趙福新
微生物無處不在,是自然界中分布最廣、種類最多、數(shù)量最大的一類生物群體。微生物與人類的生活密切相關(guān),在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中,與人形成共棲關(guān)系。有些微生物對(duì)人體有益,如腸道微生物可合成人體所需的維生素K和B族維生素(B1、B2、B6、B12)、泛酸及非必需氨基酸等,能激發(fā)和增加機(jī)體免疫能力;有些微生物則會(huì)影響人體健康,如引起機(jī)體感染發(fā)炎、菌群失調(diào)而導(dǎo)致疾病發(fā)生。宏基因組指自然界中全部微生物基因組的總和,由Handelsman等[1]在1998 年首次提出此概念。宏基因組學(xué)是以某一樣品中的微生物群體基因組為研究對(duì)象,通過高通量測(cè)序分析微生物的種類多樣性、代謝特征、種群結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系、功能活性、相互協(xié)作及與環(huán)境之間的關(guān)系的一種微生物研究方法學(xué)。近年來,通過宏基因組研究已發(fā)現(xiàn)一些疾病,如難治性腸炎、2型糖尿病、動(dòng)脈粥樣硬化、肥胖、自閉癥等腸道中關(guān)鍵菌群豐度及功能變化均與疾病進(jìn)展相關(guān)[2]。腸道和皮膚是人體最大的微生物來源,對(duì)保持人體的健康至關(guān)重要。而眼表是否存在微生物群頗有爭(zhēng)議,曾有研究者認(rèn)為,盡管有一些微生物存在于眼表,但是這些微生物會(huì)被眨眼、眼淚抗菌物質(zhì)殺死或沖走,實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的只是一過性的微生物或被殺死后留下的微生物遺傳物質(zhì),眼表并不存在定植的微生物群。但最新研究表明,眼表存在核心微生物群,且與人群年齡、地理位置、種族、角膜接觸鏡配戴和疾病狀況密切相關(guān)[3-4]。眼表核心微生物群可刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答,抵抗病原體的侵入,是構(gòu)成眼表抗炎防線的重要組成部分,眼表核心微生物比例失調(diào)會(huì)導(dǎo)致眼表疾病的發(fā)生。
以往對(duì)眼表微生物進(jìn)行研究主要通過傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法來進(jìn)行,但可以在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的微生物種類很少,占所有微生物種類的比例不到1%。因此,眼表存在的大量不可培養(yǎng)的微生物無法對(duì)其進(jìn)行深入研究,嚴(yán)重阻礙了人們對(duì)眼表疾病的認(rèn)識(shí)。近年來隨著宏基因組學(xué)技術(shù)的發(fā)展,并在眼表疾病研究中被廣泛應(yīng)用[5-7],極大地推動(dòng)了眼表微生物組學(xué)的研究。目前宏基因?qū)W主要通過16S rRNA測(cè)序、鳥槍法測(cè)序來檢測(cè)及分析各類微生物。16S rRNA測(cè)序主要檢測(cè)細(xì)菌基因組部分保守序列,如V3、V4區(qū),來鑒定細(xì)菌類別,由于只檢測(cè)了細(xì)菌基因組部分序列,在物種分類時(shí)只能鑒定細(xì)菌且只區(qū)別到屬水平,另外可以分析細(xì)菌種類的多樣性及豐度等。鳥槍法測(cè)序則是對(duì)樣本中的所有微生物進(jìn)行了全基因組測(cè)序,能夠鑒定出細(xì)菌、真菌、病毒及寄生蟲等所有微生物,且能鑒定到種水平,除了分析微生物的多樣性、豐度指標(biāo)外,還能分析微生物的代謝譜、毒力特征等。本文將對(duì)宏基因組學(xué)在眼表疾病包括結(jié)膜炎、角膜炎、瞼緣炎、角膜潰瘍、干眼、瞼板腺功能障礙(MGD)等的研究進(jìn)展以及對(duì)這類眼表疾病的防治作用進(jìn)行綜述,將有助于加深對(duì)這些疾病的認(rèn)識(shí)和理解。
