2023腸道微生物和膿毒癥：從發(fā)病機(jī)制到新療法

2023腸道微生物和膿毒癥：從發(fā)病機(jī)制到新療法摘要目的：本文總結(jié)了腸道微生物在膿毒癥發(fā)病機(jī)制中作用的最新進(jìn)展，并概述了腸道微生物靶向療法的潛在作用。最近的發(fā)現(xiàn)：在膿毒癥期間腸道微生物的組成被嚴(yán)重?cái)_亂，共生菌消失和潛在病原微生物的過(guò)度生長(zhǎng)。這些改變也擴(kuò)展到原有的非細(xì)菌性腸道微生物。這些腸道微生物群落的破壞與發(fā)生膿毒癥的易感性以及不良后果的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。臨床前研究已經(jīng)表明了幾種微生物衍生的代謝物（如D-乳酸、丁酸和脫氧膽酸）在危重疾病期間對(duì)增強(qiáng)宿主免疫反應(yīng)的影響。微生物靶向療法（例如益生菌或糞便微生物群移植）可能有益，但也可能與血流感染風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)?？偨Y(jié)：新出現(xiàn)的證據(jù)顯示腸道微生物（包括細(xì)菌、真菌、真核病毒和噬菌體）和其衍生代謝物對(duì)膿毒癥的易感性和結(jié)局有重要作用。盡管最近在對(duì)微生物介導(dǎo)的保護(hù)機(jī)制的研究方面取得了進(jìn)展，但在膿毒癥領(lǐng)域基于微生物群的預(yù)后工具或療法的臨床突破仍然遙遙無(wú)期。概述膿毒癥被定義為由宿主對(duì)感染的反應(yīng)失調(diào)引起的危及生命的器官功能障礙，估計(jì)占全球死亡人數(shù)的近20%。在過(guò)去的十年中，基于分子測(cè)序工具的發(fā)展已經(jīng)揭示了腸道微生物的多樣性、動(dòng)態(tài)性以及在健康和疾病中的作用。在膿毒癥期間，微生物嚴(yán)重紊亂：包括種群多樣性急劇減少，共生菌消失，潛在病原菌（如腸球菌、葡萄球菌）過(guò)度生長(zhǎng)。改變的腸道微生物群會(huì)影響炎癥反應(yīng)并增加腸道屏障通透性，使致病菌易位到體循環(huán)和遠(yuǎn)處器官。此外，一些標(biāo)志性的早期鼠類研究表明，微生物參與調(diào)節(jié)針對(duì)感染的全身免疫反應(yīng)；腸道細(xì)菌的消耗（通過(guò)使用無(wú)菌或抗生素處理的小鼠）會(huì)增加細(xì)菌感染引起的死亡率。盡管這些研究將微生物組成的改變與膿毒癥結(jié)局聯(lián)系了起來(lái)，但尚未完全確定腸道微生物在膿毒癥中保護(hù)作用的確切機(jī)制，更重要的是，尚未在膿毒癥的臨床管理中實(shí)施針對(duì)腸道微生物的診斷或治療。本綜述旨在總結(jié)該領(lǐng)域的當(dāng)前進(jìn)展，突出基于使用微生物靶向療法的個(gè)性化醫(yī)療的機(jī)會(huì)，并確定在膿毒癥管理中對(duì)研究這些療法的使用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的必要性。膿毒癥中腸道微生物的角色：最近發(fā)現(xiàn)的機(jī)制腸道微生物群對(duì)宿主防御的大部分全身作用歸因于共生腸道細(xì)菌產(chǎn)生的代謝物，這些代謝物似乎對(duì)免疫細(xì)胞功能至關(guān)重要。最近，一些研究闡明了受微生物群衍生代謝物調(diào)節(jié)的關(guān)鍵免疫途徑。例如，循環(huán)病原體被肝臟的常駐巨噬細(xì)胞Kupffer細(xì)胞捕獲并殺死。由腸道共生細(xì)菌產(chǎn)生的D-乳酸通過(guò)門(mén)靜脈轉(zhuǎn)移到肝臟，對(duì)于Kupffer細(xì)胞介導(dǎo)的血管內(nèi)防御的完整性至關(guān)重要。