危重疾病与微生物组学的研究进展

陶哲影， 刘嘉琳

1 引言

微生物组学在危重疾病中的重要作用在半个世纪以来得到了广大学者的关注。越来越多证据显示危重疾病的发生、发展伴随着体内微生物组（microbiome）在种类和数量上不同程度的改变。微生物组的动态变化与脓毒症、急性呼吸窘迫综合征（ARDS）、呼吸机相关性肺炎（VAP）等危重疾病的发生、发展有着密不可分的关系，显著影响患者的预后。随着高通量测序和生物信息学分析技术的飞快发展，人们可以通过非培养手段对微生物组进行全面的研究。本文总结了近年来微生物组学的组成和功能、其与常见危重疾病发生发展的关系和相关机制，以及新兴微生物组学治疗方法的研究进展，以期为微生物组学在危重疾病的理论研究与临床应用提供一定参考。

2 微生物组学

人体内的微生物参与机体营养吸收、能量代谢、免疫应答、生长发育等多项生理过程[1]，这些定植于人体内特定部位的微生物及其遗传信息和基因序列等成分被统称为微生物组[2]，包括细菌组、真核生物组、古菌组、病毒组等[3]。

细菌组居人体内微生物组数量之首，有研究通过非培养技术发现人体内细菌数量至少达1014～1015个，主要由9个菌门构成：厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、梭杆菌门（Fusobacteria）、疣微球菌门（Verrucomicrobia）、蓝细菌门（Cyanobacteria）、螺旋体门（Spirochaetes）和VadinBE97门，其中80%细菌组可以纳入以下3个门：厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门。肠道是人体内最大的储菌库[4-5]。成年人肠道细菌的数量高达1014个，包含丰富的基因序列。Li等[6]将人类肠道宏基因组学（MetaHit）等项目中的测序结果进行整合，建立了由9 879 896个基因组成的肠道细菌组基因目录。与肠道不同，健康人肺部缺乏营养物质，肺泡表面充满脂质使细菌不易在肺部定植[7]，因此肺部菌群密度较低、数量较少，每克组织中仅含103～105个细菌[8]。肺部菌群的数量维持主要依靠上呼吸道菌群的迁移和宿主免疫防御、咳嗽反应介导的菌群清除，自身增殖仅占小部分[9]。肺部菌群的组成与口腔最为相似，包含普雷沃菌、链球菌、韦氏杆菌、奈瑟菌、嗜血杆菌和梭杆菌等优势菌[10]。

病毒组是地球上最丰富的微生物组，病毒数量高达1031个[11]，包括噬菌体（bacteriophage）和真核病毒（eukaryotic virus），目前经基因组学研究发现的噬菌体数量远多于真核病毒。真核病毒是一群序列相对保守的病毒，可长期寄居于宿主且不引发临床症状，研究表明部分寄居于人体的真核病毒可通过交叉免疫或直接抗病毒效应来维护机体健康[12]。

真菌组是人类微生物组的重要组成部分，现已在人类体内发现390多种真菌[13]，其中念珠菌是最主要的真菌属。真菌引起的感染较为严重，尤其是免疫功能低下患者和危重疾病患者[14]。

3 微生物组学与危重疾病

3.1 微生物组学与脓毒症

脓毒症（sepsis）指严重感染导致宿主免疫功能失调并危及生命的器官功能障碍[15]，其免疫特征为炎性反应与免疫抑制同时存在，是危重疾病患者的主要死亡病因[16]。2015年，Prescott等[17]的临床大样本研究发现患者住院期间体内微生物稳态失衡越严重，出院后患严重脓毒症的风险越大，该研究首次在人类中证实微生物组参与脓毒症的发生、发展。

目前针对脓毒症与微生物组的研究主要集中于肠道微生物组。肠道共生菌及其代谢产物在维持肠道屏障和机体免疫功能中起重要作用，如常见代谢产物乙酸可诱导肠道杯状细胞分化、黏蛋白分泌[18]；分段丝状菌与肠上皮细胞相互作用，促进B细胞分泌免疫球蛋白A，诱导辅助性T-17（Th17）细胞分化等[19]。当危重疾病患者的肠道屏障破坏，肠内微生物及其产物、抗原等可从肠腔移位至肠系膜或其他肠外器官，激活机体一系列炎性反应与免疫应答，这一过程被称为脓毒症的“肠道起源假说”（gut-origin sepsis hypothesis）[20]。在脓毒症患者中，肠道内微生物组发生了改变。多项研究表明脓毒症患者肠道菌群多样性降低，其中关键共生菌厚壁菌门、抗炎症的粪便杆菌、产短链脂肪酸的普雷沃菌、布拉菌和乳球菌数量下降，变形菌门数量增加，且多数患者存在某一菌群如葡萄球菌或大肠埃希菌等过度生长，丰度可超过50%[21-23]。肠道微生物紊乱导致机体免疫功能低下或许也是脓毒症发展的一大因素。Deshmukh等[24]研究显示把健康小鼠的肠道细菌组移植入抗生素干预组的脓毒症小鼠肠道后，脓毒症小鼠预后改善[24]。其具体机制为健康状态下的肠道细菌组可通过TLR4-MyD88信号轴诱导先天性淋巴样细胞（ILCs）分泌IL-17A，发挥宿主对脓毒症的免疫防御功能。

