改变肠道微生物组和代谢组与脓毒症临床结果的关联

背景  

肠道微生物组在脓毒症的进展中起着关键作用。然而，肠道菌群及其代谢产物参与脓毒症过程的具体机制仍不清楚，限制其转化应用。  

方法  

在这项研究中，我们使用微生物组学和非靶向代谢组学的组合来分析入院时入组的脓毒症患者的粪便样本，然后筛选出可能在疾病结果中发挥重要作用的微生物群、代谢物和潜在信号通路。最后，上述结果在脓毒症动物模型中通过微生物组学和转录组学分析得到验证。  

结果  

脓毒症患者表现出共生菌群的破坏和肠球菌的丰度升高，这在动物实验中得到了验证。此外，具有高拟杆菌负担的患者，尤其是普通拟杆菌，具有更高的急性生理学和慢性健康评估 II 评分，并且在重症监护室停留的时间更长。CLP 大鼠的肠道转录组表明肠球菌和拟杆菌与差异表达的基因有不同的相关性，表明这些细菌在脓毒症中的作用截然不同。此外，与健康对照组相比，脓毒症患者的肠道氨基酸代谢出现紊乱；也就是说，色氨酸代谢与微生物群的改变和脓毒症的严重程度密切相关。  

结论  

肠道微生物和代谢特征的改变与脓毒症的进展相对应。我们的研究结果可能有助于预测脓毒症早期患者的临床结果，并为探索新疗法提供转化基础。  

背景  

当严重感染导致宿主发生剧烈炎症反应时，就会发生脓毒症，是一种全球性的危及生命的疾病。在某些情况下，脓毒症会发展为多器官功能障碍综合征，这会使结果恶化。越来越多的证据表明，肠道菌群失调与多种疾病（包括脓毒症）的发病机制之间存在很强的相互作用。在危重疾病期间，胃肠道运输的变化，以及独特的药物和营养模式，可以驱动肠道微生物群的显着变化。相反，受到干扰的微生物群为病原微生物的生长提供了便利，其成分可以转移到受损的肠道屏障并使病情恶化。尽管之前的研究主要集中在脓毒症患者的微生物特征上，但发现在脓毒症中发生改变的细菌的作用仍不清楚。脓毒症的代谢特征已在血清中确定，但对脓毒症期间肠道的代谢变化知之甚少。众所周知，微生物群会产生影响宿主生理过程的代谢物。因此，为了阐明脓毒症中肠道微生物群和代谢物的组成及其与疾病进展的关系，我们对入住重症病房 (ICU) 的脓毒症患者进行一项观察性队列研究。入院时收集的粪便标本用于生成微生物和代谢概况。此外，还建立了脓毒症大鼠模型，以反映肠道基因表达特征并验证患者的微生物特征。我们预计这项研究将揭示脓毒症相关细菌的潜在生物学功能，从而更早地预测和改进对这种危险疾病的治疗。  

