西班牙學者揭示抗生素對腸道菌群及代謝影響巨大

　　腸道的微生態是一個復雜的生態系統，而人類結腸則可以被看做是一個厭氧的生物反應器。腸道存在著萬億數量級的微生物，這大大增加了宿主基因組資源。同時這些龐大的微生物生態系統為人體能量捕獲、食物消化、生物活性物質的合成等等提供了補充性代謝途徑，否則人體將無法實現飲食中營養物質的同化。

　　人類腸道菌群主要分為五類細菌：厚壁菌門、擬桿菌、放線菌（包括柯林斯菌和雙歧桿菌等益生菌）、變形菌門和疣微菌。這一微生態平衡系統極易受外界因素影響而發生紊亂，抗生素的使用即是其中最常見的因素之一。抗生素可以有效治療細菌感染，對抗生素耐藥的細菌可以在人類腸道持續生存，這就對人類健康造成了極大威脅。

　　前期研究表明廣譜抗生素可以顯著減少腸道擬桿菌而同時增加厚壁菌的數量。但是各項研究報道的結果并不一致，甚至相互矛盾。所以對于抗生素應用究竟可引起腸道菌群怎樣的改變，這其中又有怎樣的動態變化和潛在機制，我們對此仍知之甚少。

　　西班牙瓦倫西亞大學生物與進化多樣研究所Ana Elena Pérez-Cobas及其團隊在不同的時間點從使用β-內酰胺類抗生素人群的糞便中提取腸道微生物菌群，并進行了首次比較性觀察分析，結果發表在2013年11月的Gut雜志上。

　　作者采用多種組學分析相結合的方法分析了使用抗生素治療14天的患者每天的糞便中腸道菌群的16S rDNA和活化的16S rRNA、宏基因組學、宏轉錄組學（mRNAs）、宏代謝組學（方法：高效液相色譜與電噴霧電離作用和四極飛行時間質譜分析）、宏蛋白質組學（方法：超高效液相色譜法結合軌道阱質譜分析）。

　　結果觀察到了一個動態往復的過程。腸道菌群組成以及代謝水平改變在抗生素使用第6、11、14天最為劇烈。

　　在應用抗生素早期（第6天）革蘭氏陰性微生物減少，接著第11天，腸道微生物多樣性發生了"全面崩潰"的改變，腸道寄生菌群數目顯著減少，只有一些所謂的天然耐受菌群定植在結腸。

　　到第14天革蘭氏陽性菌群開始生長，腸道菌群多樣性有所恢復。在此過程中，具有活性微生物數目失衡最為顯著的時刻發生在第14天，比全部微生物數目失衡最劇烈的時間要晚（出現在第11天）。第11天時，腸道微生物的生物多樣性和豐度都達到最低值。

　　此外，最主要的代謝變化發生在應用抗生素第6天。在抗生素應用的早期，腸道菌群受宿主應激系統激活對抗生素的應用產生應答，腸道菌群"推定性"縮減其全部能量代謝，降低對膽酸、膽固醇、激素和維生素的運轉和代謝，以逃避藥物應用引起的"抗菌作用"。在停止使用抗生素后，宿主體內的微生物及其與宿主之間的相互作用顯著恢復。

　　"推定性"模型解釋說明：

　　該模型是建立在多種"組學"研究聯合應用的實驗結果基礎上。抗生素的膽汁排泄觸發了一系列代謝事件的級聯反應。在使用抗生素早期，細菌通過促進反應系統進行應答逃避藥物的抗菌作用（表達β-內酰胺酶、抗菌肽轉運蛋白、多藥物外排泵以及丙三基磷脂），間斷進行營養供給并減少多糖類和脂多糖的產生。

　　涉及細胞膜生物合成、肽聚糖樣組分降解的基因表達增加直至抗生素應用的終止，而且這一反應的持續時間比其他類型藥物造成的影響還要持久。最終，肝臟胰腺相關的膽酸、激素以及膽固醇合成涉及的細菌代謝受抗生素應用的影響而減弱，因此可能影響到腸-肝再循環和系統性脂類代謝，也就是說膳食脂肪的乳化、吸收和轉運受到了抗生素使用的影響。

　　然而這些代謝影響因素在停止使用抗生素后可顯著改善。相似的，在抗生素使用停止后，有腸道微生物直接合成的維生素池（pool）也顯著改善。

　　在抗生素使用第6天明顯下降的營養供給代謝，如糖酵解、丙酮酸脫羧、三羧酸循環、谷氨酸代謝、鐵的攝取等在抗生素應用的后期仍呈下降狀態，在抗生素停止應用之后仍顯著下降。這說明受抗生素影響之后可以恢復的腸-肝再循環中結腸細菌參與產生和轉運的鐵、糖、支鏈氨基酸、短鏈有機酸和丙酮酸的數量很少。

　　在具有活性的細菌結構水平，觀察到了一個明顯的震蕩（可恢復式）組群動態變化模式。有初始的活化性擬桿菌占大多數，在抗生素停止使用后變為了伯克氏菌科為主。虛線表示的是每種腸道細菌組分在抗生素使用的情況下變動的大趨勢。

　　該項概念驗證研究對宿主應用β-內酰胺類藥物引起的腸道菌群的應答性變化提供了一個更為廣泛、宏觀的描述。該項結果證實在應用抗生素針對某一特定細菌感染引起的相關疾病進行治療時可以改變整個腸道的微生物環境以及該微生態系統與宿主之間的相互作用，而且這一影響是巨大的，遠遠超過我們當初的認識。糖酵解、丙酮酸脫羧、三羧酸循環、谷氨酸代謝、鐵的攝取等在抗生素停用后也無法立即恢復正常。

　　組學研究方法使我們宏觀了解腸道微生物在抗生素使用情況下的變化情況，提示我們在未來的抗生素應用中應更加關注藥物對腸道代謝產生的影響，并盡量避免由此而產生的不良反應，及早進行干預。