【原】科研 | Gut：新冠肺炎患者肠道菌群组成反映疾病程度和免疫功能紊乱

微生态 2021-04-13

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编译：萌依依，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

从100例SARS-CoV-2患者中收集27例SARS-CoV-2清除后30d的连续粪便标本，用鸟枪法测定粪便总DNA、分析肠道菌群组成。无论患者是否接受过药物治疗，新冠肺炎患者的肠道菌群组成与非新冠肺炎患者相比均有显著改变(p<0.01)。已知具有免疫调节潜力的几种肠道共生菌，如普鲁斯尼茨杆菌、直肠真细菌和双歧杆菌在患者中丰度较低，在疾病缓解后30天后收集的样本中仍保持较低水平。此外，这种扰动的成分表现出与疾病严重程度相一致的分层，与炎症细胞因子和血液标志物浓度的升高相一致。新冠肺炎患者肠道菌群组成、细胞因子水平和炎症标志物之间的相关性提示，肠道菌群可能通过调节宿主免疫反应参与新冠肺炎的严重程度。此外，疾病解决后的肠道微生物群失调可能会导致持续的症状，这突显了了解肠道微生物如何参与炎症和新冠肺炎的必要性。

论文ID

原名：Gut microbiota composition reflects disease severity and dysfunctional immune responses in patients with COVID-19

译名：新冠肺炎患者肠道菌群组成反映疾病程度和免疫功能紊乱

期刊：Gut

IF：19.819

发表时间：2021.01

通讯作者：香港中文大学

作者单位：挪威奥斯陆大学国家医院PSC研究中心

实验设计

1100例新冠肺炎患者和78例非新冠肺炎患者粪便菌群组成分析。

2 受试者血浆中炎性细胞因子、趋化因子和组织损伤标志物水平分析。

3 采集27例康复患者的SARSCoV2检测阴性后30d的粪便标本，评估新冠肺炎康复后肠道菌群组成。

结果

1 新冠肺炎患者队列

我们于2020年2月至5月收集了100例经SARS-CoV-2RT-qPCR阳性确诊的新冠肺炎患者的血和粪便标本。表1报告了这些患者的人口学和临床特征，以及78例非新冠肺炎对照队列，其中女性47例，男性53例，平均年龄(36.4±18.7)岁。相比之下，非新冠肺炎队列包括45名女性和33名男性，平均年龄为(45.5±13.3)岁。

2 新冠肺炎患者肠道微生物群组成改变

首先，我们比较了住院期间收集的每个新冠肺炎患者的第一份粪便样本(n=87；40名女性对47名男性)和非新冠肺炎受试者(45名女性对33名男性)，以评估新冠肺炎队列中的肠道微生物群组成是否发生了改变。

在门水平上，新冠肺炎患者与非新冠肺炎患者相比，类杆菌的数量相对较多(平均23.9%比12.8%，p<0.001)，而放线菌在非新冠肺炎患者中相对较多(26.1%比19.0%，p<0.05)(图1A)，与非新冠肺炎患者相比，非新冠肺炎患者的类杆菌数量相对较多(平均值为23.9%比12.8%，p<0.05，p<0.05)，而放线杆菌的数量则相对较多(19.1%比19.0%，p<0.05)。在物种水平上，我们确定了疾病(新冠肺炎与非新冠肺炎相比)与抗生素(图1B)的显著相关性(p<0.05)，但与粪便SARS-CoV-2载量、抗病毒药物、皮质类固醇类药物和质子泵抑制剂的使用无关(在线补充表S1)。在没有控制抗生素使用的情况下，新冠肺炎肠道微生物群的组成差异表现在是由瘤胃球菌、扭矩瘤胃球菌和拟杆菌等菌种的丰富和青春期双歧杆菌、普鲁斯尼茨杆菌和真细菌的减少(表2，在线补充表S2)。

图1 新冠肺炎患者和非新冠肺炎患者肠道菌群组成的差异。(A)在新冠肺炎住院患者、鼻咽拭子病毒RT-qPCR阴性后出院患者以及非新冠肺炎患者的粪便中检测到的微生物类群的平均相对丰度。(B)新冠肺炎患者与非新冠肺炎患者肠道菌群组成的主成分分析。

