首页 > 分享 > Nature综述

Nature综述

萌宠菠菠乐园
2024-12-06 18:02

室内微生物组与人体健康

The indoors microbiome and human health

Review, 2024-7-19, Nature Reviews Microbiology, [IF:69.2]

DOI: https://doi.org/10.1038/s41579-024-01077-3

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41579-024-01077-3

第一作者：Jack A. Gilbert1,2,3 , Erica M. Hartmann4,5,6

通讯作者：Jack A. Gilbert1,2,3 (jagilbert@health.ucsd.edu)

主要单位：

1 美国加利福尼亚州拉霍亚，加利福尼亚大学圣地亚哥分校儿科系Department of Paediatrics, University of California San Diego, La Jolla, CA, USA.

2 美国加利福尼亚州拉霍亚，加利福尼亚大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego, La Jolla, CA, USA.

3 Center for Microbiome Innovation, University of California San Diego, La Jolla, CA, USA.

美国加利福尼亚州拉霍亚，加利福尼亚大学圣地亚哥分校微生物组创新中心

4 Department of Civil and Environmental Engineering, Northwestern University, Evanston, IL, USA.

美国伊利诺伊州埃文斯顿，美国西北大学土木与环境工程系

5 Department of Medicine, Division of Pulmonary Medicine, Northwestern University, Chicago, IL, USA.

美国伊利诺伊州芝加哥，美国西北大学医学部肺科医学分部

6 Center for Synthetic Biology, Northwestern University, Evanston, IL, USA.

美国伊利诺伊州埃文斯顿，美国西北大学合成生物学中心

翻译整理：荀佳妮，深圳基因组所硕士在读

- 摘要 -

室内环境不仅为人类提供栖息地，同时也是各种微生物的储存库和生态位。微生物通过人类和非人类宿主进入室内空间，并通过通风和管道等与外界交换进入室内。一旦进入室内，许多微生物无法在干燥、贫瘠的物体表面存活。然而，尽管微生物数量减少，这些微生物的生物量仍对人类居住者的健康有重要影响。随着城市化的加剧，探讨室内环境与人类微生物组和健康之间的交叉变得越来越重要。室内微生物组是一个受人类活动和环境因素影响的复杂生态系统，在调节传染病和促进健康的免疫发育方面起着关键作用。微生物组研究的最新进展揭示了这一独特的生态系统，强调了创新方法在创建促进健康的居住空间中的必要性。在这篇综述中，我们探讨了建筑环境——人类大部分时间居住的地方——的微生物生态对免疫、内分泌和神经健康的影响。我们还提出了利用室内微生物组来改善健康的策略。

- 引言 -

室内微生物群落包括存在于建筑环境中的细菌、古菌、真菌、原生生物和病毒群落，特别是那些被人类实际占据的地方的群落。虽然与人类居住者接触的物体表面上的微生物组主要由与人体皮肤相关的生物体主导，但建筑环境也从室外空气、水和土壤中接收到额外的微生物输入，形成一个独特而多样的微生物汇聚地。人体相关微生物和其他微生物的具体分布受建筑设计和占用情况、非人类动物的存在、接近绿色环境的程度以及使用的材料和物体表面处理的影响。

随着城市化程度的增加，人体接触微生物的方式越来越多地由室内微生物组决定，而室内微生物组又受到城市化程度的影响。对微生物多样性较低的室内环境的依赖性增加可能影响了人类的免疫健康。这个假设基于卫生假说，该假说认为患者儿童时期接触循环呼吸道感染会使免疫系统对非目标抗原（如花粉）产生脱敏，从而导致季节性过敏的增加（框1）。建筑环境有可能通过特定的接触或缺乏接触直接影响人体微生物组和免疫健康。同时，城市化可以改变人体的行为模式和化学物质接触程度，从而影响人体的生理机能，最终影响人体微生物组和健康。例如，生活在贫困城市中的人暴露于显著的空气污染，从而导致生理变化，如慢性炎症的发生和体内与颗粒物相关的微生物组改变。建筑环境深刻影响人体微生物组，因此，可能很难区分由微生物暴露引起的健康影响与建筑环境中的行为改变或化学暴露导致的微生物组变化。

微生物暴露和免疫稳态对健康的影响可能源于遇到各种抗原，无论是通过浸入自然生态系统（再野化）还是有针对性地将微生物抗原重新引入建筑物本身（益生菌）。

研究建筑物内稀疏、濒临生存边缘的微生物生态可能具有转化性益处，增强人们的健康并提高对社会、经济和气候威胁的抵抗力。然而，关于代谢疾病或精神健康问题等情况，建筑环境通过微生物组的影响可能不那么直接，可能需要更深入的机制理解才能有效解决这些问题。

不管怎样，随着操控室内微生物组的前景变得越来越现实，建立我们对室内微生物学和暴露原理的共识至关重要，必须为未来的研究和干预措施制定技术和概念框架。流行病学和社会学等其他学科可以提供宝贵的见解。社会公平和微生物组的原则提供了一个框架，使我们能够更好地理解社会因素如何塑造我们居住的家园，以及这些变化如何短暂和长期地影响与微生物暴露相关的健康。

此前，我们强调了确定建筑物中微生物活动影响人类健康的机制的难度，并指出了微生物暴露的正面和负面影响。在本综述中，我们提供了现有研究和现有数据的更新概述。我们探讨了建筑物内微生物动态的现有知识，研究了建筑特征如何驱动抗生素耐药细菌的积累，并讨论了建筑物内病毒和古菌动态的新见解。此外，我们分析了将室内微生物暴露与免疫、内分泌和神经健康结果联系起来的新证据。最后，我们重点介绍了阐明建筑物稀疏生态所需的一些进步新技术，并讨论了通过有针对性的微生物组特定干预措施在建筑环境中保证人体健康的策略。

