2023肠道微生物和脓毒症：从发病机制到新疗法

2023肠道微生物和脓毒症：从发病机制到新疗法摘要目的：本文总结了肠道微生物在脓毒症发病机制中作用的最新进展，并概述了肠道微生物靶向疗法的潜在作用。最近的发现：在脓毒症期间肠道微生物的组成被严重扰乱，共生菌消失和潜在病原微生物的过度生长。这些改变也扩展到原有的非细菌性肠道微生物。这些肠道微生物群落的破坏与发生脓毒症的易感性以及不良后果的风险增加有关。临床前研究已经表明了几种微生物衍生的代谢物（如D-乳酸、丁酸和脱氧胆酸）在危重疾病期间对增强宿主免疫反应的影响。微生物靶向疗法（例如益生菌或粪便微生物群移植）可能有益，但也可能与血流感染风险增加有关。总结：新出现的证据显示肠道微生物（包括细菌、真菌、真核病毒和噬菌体）和其衍生代谢物对脓毒症的易感性和结局有重要作用。尽管最近在对微生物介导的保护机制的研究方面取得了进展，但在脓毒症领域基于微生物群的预后工具或疗法的临床突破仍然遥遥无期。概述脓毒症被定义为由宿主对感染的反应失调引起的危及生命的器官功能障碍，估计占全球死亡人数的近20%。在过去的十年中，基于分子测序工具的发展已经揭示了肠道微生物的多样性、动态性以及在健康和疾病中的作用。在脓毒症期间，微生物严重紊乱：包括种群多样性急剧减少，共生菌消失，潜在病原菌（如肠球菌、葡萄球菌）过度生长。改变的肠道微生物群会影响炎症反应并增加肠道屏障通透性，使致病菌易位到体循环和远处器官。此外，一些标志性的早期鼠类研究表明，微生物参与调节针对感染的全身免疫反应；肠道细菌的消耗（通过使用无菌或抗生素处理的小鼠）会增加细菌感染引起的死亡率。尽管这些研究将微生物组成的改变与脓毒症结局联系了起来，但尚未完全确定肠道微生物在脓毒症中保护作用的确切机制，更重要的是，尚未在脓毒症的临床管理中实施针对肠道微生物的诊断或治疗。本综述旨在总结该领域的当前进展，突出基于使用微生物靶向疗法的个性化医疗的机会，并确定在脓毒症管理中对研究这些疗法的使用进行实验研究的必要性。脓毒症中肠道微生物的角色：最近发现的机制肠道微生物群对宿主防御的大部分全身作用归因于共生肠道细菌产生的代谢物，这些代谢物似乎对免疫细胞功能至关重要。最近，一些研究阐明了受微生物群衍生代谢物调节的关键免疫途径。例如，循环病原体被肝脏的常驻巨噬细胞Kupffer细胞捕获并杀死。由肠道共生细菌产生的D-乳酸通过门静脉转移到肝脏，对于Kupffer细胞介导的血管内防御的完整性至关重要。短链脂肪酸(SCFA)丁酸是一种厌氧细菌的发酵产物，能驱动单核细胞向巨噬细胞分化并抑制其组蛋白脱乙酰酶。通过这种抑制作用，丁酸盐介导巨噬细胞代谢并诱导抗菌肽的产生，从而增强体外和小鼠体内的抗菌活性。与这些发现一致，口服补充短链脂肪酸通过激活G蛋白偶联受体增强巨噬细胞吞噬肺炎克雷伯菌的能力，并且短链脂肪酸通过上调LAMTOR2（一种促进吞噬体的抗菌效应物）增加肺炎克雷伯菌感染期间巨噬细胞介导的细菌清除，溶酶体融合和细胞外信号调节激酶激活。此外，用另一种微生物代谢物——次级胆汁酸脱氧胆酸重建无菌和抗生素处理的小鼠，可以恢复I型干扰素反应，并可以限制甲病毒感染在实验模型中的传播。宿主免疫反应不仅受此类肠道微生物衍生代谢物的影响，而且共生细菌也可以对免疫激活做出相互反应并改变其代谢产物。例如，通过鞭毛蛋白或抗CD3抗体对四个厌氧共生细菌定植的小鼠进行急性宿主免疫激活，导致这些肠道细菌的快速转录重编程，包括应激反应介质的上调，同时对它们的相对丰度的影响最小。在免疫刺激后6小时内，肠道代谢物的产生也发生了改变，包括短链脂肪酸醋酸盐和丙酸盐的减少。换句话说，一些共生细菌可能已经进化出在急性免疫激活期间保持相对稳定，并通过增加应激耐受性来保护自己的策略。