COVID-19患者住院期间的肠道菌群变化

COVID-19患者住院期间的肠道菌群变化

谷禾健康

新冠肺炎是一种由新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引起的呼吸道疾病，截至2020年5月1日，全球已有330多万人感染，致病和死亡率高，人类生命受到了极大威胁。近日，来自香港中文大学医学院Siew C. NG教授及其团队在国际顶级期刊《Gastroenterology》发表的一篇题为：Alterations in Gut Microbiota of Patients With COVID-19 During Time of Hospitalization （COVID-19患者住院期间的肠道菌群变化），揭示了COVID-19患者住院期间的肠道菌群特征，及其与疾病程度和粪便病毒载量的关联。虽然此项研究样本量有限，而且只包括中/重度疾病的住院患者，但是研究人员认为这些发现表明个体的肠道微生物组结构可能会影响宿主对SARS-CoV-2感染的敏感性和反应。这些数据突出了一个新的概念，即新颖和有针对性的肠道菌群调节方法可能代表着新冠肺炎及其共病的一条治疗途径。

摘要

虽然知道SARS-CoV-2可以感染胃肠道组织，但关于肠道微生物对感染SARS-CoV-2的易感性和感染严重程度的作用却知之甚少。在本文中，研究人员对15名新冠肺炎患者的粪便样本进行了宏基因组测序分析，并比较了6名社区获得性肺炎患者和15名健康对照的微生物数据，用以调查新冠肺炎患者住院期间的粪便微生物群的变化以及感染严重程度与病毒的粪便排出之间的关联。研究人员发现15名新冠肺炎患者与对照组相比，新冠肺炎患者在入院时和住院期间各时间点的粪便微生物群均有明显变化，主要表现为条件致病菌增多，有益共生菌减少。即使清除了SARS-CoV-2(通过咽拭子确定)和呼吸道症状缓解后，耗竭的共生菌和肠道菌群失调仍然存在。就结果而言，粪便微生物群的改变与粪便中SARS-CoV-2的含量和新冠肺炎的严重程度相关。疾病程度与基线时的粪芽孢菌属、多枝梭菌、哈氏梭菌丰度正相关，与普氏粪杆菌负相关；改变肠道菌群的策略可能会降低疾病的严重程度。

背景

来自武汉的早期报告显示，2-10%的新冠肺炎患者有胃肠道(GI)症状，包括腹泻，但最近的一项Meta分析报告称，高达20%的患者有胃肠道症状。研究发现，在近50%的新冠肺炎患者的肛拭子和粪便样本中都检测到了SARS-CoV-2病毒，这表明消化道可能是病毒复制和活动的肺外部位。此外，有研究证明SARS-CoV-2利用血管紧张素转换酶2(ACE2)受体进入宿主，该受体在呼吸道和胃肠道都高度表达。ACE2在控制肠道炎症和肠道微生物生态中起重要作用。肠道中的共生微生物生态系统是动态的，可以受入侵的病毒调节以促进刺激或抑制反应。研究表明，呼吸道病毒感染可能与肠道微生物群改变有关，这使患者容易受到继发性细菌感染。最近对支气管肺泡灌洗液的宏转录组测序显示，SARS-CoV-2感染患者的微生物群以病原菌或口腔和上呼吸道共生菌为主。了解SARS-CoV-2感染背后的宿主微生物扰动，这可能会影响对感染的应对和未来各种免疫干预措施（如疫苗）的有效性。

实验设计

1.受试者筛选

研究涉及15名经实验室确诊感染SARS-CoV-2并因此住院的新冠肺炎患者和6名社区获得性肺炎住院患者（肺炎对照）以及15名健康人（健康对照）。

其中：

新冠肺炎患者是指对RdRp基因的不同区域进行连续两次RT-PCR检测确认。肺炎对照是指在两份呼吸道样本中SARS-CoV-2的PCR检测结果均为阴性。健康对照是指在过去3个月中没有病史或抗生素摄入史的个体，且SARS-CoV-2的PCR检测结果为阴性。

2.粪便样本采集

新冠肺炎患者每周连续采集粪便标本2~3次，直至出院。

“Cov”指新冠肺炎患者；“D0”表示住院后收集第一次大便的基线日期，以下以“D”开始的时间点表示自基线收集粪便后的天数；“+ve throat swab”表示鼻咽/咽喉/混合拭子检测中首次出现SARS-CoV-2病毒阳性结果；“-ve throat swab”表示在连续两次鼻咽/咽喉/混合拭子检测中首次出现SARS-CoV-2病毒阴性结果，患者随后出院。“Symptom onset”表示首次出现症状；

3.样本分析手段

利用RT-PCR检测技术对粪便样品中的SARS-CoV-2定量。再利用宏基因组测序技术对粪便样品进行微生物分析。

主要结果

1. 新冠肺炎患者肠道菌群变化及病程纵向变化。新冠肺炎患者肠道菌群的特点是条件致病菌富集，而有益共生菌减少。并且这种菌群失调在新冠肺炎病程中持续存在，即便是在SARS-CoV-2清除/恢复之后。

15名新冠肺炎患者中，7名未使用抗生素药物[COVID-19(abx-)]，8名在基线（定义为入院后第一次粪便采集之日）接受经验性抗生素使用[COVID-19(abx+)]

