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原文題目:Effects of early-life antibiotics on the developing infant gut microbiome and resistome: a randomized trial

通訊作者:Debby Bogaert
第一單位:荷蘭烏得勒支威廉敏娜兒童醫院
DOI:10.1038/s41467-022-28525-z
人類腸道微生物組在健康和疾病中的重要性越來越明顯。出生後腸道微生物群落組成的紊亂與嬰兒早期和生命後期的廣泛健康問題有關,例如嬰兒絞痛、喘息、過敏、功能性胃腸道疾病、肥胖和通常的免疫發育改變。引起騷亂的各種原因也越來越明顯。其中,剖腹產 (CS) 分娩、配方奶餵養(與母乳餵養相反)和抗生素對發育中的新生兒腸道微生物組的影響已被描述. 尤其是抗生素治療,在很長一段時間內改變了兒童和成人腸道微生物群的物種多樣性(α-多樣性)和群落組成,即生態系統。抗生素引起的腸道微生物群組成變化隨後會導致抗生素耐藥性 (AMR) 的選擇。在生命的最初幾周內,在新生兒腸道微生物組的早期組裝階段使用抗生素時,其生態副作用可能更加明顯和持久。然而,在這個生命階段,由於(疑似)早發性新生兒敗血症 (sEONS) ,多達 10% 的新生兒使用廣譜抗生素。
引起 EONS 的最常見病原體是 B 組鏈球菌、單核細胞增生李斯特菌和大腸桿菌。這些微生物對青黴素與慶大黴素或阿莫西林與頭孢噻肟聯合使用的抗生素方案敏感,因此這些治療同樣有效。然而,早在 20 年前,一項針對新生兒重症監護病房的荷蘭研究強調了阿莫西林導致產生 β-內酰胺酶的細菌過度生長的問題,例如克雷伯氏菌(spp.)。提出的另一個問題是第三代頭孢菌素,如頭孢噻肟,會選擇耐藥腸桿菌株. 在生命早期進行經驗性抗生素治療對微生物組和 AMR 基因組成的全面生態影響仍不為人所知。
圖 1:α-多樣性。
為了確定對生態和 AMR 基因選擇影響最小的抗生素方案,作者進行了 ZEBRA 研究,在該研究中,作者招募了 147 名足月出生的嬰兒,無論是通過自然分娩還是通過繼發性 CS (SCS),都需要使用廣譜抗生素在生命的第一周因為 sEONS,並將他們隨機分配到荷蘭針對該適應症的三種最常用的靜脈注射抗生素組合,即青黴素 + 慶大黴素、阿莫西拉 + 慶大黴素或阿莫西林 + 頭孢噻肟. 平均而言,抗生素治療持續時間為 48 小時。在這項工作中,作者發現與健康的足月出生對照相比,抗生素治療的嬰兒腸道微生物多樣性暫時降低,使用基於 16S rRNA 的測序檢測到的主要和長期生態擾動,以及 AMR 基因譜的變化,如通過一組 31 個臨床相關 AMR 基因的定量聚合酶鏈反應 (qPCR) 確定。組成和 AMR 基因的發現通過樣本子集的宏基因組鳥槍法測序 (MGS) 得到證實。此外,作者發現三種不同抗菌方案之間的生態擾動存在顯着差異,這表明除了充分治療外,經驗性抗生素的選擇也與不利的生態副作用有關。
懷疑 EONS 是新生兒出生後頭幾天廣譜抗生素治療的一個非常常見的適應症。然而,在這個生命的早期階段,新生兒也被植入了它的第一批微生物,從而可以快速組裝它自己獨特的微生物生態系統。因此,這一生命階段的廣譜抗生素可能對嬰兒微生物組的發育和最終組成產生重大影響,並具有潛在的短期和長期後果。作者研究了生命早期抗生素治療的生態影響,並試圖確定對生態危害最小的方案。為此,作者將 sEONS 嬰兒隨機分配給三種常用的廣譜抗生素治療方案。