3.2 微生物组学与ARDS

ARDS是一种急性弥漫性炎症性肺损伤[25]，约10%危重疾病患者在治疗期间罹患ARDS，死亡率可高达35%～46%[26]。在危重疾病患者中，镇静剂和气管内插管的使用使肺部微生物清除率降低[27]。发生ARDS后，肺泡上皮损伤、肺泡毛细血管内皮渗透性增加使肺泡被渗出液填充，又为微生物的繁殖提供了充足的营养条件[28]。一项纳入74例接受机械通气患者的研究发现，呼吸道微生物组在机械通气的48 h内发生显著改变，机械通气后发生ARDS的患者肺部肠杆菌、梭杆菌和普雷沃菌数量增加[29]。

肠道微生物在肺部疾病中发挥了重要作用，这种肠道微生物组及其代谢产物在肺部的交互作用被定义为肠-肺轴（gut-lung axis）[30]，与许多肺部疾病如ARDS、肺炎等相关。Dickson等[31]对ARDS小鼠的肺部细菌组进行测序，发现肺部细菌种类增加，肠道优势菌肠球菌属和毛螺菌属在肺部定植的数量上升，约占肺部微生物的40%。而后研究者对64例临床ARDS患者的肺泡灌洗液进行测序分析，发现41%的ARDS患者肺部出现肠道优势菌拟杆菌门定植，且肠道优势菌在肺部定植的数量与患者的全身炎症严重程度呈正相关。多项动物实验和临床实践表明，使用抗生素抑制肠道细菌有助于减轻肺损伤，降低患者死亡率。然而也有研究显示肠道菌群及其代谢产物在肺部炎症性损伤中发挥了保护作用，如新生小鼠早期定植的肠道共生菌可通过自身抗原激活肠道树突状细胞，诱导产IL-22的先天性淋巴细胞向肺部迁移，帮助宿主清除肺部病原菌[32]。

3.3 微生物组学与其他危重疾病

近年来，随着微生物组与各脏器疾病研究的不断深入，出现了微生物组相关的“肠-肝轴”、“肠-脑轴”等新的概念。肝性脑病是失代偿肝硬化的常见并发症，在肝性脑病患者中，肠道菌群多样性降低，具有免疫抗炎活性的肠道优势菌拟杆菌门的数量随患者肝功能降低而不断减少[33-34]。发生脑血管意外时机体交感神经激活，肠道通透性增加，在脑卒中后感染的患者体液中检出的微生物大于70%为肠道常驻菌如肠球菌属、大肠埃希菌[35]，提示肠道细菌组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见的医院感染。Zakharkina等[36]通过16S rRNA基因测序法发现机械通气患者肺部伯克霍尔德菌、杆菌目细菌、铜绿假单胞菌的丰度与VAP的发生率呈正相关。随后，Qi等[37]对铜绿假单胞菌感染的VAP患者进行肺泡灌洗液测序，发现患者肺部细菌组的组成与原发病相关，以变形菌门定植为主的患者原发病多为消化道疾病（63%），而以厚壁菌门和拟杆菌门定植为主的患者原发病多为呼吸道疾病（89%）。可见肺部微生物组或许是临床预防、治疗VAP的重要靶点。

4 微生物组学在预防、治疗危重疾病中的应用

基于微生物组在维持人类健康和促进疾病发展中的重要作用，许多学者提倡通过干预宿主微生物组来预防和治疗危重疾病。

目前临床上常用的预防措施包括益生菌和选择性消化道净化（selective digestive decontamination，SDD）。益生菌是最早应用于临床的微生物制剂，常见的益生菌制剂有乳酸菌、双歧杆菌、芽孢杆菌等。多篇随机对照试验表明益生菌可有效预防VAP，但就能否降低危重疾病患者的死亡率，现尚未达成共识[38-39]。重症监护病房是医院感染的高发病区，SDD通过消除部分肠内条件致病菌，预防医院感染的发生。研究显示，SDD能减少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存在诱导耐药微生物感染暴发的潜在风险，仅推荐在抗生素耐药性基线较低的地区使用。

粪菌移植（fecal microbial transplant，FMT）是菌群研究转化应用进展最快的临床治疗方法，最早用于治疗复发性艰难梭菌感染，有效率高达88%～92%[41]，目前在炎症性肠炎、脓毒症中也发挥了较好的疗效[42]。与益生菌相比，FMT的优点在于能够将蛋白质和噬菌体等生物制品随共生菌一同移植，有助于更持久地恢复微生物稳态[43]。多重耐药微生物（MDRO）一直是临床抗感染的难题，近年来多项研究报道FMT可消除MDRO。Saha等[44]对这些研究进行系统综述，发现FMT用于根除MDRO的有效率为37.5%～87.5%，且安全性良好。在原理上与FMT类似的阴道菌群移植近期也取得了突破性进展，Lev-Sagie等[45]报道了第一例在人类身上进行的阴道菌群移植研究，结果显示5例顽固性和复发性细菌性阴道病患者接受菌群移植后，4例获得长期缓解，为菌群移植治疗疾病进一步拓宽了思路。微生物组学在危重疾病的应用现已取得一定成就，但仍需进一步开展随机对照试验进行验证。

5 结语

本文主要阐述了微生物组学参与危重疾病的发生、发展以及其在危重疾病预防治疗中的相关应用。关于微生物组学在危重疾病中的应用现多集中于基础研究阶段，识别微生物组学、明确微生物组学与危重疾病的发病机制，最终将其应用于临床危重疾病的预防治疗仍有待进一步探究。相信随着科学技术的发展以及研究的不断深入，应用微生物组学来预防治疗危重疾病将会是一次跨越性发展。