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基于16S核糖体RNA高通量测序的严重烧伤患者早期肠道菌群变化分析及代谢功能预测的前瞻性研究

郭在文 宋明明 章杰 刘璐 杨云稀 邵一鸣 李林斌 孙炳伟

宋达疆, 李赞, 章一新, 等. 移植内增压式双侧血管蒂腹壁下动脉穿支皮瓣行乳房再造的临床效果[J]. 中华烧伤杂志, 2021, 37(12): 1143-1148. DOI: 10.3760/cma.j.cn501120-20200824-00390.
引用本文: 郭在文, 宋明明, 章杰, 等. 基于16S核糖体RNA高通量测序的严重烧伤患者早期肠道菌群变化分析及代谢功能预测的前瞻性研究[J]. 中华烧伤杂志, 2021, 37(12): 1122-1129. DOI: 10.3760/cma.j.cn501120-20200916-00414.
Song DJ,Li Z,Zhang YX,et al.Clinical effects of transplantation of turbocharged bipedicle deep inferior epigastric perforator flap in breast reconstruction[J].Chin J Burns,2021,37(12):1143-1148.DOI: 10.3760/cma.j.cn501120-20200824-00390.
Citation: Guo ZW,Song MM,Zhang J,et al.Prospective study on the analysis of intestinal microflora changes and prediction on metabolic function in severe burn patients at early stage by 16S ribosomal RNA high-throughput sequencing[J].Chin J Burns,2021,37(12):1122-1129.DOI: 10.3760/cma.j.cn501120-20200916-00414.

基于16S核糖体RNA高通量测序的严重烧伤患者早期肠道菌群变化分析及代谢功能预测的前瞻性研究

doi: 10.3760/cma.j.cn501120-20200916-00414
基金项目: 

国家自然科学基金面上项目 81772135, 82072217

江苏省社会发展重点项目 BE2017695

江苏省苏州市科技计划 sys2018086

详细信息
    通讯作者:

    孙炳伟,Email:sunbinwe@hotmail.com

Prospective study on the analysis of intestinal microflora changes and prediction on metabolic function in severe burn patients at early stage by 16S ribosomal RNA high-throughput sequencing

Funds: 

General Program of National Natural Science Foundation of China 81772135, 82072217

Key Project of Social Development of Jiangsu Province of China BE2017695

Science and Technology Planning Project of Suzhou of Jiangsu Province of China sys2018086

