01
研究背景
這項研究基於美國耶魯大學團隊對超過一百萬人的15年縱向人群佇列資料分析，揭示了非抗生素處方藥與胃腸道感染風險增加之間的關聯。研究指出，雖然抗生素類藥物已知會破壞腸道微生物群並降低腸道的定植抵抗力，但許多非抗生素藥物同樣能顯著影響腸道微生態平衡，進而增加感染風險。鑑於美國大多數人依賴處方藥維持健康，而全球每年因腹瀉等胃腸道疾病死亡人數超過百萬，這種藥物-微生物群-感染的互動作用具有重要的公共衛生意義。
此外，腸道微生物群的破壞不僅與感染相關，還可能導致炎症性腸病、自身炎症性疾病及結腸癌等多種疾病。然而，具體的觸發因素及其引發的微生物群變化尚不明確。傳統大規模流行病學研究難以同時獲得疾病發病前後的微生物群資料，限制了對這些複雜關係的深入理解。基於此，研究團隊創新性地利用臨床診斷程式碼作為微生物群破壞的間接指標，結合藥物使用資料，系統篩選出與胃腸道感染風險顯著相關的藥物類別和具體藥物，為後續機制研究和干預策略提供了堅實基礎。
02
研究發現
本研究結合了對超過一百萬美國人15年醫療資料的流行病學分析與小鼠實驗，發現多種非抗生素處方藥與胃腸道感染風險增加相關。特別是心臟糖苷類藥物地高辛（digoxin）能夠顯著改變腸道微生物組的組成，降低腸道的定植抵抗力，從而增加沙門氏菌（Salmonella Typhimurium）等腸道病原體的感染風險。地高辛透過啟用宿主轉錄因子RORγt，誘導表達一種新型β-防禦素（BD-39），該抗菌肽選擇性減少了促進免疫監視的共生菌群（如分段絲狀菌SFB），導致腸道免疫環境重程式設計，降低對病原體的防禦能力。該作用透過微生物組可傳遞，且在人類微生物組移植的小鼠模型中也得到驗證，提示這一機制在人類中具有潛在的生物學意義。
流行病學分析採用病例-交叉設計，鑑定出21種與胃腸感染風險顯著相關的藥物，其中包括非抗生素類藥物如地高辛、氯硝西泮、泮托拉唑和喹硫平。 小鼠實驗顯示，這些藥物中的多種能顯著改變腸道微生物組結構，地高辛尤其顯著，且四種藥物顯著增加沙門氏菌ΔinvA菌株的腸道定植負荷。 地高辛預處理小鼠感染沙門氏菌後，病原體負荷和死亡率顯著增加，且該效應可透過微生物組移植傳遞給無菌小鼠，證明微生物組介導了感染易感性的改變。 地高辛顯著減少了小鼠腸道中免疫調節菌群分段絲狀菌（SFB）的丰度，導致腸道中IL-17A+ CD4+ T細胞、嗜中性粒細胞和Ly-6Chi單核細胞數量下降，免疫監視能力減弱。 該作用依賴於RORγt轉錄因子，地高辛誘導RORγt依賴性β-防禦素39（Defb39）表達，BD-39具有直接殺滅SFB的抗菌活性，過表達Defb39的小鼠腸道SFB顯著減少。 在攜帶人類腸道微生物組（缺乏SFB）的無菌小鼠中，地高辛同樣降低了促炎細胞因子表達，改變微生物組組成，並增加沙門氏菌感染負荷，提示該機制在人類微生物組背景下也存在。
03
臨床意義
多種處方藥顯著增加胃腸道感染風險，不僅限於抗生素，心臟苷類地高辛等非抗生素藥物也可透過影響腸道微生物組及宿主免疫，提升感染易感性。 地高辛等藥物可破壞腸道定植抵抗力，透過誘導特異性抗菌肽表達，減少關鍵免疫調節菌群（如SFB），導致腸道免疫功能紊亂，進而增大細菌性腸道感染風險。 微生物組作為藥物作用的介質，提示藥物與微生物組的相互作用是影響患者感染風險的重要因素，強調臨床用藥管理應考慮微生物組狀態。 個體微生物組差異影響藥物相關感染風險，如缺乏SFB的個體可能風險較低，表明精準醫學中微生物組評估可輔助感染風險預測和藥物選擇。 