2023腸道微生物和膿毒癥：從發病機制到新療法摘要目的：本文總結了腸道微生物在膿毒癥發病機制中作用的最新進展，并概述了腸道微生物靶向療法的潛在作用。最近的發現：在膿毒癥期間腸道微生物的組成被嚴重擾亂，共生菌消失和潛在病原微生物的過度生長。這些改變也擴展到原有的非細菌性腸道微生物。這些腸道微生物群落的破壞與發生膿毒癥的易感性以及不良后果的風險增加有關。臨床前研究已經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）在危重疾病期間對增強宿主免疫反應的影響。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險增加有關。總結：新出現的證據顯示腸道微生物（包括細菌、真菌、真核病毒和噬菌體）和其衍生代謝物對膿毒癥的易感性和結局有重要作用。盡管最近在對微生物介導的保護機制的研究方面取得了進展，但在膿毒癥領域基于微生物群的預后工具或療法的臨床突破仍然遙遙無期。概述膿毒癥被定義為由宿主對感染的反應失調引起的危及生命的器官功能障礙，估計占全球死亡人數的近20%。在過去的十年中，基于分子測序工具的發展已經揭示了腸道微生物的多樣性、動態性以及在健康和疾病中的作用。在膿毒癥期間，微生物嚴重紊亂：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）過度生長。改變的腸道微生物群會影響炎癥反應并增加腸道屏障通透性，使致病菌易位到體循環和遠處器官。此外，一些標志性的早期鼠類研究表明，微生物參與調節針對感染的全身免疫反應；腸道細菌的消耗（通過使用無菌或抗生素處理的小鼠）會增加細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局聯系了起來，但尚未完全確定腸道微生物在膿毒癥中保護作用的確切機制，更重要的是，尚未在膿毒癥的臨床管理中實施針對腸道微生物的診斷或治療。本綜述旨在總結該領域的當前進展，突出基于使用微生物靶向療法的個性化醫療的機會，并確定在膿毒癥管理中對研究這些療法的使用進行實驗研究的必要性。膿毒癥中腸道微生物的角色：最近發現的機制腸道微生物群對宿主防御的大部分全身作用歸因于共生腸道細菌產生的代謝物，這些代謝物似乎對免疫細胞功能至關重要。最近，一些研究闡明了受微生物群衍生代謝物調節的關鍵免疫途徑。例如，循環病原體被肝臟的常駐巨噬細胞Kupffer細胞捕獲并殺死。由腸道共生細菌產生的D-乳酸通過門靜脈轉移到肝臟，對于Kupffer細胞介導的血管內防御的完整性至關重要。短鏈脂肪酸(SCFA)丁酸是一種厭氧細菌的發酵產物，能驅動單核細胞向巨噬細胞分化并抑制其組蛋白脫乙酰酶。通過這種抑制作用，丁酸鹽介導巨噬細胞代謝并誘導抗菌肽的產生，從而增強體外和小鼠體內的抗菌活性。與這些發現一致，口服補充短鏈脂肪酸通過激活G蛋白偶聯受體增強巨噬細胞吞噬肺炎克雷伯菌的能力，并且短鏈脂肪酸通過上調LAMTOR2（一種促進吞噬體的抗菌效應物）增加肺炎克雷伯菌感染期間巨噬細胞介導的細菌清除，溶酶體融合和細胞外信號調節激酶激活。此外，用另一種微生物代謝物——次級膽汁酸脫氧膽酸重建無菌和抗生素處理的小鼠，可以恢復I型干擾素反應，并可以限制甲病毒感染在實驗模型中的傳播。宿主免疫反應不僅受此類腸道微生物衍生代謝物的影響，而且共生細菌也可以對免疫激活做出相互反應并改變其代謝產物。例如，通過鞭毛蛋白或抗CD3抗體對四個厭氧共生細菌定植的小鼠進行急性宿主免疫激活，導致這些腸道細菌的快速轉錄重編程，包括應激反應介質的上調，同時對它們的相對豐度的影響最小。在免疫刺激后6小時內，腸道代謝物的產生也發生了改變，包括短鏈脂肪酸醋酸鹽和丙酸鹽的減少。換句話說，一些共生細菌可能已經進化出在急性免疫激活期間保持相對穩定，并通過增加應激耐受性來保護自己的策略。盡管在傳染病和膿毒癥期間，更復雜和多樣化的人類微生物群落發生了廣泛的變化，但微生物代謝物水平的變化可能在一定程度上是共生細菌對急性免疫激活反應的代謝輸出變化的結果。盡管這些發現（總結在圖1中）揭示了膿毒癥中腸道微生物群落變化的可能機制，但小鼠研究并沒有完全復制人類膿毒癥期間存在的條件，因此迫切需要將這些發現轉化到人類身上，以進一步促進基于微生物新型療法的開發。在健康期間，腸道共生細菌和真菌（例如白色念珠菌）通過多種機制增強免疫細胞功能，例如產生可增強免疫細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性敗血癥的風險增加有關（B）。在膿毒癥期間，腸道共生菌的喪失與機會性酵母菌的增殖相關，這可能導致侵襲性真菌疾病，以及與死亡風險增加相關的病原體過度生長(C)。GPCR，G蛋白偶聯受體；SCFA，短鏈脂肪酸。膿毒癥時腸道其他原生微生物破壞的后果仍未知除細菌外，人體腸道還存在真核病毒、噬菌體、真菌、古細菌和原蟲。所有這些群落都與細菌微生物群密切相關，但它們在膿毒癥期間的集體作用和重要性仍然未知。