抗生素使用與微生物組功能

張小麗 編譯，張彥 審校

(酵母功能湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，宜昌 443003)

1 前言

隨著基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)微生物的研究逐漸深入。人體一切與外環(huán)境相互作用的部位都定殖著微生物群體，其中人體的皮膚、胃腸道、呼吸系統(tǒng)、口腔和生殖道表面被發(fā)現(xiàn)的微生物分別高達(dá)約1.8m2、300～400m2、160m2、215cm2和90cm2。在成人體內(nèi)至少存在5000種細(xì)菌類型，如果按照簡單的比例計(jì)算，在人體中只有10%的細(xì)胞是本身細(xì)胞，90%的細(xì)胞是微生物的細(xì)胞。微生物個(gè)體間變異性是人體的一個(gè)特征，因?yàn)槊總€(gè)身體部位都有2～7種不同類型的細(xì)菌菌落，其相對(duì)豐度至少有63個(gè)細(xì)菌屬。然而據(jù)估計(jì)，人類微生物已編碼了4×106個(gè)基因，與宿主的26600基因相比約為150:1。人類微生物鑒定出的55個(gè)細(xì)菌中，只有兩種在哺乳動(dòng)物中很突出，包括擬桿菌門(48%)和厚壁菌門(51%)，其余1%的類型包括有變形菌門、疣微菌門、梭菌屬、藍(lán)藻細(xì)菌、放線菌和螺旋體屬，然后是各種古生菌、真菌、原生動(dòng)物、病毒等其它微生物。

在2000年Joshua Lederberg就提出人體是一個(gè)由自身細(xì)胞和共生微生物細(xì)胞構(gòu)成的超級(jí)有機(jī)體，這些微生物和宿主在環(huán)境的影響下相互作用，共同決定人體的健康。然而人類微生物群會(huì)因環(huán)境的改變而發(fā)生變化，其變化程度不僅取決于環(huán)境因子本身的性質(zhì)、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，還取決于每個(gè)微生物群的穩(wěn)定性。

抗生素可以影響細(xì)菌的生長曲線，殺菌抗生素直接殺死細(xì)菌，而抑菌抗生素則抑制細(xì)菌的生長。根據(jù)其生產(chǎn)模式和來源，抗生素可分為天然抗生素、半合成抗生素和合成抗生素。天然抗生素是細(xì)菌產(chǎn)生的一種次生代謝產(chǎn)物，在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)約1.7萬種具有天然活性產(chǎn)物的抗生素，放線菌目種8700種天然抗生素和真菌中4900種天然抗生素。在抗生素治療中，必需考慮其劑量，在微生物學(xué)中，經(jīng)常測(cè)量的參數(shù)是最小抑制濃度(MIC)，定義為在特定環(huán)境下孵育24h，可抑制某種微生物出現(xiàn)明顯增長的最低藥物濃度。在這樣的濃度下，抗生素對(duì)于被規(guī)定消除的病原體并不是特異性的，也會(huì)對(duì)人體的微生物群產(chǎn)生附帶影響。但是微生物變化的程度以及迄今為止使用的每種抗生素所影響的特定微生物和病毒群并沒有被系統(tǒng)報(bào)道。

綜上所述，本文收集了用于測(cè)試過和常用于人體的多種抗生素對(duì)腸道、口腔、呼吸道、皮膚和生殖道微生物群的影響信息，并對(duì)其進(jìn)行總結(jié)分析。

2 抗生素的使用可影響人體微生物群的組成

A.Zhernakova等報(bào)道，對(duì)1135名參與者的腸道菌群測(cè)序發(fā)現(xiàn)，抗生素的使用與腸道微生物的改變顯著相關(guān)。事實(shí)上，在表型匹配的病例對(duì)照分析中，唯一與特定屬差異豐度顯著相關(guān)的藥物是β-內(nèi)酰胺抗生素。兩項(xiàng)研究均報(bào)道，在檢測(cè)到的1649個(gè)分類進(jìn)化枝中，來自雙歧桿菌、 放線菌門的兩個(gè)物種豐度與β-內(nèi)酰胺抗生素使用顯著相關(guān)。除β-內(nèi)酰胺抗生素外，許多抗生素已被證明會(huì)影響人體內(nèi)微生物的組成。廣譜抗生素治療會(huì)破壞微生物群，對(duì)健康產(chǎn)生負(fù)面影響，短期的抗生素治療能夠?qū)⑽⑸锶后w轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期腸道菌群失調(diào)狀態(tài)，這可能會(huì)促進(jìn)疾病的發(fā)展和惡化。