該研究展示了廣譜抗生素對微生物多樣性、群落組成和 AMR 基因選擇的主要影響。儘管在大多數新生兒中,抗生素在 48 小時後已經中止,但在 12 個月的生命中仍然可以測量到影響。作者還觀察到三種不同抗生素方案之間的顯着差異,這表明青黴素 + 慶大黴素的組合造成的生態損害最小。
圖 2:按方案和時間點分層的整體腸道微生物群組成的 NMDS 圖。
作者還觀察到抗生素的直言不諱和持久的影響比基於先前研究的預期要多得多。然而,目前的證據主要來自年齡較大的兒童和成人,其中可能存在更成熟、穩定和有彈性的微生物組。因此,作者假設通過微生物組組裝和發育的早期中斷,作者治療的嬰兒群體沒有恢復到參考文獻的「正常」狀態。隨後,這些年幼的嬰兒可能難以從其環境中恢復典型的共生微生物群以恢復自然發育軌跡,這可能解釋了在抗生素引起的微生物群破壞後母乳餵養的有限補償作用。能夠證實這些發現的相關嬰兒研究很少,通常在早產兒中進行,隨訪時間很短。
鑑於所研究的生命早期抗生素方案對嬰兒微生物組的廣泛而長期的影響,免疫啟動和成熟的自然過程的後果也可能是相當可觀的。在過去十年中,基於微生物組的研究表明,微生物組擾動(尤其是在生命早期)與炎症驅動的健康問題之間存在明顯的關係。例如,糞便微生物群的 α 多樣性降低與晚年過敏性疾病和糖尿病的發展有關。鑑於作者研究中觀察到的微生物群擾動程度,這值得進一步研究。
在單個分類群的水平上,作者特別發現了各種有益的雙歧桿菌屬。受到抗生素治療的嚴重影響。繼續母乳餵養似乎並不能彌補雙歧桿菌豐度的下降,這可能是由於早期抗生素治療導致這些物種被消除而不是減少的結果。眾所周知,雙歧桿菌可促進腸道健康並提供對病原體的防禦。這些細菌對於(人)乳寡糖的消化也是必不可少的,在生命的前 4-6 個月內,它們是嬰兒的唯一食物來源。因此,當這些細菌的豐度減少時,可以想象對嬰兒生長和發育的潛在影響。此外,潛在致病菌如克雷伯氏菌和腸球菌屬的廣泛生長。值得進一步研究早期抗生素治療後對感染的易感性。在之前的一項研究中,生命早期的抗生素與兒童早期腹瀉率的增加有關,作者現在假設這可能是持續微生物失調的結果。

重要的是,在比較抗生素方案時,作者發現這三種方案都表現出顯着的生態副作用。然而,阿莫西林 + 頭孢噻肟方案顯示出最直言不諱的生態效應,特別是對整體微生物群落組成、微生物群發育的穩定性以及治療後直接 AMR 基因譜的變化。co-amoxiclav + 慶大黴素方案顯示出最明顯的微生物多樣性降低和對 AMR 基因譜的最持久影響。重要的是,青黴素+慶大黴素方案對所有這些參數的不利影響最小。這可以部分解釋為靜脈內給予氨基糖苷類藥物對腸腔的最小滲透. 雖然由於青黴素給藥頻率和慶大黴素血清水平監測的需要,該方案在臨床上可能最不受歡迎,但鑑於觀察到的生態副作用一致較低,作者認為該方案值得重新考慮用於治療新生兒病房的 sEONS,並且考慮到比較的三種方案對於這一適應症的治療同樣足夠。有趣的是,一些 AMR 基因更多地存在於對照中。雖然這可能違反直覺,但眾所周知,許多共生菌攜帶 AMR 基因,作者通過將對照中富集的 AMR 基因與共生菌的存在和豐度相關聯來證實這一點,例如大腸桿菌中的bla AMPC基因.
