三代头孢对老年心衰合并肺部感染患者肠道菌群的短期影响

陈晓婉 毛玉娣 乔华双 黄海燕 丁西平

肠道菌群不仅可以分解食物从中获取营养物质和能量，调节内分泌和介导免疫，还可以通过生成生物活性信号分子以维持人体的正常生理功能[1]。健康的肠道菌群可以保护机体免受外界致病微生物的入侵，而肠道菌群种类和结构的失调，可能会对人体的胃肠道、心血管和神经系统等产生一系列影响。由于各脏器功能衰退，较高比例的老年人患有心力衰竭等慢性疾病，而肺部感染既能诱发心衰又能通过增加心脏耗氧量进一步加重心肌损害，因此该类患者通常需要使用抗菌药物予以治疗。

第三代头孢类抗菌药物凭借其抗菌谱覆盖广泛、药物浓度高、药效稳定、安全性高等优势于临床应用较多，有相关实验证明第三代头孢类抗菌药物的应用可以有效改善心力衰竭合并肺部感染患者的临床症状[2]，但老年人肠道菌群结构不稳定，更容易受到药物和环境的影响，且有研究发现短期使用抗生素治疗可将肠道微生物群转变为长期替代的不健康状态[3]，这都将影响患者的病情及治疗效果。本研究选取住院期间应用第三代头孢类抗菌药物治疗的老年心衰合并肺部感染患者，分析其短期使用第三代头孢类抗菌药物前后肠道菌群的变化，重点了解其对菌群改变的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2020年12月-2021年5月在本医院住院期间使用第三代头孢类抗菌药物治疗的老年明确诊断心衰合并肺部感染的患者7例，包括男性4例，年龄66～89岁，平均（79.50±9.88）岁；女性3例，年龄73～82岁，平均（77.33±4.51）岁。患者的基本信息及第三代头孢菌素类抗菌药物使用情况见表1。

表1 患者基本信息及第三代头孢菌素类抗菌药物使用情况

1.2 纳入与排除标准 ①纳入标准：符合《中国心力衰竭诊断和治疗指南2018》[4]的诊断标准，同时肺部CT提示肺部感染，痰培养提示细菌感染；年龄≥60岁；在院期间静脉应用第三代头孢类抗菌药物，且使用时间≥5天。②排除标准：存在严重肝肾功能损害；存在肿瘤、免疫系统疾病等；存在脑梗死、脑出血等脑血管疾病及精神系统疾病；存在慢阻肺、肺结核、脓气胸等其他肺部疾病；存在慢性胃肠炎、炎症性肠病等消化系统疾病；近期有腹泻、便秘等胃肠道症状；近1个月有抗生素、益生菌等用药史；对第三代头孢类抗菌药物过敏或者存在禁忌。

1.3 粪便标本的采集 粪便标本采集：在受试者使用第三代头孢类抗菌药物第0、3、5天使用采样器各采集1次新鲜粪便样本，单次1～3 g，标序列放置于-80 ℃冰箱里保存。

1.4 粪便标本的DNA提取和16s基因组测序 ①DNA提取：利用CTAB或SDS法提取粪便样本中的DNA，提取成功后用琼脂糖凝胶电泳法检测DNA纯度和浓度，DNA浓度用无菌水稀释至1 ng/uL。②PCR扩 增 及16S DNA测 序：提 取 后的DNA，选用特异性引物16S V4区段（341F-806R（F：CCTAYGGGRBGCASCAG，806R：GGACTACNNGGGTATCAAT）进行扩增，均采用New England Biolabs公司的15Phusion® High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer，包括：98 ℃下初始变性1 min，然后在98 ℃下变性10 s，在50 ℃下退火30 s，在72 ℃下延伸30 s，最后在72 ℃下延伸5 min。所得的PCR产物使用Qiagen, Germany的Qiagen Gel Extraction Kit，在2% 琼 脂 糖 凝胶上进行电泳检测，最后使用Illumina, USA的TruSeq® DNA PCR-Free Sample Preparation Kit生成测序文库，经采用 Qubit@2.0 Fluorometer（Thermo Scientific）和Agilent Bioanalyzer 2100评估合格后，使用Illumina NovaSeq platform进行测序。

1.5 统计学方法 采用SPSS 26.0统计学软件分析数据。正态分布的计量资料以（±s）表示，两组比较采用t检验，多组比较采用F检验；非正态分布的计量资料以M（P25，P75）表示，两组比较采用Z检验；计数资料采用百分率（%）表示，组间比较采用χ2检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 α多样性变化 使用Shannon指数、Faith's PD指数、Chao1指数分析老年心衰合并肺部感染患者使用第三代头孢类抗菌药物后肠道菌群α多样性变化，本研究发现使用第三代头孢类抗菌药物第3天后患者肠道菌群多样性改变无统计学意义（P＞0.05)，Shannon指数（P=0.081）、Chao1指数（P=0.310）、Faith's PD指数（P=0.176），但在使用第5天后肠道菌群多样性较使用前明显下降（P＜0.05)。Shannon指 数（P=0.018）、Chao1指 数（P=0.028）、Faith's PD指数（P=0.018），见 表2。

表2 各时间段患者肠道菌群α多样性指数

2.2 各水平上肠道菌群系序列数及丰度的改变

2.2.1 门水平上肠道菌群结构改变 本研究中主要序列为拟杆菌门、厚壁菌门、变形菌门及放线菌门。其中使用第三代头孢类抗菌药物第5天后门水平上可见拟杆菌门序列数下降（P＜0.05），厚壁菌门、变形菌门、放线菌门序列数改变方面的差异均无统计学意义（P＞0.05），见表3。