More Information
    Corresponding author: Sun Bingwei, Email: sunbinwe@hotmail.com
  • 摘要:   目的  基于16S核糖体RNA(16S rRNA)高通量测序分析严重烧伤患者早期肠道菌群变化并进行代谢功能预测。  方法  本前瞻性观察性研究将2018年1月—2019年12月江苏大学附属医院烧伤整形科收治的48例符合入选标准的严重烧伤患者纳入烧伤组,将同时期于江苏大学附属医院体检中心进行健康检查的符合入选标准的40名健康志愿者纳入健康组。收集烧伤组患者入院后1周左右的粪便标本及健康组志愿者体检当天粪便标本,进行16S rRNA V4区基因测序,分析各类菌属的相对丰度;应用Mothur软件进行操作分类单元(OTU)划分,分析优势菌群;通过QIIME1.9.0软件分析粪便菌群OTU数目、Chao1指数、Ace指数、Shannon指数;采用Canoco Software 5.0对粪便菌群相对丰度做主成分分析;采用京都基因和基因组数据库预测粪便菌群代谢功能。对数据行独立样本t检验、Mann-Whitney U检验。  结果  烧伤组患者粪便中拟杆菌属、肠球菌属、不动杆菌属、巨球型菌属、葡萄球菌属相对丰度明显高于健康组志愿者(Z=-5.20、-2.37、-5.17、-4.41、-6.03,P<0.05或P<0.01),而健康组志愿者粪便中未分类的毛螺杆菌科、普氏菌属、盲杆菌属、未分类的瘤胃球菌科、假丁酸弧菌属、布劳特菌属、未分类的消化链球菌科(Z=-8.03、-3.21、-7.63、-5.88、-8.05、-8.05、-6.77, P<0.01)等19种菌属的相对丰度明显高于烧伤组患者。健康组志愿者粪便菌群多样性优于烧伤组患者,其主要优势菌群为拟杆菌属、未分类的毛螺杆菌科、普氏菌属、未分类的肠杆菌科、布劳特菌属、副拟杆菌属和大肠志贺杆菌属等,而烧伤组患者粪便主要优势菌群为拟杆菌属、普氏菌属、未分类的肠杆菌科和副拟杆菌属。烧伤组患者粪便菌群OTU数目、Ace指数、Chao1指数、Shannon指数分别为(149±47)个、199±45、190±45、2.0±0.9,显著少/低于健康组志愿者的(266±57)个、323±51、318±51、3.8±0.5(t=10.325、11.972、12.224、11.662,P<0.01)。健康组志愿者和烧伤组患者粪便菌群相对丰度在主成分1 被清晰地区分为2个群体,主成分1贡献率为32.50%,P<0.01;健康组志愿者粪便菌群在主成分2上较为集中,烧伤组患者粪便菌群在主成分2上散布较大,主成分2贡献率为13.44%,P>0.05。烧伤组患者粪便菌群氨基酸中丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸、精氨酸-脯氨酸、半胱氨酸-蛋氨酸、甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸以及碳水化合物中三羧酸循环、果糖和甘露糖、半乳糖、酵解/糖异生、淀粉和蔗糖代谢水平显著低于健康组志愿者(Z=-4.75、-4.54、-4.75、-4.62、-3.71、-3.28、-4.19,-3.82、-4.72、-4.35、-4.75、-4.71,P<0.01),硫辛酸代谢和辅酶Q合成水平明显高于健康组志愿者(Z= -6.07、-4.51,P<0.01),花生四烯酸代谢水平与健康组志愿者相近(P>0.05)。  结论  基于16S rRNA高通量测序得出,严重烧伤患者早期肠道菌群和健康人群存在明显差异,烧伤患者肠道菌群种类减少,多样性降低,营养代谢水平降低。

     

  • 结核病严重影响患者身心健康。近些年肺外结核患者占结核病患者总数的百分比达33.4%,呈增高趋势1, 2, 3, 4, 5,而胸壁是肺外结核的好发部位之一6, 7。胸壁结核的皮下肿物往往久治不愈8, 9, 10,其皮肤破溃导致局部窦道和创面形成11, 12, 13。结核性胸壁创面的特点是口小底大,伴多发窦道、干酪样坏死及骨质破坏14, 15, 16,且清创后容易形成局部无效腔17, 18。在结核性创面的修复过程中,采用清创、皮片移植、皮瓣转移修复等16, 17, 18, 19, 20, 21,存在复发率高、供区损伤大等问题16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,修复效果仍不理想。解放军总医院第八医学中心烧伤整形科(现合并至解放军总医院第四医学中心烧伤整形医学部)2010年4月—2021年2月收治12例结核性胸壁缺损创面患者,采用部分去表皮局部皮瓣修复,取得较好效果。

    本回顾性观察性研究经解放军总医院第八医学中心伦理委员会审批通过,批号:2015ST008。

    纳入标准:(1)年龄18~65岁;(2)病变部位的病理切片证实为结核病变,或病变创面分泌物微生物培养结果为结核杆菌阳性;(3)未使用免疫抑制剂者;(4)在行外科手术前采用正规抗结核治疗至少1个月者;(5)坏死组织清创后,缺损面积>6 cm2;(6)均签署手术知情同意书者。排除标准:(1)有严重心肺肾并发症者;(2)患糖尿病、高血压者;(3)过敏体质及孕妇。

    患者中男9例、女3例,年龄(42±18)岁。创面位于左侧胸壁或右侧胸壁的患者分别有4例和5例,其余3例患者的创面位于胸骨柄或剑突。10例患者既往有肺结核和结核性脓胸,2例患者有结核性胸膜炎或纵隔淋巴结核病史。4例患者曾行胸腔脓肿清除术或胸廓成形术,其余患者均为脓肿切开后切口不愈合形成局部窦道或创面。术前胸部X线检查显示,4例患者存在局部包裹性积液,10例患者有肋骨或胸骨病变。

