儿童重症疟疾肠道菌群失调与出院后死亡风险关联的发现及其机制研究

《Nature Communications》：Gut bacterial dysbiosis in pediatric severe malaria associates with post-discharge mortality

本研究针对儿童重症疟疾（SM）患者出院后高死亡率这一临床难题，通过多中心队列分析发现肠道菌群中肠杆菌科（Enterobacteriaceae）尤其是大肠杆菌（Escherichia coli）的异常增殖与并发症及死亡风险显著相关。研究人员结合宏基因组学揭示了菌群利用宿主源性分子的代谢通路，提出靶向肠道菌群干预可能改善预后的新策略。成果为降低疟疾重症儿童死亡率提供了微生物学依据。

　　

疟疾，这一由疟原虫引起的古老传染病，至今仍在全球范围内造成严重健康负担。尽管防治手段不断进步，重症疟疾（Severe Malaria, SM）仍是非洲儿童死亡的主要原因之一。2023年，全球仍有2.63亿疟疾病例，导致59.7万人死亡，其中大部分是撒哈拉以南非洲地区的5岁以下儿童。更令人担忧的是，患儿出院后的死亡率同样居高不下，特别是重症疟疾贫血（Severe Malaria Anemia, SMA）患儿，出院后2至18个月内的死亡率可达1.3%至2%。然而，导致患儿出院后死亡的根本机制尚不明确。

近年来，研究表明肠道菌群在多种疾病中扮演重要角色。小鼠模型研究提示，肠道微生物可能影响机体对疟原虫感染的易感性。然而，肠道菌群在非洲儿童重症疟疾发生发展中的作用，尤其是其与出院后死亡的关系，仍属未知。

为此，由印第安纳大学医学院Nathan W. Schmidt教授领衔的研究团队，在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们通过对来自乌干达和马拉维的两项独立临床队列研究进行深入分析，揭示了重症疟疾患儿肠道菌群的显著改变，并首次将肠道中特定细菌的富集与患儿出院后的死亡风险直接关联。

研究人员主要运用了16S rRNA基因扩增子测序（采用MVRSION技术以提升物种鉴定水平）和全基因组鸟枪法宏基因组测序（Whole-genome shotgun metagenomic sequencing）技术。他们分析了来自乌干达（严重疟疾患儿n=417，提供粪便样本；社区健康儿童CC, n=70）和马拉维（脑疟患儿n=63；无症状疟原虫感染社区儿童n=60）队列的粪便样本DNA。通过生物信息学分析（包括α/β多样性分析、β-二项微分丰度分析、HUMAnN3代谢通路分析等），比较了重症疟疾患儿与社区健康儿童肠道菌群在物种组成、功能和与临床指标关联方面的差异。

儿童重症疟疾肠道菌群失调的特征

分析显示，与社区健康儿童相比，重症疟疾患儿的肠道菌群α多样性（Shannon指数）显著降低，β多样性（Aitchison距离）存在显著差异。微分丰度分析发现，重症疟疾患儿肠道中肠杆菌科（Enterobacteriaceae）、拟杆菌科（Bacteroidaceae）、肠球菌科（Enterococcaceae）等细菌家族的相对丰度显著升高，而双歧杆菌科（Bifidobacteriaceae）、普雷沃菌科（Prevotellaceae）、梭菌科（Clostridiaceae）等典型厌氧菌的丰度则降低。在属水平上，埃希氏菌属（Escherichia）、志贺氏菌属（Shigella）、克雷伯菌属（Klebsiella）、肠球菌属（Enterococcus）和拟杆菌属（Bacteroides）等在重症疟疾患儿中显著富集。这些变化在乌干达和马拉维两个队列中均得到验证，表明重症疟疾相关的肠道菌群失调在非洲儿童中具有普遍性。

重症疟疾而非单纯疟原虫感染导致菌群失调

为了探究菌群失调是源于疟原虫感染本身还是疾病严重程度，研究人员比较了社区儿童中无症状疟原虫感染者（PfPos）与未感染者（PfNeg）的肠道菌群。结果显示，两者在α和β多样性上无显著差异，且差异菌属很少。对患儿出院后1个月和12个月的粪便样本进行追踪发现，入院时的菌群失调在1个月后基本恢复正常，12个月时与健康儿童菌群组成相似。这表明观察到的菌群变化更可能与疾病的严重程度相关，而非单纯的疟原虫定植。

多重因素共同促成重症疟疾期间的菌群失调

研究分析了可能导致菌群失调的因素。抗生素使用（尤其是口服抗生素和头孢曲松）、进食间隔时间长（饥饿状态）、外周血中性粒细胞计数高（代表炎症反应）、溶血相关指标（细胞游离血红蛋白、高铁血红素、血红素氧合酶-1 HO-1）升高以及高尿酸血症均与肠杆菌科、拟杆菌属、肠球菌属等细菌的富集显著相关。这些因素可能共同在肠道内创造了一个有利于兼性厌氧菌（如肠杆菌科）生长和繁殖的环境。