尽管在传染病和脓毒症期间，更复杂和多样化的人类微生物群落发生了广泛的变化，但微生物代谢物水平的变化可能在一定程度上是共生细菌对急性免疫激活反应的代谢输出变化的结果。尽管这些发现（总结在图1中）揭示了脓毒症中肠道微生物群落变化的可能机制，但小鼠研究并没有完全复制人类脓毒症期间存在的条件，因此迫切需要将这些发现转化到人类身上，以进一步促进基于微生物新型疗法的开发。在健康期间，肠道共生细菌和真菌（例如白色念珠菌）通过多种机制增强免疫细胞功能，例如产生可增强免疫细胞功能的短链脂肪酸(SCFA)(A)。肠道共生菌（如鼠乳杆菌）的丧失和潜在致病菌（如肺炎克雷伯菌）的肠道支配与新生儿血流感染和迟发性败血症的风险增加有关（B）。在脓毒症期间，肠道共生菌的丧失与机会性酵母菌的增殖相关，这可能导致侵袭性真菌疾病，以及与死亡风险增加相关的病原体过度生长(C)。GPCR，G蛋白偶联受体；SCFA，短链脂肪酸。脓毒症时肠道其他原生微生物破坏的后果仍未知除细菌外，人体肠道还存在真核病毒、噬菌体、真菌、古细菌和原虫。所有这些群落都与细菌微生物群密切相关，但它们在脓毒症期间的集体作用和重要性仍然未知。一项研究描述了重症患者（有或无脓毒症）中多个肠道群落的变化，并观察到厌氧菌的减少与需氧病原体（如葡萄球菌和肠球菌）及其噬菌体的过度生长以及机会性酵母菌（如念珠菌和曲霉）的增殖有关。健康人的肠道中密集地定植了这种真菌病原体，能够引起侵袭性疾病，但播散性感染很少发生在健康人身上。最近的研究表明，同种异体造血干细胞移植后厌氧菌的减少会促进特定念珠菌属物种的肠道过度生长，从而导致侵袭性真菌病。在盲肠结扎和穿刺引起的脓毒症肥胖小鼠模型中，在造模前一周给予念珠菌口服，这会增强全身炎症并增加死亡率。相反，Shao等人在小鼠中的研究表明，白色念珠菌的肠道定植会驱动真菌特异性Th17激活的CD4+T细胞的全身扩展，并通过循环中性粒细胞增加IL-17反应性，从而防止侵袭性白色念珠菌感染。白色念珠菌的持续肠道定植不仅可以预防念珠菌血症，而且还降低了侵袭性金黄色葡萄球菌感染后的死亡率。补充的人类分析证实了白色念珠菌丰度较高的粪便与产生IL-17的白色念珠菌特异性CD4+T细胞的系统积累之间存在正相关，表明白色念珠菌诱导的免疫调节对人类也很重要。总之，危重病期间肠道原有微生物的破坏超出了细菌的范围，但这些干扰的临床后果仍有待阐明。这些改变的肠道群落对脓毒症患者的免疫途径和临床结果的影响值得进一步研究。基于微生物群落的风险识别根据鼠类和大型流行病学研究，有人认为微生物群组被破坏会使患者易患脓毒症。例如，一项对10,996名患者的回顾性队列研究发现，重度脓毒症住院期间感染艰难梭菌感染（与微生物群组破坏密切相关）后，再入院的风险比其他原因感染高70%。根据微生物群落特征识别处于临床前状态或不良后果高风险的患者，可以制定更个性化的预防策略和靶向治疗。微生物群落组成与脓毒症的易感性有关最近，几项研究提供了进一步的证据，表明肠道微生物群落的破坏和随后病原体的全身易位会导致新生儿脓毒症。首先，新生小鼠接触广谱抗生素与3型先天淋巴细胞和肠道IL-17A表达的减少有关，并增加了肺炎克雷伯菌诱导脓毒症的易感性。singer等人用肺炎克雷伯菌定植新生小鼠的肠道，导致肺炎克雷伯菌易位进入体循环，最终导致迟发性脓毒症。接着他们证实，除了微生物多样性低和专性厌氧菌的丰度较低之外，在幼崽中根除鼠乳杆菌增加了对肺炎克雷伯菌肠道定植和随后的脓毒症的敏感性，而对鼠乳杆菌的益生菌给药可防止肺炎克雷伯菌定植。第三，在一项对40名患有迟发脓毒症的早产儿和40名匹配对照的多中心病例对照研究中，在感染前3天收集的所有病例的粪便样本中，至少有一个可检测到革兰氏阴性脓毒症的致病病原体，而在所有匹配的对照中均不存在该病原体，病原体从三天开始增加直到临床发病。