框1|卫生假说

1989年首次提出的卫生假说已经扩展为对免疫发育和环境相互作用的更广泛理解。这种扩展反映了接触多种微生物和发展免疫耐受之间的复杂平衡。最初的假说集中于幼儿期减少感染暴露与过敏性疾病增加之间的关系，强调微生物多样性在免疫系统训练中的作用。现代解释不仅包括细菌和病毒性呼吸道感染，还涉及广泛的环境因素，如真核寄生虫、真菌以及多种植物和动物蛋白的相互作用。向更小型的核心家庭和更清洁环境的转变，导致了微生物暴露多样性的减少，这与过敏和自身免疫性疾病的增加有关。在早期生活中暴露于丰富的微生物环境被认为有助于免疫系统区分有害和无害的抗原，减少不适当免疫反应的可能性。挑战在于找到在预防疾病的良好卫生习惯与确保足够的微生物暴露以训练免疫系统之间的平衡。正在进行的研究探索这一假说对城市规划、生活方式变化和医疗实践的影响，旨在优化现代社会的免疫健康。理解扩展卫生假说所概述的细致关系对于制定促进免疫健康的策略至关重要。这包括重新评估我们的卫生方法，探索饮食在微生物多样性中的作用，并重新考虑生活空间的设计，以在可控范围内增加微生物暴露。

- 主要内容 -

室内微生物组

The indoor microbiome

室内和室外微生物组之间的显著差异主要源于其主导因素的影响。尽管两者都受到温度、水的可用性和底物或养分多样性等生物相关物理化学因素的影响，室内微生物组体还是占据一个极其干燥和/或养分贫乏的环境，深受人类活动的影响（图1）。例如，从室内物体表面测序的细菌DNA中，只有25%与完整细胞相关，而有利于微生物存活和生长的条件（如潮湿和湿气损害）通常被视为有问题的异常情况。室内微生物组包括与人类和动物相关的微生物，以及来自环境（如土壤、空气、植物和水）的微生物。特定微生物的存在主要由输入因素驱动，比如占用情况和人类与物体表面的互动方式。例如，经常接触的物体表面上主要存在与皮肤相关的微生物，如金黄色葡萄球菌、链球菌、棒状杆菌和丙酸杆菌，每次接触都会重新引入这些微生物。像芽孢杆菌这样的广泛耐受的微生物可以在任何地方找到，可能通过户外空气或鞋子带入的土壤进入，并以孢子的形式存活。很少被人接触的建筑管道内部主要由形成生物膜的环境细菌（如Denitratisoma spp.）占据。在农村环境中，比如与农场相关的家庭，沉积的尘埃样本富含与农场动物粪便相关的巴尔通体和瘤胃球菌。医院环境中，虽然以皮肤相关细菌为主，但也富含潜在的致病菌，如假单胞菌和鲍曼不动杆菌，以及非致病菌，如厌氧球菌、普雷沃菌和奈瑟菌属。每个人都有独特的微生物组，每小时向周围环境释放31毫克的总颗粒质量、3700万个细菌基因组拷贝和700万个真菌基因组拷贝。同样，每个室内微生物组也是独一无二的。常规活动，即使看似微不足道，也会显著影响封闭空间内的微生物传播。空气流通，由建筑结构和操作管理决定，起着塑造室内环境微生物环境的关键作用。这些因素随着建筑物生命周期的变化而变化，导致了不同微生物类群的存在。研究揭示了空气交换率与微生物多样性之间的直接联系，强调了建筑设计的重要性。建筑环境中的材料选择可以创造有利于或抑制微生物定殖的生态位。某些物体表面无意中成为微生物繁殖的有利平台，强调了在建筑设计中做出明智材料选择的必要性。

对不同建筑环境中微生物分布的详细观察表明，家庭环境往往反映出居住者的微生物特征。厨房和浴室等空间展现出独特的微生物组成模式，这些模式受到人类活动和环境因素的影响。例如，在那些不认为食物污染是严重食品安全问题的家庭中，厨房台面上的微生物多样性和潜在食源性病原体的存在显著高于那些认为食物污染是问题的家庭。即便如此，厨房物体表面通常被如链球菌科、微球菌科、黄杆菌科和莫拉克氏菌科等细菌家族主导，还有绿藻门和水菌科。食源性微生物和水槽中的水都对这些物体表面的微生物多样性有贡献。水对浴室和厕所的微生物组影响很大。一项研究观察到，在全面清洁后的5到8小时内，洗手间地板上迅速发展出一个近期演替的微生物群落，并在接下来的几周到几个月内保持显著稳定。与肠道相关的微生物类群是最常见的，即使在没有人使用房间的情况下仍能持续存在。值得注意的是，包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）在内的葡萄球菌种是可培养微生物群落的重要组成部分。在未受控的水条件下，潮湿和湿气损害似乎不会改变整体微生物丰富度，但可能会改变微生物群落的组成以及可存活和活跃的微生物比例。医疗环境虽然有严格的消毒工作，但仍然容易受到MRSA等病原体的威胁，这突显了了解和管理医院微生物组的重要性。同样，教育机构的微生物组也受到频繁接触的物体表面上各种微生物的影响，这同样值得关注。

图1 | 建筑环境中的微生物组。

影响室内微生物组的因素因环境而异，例如学校、医院和家庭。光源和光的类型、水的可用性、建筑材料以及建筑的位置常常具有普遍影响，而光的多少和类型对室内微生物多样性的影响相对较小。室外空气质量、天气条件、地理位置以及周围的植物和动物多样性都会影响室外与室内的微生物交换。尽管建筑物随处可见，但由于农村人口在医疗服务方面的资源不均，医院往往集中在（郊）市区。在不同环境中，人类占用者是主要驱动微生物动态变化的因素。在家庭中，居住的人数通常较少；学校中有更多样化的人群使用同一空间；医院的人流量和流动性最大。家庭中动物和植物的多样性较大，例如宠物（狗、猫、爬行动物、鱼等）和室内植物，这些都对建筑物的微生物多样性作出贡献；而学校里的植物和动物的多样性较少，部分原因是暑假和寒假期间无法照顾宠物和室内植物。由于设计原因，医院的植物和动物种类的多样性非常低。室内外空气交换对室内微生物多样性也有显著影响。例如，建筑物周围开花植物的数量与室内微生物多样性相关，但这受到空气交换量和空气类型的影响。相比学校，家庭的通风性较好，窗户常开，宠物进出频繁，空气交换相对稳定。医院通常有受控的空气交换系统，常使用高效空气过滤、加热、通风和空调系统。最后，清洁实践的类型和强度是影响室内微生物多样性的关键因素之一；医院的清洁实践非常严格，远比大多数家庭和学校更为严格。