藥物誘導的免疫調節效應具有時間依賴性，短期用藥影響顯著，長期用藥可能產生耐受性，需關注患者用藥依從性及劑量調整策略。 該研究為探索藥物-微生物組-宿主相互作用的臨床影響開闢新途徑，將促進未來開發預防感染的微生物組干預手段，最佳化臨床治療方案。本研究揭示了處方藥特別是非抗生素藥物透過調控腸道微生物組及免疫反應，顯著影響胃腸道感染風險。臨床醫生在給藥過程中應關注藥物潛在的腸道微生物組影響，尤其是長期使用心臟苷類藥物的患者，可能需要監測腸道健康狀況及感染跡象。未來結合患者微生物組特徵制定個體化治療策略，有望降低藥物相關感染風險，提高治療安全性和有效性。
04
實驗策略
1. 流行病學資料分析： 佇列來源：魁北克省25%隨機樣本，覆蓋醫保和處方藥。 設計：病例-交叉設計，透過病例期與對照期的用藥對比來消除個體內在差異干擾。 診斷編碼篩選：採用ICD-9和ICD-10編碼定義感染性胃腸事件。 處方藥暴露評估：構建藥物-時間矩陣，排除感染前三天用藥，計算藥物與感染風險的相關性。 統計分析：條件邏輯迴歸，調整潛在混雜因素（如抗生素、免疫抑制劑使用）。
2. 小鼠藥物處理和感染模型： 藥物給藥：口服灌胃，2天內每日兩次，劑量依據文獻確定，載體統一為PBS+5%DMSO。 微生物組取樣：給藥前（D-2）與給藥後（D0，最後一次給藥後12小時）採集糞便，進行16S rRNA測序分析。 感染挑戰：D0時口服S. Tm ΔinvA，監測感染負擔（糞便及腸道內容物菌落計數）及生存率。 免疫學檢測：流式細胞術分析腸道免疫細胞亞群，qRT-PCR及RNA-seq檢測免疫相關基因表達。 病原菌及其他病原體擴充套件驗證：包括野生型S. Tm、志賀氏菌Rodentium及耐藥腸球菌VRE感染模型。
3. 微生物組功能驗證： 糞便微生物組移植：將地高辛或對照處理小鼠的腸道內容物移植至無菌小鼠，觀察感染易感性變化。 微生物組組成分析：16S rRNA測序，統計多樣性及差異菌群。 SFB定量：特異性qPCR及SEM觀察，驗證SFB丰度變化。 轉基因與基因缺失模型：使用Defb39過表達小鼠及Rorc-/-, Rag1-/-小鼠，解析宿主基因及免疫細胞對藥物效應的貢獻。 抗菌肽純化及體外抗菌實驗：表達純化BD-39蛋白，檢測對SFB及其他菌株的殺菌活性。
4. 人源微生物組相關實驗： 選取不含cgr2基因（負責地高辛代謝）的健康人糞便樣本，製備混合菌群。 無菌小鼠定植人源菌群后進行藥物處理與感染挑戰，驗證地高辛效應的保守性。
05
資料解讀
圖1：對一百萬人的15年隨訪分析鑑定出增加人類和小鼠感染風險的藥物
Figure 1 透過大規模人群資料和動物實驗相結合的方式，系統分析了多種藥物對感染風險的影響，旨在篩選出可能增加感染風險的藥物，為臨床用藥安全提供依據。 A. 作者利用15年間一百萬人的電子健康記錄，採用流行病學統計方法分析多種常用藥物與感染事件的關聯性。結果顯示，部分藥物使用者感染風險顯著升高，提示這些藥物可能影響宿主免疫功能。 B. 透過對人群資料中篩選出的高風險藥物，作者在小鼠模型中進行驗證。小鼠接受相應藥物處理後，暴露於病原體，結果表明這些藥物處理組小鼠的感染率和病原體負荷均顯著高於對照組。 C. 進一步分析顯示，某些藥物透過抑制免疫細胞功能或改變炎症反應，導致宿主防禦能力下降，從而增加感染風險。 結論： 本圖透過對大規模人群資料和小鼠實驗的綜合分析，鑑定出多種藥物能夠顯著增加感染風險，提示在臨床應用這些藥物時需謹慎權衡感染風險，促進合理用藥和感染防控。
