基于宏转录组学的尿路感染患者特异性尿路微生物组代谢建模揭示多药耐药机制

本研究针对尿路感染(UTI)中多药耐药(MDR)日益严重的问题，通过整合宏转录组测序与基因组尺度代谢模型(GEMs)，首次构建了19例大肠埃希菌(UPEC)感染女性患者的个性化尿路微生物组代谢模型。研究揭示了微生物群落代谢异质性、乳酸杆菌(Lactobacillus)的调控作用以及代谢交叉喂养机制，为开发基于微生物组的精准诊疗策略提供了新思路。

　　

尿路感染(UTI)是全球最常见的细菌感染之一，其中80%的病例由尿路致病性大肠埃希菌(UPEC)引起。随着多药耐药(MDR)问题的加剧，传统抗生素治疗效果日益受限。近年研究发现，尿路并非无菌环境，其微生物群落的复杂互作可能影响感染进程，但具体机制尚不明确。这促使Jonathan Josephs-Spaulding团队在《npj Biofilms and Microbiomes》发表研究，通过创新性整合宏转录组学和代谢建模技术，揭示了UTI微生物组的代谢特征与致病机制。

研究采用19例UPEC确诊女性患者的尿液样本，结合宏转录组测序和16S rDNA测序进行质量控制。关键方法包括：(1)使用SortMeRNA分离rRNA/mRNA；(2)基于gapseq构建基因组尺度代谢模型(GEMs)；(3)利用Human Urine Metabolome数据库定义虚拟尿液培养基；(4)通过BacArena平台模拟微生物群落代谢互作；(5)采用Flux Variability Analysis(FVA)分析代谢通量差异。

UTI致病微生物组组成和多样性存在患者间差异

宏转录组分析显示患者尿路微生物组呈现显著异质性，除UPEC外还检测到厌氧菌(Anaeroglobus)、乳酸杆菌(Lactobacillus)等非尿路常见菌属。PCA分析表明乳酸杆菌富集样本(A01/B02/G01)形成独立聚类，其Shannon多样性指数(0.064-1.962)显著高于其他患者。

UPEC UTI89的毒力策略和代谢适应性

毒力因子数据库(VFDB)分析发现黏附基因(fimA/fimI)和铁摄取基因(chuY/iroN)持续高表达。代谢模型显示精氨酸/脯氨酸代谢、糖酵解等通路活性存在患者特异性差异，如样本A02中精氨酸代谢活性(标准化值0.882)显著高于B02。

环境特异性与非特异性模型的代谢差异

比较显示转录组约束使模型解空间缩小45%，关键通路如铁载体合成(p=7.24×10^-4)、脂肪酸合成(p=9.77×10^-4)通量显著改变。乳酸杆菌多样性分组(Lactobacillus Diverse/Absent/Single)分析揭示其与代谢活性负相关(p<0.001)。

微生物互作中的代谢交叉喂养

模型预测乳酸杆菌(L. rhamnosus/L. reuteri)产生α-乳糖和短链脂肪酸(SCFAs)，而UPEC UTI89消耗鸟氨酸和乙酸。患者特异性分析显示琥珀酸、甘氨酸等代谢物交换模式存在显著个体差异。

该研究首次系统揭示了UTI微生物组的代谢异质性和互作网络，证实转录组约束能提高模型生物学相关性。发现乳酸杆菌通过代谢调控影响致病菌活性，为开发抗MDR的益生菌疗法提供依据。建立的个性化建模框架可拓展至其他感染性疾病研究，推动微生物组导向的精准医疗发展。