Gut microbiota composition is associated with disease severity and host immune responses in COVID-19
Article, 2023-12, Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. [IF 5.7]
DOI: 10.3389/fcimb.2023.1274690
原文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcimb.2023.1274690/full
主要完成单位：山东省立医院 山东省疾病预防控制中心
通讯作者：刘帅（山东省立医院）侯配斌，张天亮（山东疾病预防控制中心）
第一作者：范如岳（山东省疾病预防控制中心）刘帅（山东省立医院）
其他作者：孙娜，杨莹，邓霞，胡彬，孙昌华，温成丽，李慧，程东，黄传君
摘要
人体肠道菌群在宿主对抗呼吸道病毒感染的免疫反应中起至关重要的作用，但目前关于肠道微生物群、宿主免疫反应和疾病严重程度之间关系的证据仍然不足。为了更好地了解新冠肺炎患者中宿主与肠道微生物群之间的相互作用，我们对40名COVID-19患者和33名健康人群的粪便样本进行了16S rRNA测序，并对肠道微生物群组成进行了表征，并评估优势肠道菌群组成与几项血液学参数及炎症指标的相关性。我们发现：新冠肺炎患者肠道微生物组成发生了显著变化，主要表现为条件致病菌的增加，共生菌的减少。常见的条件性致病菌如肠球菌属和乳酸杆菌属的频率增加，特别是在重症患者中；但产丁酸菌如粪杆菌属、罗氏菌属和厌氧菌属的丰度明显下降。普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）可能有助于区分重症患者、中度患者和非肺炎患者。此外，我们还获得了COVID-19临床特征与疾病严重程度相关肠道菌群之间的相关性图。在所有的COVID-19患者中，屎肠球菌丰度与中性粒细胞或淋巴细胞百分比有显著的相关性。粪杆菌属（Faecalibacterium）与淋巴细胞绝对计数呈正相关，与中性粒细胞百分比呈负相关。这些结果表明，肠道微生物组可能在调节宿主免疫反应和影响疾病的严重程度及预后方面具有潜在的功能。
引言
由新型冠状病毒引起的COVID-19仍然是一个全球性的健康问题。除了典型的呼吸道症状外，胃肠道症状（如厌食、呕吐和腹痛等）也被证明与COVID-19密切相关，而且胃肠道症状可能在出现典型呼吸道症状之前出现。既往研究表明，SARS-CoV-2通过血管紧张素转换酶2 (angiotensin converting enzyme 2, ACE2)受体进入人体，该受体在肺和肠上皮细胞中均有显著表达。鉴于ACE2受体在肠粘膜中的高度分布，胃肠道成为病原体扩展到呼吸系统和心血管系统的重要生物生态位。宿主的炎症反应失调是决定疾病严重程度和进展的关键。在肠道中，局部免疫紊乱与肠道细菌生态失调和不稳定密切相关，进一步加剧了肠道健康的损害。然而，揭示肠道微生物群与宿主对SARS-CoV-2感染的免疫反应之间整体相互作用的数据仍然有限。要明确肠道微生物群与COVID-19恶化或预后之间的直接因果关系，仍有大量工作要做。在此研究中，我们对18名中度、22名重度COVID-19住院患者和33名健康人群的肠道微生物群和外周血炎症因子进行了表征。此外，我们分析了肠道微生物群的组成与免疫指标的相关性，揭示了肠道微生物群与宿主全身免疫反应之间的可能联系。这将为阐明肠道微生物群的功能提供有价值的见解，并为基于肠道微生物群的COVID-19治疗的发展提供线索。
研究方法
对40名COVID-19患者（中度患者18名，重度患者22名）和33名健康人群的粪便样本进行了16S rRNA测序，并对肠道微生物群组成进行了表征，并评估优势肠道菌群组成与几项血液学参数及炎症指标的相关性。患者临床严重程度分级遵循新型冠状病毒感染诊疗方案（试行第十版）。
研究结果
一、COVID-19患者肠道菌群丰度较健康对照组发生显著改变。
严重的新冠肺炎患者中粪肠球菌(Enterococcus faeium)丰度显著增加，而拟杆菌(Bacteroides plebeius)和梭状芽胞杆菌(Clostridium celatum)数量与对照组相比减少。重度组prausnitzii Faecalibacterium、hadrus Anaerostipes、Roseburia faecis、Coprococcus comes四种细菌的丰度明显低于中度组。这些结果表明，肠球菌(Enterococcus)在COVID-19组中显著升高，表明肠球菌在区分新冠肺炎和非肺炎组中具有重要的作用，可以作为辅助COVID-19疾病严重程度诊断和预测的潜在标志物（图1）。
图1. COVID-19患者与健康人肠道菌群丰度对比
二、三组间肠道菌群β多样性分析
为了进一步证明三组之间的微生物组空间差异，我们进行了β多样性分析。在物种水平上确认了新冠肺炎与对照组的分离聚类。这些结果提示非肺炎组的样本与中度和重度组的样本存在明显区别。与非肺炎组相比，COVID-19组的细菌群落有显著不同（图2）。
图2. 三组间肠道菌群β多样性分析
三、肠道菌群组间差异显著
为了鉴定三组肠道菌群丰度的差异，我们采用线性判别分析（LSfSe）分析， 结果显示，肠球菌属（属水平），肠球菌科（科水平）和Parabacteroides merdae，Enterococcus faecium（种水平）在重症患者中是较为特异性的肠道菌群。而在中度患者中，Dialister（属水平）是较为特异性的肠道菌群。此外，分类群的进化图分析也显示了三组之间肠道微生物群的显著差异，重症组以Enterococcaceae科分类群为特征（图3）。
图3. 肠道菌群组间差异性分析
四、肠道微生物种类与特定生物标志物或临床参数之间的关系
为了探索肠道微生物群与反映宿主免疫反应的某些特定血液生物标志物或临床参数的关系，我们分析了COVID-19患者中变化的肠道菌群与炎症指标之间的相关性。结果显示：在种水平上，粪考拉杆菌、粪原拟杆菌、罗伊氏乳杆菌、马塞利蓝杆菌和粘膜乳杆菌与淋巴细胞计数或淋巴细胞百分比呈正相关，而粪肠球菌与淋巴细胞百分比呈负相关，提示这些细菌在新冠病毒感染的淋巴细胞反应中可能具有协同作用。粪肠球菌、粪拟杆菌与中性粒细胞百分比或中性粒细胞计数呈正相关，而唾液链球菌与中性粒细胞百分比呈负相关，提示这些细菌与中性粒细胞介导的炎症反应密切相关。此外，哈利双歧杆菌和粪肠球菌与CRP呈正相关；罗伊氏乳杆菌、粘膜乳杆菌和发酵乳杆菌与PCT呈正相关。总的来说，这些数据表明肠道微生物群组成与异常免疫反应之间存在关联。
结论
在本研究中，我们使用16S rRNA测序来表征肠道微生物组的组成。新冠肺炎患者肠道微生物组成发生显著变化，表现为条件致病菌增加，共生菌减少。此外，我们还获得了COVID-19患者的临床血液学参数与肠道微生物群之间的相关图，表明肠道微生物群可能在调节宿主免疫反应中发挥作用，并可能影响疾病的严重程度和后果。