    1.3.1   抗结核治疗及术区清创

    采用常规抗结核治疗方案,口服异烟肼片,每日1次,每次0.3 g;乙胺丁醇片,每日1次,每次0.5 g;吡嗪酰胺,每日3次,每次0.25 g;利福喷丁,每周2次,每次0.45 g1621, 22, 23, 24, 25。所有患者的修复手术均在全身麻醉下进行,常规消毒,手术前称取用于止血的纱布重量。用亚甲蓝标记病变范围,即经窦道外口向窦道注入2~4 mL亚甲蓝,浸染1 min后切除窦道及其周围被亚甲蓝染色的肉芽组织、手术线结、异物以及病变的骨组织和软骨组织。部分切除物常规送病理学检查,部分切除物做微生物培养检查抗酸杆菌的阳性情况。清创后用体积分数3%过氧化氢溶液、医用碘伏溶液及生理盐水按照体积比1∶1∶1混合后冲洗创面,测量缺损的面积和深度,为4 cm×3 cm×2 cm~16 cm×8 cm×5 cm。

    1.3.2   设计部分去表皮局部皮瓣修复结核性胸壁缺损

    根据术区清创后的缺损面积,设计局部皮瓣大小和去表皮的范围。皮瓣宽度等于缺损区的宽度,皮瓣长度超出缺损区长度2 cm左右;去表皮的宽度等于创面的深度,去表皮后的真皮脂肪筋膜组织翻转填充到缺损区的深部。为了保证皮瓣血运良好,皮瓣的长宽比≤2∶1。具体设计见图1。如果去表皮的皮瓣组织不能填满腔隙,可以根据需要再适当切除部分表皮。当缺损区域的长宽比>2∶1 时,可将皮瓣宽度设计得宽一些,此时的皮瓣相当于推进皮瓣;或者在缺损的两侧分别设计1个皮瓣,以保证皮瓣血供充足。手术后再次称取用于止血的纱布重量。

    1  部分去表皮局部皮瓣修复结核性胸壁缺损的设计示意图。1A.ABCD围成区域为创面区,AEF围成区域为设计的局部皮瓣,BD=DF,AE稍长于AC;1B.皮瓣局部去表皮范围为AGE,GE的长度=创面的深度;1C.局部皮瓣AEF掀起后向上旋转修复创面,去表皮后的真皮脂肪筋膜组织AGE翻转填充到创面ABCD的深部,AG的皮肤边缘与ABC的皮肤相对缝合,G点与C点缝合,D点与F点缝合
    1.3.3   供区、受区处理及术后抗结核治疗

    1例合并支气管瘘患者胸壁缺损面积达16 cm×8 cm,由于局部皮瓣切取面积过大导致供区不能直接缝合,采用自体背部游离中厚皮片修复;其余患者局部皮瓣切取面积均较小,供瓣区直接拉拢缝合。皮瓣与受区缺损缝合后,在皮瓣下放置硅胶引流管,每日引流量少于20 mL时拔除引流管。术后采取1.3.1中的抗结核治疗方案对患者行正规抗结核治疗6个月以上。

    (1)手术时长、术中出血量(称取术前术后的纱布重量,重量差值即为出血量);(2)术后引流管累计引流量和留置时长;(3)术后2周皮瓣的存活情况、质地和颜色,受区有无皮下积液和皮肤破溃等以及供区愈合情况,包括有无切口裂开、局部感染、血肿发生;(4)术后1个月行胸部X线检查,必要时加做胸部其他检查,如CT或核磁共振成像,检查患者胸壁缺损创面及伴发的结核病部位有无新发的局部积液和骨质破坏;(5)术后1年内每3个月门诊复查1次,1年后改为每半年进行电话随访1次,记录患者胸壁缺损创面的手术切口有无瘢痕增生、红肿、窦道等。符合正态分布的计量资料数据以x¯±s表示。