2.1 與微生物菌群改變相關(guān)的抗生素

抗生素被廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)，是醫(yī)學(xué)的支柱之一。它的處方正在不斷上升，其耐藥水平也在不斷升高。然而，市場(chǎng)上新抗生素的數(shù)量卻在下降。

在人類處方抗生素中，迄今為止已描述了68種對(duì)微生物菌群組成產(chǎn)生的附帶變化，這些變化可能會(huì)對(duì)人體的健康產(chǎn)生影響。圖1～圖3是一些代表性抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

不同的抗生素治療不僅對(duì)總微生物群的組成具有顯著不同的影響，而且對(duì)特定的微生物菌群也有顯著不同的影響?？股刂委煂?duì)特定微生物的影響可能不僅是抗生素本身的直接后果，而且與不同類型的給藥方式和化合物的不同藥代動(dòng)力學(xué)，以及每種微生物對(duì)每種抗生素產(chǎn)生不同的耐藥性和降解機(jī)制有關(guān)。事實(shí)上，藥物和植物化學(xué)物質(zhì)被轉(zhuǎn)化成具有生物活性的(柳氮磺吡啶、洛伐他汀和人參皂甙Rb1)和不具有生物活性的(氯霉素、雷尼替丁和甲硝唑)和毒性代謝產(chǎn)物(硝西泮)也可以影響微生物菌落。據(jù)報(bào)道，鼻腔微生物群、口腔微生物群(包括唾液和齦下生物膜微生物群)、呼吸道微生物群(包括鼻腔微生物群)、皮膚微生物群和生殖道微生物群中都報(bào)道了與所有這些抗生素有關(guān)的變化，但所有這些抗生素相關(guān)的變化報(bào)道主要還是發(fā)生在腸道菌群中。

文章分析了22個(gè)組中68種抗生素，并將其對(duì)微生物群的影響進(jìn)行了評(píng)估(如圖4)。

抗生素可以獨(dú)立于原始疾病發(fā)揮重要的生長效應(yīng)，擾動(dòng)而不改變微生物的總體組成和多樣性而是作用于特定細(xì)菌。例如使用美沙拉嗪、妥布霉素、慶大霉素、黃霉素、兩性霉素B、硫酸黏菌素、黏菌素、喹乙醇或替卡西林抗生素治療后，僅一個(gè)細(xì)菌屬進(jìn)化枝豐度發(fā)生顯著改變。相比之下，氟喹諾酮類中恩諾沙星的干預(yù)使32個(gè)微生物組發(fā)生變化，氟喹諾酮類是廣泛使用的抗生素處方之一，所以預(yù)計(jì)它們可能會(huì)很大程度地影響人體微生物群。這些將在后面詳細(xì)討論。