3 炎性细胞因子、趋化因子和组织损伤标志物的血浆浓度与肠道微生物群组成相关

基于新冠肺炎患者肠道微生物群改变的观察(图1)以及几个物种与疾病严重程度的相关性(在线补充表S4)，我们假设这些成分变化通过促进免疫反应失调而加剧了病情。对87名新冠肺炎患者进行的肠道微生物群主成分分析显示，沿着轻度、中度、重度和危重疾病严重程度组呈现出一个连续体(图2)，表明肠道微生物群组成与疾病严重程度分层的相关。然后，我们将血浆细胞因子浓度(入院时测量；大便样本前2天的中位数)和炎症标志物浓度拟合到PCA上，观察到CXCL-10、IL-10、TNF-α、天冬氨酸转氨酶、γ-谷氨酰转移酶、C反应蛋白、乳酸脱氢酶、NT-proBNP和血沉与微生物群组成显著相关(图2)(p<0.0 5，p<0.05)。值得注意的是，随着代表更严重疾病状态的微生物群组成增加，这些测量水平也随之增加。由于CXCL-10、IL-10、TNF-α、AST、GGT、CRP、LDH和NT-proBNP在COVID-19较严重时明显升高，这些结果提示肠道微生物群组成与对新冠肺炎的免疫应答及随后的组织损伤的程度有关，因此可能在调节疾病严重程度中发挥作用。

图2 新冠肺炎住院患者肠道菌群组成与血浆炎症细胞因子和血液炎症标志物浓度之间的关系。(A)肠道微生物群组成的主成分分析及其与血浆细胞因子/趋化因子浓度的关系。(B)肠道微生物群组成的主成分分析及其与血液炎症标志物的关系。使用Procrstes检验来确定统计相关性。

在表2中相对丰富的物种列表中，新冠肺炎队列中消失的物种中有6种与CXCL-10呈负相关，5种与IL-10呈负相关，各有2种与TNF-α和CCL2呈负相关(图3A-D)(p<0.05，Spearman相关)。相反，新冠肺炎队列中富集的B. dorei 和Akkermansia muciniphila与IL-1β、IL-6和CXCL8呈正相关(图3E-G)。

图3 新冠肺炎富集/枯竭肠道微生物分类群与血浆中(A)CXCL10、(B)IL-10、(C)TNF-α、(D)CCL2、(E)CXCL8、(F)IL-1β和(G)IL-6浓度的相关性。

4 SARSCoV-2清除后肠道微生物群失调持续存在

由于一些新冠肺炎患者报告康复后持续出现症状和/或随后发展为多系统炎症，我们假设新冠肺炎患者的肠道微生物群在康复后持续存在，并可能导致这些情况。为评估新冠肺炎康复后肠道菌群组成，从27例患者(女性13例，男性14例，平均年龄(45.6±17.6)岁)自SARS-CoV-2检测阴性后30d(中位数6d，IQR14d)采集42份粪便标本。

与非新冠肺炎受试者相比，27名康复患者的肠道菌群组成仍然显著不同，无论他们是否接受了抗生素治疗(P<005，PERMANOVA)，康复者肠道微生物群均丰富，包括齿状双歧杆菌和反刍乳杆菌，而直肠杆菌、布鲁氏菌、普氏杆菌和长双歧杆菌减少(p<0.05，左)(表3；在线补充表S6)。尽管接受抗生素治疗的患者与未接受抗生素治疗的患者肠道菌群组成的差异更大(图4)。为了确定抗生素是否与改善新冠肺炎患者的疾病结局有关，我们检查了它在中度疾病队列中的使用情况，在这些队列中，接受过和没有接受抗生素治疗的患者数量相当(表1)。我们发现使用和不使用抗生素的患者从出现新冠肺炎症状到出院的30数没有显著差异(p>0.0 5，Mann-Whitney检验)。这些发现表明，假设没有细菌混合感染，抗生素不太可能与改善患者的预后相关，但相反，抗生素可能会加剧和延长新冠肺炎患者的肠道微生物群失调。

