一、女性生殖系统菌群概述：
女性生殖系统（The Female Reproductive System，FRS）在解剖学上相对复杂，包含很多区域，每个区域都具有独特的菌群加持。月经周期激素的波动对生殖系统环境有着重要影响，且影响居住在那里的“土著”菌群。经研究证实，身体不同部位的菌群受年龄影响，因此，菌群随着人类从婴儿期到成年期的生长而发展。性发育及其伴随的激素变化对FRS的菌群产生深远影响。因而，当一个新个体在FRS内的受孕和发育（即怀孕）会影响FRS内的菌群。当涉及到抗菌防御时，粘液纤毛清除作为一个重要的机制，参与形成粘膜相关的防御系统。FRS与大多数其他身体部位不同，FRS被假定成定期被异物及其相关的菌群干扰时，FRS精细的防御机制则尤为重要。这些物体包括男性生殖器、卫生巾和避孕装置等。FRS的菌群失调与育龄妇女最常见的疾病有关—细菌性阴道炎。
二、女性生殖系统的结构与生理
女性生殖器官包括卵巢、输卵管、子宫、阴道（图1）和外阴。
1. 健康女性阴道、外阴、宫颈和子宫常驻菌群
多年来，健康人阴道、外阴和宫颈有常驻菌群已被认知。微生物培养和分子生物学方法对阴道和子宫颈中的微生物群落进行了广泛研究。相比之下，常驻外阴不同区域的微生物群落很少被了解。FRS的其他区域通常被认为是没有微生物的，但最近的一些研究表明，健康、非怀孕女性的子宫也可能存在常驻菌群。
阴道是一个肌肉发达的管状可扩张器官，长度在7-15厘米之间（图2），位于膀胱和直肠之间。它从外阴延伸到子宫颈，其主要功能是：为月经提供出口，在性交时作为阴茎的容器，并在分娩时作为一个通道。阴道壁主要由平滑肌组成，而它的内膜高度折叠，由分层、鳞状、非角质化上皮细胞组成，表面积约为360平方厘米（图3）。
阴道内没有腺体，但阴道表面由宫颈产生的粘液和阴道壁毛细血管渗出的液体（渗出液）具备润滑作用。阴道粘膜可分为三层：最内层由基底细胞组成，基底细胞正在进行细胞分裂；在此之上是中间层，所含细胞的主要功能是生产糖原—这些细胞中存在大量的胞质内糖原颗粒，但基底细胞中没有（图4）；表层细胞的糖原颗粒较少，但富含胞浆内微丝，为下层提供硬度和保护。粘膜折叠成皱褶，使阴道扩张。移行性淋巴细胞和朗格汉斯细胞也存在于整个粘膜中。
2. 生殖系统许多区域的结构和生理都取决于个体的性成熟度，并在生殖周期内有所不同。
在女性生殖周期中，上皮细胞不断进行重塑，这涉及细胞的增殖、成熟和脱落。女性生殖周期指的是月经周期（子宫内膜的一系列变化）和卵巢周期（涉及卵细胞每月成熟的一系列事件）（图5）。这个周期中的各个阶段是公认的——卵泡期、黄体期、排卵期和月经期。这一过程受激素控制，雌激素（尤其是雌二醇）刺激这一过程，而抑制细胞的成熟。女孩在月经初潮前（月经开始）和老年女性在绝经后（月经结束）的低水平雌激素导致她们的阴道上皮相对较薄（图6）。
子宫颈是子宫下部狭窄的部分，通过子宫外口进入阴道。宫颈约2-3厘米长，主要由软骨组成，包含两个主要部分：（1）宫颈外口，突出于阴道；（2）宫颈内口，由宫颈内口管周围的粘膜组成，宫颈内口管是一个中央通道，从外口进入子宫。宫颈内口是一条中央通道，从宫颈外口经内口进入子宫。宫颈外口由分层、鳞状、非角化上皮细胞覆盖。这种类型的上皮细胞延伸到宫颈管内，其距离因人的年龄而异。然后，上皮细胞类型转变成简单的柱状上皮细胞，分布在宫颈内口的其余部分（图7）。
子宫内膜的大部分细胞分泌粘液，其余的是纤毛细胞。与子宫粘膜不同，宫颈上皮在月经期间不会脱落。然而，它受月经周期激素水平变化的影响。例如，当雌激素水平在周期中期达到峰值时，分泌的粘液量增加十倍。排卵后，孕酮水平的增加导致产生的粘液减少，粘液变得更粘稠，从而形成一个塞子，封闭输卵管。
三、生殖系统内的环境决定因素
阴道和宫颈的结构和生理受多种激素浓度和相对比例的影响。因此，这些器官内的环境明显取决于个体的性成熟度。此外，对于月经初潮后/绝经前（post-menarcheal/pre-menopausal，PMPM）女性（能够生殖的女性），每月生殖周期中的激素波动以及怀孕期间的激素波动将影响这些器官内的环境条件。这些环境波动反过来会影响常驻菌群的组成。外阴不同区域的环境也可能受到激素波动的影响，尽管对此知之甚少。
1. 阴道pH值、温度和氧气水平均受激素控制
阴道的温度约为37°C，尽管在月经周期中略有变化，因此适合嗜温微生物的生长。
