精密氧氣控制系統(tǒng)在高氧改變肺腸微生物種群的氧誘導(dǎo)肺損傷的應(yīng)用

2020年5月，武漢大學(xué)人民醫(yī)院的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在International Journal of Infectious Diseases上的一篇文章總結(jié)了25例COVID-19死亡病例的臨床特征。
 

所有患者最終均死于呼吸衰竭。除了影響呼吸功能，最常見(jiàn)的器官損傷是心臟，其次是腎臟，和肝臟，表明患者死亡可能主要與心肺功能受損有關(guān)。此外，細(xì)菌感染可能在促進(jìn)患者死亡方面起重要作用[1]。
 

事實(shí)上，不僅僅是新冠病毒，包括每年都不得不見(jiàn)的流感病毒在內(nèi)的許多病毒都具有類似的致死機(jī)制。致病過(guò)程主要基于急性呼吸窘迫綜合癥（ARDS)。伴隨著ARDS，患者會(huì)出現(xiàn)缺氧并呼吸困難，這些都提示需要上呼吸機(jī)了。
 

吸入氧氣雖然通常用于呼吸系統(tǒng)疾病患者，但會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的肺損傷，并與人類不良的臨床結(jié)果相關(guān)。然而，高氧、肺和腸道微生物群以及肺損傷之間的關(guān)系尚不清楚。
 

2020年8月,來(lái)自美國(guó)密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Shanna L. Ashley等在Science Translational Medicine (IF= 17.956/Q1)發(fā)表了題為Lung and gut microbiota are altered by hyperoxia and contribute to oxygen-induced lung injury in mice的文章。闡明了，高氧可能會(huì)改變肺和腸道微生物種群，并且這些種群變化可能導(dǎo)致肺損傷。
 

 

目前的研究進(jìn)展

氧元素對(duì)人類生存至關(guān)重要，在各種生物和生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。吸入氧氣廣泛用于治療急性和慢性低氧血癥。然而，吸入氧氣造成的高氧，會(huì)引起致命的肺損傷，和增加人類的死亡率相關(guān)。高氧對(duì)肺生物學(xué)的有害影響已得到充分的證實(shí)，并且這種影響在哺乳動(dòng)物中是強(qiáng)大的。盡管如此，高氧引起的彌漫性肺泡炎癥和損傷的機(jī)制仍未完全了解。
 

就微生物學(xué)的最新研究進(jìn)展，以前被認(rèn)為是無(wú)菌的肺部，擁有復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的細(xì)菌菌落。肺部微生物在健康狀態(tài)下是可檢測(cè)到的，并且在疾病中會(huì)發(fā)生改變，而且和氣道與肺泡免疫的變化相關(guān)。
 

呼吸衰竭患者接受高濃度治療性氧氣時(shí)，肺微生物種群發(fā)生了巨大的變化。氧化應(yīng)激是細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的決定性因素。肺相關(guān)細(xì)菌對(duì)氧化應(yīng)激的耐受性差異很大，從專性厭氧菌(e.g., Prevotella spp.)到兼性厭氧菌(e.g., Pseudomonas aeruginosa)到專性需氧菌 (e.g., Mycobacteria tuberculosis) 。金黃色葡萄球菌Staphylococcus aureus是呼吸相關(guān)性肺炎中最常見(jiàn)的病原體 ，已進(jìn)化出多種耐受氧化應(yīng)激的機(jī)制。
 

肺部炎癥的特征是高氧化應(yīng)激，因?yàn)橄忍烀庖叻磻?yīng)的一個(gè)關(guān)鍵特征是免疫系統(tǒng)的炎癥細(xì)胞產(chǎn)生活性氧和活性氮。此外，腸道微生物種群與患者對(duì)肺炎的易感性有關(guān)。高氧對(duì)肺和腸道微生物種群的生態(tài)影響尚不清楚，氧氣誘導(dǎo)的肺和腸道微生物種群被破壞的生物學(xué)重要性也是未知的。
 

本文得到的結(jié)論

我們證明了肺和腸道微生物種群在小鼠氧誘導(dǎo)肺損傷中的發(fā)病機(jī)制。急性高氧改變了鼠源肺和腸道微生物種群的細(xì)菌群落組成，使得耐氧種群(e.g., Staphylococcus spp.)的富集。
 

氧誘導(dǎo)的肺生態(tài)失調(diào)先于肺損傷的發(fā)展。對(duì)相同基因型的小鼠，分別在高氧和常氧下，相同的暴露時(shí)間，肺和腸道微生物種群的變化與肺部炎癥嚴(yán)重程度相關(guān)。
 