短鏈脂肪酸(SCFA)丁酸是一種厭氧細(xì)菌的發(fā)酵產(chǎn)物，能驅(qū)動(dòng)單核細(xì)胞向巨噬細(xì)胞分化并抑制其組蛋白脫乙酰酶。通過(guò)這種抑制作用，丁酸鹽介導(dǎo)巨噬細(xì)胞代謝并誘導(dǎo)抗菌肽的產(chǎn)生，從而增強(qiáng)體外和小鼠體內(nèi)的抗菌活性。與這些發(fā)現(xiàn)一致，口服補(bǔ)充短鏈脂肪酸通過(guò)激活G蛋白偶聯(lián)受體增強(qiáng)巨噬細(xì)胞吞噬肺炎克雷伯菌的能力，并且短鏈脂肪酸通過(guò)上調(diào)LAMTOR2（一種促進(jìn)吞噬體的抗菌效應(yīng)物）增加肺炎克雷伯菌感染期間巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)菌清除，溶酶體融合和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶激活。此外，用另一種微生物代謝物——次級(jí)膽汁酸脫氧膽酸重建無(wú)菌和抗生素處理的小鼠，可以恢復(fù)I型干擾素反應(yīng)，并可以限制甲病毒感染在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械膫鞑ァＫ拗髅庖叻磻?yīng)不僅受此類腸道微生物衍生代謝物的影響，而且共生細(xì)菌也可以對(duì)免疫激活做出相互反應(yīng)并改變其代謝產(chǎn)物。例如，通過(guò)鞭毛蛋白或抗CD3抗體對(duì)四個(gè)厭氧共生細(xì)菌定植的小鼠進(jìn)行急性宿主免疫激活，導(dǎo)致這些腸道細(xì)菌的快速轉(zhuǎn)錄重編程，包括應(yīng)激反應(yīng)介質(zhì)的上調(diào)，同時(shí)對(duì)它們的相對(duì)豐度的影響最小。在免疫刺激后6小時(shí)內(nèi)，腸道代謝物的產(chǎn)生也發(fā)生了改變，包括短鏈脂肪酸醋酸鹽和丙酸鹽的減少。換句話說(shuō)，一些共生細(xì)菌可能已經(jīng)進(jìn)化出在急性免疫激活期間保持相對(duì)穩(wěn)定，并通過(guò)增加應(yīng)激耐受性來(lái)保護(hù)自己的策略。盡管在傳染病和膿毒癥期間，更復(fù)雜和多樣化的人類微生物群落發(fā)生了廣泛的變化，但微生物代謝物水平的變化可能在一定程度上是共生細(xì)菌對(duì)急性免疫激活反應(yīng)的代謝輸出變化的結(jié)果。盡管這些發(fā)現(xiàn)（總結(jié)在圖1中）揭示了膿毒癥中腸道微生物群落變化的可能機(jī)制，但小鼠研究并沒(méi)有完全復(fù)制人類膿毒癥期間存在的條件，因此迫切需要將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化到人類身上，以進(jìn)一步促進(jìn)基于微生物新型療法的開(kāi)發(fā)。在健康期間，腸道共生細(xì)菌和真菌（例如白色念珠菌）通過(guò)多種機(jī)制增強(qiáng)免疫細(xì)胞功能，例如產(chǎn)生可增強(qiáng)免疫細(xì)胞功能的短鏈脂肪酸(SCFA)(A)。腸道共生菌（如鼠乳桿菌）的喪失和潛在致病菌（如肺炎克雷伯菌）的腸道支配與新生兒血流感染和遲發(fā)性敗血癥的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)（B）。在膿毒癥期間，腸道共生菌的喪失與機(jī)會(huì)性酵母菌的增殖相關(guān)，這可能導(dǎo)致侵襲性真菌疾病，以及與死亡風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)的病原體過(guò)度生長(zhǎng)(C)。