室内微生物生态学

Indoor microbial ecology

要实现健康的室内环境，必须将微生物组的研究与更广泛的室内环境质量概念相结合，全面考虑所有影响居住者健康的室内暴露因素。生物学驱动的建筑设计在操控室内微生物组方面的潜力应视为健康建筑运动的重要组成部分。早期的研究主要集中于阐述室内空间中的细菌以及在较小程度上真菌的分类多样性。随着技术的进步和对微生物生态学的更好理解，以及对在室内微生物组中引入功能性变化的需求，研究者们开始对包括古菌和病毒在内的广义微生物多样性进行特征阐述，并探索它们的功能代谢特性（图2）。随后，我们阐述了在抗菌耐药性、细菌和真菌的生存能力及代谢、病毒和古菌领域的最新发现。我们进一步讨论了这些进展如何改善人类与建筑物之间相互作用的监测。全面了解室内微生物组的真实功能和分类多样性以及驱动这些相互作用的机制，将使我们更接近实现健康建筑设计的崇高目标。

图2 | 建筑表面上的微生物代谢和生存。

此图综合展示了动态微生物生态系统以及在建筑材料表面和内部微生物代谢、竞争和生存策略的复杂互动（从上到下分别是石膏板、木板和纤维板，这些是美国家庭常见的墙体材料），反映了水和清洁在其中的关键作用。在有水的情况下（左图），细菌和古菌的数量迅速增加，通常会由于营养水平低而形成生物被膜，同时真菌活动显著增加，霉菌快速生长。细菌和古菌活动的增加也导致噬菌体活动的相应增加。水的存在还允许微生物快速移殖到多层材料，因为水会渗透通过多孔材料。此外，水引发的生物活性增加导致真菌与细菌之间以及细菌种类之间的资源竞争（用双箭头表示），从而导致细菌种群中抗生素耐药性的增加。在干燥表面上（中图），几乎没有细菌和古菌的代谢活动，一些微生物会形成孢子以便生存。微生物活动的减少也导致噬菌体活动的相应减少。虽然一些真菌可以在这些干燥表面上生存，但它们的活性不高。此外，使用抗菌化学品和清洁方法（右图）可能导致耐药细菌的出现和持续，特别是在潮湿的管道系统中，这些系统是机会性病原体的储存库，加剧了由于药物和个人护理产品残留物引起的问题。

抗菌耐药性

扩展室内微生物组的特征阐述，超越扩增子测序的一个主要原因是能够识别功能基因，特别是那些与抗菌耐药性相关的基因。根据“一体化健康”框架，对建筑环境的监测对于理解病原体的来源、抗菌耐药性的形成及其传播方式至关重要。利用宏基因组学技术，一些研究已经调查了室内微生物组中抗菌耐药性基因的多样性和丰度。多个研究发现了抗菌化学品和清洁实践与室内尘埃中的抗菌耐药性基因之间的联系（图2）。不同的抗菌耐药性基因也在公共交通系统以及国际空间站上被发现。尽管抗菌耐药性几乎在任何地方都能找到，并且在大多数室内环境中不是一个关键问题，但应特别注意避免不必要地促进其发展。抗菌耐药性在医院中是一个主要关切。针对性的分析显示，高流量的诊所地面上存在比其他物体表面或类似的非临床环境物体表面更多的具有临床相关性的抗菌耐药性基因。医院中的抗菌耐药性基因的比例和多样性均高于其他建筑环境。多药耐药患者分离株与来自环境样本的宏基因组组装基因组之间的高平均核苷酸同一性强烈暗示了患者与其周围环境之间抗菌耐药性基因的交换。这种现象在早产儿与新生儿重症监护环境之间尤其可能发生。

从建筑环境中获取的微生物意味着这些微生物应该是活的。在建筑环境中，特别是那些仅根据短DNA序列存在的微生物，其活性值得怀疑。许多在干燥物体表面上的微生物可能已经死亡或处于死亡过程中。然而，某些生态位确实支持活跃的代谢和生长，其中建筑管道就是一个主要例子。管道内部充满了生物膜，可能存在机会性病原体。居民通过摄入和吸入（例如，在淋浴喷头或水槽排水口处生成的气溶胶）接触到与建筑管道相关的微生物。淋浴软管和喷头中的微生物组受到管道材料类型以及水源（井水或地方供水）的影响。这些因素不仅影响存在的微生物种类，还影响它们的抗菌耐药性基因。水槽排水口的抗菌耐药性尤其令人担忧，因为这些地方允许代谢活动和复制，并接收来自药物和个人护理产品的残留化学物质。虽然抗菌耐药性基因是否有利或在原位表达仍有待研究，但证据表明，它们在建筑环境中的富集确实存在。

微生物的生存能力与代谢

虽然室内微生物组成和多样性主要受到居住者类型和数量以及建筑外壳的孔隙度的影响，但室内微生物组的生存能力和代谢活动也受到设计和操作因素的影响。设计因素，如照明和材料与物体表面处理的选择，会影响特定位置出现的微生物种类、它们的生存时间以及是否具有代谢活性。后者的参数对湿气的存在特别敏感。不同程度的湿润可以诱导真菌的生长，使用“湿润时间”框架可以对其进行定量建模。在遭受湿气问题的建筑物内部，发霉材料与相连室内空间之间的物理距离会影响该空间内物体表面的真菌多样性和丰度，是线性分布的存在。水的存在可能间接影响与真菌互动的其他微生物。例如，实验室模拟中观察到细菌与真菌之间的代谢互动。总体来说，潮湿和湿气损害不会改变同时存在或后续的微生物丰富度。在持续潮湿的环境（例如建筑管道）中，微生物群落的丰度和多样性受到水以及停滞时间长短的强烈影响。水流速率可以通过故意设计（如使用低流量装置以节水）和偶然的占用变化（如在封锁期间建筑物的闲置）来确定。

病毒和古菌

与细菌和真菌相比，建筑环境中的病毒研究相对较少，但病毒在室内空气中的数量与细菌相当，并且是整体微生物生态系统的重要组成部分，对人类健康和微生物群落的动态都有显著影响。然而，病毒表现出极端的动态特性。例如，托儿所的病毒组在丰度和多样性上都有季节性变化，冬季以与人类相关的病毒为主，而在较温暖的月份则以植物相关的病毒为主。这种季节性可能来源于人类行为、环境条件和建筑设计等因素。

