Cell子刊:想要治好神经性糖尿病足溃疡,伤口菌落检测不可少



近日,美国宾夕法尼亚大学牵头的研究团队发现,伤口菌群对神经性糖尿病足溃疡(Neuropathic Diabetic Foot Ulcers, DFU)伤口的愈合有直接的影响。

溃疡大家再熟悉不过,是指皮肤和粘膜坏死脱落后形成的损伤,其中口腔溃疡是最为常见的一种,每个人多少都会接触过,但是神经性糖尿病足溃疡DFU却并非每个人都有了解,DFU是糖尿病最常见的并发症之一,伤口愈合极其缓慢,通常由足部缺血性、神经性和神经缺血性病变引起。据统计,多达四分之一的糖尿病患者都会逐步发展成DFU,约25%的住院糖尿病患者是由于感染或缺血性DFU导致。此外,令人吃惊的是,在美国的截肢手术中,DFU引起的截肢高达三分之二。

由于滥用抗生素导致的抗生素耐药性和16S rRNA基因扩增子测序(16S rRNA gene amplicon sequencing)的有限菌种分类能力,导致目前DFU依旧没有得到一个有效的检验和治疗方式。

由美国宾夕法尼亚大学牵头的研究团队利用鸟枪宏基因组方法(Shotgun Metagenomics)对100个患有DFU,且两周没有使用抗生素药物治疗的患者进行关于脚部伤口的微生物负载量(microbial bioburden)和临床治疗效果之间关系的研究。研究者首先提取了患者脚部伤口的深组织液(deep tissue fluid)并用鸟枪宏基因组法进行基因测序(图1)。与此同时,病人的各项生理指标都进行了检测,如血糖浓度、白细胞含量和血红蛋白含量等。伤口样品收集完成后,每个患者随即进行了为期26天的间断性清创手术,直到病情无可进一步改善,如痊愈、截肢或依旧不可治愈。



图1:鸟枪宏基因组测序的糖尿病足溃疡微生物群

通过测序发现,在这100例病人的伤口微生物中,细菌占到了总数的96%,其中金黄色酿脓葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa)、纹带棒杆菌(Corynebacterium striatum)和粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)占比最大(图2),该结果也通过16S rRNA基因扩增子测序数据进行验证,并且得到确认。通过对测序数据的分析,葡萄球菌的丰度最高(18.95%),且金黄色酿脓葡萄球菌是其中最重要的组成。

图2:DFU微生物群的菌株水平多样性统计情况

鉴于金黄色酿脓葡萄球菌在伤口群落中的高丰度,研究人员继续挖掘金黄色酿脓葡萄球菌与患者治愈情况的关系,并发现,94%的患者中都测到了金黄色酿脓葡萄球菌阳性,且金黄色酿脓葡萄球菌的群落丰度与治愈周期呈线性相关(图3)。研究人员还鉴定了几种只与未愈合伤口相关的金黄色葡萄球菌,如金黄色酿脓葡萄球菌10757 (SA10757),占所有标本的6.2%(12/195),占未愈合伤口标本的18.2%,进一步说明了了金黄色酿脓葡萄球菌是影响DFU伤口愈合的主要因素。

图3:金黄色葡萄球菌菌株的异质性与临床结果有关

随后,研究人员鸟枪法获得的数据与SEED数据库进行对比,发现群落丰度高的菌种中含有大量与生物膜和毒力因子相关的基因,且这些相关基因与足部伤口的深度和面积存在明显的相关性,这也说明了足部治疗的不良结果与DFU宏基因组中与生物膜和病毒相关的遗传通路有着重要的关系(图4)。

图4:宏基因组注释揭示了与临床因素和结果相关的功能子系统

为了从实际实验中检验鸟枪法中检测到的大比例金黄色酿脓葡萄球菌阳性是否对DFU患者的伤口愈合有直接负面影响,研究人员挑选出粪产碱杆菌、纹带棒杆菌和金黄色酿脓葡萄球菌对糖尿病模型小鼠进行感染测试(图5),有趣的是,小鼠处理三天后,粪产碱杆菌促进了伤口的愈合,而种群丰富较高的纹带棒杆菌和金黄色酿脓葡萄球菌均恶化了伤口的程度,其中金黄色酿脓葡萄球菌7372株对伤口恶化的速度最快,3天后伤口扩大了137%,而对照组仅有123%,再次进一步说明了金黄色酿脓葡萄球菌是CFU的主要影响因素。



图5:初次伤口分离菌对伤口愈合的影响

最后,研究人员还对日常常用的抗生素疗法和清创术法进行了对比,发现抗生素疗法并没有从根本上改变DFU患者伤口的群落丰度结构,但是清创术法却显著性地改变了群落丰度结构(图6),对DFU的治疗更加富有疗效。

图6:抗生素疗法和清创术法对DFU群落结构的影响

此次美国宾夕法尼亚大学的实验通过鸟枪法系统地研究了神经性糖尿病足溃疡DFU伤口的菌落组成,并发现金黄色葡萄球菌的菌株差异影响伤口预后。此外,由于伤口菌群中抗生素耐药性基因分布广泛,相比于抗生素治疗,清创术可显著改变伤口菌群。不仅如此,伤口菌落的组成也有望成为一种治疗标记,以用于对预后和治疗疗效的预测。

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作者:RockyL

编辑:Rachel

审核:Jason Sanchez