圖2：地高辛對感染風險的影響可以透過微生物組進行傳播
Figure 2 探討了地高辛（Digoxin）與小鼠腸道微生物組之間的相互作用，以及該藥物如何影響小鼠對鼠傷寒沙門氏菌（S. Tm）感染的易感性。 地高辛對S. Tm 感染風險的影響： 在實驗中，C57BL/6NTac小鼠經過地高辛預處理後，其糞便中的病原體數量顯著增加，表明地高辛提高了小鼠對S. Tm 感染的易感性。此外，地高辛的影響不僅侷限於糞便中的病原體負擔，還有在消化道內容物和腸外組織中的病原體數量。 地高辛增加小鼠感染後死亡率： 研究發現，預處理過地高辛的小鼠在感染S. Tm後，其死亡率顯著提高。這提示了地高辛可能透過改變腸道環境而導致病原體負擔增加，從而增加了感染的嚴重程度和致死性。 地高辛影響可透過微生物組傳播： 為了驗證地高辛的影響是否可以透過改變微生物組來傳播，研究人員將地高辛或PBS（作為對照）預處理的小鼠的腸道內容物移植到無菌小鼠體內。結果顯示，接受了地高辛預處理的小鼠的腸道微生物組移植後的小鼠，同樣表現出精細的感染風險增加和抵抗力減弱。 小鼠選擇與感染模型的細微差別： 實驗在不同的小鼠品種中進行了不同組學和腸道內容物移植。在C57BL/6J小鼠中，在非共居情況下地高辛處理未導致明顯的易感性變化，而在共居C57BL/6NTac小鼠兩週後，地高辛處理則顯著提高了感染易感性。 地高辛影響的傳遞性和微生物組組成： 透過微生物組的移植實驗，研究表明地高辛的影響是可傳遞的，並主要透過改變宿主免疫反應和降低對病原菌的監測來發揮作用。 綜合上述，Figure 2的研究結果揭示了地高辛透過微生物組傳遞的影響，不僅增加了小鼠對特定病原體感染的易感性，還強調了微生物組在藥物影響中的重要角色。這為理解藥物-微生物組-宿主相互作用機制提供了新的視角，也為未來的治療策略提供了可能的線索。
圖3：Digoxin介導的SFB消耗增加小鼠對 S. Tm 感染的易感性
Figure 3 主要研究了地高辛（Digoxin）對SFB（Segmented Filamentous Bacteria）的影響以及其如何增強小鼠對鼠傷寒沙門氏菌（S. Tm）感染的易感性。 地高辛對小鼠腸道微生物組的影響： 地高辛處理顯著改變了C57BL/6NTac小鼠腸道微生物組的組成，尤其是一些乳酸桿菌類群的顯著減少。研究還顯示，地高辛在受試小鼠中導致了‘Candidatus savagella’（SFB的一種）的顯著減少，該菌在C57BL/6J小鼠中自然缺乏。 SFB在小鼠免疫系統中的作用： SFB附著於迴腸上皮，並觸發一系列宿主免疫反應，包括宿主細胞對血清澱粉樣蛋白A（SAA1和SAA2）途徑和RORγt的啟用，這在建立腸道屏障中起到關鍵作用。這種屏障對於抵抗入侵病原菌至關重要。 地高辛處理的小鼠免疫細胞變化： 在接受地高辛處理的小鼠中，表現出了一定的免疫抑制，包括IL-17A+CD4+ T細胞、粒細胞和Ly-6Chi單核細胞/巨噬細胞的數量顯著減少。相關的IL-17a等基因的表達也因此減少，這可能導致了宿主對病原體的防禦能力降低。 C57BL/6J小鼠的共育實驗： 透過共居實驗，C57BL/6J小鼠從C57BL/6NTac小鼠處獲得了SFB，隨後地高辛也對其產生了影響，使得共居後的C57BL/6J小鼠在處理地高辛後對S. Tm感染的易感性增加。 Defb39基因的作用： 研究在特定的小鼠品種中發現地高辛誘導了Defb39（編碼一種β-防禦素BD-39）的表達增加。實驗表明BD-39在對SFB的抗菌作用上有一定的功效，從而影響免疫調節。 這些研究揭示了地高辛不僅可透過直接的作用影響宿主細胞，還能透過改變微生物組的組成，進而改變宿主的免疫反應。這一機制可能在未來幫助揭示更多藥物與微生物組的相互作用及其對疾病風險的影響。
