危重疾病與微生物組學(xué)的研究進(jìn)展

陶哲影， 劉嘉琳

1 引言

微生物組學(xué)在危重疾病中的重要作用在半個世紀(jì)以來得到了廣大學(xué)者的關(guān)注。越來越多證據(jù)顯示危重疾病的發(fā)生、發(fā)展伴隨著體內(nèi)微生物組（microbiome）在種類和數(shù)量上不同程度的改變。微生物組的動態(tài)變化與膿毒癥、急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）、呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎（VAP）等危重疾病的發(fā)生、發(fā)展有著密不可分的關(guān)系，顯著影響患者的預(yù)后。隨著高通量測序和生物信息學(xué)分析技術(shù)的飛快發(fā)展，人們可以通過非培養(yǎng)手段對微生物組進(jìn)行全面的研究。本文總結(jié)了近年來微生物組學(xué)的組成和功能、其與常見危重疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)系和相關(guān)機(jī)制，以及新興微生物組學(xué)治療方法的研究進(jìn)展，以期為微生物組學(xué)在危重疾病的理論研究與臨床應(yīng)用提供一定參考。

2 微生物組學(xué)

人體內(nèi)的微生物參與機(jī)體營養(yǎng)吸收、能量代謝、免疫應(yīng)答、生長發(fā)育等多項生理過程[1]，這些定植于人體內(nèi)特定部位的微生物及其遺傳信息和基因序列等成分被統(tǒng)稱為微生物組[2]，包括細(xì)菌組、真核生物組、古菌組、病毒組等[3]。

細(xì)菌組居人體內(nèi)微生物組數(shù)量之首，有研究通過非培養(yǎng)技術(shù)發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)細(xì)菌數(shù)量至少達(dá)1014～1015個，主要由9個菌門構(gòu)成：厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、放線菌門（Actinobacteria）、變形菌門（Proteobacteria）、梭桿菌門（Fusobacteria）、疣微球菌門（Verrucomicrobia）、藍(lán)細(xì)菌門（Cyanobacteria）、螺旋體門（Spirochaetes）和VadinBE97門，其中80%細(xì)菌組可以納入以下3個門：厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門。腸道是人體內(nèi)最大的儲菌庫[4-5]。成年人腸道細(xì)菌的數(shù)量高達(dá)1014個，包含豐富的基因序列。Li等[6]將人類腸道宏基因組學(xué)（MetaHit）等項目中的測序結(jié)果進(jìn)行整合，建立了由9 879 896個基因組成的腸道細(xì)菌組基因目錄。與腸道不同，健康人肺部缺乏營養(yǎng)物質(zhì)，肺泡表面充滿脂質(zhì)使細(xì)菌不易在肺部定植[7]，因此肺部菌群密度較低、數(shù)量較少，每克組織中僅含103～105個細(xì)菌[8]。肺部菌群的數(shù)量維持主要依靠上呼吸道菌群的遷移和宿主免疫防御、咳嗽反應(yīng)介導(dǎo)的菌群清除，自身增殖僅占小部分[9]。肺部菌群的組成與口腔最為相似，包含普雷沃菌、鏈球菌、韋氏桿菌、奈瑟菌、嗜血桿菌和梭桿菌等優(yōu)勢菌[10]。

病毒組是地球上最豐富的微生物組，病毒數(shù)量高達(dá)1031個[11]，包括噬菌體（bacteriophage）和真核病毒（eukaryotic virus），目前經(jīng)基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的噬菌體數(shù)量遠(yuǎn)多于真核病毒。真核病毒是一群序列相對保守的病毒，可長期寄居于宿主且不引發(fā)臨床癥狀，研究表明部分寄居于人體的真核病毒可通過交叉免疫或直接抗病毒效應(yīng)來維護(hù)機(jī)體健康[12]。

真菌組是人類微生物組的重要組成部分，現(xiàn)已在人類體內(nèi)發(fā)現(xiàn)390多種真菌[13]，其中念珠菌是最主要的真菌屬。真菌引起的感染較為嚴(yán)重，尤其是免疫功能低下患者和危重疾病患者[14]。

3 微生物組學(xué)與危重疾病

3.1 微生物組學(xué)與膿毒癥

膿毒癥（sepsis）指嚴(yán)重感染導(dǎo)致宿主免疫功能失調(diào)并危及生命的器官功能障礙[15]，其免疫特征為炎性反應(yīng)與免疫抑制同時存在，是危重疾病患者的主要死亡病因[16]。2015年，Prescott等[17]的臨床大樣本研究發(fā)現(xiàn)患者住院期間體內(nèi)微生物穩(wěn)態(tài)失衡越嚴(yán)重，出院后患嚴(yán)重膿毒癥的風(fēng)險越大，該研究首次在人類中證實微生物組參與膿毒癥的發(fā)生、發(fā)展。