根据微生物群落组成和喂养类型，可以在临床发病前一天预测迟发性脓毒症（凝固酶阴性葡萄球菌引起的病例除外），曲线下面积为0.78。最后，在71名患有迟发性败血症的早产儿和164名未受影响的对照组的前瞻性队列中，在败血症发作之前，肠道微生物群被杆菌（主要是凝固酶阴性葡萄球菌）占主导地位并减少了厌氧菌（如梭状芽孢杆菌）的丰度。重要的是，虽然这些研究强调了肠道微生物作为生物标志物的巨大潜力，可以识别罹患脓毒症风险较高的患者并指导个体化预防策略，但很少有研究在成人中证实这些发现。一项针对708名接受同种异体造血细胞移植的成年人进行的新研究表明，肠道中变形菌占主导地位的情况（相对丰度约30%）使得随后发生革兰氏阴性血流感染的风险增加7倍。迫切需要更多的研究重点关注罹患脓毒症风险增加的成人。肠道微生物群落和肠球菌丰度作为不良结果的预测因子除了识别对脓毒症易感性增加的患者外，脓毒症期间的患者分层还可以帮助医生进行临床决策。Freedberg及其同事发现，在重症监护病房(ICU)入院时，肠球菌在肠道中占优势（相对丰度30%）或耐万古霉素肠球菌定植与脓毒症和非脓毒症患者的死亡风险增加19%相关。在ICU脓毒症患者中，死亡患者的肠球菌的丰度有不同程度的增加。具体而言，某种肠球菌表型的丰度每增加一个对数单位，ICU中因脓毒症而死亡的概率就会增加3.14倍。Liu等人使用来自64名ICU脓毒症或脓毒性休克患者的131份粪便样本，发现尽管存在不同的感染类型和抗生素使用情况，这些中国患者总是表现出两种微生物群模式（肠型）中的一种。第一种肠型称为ICUE1，包括拟杆菌和肠杆菌科的一个优势未分类属，并且与高血清乳酸水平有关。ICUE2的优势菌种主要是肠球菌并有拟杆菌丢失。有趣的是，肠道肠球菌优势的维持似乎取决于双糖乳糖的可用性。饮食中乳糖的缺失降低了小鼠肠球菌的生长和移植物抵抗宿主的严重程度，在患有乳糖吸收不良的人类同种异体骨髓移植患者中，肠球菌的支配地位显得更重要。综上所述，这些研究表明微生物肠型或肠球菌的肠道丰度可能被用作脓毒症ICU患者的潜在生物标志物以预测不良结果。此外，它们为研究旨在调节微生物组的新治疗策略打开了大门，例如通过饮食干预减少病原菌的营养。脓毒症中微生物的靶向预防和治疗尽管脓毒症中肠道微生物群落作用的研究激增，但在日常脓毒症管理中并未实施任何旨在改变微生物群落的治疗干预措施，预防措施也只是偶尔使用。有几种调节肠道微生物群落的潜在预防和治疗策略，可分为三类。首先，通过选择性消化道去污（SDD）根除潜在的病原菌。接下来，通过替代有益细菌或微生物衍生的代谢物，最常见的是益生菌（活微生物）、益生元（影响肠道细菌的不易消化的食物成分）或合生元（益生菌和益生元的组合）。最后，肠道微生物群落可以被粪便微生物群移植（FMT）部分替代。选择性消化道去污对危重症患者死亡率的影响非殖民化策略，如SDD，使用（不可吸收的）微生物来减少潜在致病微生物的丰度，已在危重患者中进行了广泛研究。最近更新的meta分析对涉及11,004名参与者的41项试验报告称，局部和全身预防性抗生素的组合可降低机械通气的成人呼吸道感染（RR0.43，95%CI0.35–0.53）和死亡率（RR0.84，95%CI0.73–0.96)。然而，在这项分析中没有区分抗生素耐药流行率低和高的ICU，抗生素耐药率高的ICU的有益效果尚未得到令人信服的证明。此外，许多国家由于担心增加抗生素耐药性，仅在ICU中零星地使用SDD。尽管对64项研究（包括47项随机对照试验和35项具有抗菌素耐药性数据的研究）进行的meta分析发现，与对照组（无干预）相比，干预组（接受SDD）的定植或感染率并没有增加。