圖4：地高辛誘導的RORγt依賴性β-防禦素控制小鼠腸道中SFB的水平
Figure 4 揭示了地高辛（Digoxin）透過RORγt（視黃酸受體相關孤兒受體）依賴性途徑影響β-防禦素的表達，進而控制腸道中節段絲狀細菌（SFB）水平的機制。 RORγt依賴性機制的確認： 當SFB定殖的Rorc缺失小鼠（Rorc−/−）接受地高辛預處理後，SFB水平並未減少，且這些小鼠對感染的易感性也未增加。這表明地高辛對SFB水平的調控依賴於RORγt。 β-防禦素（Defb39）的上調： 研究中顯示，地高辛可以顯著提升Defb39在小鼠迴腸組織中的表達。RNA序列分析進一步確認了Defb39的上調，而其他一組β-防禦素家族成員（如BD-37）也可能在地高辛預處理後有所上調。 Defb39的表達特異性： 令人矚目的是，Defb39的表達增加在GF（無菌）小鼠中並未發生，或者恢復至基線水平，這表明該基因的上調與SFB相關，且並不依賴於更廣泛的微生物組。 Defb39功能的直接證據： 透過轉基因技術，研究構建了過表達Defb39的小鼠模型（Vil-Defb39），這些小鼠展現出顯著的SFB水平下降，強調了Defb39在調控SFB數量中的作用。此外，在體外實驗中，純化的BD-39展示出對特定細菌（包括SFB）的直接抗菌活性。 整體機制的提出： 研究結果整體提示，地高辛誘導的Defb39上調是減少SFB水平、調控宿主免疫反應的重要機制。這種機制透過影響小鼠抵抗病原體的能力，展現了藥物如何透過影響微生物組來介導複雜的免疫反應。 綜合以上分析，Figure 4為理解地高辛在小鼠模型中影響SFB水平和宿主免疫系統提供了關鍵見解，尤其是透過誘導防禦素表達的分子路徑。這一發現可能幫助推動新型抗感染策略的開發，透過調控與宿主免疫系統互動的微生物組來達到治療目的。
圖5：地高辛增加了定植有人類微生物群的無菌小鼠對野生型S. Tm感染的易感性
Figure 5 旨在探討人類微生物組在小鼠體內的移植過程中，地高辛（Digoxin）如何影響小鼠對鼠傷寒沙門氏菌（S. Tm）感染的易感性。以下是Figure 5的詳細解讀： 實驗設計概述： 小鼠被分為兩組：一組用來自已知會誘導TH17細胞反應的人類腸道菌群的20種菌株構成的合成菌群（TH17-consortium）感染，另一組用來自多個不含cgr2基因的人類供體的糞便樣本作混合菌群感染。 地高辛對TH17細胞反應的影響： 地高辛處理減少了合成菌群小鼠體內的炎症細胞因子（如IL-22和IL-17a）的表達，這暗示該藥物抑制了與TH17細胞反應相關的促炎訊號。 Defb39基因的上調： 在混合人源菌群感染的小鼠中，地高辛處理顯著增加了Defb39的表達，進一步驗證了地高辛能夠透過誘導Defb39來調節免疫反應的機制。 病原體負擔的變化： 感染WT S. Tm後，預處理地高辛的小鼠體內病原體負擔顯著增加，與此同時，宿主對病原菌的炎症反應也有所上升。 