2.2 受抗生素影響最大的細(xì)菌群體

放線菌、擬桿菌門、厚壁菌門和變形菌門。門細(xì)菌內(nèi)對(duì)應(yīng)屬分別為雙歧桿菌屬、擬桿菌屬、糞桿菌屬和埃希氏桿菌屬。其它受影響的類群包括梭菌屬(屬梭菌屬)、浮霉菌(出芽菌屬)和疣微菌門(艾克曼菌屬)。不同的抗生素對(duì)不同細(xì)菌有影響，本文對(duì)22組(其中一組混合物)抗生素影響的細(xì)菌門進(jìn)行了以下總結(jié)：環(huán)脂肽(nr.7)、硝基咪唑(nr.8)和利福霉素(nr.10)對(duì)Proteobacteria不產(chǎn)生影響；氨基水楊酸鹽(nr.9)和氮雜環(huán)戊烷(nr.18)主要影響Firmicutes成員；氨基糖苷類(nr.5)和四環(huán)素(nr.11)對(duì)Actinobacteria不產(chǎn)生影響；磷酸糖脂類(nr.14)未被報(bào)道影響擬桿菌門；多黏菌素(nr.13)、多烯類(nr.15)和磺胺類(nr.21)只影響擬桿菌門和厚壁菌門；呋喃妥因類(nr.12)、唑類(nr.17)和一類新型呼吸道感染抗生素(nr.20)，被稱為J01CAxx、J01EBxx、J01XExx、J01CFxx、D06BXxx、J01AAxx和P01ABxx影響放線菌和厚壁菌門；喹諾酮類(nr.19)主要影響厚壁菌門和變形菌門；β-內(nèi)酰胺(阿莫西林)、林可酰胺類(克林霉素)、磷酸糖脂(黃霉素)影響梭菌屬；β-內(nèi)酰胺(阿莫西林，nr.1，AMO)、林可酰胺類(克林霉素，nr.3，CLI)、磷酸糖脂(黃霉素，nr.14，F(xiàn)LA)影響浮霉菌(出芽菌屬)；β-內(nèi)酰胺(頭孢曲松和頭孢菌素, nr.1，CEEP,CEFT)和林可酰胺(nr.3)影響?zhàn)辔⒕T(艾克曼菌屬)。許多抗生素僅影響少數(shù)幾個(gè)細(xì)菌屬，例如呋喃妥因(nr.12)、唑類(nr.17)影響雙歧桿菌屬和糞桿菌屬；氮雜環(huán)戊烷(nr.18)影響梭菌和糞桿菌屬；喹諾酮類(nr.19)影響葡萄球菌和埃希氏桿菌屬；呼吸道感染抗生素(nr.20)影響乳酸屬和雙歧桿菌屬；以及磺胺(nr.21)影響擬桿菌屬和糞桿菌屬。所有其它抗生素至少影響3種微生物群屬(如圖4)。

圖1 一些代表性抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)

有研究對(duì)單一抗生素和抗生素混合物治療對(duì)細(xì)菌的影響進(jìn)行了比較，用慶大霉素和氨芐青霉素(nr.22，F(xiàn))聯(lián)合治療與兩者單獨(dú)治療相比會(huì)影響更多的細(xì)菌屬。類似地，用阿奇霉素和克拉霉素(nr.22，H)的混合物治療改變15個(gè)細(xì)菌屬的豐度，而二者單獨(dú)治療分別改變了3個(gè)細(xì)菌屬和6個(gè)細(xì)菌屬。相比之下，已證明單獨(dú)使用環(huán)丙沙星(nr.2，CIPF)與聯(lián)合使用環(huán)丙沙星和甲硝唑(nr.22，G)的混合物相比，改變了更多的細(xì)菌屬。另外，用氨芐西林、舒巴坦和頭孢唑林(nr.22，M)的混合物治療導(dǎo)致5個(gè)細(xì)菌屬的變化，要少于受氨芐西林(nr.1，AMP)干預(yù)影響的細(xì)菌屬(8個(gè)屬)，用阿莫西林和克拉維酸治療(nr.22，K)主要影響4個(gè)細(xì)菌屬，而阿莫西林(nr.1，AMO)單獨(dú)治療影響15個(gè)細(xì)菌屬。最后，發(fā)現(xiàn)含有阿奇霉素和克拉霉素(nr.22，H)的抗生素混合物影響紡錘狀細(xì)菌屬(Christensenella)，據(jù)報(bào)道它是最具遺傳性的腸道細(xì)菌。當(dāng)阿奇霉素和克拉霉素單獨(dú)處方使用時(shí)，這種細(xì)菌屬不會(huì)受到影響。已研究證實(shí)某些抗生素可以減少有益菌群的豐度，例如糞桿菌屬(Faecalibacterium)30種抗生素治療、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)40種抗生素治療和勞特氏菌屬(Blautia)(13種抗生素治療。值得注意的是，在報(bào)道的68種抗生素治療中，只有兩種即氟喹諾酮恩諾沙星(nr 2，ENR以及β-內(nèi)酰胺聯(lián)合用藥(nr.22，M)(氨芐西林、舒巴坦和頭孢唑啉)對(duì)這三個(gè)細(xì)菌屬有反面影響。