图4 新冠肺炎康复期患者接受或未接受抗生素治疗的肠道菌群组成的主成分分析，与非新冠肺炎受试者比较。

讨论

SARS-CoV-2感染的病理生理学特征是侵袭性炎症反应，这些反应与某些患者出现的多器官功能障碍的原因密切相关。因此，疾病的严重程度可能不仅取决于病毒感染，而且还取决于宿主的免疫反应。这里，我们展示了住院期间新冠肺炎患者的肠道微生物群组成与血浆中几种细胞因子、趋化因子和炎症标志物的浓度相关，提示肠道微生物群可能在调节宿主免疫反应中发挥作用，并可能影响疾病的严重程度和预后。

具体地说，新冠肺炎队列中几个细菌物种的枯竭与TNF-α、CXCL10、CCL2和IL-10浓度的增加有关，这与对COVID-19患者的免疫学研究一致，表明这些枯竭的分类群可能在防止过度侵袭性炎症方面发挥作用。枯竭的肠道共生体，如青春型芽孢杆菌、普鲁斯尼茨芽孢杆菌、E.rectales、R.(Blautia)obum和D.formicigenerans等已被报道与其他炎症疾病中宿主炎症减轻相关。新冠肺炎中瘤胃球菌、扭矩瘤胃球菌、杜氏拟杆菌和普通拟杆菌的富集也与微生物介导的免疫失调的推测一致。

据报道，多雷伯氏菌和布氏杆菌报道与炎症性肠病相关，B. dorei和B. vulgatus与如肠易激疾病和溃疡性结肠炎有关。然而，目前尚不清楚富集在新冠肺炎中的炎性相关肠道微生物是否真的在疾病中起积极作用，或者只是由于其他肠道微生物的枯竭而增殖起来。

肠道微生物在新冠肺炎中发挥的潜在作用可能使人们能够基于微生物群的风险概况来判断患有严重疾病或下游炎症症状的风险个体。基于本研究中调查的几名患者，在SARS-CoV-2病毒清除后长达30天的时间里，肠道微生物群很可能在从新冠肺炎康复后保持显著变化。鉴于有报道称部分新冠肺炎康复者出现持续性症状，如疲劳、呼吸困难和关节痛，有些患者在首次出现症状后超过80天，我们假设肠道菌群失调可能导致新冠肺炎愈后与免疫相关的健康问题。

我们的短期随访期不允许将肠道微生物群组成推断为长期的持续性症状。因此，需要对新冠肺炎患者进行更长时间的随访(例如，清除病毒后3个月至1年)，以解决与肠道微生物群恢复的持续时间问题，微生物群失调与长期持续症状之间的联系，以及特定肠道微生物的失调或富集/耗尽是否会使康复个体易患疾病的健康问题。

我们的研究有几个不足之处，包括异质的患者临床管理，这可能会混淆与新冠肺炎相关的微生物特征。要进行适当的对照研究，需要在每个疾病严重程度组中有足够代表性且不同治疗组差异最小的同质病例对照队列，尽管这种理想设置在现实世界几乎不可能。因此，目前还不清楚作为新冠肺炎治疗结果的肠道微生物群受到临床治疗多大程度上的影响。此外，观察到的肠道微生物群可能只是对患者健康和免疫状态的反应，而不是对疾病严重程度的直接参与，因此它并不能直接适用于预测非新冠肺炎受试者的疾病易感性。在解释与抗生素使用相关的患者结果时也需要谨慎。据估计，尽管出现细菌感染的患者不到7%，但仍有一半至四分之三的新冠肺炎患者经验性地接受了抗生素治疗。我们发现，使用和不使用抗生素的结果没有差异，这支持在管理新冠肺炎患者时限制不必要的抗生素使用，但我们的比较仅限于中度疾病的患者，因为这一子队列中的患者数量更具可比性。

虽然我们的研究结果表明抗生素不会改善患者的预后，但在危重患者中使用抗生素的比例更高，仍有可能加剧炎症。最后，人类人群的肠道微生物群组成具有高度的异质性，本文报告的组成变化不一定会反映在其他生物地理分布的新冠肺炎患者中。然而，这项与免疫失调相关的肠道微生物群调查显示，肠道微生物可能参与了新冠肺炎宿主炎症反应的调节。

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