2011年,Dong等[6]首次將宏基因組學(xué)用于眼部疾病研究,對(duì)4個(gè)健康人的結(jié)膜樣本進(jìn)行16S rRNA測(cè)序,發(fā)現(xiàn)健康人結(jié)膜存在12個(gè)核心細(xì)菌屬:假單胞菌屬(Pseudomonas)、丙酸桿菌屬(Propionibacterium)、根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、 棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、短波單胞菌屬(Brevundimonas)、葡萄球菌屬(Staphylococci)、水桿菌屬(Aquabacterium)、鞘脂單胞菌屬(Sphingomonas)、鏈球菌屬(Streptococcus)、鏈型植物菌屬(Streptophyta)、甲基桿菌屬(Methylobacterium),這也是首次證實(shí)眼表存在定植的核心微生物群。2020年對(duì)中國(guó)廣州、溫州、北京三地的86名健康人員雙眼結(jié)膜樣本進(jìn)行宏基因測(cè)序分析發(fā)現(xiàn),眼表微生物主要為細(xì)菌、真菌、病毒,優(yōu)勢(shì)菌群主要為痤瘡丙酸桿菌屬(Propionibacteriumacnes)、表皮葡萄球菌屬(Staphylococcusepidermidis)。三個(gè)地區(qū)人群眼結(jié)膜菌群存在明顯的地域差異,北京地區(qū)受試者結(jié)膜菌群多樣性明顯高于溫州和廣州地區(qū)受試者,北京地區(qū)的微生物菌群也與溫州和廣州明顯不同,推測(cè)這種差異變化可能由于所在地理位置的環(huán)境菌群不同引起[7],表明地理環(huán)境會(huì)影響當(dāng)?shù)厝巳旱难郾砭?。配戴角膜接觸鏡會(huì)影響眼表菌群組成,16S rRNA測(cè)序分析表明,配戴角膜接觸鏡會(huì)引起結(jié)膜菌群明顯改變,與非角膜接觸鏡配戴者相比,角膜接觸鏡配戴者結(jié)膜中甲基桿菌屬(Methylobacterium)、乳酸桿菌屬(Lactobacillus)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、假單胞菌屬(Pseudomonas)豐度均顯著增加;而嗜血桿菌屬(Haemophilus)、鏈球菌屬(Streptococcus)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)豐度均明顯降低,而且結(jié)膜的菌群組成與眼瞼皮膚菌群更相似[8],我們推測(cè)結(jié)膜的菌群可能來源于以角膜接觸鏡為媒介攜帶眼瞼皮膚上的細(xì)菌。2017年,Zhang等[9]通過16S rRNA測(cè)序研究配戴軟性角膜接觸鏡和硬性角膜接觸鏡對(duì)結(jié)膜菌群的影響,發(fā)現(xiàn)角膜接觸鏡配戴并沒有影響菌群α多樣性,只是引起一些菌群的相對(duì)豐度增加,其中,相比于正常未戴鏡組,硬性角膜接觸鏡配戴組患者結(jié)膜中芽胞桿菌屬(Bacillus)、塔特姆菌屬(Tatumella)、乳酸桿菌屬(Lactobacillus)豐度均明顯降低,而軟性角膜接觸鏡配戴組患者結(jié)膜中代爾夫特菌屬(Delftia)豐度下降,而膿毒性菌屬(Elizabethkingia)豐度增加,說明配戴角膜接觸鏡會(huì)影響眼表菌群組成。