肠道尿路病原体丰富度是细菌尿和尿路感染发生的危险因素

肠道尿路病原体丰富度是细菌尿和尿路感染发生的危险因素

尿路感染又称为泌尿系统感染,是尿路上皮对细菌侵入导致的炎症反应,通常伴随有菌尿和脓尿。尿路感染波及面广、诱因复杂以及人体各器官互为影响,让尿路感染形成反复发作、反复治疗,反复用药,最后导致菌群失调,霉菌感染,致使病情更加复杂。

近日,美国纽约威尔康奈尔医学院的一项关于大样本人群尿路感染的研究成果“Gut uropathogen abundance is a risk factor for development of bacteriuria and urinary tract infection(肠道尿路病原体丰富度是细菌尿和尿路感染发生的危险因素)”在线发表在《自然-通讯》(Nature Communications)(doi: 10.1038/s41467-019-13467-w )。

该研究证实大肠杆菌和肠球菌粪便相对丰度的增加与相应生物体未来发生菌尿的风险增加有关。大多数样本中同一受试者的尿液和粪便标本中都存在泌尿系致病基因,如FimH和抗生素耐药基因。该研究结果支持未来可以通过调节肠道微生物群作为预防尿路感染的新策略,特别是在反复尿路感染的情况下。

摘要

研究的主要重点是调查肠道微生物群与发生菌尿或尿路感染(UTI)的风险之间的关系。研究人员使用16S rRNA基因深度测序对168例肾移植受者的510个粪便样本进行肠道微生物谱分析,并对一部分粪便样本和尿液上清液样本进行宏基因组测序,评估了成对大肠杆菌尿液和粪便标本中存在的泌尿系致病基因和抗生素耐药基因。研究人员得出,1%大肠杆菌肠道中相对丰度是大肠杆菌菌尿和UTI的独立危险因素,1%肠球菌肠道中相对丰度为是肠球菌菌尿的独立风险因素。菌种分析在同一受试者的肠道和尿液中发现的物种之间建立了紧密的应变水平对齐。研究结果支持肠道微生物群-UTI轴,表明调节肠道微生物群可能是预防UTI的一种潜在的新策略。

背景

尿路感染(UTI)是世界上最常见的细菌感染之一,而大多数泌尿系统细菌感染的来源通常被推定为肠道。肾移植受者是研究UTI发病机制的独特人群,因为他们经常被诊断为菌尿(尿培养阳性,无临床症状)和UTI(尿培养阳性,有排尿困难、尿频、尿急或发热的临床症状)。尿路感染的发病机制很复杂,肠道尿路致病菌污染尿道周围空间被认为是第一步,随后是尿道和膀胱的定植。在一项对26名肾移植受者的初步研究中,我们进行了一系列肠道微生物菌群分析,我们报告了肠球菌丰度和肠球菌尿路感染之间的联系。在最近的另一项针对UTIs和非UTIs儿童的病例对照研究中, UTIs患儿大肠杆菌的相对丰度明显高于UTIs。这两项研究都评估了UTI发生时肠道菌群是否与UTIs相关,但没有评估肠道菌群是否为菌尿和UTI发生的危险因素。

实验设计

样本采集:

168例肾移植受者在移植后3个月内的510份连续粪便标本,在移植后第1周、第2周、第4周和第12周以及腹泻发作期间以及UTI发作期间收集粪便标本。常规尿培养在每次常规门诊时进行(第一个月每周两次,第二个月每周一次,第三个月每两周一次,最多每月一次至6个月)。其中102名受试者出现菌尿(≥10000集落形成单位[cfu]/mL),归为菌尿组。66名受试者在移植后的前6个月内未出现菌尿症,归为无菌尿组。

测序方法:

对510份粪便标本进行V4-V5高变区16S rRNA基因深度测序,以评估肠道微生物区系与未来细菌尿和UTI发展的关系。在一组有菌尿的受试者中,提取其尿上清液中的游离DNA,通过鸟枪式宏基因组测序评估成对粪便样本,以评估菌株相似性、泌尿致病基因和抗生素耐药基因。

统计分析:

使用双尾Wilcoxon秩和检验比较连续变量的分布;双尾Fisher精确检验比较分类变量的分布;Cox回归风险模型来估计特定有机体的相对粪便丰度是否与同一生物体的菌尿的发展相关,其中粪便相对丰度作为一个随时间变化的协变量,其中假设丰度值直到微生物丰度值第一次超过阈值时才超过;多变量Cox回归风险模型用于评估之前分析过的临床变量以及终末期肾病的原因和计算的群体反应性抗体状态。使用类似的Cox回归风险模型来估计抗生素类别是否与肠球菌或大肠杆菌的相对丰度作为时间依赖性协变量的发展有关。

主要结果

1. 评估了与菌尿相关的五个最丰富的肠道菌属相对丰度和各自菌尿组的时间动态。菌尿组中的肠道中大肠杆菌和肠球菌相对丰度显著高于无菌尿组中的。

图中使用了1%相对丰度的临界值,这是LOESS曲线的上限。肠道细菌的相对丰度在y轴上(对数标度),移植后粪便标本采集的天数在x轴上。红色的点表示菌尿组,该点反映属于相应的细菌组的一个样本,蓝色的点,反映相应的无菌尿组。95%置信区间(灰色)的拟合曲线是按群体状态创建的。使用Wilcoxon秩和检验进行肠道细菌相对丰度的组间比较。a图表示大肠杆菌状况,b图表示肠球菌状况,c图表示克雷伯氏菌状况,d图表示葡萄球菌状况,e图表示链球菌状况。

2. 1%大肠杆菌肠道中相对丰度与大肠杆菌菌尿的未来发展相关(HR2.8,P=0.002)。1%肠球菌肠道中相对丰度与肠球菌菌尿的未来发展相关(HR:2.4,P=0.01)。

采用Cox比例风险模型评价肠道菌群丰度与菌尿大肠杆菌或肠球菌未来发展的关系。1%的大肠杆菌或肠球菌相对丰度被评估为时间相关的协变量。对所有特征进行单变量分析,并在多变量分析中进一步分析与菌尿中菌株显著相关的特征(P < 0.10)。粗体文字是与菌株未来发展相关的特征。

3. 菌种分析中发现大肠杆菌、粪肠球菌、屎肠球菌这三种菌株,在部分同一受试者的粪便样本和菌尿样本中密切相关。在对大肠杆菌相关的尿路感染致病基因和抗生素耐药基因的评估中发现在配对的尿液和粪便标本中都存在这些基因。这支持来自相同受试者的尿液和肠道大肠杆菌菌株的相似性。

成对的尿便标本中的菌种分析、泌尿致病基因和抗生素耐药基因分析。a、b、c图为分别基于大肠杆菌菌株、粪肠球菌菌株、屎肠球菌菌株比对构建的系统发育树,并在x轴上记录了菌株之间不同的序列比例。每个点代表一种来自尿液或粪便标本的菌株,不同的颜色代表不同的受试者。d图为使用HUMAnN219测定细菌基因后,对尿路致病性大肠杆菌相关基因(x轴)的相对丰度进行估算,y轴为大肠杆菌相关尿标本和配对粪便标本。e图为使用MEGARES抗生素耐药数据库上的Bowtie2确定抗生素耐药基因(x轴),并估计这些基因的表达水平。y轴为大肠杆菌相关尿液标本和配对粪便标本。丰度以蓝色强度、对数比例表示。

结论

证明了大肠杆菌和肠球菌粪便相对丰度的增加与相应生物体未来发生菌尿的风险增加有关。大多数样本中同一受试者的尿液和粪便标本中都存在泌尿系致病基因,如FimH和抗生素耐药基因,进一步支持了菌株比对分析,即肠道中的大肠杆菌与同一受试者尿液中的大肠杆菌相似。虽然,研究中无法评估移植前和移植后肠道微生物群的变化,因为只有5名受试者在移植前提供标本。但结果数据依然支持尿路致病性菌株在肠道丰度的增加是菌尿和尿路感染发展的危险因素。这些结果进一步支持了未来关于调节肠道微生物群作为预防尿路感染的潜在新策略的研究,特别是在反复尿路感染的情况下。

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