病毒的来源多种多样，包括人类、宠物、植物以及外部环境如空气系统。这些来源显著影响了存在的病毒种类及其与其他微生物实体如细菌和真菌的相互作用。病毒与细菌之间的相互作用，特别是噬菌体的作用，对于理解微生物生态至关重要。在建筑环境中，已测量到的噬菌体与细菌的相互作用较少。噬菌体可以调节细菌群体并影响疾病的发病机制，使其成为在医疗环境中操控微生物组体以控制多药耐药细菌的潜在工具。

并非所有检测到的人类病原病毒都是传染性的，因为其传染性取决于环境条件、宿主易感性和病毒本身的性质。理解病毒检测与暴露风险之间的关系对于评估和管理室内环境健康风险至关重要。通风、紫外线照射和湿度管理等干预措施可以潜在地控制室内的病毒，从而降低感染风险。尽管近年来取得了一些进展，但我们对建筑环境中病毒生态的理解仍存在显著的空白。截至2012年，估计只有不到1%的病毒基因型被阐述。尽管从那时起宏基因组学技术已有所进步，但生物信息学的挑战和难以培养许多病毒仍阻碍了全面的病毒组分析。

与病毒类似，古菌的室内分布也因技术原因而被低估。古菌在表型上比细菌的阐述少，并且在参考序列数据库中相对较少。这些生物在使用典型的16S核糖体RNA扩增子测序时比细菌捕捉得少，而且由于曾被认为无法在有氧环境中生存，任何检测到的古菌可能历史上都已被过滤。然而，最近的研究表明，古菌确实存在，尽管丰度低于细菌，在室内尘埃中也可能具有生存能力。

人类与建筑之间的微生物交换

人们普遍认为，新生儿和免疫系统受损的急性病患者易受环境微生物的定植影响。然而，人类与建筑环境的互动主要涉及人类居住者释放微生物，而不是从环境中获取微生物。尽管居住者的存在是空气微生物组的一个重要驱动因素，但天气动态、宠物的存在以及室内植物也发挥了作用。新医院中新微生物组的演替研究揭示了高接触环境中皮肤相关微生物组的主导地位，这反映了其居住者的微生物组。这一观察得到了在其他建筑环境中发现的皮肤相关和鼻部相关细菌的充分证据的支持，包括飞机舱、航天器及相关环境、交通系统、酒店房间、幼儿园和宿舍。然而，健康成人的皮肤和鼻部微生物组在一定程度上受到来自建筑环境的微生物组的影响。这一点已在美国空军学院的同住学员的研究中得到证实，并通过观察到的宇航员在国际空间站任务后的定植事件得到进一步证明。

除了皮肤相关微生物外，人类肠道也是建筑环境中的微生物来源。大多数肠道共生细菌是严格厌氧菌，其在胃肠道外的生存受到氧气的限制。然而，包括产甲烷古菌在内的古菌可能是建筑环境中的重要组成部分。这些人源性严格厌氧菌不形成孢子，但能在氧气暴露下生存，展示了它们在室内的生存和传播潜力。

室内微生物组与人类健康

The indoor microbiome and human health

室内微生物组对健康有深远的影响（图3）。微生物暴露可能导致感染性疾病，影响免疫系统的发展和活动，并影响其他慢性或急性疾病的进展。这种暴露的变化可能导致免疫系统紊乱，从而影响健康并改变宿主微生物组，形成反馈循环。城市化与抑郁症、肥胖、过敏性疾病、呼吸系统疾病及其他状况的风险增加有关，并且还与微生物多样性的减少有关，这可能在一定程度上提高这些疾病的风险。个体肠道微生物组的多样性与其住所周围的树木和草地覆盖量相关。城市地区的人通常面临更高的化学暴露风险，例如抗微生物化学品，这影响宿主微生物组、人类生理和疾病易感性。随着健康逐渐被定义为整体福祉，而不仅仅是没有疾病，消费者产品如清洁剂的审查必须与医疗设备和药物的审查相一致。与药物探讨类似，研究设计中的潜在利益冲突也应引起注意。在此，我们重点介绍了室内微生物组多样性和组成变化与感染性疾病、代谢障碍、心理健康和过敏状况之间的联系。我们还讨论了病态建筑综合症，尽管这不是特定的疾病的结果，但可能与室内微生物组有关。

图3 | 社会环境对室内微生物组和微生物–免疫系统相互作用及其对人类健康的影响。

a. 城市生活的特点是微生物多样性减少，同时暴露于抗菌化学品和污染物的机会增加，这可能导致抑郁、肥胖、过敏和呼吸系统疾病风险的增加。在城市中，高层建筑顶层的居民通常经济较为富裕，呼吸的空气较为清洁。

b. 农村环境中的家庭微生物多样性较高，这可能是因为自然和农业环境周围的微生物多样性增加。这与更好的持续性健康结果相关。不过，需要注意的是，农村地区通常在医疗服务方面的可及性较低，这可能导致健康程度的不平等。

c. 微生物抗原通过影响人体免疫系统，进而影响肠道和肺部健康。免疫系统细胞检测到微生物抗原，形成微生物暴露的指纹，塑造免疫健康。在肠道和肺部，微生物可以定植于上皮环境。益生菌如乳酸杆菌产生的代谢产物如吲哚-3-乙酸，能够促进免疫和上皮细胞发生，从而减少炎症并增强屏障完整性。

d. 多种环境因素，如建筑设计和维护（包括清洁产品的类型，如漂白剂与生态友好的“绿色”清洁产品）、空气交换、光源和室内温度，都会影响室内微生物多样性，从而影响健康结果。植物和宠物的存在以及清洁习惯也会对建筑环境的微生物组产生影响。室内微生物组与人类健康之间复杂的关系表明，不同生活条件下的微生物暴露可能对疾病易感性和整体健康产生深远的影响。