GPCR，G蛋白偶聯(lián)受體；SCFA，短鏈脂肪酸。膿毒癥時(shí)腸道其他原生微生物破壞的后果仍未知除細(xì)菌外，人體腸道還存在真核病毒、噬菌體、真菌、古細(xì)菌和原蟲(chóng)。所有這些群落都與細(xì)菌微生物群密切相關(guān)，但它們?cè)谀摱景Y期間的集體作用和重要性仍然未知。一項(xiàng)研究描述了重癥患者（有或無(wú)膿毒癥）中多個(gè)腸道群落的變化，并觀察到厭氧菌的減少與需氧病原體（如葡萄球菌和腸球菌）及其噬菌體的過(guò)度生長(zhǎng)以及機(jī)會(huì)性酵母菌（如念珠菌和曲霉）的增殖有關(guān)。健康人的腸道中密集地定植了這種真菌病原體，能夠引起侵襲性疾病，但播散性感染很少發(fā)生在健康人身上。最近的研究表明，同種異體造血干細(xì)胞移植后厭氧菌的減少會(huì)促進(jìn)特定念珠菌屬物種的腸道過(guò)度生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致侵襲性真菌病。在盲腸結(jié)扎和穿刺引起的膿毒癥肥胖小鼠模型中，在造模前一周給予念珠菌口服，這會(huì)增強(qiáng)全身炎癥并增加死亡率。相反，Shao等人在小鼠中的研究表明，白色念珠菌的腸道定植會(huì)驅(qū)動(dòng)真菌特異性Th17激活的CD4+T細(xì)胞的全身擴(kuò)展，并通過(guò)循環(huán)中性粒細(xì)胞增加IL-17反應(yīng)性，從而防止侵襲性白色念珠菌感染。白色念珠菌的持續(xù)腸道定植不僅可以預(yù)防念珠菌血癥，而且還降低了侵襲性金黃色葡萄球菌感染后的死亡率。補(bǔ)充的人類分析證實(shí)了白色念珠菌豐度較高的糞便與產(chǎn)生IL-17的白色念珠菌特異性CD4+T細(xì)胞的系統(tǒng)積累之間存在正相關(guān)，表明白色念珠菌誘導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)對(duì)人類也很重要?？傊?，危重病期間腸道原有微生物的破壞超出了細(xì)菌的范圍，但這些干擾的臨床后果仍有待闡明。這些改變的腸道群落對(duì)膿毒癥患者的免疫途徑和臨床結(jié)果的影響值得進(jìn)一步研究?；谖⑸锶郝涞娘L(fēng)險(xiǎn)識(shí)別根據(jù)鼠類和大型流行病學(xué)研究，有人認(rèn)為微生物群組被破壞會(huì)使患者易患膿毒癥。例如，一項(xiàng)對(duì)10,996名患者的回顧性隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，重度膿毒癥住院期間感染艱難梭菌感染（與微生物群組破壞密切相關(guān)）后，再入院的風(fēng)險(xiǎn)比其他原因感染高70%。根據(jù)微生物群落特征識(shí)別處于臨床前狀態(tài)或不良后果高風(fēng)險(xiǎn)的患者，可以制定更個(gè)性化的預(yù)防策略和靶向治療。微生物群落組成與膿毒癥的易感性有關(guān)最近，幾項(xiàng)研究提供了進(jìn)一步的證據(jù)，表明腸道微生物群落的破壞和隨后病原體的全身易位會(huì)導(dǎo)致新生兒膿毒癥。首先，新生小鼠接觸廣譜抗生素與3型先天淋巴細(xì)胞和腸道IL-17A表達(dá)的減少有關(guān)，并增加了肺炎克雷伯菌誘導(dǎo)膿毒癥的易感性。singer等人用肺炎克雷伯菌定植新生小鼠的腸道，導(dǎo)致肺炎克雷伯菌易位進(jìn)入體循環(huán)，最終導(dǎo)致遲發(fā)性膿毒癥。