一項研究描述了重癥患者（有或無膿毒癥）中多個腸道群落的變化，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）及其噬菌體的過度生長以及機會性酵母菌（如念珠菌和曲霉）的增殖有關。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生在健康人身上。最近的研究表明，同種異體造血干細胞移植后厭氧菌的減少會促進特定念珠菌屬物種的腸道過度生長，從而導致侵襲性真菌病。在盲腸結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，這會增強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驅動真菌特異性Th17激活的CD4+T細胞的全身擴展，并通過循環中性粒細胞增加IL-17反應性，從而防止侵襲性白色念珠菌感染。白色念珠菌的持續腸道定植不僅可以預防念珠菌血癥，而且還降低了侵襲性金黃色葡萄球菌感染后的死亡率。補充的人類分析證實了白色念珠菌豐度較高的糞便與產生IL-17的白色念珠菌特異性CD4+T細胞的系統積累之間存在正相關，表明白色念珠菌誘導的免疫調節對人類也很重要。總之，危重病期間腸道原有微生物的破壞超出了細菌的范圍，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膿毒癥患者的免疫途徑和臨床結果的影響值得進一步研究。基于微生物群落的風險識別根據鼠類和大型流行病學研究，有人認為微生物群組被破壞會使患者易患膿毒癥。例如，一項對10,996名患者的回顧性隊列研究發現，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）后，再入院的風險比其他原因感染高70%。根據微生物群落特征識別處于臨床前狀態或不良后果高風險的患者，可以制定更個性化的預防策略和靶向治療。微生物群落組成與膿毒癥的易感性有關最近，幾項研究提供了進一步的證據，表明腸道微生物群落的破壞和隨后病原體的全身易位會導致新生兒膿毒癥。首先，新生小鼠接觸廣譜抗生素與3型先天淋巴細胞和腸道IL-17A表達的減少有關，并增加了肺炎克雷伯菌誘導膿毒癥的易感性。singer等人用肺炎克雷伯菌定植新生小鼠的腸道，導致肺炎克雷伯菌易位進入體循環，最終導致遲發性膿毒癥。接著他們證實，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肺炎克雷伯菌腸道定植和隨后的膿毒癥的敏感性，而對鼠乳桿菌的益生菌給藥可防止肺炎克雷伯菌定植。第三，在一項對40名患有遲發膿毒癥的早產兒和40名匹配對照的多中心病例對照研究中，在感染前3天收集的所有病例的糞便樣本中，至少有一個可檢測到革蘭氏陰性膿毒癥的致病病原體，而在所有匹配的對照中均不存在該病原體，病原體從三天開始增加直到臨床發病。根據微生物群落組成和喂養類型，可以在臨床發病前一天預測遲發性膿毒癥（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名患有遲發性敗血癥的早產兒和164名未受影響的對照組的前瞻性隊列中，在敗血癥發作之前，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，雖然這些研究強調了腸道微生物作為生物標志物的巨大潛力，可以識別罹患膿毒癥風險較高的患者并指導個體化預防策略，但很少有研究在成人中證實這些發現。一項針對708名接受同種異體造血細胞移植的成年人進行的新研究表明，腸道中變形菌占主導地位的情況（相對豐度約30%）使得隨后發生革蘭氏陰性血流感染的風險增加7倍。迫切需要更多的研究重點關注罹患膿毒癥風險增加的成人。腸道微生物群落和腸球菌豐度作為不良結果的預測因子除了識別對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生進行臨床決策。Freedberg及其同事發現，在重癥監護病房(ICU)入院時，腸球菌在腸道中占優勢（相對豐度30%）或耐萬古霉素腸球菌定植與膿毒癥和非膿毒癥患者的死亡風險增加19%相關。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對數單位，ICU中因膿毒癥而死亡的概率就會增加3.14倍。Liu等人使用來自64名ICU膿毒癥或膿毒性休克患者的131份糞便樣本，發現盡管存在不同的感染類型和抗生素使用情況，這些中國患者總是表現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優勢未分類屬，并且與高血清乳酸水平有關。ICUE2的優勢菌種主要是腸球菌并有擬桿菌丟失。有趣的是，腸道腸球菌優勢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和移植物抵抗宿主的嚴重程度，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患者的潛在生物標志物以預測不良結果。