感染性疾病

急性健康疾病，特别是呼吸道感染，受到建筑环境中微生物组成的严重影响。虽然人际传播无疑是许多感染性疾病传播事件的主要机制，但最近的SARS-CoV-2大流行证实了建筑环境在疾病传播中的深远影响（框2）。类似地，医院获得性感染，也称为医院内感染，是患者、医护人员与医院微生物环境之间相互作用的结果。医院获得性感染被定义为患者在医疗设施中获得的感染，这种感染在患者入院时未曾存在或未处于潜伏期。这一定义需要确认患者在入院时不存在该微生物，这需要先进的知识和筛查。最近的研究表明，某些医院获得性感染可能是由于隐藏的微生物在医疗环境中的治疗或疾病进展中激活了致病表型。这种情况难以区分，因为如金黄色葡萄球菌（S. aureus）这种常见于健康人皮肤和鼻腔中的微生物，可以演变成耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA），这种菌株传播性强，并与医院内的手术部位感染相关。假设这种转变可能受到建筑环境的影响。例如，消毒剂的使用或建筑环境中抗微生物残留物的存在可能会对微生物造成压力，从而导致其获得或表达外源性或内源性抗药性元素，这可能会在再次感染后引发疾病。医院中的微生物组研究探讨了医疗环境中的微生物组体如何影响患者的壮况，例如，识别病原体在哪里存活和持续存在而成为潜在的感染源。

原则上，家庭环境中也发生类似的化学残留物与室内微生物组的相互作用。例如，抗微生物物体表面会选择出与非抗微生物物体表面不同、可能更具抗药性的微生物组体。初步证据表明，三手烟可能会影响家庭中的微生物多样性，可能导致致病或过敏微生物物种的繁殖。未来的实验证据将有助于确认家庭中的化学残留物（例如来自空气污染）是否对建筑物中致病性疾病的风险增加有贡献。儿童由于免疫系统尚在发育中且经常有手口接触行为，特别容易受到这些增强的病原体的影响。值得注意的是，需要更多的研究来支持这一说法。

框2|室内微生物交换

理解室内环境中微生物的传播对于掌握室内微生物生态的动态及其对人类健康的影响至关重要。微生物的传播可以通过多种途径进行。例如，人类的皮肤、呼吸和体液中携带微生物，这些微生物对室内微生物群落有重大贡献，并极大地影响了居住空间中的微生物多样性。正如我们在 SARS-CoV-2 大流行中看到的那样，空气传播是室内空间的主要传播途径。微生物通常会通过空气传播，通过通风或咳嗽等活动散布到室内各处。这种传播方式大大增加了空气中的微生物负荷。与宠物相关的传播也被证明会影响室内微生物群，宠物是室外微生物的载体，将它们带入室内，增加了家庭环境的微生物多样性。建筑物表面是微生物转移的容器。人类与这些表面的定期接触促进了微生物的移动。最后，室外微生物通过门、窗和通风系统进入室内，影响了室内微生物的组成。每种传播方式都在塑造室内微生物群的结构、影响其多样性和稳定性方面起着作用。这些传播途径对人类健康有直接影响，影响疾病传播、免疫系统发育和整体人体健康。理解和管理这些传播途径有助于创建更健康的室内环境，平衡微生物的存在以促进健康和预防疾病。

病态建筑综合症

除了感染性疾病的明显影响外，居住者与其建筑环境之间还有更微妙、更复杂的相互作用。病态建筑综合症是一个显著的例子，指的是建筑物的居住者在建筑物内逗留时经历急性的健康或舒适相关的影响，但无法识别出具体的疾病或原因。我们认为，病态建筑综合症的潜在原因是多因素的，包括通风不良和空气质量问题、由于照明不足导致的眼睛疲劳、电子设备的电磁辐射可能产生的影响，如工作压力和感受等心理因素、温度和湿度的不平衡、建筑设计和材料使用的问题以及清洁或维护不当的做法。病态建筑综合症还与霉菌和细菌的存在有关，因此此影响可能会因室内微生物组的不平衡而加剧。这些情况强调了了解环境如何影响我们的健康的重要性。

代谢性疾病

向城市生活的日益转变使人类微生物组显著变化，这些变化源于人类行为、化学和微生物暴露的改变，同时对健康产生了相应的影响。其中最紧迫的全球健康挑战之一是肥胖。机制上，肠道微生物组已被证明会影响宿主的代谢过程，影响食物中的能量获取和脂肪组织的储存。肠道微生物组的多样性和组成的变动会影响代谢途径，从而导致脂肪增加。除了饮食和锻炼等因素，这些因素都受到建筑环境的影响，微生物暴露也显著影响肠道微生物组的多样性。越来越多的证据表明，户外活动时间的增加可以改变影响儿童肥胖的生物学因素。城市环境通常使人类减少了接触多样的自然环境和富含微生物的土壤，这往往导致肠道微生物组多样性的降低，而与自然环境的互动能增强心理韧性并减少儿童的压力。区分室内微生物组暴露与建筑环境所诱导的行为和化学变化的作用是具有挑战性的。然而，正在进行的研究正在探索肠道微生物组是否可以作为增加户外暴露对抗社会健康决定因素的肥胖效应的生物学抵抗力的有效指标。因此，虽然室内微生物组与代谢疾病之间没有明确的联系，但与室内和城市化环境相关的微生物多样性减少可能在推动代谢疾病风险，尤其是肥胖。

心理健康

城市化与心理健康状况（如抑郁症）的关联正受到越来越多的关注。虽然数据有限，但抑郁症和焦虑症与现代建筑环境中典型的室内微生物暴露的变化相关联。类似于代谢疾病，这种关系可能既直接受室内微生物（或缺乏微生物）的影响，也可能间接受建筑环境对人类生理和行为的影响。从机制上讲，假设在建筑环境中，减少了对自然环境中常见微生物的暴露，加上城市生活中的独特压力源，可能会破坏肠脑轴，从而影响心理健康结果。与代谢疾病类似，减少接触微生物可能会改变肠道微生物组，产生失调状态，这可能影响微生物生产神经递质、从而诱发系统性炎症导致神经炎症，或通过迷走神经或传出神经刺激下丘脑-垂体-肾上腺轴，从而增加皮质醇水平和压力。尽管具体机制尚不清楚，但这些由于微生物多样性减少暴露所导致的路径，可能对抑郁症的发生或加重有贡献。

过敏性疾病

哮喘和过敏性疾病是由遗传和环境因素共同影响的多方面疾病。最近的研究强调了室内微生物暴露或减少户外微生物暴露在导致这些疾病结果中的作用。这一不断增长的研究领域牢牢根植于卫生假说（见框1）。

