氣管插管患者的呼吸道微生物組成和動態(tài)變化

發(fā)稿時間：2016-08-04來源：天昊生物

英文題目：Composition and dynamics of the respiratory tract microbiome in intubated

patients

中文題目：氣管插管患者的呼吸道微生物組成和動態(tài)變化

期刊名：Microbiome       發(fā)表時間： 2016            影響因子： 9.0

技術：16S rRNA擴增子測序（V1-V2）；

測序平臺：Illumina MiSeq測序平臺

樣本信息：15個呼吸衰竭（需要氣管插管和機械通氣）受試者被納入賓夕法尼亞大學醫(yī)院的重癥監(jiān)護病房（MICU），分別在插管后的24小時、48小時、72小時收集樣本和信息，隨后持續(xù)機械通風。通過對上呼吸道口咽（OP）和深部氣管（ET）分泌物進行采樣。健康對照組是非氣管插管的志愿者，通過口咽（OP）拭子和支氣管鏡下支氣管肺泡灌洗（BAL）鑒定其沒有潛在的肺疾病，并且此前也沒有得過相關疾病。

樣本取材：沿著沿氣管內管的外緣對咽后壁使用一次性采樣拭子采集口咽（OP）樣本；沿著氣管內管的內吸導管收集氣管（ET）樣品，首先使用5毫升無菌生理鹽水沖洗內吸導管后，導管會進到遠端氣管，無菌生理鹽水會沖洗到氣管并抽吸到Lukens trap中。所有的樣品在60分鐘內收集好并立即儲存到?80°C冰箱。

研究背景: 下呼吸道感染(LRTI)是呼吸衰竭（需要氣管插管和機械通氣）的主要原因。下呼吸道感染也常常發(fā)生在機械通氣過程中，從而增加了氣管插管患者的發(fā)病率和死亡率。本文主要想了解插管以后呼吸道菌群的動態(tài)變化，以及微生物群落結構與感染的關系。

研究結果：

受試者特征

    包括一些異質性的基礎疾病和對機械通風的急性癥狀(表1)。4個患者有CAP/HAP記錄；4個患者有抽吸記錄；4個患者有臨床VAP記錄；2個患者在機械通氣過程中有反復抽吸記錄；靜脈內抗生素暴露在受試者之間也各有不同（圖1）。

表1：受試者特征和肺炎診斷

 

注：年齡，性別，潛在疾病，和機械通氣的急性適應癥對15個受試者進行了記錄。Sepsis（cx negative）：無病原體膿毒癥；CAP/HAP：插管后的第一個48小時內診斷為下呼吸道感染(LRTI)則歸類為CAP/HAP；VAP：插管后的第一個48小時后診斷為下呼吸道感染(LRTI)則歸類為VAP；Aspiration：抽吸；Subsequent；Aspiration：反復抽吸。

HCV：乙型病毒性肝炎；AML：急性髓細胞性白血病；BMT：骨髓移植；PE：肺栓塞; PEA: 無脈性電活動； ALS：肌萎縮側索硬化癥；NSCLC：非小細胞肺癌；OHS：肥胖通氣不足綜合征;  ESRD：晚期腎病；HD：血液透析；COPD：慢性阻塞性肺疾?。籓LT：肺移植術, GVHD：移植物抗宿主??；EtOH：酒精；RSV：呼吸道合胞病毒反復抽吸。

 

圖1：受試者抗生素暴露。水平灰色條形是每個受試者的持續(xù)記錄。較薄的水平線表示每個受試者的靜脈或口服抗生素情況。每種顏色代表不同的抗生素。時間是從登記記錄前的2天到樣品收集結束。星號表示受試者死于ICU。

氣管插管組與健康組相比下呼吸道細菌群落多樣性明顯降低

健康對照組每個個體的上呼吸道（URT）和下呼吸道（LRT）的細菌群落結構很相似（圖2A，B），其主要優(yōu)勢菌是普雷沃氏菌科，韋榮氏球菌科和鏈球菌科。

與健康對照組相比，氣管插管者的群落結構具有更大的異質性，不同時間節(jié)點其上呼吸道和下呼吸道的細菌群落主要被某些特定的細菌類群所占據，并且與對照組不同，氣管插管者在每個特定時間其上呼吸道和下呼吸道的優(yōu)勢菌是不同的。