    患者手术时长为(104±18)min,术中出血量为(119±53)mL,引流管累计引流量为(134±49)mL,引流管留置时长为(5.3±1.7)d。术后2周,患者的局部皮瓣全部存活,皮瓣质地和颜色与周围正常皮肤接近。术后2周,1例患者胸壁缺损区切口有渗液,部分切口裂开,再次清创后用部分去表皮局部皮瓣填充,术后创面愈合良好;其余患者胸壁缺损区术后2周均无切口感染、皮下积液或切口裂开等情况发生。12例患者的供区切口均愈合,无切口裂开和局部感染以及血肿发生。术后1个月,患者胸部影像学检查未观察到术区存在新的积液或骨质破坏。患者随访时长为6~96个月。术后12个月,1例患者胸壁缺损创面的手术部位切口肿胀、破溃,出现窦道。该患者胸部CT显示,原发病灶附近有部分骨质破坏;再次手术修复时见肋骨周围有窦道与皮肤创面相通,切除部分组织常规行病理及病原学检测,清创后采用局部皮瓣填充,Ⅱ期术后创面愈合良好。其余患者随访显示,胸壁缺损创面愈合良好,无瘢痕、红肿、窦道等。见表1

    表1  12例结核性胸壁缺损患者行部分去表皮局部皮瓣修复术的相关情况
    患者编号出血量(mL)手术时间(min)累计引流量(mL)引流管留置时长(d)随访时间(个月)不良事件
    病例18010095454
    病例210580155631
    病例395110187735远期窦道
    病例4112120166822
    病例59075120530
    病例689120150718
    病例715590246620切口裂开
    病例812510090430
    病例950120113592
    病例10858072312
    病例11205130115596
    病例122401209546
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    例1 男,48岁,即病例7,主因间断发热、右胸壁包块1年,已经正规抗结核治疗3个月,在外院全身麻醉下行右侧胸壁结核病灶清除术、右侧陈旧脓胸病灶清除术、纤维板剥脱、局部胸廓成形手术,术后2周时切口部分裂开。体格检查显示患者右侧胸廓塌陷,右侧胸壁存在长约20 cm沿肋缘走行的手术切口和清创后范围为8 cm×3 cm×4 cm的缺损,有黄红色分泌物流出。胸部CT显示部分肋骨缺失或被破坏,局部胸廓成形术后部分肋骨缺失及胸腔部分塌陷。患者入院后完善术前检查,并继续抗结核治疗1周后,安排手术治疗。彻底清创后,设计创面周围局部皮瓣及拟去除皮瓣远端表皮,供瓣区直接拉拢缝合。去表皮的皮瓣翻转后填充胸壁组织缺损,关闭创面。术后2周胸壁缺损区部分切口愈合不良。立即安排再次手术,手术时见肋软骨有破溃,再次清创后用局部皮瓣修复。第2次手术后3周胸壁缺损区切口愈合良好。核磁共振成像检查显示,胸壁缺损处已被软组织填充,见图2。第2次手术后1年随访,胸壁缺损区未见复发。

    2  采用部分去表皮局部皮瓣修复例1患者结核性胸壁缺损创面。2A.结核性脓胸清创后可见胸壁形成口小底大的胸壁缺损;2B.CT显示肋骨部分缺失(既往手术切除),并有包裹性积液和肋骨的感染破坏;2C.局部皮瓣切取并去除部分表皮;2D.供瓣区直接缝合,部分去表皮局部皮瓣填充清创后的胸壁缺损;2E.第2次手术后3周,切口愈合良好;2F.第2次手术后3周,胸部CT显示胸壁缺损已经被软组织填充修复

    例2 男,60岁,即病例9,主因左胸壁结核病灶扩大切除术后,胸壁缺损创面裂开1周入院。患者6个月前咳嗽、咯痰,伴有发热及左侧胸痛,诊断为肺脓肿,查痰涂片为抗酸杆菌阳性,以“肺结核、结核性脓胸、肺部感染”在外单位全身麻醉下行左胸壁探查、左胸壁病灶扩大切除清创术,术后16 d切口部分裂开,可见大量坏死组织(图3A)。患者收治入院后,在全身麻醉下切取创面周围局部皮瓣并去除皮瓣远端表皮后用于修复创面(图3B)及填充胸壁缺损。供瓣区直接拉拢缝合。术后1年随访,原手术切口无明显瘢痕增生、红肿、感染和皮下积液(图3C)。随访92个月,胸壁手术区域未见创面复发。