一项研究表明，阿米什人和赫特莱特农场的儿童在哮喘风险上存在差异，其背后的室内微生物暴露与这种风险相关。两个社区在遗传背景和生活方式上相似，但在农业实践和微生物暴露上有所不同。与赫特莱特家庭相比，阿米什儿童的家庭环境微生物多样性更丰富，因此哮喘和过敏敏感化的发生率显著较低。暴露于阿米什家庭灰尘的小鼠模型在实验性过敏诱导中受到了保护，这表明这些灰尘中的某些成分对小鼠免疫反应具有保护作用。特别是在关键的发育阶段，暴露于农场或类似农场的微生物组似乎与减少哮喘和过敏性发生率有关，这通过改变TH细胞的平衡，使其倾向于TH1细胞而非TH2细胞表型而减少过敏反应。

室内环境中的微生物暴露不仅限于微生物，还包括暴露于它们产生的初级和次级代谢物。例如，已知初级代谢物（如脂多糖、胞壁酸和微生物挥发性有机化合物）会影响室内环境中哮喘的风险。过多的水分和其他建筑特征可能会影响微生物组落的组成或活性，有利于哮喘相关类群的存在，不利于保护性类群的存在或促进哮喘相关代谢物的产生。此外，室内灰尘中天然代谢物的存在（而非合成化学物质）可能具有保护作用。这些代谢物可以通过调节免疫反应影响居住者的健康，从而导致哮喘的发展。

儿童出生后第一年，室内灰尘细菌成分的变化，尤其是接触某些细菌（如厚壁菌门和拟杆菌门）的减少，与过敏症和过敏性喘息的发生有关。在出生后第一年接触大量这些特定细菌以及蟑螂、老鼠和猫过敏原的儿童，过敏症和喘息的发病率通常较低。

与肥胖和精神健康障碍一样，肠道菌群失调（其多样性和组成失衡）会影响促进过敏性疾病的免疫反应。了解建筑环境、其微生物组、肠道微生物初级和次级代谢以及肺微生物组之间的相互作用对于哮喘发病机制至关重要。肠道菌群失调会影响全身免疫反应，并导致过敏症的发展和加剧。

真菌、室内环境与疾病风险

Fungi, the indoors and disease risk

尽管真菌病原体和霉菌数百年来一直是室内人类健康的重要风险因素，但了解室内环境中的真菌种类及其相关的初级和次级代谢物如何影响人类免疫系统的健康仍然是一个活跃的研究领域。接触霉菌引起的最常见健康问题是过敏反应，其程度可轻可重。症状包括打喷嚏、流鼻涕或鼻塞、咳嗽、眼睛、鼻子和喉咙发痒以及皮疹。对霉菌过敏的人可能会有更严重的反应，而长期接触会导致更持久的症状。此外，室内环境中的霉菌与一系列呼吸道感染有明显联系，其中包括鼻窦感染、支气管炎和肺炎等常见疾病。丝状担子菌是一种霉菌，已被确定为侵入性和非侵入性呼吸道疾病的病因，包括免疫功能低下者的严重疾病和其他人的过敏反应。

室内霉菌暴露、霉菌毒素效应和免疫失调之间的相互作用已成为一个备受关注的领域。例如，室内环境中常见的霉菌（如曲霉菌和青霉菌）会引发过敏反应和哮喘，这是霉菌暴露的复杂免疫学后果。尽管从历史上看，霉菌毒素与这种现象有关，但烯醇化酶、热休克蛋白、环丝氨酸蛋白酶、氧化还原酶和二硫键异构酶的产生更可能是霉菌相关健康疾病的病因。值得注意的是，在大多数情况下，建筑物中的霉菌生长不会导致这些真菌剂的浓度高到足以引起健康疾病；洪水后的严重水灾除外。

- 未来展望 -

探索室内微生物组代表了环境科学的前沿，融合了微生物生态学的复杂性与公共健康和建筑设计的实际问题。随着城市化进程的加快和人们在室内度过的时间越来越多，了解建筑物中的微生物变得越来越重要。这不仅是为了识别现有的物种，也是为了量化它们的丰度并了解它们与人类居住者和建筑材料的功能相互作用。这项研究的意义在于它有可能彻底改变我们设计、维护和居住室内空间的方式。通过准确量化和了解建筑物内病原体和有益微生物的传播，我们可以实施更有效的感染控制措施，改善我们的生活和工作环境的健康，甚至预测和减轻未来流行病的风险。在对当前文献状态的解读基础上，我们提出了对室内微生物学研究的看法，强调需要更精确的量化方法，探索创新的技术解决方案，并展望对建筑设计和公共卫生政策的更广泛影响。

研究需求与量化的重要性

流行病学是我们理解疾病传播的基础。分析的核心在于能够量化各种人群和环境中的病原体的流行情况和分布。准确量化传染病在医院、学校或办公场所等建筑物中的传播，实施针对性的感染控制措施。例如，在某个特定病原体流行的医院，可以实施加强清洁的方案。传染病通常通过培养方法进行量化，或者使用细胞计数技术如流式细胞仪和分子分析如定量PCR。通过了解建筑物内传播的范围，可以更有效地分配资源，如消毒用品、个人防护设备和医务人员。可以更密切地识别并监测高风险区域，并限制访问以防止进一步传播。了解疾病在建筑物内的传播方式可以指导建筑设计、供暖、通风和空调系统的设计和操作，以最小化未来爆发的风险。有关建筑物内疾病传播的数据可以指导政策决策，例如是否需要保持社交距离、口罩要求或建筑物容量限制。

