抗生素使用与微生物组功能

张小丽 编译，张彦 审校

(酵母功能湖北省重点实验室，宜昌 443003)

1 前言

随着基因组学、蛋白组学、代谢组学的发展，人们对微生物的研究逐渐深入。人体一切与外环境相互作用的部位都定殖着微生物群体，其中人体的皮肤、胃肠道、呼吸系统、口腔和生殖道表面被发现的微生物分别高达约1.8m2、300～400m2、160m2、215cm2和90cm2。在成人体内至少存在5000种细菌类型，如果按照简单的比例计算，在人体中只有10%的细胞是本身细胞，90%的细胞是微生物的细胞。微生物个体间变异性是人体的一个特征，因为每个身体部位都有2～7种不同类型的细菌菌落，其相对丰度至少有63个细菌属。然而据估计，人类微生物已编码了4×106个基因，与宿主的26600基因相比约为150:1。人类微生物鉴定出的55个细菌中，只有两种在哺乳动物中很突出，包括拟杆菌门(48%)和厚壁菌门(51%)，其余1%的类型包括有变形菌门、疣微菌门、梭菌属、蓝藻细菌、放线菌和螺旋体属，然后是各种古生菌、真菌、原生动物、病毒等其它微生物。

在2000年Joshua Lederberg就提出人体是一个由自身细胞和共生微生物细胞构成的超级有机体，这些微生物和宿主在环境的影响下相互作用，共同决定人体的健康。然而人类微生物群会因环境的改变而发生变化，其变化程度不仅取决于环境因子本身的性质、强度和持续时间，还取决于每个微生物群的稳定性。

抗生素可以影响细菌的生长曲线，杀菌抗生素直接杀死细菌，而抑菌抗生素则抑制细菌的生长。根据其生产模式和来源，抗生素可分为天然抗生素、半合成抗生素和合成抗生素。天然抗生素是细菌产生的一种次生代谢产物，在细菌中发现约1.7万种具有天然活性产物的抗生素，放线菌目种8700种天然抗生素和真菌中4900种天然抗生素。在抗生素治疗中，必需考虑其剂量，在微生物学中，经常测量的参数是最小抑制浓度(MIC)，定义为在特定环境下孵育24h，可抑制某种微生物出现明显增长的最低药物浓度。在这样的浓度下，抗生素对于被规定消除的病原体并不是特异性的，也会对人体的微生物群产生附带影响。但是微生物变化的程度以及迄今为止使用的每种抗生素所影响的特定微生物和病毒群并没有被系统报道。

综上所述，本文收集了用于测试过和常用于人体的多种抗生素对肠道、口腔、呼吸道、皮肤和生殖道微生物群的影响信息，并对其进行总结分析。

2 抗生素的使用可影响人体微生物群的组成

A.Zhernakova等报道，对1135名参与者的肠道菌群测序发现，抗生素的使用与肠道微生物的改变显著相关。事实上，在表型匹配的病例对照分析中，唯一与特定属差异丰度显著相关的药物是β-内酰胺抗生素。两项研究均报道，在检测到的1649个分类进化枝中，来自双歧杆菌、 放线菌门的两个物种丰度与β-内酰胺抗生素使用显著相关。除β-内酰胺抗生素外，许多抗生素已被证明会影响人体内微生物的组成。广谱抗生素治疗会破坏微生物群，对健康产生负面影响，短期的抗生素治疗能够将微生物群体转变为长期肠道菌群失调状态，这可能会促进疾病的发展和恶化。

