使用抗菌藥物對嬰幼兒腸道微生態的影響

蘇思婷， 溫洪宇， 袁振亞， 王秀穎， 王國振， 俞晨潔

（江蘇師范大學生命科學學院，江蘇 徐州 221116）

在健康人群的腸道系統中寄生著大量復雜的細菌，這些細菌構成腸道微生態，對人體健康發揮著重大作用，例如保護宿主免受病原菌的侵襲、促進宿主的消化吸收和藥物代謝、影響脂肪的吸收和分布等[1]。腸道細菌是微生態的核心組成部分，細菌種類和數量變化都會對腸道微生態平衡產生重要影響。一般來說，腸道細菌的種類和數量是相對穩定的，但是其易因年齡、飲食、抗菌藥物等因素發生變動，從而引起腸道微生態失衡，導致患病。嬰幼兒腸道微生態在微生物的數量、豐度及組成上變化快速而廣泛[2]。嬰兒在出生之前的腸道基本處于無菌狀態，出生時各類細菌在嬰兒腸道中開始定植，起初大腸埃希菌、腸球菌及梭菌占主體，出生后5 d左右，雙歧桿菌發展為優勢菌株。在新生兒中，早期是否使用抗菌藥物治療對嬰幼兒腸道微生態的影響完全不同[3]。我們就抗菌藥物給嬰幼兒腸道微生態的影響作一綜述，為臨床上合理使用抗菌藥物提供理論依據。

1 腸道微生態攜帶耐藥基因

抗菌藥物耐藥基因的存在使耐藥細菌可在抗菌藥物存在的環境下大量增殖，嚴重影響抗菌藥物的抑菌功能。嬰幼兒免疫系統發育不完全，在生命早期需要使用更多的抗菌藥物，這會加速體內抗菌藥物耐藥性的產生。抗菌藥物的使用造成了耐藥基因及多重耐藥細菌的富集[4]，增加了抗菌藥物治療的難度。尹馨等[5]對患有急性腹瀉兒童腸道致病菌進行研究，發現造成急性腹瀉主要病原菌之一的韋榮球菌對青霉素類抗菌藥物具有較強的耐藥性，進而影響抗菌藥物發揮作用。來自美國的一項研究發現兒童在接受抗菌藥物治療后，體內的抗菌藥物耐藥基因豐度顯著增加[6]。抗菌藥物耐藥基因的持留性很強，在接受治療后相當長一段時間內仍然存在。

來自華盛頓大學醫學院的研究人員采集了22例6個月～19歲患者的糞便樣本并進行分析，通過檢測對18種抗菌藥物都耐藥的患者腸道內細菌的DNA，其中包括對2 500個新型的抗菌藥物耐藥基因進行篩查，研究人員鑒別出了新型的抗菌藥物耐藥基因，這些新型的抗菌藥物耐藥基因能夠嚴重影響抗菌藥物的功能發揮。接受青霉素治療的患兒腸道中存在肺炎克雷伯菌β-內酰胺酶耐藥基因，其基因表達量（reads per exon kilobase per million mapped sequence reads，RPKM）高達4 000，β-內酰胺酶耐藥基因豐度的急劇上升引起肺炎克雷伯菌的相對豐度從0%上升至22%。而抗菌藥物外排基因tolC豐度的增加導致大腸埃希菌的相對豐度由4%上升至24%。耐藥基因tet32可使活潑瘤胃球菌的相對豐度增加至97%。許多抗菌藥物耐藥基因會發生水平基因轉移（horizontal gene transfer，HGT），增強腸道內耐藥基因的富集作用[7]。有研究結果表明，一些新生兒體內攜帶抗菌藥物耐藥基因可能來自于他們的母親[8]，但迄今為止，嬰幼兒腸道內的耐藥基因起源于何處仍不清楚。不僅如此，每名兒童的腸道都存在一定數量和不同種類的耐藥基因，即使是一些尚未接受過任何抗菌藥物治療的健康兒童[8]。因此，應用于嬰幼兒的抗菌藥物種類受到限制，進一步增加了治療難度。

