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脓毒症是一种危及生命的疾病，在发生严重感染导致宿主出现剧烈炎症反应时会发生。在某些情况下，脓毒症会发展为多器官功能障碍综合征，使预后恶化。在危重病期间，胃肠道转运的变化以及独特的药物和营养模式会促使肠道微生物群发生巨大变化，相反，紊乱的微生物群为病原微生物的生长提供了有利条件，使病情恶化。

2023年上海交通大学医学院附属瑞金医院毛恩强课题组发表在Critical Care上的题为“Altered intestinal microbiome and metabolome correspond to the clinical outcome of sepsis”的文章，通过使用微生物组和代谢组学分析了临床病人的粪便样本，发现色胺酸代谢与微生物群的改变和脓毒症的严重程度密切相关。

40例临床患者

20例健康对照

脓毒症大鼠

1.脓毒症患者微生物群落分析

作者首先比较了脓毒症患者和健康对照（HC）之间的微生物多样性，结果表明，脓毒症组的α多样性明显低于HC组，群落结构也有差异，脓毒症患者中变形菌门和肠球菌科的比例有所上升，但固着菌门和漆树菌科的比例显著下降，LefSe分析表明，脓毒症患者体内促进健康的菌群明显减少（图1A-D）。此外，关联网络结果显示，脓毒症患者的细菌间关系网络相对简单，且肠球菌对其他类群表现出特殊的抑制作用（图1E）。

图1 脓毒症患者和HC微生物改变的比较

2.脓毒症患者代谢特征与微生物群改变之间的相关性

随后，作者进行了粪便样本的非靶代谢组分析，脓毒症患者与健康对组相比代谢物轮廓有明显差异，火山图显示，虽然共有449个差异物质，但脓毒症中高表达的仅有10个，表明患者的代谢活性减弱（图2A-B）。通过评估不同变量的影响，发现抗生素的影响较大。KEGG富集差异代谢物后，结果显示出色氨酸的潜在影响，差异代谢物在很大程度上参与了氨基酸代谢，包括色氨酸、酪氨酸、精氨酸和脯氨酸代谢（图2C）。考虑到肠道微生物与代谢物之间的密切联系，作者评估了菌群与代谢物之间的相关性，在排名前五的细菌中，有四种属于拉赫诺斯皮拉科，屎肠球菌与代谢物几乎呈负相关，此外，作者还确定了与细菌关系最密切的10种代谢物，其中6种是芳香族化合物，其中，参与色氨酸代谢的代谢物3-甲基二氧吲哚与微生物之间的关系最为密切（图2D）。

图2 脓毒症患者的差异肠道代谢物及其与微生物群的相关性

3.肠道微生物和代谢结构与脓毒症临床严重程度之间的一致性

如图3A所示，根据微生物组成，患者可以分为三个亚型（ E1，E2，E3），EI以拉克诺斯皮拉菌科和反刍球菌科为主；E2以肠球菌为主；E3以乳酸杆菌和志贺氏菌为主。其中，E3 型患者的病情最为危重，与非E3型患者相比，APACHE II（急性生理学和慢性健康评估II）评分≥18分的患者比例明显更高。与其他肠型相比，E2患者的细菌多样性和丰富度较低，但病情并不比其他患者严重（图3B-C）。

脓毒症存活患者的主要细菌类群与临床指标之间的相关性结果表明，硫杆菌的OTU773 和利剑花科的OTU822与ICU住院时长显著正相关（图3D），重症监护室期间出现并发症的患者的普通拟杆菌 OTU773载量明显较高，虽然未达到显著性差异，但数据显示，在死于脓毒症的患者中的普通拟杆菌 OTU773含量相对更高（图3E-F）。

肠道代谢物与脓毒症疾病严重程度之间相关性结果表明，有3种化合物与重症监护室的住院时间呈负相关（图3G），此外有两种脓毒症相关代谢物在非存活患者中减少。这3种代谢物中有4种是芳香族化合物，参与氨基酸代谢，尤其是色氨酸和酪氨酸的代谢，5-羟基吲哚乙酰甘氨酸也与APACHE II评分呈正相关。非存活患者体内的犬尿氨酸含量较高，且在抗生素治疗后依旧有较高丰度的色氨酸代谢物，表明色氨酸代谢物在脓毒症的发展过程中起着举足轻重的作用。          

图3 微生物和代谢特征与败血症临床严重程度的相似之处 

4. 脓毒症大鼠肠道菌群和肠道基因表达的变化

由于临床患者的肠道微生物无法排除多种临床药物的干扰，因此，作者在建立的由腹腔感染引起的经典脓毒症CLP大鼠模型中进行了验证。与患者组和HC组相似，脓毒症大鼠组与假手术组在肠道微生物组成方面存在差异（图4A），在脓毒症大鼠体内，必需益生菌比例下降，而机会性病原菌如肠杆菌科和肠球菌则大量繁殖，且与不良预后有关的B. vulgatus数量显著增加（图4B）。

作者重点研究了脓毒症大鼠肠道转录组的差异，KEGG分析显示，在脓毒症患者的回肠和结肠中上调的大量基因参与细胞因子-细胞因子受体相互作用和趋化因子信号通路。多种细胞粘附分子在脓毒症结肠中下调，与类固醇激素的生物合成、过氧化物酶体增殖激活受体（PPAR）信号通路和胆固醇代谢中也被发现基因转录水平下调（图4C）。WGCNA结果显示，关于结肠中的核心DEGs，Plg 协助 ECM 破坏和中性粒细胞迁移，Il6参与炎症，Apob和 Apoe是脂蛋白载体的成分，可能通过结合内毒素或其他毒素调节免疫过程。关于回肠中的DEGs，Cd44、Vcam1 和 Cxcr4参与了免疫细胞的聚集过程，而 Mmp9降解粘附物质以促进细胞运动（图4D）。

综上所述，脓毒症的肠道转录组显示了与各种宿主反应相关的炎症风暴。

图4 脓毒症大鼠的细菌和肠道转录组结果

5.脓毒症大鼠肠道转录组中特定细菌之间相互作用

作者随后对微生物丰度和肠道基因表达进行了相关分析，以确定肠道微生物在脓毒症病理生理学中的潜在作用。结肠的分析结果如图5所示，可以分为三个细菌群（簇1-3）和三个基因群（簇A-C）。簇1主要包含肠球菌和肠杆菌科细菌，并与簇A的基因呈正相关，这些基因具有炎症反应和ECM破坏的功能。回肠的相关分析还发现了三个主要细菌群和三个基因群，簇1和簇2的组成与结肠的相似，并且与簇A 和簇B的DEGs紧密相关，但方向相反。

这些结果表明，杆菌和肠球菌可能在脓毒症中影响不同的宿主肠道生理过程。

图5 CLP模型大鼠结肠差异菌群和DEGs的相关性分析

在这篇研究中，作者明确了脓毒症患者肠道微生物群的特征，脓毒症患者的肠道微生物群表现为重要共生菌减少和肠球菌占主导地位，此外，作者还观察到色氨酸和酪氨酸代谢物急剧减少，这与细菌组成的改变和更严重的临床结果密切相关，乳酸杆菌也在塑造肠道转录物谱方面起着主导作用。这项研究结果可能有助于预测脓毒症早期患者的临床结局，并为探索新疗法提供转化基础。

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