    3  采用部分去表皮局部皮瓣修复例2患者结核性胸壁缺损创面。3A.术前胸壁切口下可见有大量坏死组织;3B.设计的2个局部皮瓣部分去表皮后放置到胸壁缺损区待固定;3C.术后1年随访,可见创面愈合良好,无瘢痕增生、红肿、积液

    胸壁结核可能由肺结核或结核性胸膜炎的直接侵袭、胸壁淋巴结核的扩散及其他部位结核的血源性播散导致1626, 27。本组病例均有胸壁附近的结核病变,提示胸壁结核可能是由胸壁附近的原发结核病扩散导致的。但本研究中的病例数量较少,基于病历资料还不能说明胸壁结核和肺结核的确定关系,需要进一步研究。

    早期诊断结核性创面及预防性抗结核治疗是十分必要的。胸壁结核患者往往没有典型结核病症状,容易误诊1627, 28, 29。本研究采取部分去表皮局部皮瓣修复12例患者的结核性胸壁缺损,其中部分患者于第八医学中心烧伤整形科就诊前往往存在误诊,时间最长的达2年,在诊断不明和未采取正规抗结核治疗的情况下行反复清创,可能是治疗效果不理想甚至创面恶化的原因之一。因此,对于迁延不愈的胸壁脓肿,重点是增强临床医师对结核性胸壁的意识,及时对患者行病理及病原学检测,也可取病变组织行免疫学或PCR诊断27, 28, 29。对于有结核病史的疑似感染患者,排除全身及局部因素且经常规抗生素和外科创面治疗30 d以上无效者,要综合检查结果,对其行诊断性预防性抗结核治疗1626

    胸壁结核确诊后,需行正规的抗结核治疗,但局部手术治疗也不可轻视。由于结核杆菌感染的病灶多有干酪样坏死及骨质破坏,容易形成多发窦道26, 27,手术易造成切口不愈合甚至其周围出现寒性脓肿。有报道显示,应严格掌握体表组织器官结核的手术适应证,在病变尚未形成明显脓肿时,一般应先采用抗结核治疗;对于脓肿形成或者出现坏死及创面者,应在有效的抗结核治疗下开展外科手术16。本组病例均是在正规抗结核治疗的基础上进行手术。

    病灶清除不彻底和有无效腔形成是胸壁结核复发的重要原因14, 15, 16。本组术后胸壁结核复发患者行第2次手术时,均在肋软骨或肋骨处显示存在结核病灶。术后早期复发患者的渗出液较多,病原微生物培养检测显示存在结核杆菌,推测术区复发可能与清创不彻底或结核杆菌大量繁殖有关。为了较彻底地清创,手术时应仔细检查创面周围有无窦道及脓肿。如果存在窦道,可经窦道注入适量的亚甲蓝,手术时尽可能切除已被亚甲蓝浸染的软组织、骨组织、肋软骨。

    为了避免清创后深腔创面形成无效腔,往往需要各种外科方法修复创面。采用肌皮瓣修复是填充深腔创面的常用方法,然而肌皮瓣对供区损伤大,转移的内肌肉可能随时间推移萎缩,且肌肉组织比较脆弱、不易固定。而局部皮片移植,往往因为创基有骨质外露和局部炎症导致皮片存活不良。本研究团队在2010年首次将局部皮瓣切除部分表皮后形成的真皮瓣用于修复支气管瘘和填充胸壁缺损,取得良好效果21,至今已经完成12例患者此类手术。部分去表皮局部皮瓣具有以下优点:(1)设计灵活,尤其适合小的深腔创面的填充;(2)较强的渗液吸收能力;(3)填充的真皮脂肪筋膜组织有较好的张力,便于固定;(4)供、受区颜色、厚度、质地相近;(5)无须显微操作,不需要分离血管,解剖层次浅,不累及深层组织,减少了术中出血;(6)不会损伤肌肉或导致肌肉萎缩20, 21。采用局部皮瓣修复创面只要保证皮瓣长宽比<2∶1,整个皮瓣的血供就有保证。对于去表皮的范围,可以根据腔隙的大小适当调整,较深的腔隙可以适当扩创后再填充,保证填充皮瓣的顺利成活。本组所有皮瓣均存活良好,复发患者二次手术时可见已填充的去表皮组织均存活良好。