2 抗菌藥物暴露降低腸道微生態多樣性和穩定性

腸道微生態、腸道上皮細胞與宿主免疫系統之間構成的平衡保證了宿主的健康。有研究結果表明，使用抗菌藥物、剖腹產和主要喂食配方奶粉等因素均會降低嬰兒腸道微生物組的多樣性和穩定性，這種現象在擬桿菌處于低水平的嬰兒體內表現得更為明顯[6，9]。全基因組測序（whole genome sequencing，WGS）分析結果表明，與未受到過抗菌藥物暴露的嬰兒不同的是，接受過抗菌藥物治療的嬰兒中，其腸道微生物種類更少，并且往往傾向于受到單個菌株的控制，包括大腸埃希菌、普氏梭桿菌、脆弱擬桿菌、副流感嗜血桿菌。母乳喂養時間較長且早期未使用過抗菌藥物的嬰兒腸道中雙歧桿菌及Akkermansia muciniphila豐度較高。隨著時間的推移，受到抗菌藥物暴露的嬰兒其腸道微生態開始變得不穩定，尤其是在抗菌藥物治療期間，這更加證明了使用抗菌藥物會加劇腸道微生態失衡的事實[10]。

不同的抗菌藥物對腸道微生態多樣性的影響不同。2016年，芬蘭的研究人員發現，大環內酯類抗菌藥物的使用與腸道微生物豐度的長期下降存在關聯[3]。即使是最近一兩年內未接受過大環內酯類抗菌藥物治療的兒童，其微生物組成仍然無法達到對照微生物組的豐富程度。雙歧桿菌和擬桿菌的豐度通常在1年內可以恢復至正常水平，但乳酸菌、柯林斯菌的豐度在2年后依舊處于很低的水平。GIBSON等[4]發現早產嬰兒在出生初期由于身體狀況等原因普遍需要接受抗菌藥物治療。常見的美羅培南、頭孢噻肟、替卡西林-克拉維酸會顯著降低腸道微生物的豐度，而慶大霉素和萬古霉素的使用對腸道微生物的豐度也具有一定影響。

3 抗菌藥物的使用破壞腸道微生態的結構及功能

在臨床治療中，抗菌藥物已成為常用的藥物之一。但抗菌藥物治療破壞正常腸道微生態結構，改變腸道微生態功能。KLEMM等[11]利用系統發生學分析發現使用抗菌藥物顯著改變了細菌微生態結構，兒童使用抗菌藥物與腸道微生態組成的變化相關，這種變化將持續6個月以上。為了深入剖析腸道微生態的起源，了解抗菌藥物及其他環境因素對腸道菌群可能產生的影響，來自麻省總醫院、Broad研究所的研究團隊挑選了39名嬰兒，從他們出生開始每月定期采集他們的糞便樣本，一直持續至3歲[12]。采集的樣本通過統一技術處理后進行高通量測序以確定腸道微生態的構成。實驗結果表明，是否接觸過抗菌藥物、出生方式、喂養方式等因素會改變腸道微生態的構成。還有研究結果顯示，接觸抗菌藥物影響了益生菌的穩定定植，在健康兒童中表現為機體生理紊亂[13]。

KORPELA等[3]對142名2～7歲的芬蘭兒童進行研究。在研究期間，這些兒童接受相同幼兒日托中心的照顧。研究人員分析了這些兒童接受抗菌藥物治療的過程以及抗菌藥物的使用如何影響腸道微生態。采用16S rRNA基因測序技術，研究人員通過檢測糞便樣本確定了其腸道的細菌構成。研究結果表明，兒童腸道微生態構成清楚反映了抗菌藥物的使用情況，使用抗菌藥物會減少腸道微生物的豐度，同時也會減緩微生物群落的發育[14]。尤其是接受大環內酯類抗菌藥物治療的兒童，如阿奇霉素和克拉霉素等，這些兒童在過去2年里的腸道微生態變化程度較為明顯。具體表現為放線菌（包括雙歧桿菌）的豐度下降，而擬桿菌和變形菌的豐度升高。然而，使用過青霉素的兒童卻沒有表現出這么明顯的變化。大環內酯類抗菌藥物的使用使得腸道微生態的構成和代謝持久改變。其變化包括放線菌的消失，桿菌和變形桿菌的增加，膽鹽水解酶的減少以及大環內酯類抗菌藥物耐藥性的增強[15]。此外，研究人員還發現早期使用抗菌藥物將影響體重指數（body mass index，BMI）。結合實驗結果和之前從小鼠實驗中得到的結果，他們得出結論，大環內酯類抗菌藥物的使用對兒童的腸道微生態產生了不利影響，這危及健康兒童的免疫系統和新陳代謝的發展，相比大環內酯類抗菌藥物，青霉素類抗菌藥物對兒童腸道微生態的構成也可能產生一定影響[13]。一般來說，在接受過抗菌藥物治療的1年后腸道微生態將恢復正常，但如果兒童長期使用抗菌藥物，則其腸道微生態需要更長時間進行恢復。

