《Frontiers in Microbiology》：Gut microbiota and SCFA signatures in predicting postoperative infection sites in neurocritical care patients
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摘要翻译：
背景：术后肺部感染（pulmonary infection, PI）和颅内感染（intracranial infection, IC）是神经重症监护患者的主要并发症；然而，目前仍缺乏可靠的预测感染部位易感性的方法。越来越多的证据表明，肠道菌群及其
摘要翻译：
背景：术后肺部感染（pulmonary infection, PI）和颅内感染（intracranial infection, IC）是神经重症监护患者的主要并发症；然而，目前仍缺乏可靠的预测感染部位易感性的方法。越来越多的证据表明，肠道菌群及其代谢物通过肠–肺轴（gut–lung axis）和肠–脑轴（gut–brain axis）影响系统性免疫应答。然而，术后早期肠道微生物特征是否能区分后续发生的PI与IC仍不清楚。方法：本横断面研究纳入90例接受神经外科手术的神经重症监护患者，并根据术后感染状态将其分为三组：IC组（n=30）、PI组（n=30）和未感染对照组（CON，n=30）。在术后24 h内采集粪便样本，用于16S rRNA基因测序及基于气相色谱–质谱联用（gas chromatography–mass spectrometry, GC–MS）的短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）定量分析。系统分析了微生物多样性、分类组成、差异微生物标志物、功能谱及微生物–代谢物相关性。结果：与CON患者相比，两个感染组均表现出显著降低的微生物多样性和改变的群落结构。IC与PI患者之间观察到不同的肠道微生物和代谢模式。IC组富集肠球菌属（Enterococcus）、葡萄球菌属（Staphylococcus）和梭菌属（Clostridium），丁酸盐水平升高，丙酸盐水平降低，并且支链SCFAs比例升高。相比之下，PI组以变形菌门（Proteobacteria）扩张、克雷伯菌属（Klebsiella）和埃希菌–志贺菌属（Escherichia-Shigella）富集、丙酸盐浓度升高和丁酸盐水平降低为特征。相关性分析显示特征微生物属与SCFA谱之间存在强关联。由肠球菌属、粪杆菌属（Faecalibacterium）、Dialister属、埃希菌–志贺菌属、农杆菌属（Agathobacter）和布劳特菌属（Blautia）组成的六属微生物组合能有效区分感染类别，曲线下面积（area under the curve, AUC）达到0.901。功能预测进一步揭示了三组间存在不同的代谢和致病性相关通路。结论：神经重症监护患者术后早期肠道菌群和SCFA特征与后续感染部位相关。这些发现凸显了肠道微生物–代谢谱作为非侵入性策略在术后肺部及颅内感染早期风险分层和个性化预防中的潜力。
论文解读：肠道菌群与短链脂肪酸特征预测神经重症监护患者术后感染部位
**研究背景与问题**
神经重症监护患者常需急诊手术减压或血肿清除，尽管围手术期管理不断进步，术后感染仍是影响临床预后的主要因素。术后肺部感染（pulmonary infection, PI）和开颅术后颅内感染（intracranial infection, IC）是最常见的两类并发症，发生率分别约为40%和0.7%–8%。两种感染类型在临床管理上存在根本差异：PI主要由革兰阴性病原体（如肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌）引起，需选用肺组织穿透力强的抗生素；而开颅术后脑膜炎多由革兰阳性球菌（如凝固酶阴性葡萄球菌和金黄色葡萄球菌）导致，需使用能透过血脑屏障的抗生素。预防策略也不同：PI预防强调抬高床头、声门下吸引和口腔护理，IC预防则注重严格无菌操作、脑室外引流管理和围手术期抗生素预防。目前尚无可可靠工具在术后早期识别哪些患者易发生肺部感染或颅内感染，这一知识空白阻碍了个体化预防策略的实施。