬菌体疗法或受控病毒暴露）来改变疾病结局？例如，吸入能增强干扰素的良性病毒可能保护高风险患者免受严重感染。相反，靶向有害病毒（如持续性指环病毒或疱疹病毒种群）可能减轻哮喘的慢性炎症。在实际应用中，病毒组分析可能产生疾病生物标志物。引用的研究表明，特定的病毒组“指纹”与哮喘严重程度和肺炎病因相关。未来的诊断可能包括对痰液或鼻拭子进行病毒组测序以对患者进行分层。更推测性地，工程化噬菌体可能有朝一日被用于重塑慢性病中的肺部细菌群落。

总之，呼吸道病毒组是一个动态的生态系统，其平衡与肺部健康相关。近期研究已开始揭示其复杂性和作用，但该领域仍处于年轻阶段。随着方法的改进，将病毒组数据与微生物组和宿主免疫数据整合至关重要。更深入地理解病毒和噬菌体如何影响呼吸道，不仅有望带来新的科学见解，也将为哮喘、COPD、纤维化、肺炎及其他疾病提供新的治疗策略。