文章標(biāo)題：Functional Restoration of Bacteriomes and Viromes by Fecal Microbiota Transplantation

發(fā)表期刊：Gastroenterology

發(fā)表時(shí)間：2021年5月

艱難梭菌是一種革蘭氏陽性厭氧芽孢桿菌，廣泛存在于腸道和環(huán)境中，通過糞-口途徑傳播，抗生素治療和住院等是其最重要的影響因素。復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染（rCDI）被認(rèn)為是抗生素治療后引起的腸道菌群失調(diào)狀態(tài)，這種失調(diào)使患者易受新的艱難梭菌感染，或再次感染原染菌株，特別是在患者服用新的抗生素情況下[1] 。 

菌群移植（FMT）是將健康供體的腸道菌群轉(zhuǎn)移到患者的腸道內(nèi)，以期恢復(fù)其腸道微生態(tài)的過程，自1958年Eiseman首次用FMT治療艱難梭菌感染，F(xiàn)MT已被證明是治療rCDI的一種高效廉價(jià)的治療手段。然而，Pasolli E[2]報(bào)道的兩例FMT后因耐抗生素細(xì)菌感染導(dǎo)致的死亡，以及噬菌體的轉(zhuǎn)移和一些未知菌的出現(xiàn)，需要對(duì)治療后的菌群特征和功能進(jìn)行更加深入的研究，以解決圍繞FMT治療的安全擔(dān)憂。

來自大阪城市大學(xué)和東京大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所的研究人員，對(duì)從波士頓布里格姆和婦女醫(yī)院的9名成功進(jìn)行FMT的rCDI患者接受治療前2周和治療后8周（接受不同抗生素治療，臨床上診斷治愈）以及供體糞便樣本的腸道細(xì)菌和病毒進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了rCDI中參與發(fā)病的細(xì)菌和噬菌體，以及他們對(duì)腸道菌群功能恢復(fù)的重要途徑。
 

1.FMT對(duì)腸道菌群的影響

對(duì)接受治療前后和供體的細(xì)菌和病毒進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖1)，Negativicutes（陰性丹毒菌）、Gammaproteobacteria（γ變形菌門）、Fusobacteria（梭桿菌門）、Myoviridae（肌尾噬菌體科）和unclassified Caudovirales在治療前的樣本中相對(duì)含量顯著高于治療后，而Clostridia（梭菌）、Erysipelotrichia（單毒絲菌）、Bacteroidia（擬桿菌）、Microviridae（微小噬菌體科）和crAss-like phage在治療后的樣本中含量顯著高于治療前。治療后樣本中細(xì)菌和病毒的多樣性和豐富度顯著高于治療前，此外Microviridae和crAss-like phage的豐富度在治療后顯著升高，表明FMT能改善rCDI引起的腸道菌群失調(diào)。Bray-Curtis相宜度分析也發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MT治療后的rCDI的菌群更趨向于供體。相關(guān)性分析表明，rCDI治療前后樣本的Microviridae和變形菌門負(fù)相關(guān)，進(jìn)一步驗(yàn)證糞菌移植對(duì)受體Microviridae的影響。

圖1 腸道菌的變化
 

2.基于原噬菌體的微生物和噬菌體互作
 

提取細(xì)菌和病毒的contigs獲取原噬菌體的序列，根據(jù)宿主細(xì)菌對(duì)原病毒進(jìn)行分類發(fā)現(xiàn)(圖2A)，隨治療后細(xì)菌豐富度和多樣性增加，原噬菌體數(shù)量增加；厚壁菌門和擬桿菌門中的原噬菌體增加，但變形菌門中的原噬菌體逐漸減少甚至消失。結(jié)果也進(jìn)一步表明原噬菌體數(shù)量和組成與細(xì)菌變化一致。根據(jù)細(xì)菌目水平對(duì)原噬菌體進(jìn)行分類的結(jié)果表明 (圖2B)，治療前，46%變形菌門來源的原噬菌體為有溶菌噬菌體功能的Myoviridae，少量厚壁菌門和擬桿菌門來源的原噬菌體為Microviridae，沒發(fā)現(xiàn)p-crAssphage或crAss-like噬菌體。那么原噬菌體是否存在于受體的病毒顆粒？對(duì)宿主每個(gè)病毒片段的contig進(jìn)行分析（圖2C），獲取25個(gè)有相關(guān)性的細(xì)菌-噬菌體，且每個(gè)原噬菌體來源的細(xì)菌序列contig只對(duì)應(yīng)一個(gè)病毒contig，此外每個(gè)細(xì)菌contig只對(duì)應(yīng)一個(gè)綱，每個(gè)環(huán)狀病毒contig與一個(gè)病毒目或科相關(guān)；與宿主細(xì)菌在治療后消失一致，有13個(gè)細(xì)菌-噬菌體的相關(guān)性在治療后消失。
 