肠道菌群已被证明是宿主免疫的重要调节因素，短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）是共生菌调节免疫功能的关键代谢物，主要经G蛋白偶联受体（FFAR2/FFAR3）和抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs）发挥作用。肠–肺轴和肠–脑轴的概念已得到广泛认可，肠道菌群失调可影响呼吸系统和中枢神经系统感染的易感性。然而，既往研究仅关注感染是否发生，未探讨感染部位。本研究首次提出假设：神经重症监护患者术后早期粪便SCFA和菌群特征在后续发生PI、IC或未感染患者中存在差异，旨在识别与各感染部位相关的独特微生物和代谢指纹。
**主要技术方法**
该研究为横断面设计，于扬州大学神经外科进行，纳入90例接受神经外科手术的神经重症监护患者，分为IC组（n=30）、PI组（n=30）和未感染对照组（CON，n=30）。术后24 h内采集粪便样本，采用16S rRNA基因V3–V4区扩增子测序（Illumina NovaSeq 6000平台）分析微生物组成，同时采用气相色谱–质谱联用（GC–MS）定量测定7种SCFAs（乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、己酸）。生物信息学分析包括QIIME2流程（DADA2降噪、SILVA 138数据库注释）、α多样性指数（Shannon、Simpson、Chao1等）、β多样性（Bray–Curtis距离、PCoA、NMDS、PERMANOVA、ANOSIM）、LEfSe差异分析、Spearman相关性分析、BugBase表型预测和PICRUSt2功能预测。临床数据从电子病历系统提取，包括人口学特征、感染相关参数和手术参数。
**研究结果**
**患者入组及基线特征**
共筛选820例患者，最终纳入90例。三组在年龄、性别、体重指数等基线特征方面无显著差异，具有可比性。
**粪便短链脂肪酸谱**
与CON组相比，PI组表现为丙酸升高、丁酸降低，丙酸/丁酸比值升高；IC组则表现为丙酸降低、丁酸升高，丙酸/丁酸比值降低。IC组支链SCFAs（异丁酸和异戊酸之和）占总SCFAs比例显著高于PI和CON组。乙酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、己酸浓度在三组间无显著差异。
**肠道菌群多样性在IC和PI组均降低**
α多样性分析显示，Shannon、Simpson和Chao1指数在三组间存在显著差异：两个感染组均显著低于CON组，且IC组显著低于PI组。β多样性分析（PCoA和NMDS）显示三组形成明显分离的聚类，ANOSIM证实组间差异大于组内差异（R=0.238，p=0.029），表明感染状态和感染部位均与肠道菌群群落结构系统性改变相关。
**肠道菌群组成及组间差异**
共获得12,843,720条高质量序列，鉴定出1,346个扩增子序列变体（ASVs），归属11个门、60个科和319个属。在门水平，Firmicutes和Bacteroidetes为三组优势菌门。IC组Firmicutes相对丰度最低（56.11%），PI组最高（60.08%）；Bacteroidetes在PI组最低（26.39%），IC组最高（34.99%）。Proteobacteria在PI组（8.67%）高于CON（7.01%）和IC（6.32%）。在属水平，Lachnospiraceae在CON组富集但在两个感染组前五名中缺失；Enterobacteriaceae在PI组扩张，Enterococcaceae在IC组富集。
**三组间特征性微生物属**
LEfSe分析（LDA阈值>2.0，p<0.05）共鉴定24个特征性菌属，其中PI组富集6个属，IC组富集12个属，CON组富集6个属。PI组以条件致病菌克雷伯菌属（Klebsiella）和埃希菌/志贺菌属（Escherichia/Shigella）以及产丙酸菌Dialister富集为特征；IC组以条件致病菌肠球菌属（Enterococcus）、葡萄球菌属（Staphylococcus）和梭菌属（Clostridium）以及产丁酸菌粪杆菌属（Faecalibacterium）为特征；CON组以产丁酸菌布劳特菌属（Blautia）、农杆菌属（Agathobacter）和瘤胃球菌属（Ruminococcus）为特征。