我們進(jìn)一步利用體內(nèi)和體外的小鼠模型證明，氧損傷肺的微環(huán)境改變更有利于富氧類群S. aureus增長(zhǎng)。

高氧打破新生小鼠肺微生物群的建立

鑒于我們觀察到的人類數(shù)據(jù)表明高氧會(huì)改變肺微生物群，我們接下來(lái)試圖在體內(nèi)模擬高氧對(duì)小鼠肺細(xì)菌群落的生態(tài)影響。我們?cè)噲D確定高氧對(duì)新生小鼠幼崽肺部微生物群的建立和破壞的急性影響，這些幼崽出生時(shí)沒(méi)有可檢測(cè)到的肺部細(xì)菌。
 

為了確定高氧對(duì)新生小鼠肺微生物群建立的影響，我們使用了一個(gè)完善的新生兒氧暴露模型。我們將新生小鼠幼崽 (C57BL/6) 從它們的普通窩中隨機(jī)分離，并將它們暴露于高氧 (FiO 2 75%，n = 9) 或常氧 (FiO 2 21%，n = 8) 2 周，然后表征肺微生物群使用 16 S核糖體 RNA (rRNA) 基因測(cè)序。與常氧暴露小鼠的肺相比，高氧暴露小鼠的肺群落豐富度（給定測(cè)序深度的獨(dú)特細(xì)菌分類群的數(shù)量）降低（P = 0.03；圖 1B）。高氧對(duì)肺細(xì)菌群落組成有很大影響（P = 0.007；圖 1B）。正如mvabund和 BiPlot 分析所確定的那樣，這種差異是由一個(gè)突出的丹毒科分類群的消除引起的（P = 0.0004；圖 1B）。這種丹參科分類群是常氧暴露小鼠肺中最豐富的厭氧菌，但在高氧暴露小鼠中未檢測(cè)到。先前曾報(bào)道，在小鼠中，丹參科 (Erysipelotrichaceae) 富含低纖維飲食，與過(guò)敏性氣道表型相關(guān)，并與肺白細(xì)胞介素 4 (IL-4) 濃度相關(guān)。相比之下，高氧暴露的小鼠耐氧鏈球菌的相對(duì)豐度增加（P = 0.02；圖 1B).
 

圖1.高氧改變了人類、新生小鼠和成年小鼠的肺微生物群

展望

吸入氧，是住院患者中最常用的治療方法，與死亡率增加，嚴(yán)重的肺損傷和肺炎相關(guān)。我們的研究表明，肺與腸道生態(tài)失調(diào)可能導(dǎo)致氧誘導(dǎo)的肺損傷。未來(lái)，我們還需要進(jìn)一步確定：
 

(i) 高氧選擇性使肺部富含耐氧細(xì)菌的機(jī)制；

(ii) 氧改變類群促進(jìn)和抑制肺泡炎癥的途徑；

(iii) 受傷肺部?jī)?nèi)的其他生態(tài)因素促進(jìn)和維持細(xì)菌生長(zhǎng)；

(iv) 胃腸道微生物群在肺泡炎癥和損傷中的作用。
 

更好地了解氧氣在體內(nèi)平衡中的作用，及其打破宿主 - 微生物群平衡，有助于了解肺和腸道微生物群的治療調(diào)節(jié)，以預(yù)防和治療氧誘導(dǎo)的肺損傷[2] 。

參考文獻(xiàn)：

[1]https://doi.org/10.1016/j.ijid.2020.03.053

[2]DOI: 10.1126/scitranslmed.aau9959

文中建立高氧模型的設(shè)備為美國(guó)BioSpherix公司的精密氧氣控制系統(tǒng) ProOx P110：

P110是一個(gè)多功能小型氧氣控制器�？膳c各種A-Chambers培養(yǎng)箱配合工作，配備氧氣探頭反饋控制系統(tǒng)，氧氣可快速到達(dá)設(shè)定值并穩(wěn)定維持。任何氣體擾動(dòng)會(huì)立即檢測(cè)并及時(shí)恢復(fù)。
 

√ O2控制范圍0.1%～99.9%，精度0.1%；

√ 可連接N2鋼瓶（用于低氧實(shí)驗(yàn)）或O2鋼瓶（用高氧實(shí)驗(yàn)）；

√ 適合中小尺寸動(dòng)物箱。

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