2.1 与微生物菌群改变相关的抗生素

抗生素被广泛应用于世界范围内，是医学的支柱之一。它的处方正在不断上升，其耐药水平也在不断升高。然而，市场上新抗生素的数量却在下降。

在人类处方抗生素中，迄今为止已描述了68种对微生物菌群组成产生的附带变化，这些变化可能会对人体的健康产生影响。图1～图3是一些代表性抗生素的化学结构。

不同的抗生素治疗不仅对总微生物群的组成具有显著不同的影响，而且对特定的微生物菌群也有显著不同的影响。抗生素治疗对特定微生物的影响可能不仅是抗生素本身的直接后果，而且与不同类型的给药方式和化合物的不同药代动力学，以及每种微生物对每种抗生素产生不同的耐药性和降解机制有关。事实上，药物和植物化学物质被转化成具有生物活性的(柳氮磺吡啶、洛伐他汀和人参皂甙Rb1)和不具有生物活性的(氯霉素、雷尼替丁和甲硝唑)和毒性代谢产物(硝西泮)也可以影响微生物菌落。据报道，鼻腔微生物群、口腔微生物群(包括唾液和龈下生物膜微生物群)、呼吸道微生物群(包括鼻腔微生物群)、皮肤微生物群和生殖道微生物群中都报道了与所有这些抗生素有关的变化，但所有这些抗生素相关的变化报道主要还是发生在肠道菌群中。

文章分析了22个组中68种抗生素，并将其对微生物群的影响进行了评估(如图4)。

抗生素可以独立于原始疾病发挥重要的生长效应，扰动而不改变微生物的总体组成和多样性而是作用于特定细菌。例如使用美沙拉嗪、妥布霉素、庆大霉素、黄霉素、两性霉素B、硫酸黏菌素、黏菌素、喹乙醇或替卡西林抗生素治疗后，仅一个细菌属进化枝丰度发生显著改变。相比之下，氟喹诺酮类中恩诺沙星的干预使32个微生物组发生变化，氟喹诺酮类是广泛使用的抗生素处方之一，所以预计它们可能会很大程度地影响人体微生物群。这些将在后面详细讨论。

2.2 受抗生素影响最大的细菌群体

放线菌、拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门。门细菌内对应属分别为双歧杆菌属、拟杆菌属、粪杆菌属和埃希氏杆菌属。其它受影响的类群包括梭菌属(属梭菌属)、浮霉菌(出芽菌属)和疣微菌门(艾克曼菌属)。不同的抗生素对不同细菌有影响，本文对22组(其中一组混合物)抗生素影响的细菌门进行了以下总结：环脂肽(nr.7)、硝基咪唑(nr.8)和利福霉素(nr.10)对Proteobacteria不产生影响；氨基水杨酸盐(nr.9)和氮杂环戊烷(nr.18)主要影响Firmicutes成员；氨基糖苷类(nr.5)和四环素(nr.11)对Actinobacteria不产生影响；磷酸糖脂类(nr.14)未被报道影响拟杆菌门；多黏菌素(nr.13)、多烯类(nr.15)和磺胺类(nr.21)只影响拟杆菌门和厚壁菌门；呋喃妥因类(nr.12)、唑类(nr.17)和一类新型呼吸道感染抗生素(nr.20)，被称为J01CAxx、J01EBxx、J01XExx、J01CFxx、D06BXxx、J01AAxx和P01ABxx影响放线菌和厚壁菌门；喹诺酮类(nr.19)主要影响厚壁菌门和变形菌门；β-内酰胺(阿莫西林)、林可酰胺类(克林霉素)、磷酸糖脂(黄霉素)影响梭菌属；β-内酰胺(阿莫西林，nr.1，AMO)、林可酰胺类(克林霉素，nr.3，CLI)、磷酸糖脂(黄霉素，nr.14，FLA)影响浮霉菌(出芽菌属)；β-内酰胺(头孢曲松和头孢菌素, nr.1，CEEP,CEFT)和林可酰胺(nr.3)影响疣微菌门(艾克曼菌属)。许多抗生素仅影响少数几个细菌属，例如呋喃妥因(nr.12)、唑类(nr.17)影响双歧杆菌属和粪杆菌属；氮杂环戊烷(nr.18)影响梭菌和粪杆菌属；喹诺酮类(nr.19)影响葡萄球菌和埃希氏杆菌属；呼吸道感染抗生素(nr.20)影响乳酸属和双歧杆菌属；以及磺胺(nr.21)影响拟杆菌属和粪杆菌属。所有其它抗生素至少影响3种微生物群属(如图4)。