健康人月经期间阴道内的氧分压约为4毫米汞柱，是空气中氧分压的2%，是组织细胞中氧分压的10%。然而，在月经中期，阴道中的氧气水平会有所不同，出现较低的氧分压水平。因此，阴道生态系统可以被认为主要是微需氧的。然而，其他因素也会影响阴道的含氧量。例如，插入避孕隔膜会导致氧气分压增加到空气中氧分压的~82%。在2小时内，这一水平会慢慢下降到正常水平。此外，插入卫生巾会将阴道的含氧量增加到与空气中的含氧量相似的水平，然后浓度缓慢下降，大约8小时后恢复正常。因为女性每3-6小时更换一次卫生棉巾，这可能导致阴道的含氧量在大气浓度下保持3到5天（正常的月经持续时间）。这可能对阴道菌群产生深远影响，并可能促进需氧菌和兼性微生物（如金黄色葡萄球菌—中毒性休克综合征的病原体）的生长。
由于激素的影响和菌群的特性，阴道pH值与个体的性成熟度密切相关。因母亲体内的雌激素水平较高，导致新生儿的雌激素水平较高。由于糖原发酵产生的乳酸，导致新生儿阴道上皮较厚，糖原含量较高，pH值较低（~ 4.5）。雌激素水平随后下降，直到大约3周后，阴道上皮变薄，糖原含量降低。阴道pH值相应增加，接近7.0。未接受激素替代疗法（hormone-replacement therapy，HRT）的绝经后女性阴道上皮细胞薄，糖原含量低。
在PMPM的女性中，阴道pH值也受月经周期的影响。月经开始时，pH值接近中性，然后在月经期间和之后下降，在月经中期达到最低值（<4.0）。pH值保持在4.5以下约1周，然后稳步增加，直到下一次月经开始。怀孕似乎不会影响阴道的pH值，均保持在4.0以下。
2. 阴道液是多种营养物质的来源
阴道液是宿主源性营养素的主要来源提供给阴道菌群，育龄妇女以每天约6克的速度产生，阴道内随时约有0.5-0.75克。阴道液是酸性的，pH值约为4.5，其确切成分在整个月经周期中有所不同。它由宫颈粘液、子宫内膜液、阴道粘膜渗出液、前庭大腺分泌物、脱落的阴道上皮细胞和白细胞组成。因此，它是多种营养素的重要来源，含有约48 mg/g碳水化合物、4 mg/g蛋白质和0.2 mmol/g氨基酸（表1）。在阴道液中已经鉴定出800多种不同的蛋白质。阴道中偶尔补充的营养来源将由月经液和精液提供。PMPM女性每月大约有3-5天产生月经液，其中包括30%-50%的血液，因此含有多种营养素。月经液含有血红蛋白，这可能是阴道菌群宝贵的铁来源。
虽然阴道内的微生物可获得丰富多样的营养物质，但环境的某些特征对许多生物体不利，例如低pH值和低氧气含量。此外，一系列抗菌机制发挥选择性作用，并影响阴道菌群组成。
3. 宫颈环境的某些方面也受到激素水平的影响
宫颈内环境，如同阴道一样，受激素波动的影响，因此取决于个体的性成熟度，并在月经周期中发生变化。与阴道类似地，在生殖周期的增殖阶段，它主要是一个微需氧环境，氧气水平最低（约为空气中氧气水平的8%）。宫颈的pH值通常高于阴道，范围为5.4至8.2，中值为7.0。pH值在月经周期中不断变化，在月经前、月经期间和排卵期碱性更强（>7.0）。怀孕期间，宫颈的pH值约为6.5。宫颈温度约为37°C。
4. 宫颈粘液是常驻微生物的主要营养来源
细菌的宿主源性营养物质主要来源于宫颈粘液。PMPM女性的月经液补充了这一点。宫颈粘液的产生量和含水量都逐渐增加，直到周期中期，然后下降。宫颈粘液主要由水（90%–95%）、溶质含量、粘度在月经周期中的变化三部分组成。例如，免疫球蛋白含量在卵泡期高于黄体期，而白蛋白含量在排卵前和排卵期间显著降低，然后增加。在宫颈粘液中发现了大量蛋白质（约200种），一项研究报告称其中38种存在于月经周期的各个阶段。
5. 女性生殖系统的抗菌防御受到激素变化的影响
尽管阴道和宫颈具有特征性的粘膜防御机制，但它们受激素波动的影响，因此取决于个体的性成熟程度，对于PMPM女性来说，在月经周期中也会发生变化。此外，与大多数粘膜表面不同，这些器官的分泌物中以IgG而非IgA为主。
6. 粘液纤毛清除是宫颈重要的防御机制
外阴、阴道和宫颈密集地被微生物定植，直到最近，子宫和生殖系统的上部区域通常被认为没有微生物。然而，一些研究已经证明，未怀孕和怀孕女性的子宫中存在微生物。当然，为了保护受精卵不受感染，保持这些上部区域没有致病微生物和外源性病原体则非常重要。宫颈是微生物的主要潜在进入途径，并具有多种抗菌防御机制，以防止微生物从高度定植的下生殖道进入（表2）。覆盖在宫颈上皮上的厚厚一层粘液是微生物的物理屏障，阻碍微生物进入下层上皮。粘液中存在的粘液蛋白，粘液蛋白上的碳水化合物部分可以充当微生物中存在的许多粘附素的受体，从而将它们困在粘液层中。纤毛上皮细胞随后将含有滞留微生物的粘液推进阴道。粘液中还含有由底层上皮分泌的多种抗菌肽，这些抗菌肽能够杀死被截留的细菌或抑制其生长。任何最终到达并粘附在底层上皮上的微生物，只要定期通过脱落去除，就不会在那里停留太久。上皮细胞还表达一系列Toll样受体（TLR，TLR-1至TLR-9），当被病原体激活时，这些TLR会动员先天性和获得性免疫防御系统。