**区分PI和IC与CON的微生物标志物组合**
选取肠球菌属、粪杆菌属、Dialister、埃希菌/志贺菌属、农杆菌属和布劳特菌属六个属构建联合预测组合，ROC曲线分析显示AUC达0.901，表明该微生物标志物组合对后续感染类别具有良好的区分能力。
**PI和IC患者微生物表型特征改变**
BugBase预测显示，与CON组相比，PI和IC组的需氧菌、厌氧菌和革兰阳性菌相对丰度显著降低，而革兰阴性菌、潜在致病菌和兼性厌氧菌相对丰度显著升高。三组在生物膜形成能力、可移动元件含量和氧化应激耐受性方面无显著差异。
**特征性肠道菌群与SCFA代谢物的相关性**
Spearman相关性分析显示，所有产丁酸菌属均与丁酸浓度呈显著正相关（Faecalibacterium r=0.38，p=0.001；Blautia r=0.31，p=0.002；Agathobacter r=0.27，p=0.008），并与丙酸/丁酸比值呈显著负相关。Dialister与丙酸浓度（r=0.34，p=0.004）及丙酸/丁酸比值（r=0.29，p=0.011）呈正相关。埃希菌–志贺菌属和肠球菌属均与异戊酸和支链SCFA百分比呈显著正相关。
**PICRUSt2功能预测**
PI组富集丙酸代谢和致病性大肠杆菌感染相关通路，与其Enterobacteriaceae富集和活跃的丙酸代谢一致；IC组富集丁酸代谢、金黄色葡萄球菌感染、群体感应和ABC转运蛋白通路，与Faecalibacterium丰度升高及条件致病菌的毒力调控和环境适应相关；CON组氨基酸-tRNA生物合成和核糖体通路丰度最高，反映活跃的蛋白质合成和代谢稳定。
**讨论与结论**
讨论部分指出，与既往仅关注感染有无的研究不同，本研究首次在神经重症患者术后感染中引入“肠–肺轴”和“肠–脑轴”概念，发现感染患者较未感染者具有更低的微生物多样性、更少的有益菌和更多的条件致病菌，且不同的失调模式与后续感染类型相关。研究提出两种基线“微生物–代谢物”构型：IC预测构型以单一优势产丁酸途径（Faecalibacterium主导）、条件致病菌（Enterococcus、Staphylococcus、Clostridium）富集、丁酸浓度过高（可能呈非单调钟形剂量反应，过度抑制Th17和中性粒细胞功能，下调血脑屏障紧密连接蛋白表达）、支链SCFA升高（反映肠道蛋白发酵增强）及群体感应和ABC转运蛋白通路富集为特征，提示肠道屏障脆弱和中枢防御减弱。PI预测构型以Klebsiella、Escherichia/Shigella和Dialister协同富集、基线丙酸升高和丁酸降低为特征，肠道LPS可能经肠系膜淋巴和门静脉进入循环，导致肺泡巨噬细胞持续低水平“预激活”，而持续LPS暴露可能诱导“内毒素耐受”或“免疫麻痹”，同时丁酸不足削弱Treg分化，最终造成肺部过度炎症与清除效率低下并存。CON组呈现多属共存、结构均衡的产丁酸菌网络，丁酸和丙酸均处于中等水平，支链SCFA比例最低，功能上富集氨基酸-tRNA生物合成和核糖体通路，代表真正具有保护性的生态配置。临床转化方面，动态监测术后肠道菌群轨迹可能作为感染早期预警工具；基于不同感染部位的特异性菌群特征可制定精准益生菌/益生元干预策略，例如PI高风险患者可补充产丁酸菌，而IC高风险患者需谨慎评估丁酸补充；群体感应和ABC转运蛋白通路的富集提示抗感染治疗中需考虑药物外排机制。局限性包括：单时间点测量无法区分微生物特征为术前既有特性、手术应激反应或两者兼具；样本量有限（每组30例）；单中心设计；PICRUSt2功能预测为间接推断；未测量外周血或脑脊液SCFA浓度，肠道来源SCFA能否进入循环并到达靶器官尚待验证。
结论翻译：早期术后肠道菌群和SCFA谱与神经重症监护患者后续肺部及颅内感染显著相关。不同感染部位表现出独特的微生物–代谢模式：PI以变形菌门、克雷伯菌属和埃希菌/志贺菌属富集以及丙酸盐水平升高为特征；IC则与微生物多样性降低、肠球菌属和葡萄球菌属富集以及丁酸盐水平升高相关。特征微生物属的组合显示出区分感染类别的潜在价值。这些发现表明，早期肠道微生物组和代谢物谱分析可能作为术后感染风险分层的非侵入性方法，并为神经重症监护患者制定个性化预防策略提供基础。