    综上所述,部分去表皮局部皮瓣具有无须分离血管,对供区破坏较小,皮瓣设计灵活、切取方便等优点,可以用来修复胸壁结核导致的深腔,也可以用于其他部位深部无效腔的填充。但是本组病例数较少,研究深度有限,需要进一步研究填充组织的远期转归和预后。

    所有作者均声明不存在利益冲突
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  • 1  健康组40名健康志愿者和烧伤组48例严重烧伤患者伤后早期粪便菌群结构热力图。1A.健康组;1B.烧伤组

    注:1A、1B中每行从左到右的40、48个色块代表40名健康志愿者和48例烧伤患者的样本

    2  健康组40名健康志愿者和烧伤组48例严重烧伤患者伤后早期粪便菌群操作分类单元(OTU)数目及α多样性指数比较(x¯±s)。2A.OTU数目;2B.Ace指数;2C.Chao1指数;2D.Shannon指数

    注:与健康组相比,aP<0.01

    3  健康组40名健康志愿者和烧伤组48例严重烧伤患者伤后早期粪便菌群主成分分析图

    注:每个色块代表一个样本,每个色块分别垂直于横、纵坐标上的距离代表样本受主成分1和主成分2影响的程度,样本间越聚集,说明相识程度越高

    表1  健康组健康志愿者和烧伤组严重烧伤患者伤后早期粪便菌群科或属水平相对丰度比较[%,MP25P75)]

    组别人数/例数拟杆菌属未分类的毛螺杆菌科普氏菌属未分类的肠杆菌科副拟杆菌属盲杆菌属肠球菌属未分类的瘤胃球菌科大肠志贺杆菌属
    健康组4012.65(6.88,20.56)11.38(8.10,18.79)1.38(0.22,2.23)0.36(0.12,1.68)0.69(0.22,1.48)3.89(2.33,10.24)0.01(0,0.04)3.52(1.91,5.37)0.87(0.31,2.98)
    烧伤组4851.82(24.89,81.99)0.06(0.04,1.25)0.16(0.08,0.68)1.51(0.16,3.97)1.78(0.16,7.50)0.04(0.02,0.25)0.06(0.01,0.13)0.05(0.03,0.68)0.32(0.09,1.00)
    Z-5.20-8.03-3.21-1.47-1.69-7.63-2.37-5.88-3.37
    P<0.001<0.0010.0020.1520.103<0.0010.022<0.0010.001
    注:罕见小球菌属、嗜黏蛋白-艾克曼菌属、萨特菌属等23种菌群相对丰度太小,未列出
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    表2  健康组健康志愿者和烧伤组严重烧伤患者伤后早期粪便菌群代谢水平比较[%,MP25P75)]

    组别人数/例数氨基酸代谢
    丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸代谢精氨酸-脯氨酸代谢半胱氨酸-蛋氨酸代谢甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢苯丙氨酸代谢色氨酸代谢酪氨酸代谢
    健康组402.14(1.59,2.75)2.53(1.97,3.22)1.85(1.50,2.41)1.59(1.30,2.00)0.34(0.28,0.44)0.25(0.17,0.31)0.63(0.52,0.83)
    烧伤组481.22(1.09,1.31)1.29(1.08,1.50)0.91(0.81,0.99)0.84(0.72,0.93)0.22(0.19,0.26)0.10(0.09,0.17)0.35(0.31,0.42)
    Z-4.75-4.54-4.75-4.62-3.71-3.28-4.19
    P<0.001<0.001<0.001<0.001<0.0010.001<0.001
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  • 收稿日期:  2020-09-16

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