zithromycin Exposure Induces Transient Microbial Composition Shifts and Decreases the Airway Microbiota Resilience from Outdoor PM_2.5 Stress in Healthy Adults: A Randomized, Double-Blind, Placebo-Controlled Trial

Article，2023-04-24, Microbiology Spectrum, [IF 3.7]

DOI：10.1128/spectrum.02066-22

原文链接：https://journals.asm.org/doi/10.1128/spectrum.02066-22

主要完成单位：中日友好医院

通讯作者：曹彬（中日友好医院）

第一作者：杜思思（中日友好医院）

其他作者：商潋瀚，邹晓辉，邓笑颜，穆生瑞，赵建康，王一民，黎斌斌，王春雷，刘帅，鲁丙怀，刘颖梅

摘要

在上呼吸道感染中，抗生素滥用较为普遍，目前，我们对于口服抗生素如何影响健康人呼吸道菌群结构及功能知之甚少。通过对48名健康志愿者为期两个月的随访研究，并多点采集诱导痰及口腔含漱液标本行16S rRNA测序及定量分析，我们发现，3天疗程阿奇霉素口服，能够降低健康成年人呼吸道菌群多样性并改变其组成结构，这种变化通常需要14-60天恢复。不仅如此，网络分析发现，阿奇霉素的使用能够改变呼吸道菌群间作用关系并降低其对室外PM_2.5的抵抗力，这种作用在呼吸道菌群恢复至基线水平时仍是明显的。本研究揭示了抗生素如何干扰呼吸道菌群结构及菌群恢复模式，为合理使用抗生素提供参考。

引言

呼吸道微生物菌群通过精密且复杂的相关作用维持着宿主呼吸道的稳态，充当着“人类呼吸道健康的守护者”。多项研究显示，肺脏疾病的发生发展与肺部微生物组受到干扰密切相关。抗生素的使用被认为是干扰呼吸道菌群平衡的重要因素。在全球范围内，抗生素滥用，特别是在上呼吸道感染中的使用较为普遍。因此，我们开展了一项随机对照双盲研究，旨在揭示抗生素如何干扰健康成年人呼吸道菌群结构及菌群恢复、重建规律。此外，多项研究提示，空气污染暴露同样能够改变呼吸道菌群，我们进一步探究环境因素（PM_2.5、PM₁₀、湿度等）对呼吸道菌群作用规律。

研究方法

本研究共入组健康志愿者48名，随机等分为两组。实验组（24例）口服阿奇霉素500mg Qd，连用3天，对照组（24例）口服淀粉药片500mg Qd，连用3天，并于分别于未服药日（d0）、试验用药疗程结束后（d4）、d14、d30、d60采集受试者诱导痰及口腔含漱液标本，进行16S rRNA基因靶向测序及数字PCR定量，并对得到的微生物信息进行生物学统计分析。

图1 研究流程图

研究结果

阿奇霉素能够降低健康成年人呼吸道菌群多样性并改变其组成结构

我们使用物种丰度（species richness）和香农指数（Shannon index）描述呼吸道菌群α多样性。在使用抗生素后（d4），物种丰度和香农指数明显下降（图2 a和b），随着时间的推移，物种丰度和香农指数逐渐恢复，并于d60恢复至基线水平（图2 a和b）。我们使用加权UniFrac距离及非加权UniFrac距离描述呼吸道菌群β多样性。PERMANOVA分析提示，使用抗生素后（d4），呼吸道菌群组成结构较d0发生了明显改变，PCoA图展示了被抗生素干扰后的呼吸道菌群逐渐恢复至基线水平的变化趋势（图2 c和d和e和f）。β多样性的改变通常需要14天恢复。

a物种丰度在使用阿奇霉素后的变化规律

b香农指数在使用阿奇霉素后的变化规律

c基于非加权UniFrac距离的PCoA图

d非加权UniFrac距离菌群间非相似性比较

e基于加权UniFrac距离PCoA图

f加权UniFrac距离菌群间非相似性比较

呼吸道菌群差异物种描述

我们通过热图展示呼吸道菌群在5个时间点相对丰度及检出率变化（图3）。阿奇霉素降低了韦荣氏菌科（Veillonellaceae）、纤毛菌属（Leptotrichia）、梭杆菌属（Fusobacterium）、奈瑟菌属（Neisseria）和嗜血杆菌属（Haemophilus）相对丰度及检出率。随着时间的推移，大部分菌种的相对丰度恢复至d0水平，通常，一旦被抗生素杀灭的菌种重新出现在菌群中，他们的丰度会迅速恢复。不同于上述菌种，在使用抗生素后，链球菌属（Streptococcus）出现了明显富集，这种效应于d14快速消失。

图3使用阿奇霉素后，呼吸道菌群5个时间点差异菌种分析。蓝色热图为物种检出率，红色热图为物种相对丰度。

网络分析发现阿奇霉素的使用能够改变呼吸道菌群间作用关系并降低其对室外PM2.5的抵抗力

呼吸道菌群组成结构于d14时间点基本恢复至基线水平，然而我们进一步观察到，d30时间点，菌群组成结构再次出现偏移，多因素PERMANOVA分析发现，d30时间点室外高PM_2.5浓度为造成呼吸道菌群变化的最主要因素。因此我们应用网络分析探究阿奇霉素对呼吸道菌群内部作用结构的影响。阿奇霉素降低了呼吸道菌群共存网络拓扑结构的复杂性和稳定性，改变了基线菌群共存网络中关键物种中心位置，并通过影响菌种丰度使得网络中负性相互作用大幅度下降（图4）。这种作用在呼吸道菌群恢复至基线水平时仍是明显的。

图4

a 实验组5个时间点呼吸道菌群共存网络比较

b d0与d4、d14、d30、d60时间点呼吸道菌群共存网络共存边比较

c d0与d4、d14、d30、d60时间点呼吸道菌群共存网络顶点紧密中心性比较

结论

本研究通过对健康成年人诱导痰进行16S rRNA基因测序分析发现，阿奇霉素具有短暂改变呼吸道菌群多样性及组成结构的作用。除此之外，阿奇霉素的使用能够改变菌群物种间的相互作用模式，从而降低其对环境因素的抵抗力。这种作用在呼吸道菌群恢复至基线水平时仍是明显的。