有研究者對(duì)手術(shù)取下的翼狀胬肉邊緣和結(jié)膜穹隆部樣本進(jìn)行16S rRNA測(cè)序分析,發(fā)現(xiàn)翼狀胬肉邊緣和結(jié)膜穹隆部細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)與成分與以前報(bào)道的結(jié)膜微生物數(shù)據(jù)相比明顯不同,但α多樣性并沒有區(qū)別[10]。Shivaji等[4]對(duì)17名正常人雙眼共34個(gè)結(jié)膜樣本的真菌通過傳統(tǒng)培養(yǎng)及宏基因組測(cè)序比較,發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)法檢出率只有12.5%,只有曲霉菌被檢出,而宏基因組測(cè)序檢出率為73.5%,總共有65個(gè)真菌屬被檢出,明顯高于培養(yǎng)法。這說明宏基因組分析明顯提高了微生物的檢出率,有助于疾病的診斷。因此,結(jié)膜宏基因組學(xué)可用于結(jié)膜炎等的診斷、感染率分析、配戴角膜接觸鏡安全性監(jiān)測(cè)及配戴方法的改良等。
角膜炎常與環(huán)境、氣候、用眼衛(wèi)生,特別與角膜接觸鏡清潔及配戴、洗手及眼鏡盒消毒等相關(guān),常見于細(xì)菌、真菌感染。早期通過傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法,已檢測(cè)出銅綠假單胞菌[11]、肺炎鏈球菌[12]、鐮刀菌和曲霉菌[12]等。2019年,Ge等[13]對(duì)真菌性角膜炎進(jìn)行16S rRNA高通量測(cè)序發(fā)現(xiàn),與正常對(duì)照眼比較,真菌性角膜炎患病組有較低的細(xì)菌菌群多樣性,其中棒狀桿菌屬(Corynebacterium)和葡萄球菌屬(Staphylococcus)均呈低豐度表達(dá),而假單胞菌屬(Pseudomonas)、無色桿菌屬(Achromobacter)、柄桿菌屬(Caulobacter)和嗜冷桿菌屬(Psychrobacter)豐度均較高。提示這些菌群豐度改變可能增加了真菌的感染風(fēng)險(xiǎn)。2019年,Prashanthi等[14]對(duì)真菌性角膜炎患者的結(jié)膜及角膜刮取物進(jìn)行真菌核糖體小RNA內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)2區(qū)域測(cè)序分析發(fā)現(xiàn),與健康者相比,真菌性角膜炎患者結(jié)膜及角膜刮取物中真菌α多樣性明顯降低,豐度也存在明顯差異,其中子囊菌門(Ascomycota)相對(duì)豐度明顯升高,而擔(dān)子菌門(Basdiomycota)則降低;并且發(fā)現(xiàn)眼表存在11個(gè)核心真菌屬,分別為曲霉屬(Aspergillus)、毛球腔菌屬(Setosphaeria)、馬拉色霉菌屬(Malassezia)、腐皮鐮孢菌屬(Haematonectria)、 假絲酵母菌屬(Candida)、翹孢霉菌屬(Emericella)、青霉菌屬(Penicillium)、鐮刀菌屬(Fusarium)、枝孢屬(Cladosporium)、內(nèi)生真菌屬(Choiromyces)、旋孢腔菌屬(Cochliobolus)。這也說明眼表除了有核心細(xì)菌菌群外[6],還存在核心真菌菌群[14]。我們認(rèn)為,眼表細(xì)菌和真菌多樣性水平及豐度變化導(dǎo)致菌群失調(diào)是導(dǎo)致真菌角膜炎的主要原因。對(duì)22例外傷性角膜潰瘍患者和20名正常對(duì)照者結(jié)膜樣本進(jìn)行高通量鳥槍法測(cè)序發(fā)現(xiàn)[15],在外傷性角膜潰瘍患者中,微生物以細(xì)菌為主,偶見真菌,未見病毒,相比于正常健康者,外傷性角膜潰瘍患者菌群α多樣性明顯降低,其中熒光假單胞菌屬和銅綠假單胞菌屬豐度相比正常健康眼均明顯增高,與炎癥相關(guān)的信號(hào)通路,如細(xì)菌趨化性、鞭毛裝配、生物合成、降解代謝通路均明顯增強(qiáng),說明外傷性角膜潰瘍患者眼表微生物菌群改變與角膜潰瘍有關(guān),但由于樣本較小,我們認(rèn)為菌群改變是否影響外傷性角膜潰瘍進(jìn)展仍需更多研究和更大樣本證實(shí)。綜上,角膜炎主要以細(xì)菌和真菌感染為主,細(xì)菌和真菌的菌群多樣性降低、感染性或機(jī)會(huì)性致病菌群豐度增加是導(dǎo)致真菌炎的重要原因之一。
