黄志伟教授课题组与合作者揭示新冠肺炎重症和轻症患者的口咽微生物群的变化与功能差异 2021/05/25 09:45

ARS-CoV-2引起的全球范围的新冠肺炎疫情已经影响到1亿6000多万人。为研究COVID-19患者口咽共生微生物对SARS-CoV-2感染的易感性和严重性的作用机制，该团队应用鸟枪法对31例COVID-19（重症和轻症）患者，29例B型流感患者和28例健康对照者的口咽拭子标本进行宏基因组测序，研究疾病严重程度不同的COVID-19患者口咽共生微生物群的变化与功能差异。该研究刻画了口咽共生微生物群的变化特征，鉴定出与疾病严重程度相关的生物标记物，揭示口咽微生物的改变可能与宿主全身炎症状态、年龄或免疫反应共同影响疾病的严重程度，并建立了微生物分类器用以区分COVID-19患者与流感患者、健康对照组，对口咽微生物组的功能进一步分析，发现COVID-19患者的口咽微生物群优先代谢特定的氨基酸，表达显著富集的抗生素抗性基因。该研究成果以《宏基因组分析揭示COVID-19患者口咽微生物群改变》（Metagenomic analysis reveals oropharyngeal microbiota alterations in patients with COVID-19）为题在线发表于《信号转导与靶向治疗》（Signal Transduction and Targeted Therapy）杂志。

该研究检测到3000多个不同属的口咽微生物区系，与流感患者和健康对照相比，COVID-19患者的口咽微生物群组成明显不同，其中，条件致病菌（Veillonella和Megasphaera）的富集，伪丙酸杆菌，罗氏菌属和链球菌的消耗为主要特征，Veillonella是最显著的标志物。研究发现COVID-19患者口咽部微生物群落在物种水平上α-多样性低于流感患者，危重症组物种丰富度显著降低，β-多样性在三组个体间差异显著，表明COVID-19患者口咽菌群存在生态失调。同时发现与健康对照组相比，Veillonella和Megasphaera在COVID-19和流感患者体内相对丰度显著升高，而Mobiluncus、Varibaculum则有所降低，表明SARS-CoV-2感染与急性呼吸道病毒感染具有一致性的微生物。除此之外，与健康对照相比，Abiotrophia在COVID-19而非流感患者的体内相对丰度明显增高，而Cryptobacterium，Filifactor则显著降低，表明SARS-CoV-2感染具有特异性的微生物。这些结果表明，呼吸道病毒感染可能与口咽微生物群的改变有关，该改变使COVID-19患者容易发生继发细菌感染。

研究进一步分析了COVID-19患者的生化指标，包括血液中与炎症相关的10个主要指标。发现相比于普通患者，危重症患者的C反应蛋白和乳糖脱氢酶水平明显升高，但淋巴细胞计数降低，同时发现中性粒细胞与淋巴细胞比值（NLR）、中性粒细胞计数和年龄与疾病严重程度呈正相关。通过分析微生物群、炎症相关标志物、年龄与疾病严重程度的关系，共鉴定出136种与COVID-19严重程度正相关或负相关的微生物，其中53种(39%)和25种(18.4%)与宿主炎性NLR状态和年龄相关，这些结果表明，口咽微生物群的改变与宿主的临床特征、COVID-19严重程度之间存在关联。

为鉴定与COVID-19相关的口咽微生物，该研究以口咽微生物的相对丰度为特征，使用随机森模型建立了区分COVID-19患者与流感患者和健康对照的微生物分类器，并且达到了良好的分类效果（AUC>=0.82），并鉴定出与COVID-19相关的重要生物标记物, 相比于健康对照，COVID-19患者中Veillonella和Lactobacillus nagelii的相对丰度显著增加，但Mobiluncus、Pseudopropionibacterium等却有所下降，这些结果表明，口咽微生物群可以作为鉴别COVID-19患者的生物标记物。

进一步深入分析COVID-19患者口咽微生物组的功能变化，发现与健康对照相比，COVID-19患者的氨基酸代谢具有明显的倾向性，例如缬氨酸，亮氨酸等，且在异源生物降解和代谢方面表现出显著的富集。同时发现在COVID-19患者中检测到了所有26种抗生素抗性基因，且在COVID-19危重症病例中明显富集，由于大多数危重症病人有多种复杂的合并症和可能有高剂量的抗生素摄入史，滥用抗生素可能会改变微生物组并逐渐增加其耐药性，这可能与严重的SARS-CoV-2病毒感染有关。这些结果表明COVID-19患者口腔内具有更强烈的异源生物降解和代谢功能，揭示了COVID-19患者体内的抗生素抗性机制。

这项研究对于使用抗生素治疗COVID-19中的继发性细菌感染，以及设计口腔生态系统中的指标物种判断COVID-19的严重程度具有重要指导意义。

哈工大附属黑龙江省医院马晟利教授和黄志伟教授为该研究论文的通讯作者，马晟利教授，哈工大生命学院张帆副教授、博士研究生周凤侠、哈工大附属黑龙江省医院李慧为该论文的并列第一作者。本项目受到黑龙江省科技厅应用技术研发项目、国家自然科学基金委、哈工大青年科学家工作室等基金的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41392-021-00614-3