此外，它們為研究旨在調節微生物組的新治療策略打開了大門，例如通過飲食干預減少病原菌的營養。膿毒癥中微生物的靶向預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施任何旨在改變微生物群落的治療干預措施，預防措施也只是偶爾使用。有幾種調節腸道微生物群落的潛在預防和治療策略，可分為三類。首先，通過選擇性消化道去污（SDD）根除潛在的病原菌。接下來，通過替代有益細菌或微生物衍生的代謝物，最常見的是益生菌（活微生物）、益生元（影響腸道細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）微生物來減少潛在致病微生物的豐度，已在危重患者中進行了廣泛研究。最近更新的meta分析對涉及11,004名參與者的41項試驗報告稱，局部和全身預防性抗生素的組合可降低機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，在這項分析中沒有區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，許多國家由于擔心增加抗生素耐藥性，僅在ICU中零星地使用SDD。盡管對64項研究（包括47項隨機對照試驗和35項具有抗菌素耐藥性數據的研究）進行的meta分析發現，與對照組（無干預）相比，干預組（接受SDD）的定植或感染率并沒有增加。在一項為期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生率增加同樣無關。相反，最近發表的一項在6個歐洲國家和13個ICU中進行的整群隨機交叉試驗嵌套隊列研究中發現機械通氣患者中SDD與根除和更少獲得對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。因此，增加抗生素耐藥性的風險雖然可以理解，但似乎沒有根據。下一代益生菌的潛在益處如一項對63項隨機試驗（涉及15,712名早產兒）進行的新型網絡meta分析所示，益生菌可有效降低低體重早產兒的死亡率和發病率。在成人中，一項納入2972名危重成人的30項試驗的meta分析發現，益生菌治療對死亡率或ICU住院時間沒有影響。然而，益生菌與整體感染的發生率降低有關（RR0.80，95%CI0.68-0.95）。由于這種效應在調查植物乳桿菌的試驗中最為明顯，因此在新的多中心、安慰劑對照、隨機試驗中研究了早期和持續腸內輸注植物乳桿菌299v的影響，該試驗包括218名入住ICU的成人。在此，并未發現植物乳桿菌給藥對存活和出院天數以及減少院內感染的益處。益生菌對膿毒癥臨床結局的影響很小，這歸因于入住ICU的患者的微生物群組成存在較大的個體差異以及益生菌菌群內的種內多樣性。除了益生菌有益作用的有限證據外，對這些危重病人的安全性的擔憂進一步限制了膿毒癥使用益生菌治療的實施。益生菌給藥與更高的膿毒癥、真菌病和艱難梭菌感染風險之間的關聯已有較早的描述，尤其是在危重患者和嬰兒中。現在，一項新研究結合了22,174名ICU患者的流行病學數據——其中522名接受了益生菌鼠李糖乳桿菌GG和全基因組測序，以確認益生菌給藥與菌血癥之間的因果關系。接受這種益生菌的ICU患者增加了乳桿菌菌血癥的風險，并且乳酸桿菌血液分離株在系統發育上與益生菌分離株密不可分。因此，這些數據強調，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和同事強調了共生菌的健康促進功能與不同應變水平的關系，這強調了這些“下一代益生菌”的潛力。他們培養了來自20個人類供體的273株毛螺菌科分離物，并進行了全基因組測序組裝和注釋，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多樣性，這些多樣性可能會影響有益功能，如丁酸鹽生成和羊毛硫抗生素表達。由特定Blautiaproducta菌株產生的羊毛硫抗生素可以減少耐萬古霉素腸球菌的定植。未來對細菌菌株功能的研究，可能與遺傳修飾相結合，可能會導致許多有益的下一代益生菌的開發，這些益生菌具有最大的功效并降低不必要的不良反應的風險。此外，更有針對性地應用益生菌——基于個體特定的微生物群組成——可能會識別出更有可能從益生菌施用中受益的患者。最后，因為下一代益生菌是嚴格的厭氧菌，需要解決許多問題，比如足夠數量的活細菌通過胃腸道的問題。糞便微生物群落移植治療膿毒癥FMT是將糞便物質從健康個體轉移到另一個個體的過程，與上述微生物群靶向療法相比具有多個優勢。連同大量共生細菌、其他微生物（例如病毒和真菌）和代謝物被轉移，以平衡破壞的腸道微生物群落。最近在動物研究中描述了FMT在膿毒癥中的作用。例如，FMT可改善腸道屏障功能障礙并提高盲腸結扎和穿刺誘導的膿毒癥大鼠模型的存活率，其機制可能是通過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，而FMT可以對抗這些免疫抑制作用并會將存活率提高70%