干眼指淚液的質(zhì)和(或)量的異常引起的淚膜不穩(wěn)定和眼表?yè)p害,導(dǎo)致眼部不適癥狀。眼表微生物可能影響淚膜結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性,進(jìn)而導(dǎo)致干眼發(fā)生。2007年,Graham等[16]通過對(duì)干眼受試者下結(jié)膜囊樣本利用傳統(tǒng)的細(xì)菌方法培養(yǎng)及對(duì)16S rRNA基因進(jìn)行PCR鑒定,培養(yǎng)法檢測(cè)到的細(xì)菌主要是凝固酶陰性葡萄球菌,而PCR法鑒定出紅串紅球菌屬(Rhodococcuserythropolis)、產(chǎn)酸克雷伯菌屬(Klebsiellaoxytoca)、歐文菌屬(Erwiniasp)。2017年,陳紅等[17]對(duì)干眼患者的結(jié)膜印跡細(xì)胞樣本進(jìn)行宏基因組測(cè)序分析,發(fā)現(xiàn)干眼患者眼表微生物α多樣性與健康受試者相似,干眼患者結(jié)膜中有15 種微生物相對(duì)豐度較高,干眼患者富集的抗生素抗性基因明顯多于健康受試者,推測(cè)可能與干眼患者用藥有關(guān),提示對(duì)干眼患者用藥要注意耐藥問題,防止引起菌群失調(diào)導(dǎo)致病情難以愈合。對(duì)35例干眼和54例非干眼受試者進(jìn)行16S rRNA測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)[18],干眼組菌群α多樣性和β多樣性明顯降低,其中擬桿菌和脆弱擬桿菌在干眼組明顯富集,而假單胞菌主要在非干眼組富集。以上研究均提示,干眼患者眼表微生物組成結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,菌群變化是影響干眼的一個(gè)致病因素。研究結(jié)果提示,微生物在干眼中的作用復(fù)雜,需要更多和更大樣本的研究來闡明微生物在干眼病程中的作用及致病機(jī)制,為干眼預(yù)防及治療提供了一定的指導(dǎo)和幫助。
MGD是一種慢性、彌漫性瞼板腺功能異常,以瞼板腺終末導(dǎo)管阻塞、缺失,分泌瞼脂的質(zhì)和(或)量異常為特征。有研究表明,眼表微生物可分解瞼板腺脂質(zhì),產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物對(duì)瞼緣產(chǎn)生刺激會(huì)影響MGD。2017年,OCEAN協(xié)作組會(huì)議報(bào)道[19]MGD結(jié)膜菌群以葡萄球菌屬(Staphylococcus)、丙酸桿菌屬(Propionibacterium)及蠕形螨屬(Demodex)為主。利用傳統(tǒng)的細(xì)菌培養(yǎng)方法在MGD患者眼表可培養(yǎng)出凝固酶陰性的葡萄球菌(主要為表皮葡萄球菌)、痤瘡丙酸桿菌、棒狀桿菌以及金黃色葡萄球菌[20]。還有研究表明,表皮葡萄球菌分泌的膽固醇酯酶和脂肪蠟酯酶在MGD的發(fā)病中起重要作用[21]。2016年,Watters等[22]對(duì)新西蘭MGD癥狀輕重不一的患者的瞼緣樣本進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其菌群組成比較相似,病情輕重程度似乎與菌群組成變化無關(guān)。