目前針對膿毒癥與微生物組的研究主要集中于腸道微生物組。腸道共生菌及其代謝產(chǎn)物在維持腸道屏障和機(jī)體免疫功能中起重要作用，如常見代謝產(chǎn)物乙酸可誘導(dǎo)腸道杯狀細(xì)胞分化、黏蛋白分泌[18]；分段絲狀菌與腸上皮細(xì)胞相互作用，促進(jìn)B細(xì)胞分泌免疫球蛋白A，誘導(dǎo)輔助性T-17（Th17）細(xì)胞分化等[19]。當(dāng)危重疾病患者的腸道屏障破壞，腸內(nèi)微生物及其產(chǎn)物、抗原等可從腸腔移位至腸系膜或其他腸外器官，激活機(jī)體一系列炎性反應(yīng)與免疫應(yīng)答，這一過程被稱為膿毒癥的“腸道起源假說”（gut-origin sepsis hypothesis）[20]。在膿毒癥患者中，腸道內(nèi)微生物組發(fā)生了改變。多項研究表明膿毒癥患者腸道菌群多樣性降低，其中關(guān)鍵共生菌厚壁菌門、抗炎癥的糞便桿菌、產(chǎn)短鏈脂肪酸的普雷沃菌、布拉菌和乳球菌數(shù)量下降，變形菌門數(shù)量增加，且多數(shù)患者存在某一菌群如葡萄球菌或大腸埃希菌等過度生長，豐度可超過50%[21-23]。腸道微生物紊亂導(dǎo)致機(jī)體免疫功能低下或許也是膿毒癥發(fā)展的一大因素。Deshmukh等[24]研究顯示把健康小鼠的腸道細(xì)菌組移植入抗生素干預(yù)組的膿毒癥小鼠腸道后，膿毒癥小鼠預(yù)后改善[24]。其具體機(jī)制為健康狀態(tài)下的腸道細(xì)菌組可通過TLR4-MyD88信號軸誘導(dǎo)先天性淋巴樣細(xì)胞（ILCs）分泌IL-17A，發(fā)揮宿主對膿毒癥的免疫防御功能。

3.2 微生物組學(xué)與ARDS

ARDS是一種急性彌漫性炎癥性肺損傷[25]，約10%危重疾病患者在治療期間罹患ARDS，死亡率可高達(dá)35%～46%[26]。在危重疾病患者中，鎮(zhèn)靜劑和氣管內(nèi)插管的使用使肺部微生物清除率降低[27]。發(fā)生ARDS后，肺泡上皮損傷、肺泡毛細(xì)血管內(nèi)皮滲透性增加使肺泡被滲出液填充，又為微生物的繁殖提供了充足的營養(yǎng)條件[28]。一項納入74例接受機(jī)械通氣患者的研究發(fā)現(xiàn)，呼吸道微生物組在機(jī)械通氣的48 h內(nèi)發(fā)生顯著改變，機(jī)械通氣后發(fā)生ARDS的患者肺部腸桿菌、梭桿菌和普雷沃菌數(shù)量增加[29]。

腸道微生物在肺部疾病中發(fā)揮了重要作用，這種腸道微生物組及其代謝產(chǎn)物在肺部的交互作用被定義為腸-肺軸（gut-lung axis）[30]，與許多肺部疾病如ARDS、肺炎等相關(guān)。Dickson等[31]對ARDS小鼠的肺部細(xì)菌組進(jìn)行測序，發(fā)現(xiàn)肺部細(xì)菌種類增加，腸道優(yōu)勢菌腸球菌屬和毛螺菌屬在肺部定植的數(shù)量上升，約占肺部微生物的40%。而后研究者對64例臨床ARDS患者的肺泡灌洗液進(jìn)行測序分析，發(fā)現(xiàn)41%的ARDS患者肺部出現(xiàn)腸道優(yōu)勢菌擬桿菌門定植，且腸道優(yōu)勢菌在肺部定植的數(shù)量與患者的全身炎癥嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。多項動物實驗和臨床實踐表明，使用抗生素抑制腸道細(xì)菌有助于減輕肺損傷，降低患者死亡率。然而也有研究顯示腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在肺部炎癥性損傷中發(fā)揮了保護(hù)作用，如新生小鼠早期定植的腸道共生菌可通過自身抗原激活腸道樹突狀細(xì)胞，誘導(dǎo)產(chǎn)IL-22的先天性淋巴細(xì)胞向肺部遷移，幫助宿主清除肺部病原菌[32]。