A).通过PERMANOVA检验确定脂肪肝、年龄、性别、糖尿病、抗生素使用、高脂血症在肠道菌群组成中的影响大小。结果表示新冠肺炎感染对肠道菌群组成的影响最大（P=0.002，** p<0.01，* p<0.05）

B). 基于Bray-Curtis相异度的NMDS(非度量多维尺度)图观察COVID-19微生物群落的变化。从整个微生物群落水平看，健康对照组和COVID-19(abx-)的粪便微生物群各自聚集，且COVID-19(abx-)的微生物群落更具异质性。新冠肺炎患者伴随着抗生素的使用，其微生物群落组成与健康对照组差异越来越大。

C).新冠肺炎患者在病程中的肠道菌群与健康对照组的不同。Bray-Curtis计算。灰色区域表示健康对照者肠道菌群的Bray-Curtis差异范围，黑色实线表示健康个体之间的中位数差异。“圆点”表示使用了抗生素，“三角形”表示未使用抗生素。总体而言，所有新冠肺炎患者的肠道菌群都保持着稳定，但无论是在疾病进展中还是在SARS-CoV-2清除后，其肠道菌群都与健康对照组明显不同。值得注意的是，患者CoV4在第5天出院，但他在第22天的肠道微生物群与健康人还是持续不同。

上图所示5名新冠肺炎患者的微生物群(CoV1，4，7，11，15)随着时间的推移显示出与健康微生物群更接近，而患者CoV3，5，8，10和12的微生物群随着时间的推移与健康微生物群变得更加不同

2.肠道菌群与新冠肺炎病情严重程度的相关性。肠道厚壁菌门细菌与COVID-19严重程度的相关性突出表明，细菌成员在调节人类对SARS-CoV2感染的反应和感染严重程度方面具有潜在作用。

总共发现23个细菌分类群与新冠肺炎病的严重程度密切相关，其中大部分(15个)来自厚壁菌门。与新冠肺炎疾病严重程度最具正相关的细菌有三种，分别为来自厚壁菌门的Coprobacillus菌属，Clostridium

ramosum和Clostridium hathewayi菌种，且Coprobacillus菌已被证明能显著上调ACE2在小鼠结肠中的表达。与此相反，两种最常见的益菌Alistipes onderdonkii和Faecalibacterium

prausnitzii，它们与新冠肺炎的疾病严重程度呈负相关。“correlation coefficient

Rho”表示Spearman相关系数。

3.拟杆菌物种可能通过阻碍SARS-CoV-2通过ACE2进入宿主，而在抗击SARS-CoV-2感染方面具有潜在的保护作用。肠道Erysipelotrichaceae科可能在增强宿主肠道感染SARS-CoV-2方面发挥作用。

A). 新冠肺炎患者粪便中SARS-CoV-2病毒含量的纵向变化。15名患者中有11名患者住院期间在粪便中检测到SARS-CoV-2核酸，其中5名患者体内的SARS-CoV-2病毒随着时间的推移被清除了。

B).病程期间细菌与粪便病毒含量的Spearman相关分析。在所有粪便样本中，共有14种细菌与粪便中的SARS-CoV-2病毒含量显著相关。4种拟杆菌种包括Bacteroides dorei、Bacteroides thetaiotaomicron , Bacteroides massiliensis和Bacteroides ovatus，与粪便中SARS-CoV-2含量呈显著呈负相关。值得一提的是，这4种物种都与小鼠结肠中的ACE2表达下调有关。Erysipelotrichaceae bacterium

2_2_44A菌种与粪便中SARS-CoV-2含量呈显著正相关。一些研究表明Erysipelotrichaceae科与胃肠道炎症疾病有关。

结论

综上所述，研究发现尽管清除了SARS-CoV-2病毒，但大多数患者仍然在COVID-19中损失了有益的物种，这表明接触SARS-CoV-2感染和/或住院治疗可能对肠道微生物群有更持久的有害影响。在新冠肺炎患者肠道中发现的致病菌中，Clostridium hathewayi的基线丰度越高，新冠肺炎病情越重。而以带有能够抑制结肠ACE2表达的几种拟杆菌与SARS-CoV-2粪便病毒含量呈负相关。这些发现表明个体的肠道微生物组结构可能会影响宿主对SARS-CoV-2感染的敏感性和反应。但此项研究仍具有局限性，研究人员认为最主要的问题是样本量有限，且由于实验设计中只包括中/重度疾病的住院患者，这些发现可能并不适用于所有的新冠肺炎病例，包括轻度或无症状的新冠肺炎。而利用住院后收集的粪便样本进行的微生物群分析并不能代表新冠肺炎发病时真实的基线微生物群，也不能代表发病前的基线微生物群。但研究人员表示他们的研究提供了新冠肺炎会导致长期肠道菌群失调的证据及其与粪便中SARS-CoV-2病毒含量和疾病严重程度的关系。这些数据突出了一个新的概念，即新颖和有针对性的肠道菌群调节方法可能代表着新冠肺炎及其共病的一条治疗途径。

TIPs：

轻度，如果没有肺炎的影像学证据

中度，如果肺炎伴随发烧和呼吸道症状出现

严重，如果呼吸频率≥30次/分钟，呼吸环境空气时血氧饱和度≤93%，或动脉血氧分压/氧体积分数≤300mmHg（1mmHg=0.133kPa）

危重，如果休克或呼吸衰竭需要机械通气或器官衰竭需要重症监护。