圖2 治療前后基于原噬菌體的細(xì)菌和噬菌體相關(guān)性

3.基于CRISPR-Spacer的微生物與噬菌體互作
 

CRISPR-Spacer相關(guān)性表明，F(xiàn)MT治療后CRISPR spacers的數(shù)量升高且與與供體的相近，其中丙型變形菌綱的spacers數(shù)降低，而變形菌門和擬桿菌門的spacers數(shù)升高（圖3A）。從各組spacers交集結(jié)果可以看出（圖3B），B1區(qū)Microviridae對(duì)應(yīng)的spacers數(shù)量在治療后樣本中含量高，與Mircroviridae所占比值在移植后升高對(duì)應(yīng)。此外，選取與Microviridae相關(guān)的spacers與細(xì)菌進(jìn)行分析，治療后與擬桿菌相關(guān)的spacers升高，且在B6區(qū)有一半以上的spacers與副擬桿菌和擬桿菌相關(guān)。因此可以推斷，F(xiàn)MT治療后腸道環(huán)境的改善可能與擬桿菌和Microviridae的共生相關(guān)。
 

圖3 基于CRISPR-Spacer的微生物與噬菌體互作

4.細(xì)菌和病毒基因的改變
 

KEGG功能研究發(fā)現(xiàn)（圖4A），糞菌移植后，次級(jí)膽汁酸生物合成，精氨酸和鳥氨酸代謝等通路富集，氟苯甲酸酯（fluorobenzoate）降解通路降低。對(duì)次級(jí)膽汁酸生物合成通路相關(guān)基因研究看出（圖4B），F(xiàn)MT有利于受體細(xì)菌獲取次級(jí)膽汁酸合成相關(guān)的基因（如baiB和baiF）。對(duì)與次級(jí)膽汁酸合成相關(guān)的細(xì)菌的研究發(fā)現(xiàn)（圖4C），Clostridium scindens和Clostridium leptum在治療后升高。

與氟苯甲酸酯降解通路（與腸道炎癥嚴(yán)重程度密切相關(guān)）的基因在FMT治療后也發(fā)生較大變化；對(duì)細(xì)菌contigs（有與氟苯甲酸酯通路相關(guān)KO的開放閱讀框）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，變形菌門在治療后減少；此外，對(duì)病毒組的KO分析發(fā)現(xiàn)與病毒復(fù)制、鐵轉(zhuǎn)運(yùn)、ssSNA噬菌體組裝和抗菌肽抗性相關(guān)基因的變化。研究也進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)（圖4E），97%的病毒contig（大部分病毒為Caudovirales）有與對(duì)調(diào)控腸道失調(diào)有重要作用的基因amiABC；最后，也發(fā)現(xiàn)7個(gè)病毒contigs相關(guān)的擬桿菌、厚壁菌、疣微菌和梭桿菌的contigs密切相關(guān)。

圖4 功能和基因研究


5.總結(jié)
 

通過對(duì)復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染（CDI）的患者FMT治療前后及其供體的腸道細(xì)菌組及真菌組分析，發(fā)現(xiàn)治療后呈負(fù)相關(guān)的變形菌門（降低）和Microviridae（升高），也發(fā)現(xiàn)了次級(jí)膽汁酸生物合成的富集和氟苯甲酸酯（fluorobenzoate）降解通路的降低，從腸道細(xì)菌和病毒功能層面進(jìn)一步闡釋了FMT的安全有效性；但FMT對(duì)腸道細(xì)菌功能恢復(fù)的穩(wěn)定性如何，在治療失敗的患者體內(nèi)變化這些菌是怎么變化的以及是否受性別和地域等外部因素的影響，有待進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] Timothy A Rubin, et al. Fecal microbiome transplantation for recurrent Clostridium difficile infection: report on a case series. Anaerobe . 2013 Feb;19:22-6.

[2] Pasolli E, Asnicar F, Manara S, et al. Extensive unexplored human microbiome diversity revealed by over 150,000 genomes from metagenomes spanning age, geography, and lifestyle. Cell 2019;176:649–662.e20.