圖 3:最豐富的 OTU 的平均相對豐度。
在人群水平上,人們對抗生素對病原菌中 AMR 選擇和發展的副作用的認識迅速提高。大多數醫院目前都在執行確保適當抗生素治療的抗菌藥物管理計劃。然而,這些程序還沒有考慮生態副作用,主要是因為缺乏信息。目前,主要關注點是儘可能縮短廣譜抗生素治療的持續時間。然而,在作者的研究中,儘管觀察到抗生素治療持續時間與微生物群組成相關的適度影響,但與最初使用抗生素相比,這種影響可以忽略不計。在以分類方式測試抗生素治療持續時間的影響時,這一點是正確的,更好地反映臨床環境(0-4 天與 >4 天)。目前,4-10% 的新生兒使用抗生素,而估計每 1000 名新生兒中只有 1 人會發生感染,這可能導致超過 90% 的所有接受治療的兒童進行不必要的治療。出於這個原因,更加重視提高EONS的診斷準確性至關重要,因為有疑問,治療沒有傷害的原則似乎遠非如此。減少作者開始廣譜抗生素治療的新生兒數量是可行的,因為即使在感染統計數據相似的歐洲國家之間,處方率也存在很大差異. 這強烈表明應該比較支撐這些國家差異的指南,以確定可能導致更多保留處方實踐的因素。此外,正在努力改進 EONS 的預測,例如通過 EONS 計算器的應用,可以進一步幫助減少不必要的抗生素治療,即使在處方率已經很低的國家也是如此。總而言之,理想情況下,這首先會產生安全的治療指南,同時在生命的這個關鍵階段保持生命早期微生物組的發育。
本研究的優勢包括在開始抗生素治療之前分析樣本,以消除作為潛在混雜因素的基線差異。重要的是,儘管在作者的研究中,患有 sEONS 的新生兒和入組時(抗生素之前)的對照組之間存在總體微生物群組成和 AMR 基因譜的適度差異,但與觀察到的抗生素效應相比,這些差異均不顯着且相關性有限。此外,作者使用隨機研究設計來比較三種常用廣譜方案的影響。此外,作者通過獨立的 MGS 技術驗證了作者的結果。這項研究的結果非常適用於其他醫院和國家,因為比較了普遍常見的抗生素治療方案。
圖 4:按方案和時間點分層的 AMR 基因譜的 NMDS 圖。

這項研究的一個潛在弱點是其分子流行病學性質,因此,抗生素治療與觀察到的生態效應之間的因果關係尚未得到充分證實。然而,作者的觀察結果是抗生素的直接生物學後果的可能性很高,因為在抗生素暴露前微生物群組成或 AMR 基因譜沒有顯着差異,但在暴露後顯着且緩慢減弱的影響。作者的研究結果也與觀察到的細菌物種的已知微生物敏感性模式一致。此外,出於道德原因,作者必須包括一個單獨的對照組,而不是在作者的隨機設計中整合控制。雖然對照組來自同一家醫院並使用相同的方法,儘管抗生素治療前的微生物群組成和 AMR 基因譜看起來非常相似,但入學年數的微小差異可能會導致輕微的未知潛在混淆。此外,由於臨床、實用和安全原因,作者無法進行盲法。由於選擇參加作者研究的受教育程度較高的父母人數高於平均水平,可能會出現潛在的選擇偏差。這也可能影響了觀察到的低比例的室內吸煙,因此可能在一定程度上影響作者結果的普遍性。最後,作者不能排除 sEONS 嬰兒的父母更清楚抗生素治療可能產生的副作用,因為他們參與了一項精確研究這些影響的試驗,
總之,研究人員發現廣譜抗生素治療對 sEONS 有顯着的長期影響。作者認為作者的數據表明,應該更加重視減少接受廣譜抗生素治療 sEONS 的新生兒數量,如果需要,最好開具青黴素 + 慶大黴素,因為這種方案的生態副作用最小。
原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-28525-z

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