圖2 一些代表性抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖3 一些代表性抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖3 抗生素治療與人體內(nèi)微生物變化圖像。

綜合分析，以上研究強(qiáng)調(diào)，要求對(duì)抗生素的治療策略采取預(yù)防性措施即不會(huì)對(duì)體內(nèi)的微生物菌群造成傷害或菌群失調(diào)，尤其是對(duì)人體健康發(fā)揮積極作用的細(xì)菌；另外，選擇使用抑制病原體的抗生素時(shí)，關(guān)注對(duì)有益菌產(chǎn)生中性影響的抗生素。

4 抗生素對(duì)微生物功能的影響

如上所述，對(duì)抗生素誘導(dǎo)引起的生態(tài)失調(diào)分析已引起了很大關(guān)注。相比之下，對(duì)微生物基因、蛋白質(zhì)和代謝物等分子的改變研究較少，如抗生素對(duì)微生物組和宿主機(jī)體功能的影響，而不僅僅是微生物菌群的差異量，因此，人們開始意識(shí)到微生物功能的重要性。在分析抗生素對(duì)微生物影響的背景下，很少有研究報(bào)道這些數(shù)據(jù)，并且已報(bào)道的部分?jǐn)?shù)據(jù)也僅限于腸道菌群。

4.1 抗生素對(duì)微生物活性的影響

抗生素的作用可以反映在細(xì)菌細(xì)胞的損傷和/或破壞中，因此它們的酶活性降低。與此同時(shí)，在抗生素干預(yù)過程中，抗生素敏感細(xì)菌被抗性細(xì)菌代替，它維持了整個(gè)微生物群的代謝功能，反映出所謂的冗余性。這意味著多種細(xì)菌賦予的功能可以在抗生素干預(yù)之前和之后在相關(guān)和不相關(guān)的細(xì)菌物種之間共享。盡管在抗生素治療過程中認(rèn)為總體微生物群功能得以維持，但已經(jīng)觀察到有特定酶活性的改變，例如膳食多糖的水解。特別是頭孢唑林、氨芐西林和舒巴坦混合物的治療與糖苷水解酶的活性水平改變有關(guān)。在抗生素治療后，機(jī)體建立了一種新的細(xì)菌群落構(gòu)成，其代謝功能可能與原微生物群落相似。然而，取代易感菌的耐藥菌可能具有相似類別的酶，但每種酶具有不同的性能。

4.2 抗生素對(duì)微生物基因表達(dá)和蛋白質(zhì)合成的影響

為避免從分類學(xué)數(shù)據(jù)中推斷功能，同時(shí)避免細(xì)菌群的功能冗余，研究應(yīng)用高通量測(cè)序和蛋白質(zhì)表達(dá)分析，主要是研究抗生素介導(dǎo)的生態(tài)失調(diào)程度，由基因含量、基因表達(dá)和蛋白質(zhì)合成水平反映。微生物群最明顯的反應(yīng)是增加了少數(shù)細(xì)菌耐藥性的基因獲得和表達(dá)。

