文章标题：Functional Restoration of Bacteriomes and Viromes by Fecal Microbiota Transplantation

发表期刊：Gastroenterology

发表时间：2021年5月

影响因子：22.682

艰难梭菌是一种革兰氏阳性厌氧芽孢杆菌，广泛存在于肠道和环境中，通过粪-口途径传播，抗生素治疗和住院等是其最重要的影响因素。复发性艰难梭菌感染（rCDI）被认为是抗生素治疗后引起的肠道菌群失调状态，这种失调使患者易受新的艰难梭菌感染，或再次感染原染菌株，特别是在患者服用新的抗生素情况下[1] 。

菌群移植（FMT）是将健康供体的肠道菌群转移到患者的肠道内，以期恢复其肠道微生态的过程，自1958年Eiseman首次用FMT治疗艰难梭菌感染，FMT已被证明是治疗rCDI的一种高效廉价的治疗手段。然而，Pasolli E[2]报道的两例FMT后因耐抗生素细菌感染导致的死亡，以及噬菌体的转移和一些未知菌的出现，需要对治疗后的菌群特征和功能进行更加深入的研究，以解决围绕FMT治疗的安全担忧。

来自大阪城市大学和东京大学医学科学研究所的研究人员，对从波士顿布里格姆和妇女医院的9名成功进行FMT的rCDI患者接受治疗前2周和治疗后8周（接受不同抗生素治疗，临床上诊断治愈）以及供体粪便样本的肠道细菌和病毒进行分析，发现了rCDI中参与发病的细菌和噬菌体，以及他们对肠道菌群功能恢复的重要途径。

1.FMT对肠道菌群的影响

对接受治疗前后和供体的细菌和病毒进行分析发现(图1)，Negativicutes（阴性丹毒菌）、Gammaproteobacteria（γ变形菌门）、Fusobacteria（梭杆菌门）、Myoviridae（肌尾噬菌体科）和unclassified Caudovirales在治疗前的样本中相对含量显著高于治疗后，而Clostridia（梭菌）、Erysipelotrichia（单毒丝菌）、Bacteroidia（拟杆菌）、Microviridae（微小噬菌体科）和crAss-like phage在治疗后的样本中含量显著高于治疗前。治疗后样本中细菌和病毒的多样性和丰富度显著高于治疗前，此外Microviridae和crAss-like phage的丰富度在治疗后显著升高，表明FMT能改善rCDI引起的肠道菌群失调。Bray-Curtis相宜度分析也发现，FMT治疗后的rCDI的菌群更趋向于供体。相关性分析表明，rCDI治疗前后样本的Microviridae和变形菌门负相关，进一步验证粪菌移植对受体Microviridae的影响。

2.基于原噬菌体的微生物和噬菌体互作

提取细菌和病毒的contigs获取原噬菌体的序列，根据宿主细菌对原病毒进行分类发现(图2A)，随治疗后细菌丰富度和多样性增加，原噬菌体数量增加；厚壁菌门和拟杆菌门中的原噬菌体增加，但变形菌门中的原噬菌体逐渐减少甚至消失。结果也进一步表明原噬菌体数量和组成与细菌变化一致。根据细菌目水平对原噬菌体进行分类的结果表明 (图2B)，治疗前，46%变形菌门来源的原噬菌体为有溶菌噬菌体功能的Myoviridae，少量厚壁菌门和拟杆菌门来源的原噬菌体为Microviridae，没发现p-crAssphage或crAss-like噬菌体。那么原噬菌体是否存在于受体的病毒颗粒？对宿主每个病毒片段的contig进行分析（图2C），获取25个有相关性的细菌-噬菌体，且每个原噬菌体来源的细菌序列contig只对应一个病毒contig，此外每个细菌contig只对应一个纲，每个环状病毒contig与一个病毒目或科相关；与宿主细菌在治疗后消失一致，有13个细菌-噬菌体的相关性在治疗后消失。

3.基于CRISPR-Spacer的微生物与噬菌体互作

CRISPR-Spacer相关性表明，FMT治疗后CRISPR spacers的数量升高且与与供体的相近，其中丙型变形菌纲的spacers数降低，而变形菌门和拟杆菌门的spacers数升高（图3A）。从各组spacers交集结果可以看出（图3B），B1区Microviridae对应的spacers数量在治疗后样本中含量高，与Mircroviridae所占比值在移植后升高对应。此外，选取与Microviridae相关的spacers与细菌进行分析，治疗后与拟杆菌相关的spacers升高，且在B6区有一半以上的spacers与副拟杆菌和拟杆菌相关。因此可以推断，FMT治疗后肠道环境的改善可能与拟杆菌和Microviridae的共生相关。

4.细菌和病毒基因的改变

KEGG功能研究发现（图4A），粪菌移植后，次级胆汁酸生物合成，精氨酸和鸟氨酸代谢等通路富集，氟-苯甲酸酯（fluorobenzoate）降解通路降低。对次级胆汁酸生物合成通路相关基因研究看出（图4B），FMT有利于受体细菌获取次级胆汁酸合成相关的基因（如baiB和baiF）。对与次级胆汁酸合成相关的细菌的研究发现（图4C），Clostridium scindens和Clostridium leptum在治疗后升高。

与氟-苯甲酸酯降解通路（与肠道炎症严重程度密切相关）的基因在FMT治疗后也发生较大变化；对细菌contigs（有与氟-苯甲酸酯通路相关KO的开放阅读框）进行分析发现，变形菌门在治疗后减少；此外，对病毒组的KO分析发现与病毒复制、铁转运、ssSNA噬菌体组装和抗菌肽抗性相关基因的变化。研究也进一步发现（图4E），97%的病毒contig（大部分病毒为Caudovirales）有与对调控肠道失调有重要作用的基因amiABC；最后，也发现7个病毒contigs相关的拟杆菌、厚壁菌、疣微菌和梭杆菌的contigs密切相关。

5.总结

通过对复发性艰难梭菌感染（CDI）的患者FMT治疗前后及其供体的肠道细菌组及真菌组分析，发现治疗后呈负相关的变形菌门（降低）和Microviridae（升高），也发现了次级胆汁酸生物合成的富集和氟-苯甲酸酯（fluorobenzoate）降解通路的降低，从肠道细菌和病毒功能层面进一步阐释了FMT的安全有效性；但FMT对肠道细菌功能恢复的稳定性如何，在治疗失败的患者体内变化这些菌是怎么变化的以及是否受性别和地域等外部因素的影响，有待进一步的研究。 参考文献：

[1] Timothy A Rubin, et al. Fecal microbiome transplantation for recurrent Clostridium difficile infection: report on a case series. Anaerobe . 2013 Feb;19:22-6.

[2] Pasolli E, Asnicar F, Manara S, et al. Extensive unexplored human microbiome diversity revealed by over 150,000 genomes from metagenomes spanning age, geography, and lifestyle. Cell 2019;176:649–662.e20.