表3 使用第三代头孢类抗菌药物第5天肠道菌群门水平序列数

2.2.2 纲水平上肠道菌群结构改变 使用第三代头孢类抗菌药物第5天后纲水平上可见拟杆菌纲序列数下降（P＜0.05），芽孢杆菌纲、y-变形菌纲、梭状芽孢杆菌纲、放线菌纲、疣微菌纲序列数改变方面的差异均无统计学意义（P＞0.05），见表4。

表4 使用第三代头孢类抗菌药物第5天肠道菌群纲水平序列数

2.2.3 属水平上肠道菌群结构改变 使用第三代头孢类抗菌药物第5天后属水平上可见酪酸梭状芽孢杆菌属、盲肠罗氏菌属、产粪甾醇真细菌属、瘤胃球菌002属、瘤胃球菌005属序列数下降（P＜0.05），拟杆菌属、肠球菌属、乳酸杆菌属、双歧杆菌属序列数改变方面的差异均无统计学意义（P＞0.05），见表5。

3 讨 论

心衰合并肺部感染是老年人常见疾病之一，且死亡风险极高，早期抗生素的使用至关重要。第三代头孢类抗菌药物主要通过抑制细胞壁的合成达到杀菌的效果，远强于前两代，对革兰阴性杆菌及厌氧菌均有较强的作用。国内外许多研究均表明第三代头孢类抗菌药物治疗过程中肠道菌群结构会发生改变[5]，甚至可以通过肠道黏膜免疫促进心力衰竭的发展[6]，因此早期动态监测使用第三代头孢类抗菌药物使用前后的肠道菌群变化，可以有助于我们使用药物合理干预。本研究通过检测第三代头孢类抗菌药物治疗前后的老年心衰合并肺部感染患者肠道菌群短期变化，发现治疗后患者肠道菌群α多样性下降，拟杆菌门丰度下降，拟杆菌纲丰度下降，酪酸梭状芽孢杆菌属、盲肠罗氏菌属、产粪甾醇真细菌属、瘤胃球菌002属、瘤胃球菌005属丰度下降。

本研究中短期使用第三代头孢类抗菌药物后老年心衰患者肠道菌群的多样性下降，且在使用第5天后较前显著降低，这说明第三代头孢类抗菌药物短期使用即可引起肠道菌群的改变，且为渐进性的改变，与Yang Lulu等[7]研究数据相同。但定义肠道菌群多样性改变的好坏，需要联合菌群数量和种类的改变分析比较。在本研究中使用第三代头孢类抗菌药物第5天后肠道菌群门水平上主要是拟杆菌门减少，厚壁菌门未见明显改变，与相关研究结果相同[8]。拟杆菌门是肠道中的优势菌，为革兰阴性厌氧菌，其减少提示了肠道优势菌属的改变及肠道菌群结构的失调，而同样在本研究中，由于拟杆菌门的大量减少，短期使用第三代头孢类抗菌药物后患者肠道菌群中厚壁菌门/拟杆菌门比值升高。有研究发现厚壁菌门/拟杆菌门比值升高可以导致炎症性肠病等相关疾病的发生[1]。

本研究发现短期使用第三代头孢类抗菌药物第5天后属水平结构变化更为明显，主要是酪酸梭状芽孢杆菌属、盲肠罗氏菌属、产粪甾醇真细菌属、瘤胃球菌002属、瘤胃球菌005属下降，提示了第三代头孢类抗菌药物短期使用主要是抑制老年心衰合并肺部感染患者肠道菌群的增殖。酪酸梭状芽孢杆菌属、盲肠罗氏菌属及瘤胃球菌属均可以产生以丁酸为主的多种短链脂肪酸，这些短链脂肪酸可以提供能量，维持肠道酸性环境，但第三代头孢类抗菌药物的使用使其数量减少，这可能会导致渗透性腹泻及某些肠炎的发生[9]，补充相应的膳食纤维或可改善肠道菌群的组成和功能。本研究中发现的如酪酸芽孢杆菌属的减少或许可以通过益生菌及益生元补充，从而保护和修复肠道黏膜屏障，维持肠道功能，同样益生菌可减轻心肌肥厚和心脏重塑，延缓心力衰竭的发展[10]，使用第三代头孢类抗菌药物的同时使用益生菌益生元制品无论是对肠道菌群还是对心力衰竭均有益处，但本研究中肠球菌属、双歧杆菌属及乳酸杆菌属并未有明显变化，国内外其结果差异较大，这可能与研究样本量过少，抗生素应用差异以及患者饮食生活习惯有关。

本次研究采用16S rRNA高通量测序更加深入比较短期使用第三代头孢类抗菌药物对此类患者的肠道菌群结构改变，但本研究样本量较少，且抗生素选择不一致，后续仍需加大样本量，进一步研究随访单一抗生素对肠道菌群的影响，期待大样本、多中心、多时间点的研究进行。

综上所述，短期应用第三代头孢菌类抗菌药物可引起老年心衰合并肺部感染患者肠道菌群结构紊乱，主要表现为产生短链脂肪酸的有益菌属减少，这可以帮助我们更好地参与老年心力衰竭合并肺部感染患者的诊治并加以干预。