接著他們證實(shí)，除了微生物多樣性低和專性厭氧菌的豐度較低之外，在幼崽中根除鼠乳桿菌增加了對(duì)肺炎克雷伯菌腸道定植和隨后的膿毒癥的敏感性，而對(duì)鼠乳桿菌的益生菌給藥可防止肺炎克雷伯菌定植。第三，在一項(xiàng)對(duì)40名患有遲發(fā)膿毒癥的早產(chǎn)兒和40名匹配對(duì)照的多中心病例對(duì)照研究中，在感染前3天收集的所有病例的糞便樣本中，至少有一個(gè)可檢測(cè)到革蘭氏陰性膿毒癥的致病病原體，而在所有匹配的對(duì)照中均不存在該病原體，病原體從三天開(kāi)始增加直到臨床發(fā)病。根據(jù)微生物群落組成和喂養(yǎng)類型，可以在臨床發(fā)病前一天預(yù)測(cè)遲發(fā)性膿毒癥（凝固酶陰性葡萄球菌引起的病例除外），曲線下面積為0.78。最后，在71名患有遲發(fā)性敗血癥的早產(chǎn)兒和164名未受影響的對(duì)照組的前瞻性隊(duì)列中，在敗血癥發(fā)作之前，腸道微生物群被桿菌（主要是凝固酶陰性葡萄球菌）占主導(dǎo)地位并減少了厭氧菌（如梭狀芽孢桿菌）的豐度。重要的是，雖然這些研究強(qiáng)調(diào)了腸道微生物作為生物標(biāo)志物的巨大潛力，可以識(shí)別罹患膿毒癥風(fēng)險(xiǎn)較高的患者并指導(dǎo)個(gè)體化預(yù)防策略，但很少有研究在成人中證實(shí)這些發(fā)現(xiàn)。一項(xiàng)針對(duì)708名接受同種異體造血細(xì)胞移植的成年人進(jìn)行的新研究表明，腸道中變形菌占主導(dǎo)地位的情況（相對(duì)豐度約30%）使得隨后發(fā)生革蘭氏陰性血流感染的風(fēng)險(xiǎn)增加7倍。迫切需要更多的研究重點(diǎn)關(guān)注罹患膿毒癥風(fēng)險(xiǎn)增加的成人。腸道微生物群落和腸球菌豐度作為不良結(jié)果的預(yù)測(cè)因子除了識(shí)別對(duì)膿毒癥易感性增加的患者外，膿毒癥期間的患者分層還可以幫助醫(yī)生進(jìn)行臨床決策。Freedberg及其同事發(fā)現(xiàn)，在重癥監(jiān)護(hù)病房(ICU)入院時(shí)，腸球菌在腸道中占優(yōu)勢(shì)（相對(duì)豐度30%）或耐萬(wàn)古霉素腸球菌定植與膿毒癥和非膿毒癥患者的死亡風(fēng)險(xiǎn)增加19%相關(guān)。在ICU膿毒癥患者中，死亡患者的腸球菌的豐度有不同程度的增加。具體而言，某種腸球菌表型的豐度每增加一個(gè)對(duì)數(shù)單位，ICU中因膿毒癥而死亡的概率就會(huì)增加3.14倍。Liu等人使用來(lái)自64名ICU膿毒癥或膿毒性休克患者的131份糞便樣本，發(fā)現(xiàn)盡管存在不同的感染類型和抗生素使用情況，這些中國(guó)患者總是表現(xiàn)出兩種微生物群模式（腸型）中的一種。第一種腸型稱為ICUE1，包括擬桿菌和腸桿菌科的一個(gè)優(yōu)勢(shì)未分類屬，并且與高血清乳酸水平有關(guān)。ICUE2的優(yōu)勢(shì)菌種主要是腸球菌并有擬桿菌丟失。有趣的是，腸道腸球菌優(yōu)勢(shì)的維持似乎取決于雙糖乳糖的可用性。飲食中乳糖的缺失降低了小鼠腸球菌的生長(zhǎng)和移植物抵抗宿主的嚴(yán)重程度，在患有乳糖吸收不良的人類同種異體骨髓移植患者中，腸球菌的支配地位顯得更重要。綜上所述，這些研究表明微生物腸型或腸球菌的腸道豐度可能被用作膿毒癥ICU患者的潛在生物標(biāo)志物以預(yù)測(cè)不良結(jié)果。此外，它們?yōu)檠芯恐荚谡{(diào)節(jié)微生物組的新治療策略打開(kāi)了大門(mén)，例如通過(guò)飲食干預(yù)減少病原菌的營(yíng)養(yǎng)。膿毒癥中微生物的靶向預(yù)防和治療盡管膿毒癥中腸道微生物群落作用的研究激增，但在日常膿毒癥管理中并未實(shí)施任何旨在改變微生物群落的治療干預(yù)措施，預(yù)防措施也只是偶爾使用。