在一项为期21年的单中心研究中，在ICU中使用SDD与抗生素耐药微生物的发生率增加同样无关。相反，最近发表的一项在6个欧洲国家和13个ICU中进行的整群随机交叉试验嵌套队列研究中发现机械通气患者中SDD与根除和更少获得对第三代头孢菌素和碳青霉烯耐药的肠道革兰氏阴性菌有关。因此，增加抗生素耐药性的风险虽然可以理解，但似乎没有根据。下一代益生菌的潜在益处如一项对63项随机试验（涉及15,712名早产儿）进行的新型网络meta分析所示，益生菌可有效降低低体重早产儿的死亡率和发病率。在成人中，一项纳入2972名危重成人的30项试验的meta分析发现，益生菌治疗对死亡率或ICU住院时间没有影响。然而，益生菌与整体感染的发生率降低有关（RR0.80，95%CI0.68-0.95）。由于这种效应在调查植物乳杆菌的试验中最为明显，因此在新的多中心、安慰剂对照、随机试验中研究了早期和持续肠内输注植物乳杆菌299v的影响，该试验包括218名入住ICU的成人。在此，并未发现植物乳杆菌给药对存活和出院天数以及减少院内感染的益处。益生菌对脓毒症临床结局的影响很小，这归因于入住ICU的患者的微生物群组成存在较大的个体差异以及益生菌菌群内的种内多样性。除了益生菌有益作用的有限证据外，对这些危重病人的安全性的担忧进一步限制了脓毒症使用益生菌治疗的实施。益生菌给药与更高的脓毒症、真菌病和艰难梭菌感染风险之间的关联已有较早的描述，尤其是在危重患者和婴儿中。现在，一项新研究结合了22,174名ICU患者的流行病学数据——其中522名接受了益生菌鼠李糖乳杆菌GG和全基因组测序，以确认益生菌给药与菌血症之间的因果关系。接受这种益生菌的ICU患者增加了乳杆菌菌血症的风险，并且乳酸杆菌血液分离株在系统发育上与益生菌分离株密不可分。因此，这些数据强调，用益生菌治疗危重患者的一刀切方法不仅疗效有限，而且可能有害。目前可用的商业益生菌主要包括乳酸杆菌和双歧杆菌属，而更广泛的共生菌株和非传统微生物——通常具有未表征但潜在的有益特性——可以作为“下一代益生菌”。Sorbara和同事强调了共生菌的健康促进功能与不同应变水平的关系，这强调了这些“下一代益生菌”的潜力。他们培养了来自20个人类供体的273株毛螺菌科分离物，并进行了全基因组测序组装和注释，从而揭示了毛螺菌科家族中巨大的遗传和功能性种间和种内多样性，这些多样性可能会影响有益功能，如丁酸盐生成和羊毛硫抗生素表达。由特定Blautiaproducta菌株产生的羊毛硫抗生素可以减少耐万古霉素肠球菌的定植。未来对细菌菌株功能的研究，可能与遗传修饰相结合，可能会导致许多有益的下一代益生菌的开发，这些益生菌具有最大的功效并降低不必要的不良反应的风险。此外，更有针对性地应用益生菌——基于个体特定的微生物群组成——可能会识别出更有可能从益生菌施用中受益的患者。最后，因为下一代益生菌是严格的厌氧菌，需要解决许多问题，比如足够数量的活细菌通过胃肠道的问题。粪便微生物群落移植治疗脓毒症FMT是将粪便物质从健康个体转移到另一个个体的过程，与上述微生物群靶向疗法相比具有多个优势。连同大量共生细菌、其他微生物（例如病毒和真菌）和代谢物被转移，以平衡破坏的肠道微生物群落。最近在动物研究中描述了FMT在脓毒症中的作用。例如，FMT可改善肠道屏障功能障碍并提高盲肠结扎和穿刺诱导的脓毒症大鼠模型的存活率，其机制可能是通过改善肠道屏障完整性。小鼠肠道接种四种病原体（粪肠球菌、克雷伯氏菌、粘质沙雷氏菌和白色念珠菌；源自死于脓毒症的人）与全身免疫抑制和致死性脓毒症有关，而FMT可以对抗这些免疫抑制作用并会将存活率提高70%