图1 一些代表性抗生素的化学结构

有研究对单一抗生素和抗生素混合物治疗对细菌的影响进行了比较，用庆大霉素和氨苄青霉素(nr.22，F)联合治疗与两者单独治疗相比会影响更多的细菌属。类似地，用阿奇霉素和克拉霉素(nr.22，H)的混合物治疗改变15个细菌属的丰度，而二者单独治疗分别改变了3个细菌属和6个细菌属。相比之下，已证明单独使用环丙沙星(nr.2，CIPF)与联合使用环丙沙星和甲硝唑(nr.22，G)的混合物相比，改变了更多的细菌属。另外，用氨苄西林、舒巴坦和头孢唑林(nr.22，M)的混合物治疗导致5个细菌属的变化，要少于受氨苄西林(nr.1，AMP)干预影响的细菌属(8个属)，用阿莫西林和克拉维酸治疗(nr.22，K)主要影响4个细菌属，而阿莫西林(nr.1，AMO)单独治疗影响15个细菌属。最后，发现含有阿奇霉素和克拉霉素(nr.22，H)的抗生素混合物影响纺锤状细菌属(Christensenella)，据报道它是最具遗传性的肠道细菌。当阿奇霉素和克拉霉素单独处方使用时，这种细菌属不会受到影响。已研究证实某些抗生素可以减少有益菌群的丰度，例如粪杆菌属(Faecalibacterium)30种抗生素治疗、双歧杆菌属(Bifidobacterium)40种抗生素治疗和劳特氏菌属(Blautia)(13种抗生素治疗。值得注意的是，在报道的68种抗生素治疗中，只有两种即氟喹诺酮恩诺沙星(nr 2，ENR以及β-内酰胺联合用药(nr.22，M)(氨苄西林、舒巴坦和头孢唑啉)对这三个细菌属有反面影响。

图2 一些代表性抗生素的化学结构

图3 一些代表性抗生素的化学结构

图3 抗生素治疗与人体内微生物变化图像。

综合分析，以上研究强调，要求对抗生素的治疗策略采取预防性措施即不会对体内的微生物菌群造成伤害或菌群失调，尤其是对人体健康发挥积极作用的细菌；另外，选择使用抑制病原体的抗生素时，关注对有益菌产生中性影响的抗生素。

4 抗生素对微生物功能的影响

如上所述，对抗生素诱导引起的生态失调分析已引起了很大关注。相比之下，对微生物基因、蛋白质和代谢物等分子的改变研究较少，如抗生素对微生物组和宿主机体功能的影响，而不仅仅是微生物菌群的差异量，因此，人们开始意识到微生物功能的重要性。在分析抗生素对微生物影响的背景下，很少有研究报道这些数据，并且已报道的部分数据也仅限于肠道菌群。

4.1 抗生素对微生物活性的影响

抗生素的作用可以反映在细菌细胞的损伤和/或破坏中，因此它们的酶活性降低。与此同时，在抗生素干预过程中，抗生素敏感细菌被抗性细菌代替，它维持了整个微生物群的代谢功能，反映出所谓的冗余性。这意味着多种细菌赋予的功能可以在抗生素干预之前和之后在相关和不相关的细菌物种之间共享。尽管在抗生素治疗过程中认为总体微生物群功能得以维持，但已经观察到有特定酶活性的改变，例如膳食多糖的水解。特别是头孢唑林、氨苄西林和舒巴坦混合物的治疗与糖苷水解酶的活性水平改变有关。在抗生素治疗后，机体建立了一种新的细菌群落构成，其代谢功能可能与原微生物群落相似。然而，取代易感菌的耐药菌可能具有相似类别的酶，但每种酶具有不同的性能。

