mNGS揭示PICU患儿抗生素治疗后肠道菌群及相关耐药基因改变

导    读

近期,迪飞医学与上海交通大学附属新华医院PICU朱晓东团队合作,在Frontiers in Microbiology(IF=5.2)上发表《Pediatric intensive care unit treatment alters the diversity and composition of the gut microbiota and antimicrobial resistance gene expression in critically ill children》。文章全面揭示了PICU患儿在接受短期抗生素治疗后,肠道菌群、基因功能及耐药基因的改变。

研究背景

常见的危重疾病,包括败血症、急性呼吸窘迫综合征和多器官功能衰竭综合征,对全球医疗保健领域造成了沉重的经济负担。大量研究证实肠道菌群可参与各类疾病的发生和发展;同时,其结构状态受重症患者自身的生理及病理变化的影响,且与人类宿主有共生关系。抗生素的使用可能会诱导肠道菌群中的一些耐药基因表达上调,进而影响疾病的治疗。因此,肠道菌群作为儿童疾病治疗及危重病人管理的重要因素,受到了临床医生越来越多的关注。

本研究旨在利用mNGS技术揭示抗生素治疗前后,PICU患儿肠道菌群、基因功能和耐药基因的变化,为患儿合理用药和PICU不良事件的控制提供理论依据。

入组患者

本研究收集了2021年3月至2022年3月的71例患儿作为研究对象(图1),在收入PICU接受治疗的D1和D7分别进行肛拭子采集,后行mNGS检测(PE150;50M)。

图1 患者入排流程图

研究结果

患者特征及临床信息

经统计,大多数患儿有基础疾病且合并感染,入院时均接受静脉注射抗生素治疗,超过一半的患儿在PICU入院后7天内接受了两类或两类以上的抗生素治疗。

研究发现,抗生素治疗7天后,C反应蛋白(P<0.01)、降钙素原(P<0.01)、肌酐(P<0.01)、乳酸(P<0.01)和白细胞计数(P=0.01)显著下降;血小板计数显著增加(P=0.01)。28天死亡率9.90%。

PICU短期抗生素治疗后,患儿肠道菌群发生改变

与D1组相比,Chao1和ACE指数提示D7组的菌群丰富度显著降低(P<0.01),肠道菌群β多样性无显著差异(P>0.05)。我们的研究结果表明,即使在抗生素和其他治疗的影响下,儿童肠道菌群的群落结构仍保持相对稳定的状态。我们进一步从多个分类级别分析D1和D7组肠道菌群物种丰度的改变。在门水平上, D7组患儿肠道菌群的拟杆菌门和放线菌门相对丰度均降低,厚壁菌门和变形菌门的相对丰度均增加(图2)。

在其他分类水平,我们发现D7组患儿肠道菌群中芽孢杆菌纲以及乳杆菌目的相对丰度显著增加(P=0.03,P=0.04),而人弯曲杆菌相对丰度则显著降低(P=0.02)(图3)。

 图2 危重患儿PICU治疗前后门水平的细菌总体组成

图3 危重患儿PICU治疗前后,(A)纲、(B)目和(C)种水平上的前20个细菌群落的分布(*P < 0.05)

肠道菌群的基因功能发生显著变化

经过短期抗生素治疗后,儿童的肠道菌群基因功能发生显著变化(图4),涉及30条KEGG通路均处于抑制状态(P<0.01)。它们主要包括以磷酸核糖酰胺甲酰转移酶1为代表的代谢酶和转录因子、以DNA修复蛋白RadA/Sms和脱氧核糖核酸酶I为代表的DNA分解和修复相关酶与蛋白,以及ExbD生物聚合转运蛋白的变化。这说明肠道菌群失衡的同时,也伴随着物质代谢、物质运输、遗传物质分解和修复过程的变化。同样,我们以P<0.01筛选了显著改变的GO通路,发现与KEGG通路分析的结果相一致。

 图4 KEGG通路的基因功能预测

肠道菌群中抗菌素耐药性基因表达的差异分析

D7组与D1组共检测到31个有显著差异的抗生素耐药基因(ARGs),其中有19个耐药基因的相对丰度上调。前10依次为Erm(A)、ErmX、LptD、eptB、SAT-4、tetO、adeJ、adeF、APH(3′)-IIIa和tetM,其中LptD和adeJ与碳青霉烯类抗生素耐药相关(图5)。

图5 D1 和 D7 组抗菌素耐药性基因表达火山图

结    论

1. 短期抗生素治疗后,PICU患儿肠道菌群α多样性明显降低,但β多样性仍保持相对稳定;

2. 短期抗生素治疗后,患儿肠道中芽孢杆菌纲以及乳杆菌目的相对丰度显著增加,而人弯曲杆菌相对丰度则显著降低;

3. GO和KEGG分析显示,肠道菌群的基因功能也发生了一定改变,主要是负责代谢、DNA分解代谢和跨膜转运的基因下调;

4. PICU短期治疗后危重患儿耐药基因相对丰度有明显变化,上调显著的前10个抗性基因依次为Erm(A)、ErmX、LptD、eptB、SAT-4、tetO、adeJ、adeF、APH(3′)-IIIa和tetM。

该研究使用了迪飞医学mNGS检测技术。

参考文献:

Xu J, Kong X, Li J, Mao H, Zhu Y, Zhu X, Xu Y. Pediatric intensive care unit treatment alters the diversity and composition of the gut microbiota and antimicrobial resistance gene expression in critically ill children. Front Microbiol. 2023 Nov 13;14:1237993. doi: 10.3389/fmicb.2023.1237993. PMID: 38029168; PMCID: PMC10679412.