然而，与身体其他部位不同的是，在月经周期中，这些防御机制的有效性存在显著差异。例如，在排卵中期分泌的粘液量增加十倍，而粘液粘度在排卵前达到最低值。此外，宫颈粘液中许多抗菌化合物的浓度在整个周期内都有所不同（表3）。
如果受孕，子宫内膜腺分泌分子量非常大（107 Da）的粘蛋白，与透明质酸和蛋白多糖一起，形成一个填充宫颈管的塞子（图8）。塞子结构较大（质量约为10克），由一个相互缠绕的细丝网组成，其中含有一系列抗菌化合物，包括SLPI、溶菌酶、乳铁蛋白、钙卫蛋白、HNP 1–3、HBD-1、IgA、IgG和IgM（图9）。它作为一种物理屏障，防止微生物进入，其含有的一系列抗菌化合物具有广谱抗菌活性。因此，塞子提供了一个有效的抗菌屏障，防止微生物进入子宫，感染胚胎，随后感染胎儿。然而，在排除微生物方面可能并不完全有效，因为最近的一些研究似乎在怀孕期间检测到了子宫中的微生物。
7. 阴道没有粘液纤毛清除机制，但pH值较低
阴道中的抗菌防御机制与宫颈中的机制相似，但不存在粘液纤毛（表4）。阴道中另一个重要的防御机制是低pH值。这是由于糖原的厌氧代谢产生的乳酸和乙酸的积累所致，糖原大量存在于育龄女性的阴道上皮中。这种低pH值抑制了许多微生物的生长，此外，乳酸和乙酸可以对某些物种产生直接的抗菌作用。研究表明，阴道pH值低与HIV、衣原体、滴虫、尿路感染（UTI）以及支原体的感染风险降低相关。如前所述，阴道pH值受月经周期和个体性成熟度的影响。
8. FRS的获得性免疫防御不同于其他粘膜部位
FRS的获得性免疫系统在许多方面不同于其他粘膜部位的免疫系统。首先，大多数粘膜表面（称为粘膜相关淋巴组织MALT）所特有的淋巴滤泡不存在。这些滤泡负责初级粘膜免疫反应，包含树突状细胞（参与抗原呈递）以及未成熟的B细胞和T细胞。然而，尽管不存在淋巴滤泡，但已检测到含有T细胞和B细胞的淋巴聚集体。此外，还存在抗原呈递细胞（树突状细胞和巨噬细胞），并且已经证明子宫上皮细胞也可以作为抗原呈递细胞发挥作用。因此，生殖器粘膜能够产生局部免疫反应。其次，存在于生殖道分泌物中的抗体不仅是局部产生的，而且还通过渗出从血清中获得。与其他粘膜分泌物不同，生殖液中的主要抗体类别是IgG而不是IgA。这些抗体的主要功能是防止微生物粘附和侵入上皮表面，中和毒素和其他潜在有害抗原。它们还可能参与抗体依赖性、细胞介导的细胞毒性和促进中性粒细胞的吞噬作用。它们在确定阴道和宫颈菌群组成方面的作用尚未确定。最后，与其他粘膜表面的情况不同，获得性免疫反应的许多方面受激素调控，排卵前阶段的IgA和IgG水平高于排卵后阶段。
参考文献：
Hickey RJ, Zhou X, Pierson JD et al. (2012). Understanding vaginal microbiome complexity from an ecological perspective. Transl Res 160:267–282.
Lewis AL & Lewis WG (2012). Host sialoglycans and bacterial sialidases: a mucosal perspective. Cell Microbiol 14:1174–1182.
Mirmonsef P, Gilbert D, Zariffard MR et al. (2011). The effects of commensal bacteria on innate immune responses in the female genital tract. Am J Reprod Immunol 65:190–195.
Witkin SS (2015). The vaginal microbiome, vaginal anti-microbial defence mechanisms and the clinical challenge of reducing infection-related preterm birth. BJOG 122:213–218.
Yarbrough VL, Winkle S & Herbst-Kralovetz MM (2015). Antimicrobial peptides in the female reproductive tract: a critical component of the mucosal immune barrier with physiological and clinical implications. Hum Reprod Update 21:353–377.