重症疟疾患儿肠道菌群具备促进肠杆菌科生长的代谢潜能

宏基因组功能分析显示，与无症状感染者相比，重症疟疾患儿肠道菌群中与有氧呼吸（如末端电子受体生物合成、TCA循环）、替代呼吸、氧化糖代谢、乙醇胺利用、岩藻糖和唾液酸降解、铁获取（如血红素、气杆菌素合成）、多粘菌素耐药、嘌呤分解（如尿酸降解产物尿囊素分解）等相关的代谢通路显著富集。这些通路可能帮助肠杆菌科等细菌在炎症性肠道环境中利用宿主来源的分子（如血红素铁、尿酸）获得生长优势，并增强其致病性。

肠道菌群与重症疟疾并发症及菌血症相关

研究发现，肠道中特定细菌的富集与重症疟疾的多种临床并发症相关。例如，拟杆菌属、克雷伯菌属与重症疟疾贫血（SMA）相关；埃希氏菌属、肠球菌属与昏迷、酸中毒深大呼吸（Kussmaul breathing）、急性肾损伤（AKI）相关；埃希氏菌属和拟杆菌属还与肠道损伤标志物三叶因子3（Trefoil Factor 3, TFF3）水平升高相关。在发生菌血症的患儿血培养阳性样本中，超过50%的分离菌属于肠杆菌科。对出院后12个月的随访数据分析发现，重症疟疾患儿因任何原因再次入院、因脓毒症（Sepsis）再次入院以及因重症疟疾再次入院的比例均显著高于社区健康儿童。

肠道肠杆菌科细菌丰度与出院后死亡风险关联

最重要的发现是，肠道肠杆菌科细菌的相对丰度是患儿出院后死亡风险的独立预测因子。微分丰度分析和逻辑回归均显示，肠杆菌科（尤其是埃希氏菌属、志贺氏菌属）以及拟杆菌属的丰度与患儿从入院到出院后12个月内的总死亡率显著相关。尽管住院期间死亡患儿的粪便样本数量较少，但其肠杆菌科丰度也呈现升高趋势。生存分析（Kaplan-Meier曲线）和Cox回归分析进一步证实，入院时肠道肠杆菌科丰度高于中位数的患儿，其出院后死亡的风险显著增加（风险比HR为4.30），即使在调整了重症疟疾贫血、急性肾损伤、高尿酸血症、镰状细胞病等已知风险因素后，这种关联依然存在。在重症贫血（血红蛋白<7g/dL）的患儿亚组中，大肠杆菌（Escherichia coli）是唯一与死亡风险显著相关的物种。对出院后1个月随访样本的分析发现，两名后续死亡的患儿其肠道菌群中肠杆菌科（主要是埃希氏菌属/志贺氏菌属）和拟杆菌属仍持续高比例存在。

研究结论与意义

本研究通过来自非洲两个不同地区的队列数据，强有力地证实了重症疟疾患儿存在显著的肠道菌群失调，其特征是肠杆菌科等条件致病菌的扩张和有益厌氧菌的减少。这种失调与疾病的严重并发症相关，并且肠道肠杆菌科（尤其是大肠杆菌）的高丰度是患儿出院后死亡的一个独立危险因素。

研究揭示了重症疟疾与肠道菌群之间复杂的相互作用：疟原虫感染可能导致寄生虫在肠道微血管滞留，引发肠道损伤和炎症；炎症反应产生的活性氧/氮物种、溶血释放的血红素铁和高尿酸血症等，为肠杆菌科等兼性厌氧菌的扩张创造了有利环境；这些细菌可能通过加剧肠道损伤、产生酸性物质、易位入血等方式， contributing to 全身性炎症、器官损伤和脓毒症风险，最终增加住院期间和出院后的死亡风险。

该研究的意义在于，首次将儿童重症疟疾的预后与肠道微生物组特征直接联系起来，为理解重症疟疾的病理生理机制提供了新的视角。研究成果提示，针对肠道菌群（如减少肠杆菌科定植、改善肠道屏障功能、调节 luminal 营养环境）的干预措施，例如使用5-氨基水杨酸、瓜氨酸、槲皮素等，或选择性口服靶向肠杆菌科的抗生素，可能成为未来降低重症疟疾患儿，特别是出院后死亡风险的新辅助治疗策略。当然，这些潜在的干预措施需要在未来的纵向研究和临床试验中得到进一步验证。