膿毒癥是一種危及生命的疾病，在發生嚴重感染導致宿主出現劇烈炎癥反應時會發生。在某些情況下，膿毒癥會發展為多器官功能障礙綜合征，使預后惡化。在危重病期間，胃腸道轉運的變化以及獨特的藥物和營養模式會促使腸道微生物群發生巨大變化，相反，紊亂的微生物群為病原微生物的生長提供了有利條件，使病情惡化。

2023年上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院毛恩強課題組發表在Critical Care上的題為“Altered intestinal microbiome and metabolome correspond to the clinical outcome of sepsis”的文章，通過使用微生物組和代謝組學分析了臨床病人的糞便樣本，發現色胺酸代謝與微生物群的改變和膿毒癥的嚴重程度密切相關。

40例臨床患者

20例健康對照

膿毒癥大鼠

1.膿毒癥患者微生物群落分析

作者首先比較了膿毒癥患者和健康對照（HC）之間的微生物多樣性，結果表明，膿毒癥組的α多樣性明顯低于HC組，群落結構也有差異，膿毒癥患者中變形菌門和腸球菌科的比例有所上升，但固著菌門和漆樹菌科的比例顯著下降，LefSe分析表明，膿毒癥患者體內促進健康的菌群明顯減少（圖1A-D）。此外，關聯網絡結果顯示，膿毒癥患者的細菌間關系網絡相對簡單，且腸球菌對其他類群表現出特殊的抑制作用（圖1E）。

圖1 膿毒癥患者和HC微生物改變的比較

2.膿毒癥患者代謝特征與微生物群改變之間的相關性

隨后，作者進行了糞便樣本的非靶代謝組分析，膿毒癥患者與健康對組相比代謝物輪廓有明顯差異，火山圖顯示，雖然共有449個差異物質，但膿毒癥中高表達的僅有10個，表明患者的代謝活性減弱（圖2A-B）。通過評估不同變量的影響，發現抗生素的影響較大。KEGG富集差異代謝物后，結果顯示出色氨酸的潛在影響，差異代謝物在很大程度上參與了氨基酸代謝，包括色氨酸、酪氨酸、精氨酸和脯氨酸代謝（圖2C）。考慮到腸道微生物與代謝物之間的密切聯系，作者評估了菌群與代謝物之間的相關性，在排名前五的細菌中，有四種屬于拉赫諾斯皮拉科，屎腸球菌與代謝物幾乎呈負相關，此外，作者還確定了與細菌關系最密切的10種代謝物，其中6種是芳香族化合物，其中，參與色氨酸代謝的代謝物3-甲基二氧吲哚與微生物之間的關系最為密切（圖2D）。

圖2 膿毒癥患者的差異腸道代謝物及其與微生物群的相關性

3.腸道微生物和代謝結構與膿毒癥臨床嚴重程度之間的一致性

如圖3A所示，根據微生物組成，患者可以分為三個亞型（ E1，E2，E3），EI以拉克諾斯皮拉菌科和反芻球菌科為主；E2以腸球菌為主；E3以乳酸桿菌和志賀氏菌為主。其中，E3 型患者的病情最為危重，與非E3型患者相比，APACHE II（急性生理學和慢性健康評估II）評分≥18分的患者比例明顯更高。與其他腸型相比，E2患者的細菌多樣性和豐富度較低，但病情并不比其他患者嚴重（圖3B-C）。

膿毒癥存活患者的主要細菌類群與臨床指標之間的相關性結果表明，硫桿菌的OTU773 和利劍花科的OTU822與ICU住院時長顯著正相關（圖3D），重癥監護室期間出現并發癥的患者的普通擬桿菌 OTU773載量明顯較高，雖然未達到顯著性差異，但數據顯示，在死于膿毒癥的患者中的普通擬桿菌 OTU773含量相對更高（圖3E-F）。

腸道代謝物與膿毒癥疾病嚴重程度之間相關性結果表明，有3種化合物與重癥監護室的住院時間呈負相關（圖3G），此外有兩種膿毒癥相關代謝物在非存活患者中減少。這3種代謝物中有4種是芳香族化合物，參與氨基酸代謝，尤其是色氨酸和酪氨酸的代謝，5-羥基吲哚乙酰甘氨酸也與APACHE II評分呈正相關。非存活患者體內的犬尿氨酸含量較高，且在抗生素治療后依舊有較高豐度的色氨酸代謝物，表明色氨酸代謝物在膿毒癥的發展過程中起著舉足輕重的作用。          

圖3 微生物和代謝特征與敗血癥臨床嚴重程度的相似之處 

4. 膿毒癥大鼠腸道菌群和腸道基因表達的變化

由于臨床患者的腸道微生物無法排除多種臨床藥物的干擾，因此，作者在建立的由腹腔感染引起的經典膿毒癥CLP大鼠模型中進行了驗證。與患者組和HC組相似，膿毒癥大鼠組與假手術組在腸道微生物組成方面存在差異（圖4A），在膿毒癥大鼠體內，必需益生菌比例下降，而機會性病原菌如腸桿菌科和腸球菌則大量繁殖，且與不良預后有關的B. vulgatus數量顯著增加（圖4B）。

作者重點研究了膿毒癥大鼠腸道轉錄組的差異，KEGG分析顯示，在膿毒癥患者的回腸和結腸中上調的大量基因參與細胞因子-細胞因子受體相互作用和趨化因子信號通路。多種細胞粘附分子在膿毒癥結腸中下調，與類固醇激素的生物合成、過氧化物酶體增殖激活受體（PPAR）信號通路和膽固醇代謝中也被發現基因轉錄水平下調（圖4C）。WGCNA結果顯示，關于結腸中的核心DEGs，Plg 協助 ECM 破壞和中性粒細胞遷移，Il6參與炎癥，Apob和 Apoe是脂蛋白載體的成分，可能通過結合內毒素或其他毒素調節免疫過程。關于回腸中的DEGs，Cd44、Vcam1 和 Cxcr4參與了免疫細胞的聚集過程，而 Mmp9降解粘附物質以促進細胞運動（圖4D）。

綜上所述，膿毒癥的腸道轉錄組顯示了與各種宿主反應相關的炎癥風暴。

圖4 膿毒癥大鼠的細菌和腸道轉錄組結果

5.膿毒癥大鼠腸道轉錄組中特定細菌之間相互作用

作者隨后對微生物豐度和腸道基因表達進行了相關分析，以確定腸道微生物在膿毒癥病理生理學中的潛在作用。結腸的分析結果如圖5所示，可以分為三個細菌群（簇1-3）和三個基因群（簇A-C）。簇1主要包含腸球菌和腸桿菌科細菌，并與簇A的基因呈正相關，這些基因具有炎癥反應和ECM破壞的功能。回腸的相關分析還發現了三個主要細菌群和三個基因群，簇1和簇2的組成與結腸的相似，并且與簇A 和簇B的DEGs緊密相關，但方向相反。

這些結果表明，桿菌和腸球菌可能在膿毒癥中影響不同的宿主腸道生理過程。

圖5 CLP模型大鼠結腸差異菌群和DEGs的相關性分析

在這篇研究中，作者明確了膿毒癥患者腸道微生物群的特征，膿毒癥患者的腸道微生物群表現為重要共生菌減少和腸球菌占主導地位，此外，作者還觀察到色氨酸和酪氨酸代謝物急劇減少，這與細菌組成的改變和更嚴重的臨床結果密切相關，乳酸桿菌也在塑造腸道轉錄物譜方面起著主導作用。這項研究結果可能有助于預測膿毒癥早期患者的臨床結局，并為探索新療法提供轉化基礎。

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