使用量化数据支持了许多统计方法的有效应用，例如，分析确定与建筑物内疾病传播最相关的因素，如房间大小、占用率或通风率；或使用地理统计方法绘制建筑物内的疾病传播图，识别热点和病原体的空间动态。然而，在我们试图理解建筑物中的微生物生态时，我们主要依赖于如扩增子测序等比例分子分析方法，这些方法虽然有洞察力，但掩盖了病原体或抗性基因的绝对丰度。新兴的技术，如合成DNA加标，可以帮助从宏基因组学和宏转录组学数据中生成定量分析。宏基因组学提供了微生物群落的全面快照，可以检测和表征抗生素抗性基因和病原体基因型。如果我们从比例数据转向生成绝对丰度数据，这将极大提高追踪病原体动态和抗生素抗性模式的精确度。这种转变可能会导致更准确的风险评估和有针对性的干预，最终改变我们管理传染病和遏制抗生素抗性潮流的能力。因此，将强大的统计方法与先进的多组学技术相结合，可能会在流行病学领域带来革命性变革，开辟新的理解和应对传染病的途径。然而，合成DNA技术尚未在室内这种极低生物量的环境中得到验证。目标可能在低丰度水平，甚至使用像KatharoSeq这样的技术也难以有效检测（框3）。生物量的低水平给稳健的定量带来了多个问题，因为每个物体表面上活体细胞的数量非常少。当然，许多技术存在以支持建筑环境中的监测，随着对未来大流行风险的认识增加，这些技术可能会得到广泛应用（框3）。

框3|筛查分析室内微生物的新技术

人们已经探索了多种技术来分析建筑环境中的微生物生物量。关键问题之一是，与土壤、水以及宿主动物和植物等自然环境相比，室内微生物组的细胞丰度和代谢活性通常较低。为了有效分析这种环境，需要开发低丰度分子技术，例如KatharoSeq，它通过阳性和阴性对照来表征仅含50个细胞的微生物群落结构。DNA 和 RNA 提取方法也会显著影响可观察到的群落动态。尽管历史上主动和被动空气采样一直是监测室内微生物学的主要方法，但为了进行组学分析，研究人员通常使用湿润或干燥的拭子直接涂抹在表面或材料垫上，以便收集沉积的样本。然而，随着新空气采样方法的出现，我们现在能够直接从空气中捕获足够浓度的微生物群落，促进了组学分析，例如通过使用加热、通风和空调滤液以及冷凝液。虽然空气检测对追踪潜在病原体的出现很有价值，但表面采样仍然对理解代谢生态学和遗传选择至关重要。绘制建筑环境的代谢图谱已成为探索微生物群落如何在这些恶劣生态系统中生存和繁殖的重要工具。菌株水平的基因组鉴定对于追踪病原体及其他微生物的传播同样重要。宏基因组组装可以有效地重组基因组，并追踪它们在环境与宿主之间的传播路径。

转化结果以创建健康建筑

在建筑创新不断演变的背景下，“健康建筑”这一概念作为一个关键范式逐渐浮出水面，它将增强居住者的福祉与环境可持续性紧密结合（见图4）。重要的是，这一范式远远超出了对室内微生物组的考虑。健康建筑的特征包括卓越的室内空气质量、自然采光和环保材料，这些都对居住者的身体和心理健康产生积极影响。智能技术的整合进一步优化了能源效率和内部条件。然而，这些建筑的初期建设和持续维护的财务负担非常大，往往超出传统建筑的成本。此外，现有结构的改造以符合这些先进标准也面临物流和财务上的挑战。居住者对这些技术丰富环境的适应性也引发了对文化和行为适应性的担忧。此外，缺乏统一的监管框架和标准化定义健康建筑的标准，也增加了一层复杂性。据我们所知，目前尚无研究真正探讨这种建筑的微生物学，这限制了我们对其效用的解释。然而，许多努力正在进行，以探索重新野化实践的价值、创建活性建筑材料和管道系统，并通过含孢子的清洁产品将微生物重新引入建筑物中。

重新野化城市空间，甚至室内空间，具有显著改善微生物暴露的潜力。近年来对户外时间影响的科学研究加速了步伐。我们将户外时间与土壤、植物和动物及其微生物组的接触联系起来，但定义“户外时间”和“与自然接触”具有挑战性。接触这些系统中的微生物抗原多少才足以带来健康益处？建筑空间和建筑设计能否重新规划以增加这种暴露的可能性？这样的“自然”接触是否能够独立于其他因素带来有意义的健康益处？在儿童时期，与自然的接触可以改善心理健康、行为问题、运动技能以及社会和情感发展。重要的是，花更多时间在户外的儿童比花更多时间在室内的儿童进行的身体活动更多。在绿树覆盖或绿地较多的社区，整体儿童生活质量更高，3至16岁儿童的体重指数更低，儿童肥胖的流行率也下降。尽管这些研究中没有评估微生物暴露的影响，但显然，这种生活方式选择将增加微生物暴露，室外绿地附近室内微生物组的多样性和组成就是明证。

最近的研究表明，用含有细菌孢子的介质包埋材料是可行的。这可以通过直接将孢子引入材料中，或将其融入3D打印结构中来实现。一项研究报告了将来自遗传改造的枯草芽孢杆菌菌株的孢子整合到软质水凝胶材料中的结果。在这些材料中，孢子不仅保持了生存能力，而且在暴露于特定病原体时变得代谢活跃，从而有效消除如金黄色葡萄球菌等病原体。将特定微生物重新引入室内环境提供了进行有针对性的再野化的有力机会，不仅使用如枯草芽孢杆菌这样的食品级孢子，还可以使用其他细菌、古菌、真菌和病毒，这些可能具有免疫激活属性，从而改善健康和福祉。此外，利用新材料和基质控制室内微生物的生长和活动，可能会改善我们的管道系统甚至建筑材料的完整性。尽管还需要更多研究来了解哪些微生物可以安全地重新引入以及如何创建重现户外生活健康益处的人工微生物组合，但这一研究的潜力是深远的。在日益城市化的环境中，通过有针对性地重新引入微生物创建健康空间的价值仍然令人信服。

图4 | 建筑与微生物学的交叉打造健康的建筑环境。

创建“健康建筑”需要通过重新引入天然微生物源或使用活体建筑材料或喷雾剂来实现建筑的再野化。现代建筑可以通过采用具有多样微生物的活绿墙，将自然生态系统融入设计中。嵌入特定微生物的活建筑材料可以用于有针对性的微生物暴露，或者可以通过表面喷雾或空气喷雾将活体微生物重新引入建筑及其居住者。这种做法意味着将微生物生命战略性地重新引入建筑环境，旨在增强居住者的健康状况和生态平衡。健康建筑运动通过整合环保材料和智能技术，优先考虑室内空气质量、自然采光和环境可持续性，正成为建筑设计的新重点。尽管经济可行性、标准化和居住者适应性等挑战仍然存在，但这种富含微生物的自然空间对健康的潜在益处是显著的。有证据表明，通过这种再野化实践增加微生物接触可能会增强身心健康，尤其是儿童，他们在更绿色和生物多样性丰富的社区中表现出更好的健康状况。这一趋势预示着未来建筑与微生物学的交叉，旨在在日益城市化的世界中培育健康和可持续的生活空间。