圖2: 插管組和健康對照組的上（A）、下（B）呼吸道科水平的細菌群落熱圖。

插管者的呼吸道菌群由一個單一OTU占據

     每個呼吸道樣本的菌落結構比例，結果發(fā)現相比健康對照組，在插管組（上呼吸道和下呼吸道）具有最大豐度比例的OUT占據主要部分，并且Shannon 指數表明相比健康對照組，插管組的微生物多樣性更低。

圖3：氣管插管組和健康對照組的細菌群落的各OTU的豐度比例。每個點代表一個OTU；紅點代表健康對照組；藍點代表氣管插管組。

上下呼吸道的細菌群落多樣性隨著插管逐漸降低

圖2已經發(fā)現隨著時間某些氣管插管者的細菌群落多樣性逐漸降低。通過GEE模型計算了插管以后細菌多樣性的變化，結果發(fā)現在上呼吸道和下呼吸道其細菌群落多樣性Shannon指數逐漸降低（圖4）。

圖4: 隨著時間某些氣管插管者的細菌群落多樣性指數變化。Healthy Control：健康對照組；Mechanical Ventilation Day 0：插管24小時內；Mechanical Ventilation Beyond Day 0：插管超過24小時；

抗生素暴露不能完全解釋插管與呼吸道群落多樣性降低之間的關系

    抗生素素暴露會混淆或修改呼吸道α多樣性和插管之間的關系，本文調查了抗生素暴露的效應。我們把圖1的抗生素暴露引入到上面的GEE模型中，結果發(fā)現引入或者不引入單個抗生素或抗生素組合沒有太大影響，這說明插管與呼吸道群落多樣性降低之間的關系并不能單純歸因于插管以后大劑量的抗生素暴露。

下呼吸道群落多樣性降低與下呼吸道感染(LRTI)臨床診斷相關

我們觀察到插管48小時幾例個體(個體5, 8, 10, 12, 15)的群落多樣性極低，因此試圖探討這種模式與呼吸道感染臨床診斷的相關性。結果在插管患者中，我們發(fā)現肺炎的臨床診斷與下呼吸道的群落多樣性進一步降低相關。

臨床培養(yǎng)得到的病原體與16S rRNA測序得到的結果一致

受試者下呼吸道細菌培養(yǎng)鑒定到的病原菌與16S rRNA測序得到的豐度最高OTUs是一致的，但是16S rRNA測序得到的部分優(yōu)勢菌通過傳統(tǒng)培養(yǎng)卻沒有得到，例如細小支原體和糞腸球菌。

總結：

l  與健康對照組上呼吸道和下呼吸道菌群高多樣性相比，氣管插管組在兩個部位都有較低的菌群多樣性。

l  插管以后，隨著時間推移，菌群多樣性進一步減少。

l  在每個時間點上，插管者的呼吸道菌群由單一OUT主導。

l  下呼吸道感染(LRTI)臨床診斷與下呼吸道群落多樣性降低相關。

l  16S rRNA測序得到的優(yōu)勢菌與臨床細菌培養(yǎng)得到的結果一致，并且其鑒定到的一部分優(yōu)勢菌通過臨床細菌培養(yǎng)沒有得到，例如細小支原體和糞腸球菌。

l  危重患者呼吸道菌群的縱向分析為洞察和診斷下呼吸道感染的發(fā)病機制提供了有力依據。

亮點:

    文章首次研究了呼吸衰竭危重患者呼吸道微生物組成和動態(tài)變化，不但對Case/Control進行了比較，還對插管以后的呼吸道菌群進行了時間縱向分析，從而為洞察和診斷下呼吸道感染的發(fā)病機制提供了有力依據。

關于天昊：

      天昊生物采用Miseq PE250測序策略對細菌16S rDNA區(qū)/真菌ITS區(qū)/真菌18S rDNA區(qū)的雙V區(qū)或多種單V區(qū)進行測序，使用低循環(huán)數擴增，保證每個樣品擴增的循環(huán)數統(tǒng)一；采用特殊方法可有效避免系統(tǒng)內誤差；數據質量高，有效序列Q30達到80%以上；加上最新升級的分析內容和解釋詳盡的結題報告，帶您享受極致的微生物擴增子測序體驗。