最近，研究結(jié)果表明抗生素從治療的初始階段影響菌群組成。在開始治療后11d腸道菌落的生物多樣性達(dá)到最低限度。當(dāng)治療結(jié)束時(shí)，細(xì)菌群體的α多樣性指數(shù)恢復(fù)到開始干預(yù)之前的水平。然而，其中一些細(xì)菌如瘤胃球菌屬、一種厭氧菌(Barnesiella)和梭菌目的相對(duì)豐度存在一些變化。因此，明確在治療前后具有相似α多樣性以及微小差異的β多樣性的腸道菌群是否具有相似的代謝狀態(tài)至關(guān)重要。通過分析基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的表達(dá)譜結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)抗生素治療停止時(shí)，表達(dá)和合成基因和蛋白質(zhì)的數(shù)量及豐度水平顯著低于治療前。說明停止治療時(shí)基因和蛋白質(zhì)的通量發(fā)生重要變化，這也表明抗生素誘導(dǎo)引起細(xì)菌的改變進(jìn)而導(dǎo)致基因和蛋白質(zhì)通量的變化。阿莫西林(β-內(nèi)酰胺類)、環(huán)丙沙星(氟喹諾酮類)、萬古霉素(糖肽類)、氯霉素和紅霉素的使用可影響體內(nèi)tRNA生物合成、翻譯、維生素轉(zhuǎn)運(yùn)、磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)、應(yīng)激反應(yīng)和質(zhì)子動(dòng)力相關(guān)的基因表達(dá)。最近的另一項(xiàng)研究中，接受了頭孢唑林、氨芐西林和舒巴坦混合物β-內(nèi)酰胺治療的患者中，編碼膳食多糖降解酶基因的數(shù)量和表達(dá)量發(fā)生了變化。這表明抗生素干預(yù)極大地改變了微生物菌群和負(fù)責(zé)降解食物成分的各種物質(zhì)。不同的抗生素會(huì)導(dǎo)致微生物產(chǎn)物(基因和蛋白質(zhì))的不同變化，但是目前研究的68種抗生素對(duì)體內(nèi)微生物的影響數(shù)據(jù)有限。

4.3 抗生素治療過程中微生物代謝物含量的變化

根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，抗生素是唯一與人體內(nèi)微生物群顯著變化相關(guān)的藥物。那么抗生素在多大程度改變了微生物的代謝通量？有研究顯示，氨基糖苷類鏈霉素的治療影響了糞便中87%的代謝物豐度水平。然而，用克林霉素、哌拉西林或三唑巴坦治療影響了30%糞便代謝物豐度水平。最近另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在使用氨芐西林、舒巴坦和頭孢唑啉聯(lián)合靜脈治療后，與對(duì)照組相比，糞便代謝物豐度水平只有4.4%變化。這表明每種抗生素都會(huì)不同程度的影響微生物代謝物通量。

4.4 抗生素治療過程中的細(xì)菌移位

除上面的改變之外，還應(yīng)該注意到抗生素(如口服抗生素)可誘導(dǎo)共生細(xì)菌穿過結(jié)腸上皮細(xì)胞易位，從而促進(jìn)炎癥反應(yīng)并誘發(fā)疾病或類似焦慮的行為。

5 結(jié)論和展望

人體大腸內(nèi)寄居著最密集、最復(fù)雜的細(xì)菌菌群，被稱為腸道菌群，與人體相互依存形成共生的生態(tài)系統(tǒng)。腸道菌群不僅能降解食物中不可消化的營養(yǎng)成分、提供宿主維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，還能促進(jìn)腸上皮細(xì)胞的分化與成熟、激活腸道免疫系統(tǒng)以及調(diào)節(jié)宿主能量存儲(chǔ)與代謝。人體與腸道微生物之間形成互利共生的關(guān)系，宿主的生理表型及營養(yǎng)狀態(tài)可以影響腸道菌群結(jié)構(gòu)，腸道菌群反過來也可以影響宿主的疾病與健康表型。腸道菌群的功能主要表現(xiàn)在營養(yǎng)、代謝和保護(hù)等方面。然而，人體的皮膚表面、口腔、肺泡和生殖道等同樣居住著多種微生物群體。抗生素的使用減少了人體內(nèi)微生物的種類和多樣性，然而抗生素對(duì)人類特定微生物進(jìn)化過程中豐度的影響尚未見報(bào)道。本篇綜述填補(bǔ)這項(xiàng)空白，論述了大約68種不同抗生素對(duì)人類微生物群組成和微生物組功能的影響。