综述：以微生物组为靶点预防和治疗碳青霉烯类耐药肠杆菌科细菌感染的潜力

本综述深入探讨了以肠道微生物组为靶点防控碳青霉烯类耐药肠杆菌科细菌（CRE）感染的新策略，系统阐述了益生菌、粪菌移植（FMT）、短链脂肪酸（SCFAs）及CRISPR-Cas9基因编辑等前沿疗法的作用机制与应用前景，为应对全球CRE公共卫生危机提供了创新性的解决方案。

　　

1 引言

碳青霉烯类耐药肠杆菌科细菌（CRE）已成为全球公共卫生的重大威胁。世界卫生组织（WHO）将碳青霉烯类耐药肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）和大肠杆菌（E. coli）列为2024年细菌优先病原体清单（BPPL）中的关键优先级病原体。CRE可引起血流感染、肺炎和尿路感染等严重疾病，导致高死亡率、延长住院时间和增加医疗成本。尽管多粘菌素、替加环素和头孢他啶-阿维巴坦等药物用于治疗CRE感染，但其临床应用受到耐药率上升、耐药基因快速传播和药物毒性的限制。

除了显性感染，CRE还可在肠道内无症状定植，特别是在住院和免疫功能低下的患者中。抗生素暴露、基础疾病和免疫抑制可扰乱肠道菌群，降低定植抗性，促进CRE扩增。菌群失调不仅削弱宿主防御，还促进耐药菌株的过度生长。随着宿主免疫力下降，CRE可能易位穿过肠道屏障，导致严重的血流感染和其他危及生命的并发症。胃肠道既是易感的关键部位，也是预防和治疗新策略的潜在靶点。

2 CRE的耐药机制与临床负担

CRE是指对至少一种碳青霉烯类抗生素（如亚胺培南、美罗培南或厄他培南）耐药的肠杆菌科细菌。碳青霉烯类耐药主要由碳青霉烯酶的产生引起，其中KPC、NDM和OXA-48样酶最为常见。耐药基因通常位于质粒上，促进水平基因转移，并常携带毒力因子。此外，膜相关机制也起关键作用，如外膜孔蛋白（如OmpK36）的丢失和抗菌药物代谢三联系统等外排系统主动将药物泵出细胞。这些机制常共同作用，导致对β-内酰胺类、氨基糖苷类、氟喹诺酮类甚至粘菌素等最后防线药物的广泛耐药。

CRE的全球流行率持续上升。监测报告显示，优势克隆（如地中海地区的ST258和亚洲的ST11）在医院环境中持续传播。在重症监护病房，定植率超过20%。长期护理机构常面临持续的环境污染。由于监测基础设施有限和当前筛查策略的缺陷，漏诊常见，导致持续的隐性传播。该菌可在表面和设备上存活，使感染控制困难。在过度拥挤的医疗环境中，这种持久性有助于耐药菌株更易传播。

CRE感染的临床结局仍然较差。血流感染和呼吸机相关性肺炎的死亡率常超过40%，尤其是在适当治疗延迟时。治疗选择有限且常因毒性而复杂化。多粘菌素和替加环素作为最后手段药物，但具有肾毒性和耐药性上升的风险，包括质粒介导的机制。头孢他啶-阿维巴坦和头孢地尔等新药提供更广覆盖，但由于孔蛋白突变和新碳青霉烯酶变体导致耐药性快速出现，治疗失败常见。高毒力碳青霉烯类耐药菌株的出现进一步恶化结局并限制治疗成功。

最近的药物发现努力转向重新利用已建立的抗生素和测试联合方案。磷霉素与美罗培南、多粘菌素B和粘菌素等药物表现出协同活性，实验和临床证据表明与单药治疗相比改善结局。新的治疗策略也在探索用于高毒力碳青霉烯类耐药肺炎克雷伯菌。一些携带多重耐药和高毒力特征的分离株表现出意外减弱的致病性，反映了耐药性和毒力之间的复杂关系，可能指导未来药物开发。

3 肠道菌群在CRE定植中的作用

3.1 抗生素诱导的菌群失调与CRE定植

抗生素暴露是胃肠道CRE定植的主要风险因素。短期、靶向口服抗生素如利福平可帮助快速去定植CRE，同时促进拮抗性共生菌富集和支持免疫恢复。然而，长期或不适当使用抗生素可导致肠道菌群持久改变，减少多样性和耗尽有益细菌，明智使用某些药物可能帮助恢复更健康的微生物群落。广谱抗生素，特别是针对厌氧菌的抗生素，扰乱肠道菌群，减少共生菌和微生物多样性，从而削弱定植抗性。这使得CRE能够占据空生态位并增殖。临床研究表明，接受碳青霉烯类、头孢菌素或氟喹诺酮类抗生素治疗的患者经历显著更高的CRE定植率。抗生素还通过耗尽抑制CRE增殖的微生物代谢物，同时富集CRE可利用的营养物质，创造有利于CRE生长的环境。此外，菌群失调促进耐药基因的水平转移，将肠道转变为多重耐药的储存库。肠道中的生物膜环境促进耐药基因转移，加速肠杆菌科成员间耐药的快速传播，包括从大肠杆菌到克雷伯菌以及从共生菌到病原体的基因转移。