4.2 抗生素对微生物基因表达和蛋白质合成的影响

为避免从分类学数据中推断功能，同时避免细菌群的功能冗余，研究应用高通量测序和蛋白质表达分析，主要是研究抗生素介导的生态失调程度，由基因含量、基因表达和蛋白质合成水平反映。微生物群最明显的反应是增加了少数细菌耐药性的基因获得和表达。

最近，研究结果表明抗生素从治疗的初始阶段影响菌群组成。在开始治疗后11d肠道菌落的生物多样性达到最低限度。当治疗结束时，细菌群体的α多样性指数恢复到开始干预之前的水平。然而，其中一些细菌如瘤胃球菌属、一种厌氧菌(Barnesiella)和梭菌目的相对丰度存在一些变化。因此，明确在治疗前后具有相似α多样性以及微小差异的β多样性的肠道菌群是否具有相似的代谢状态至关重要。通过分析基因组学和蛋白组学的表达谱结果，发现当抗生素治疗停止时，表达和合成基因和蛋白质的数量及丰度水平显著低于治疗前。说明停止治疗时基因和蛋白质的通量发生重要变化，这也表明抗生素诱导引起细菌的改变进而导致基因和蛋白质通量的变化。阿莫西林(β-内酰胺类)、环丙沙星(氟喹诺酮类)、万古霉素(糖肽类)、氯霉素和红霉素的使用可影响体内tRNA生物合成、翻译、维生素转运、磷酸盐转运、应激反应和质子动力相关的基因表达。最近的另一项研究中，接受了头孢唑林、氨苄西林和舒巴坦混合物β-内酰胺治疗的患者中，编码膳食多糖降解酶基因的数量和表达量发生了变化。这表明抗生素干预极大地改变了微生物菌群和负责降解食物成分的各种物质。不同的抗生素会导致微生物产物(基因和蛋白质)的不同变化，但是目前研究的68种抗生素对体内微生物的影响数据有限。

4.3 抗生素治疗过程中微生物代谢物含量的变化

根据现有数据分析，抗生素是唯一与人体内微生物群显著变化相关的药物。那么抗生素在多大程度改变了微生物的代谢通量？有研究显示，氨基糖苷类链霉素的治疗影响了粪便中87%的代谢物丰度水平。然而，用克林霉素、哌拉西林或三唑巴坦治疗影响了30%粪便代谢物丰度水平。最近另一项研究发现，在使用氨苄西林、舒巴坦和头孢唑啉联合静脉治疗后，与对照组相比，粪便代谢物丰度水平只有4.4%变化。这表明每种抗生素都会不同程度的影响微生物代谢物通量。

4.4 抗生素治疗过程中的细菌移位

除上面的改变之外，还应该注意到抗生素(如口服抗生素)可诱导共生细菌穿过结肠上皮细胞易位，从而促进炎症反应并诱发疾病或类似焦虑的行为。

5 结论和展望

人体大肠内寄居着最密集、最复杂的细菌菌群，被称为肠道菌群，与人体相互依存形成共生的生态系统。肠道菌群不仅能降解食物中不可消化的营养成分、提供宿主维生素等营养物质，还能促进肠上皮细胞的分化与成熟、激活肠道免疫系统以及调节宿主能量存储与代谢。人体与肠道微生物之间形成互利共生的关系，宿主的生理表型及营养状态可以影响肠道菌群结构，肠道菌群反过来也可以影响宿主的疾病与健康表型。肠道菌群的功能主要表现在营养、代谢和保护等方面。然而，人体的皮肤表面、口腔、肺泡和生殖道等同样居住着多种微生物群体。抗生素的使用减少了人体内微生物的种类和多样性，然而抗生素对人类特定微生物进化过程中丰度的影响尚未见报道。本篇综述填补这项空白，论述了大约68种不同抗生素对人类微生物群组成和微生物组功能的影响。