讨论  

总体而言，我们发现临床患者和大鼠的健康状况和脓毒症之间的微生物组成不同，其特征是有益菌群的丧失和潜在致病菌的过度生长。这些结果与之前在各种危重患者队列中的发现一致。在这项研究中，我们观察到肠球菌在脓毒症患者和大鼠中都丰富，并伴随着其他潜在病原体的大量繁殖，包括患者队列中的克雷伯氏菌和 CLP 大鼠中的肠杆菌科。此外，大量的肠球菌肠杆菌科与动物模型中几种炎症基因的高结肠表达有关。蓬勃发展的肠球菌种群通常意味着肠道微生物群的脆弱状况。先前的研究表明，入院时肠球菌丰度升高预示着 ICU 患者死亡或感染，并预示着严重 SARS-CoV-2 感染导致的死亡。此外，我们的结果表明，肠球菌在脓毒症患者中表现出与大多数微生物和改变的代谢物的有效抑制关联。这种现象可能部分归因于竞争性增长优势肠球菌与代谢活动家相比。先前的研究表明，肠球菌，尤其是耐万古霉素肠球菌(VRE)，由于其对饥饿和抗生素压力的耐受性，很容易在竞争中胜过其他细菌。还已知肠球菌通过精氨酸脱亚氨酶途径重建肠道中的代谢环境，该途径支持多种病原体的生长，例如大肠杆菌和艰难梭菌，导致可能的继发感染。尽管肠球菌对脓毒症的肠道环境有多种不利影响，但我们确定拟杆菌，尤其是普通拟杆菌，是与脓毒症有害结果相关的关键细菌。与我们的结果一致，对中国脓毒症患者的研究导致 Liu 等人提出具有主要由拟杆菌而非肠球菌组成的肠型的患者更有可能进展为感染性休克。因此，可以想象拟杆菌和肠球菌在本研究中在促进脓毒症方面发挥了截然不同的作用。一贯地，我们观察到拟杆菌和肠球菌与脓毒症大鼠的不同肠道基因簇有关。与拟杆菌相比，肠球菌与更多参与细胞趋化性和炎症损伤的基因呈正相关，与更多参与脂质代谢的基因呈负相关。相比之下，拟杆菌可能会影响脓毒症过程中的肠屏障通透性或H 2 S合成。米尔斯等人研究表明，B. vulgatus在溃疡性结肠炎中表现出高蛋白酶活性和恶化的屏障破坏，与其在脓毒症中高表达Mm9的相关性一致。这表明用于结肠炎的蛋白酶抑制剂治疗也可能为脓毒症提供药用价值。相反，拟杆菌在宿主肠道中的功能仍存在争议，一些研究认为它是多种疾病的保护性细菌，包括肥胖、动脉粥样硬化和脂多糖诱导的急性肠损伤。更多的实验来阐明拟杆菌属的精确机制。脓毒症应在未来进行。我们没有检测到肠球菌之间的密切关系本研究中的负荷和临床结果，可以在某些方面进行解释。虽然 Agudelo-Ochoa 等人。发现在 ICU 住院期间肠球菌负荷增加的脓毒症患者存活的可能性较小，目前在评估脓毒症患者时很少考虑微生物组成的动态变化。我们提出，虽然肠球菌可能具有破坏性，但在入住 ICU 开始时脓毒症患者中它们的丰度可能比拟杆菌更能预测不良结果。此外，在我们的患者中表现出过度生长的肠球菌主要是粪肠球菌。与臭名昭著的相比E. faecalis , E. faecium有时被视为益生菌，因为它具有分泌限制细菌发病机制的细菌素的能力。对此结果的一个合理解释是粪肠球菌在化粪池环境中与粪肠球菌一样茁壮成长，但导致的不良反应较少。无论如何，更精确的鉴别将增加基于肠道微生物预测病程的可靠性。肠道细菌多样性的下降可能是我们在脓毒症患者中观察到的肠道代谢物明显缺乏的部分原因。与先前基于血清标本的发现一致，参与芳香族氨基酸代谢的代谢物被干扰最多。我们的脓毒症队列显示多种芳香族氨基酸代谢物减少，这些代谢物也与肠道微生物组和脓毒症的结果密切相关，尤其是那些与色氨酸和酪氨酸代谢有关的代谢物。一方面，色氨酸和酪氨酸是某些神经活性化合物的前体，包括调节多种认知障碍的血清素和去甲肾上腺素；这些氨基酸的缺乏是延长重症患者住院时间的重要因素。另一方面，色氨酸也可以被多种肠道微生物转化为吲哚衍生物，能够激活肠上皮细胞或淋巴细胞的 AhR 或 PXR，从而有利于抗炎、抗菌肽分泌和异物代谢。在此处鉴定的脓毒症相关代谢物中，一些先前被证明是 AhR 配体（例如，5-羟基吲哚乙酸），其他被证明是已知 AhR 配体（例如，3-甲基二氧吲哚）的下游代谢物（图 5) 。有趣的是，B. vulgatus显示与酪氨酸和色氨酸代谢物的弱相关性，表明它可能独立地加剧脓毒症（图 2）。此外，宿主通过血清素途径和犬尿氨酸途径代谢色氨酸。在本研究中，我们观察到 5-羟色胺途径的代谢物（包括 5-羟基吲哚乙酰甘氨酸和 5-羟基吲哚乙醛）可能表现出有益作用，而犬尿氨酸似乎起到了加重作用。促炎细胞因子可能会激活吲哚胺-2,3-双加氧酶，这是将色氨酸转化为犬尿氨酸的必需酶，它会消耗所有通常可用于血清素形成的色氨酸，从而加重脓毒症的认知障碍。这也支持以下假设，即血清素和犬尿氨酸途径中肠道代谢物的失衡预示着脓毒症的不良结果。我们还发现了几种对脓毒症进展具有潜在有益影响的细菌。例如，发现毛螺菌科物种与脓毒症相关代谢物密切相关，包括色氨酸代谢。一些细菌直接代谢色氨酸，而另一些细菌产生短链脂肪酸 (SCFA)，从而改变微生物结构，从而间接促进色氨酸代谢。SCFA 是一组代谢物，源自纤维的细菌发酵并滋养肠道上皮细胞以维持肠道完整性并增强肠道抗炎过程。据报道，木杆菌科细菌会产生 SCFA，这可能解释了它们对大鼠肠道炎症基因表达的抑制作用。Akkermansia负荷与脓毒症结果之间的关系也可能部分由其产生的 SCFAs 解释。总体而言，精确优化此类细菌的丰度可能对减轻脓毒症有效。这项研究有几个局限性。首先，它的样本量小，所有参与者都来自一个健康中心；因此，我们的结果应该在其他机构的患者身上得到验证。其次，虽然我们的研究结果在控制年龄时仍然很重要，并且在大鼠模型中得到验证，但临床混杂因素仍然存在，包括 ICU 前药物和感染病原体。第三，肠球菌和普通芽孢杆菌在脓毒症中的作用是通过相关性分析推断出来的，应该通过对特定细菌定植的动物进行实验来验证。我们建议未来的研究使用宏基因组学技术进行，以精确破译脓毒症中肠道代谢物改变中涉及的微生物遗传元件的功能。  

结论  

在这项研究中，我们阐明脓毒症肠道微生物群的概况，将其与肠道代谢物和肠道转录组相关联，以突出对这种破坏性疾病的潜在影响。脓毒症患者表现出肠道微生物群的恶化，其特征是重要共生菌的耗竭和肠球菌的控制。我们首次描述了脓毒症患者肠道中氨基酸代谢的破坏。具体来说，我们观察到色氨酸和酪氨酸代谢物的急剧减少，这与细菌组成的改变和更严重的临床结果密切相关。微生物组成也影响患者脓毒症的严重程度，拟杆菌属。在塑造肠道转录谱方面发挥主导作用，这与之前显示肠球菌是最常见的脓毒症相关细菌的研究不同。如果我们要应对这一紧迫的公共卫生挑战，就必须更好地了解有助于脓毒症临床结果的微生物和代谢物。  

Sun et al. Critical Care (2023) 27:127 https://doi.org/10.1186/s13054-023-04412-x