有幾種調(diào)節(jié)腸道微生物群落的潛在預(yù)防和治療策略，可分為三類。首先，通過(guò)選擇性消化道去污（SDD）根除潛在的病原菌。接下來(lái)，通過(guò)替代有益細(xì)菌或微生物衍生的代謝物，最常見(jiàn)的是益生菌（活微生物）、益生元（影響腸道細(xì)菌的不易消化的食物成分）或合生元（益生菌和益生元的組合）。最后，腸道微生物群落可以被糞便微生物群移植（FMT）部分替代。選擇性消化道去污對(duì)危重癥患者死亡率的影響非殖民化策略，如SDD，使用（不可吸收的）微生物來(lái)減少潛在致病微生物的豐度，已在危重患者中進(jìn)行了廣泛研究。最近更新的meta分析對(duì)涉及11,004名參與者的41項(xiàng)試驗(yàn)報(bào)告稱，局部和全身預(yù)防性抗生素的組合可降低機(jī)械通氣的成人呼吸道感染（RR0.43，95%CI0.35–0.53）和死亡率（RR0.84，95%CI0.73–0.96)。然而，在這項(xiàng)分析中沒(méi)有區(qū)分抗生素耐藥流行率低和高的ICU，抗生素耐藥率高的ICU的有益效果尚未得到令人信服的證明。此外，許多國(guó)家由于擔(dān)心增加抗生素耐藥性，僅在ICU中零星地使用SDD。盡管對(duì)64項(xiàng)研究（包括47項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)和35項(xiàng)具有抗菌素耐藥性數(shù)據(jù)的研究）進(jìn)行的meta分析發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組（無(wú)干預(yù)）相比，干預(yù)組（接受SDD）的定植或感染率并沒(méi)有增加。在一項(xiàng)為期21年的單中心研究中，在ICU中使用SDD與抗生素耐藥微生物的發(fā)生率增加同樣無(wú)關(guān)。相反，最近發(fā)表的一項(xiàng)在6個(gè)歐洲國(guó)家和13個(gè)ICU中進(jìn)行的整群隨機(jī)交叉試驗(yàn)嵌套隊(duì)列研究中發(fā)現(xiàn)機(jī)械通氣患者中SDD與根除和更少獲得對(duì)第三代頭孢菌素和碳青霉烯耐藥的腸道革蘭氏陰性菌有關(guān)。因此，增加抗生素耐藥性的風(fēng)險(xiǎn)雖然可以理解，但似乎沒(méi)有根據(jù)。下一代益生菌的潛在益處如一項(xiàng)對(duì)63項(xiàng)隨機(jī)試驗(yàn)（涉及15,712名早產(chǎn)兒）進(jìn)行的新型網(wǎng)絡(luò)meta分析所示，益生菌可有效降低低體重早產(chǎn)兒的死亡率和發(fā)病率。在成人中，一項(xiàng)納入2972名危重成人的30項(xiàng)試驗(yàn)的meta分析發(fā)現(xiàn)，益生菌治療對(duì)死亡率或ICU住院時(shí)間沒(méi)有影響。然而，益生菌與整體感染的發(fā)生率降低有關(guān)（RR0.80，95%CI0.68-0.95）。由于這種效應(yīng)在調(diào)查植物乳桿菌的試驗(yàn)中最為明顯，因此在新的多中心、安慰劑對(duì)照、隨機(jī)試驗(yàn)中研究了早期和持續(xù)腸內(nèi)輸注植物乳桿菌299v的影響，該試驗(yàn)包括218名入住ICU的成人。在此，并未發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌給藥對(duì)存活和出院天數(shù)以及減少院內(nèi)感染的益處。