3.3 微生物組學(xué)與其他危重疾病

近年來，隨著微生物組與各臟器疾病研究的不斷深入，出現(xiàn)了微生物組相關(guān)的“腸-肝軸”、“腸-腦軸”等新的概念。肝性腦病是失代償肝硬化的常見并發(fā)癥，在肝性腦病患者中，腸道菌群多樣性降低，具有免疫抗炎活性的腸道優(yōu)勢菌擬桿菌門的數(shù)量隨患者肝功能降低而不斷減少[33-34]。發(fā)生腦血管意外時機(jī)體交感神經(jīng)激活，腸道通透性增加，在腦卒中后感染的患者體液中檢出的微生物大于70%為腸道常駐菌如腸球菌屬、大腸埃希菌[35]，提示腸道細(xì)菌組移位可能是卒中后感染的重要原因。

VAP是危重疾病患者最常見的醫(yī)院感染。Zakharkina等[36]通過16S rRNA基因測序法發(fā)現(xiàn)機(jī)械通氣患者肺部伯克霍爾德菌、桿菌目細(xì)菌、銅綠假單胞菌的豐度與VAP的發(fā)生率呈正相關(guān)。隨后，Qi等[37]對銅綠假單胞菌感染的VAP患者進(jìn)行肺泡灌洗液測序，發(fā)現(xiàn)患者肺部細(xì)菌組的組成與原發(fā)病相關(guān)，以變形菌門定植為主的患者原發(fā)病多為消化道疾病（63%），而以厚壁菌門和擬桿菌門定植為主的患者原發(fā)病多為呼吸道疾病（89%）。可見肺部微生物組或許是臨床預(yù)防、治療VAP的重要靶點。

4 微生物組學(xué)在預(yù)防、治療危重疾病中的應(yīng)用

基于微生物組在維持人類健康和促進(jìn)疾病發(fā)展中的重要作用，許多學(xué)者提倡通過干預(yù)宿主微生物組來預(yù)防和治療危重疾病。

目前臨床上常用的預(yù)防措施包括益生菌和選擇性消化道凈化（selective digestive decontamination，SDD）。益生菌是最早應(yīng)用于臨床的微生物制劑，常見的益生菌制劑有乳酸菌、雙歧桿菌、芽孢桿菌等。多篇隨機(jī)對照試驗表明益生菌可有效預(yù)防VAP，但就能否降低危重疾病患者的死亡率，現(xiàn)尚未達(dá)成共識[38-39]。重癥監(jiān)護(hù)病房是醫(yī)院感染的高發(fā)病區(qū)，SDD通過消除部分腸內(nèi)條件致病菌，預(yù)防醫(yī)院感染的發(fā)生。研究顯示，SDD能減少72%的下呼吸道感染、37%的血流感染，降低29%的患者死亡率[40]。然而SDD存在誘導(dǎo)耐藥微生物感染暴發(fā)的潛在風(fēng)險，僅推薦在抗生素耐藥性基線較低的地區(qū)使用。

糞菌移植（fecal microbial transplant，F(xiàn)MT）是菌群研究轉(zhuǎn)化應(yīng)用進(jìn)展最快的臨床治療方法，最早用于治療復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染，有效率高達(dá)88%～92%[41]，目前在炎癥性腸炎、膿毒癥中也發(fā)揮了較好的療效[42]。與益生菌相比，F(xiàn)MT的優(yōu)點在于能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)和噬菌體等生物制品隨共生菌一同移植，有助于更持久地恢復(fù)微生物穩(wěn)態(tài)[43]。多重耐藥微生物（MDRO）一直是臨床抗感染的難題，近年來多項研究報道FMT可消除MDRO。Saha等[44]對這些研究進(jìn)行系統(tǒng)綜述，發(fā)現(xiàn)FMT用于根除MDRO的有效率為37.5%～87.5%，且安全性良好。在原理上與FMT類似的陰道菌群移植近期也取得了突破性進(jìn)展，Lev-Sagie等[45]報道了第一例在人類身上進(jìn)行的陰道菌群移植研究，結(jié)果顯示5例頑固性和復(fù)發(fā)性細(xì)菌性陰道病患者接受菌群移植后，4例獲得長期緩解，為菌群移植治療疾病進(jìn)一步拓寬了思路。微生物組學(xué)在危重疾病的應(yīng)用現(xiàn)已取得一定成就，但仍需進(jìn)一步開展隨機(jī)對照試驗進(jìn)行驗證。

5 結(jié)語

本文主要闡述了微生物組學(xué)參與危重疾病的發(fā)生、發(fā)展以及其在危重疾病預(yù)防治療中的相關(guān)應(yīng)用。關(guān)于微生物組學(xué)在危重疾病中的應(yīng)用現(xiàn)多集中于基礎(chǔ)研究階段，識別微生物組學(xué)、明確微生物組學(xué)與危重疾病的發(fā)病機(jī)制，最終將其應(yīng)用于臨床危重疾病的預(yù)防治療仍有待進(jìn)一步探究。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及研究的不斷深入，應(yīng)用微生物組學(xué)來預(yù)防治療危重疾病將會是一次跨越性發(fā)展。