4 使用抗菌藥物增加患病風險

已有的許多研究均證明了兒童使用抗菌藥物與免疫系統疾病的患病風險增加有關，如炎癥性腸道疾病（inf l ammatory bowel disease，IBD）、肥胖癥、糖尿病、哮喘和過敏等[16-18]。目前，人們普遍認為，腸道微生態與這些疾病有著密切聯系。腸道微生態及細菌代謝產物的改變會影響宿主的代謝功能，嚴重時會導致某些代謝疾病如肥胖癥和2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）[19]。短期使用抗菌藥物會導致腸道菌群的長期紊亂，從而導致疾病的發生或加重。研究人員已經探索出抗菌藥物使用與幼年時期肥胖癥以及BMI之間的關系，小腸微生態和大腸微生態影響體重調節和葡萄糖穩態[20]。有研究發現大環內酯類抗菌藥物的使用與哮喘病、肥胖癥直接相關。在2歲之前頻繁使用大環內酯類抗菌藥物的兒童后期患上哮喘癥和肥胖癥的概率明顯增加。并且，這些患兒擁有獨特的腸道微生態。2歲前使用抗菌藥物2次以上的兒童患哮喘的概率是未使用大環內酯類抗菌藥物的兒童的6.11倍[3]。另外，幼兒時期接受大環內酯類抗菌藥物的治療與腸道微生態構成、腸道功能的長期紊亂以及細菌耐藥性存在關聯。

目前研究結果表明，早期抗菌藥物暴露是導致兒童期肥胖癥的重要原因[21]。PAOLELLA等[22]提出了3種解決方法來應對抗菌藥物帶來的這種影響：（1）理性使用窄譜抗菌藥物。長期、大劑量地使用廣譜抗菌藥物會導致腸道微生態中的正常菌株被滅殺，具有耐藥性的菌株被選擇出來并逐漸生長繁殖，進而成為優勢菌群，通過多種方式獲得了對抗菌藥物的耐藥性，臨床上使用抗菌藥物時應謹慎明智；（2）增加ω-3脂肪酸的攝入。ω-3和ω-6脂肪酸是人體必需的脂肪酸，且不能在體內合成，需通過食物獲取。ω-3脂肪酸能夠通過多條途徑抑制ω-6脂肪酸的脂肪生成作用，也能通過抑制成脂相關基因包括脂肪酸合酶（fatty acid synthase，FAS）、脂蛋白脂肪酶（lipoprotein lipase，LPL）以及硬脂酰輔酶A脫飽和酶1的表達以調節體內脂類的平衡[23]。ω-3脂肪酸的攝入可最終導致脂肪沉積減少，對于減少脂肪的形成、預防肥胖引起的相關健康問題發揮重要的作用；（3）使用益生元或益生菌。常用的限制飲食和手術等減肥方式會降低腸道微生物豐度，改變腸道微生態構成，長此以往容易產生副作用，而益生菌或益生元通過優化腸道微生態構成、減少腸道細菌脂多糖的產生、降低脂肪存儲，繼而改善腸道環境、宿主代謝并降低體脂。因此，通過益生菌、益生元的干預調節腸道微生態以抵抗肥胖及相關疾病是有效的策略[22]。

5 小結與展望

關于人類腸道微生物的研究已經受到諸多關注。抗菌藥物的使用在短期和長期內對于宿主的正常腸道微生態均具有一定的負面作用，進而影響人們正常的生理活動。近年來，隨著微生物學的發展，越來越多的研究人員將關注點投向嬰幼兒腸道微生態，尤其是接受抗菌藥物治療的嬰幼兒。抗菌藥物耐藥性問題已是全球主要的公共衛生問題。2016年9月，在聯合國大會國家元首高級別會議上，來自多個國家的科學家聯合發文呼吁提高對抗菌藥物使用不足和耐藥性的認識[24]。

目前，抗菌藥物治療對嬰兒腸道菌群的影響仍然處于不斷探索階段。隨著我們對于腸道微生態對人類健康的作用和如何保持腸道健康的重視，了解抗菌藥物對腸道微生態的影響顯得尤為關鍵，尤其是嬰幼兒使用抗菌藥物導致其耐藥基因擴散所帶來的威脅。展望未來，除我們提及的幾點影響外，希望有更多關于抗菌藥物對嬰幼兒腸道菌群的影響的研究，為臨床合理使用抗菌藥物提供理論依據。