- 结论 -

本综述强调了室内微生物环境与人类健康之间复杂的关系。文献中的广泛证据表明，室内微生物的多样性和人体接触对免疫系统、内分泌系统和神经系统的健康有深远影响。因此，卫生假说需要在现代城市生活背景下重新评估，以揭示自然微生物暴露减少与疾病流行增加之间的复杂互动。技术进步使我们能够深入了解建筑环境中稀疏且独特的微生物生态。这些知识为建筑中的创新微生物组干预铺平了道路，如再野化和使用建筑益生菌。这些策略有望促进更健康的生活空间，减轻城市化对人类健康的负面影响。

然而，我们也认识到面临的挑战。显然，需要更多的综合研究来验证这些干预措施的有效性。同时，微生物组研究的应用中应考虑社会公平。社会经济因素影响的建筑环境差异对室内微生物组以及人类健康具有重要影响。总之，本综述强调了室内微生物组在塑造健康结果中的关键作用，并指出了采用多学科方法创建更健康生活空间的必要性。未来的研究应重点开发实用且公平的干预措施，利用对室内微生物组日益加深的了解来改善日益城市化世界中的公共健康。

参考文献

Gilbert, J.A., Hartmann, E.M. The indoors microbiome and human health. Nat Rev Microbiol (2024). https://doi.org/10.1038/s41579-024-01077-3

- 作者简介 -

加利福尼亚大学圣地亚哥分校教授Jack A. Gilbert为本文的通讯作者，美国西北大学土木与环境工程系副教授Erica M. Hartmann 为本文第一作者

第一作者

美国西北大学

Erica Hartmann

教授

Erica Hartmann是一位环境工程师和微生物学家，Erica Hartmann博士在约翰霍普金斯布隆伯格公共卫生学院开始了她的研究生涯，专注于基于质谱的微生物酶检测方法，这些酶对于生物修复至关重要。随后，她转到亚利桑那州立大学，成为该校跨学科生物设计博士项目的首位毕业生。在毕业后，哈特曼博士获得了富布赖特奖学金，前往法国原子能委员会研究降解有毒且致癌的污染物——二噁英的微生物。她还在俄勒冈大学生物与建筑环境中心领导了关于抗微生物化学物质对室内尘埃中微生物影响的研究。现任西北大学土木与环境工程系的助理教授。

她的研究涉及室内微生物组，特别是人造环境如何影响微生物群落及其对人类健康的影响。同时研究化学物质和其他环境因素如何影响建筑物中的微生物生态以及家用产品中抗菌化学物质的影响及其对微生物耐药性的影响。她还研究了微生物如何与污染物相互作用并影响室内空气质量，发表了多篇关于建筑环境中微生物群落及其对健康影响的研究论文。

了解更多：https://sites.northwestern.edu/hartmann/people/

通讯作者

加州大学圣地亚哥分校

Jack Gilbert

教授

Jack Gilbert，ISME Journal的高级编委，mSystems主编，发表了超过200篇高水平学术论文和书籍，H指数42。Gilbert还担当了很多重大项目的负责人，包括地球微生物计划，家庭微生物计划、医院微生物计划等多项大型科研工程。Jack Gilbert于2002年在英国诺丁汉大学获得博士学位，之后在加拿大女王大学完成博士后工作，2005年回到英国在普利茅斯海洋研究所任职高级研究员，2010年前往美国入职阿贡国家实验室及芝加哥大学副教授，2015年任职芝加哥大学教授。

Gilbert目前的研究工作主要是探索微生物如何在自然和人工环境中进行群落聚集，研究手段包括利用组学技术（宏基因组、宏转录组、宏蛋白组、代谢组）来回答有关微生物生态、微生物生理及生物地球化学等领域的问题。Gilbert开发了一系列模型来预测微生物在生态系统中发挥的功能，从阐释细菌古菌群落如何介导土壤、煤层中的甲烷排放过程，到从全球尺度上预测微生物的群落结构及功能。他的研究对象涉及广泛，包括河漫滩、森林、草地、建筑物、人体及空气中的微生物，致力于寻找适用于任何生态系统中的微生物生态及动态的根本趋势。

了解更多：https://www.huodongjia.com/guest-077084073122077106077119.html

宏基因组推荐

10月18-20日，微生物组-扩增子16S分析

11月15-17日，微生物组-宏基因组分析

人满即开 | 论文作图和统计分析培训班

一站式论文提升服务，助您顺利发高分论文！

本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编（微信号：yongxinliu 或 meta-genomics）

猜你喜欢

iMeta高引文章 fastp 复杂热图 ggtree 绘图imageGP 网络iNAP
iMeta网页工具代谢组MetOrigin 美吉云乳酸化预测DeepKla
iMeta综述肠菌菌群植物菌群口腔菌群蛋白质结构预测

10000+：菌群分析宝宝与猫狗梅毒狂想曲提DNA发Nature

系列教程：微生物组入门 Biostar 微生物组宏基因组

专业技能：学术图表高分文章生信宝典不可或缺的人

一文读懂：宏基因组寄生虫益处进化树必备技能：提问搜索 Endnote

扩增子分析：图表解读分析流程统计绘图

16S功能预测 PICRUSt FAPROTAX Bugbase Tax4Fun

生物科普: 肠道细菌人体上的生命生命大跃进细胞暗战人体奥秘

写在后面

为鼓励读者交流快速解决科研困难，我们建立了“宏基因组”讨论群，己有国内外6000+ 科研人员加入。请添加主编微信meta-genomics带你入群，务必备注“姓名-单位-研究方向-职称/年级”。高级职称请注明身份，另有海内外微生物PI群供大佬合作交流。技术问题寻求帮助，首先阅读《如何优雅的提问》学习解决问题思路，仍未解决群内讨论，问题不私聊，帮助同行。

点击阅读原文，跳转最新文章目录阅读