而基于中國(guó)MGD患者的研究發(fā)現(xiàn),在MGD患者中有較高的細(xì)菌檢出率,并且可培養(yǎng)出的細(xì)菌種類要顯著多于對(duì)照組[23],提示細(xì)菌種類增多與MGD相關(guān)。對(duì)35例干眼受試者分成MGD組和非MGD組,發(fā)現(xiàn)兩組間α和 β多樣性并沒有差異,在MGD組中桿菌屬豐度較高,而擬桿菌屬豐度較低[18],提示MGD與某些菌群豐度變化有關(guān)。2020年,Suzuki等[24]對(duì)36位健康人的瞼板腺、結(jié)膜及眼瞼皮膚進(jìn)行16S rRNA測(cè)序,三個(gè)部位菌群α多樣性在性別上并沒有差異,但青年人菌群α多樣性明顯高于老年人,提示年齡與MGD菌群多樣性呈負(fù)相關(guān)。青年人瞼板腺和結(jié)膜菌群結(jié)構(gòu)相似,而老年人結(jié)膜與眼表皮膚菌群結(jié)構(gòu)相似。2020年,Zhao等[25]對(duì)61例MGD患者和15位正常對(duì)照者眼瞼、結(jié)膜和眼瞼皮膚宏基因組進(jìn)行鳥槍法測(cè)序,結(jié)果發(fā)現(xiàn)瞼板腺的細(xì)菌豐度與結(jié)膜及眼瞼皮膚細(xì)菌豐度明顯不同,瞼板腺微生物種類與眼瞼皮膚接近,明顯與結(jié)膜部分不同,提示瞼板腺微生物可能來自眼瞼皮膚;并且發(fā)現(xiàn)MGD患者的瞼板腺中具有獨(dú)特的微生物,如彎曲桿菌屬(Campylobactercoli)、空腸彎曲菌屬(Campylobacterjejuni)、糞腸球菌屬(Enterococcusfaecium),而在正常對(duì)照者瞼板腺中并不存在,表明這些菌屬的增加可能是引起MGD的原因之一。對(duì)宏基因組進(jìn)行功能注釋分析發(fā)現(xiàn),MGD患者瞼板腺微生物群的化學(xué)趨化能力、免疫侵襲毒力及介導(dǎo)Ⅳ型膠原分泌的能力均明顯增強(qiáng)。我們認(rèn)為這些微生物改變引起眼表免疫侵襲毒力增強(qiáng),最終導(dǎo)致MGD的發(fā)生發(fā)展。因此,調(diào)節(jié)MGD患者眼表的菌群結(jié)構(gòu)是預(yù)防或治療MGD的一個(gè)好的干預(yù)手段。
有研究表明,腸道菌群可能影響眼表疾病發(fā)生,兩者之間存在一定關(guān)聯(lián)[26]。2009年,Oresic等[27]對(duì)無菌飼養(yǎng)小鼠和普通飼養(yǎng)小鼠的晶狀體和視網(wǎng)膜進(jìn)行脂質(zhì)組學(xué)研究,相對(duì)于無菌飼養(yǎng)小鼠,普通飼養(yǎng)小鼠晶狀體中磷脂酰膽堿消失,而視網(wǎng)膜中乙醇胺縮醛磷脂明顯升高,說明腸道微生物會(huì)影響晶狀體和視網(wǎng)膜脂質(zhì)代謝。對(duì)真菌性角膜炎和健康者的腸道菌群進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)[28-29],真菌性角膜炎患者腸道中細(xì)菌的豐度和多樣性明顯低于健康者腸道,有益細(xì)菌數(shù)量明顯下降,但兩組間真菌譜沒有明顯變化,說明腸道細(xì)菌組成變化可能影響到真菌性角膜炎進(jìn)展。腸道菌群也與葡萄膜炎有關(guān)[30],葡萄膜炎患者腸道中抗炎性菌群(如糞桿菌屬、擬桿菌屬、毛螺菌屬等)均明顯減少,益生菌群和抗菌微生物也均顯著下降[31]。另有研究發(fā)現(xiàn)[30],葡萄膜炎患者腸道真菌豐度和多樣性明顯降低,一些病原性真菌,如馬拉色霉菌屬、白色念珠菌、光滑念珠菌、曲霉屬真菌,在葡萄膜炎患者腸道中明顯增多。也有研究發(fā)現(xiàn),干眼患者腸道中糞桿菌屬豐度明顯降低,可能經(jīng)“腸道菌群失調(diào)-眼表-淚腺軸”通路影響干眼[32]。另外,腸道微生物也可能通過“腸-視網(wǎng)膜軸”影響青光眼的發(fā)生發(fā)展[33]。因此,腸道菌群變化可能影響眼表感染性疾病,兩者之間存在一定關(guān)聯(lián)[26]。這也提示我們,在研究和治療眼表疾病時(shí),也要考慮腸道菌群變化對(duì)它的影響,可通過調(diào)整腸道菌群來幫助治療眼表感染或免疫性疾病。