胃肠道定植在CRE的持久性和传播中起核心作用。CRE的长期排放在无症状携带者中常见，促进其在医院病房和重症监护病房内的持续传播。携带状态可持续长达一年，约33%的CRE携带者在一年后仍呈阳性。表面、设备和医护人员手常成为次要储存库。定植风险在抗生素诱导菌群失调、免疫抑制或频繁侵入性 procedures的患者中升高。重复抗菌暴露进一步使根除复杂化。标准去定植方法常无效，再定植频繁发生。这些因素促进隐性持久性和复发感染，即使在明显清除后。在CRE定植患者中，约21%在初始定植180天内发生继发感染，大多数发生在30天内。因此，肠道仍然是内源性感染和医院传播的稳定储存库。

3.2 肠道菌群防御CRE定植的机制

健康肠道菌群通过占据营养和空间生态位，赋予对CRE定植的抗性，限制病原体扩增所需的资源和生态空间。共生细菌，包括拟杆菌属、梭菌属和乳杆菌属等物种，通过快速消耗可用单糖、氨基酸和微量营养素进行开发性竞争，限制CRE增殖所需的代谢底物供应。同时，粘膜相关微生物群落在内粘液层和肠隐窝内形成结构化生物膜，密集的细菌细胞和细胞外基质成分创建物理屏障，有效阻断病原体 access to epithelial adhesion sites。这些空间有组织的结构通过共生微生物和宿主衍生粘液之间的动态相互作用稳定化，有助于免疫耐受和持续排除病原细菌。

肠道菌群还在调节宿主免疫应答以对抗CRE感染中起关键作用。模式识别受体（PRRs），包括NOD1、NOD2和Toll样受体（TLRs），识别来自共生细菌的微生物相关分子模式（MAMPs），激活下游信号通路，促进抗菌肽 production。此外，菌群通过促进IL-1β和IL-22等细胞因子的表达调节细胞因子应答，从而增强上皮屏障功能和调节炎症应答。

肠道菌群的代谢活动深刻塑造肠腔化学环境，创造不利于CRE生存和定植的条件。短链脂肪酸（SCFAs），包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，降低腔pH并增强上皮氧消耗，从而消除有利于CRE定植的富氧生态位。此外，丁酸盐和丙酸盐作为组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂，诱导表观遗传修饰调节宿主基因表达。这些变化上调涉及抗菌防御、粘蛋白生产和屏障完整性的基因，共同减少CRE对肠上皮细胞的粘附和侵袭。研究表明，某些共生菌株产生窄谱细菌素，特别是微球菌素，其通过受体介导的摄取穿透革兰氏阴性肠杆菌科的外膜，发挥靶向抗菌活性并干扰 essential cellular processes such as peptidoglycan synthesis and nucleic acid metabolism。

4 针对CRE的微生物组靶向治疗策略

4.1 益生菌疗法

益生菌疗法代表一种有前途的微生物组靶向策略对抗CRE。益生菌的抗菌效应主要通过产生酸性代谢物和重编程肠道微生物群落介导。益生菌的抗CRE效应与pH依赖机制相关，抗菌效应在细胞膜上层pH 7.0时消除，但热处理后抗菌效应保持不变。乳酸菌产生乳酸、有机酸、CO₂、胞外多糖、细菌素和酶，降低肠道pH并发挥直接抗菌效应。多种益生菌已显示通过表现出强胆汁盐水解酶脱共轭和7α-脱羟基化活性调节肠道菌群，导致脱氧胆酸和石胆酸水平增加，同时减少异丁酸、异戊酸、硫化氢和氨的生产。

益生菌还通过加强肠道屏障和调节粘膜免疫增强宿主防御。它们促进紧密连接蛋白Occludin、Claudin和ZO-1的基因和蛋白表达并刺激粘蛋白分泌，从而加强上皮屏障完整性并减少病原体粘附和侵袭。同时，益生菌激活肠道粘膜免疫系统，显著增加肠道中分泌型IgA、IgA和IgG水平，同时增强CD11c阳性树突状细胞和CD4阳性T细胞功能。这些效应帮助维持肠道微生物稳态并减少病原体易位和全身炎症风险。

在一项57菌株的筛选中，五株候选菌（LUC0180、LUC0219、LYC0289、LYC0413和LYC1031）产生大于15 mm的抑制区并持续抑制碳青霉烯类耐药大肠杆菌（CRE316）和肺炎克雷伯菌（CRE632）。除这些菌株外，其他物种包括长双歧杆菌（B. longum）、植物乳杆菌（L. plantarum）和鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）也显示对CRE的显著抗菌活性，在代表性分离株中抑制区超过20 mm。临床上，ICU患者的回顾性分析显示，在474名接受益生菌的个体中，新CRE定植发生率显著降低，仅13名患者发生新CRE定植，相比对照组显著更高。

