【文献分享】CyTOF发现肠道菌群失调与医院感染频率增加的免疫关联机制

ICU中的危重病人的肠道菌群发生了巨大变化，这些改变与医院获得性感染和不良结局的高风险有关，但其机制并不明确。既往研究表明，肠道菌群有助于维持系统免疫稳态，而肠道生态失衡可能导致对感染的免疫防御缺陷，从而导致对院内感染的易感性。

基于上述背景，加拿大卡尔加里McDonald博士和研究团队对重症监护室的51名患者进行了跟踪观察，并在Nature Medicine（IF=87.241）上发表了研究成果，文章题为“Dysbiosis of a microbiota–immune metasystem in critical illness is associated with nosocomial infections” 。研究使用CyTOF质谱流式细胞技术全面监测患者外周血免疫图谱变化，发现肠道微生物群和系统免疫功能作为一个集成的系统，肠道菌群失调会导致髓系细胞反应失调和全身炎症放大，并导致院内感染几率的增加。

▶ 样本分组及研究方法

使用CyTOF对外周血PBMC的40种marker进行分析。

健康对照组：n=12；

ICU患者组：n=51；

对ICU患者组分别在day1（n-49），day3（n=43），day7（n=15）采集血样。

▶ 关键发现

1）CyTOF揭示危重症患者入院一周内先天免疫和适应性免疫发生的深刻变化。

根据CyTOF检测结果进行聚类分析发现，危重患者的中性粒细胞扩张主要归因于未成熟的中性粒细胞（CD16lo/intCD11blo/int），同时伴随着成熟中性粒细胞（CD16hiCD11bhi）和衰老中性粒细胞（CXCR4+CD62Llo）的减少。其他多系先天免疫失调包括单核细胞失调，HLA-DR+树突状细胞损失和干扰素-γ+激活NK细胞减少。

在适应性免疫内，T和B细胞淋巴整体减少，剩余的T细胞池富含PD-1+ CD4+和CD8+ T细胞簇、调节性T（Treg）细胞簇 (CD4+CD25+FoxP3+）。

结合血浆炎症介质的定量分析结果，这些证据揭示了危重症患者的动态细胞免疫和炎症反应，其特征是早期先天免疫失调和全身炎症，随后是进行性先天和适应性免疫功能障碍。

2）CyTOF检测结果体现免疫细胞动力学与微生物群动态变化间的强联系。

急性重症期间，肠道菌群损伤和系统免疫失调的动态变化存在时间上的重叠。研究人员发现，与健康志愿者相比，ICU患者入院时观察到更多的显著相互作用。

研究人员将微生物、免疫细胞亚群和炎症介质进行综合分析，发现肠杆菌科的相对丰度和先天免疫应答之间存在很强的相关性，肠杆菌科的增加与未成熟中性粒细胞（N1、N2和N4）、经典单核细胞（CM5和CM6）和成熟中性粒细胞（N3）的减少相关。使用NMDS对单细胞免疫景观进行降维显示，进行性肠杆菌科富集显示的细胞免疫反应显著不同，而在炎症介质景观中没有显著差异。

这些数据表明，急性危重疾病期间的微生物群和免疫细胞动力学可以作为一个完整的元系统，并确定进行性肠杆菌科富集可能是整体元系统失调的驱动因素。

3）CyTOF发现进行性肠杆菌科患者先天免疫细胞景观差异的主要特征。

研究人员继续探索肠杆菌科相关的半系统生态失调是否以特定免疫防御程序的缺陷为特征，对CyTOF的检测结果进行分析发现：具有进行性肠杆菌科富集性的患者的先天免疫细胞景观存在显著差异，而淋巴细胞反应几乎没有区别。这种先天免疫细胞景观差异的主要特征是中性粒细胞簇的大变化，表现为病原体杀伤力功能低下的未成熟中性粒细胞在早期及后续的持续增加。

联系临床情况发现，在进行性肠杆菌科富集的情况下，对医院感染易感性的增加与调节失调和功能低下的中性粒细胞反应相结合。

参考文献  

Schlechte J, Zucoloto AZ, Yu IL, Doig CJ, Dunbar MJ, McCoy KD, McDonald B. Dysbiosis of a microbiota-immune metasystem in critical illness is associated with nosocomial infections. Nat Med. 2023 Apr;29(4):1017-1027. doi: 10.1038/s41591-023-02243-5. Epub 2023 Mar 9. PMID: 36894652; PMCID: PMC10115642.