2019,Shivaji等[4]對(duì)眼表真菌經(jīng)傳統(tǒng)培養(yǎng)法及高通量測(cè)序結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)培養(yǎng)只有12.5%的檢出率,只檢測(cè)出1個(gè)真菌屬,而高通量測(cè)序檢出率則高達(dá)73.5%,可檢測(cè)出65個(gè)真菌屬。說明高通量測(cè)序不論從病原檢出率還是菌群種類,均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法,這有助于了解疾病真實(shí)及準(zhǔn)確的病因,并針對(duì)性地進(jìn)行治療。宏基因組學(xué)現(xiàn)已成為感染性角膜炎一個(gè)好的診斷學(xué)手段[34]。對(duì)角膜供體保存液進(jìn)行了高通量測(cè)序,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)診斷方法診斷為陰性的樣本中發(fā)現(xiàn)多種細(xì)菌(如銅綠假單胞菌、鏈球菌等)的存在[35],因此宏基因組學(xué)的應(yīng)用有助于提高角膜移植的成功率及安全性。眼表宏基因組學(xué)研究成果還可用于抗菌性角膜接觸鏡研發(fā),降低角膜接觸鏡配戴引起的微生物感染風(fēng)險(xiǎn)[36-37]。2017年,St Leger 等[38]發(fā)現(xiàn)小鼠眼結(jié)膜存在乳腺炎棒狀桿菌,可以誘導(dǎo)T細(xì)胞產(chǎn)生白細(xì)胞介素17,可以抵御真菌(如白色鏈球菌)感染。因此,移植乳腺炎棒狀桿菌到眼表是一種治療感染性眼病的新策略。早于2009年,美國(guó)巴斯科姆帕爾默眼科研究所(Bascom Palmer Eye Institute)就啟動(dòng)了眼表微生物組項(xiàng)目(Ocular Microbiome Project)來研究眼表微生物組成、豐度等變化及在眼表疾病中的作用,極大推動(dòng)了眼表宏基因組學(xué)的研究。宏基因組學(xué)在眼表感染性疾病中的應(yīng)用可明顯提高病原菌的檢出率,有助于眼表疾病的診斷,更好地明確其病因、分析正常菌群或致病菌群及代謝譜變化特征,輔助臨床醫(yī)師診斷及用藥,能把眼表感染性疾病的診治提高到一個(gè)新的層次。
眼表宏基因組學(xué)的研究可通過對(duì)宏基因組測(cè)序產(chǎn)生序列進(jìn)行功能注釋,分析不同代謝通路、生物合成通路在該群體中的富集及其疾病發(fā)生中的作用,明確是否有特殊的細(xì)菌代謝產(chǎn)物來解釋眼部癥狀的個(gè)體化差異。在疾病狀態(tài)中,微生物群體的變化與周圍相關(guān)微生物群體的關(guān)系一直是研究中的重要問題,通過對(duì)不同部位微生物的研究,判斷異常增多的微生物是否更有可能源自周圍已有的微生物群體。此外,也需要分析患者微生物群體變化,眼表皮膚是否也有未知的改變,以及其特征性變化與眼部不同位置菌群組成之間的關(guān)系。這些將有助于人們了解眼部的菌群變化,明確哪些是定植在眼部的有益菌群和致病微生物,從而指導(dǎo)臨床醫(yī)師在開具抗生素處方時(shí),深入考慮藥物對(duì)微生物群體的風(fēng)險(xiǎn)和益處,防止殺死對(duì)眼睛有益的微生物,保持眼部的菌群平衡。對(duì)有害微生物,可針對(duì)性地應(yīng)用一些抗菌藥物及滴眼液、抗菌角膜接觸鏡等,從而降低眼表感染性疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。