4.2 粪菌移植（FMT）

FMT通过重新建立多样化和平衡的肠道菌群，在抗生素 disruption后恢复对CRE的定植抗性。抗生素暴露耗尽双歧杆菌科和拟杆菌目等共生菌，耗尽抑制性代谢物，并富集肠道环境 with fermentable nutrients that CRE can exploit for growth。FMT引入来自健康供体的复杂微生物联盟以恢复生态竞争、代谢抑制和空间 exclusion。FMT诱导的病毒组和细菌组之间的跨界相互作用可能在CRE清除中起关键作用。研究观察到在CRE大肠杆菌携带者中FMT后大肠杆菌噬菌体显著增加，以及同时的CRE消除和小鼠模型中克雷伯菌噬菌体的类似进化模式。

在一项10名长期CP-CRE携带者的研究中，FMT在初始治疗后1、3和5个月内实现去定植率分别为40.0%、50.0%和90.0%，特别是在肠道菌群迅速转向供体组成且基线克雷伯菌丰度较低的患者中。一致地，另一项35名患者的队列研究报告68.6%在FMT后一年内去定植。微生物群分析显示成功CRE去定植患者中α-和β-多样性指标显著增加，而在无应答者中未观察到此类变化。FMT还显示良好安全性。在209名 reviewed患者中，包括免疫受损个体，无严重不良事件归因于FMT。

4.3 代谢物补充疗法

微生物代谢物，特别是SCFAs，在CRE预防和治疗中起关键作用。研究发现CRE携带者中异丁酸和戊酸水平显著降低。丙酸盐显示对多种多重耐药细菌（包括大肠杆菌）的剂量依赖性生长抑制，最低抑制浓度范围10至25 mM。丁酸盐通过HDAC3抑制增强巨噬细胞抗菌活性，增加抗菌肽表达和对肠道病原体的抗性。SCFAs还抑制质粒介导的耐药基因转移，接合在0.1–1 M浓度完全抑制，甚至在0.01 M观察到显著减少。SCFAs与抗生素联合产生协同效应。SCFAs恢复耐药肠杆菌科对β-内酰胺/β-内酰胺酶抑制剂组合的敏感性并下调毒力基因包括fliC、ipaH、fimH和bssS。

4.4 新兴微生物组工程技术

合成生物学提供新工具以精确设计肠道菌群预防CRE。CRISPR/Cas9基因编辑技术通过靶向碳青霉烯酶基因逆转耐药性，在CRE预防和治疗中显示巨大潜力。CRISPR-Cas9介导的质粒清除系统已开发以有效消除碳青霉烯酶基因如blaKPC、blaNDM和blaOXA-48，效率超过94%。该系统在各种肠杆菌科临床分离株（包括肺炎克雷伯菌、大肠杆菌和阴沟肠杆菌（E. cloacae）中显示优异结果。该策略可用于原位微生物组修饰以根除靶向耐药和/或病原细菌而不影响其他非靶向细菌物种。此外，工程化益生菌递送CRISPR-Cas9已实现单剂量在小鼠肠道菌群中靶向抗生素耐药大肠杆菌超过99.9%消除。整合CRISPR-Cas系统的CRISPR武装噬菌体 enable precise targeting and killing of大肠杆菌，靶向生物膜中细菌并减少抗生素耐药菌株的出现。

5 结论

CRE的全球兴起对感染控制提出关键挑战，由复杂耐药机制、无症状胃肠道定植和有限治疗选择驱动。肠道作为CRE的储存库和传播中心，特别是在抗生素诱导菌群失调条件下损害定植抗性并促进水平基因转移。在此背景下，肠道菌群已成为有前途的治疗靶点。

微生物组靶向干预如益生菌、FMT和SCFA补充已显示恢复微生物平衡和抑制CRE定植的潜力。然而，大多数当前证据来自体外实验和动物模型，仅得到小规模或回顾性临床研究的有限支持。这些发现提示潜在预防和治疗价值，但其临床疗效和安全性仍有待在大型、精心设计的随机对照试验中严格验证。虽然传统方法可能提供广谱益处，精确工具如CRISPR/Cas9基因编辑和工程化益生菌代表高度创新前沿。这些技术持有选择性去除耐药基因同时最小化对共生微生物附带破坏的承诺。然而，其转化为临床实践仍处于概念验证阶段，具有重大障碍包括开发可靠递送系统、管理潜在脱靶效应和导航活生物治疗剂的复杂监管途径。

此外，基线菌群的个体间变异性可能影响治疗结局，强调个性化方法的重要性。这些先进策略要成功，必须最终整合到已建立的感染控制框架中，包括患者筛查、接触预防、环境卫生和抗菌药物管理。协调和证据 based strategy that bridges microbiome-targeted therapies with existing infection control practices will be essential to move from reactive treatment toward proactive and sustainable CRE containment.