文章標題：Functional Restoration of Bacteriomes and Viromes by Fecal Microbiota Transplantation
發(fā)表期刊：Gastroenterology
發(fā)表時間：2021年5月
影響因子：22.682艱難梭菌是一種革蘭氏陽性厭氧芽孢桿菌，廣泛存在于腸道和環(huán)境中，通過糞-口途徑傳播，抗生素治療和住院等是其最重要的影響因素。復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染（rCDI）被認為是抗生素治療后引起的腸道菌群失調(diào)狀態(tài)，這種失調(diào)使患者易受新的艱難梭菌感染，或再次感染原染菌株，特別是在患者服用新的抗生素情況下[1] 。
菌群移植（FMT）是將健康供體的腸道菌群轉(zhuǎn)移到患者的腸道內(nèi)，以期恢復(fù)其腸道微生態(tài)的過程，自1958年Eiseman首次用FMT治療艱難梭菌感染，F(xiàn)MT已被證明是治療rCDI的一種高效廉價的治療手段。然而，Pasolli E[2]報道的兩例FMT后因耐抗生素細菌感染導致的死亡，以及噬菌體的轉(zhuǎn)移和一些未知菌的出現(xiàn)，需要對治療后的菌群特征和功能進行更加深入的研究，以解決圍繞FMT治療的安全擔憂。
1.FMT對腸道菌群的影響
對接受治療前后和供體的細菌和病毒進行分析發(fā)現(xiàn)(圖1)，Negativicutes（陰性丹毒菌）、Gammaproteobacteria（γ變形菌門）、Fusobacteria（梭桿菌門）、Myoviridae（肌尾噬菌體科）和unclassified Caudovirales在治療前的樣本中相對含量顯著高于治療后，而Clostridia（梭菌）、Erysipelotrichia（單毒絲菌）、Bacteroidia（擬桿菌）、Microviridae（微小噬菌體科）和crAss-like phage在治療后的樣本中含量顯著高于治療前。治療后樣本中細菌和病毒的多樣性和豐富度顯著高于治療前，此外Microviridae和crAss-like phage的豐富度在治療后顯著升高，表明FMT能改善rCDI引起的腸道菌群失調(diào)。Bray-Curtis相宜度分析也發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MT治療后的rCDI的菌群更趨向于供體。相關(guān)性分析表明，rCDI治療前后樣本的Microviridae和變形菌門負相關(guān)，進一步驗證糞菌移植對受體Microviridae的影響。
圖1 腸道菌的變化
2.基于原噬菌體的微生物和噬菌體互作
提取細菌和病毒的contigs獲取原噬菌體的序列，根據(jù)宿主細菌對原病毒進行分類發(fā)現(xiàn)(圖2A)，隨治療后細菌豐富度和多樣性增加，原噬菌體數(shù)量增加；厚壁菌門和擬桿菌門中的原噬菌體增加，但變形菌門中的原噬菌體逐漸減少甚至消失。結(jié)果也進一步表明原噬菌體數(shù)量和組成與細菌變化一致。根據(jù)細菌目水平對原噬菌體進行分類的結(jié)果表明 (圖2B)，治療前，46%變形菌門來源的原噬菌體為有溶菌噬菌體功能的Myoviridae，少量厚壁菌門和擬桿菌門來源的原噬菌體為Microviridae，沒發(fā)現(xiàn)p-crAssphage或crAss-like噬菌體。那么原噬菌體是否存在于受體的病毒顆粒？對宿主每個病毒片段的contig進行分析（圖2C），獲取25個有相關(guān)性的細菌-噬菌體，且每個原噬菌體來源的細菌序列contig只對應(yīng)一個病毒contig，此外每個細菌contig只對應(yīng)一個綱，每個環(huán)狀病毒contig與一個病毒目或科相關(guān)；與宿主細菌在治療后消失一致，有13個細菌-噬菌體的相關(guān)性在治療后消失。
圖2 治療前后基于原噬菌體的細菌和噬菌體相關(guān)性
3.基于CRISPR-Spacer的微生物與噬菌體互作
CRISPR-Spacer相關(guān)性表明，F(xiàn)MT治療后CRISPR spacers的數(shù)量升高且與與供體的相近，其中丙型變形菌綱的spacers數(shù)降低，而變形菌門和擬桿菌門的spacers數(shù)升高（圖3A）。從各組spacers交集結(jié)果可以看出（圖3B），B1區(qū)Microviridae對應(yīng)的spacers數(shù)量在治療后樣本中含量高，與Mircroviridae所占比值在移植后升高對應(yīng)。此外，選取與Microviridae相關(guān)的spacers與細菌進行分析，治療后與擬桿菌相關(guān)的spacers升高，且在B6區(qū)有一半以上的spacers與副擬桿菌和擬桿菌相關(guān)。因此可以推斷，F(xiàn)MT治療后腸道環(huán)境的改善可能與擬桿菌和Microviridae的共生相關(guān)。
圖3 基于CRISPR-Spacer的微生物與噬菌體互作
4.細菌和病毒基因的改變
KEGG功能研究發(fā)現(xiàn)（圖4A），糞菌移植后，次級膽汁酸生物合成，精氨酸和鳥氨酸代謝等通路富集，氟-苯甲酸酯（fluorobenzoate）降解通路降低。對次級膽汁酸生物合成通路相關(guān)基因研究看出（圖4B），F(xiàn)MT有利于受體細菌獲取次級膽汁酸合成相關(guān)的基因（如baiB和baiF）。對與次級膽汁酸合成相關(guān)的細菌的研究發(fā)現(xiàn)（圖4C），Clostridium scindens和Clostridium leptum在治療后升高。
與氟-苯甲酸酯降解通路（與腸道炎癥嚴重程度密切相關(guān)）的基因在FMT治療后也發(fā)生較大變化；對細菌contigs（有與氟-苯甲酸酯通路相關(guān)KO的開放閱讀框）進行分析發(fā)現(xiàn)，變形菌門在治療后減少；此外，對病毒組的KO分析發(fā)現(xiàn)與病毒復(fù)制、鐵轉(zhuǎn)運、ssSNA噬菌體組裝和抗菌肽抗性相關(guān)基因的變化。研究也進一步發(fā)現(xiàn)（圖4E），97%的病毒contig（大部分病毒為Caudovirales）有與對調(diào)控腸道失調(diào)有重要作用的基因amiABC；最后，也發(fā)現(xiàn)7個病毒contigs相關(guān)的擬桿菌、厚壁菌、疣微菌和梭桿菌的contigs密切相關(guān)。
圖4 功能和基因研究