益生菌對(duì)膿毒癥臨床結(jié)局的影響很小，這歸因于入住ICU的患者的微生物群組成存在較大的個(gè)體差異以及益生菌菌群內(nèi)的種內(nèi)多樣性。除了益生菌有益作用的有限證據(jù)外，對(duì)這些危重病人的安全性的擔(dān)憂進(jìn)一步限制了膿毒癥使用益生菌治療的實(shí)施。益生菌給藥與更高的膿毒癥、真菌病和艱難梭菌感染風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)已有較早的描述，尤其是在危重患者和嬰兒中?，F(xiàn)在，一項(xiàng)新研究結(jié)合了22,174名ICU患者的流行病學(xué)數(shù)據(jù)——其中522名接受了益生菌鼠李糖乳桿菌GG和全基因組測(cè)序，以確認(rèn)益生菌給藥與菌血癥之間的因果關(guān)系。接受這種益生菌的ICU患者增加了乳桿菌菌血癥的風(fēng)險(xiǎn)，并且乳酸桿菌血液分離株在系統(tǒng)發(fā)育上與益生菌分離株密不可分。因此，這些數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)，用益生菌治療危重患者的一刀切方法不僅療效有限，而且可能有害。目前可用的商業(yè)益生菌主要包括乳酸桿菌和雙歧桿菌屬，而更廣泛的共生菌株和非傳統(tǒng)微生物——通常具有未表征但潛在的有益特性——可以作為“下一代益生菌”。Sorbara和同事強(qiáng)調(diào)了共生菌的健康促進(jìn)功能與不同應(yīng)變水平的關(guān)系，這強(qiáng)調(diào)了這些“下一代益生菌”的潛力。他們培養(yǎng)了來(lái)自20個(gè)人類供體的273株毛螺菌科分離物，并進(jìn)行了全基因組測(cè)序組裝和注釋，從而揭示了毛螺菌科家族中巨大的遺傳和功能性種間和種內(nèi)多樣性，這些多樣性可能會(huì)影響有益功能，如丁酸鹽生成和羊毛硫抗生素表達(dá)。由特定Blautiaproducta菌株產(chǎn)生的羊毛硫抗生素可以減少耐萬(wàn)古霉素腸球菌的定植。未來(lái)對(duì)細(xì)菌菌株功能的研究，可能與遺傳修飾相結(jié)合，可能會(huì)導(dǎo)致許多有益的下一代益生菌的開(kāi)發(fā)，這些益生菌具有最大的功效并降低不必要的不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。此外，更有針對(duì)性地應(yīng)用益生菌——基于個(gè)體特定的微生物群組成——可能會(huì)識(shí)別出更有可能從益生菌施用中受益的患者。最后，因?yàn)橄乱淮嫔菄?yán)格的厭氧菌，需要解決許多問(wèn)題，比如足夠數(shù)量的活細(xì)菌通過(guò)胃腸道的問(wèn)題。糞便微生物群落移植治療膿毒癥FMT是將糞便物質(zhì)從健康個(gè)體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)個(gè)體的過(guò)程，與上述微生物群靶向療法相比具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。連同大量共生細(xì)菌、其他微生物（例如病毒和真菌）和代謝物被轉(zhuǎn)移，以平衡破壞的腸道微生物群落。最近在動(dòng)物研究中描述了FMT在膿毒癥中的作用。例如，F(xiàn)MT可改善腸道屏障功能障礙并提高盲腸結(jié)扎和穿刺誘導(dǎo)的膿毒癥大鼠模型的存活率，其機(jī)制可能是通過(guò)改善腸道屏障完整性。小鼠腸道接種四種病原體（糞腸球菌、克雷伯氏菌、粘質(zhì)沙雷氏菌和白色念珠菌；源自死于膿毒癥的人）與全身免疫抑制和致死性膿毒癥有關(guān)，而FMT可以對(duì)抗這些免疫抑制作用并會(huì)將存活率提高70%