移植的人類微生物組對地高辛的敏感性： 此外，分析顯示沒有cgr2基因的人類微生物組接受地高辛處理後表現出減少的炎症反應和增加的感染易感性。這表明，儘管人類中SFB較少見，但具有TH17誘導能力的其他人類腸道菌群仍然可以在小鼠中產生類似於SFB的效應。 整體來說，Figure 5不僅拓展了地高辛在影響小鼠微生物組-宿主免疫系統動態中的作用，還強調了人類微生物組在傳遞這種藥物效應過程中的重要性。這一研究揭示了藥物影響的特定機制，併為理解人類與動物模型間的微生物組-宿主相互作用提供了新的見解。
06
主要結論
在這項關於地高辛（Digoxin）與腸道微生物組相互作用的研究中，科學家們發現了一些重要的結論。首先，該研究揭示了非抗生素藥物與腸道微生物組之間的廣泛相互作用，這些藥物不僅限於直接作用於宿主，還透過顯著改變腸道微生物組的組成，提高宿主對某些病原體感染的易感性。具體而言，地高辛影響了小鼠對鼠傷寒沙門氏菌（S. Tm）的易感性。這種影響機制不僅在於直接調節宿主免疫系統，還透過調控微生物組間接實現。研究中，節段絲狀細菌（SFB）被發現是關鍵的中介因素：地高辛透過RORγt依賴性途徑誘導特定β-防禦素（如Defb39）的表達，顯著減少了SFB的數量，並改變了宿主的免疫反應。此外，儘管SFB在人類微生物組中較為少見，實驗表明，一些具有TH17細胞啟用能力的人類腸道菌群在移植至小鼠後，會因地高辛的作用而展現出類似效應。這提示這一過程在跨物種間具有一定的保守性。這一研究的發現具有潛在的臨床和治療意義，不僅揭示了藥物對微生物組動態及其對感染易感性影響的複雜性，還指示研究者在設計藥物治療方案時需更深入地考慮微生物組的因素。這些深入理解將可能為改善藥物使用策略和開發新型治療方式提供紮實的理論基礎。總體而言，該研究展示了藥物–微生物–宿主之間複雜且重要的相互作用機制，引導了對相關生物過程更全面的認識。
07
討論總結
研究強調了藥物對宿主健康的影響不僅僅停留在其直接生物效應上。以地高辛（Digoxin）為例，研究揭示了該藥物如何透過改變腸道微生物組組成，間接影響宿主對病原體感染的易感性。儘管傳統上藥物的副作用主要被認為是藥物本身引起的，但這項研究表明，藥物可以透過複雜的微生物組-宿主相互作用顯著改變疾病病程。 研究的一個關鍵發現是，地高辛透過調節宿主免疫途徑和誘導特定微生物群的表達，特別是透過RORγt依賴性途徑上的β-防禦素（例如Defb39），來控制特定微生物如節段絲狀細菌（SFB）的水平。這種機制可能會對臨床實踐產生深遠的影響，因為許多藥物與微生物組的相互作用尚未被全面瞭解。 此外，這項研究具有較強的跨物種相關性，即在小鼠身上觀察到的藥物-微生物組相互作用，可能在人類中也存在類似機制。即便在缺乏SFB的人類微生物組中，人類腸道中的某些細菌也能夠在移植到小鼠體內後重現這些效應。這不僅加深了對微生物組在健康和疾病中作用的理解，也提示著在藥物開發和疾病治療中考慮微生物組因素的重要性。 研究者呼籲在未來的研究中，繼續探索其他非抗生素藥物如何透過微生物組影響宿主生理與病理過程。這類研究不僅能揭示更多潛在的藥物副作用，還能為如何調節和利用微生物組以改善疾病治療效能提供新思路。因此，這項研究不僅進一步推動了對藥物-微生物組-宿主相互作用的理解，也為生物醫學研究提供了新的視角和方向。
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