原文题目：Altered human gut virome in patients undergoing antibiotics therapy for Helicobacter pylori
通讯作者：Wai K. Leung
隶属单位：香港大学临床医学院医学系
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37975-y
据估计，世界上有4万人感染了幽门螺杆菌，特别是在亚洲，高达4.54%的人口被感染。幽门螺杆菌可引起多种胃肠道疾病，包括消化性溃疡、胃癌和粘膜相关淋巴组织淋巴瘤 （MALT）。虽然通过抗生素根除幽门螺杆菌可以降低这些胃肠道疾病的风险，但抗生素治疗也可能意外重塑肠道微生物群，以及对主机健康的影响。越来越多的证据表明，虽然肠道细菌在疾病的发展和进展中起着重要作用，包括饮食、生活方式、宿主遗传、年龄和地理因素在内的因素也可能有助于肠道细菌分析。到目前为止，微生物群研究表明，在对幽门螺杆菌进行抗生素治疗后，肠道微生物群、其相关的代谢功能和与宿主的相互作用发生了显着改变。虽然人类肠道微生物组是由细菌、病毒、古细菌和真菌组成的复杂环境，大多数研究人员都专注于幽门螺杆菌根除后肠道细菌的变化。尽管如此，幽门螺杆菌治疗后肠道病毒组的变化及其与宿主的相关性仍不清楚。健康的肠道病毒组包括噬菌体（感染细菌）、真核病毒和古菌病毒，相对稳定且具有高度个体特异性，以噬菌体类（主要是噬菌体）为主。细菌是噬菌体的天然宿主，细菌-噬菌体共同进化被认为是细菌群落生态和进化过程的关键驱动力。根除治疗中使用的抗生素可能会促进某些耐药菌株（如大肠杆菌）的富集，或去除目标细菌种类。鉴于抗生素对微生物群的影响，对噬菌体的影响不太可预测，因为这种改变是噬菌体 - 细菌相互作用和噬菌体 - 抗生素协同作用的结果。
图1：幽门螺杆菌根除治疗后核心、常见和独特病毒的改变。
最近的研究表明，肠道病毒组与人类疾病（包括2型糖尿病，肠易激综合征和非酒精性脂肪性肝病）之间存在潜在关联，但改变病毒物种的功能或机制尚未完全了解。可能的机制包括肠道病毒组和细菌之间的相互作用，通过裂解或溶原生命周期重塑肠道微生物群，以及通过水平基因转移（HGT）改善细菌功能，这可能有助于人类疾病发病机制。了解与幽门螺杆菌根除相关的肠道病毒组的改变也可能有助于优化当前的幽门螺杆菌根除方案，或通过操纵微生物组（如粪便病毒组移植（FVT）或噬菌体疗法来减轻抗生素治疗的不良反应，以减少抗生素耐药性。
随着二代测序的可用性，研究人员可以进一步探索以前不可培养和未分类的微生物。几项横断面和纵向研究揭示了疾病特异性肠道病毒组动力学和各种病毒-细菌动力学。NCBI病毒RefSeq，肠道病毒数据库（GVD），综合微生物基因组数据库（IMG / VR）和肠道噬菌体数据库（GPD，仅噬菌体基因组）是常用的病毒序列数据库。通过这些病毒参考数据库，研究人员可以探索接受幽门螺杆菌根除后的肠道病毒组动力学。
图2：幽门螺杆菌根除治疗后肠道病毒群落的生物多样性改变。
在这项工作中，研究人员解决了根除幽门螺杆菌后肠道病毒组的变化。研究人员收集了接受幽门螺杆菌根除治疗的患者的系列粪便样本，并进行宏基因组测序，以确定根除治疗前后肠道病毒组、微生物组和病毒-细菌相互作用的纵向变化。
据研究人员所知，这是第一项使用全基因组霰弹枪测序方法检查幽门螺杆菌根除治疗后患者肠道病毒组纵向变化的研究。研究人员的结果表明，在抗生素治疗根除幽门螺杆菌后，病毒群落多样性降低，肠道病毒组差异增加，病毒组组成重塑。此外，不同的治疗方案导致肠道病毒组的相似变化，但重复的幽门螺杆菌根除疗法（再治疗）可能会产生更持久和更强的影响。虽然肠道微生物群暂时改变并在6个月时恢复正常，但根除疗法强加的噬菌体多样性和结构的变化更持久。相关性分析表明，抗生素暴露促进了噬菌体和细菌的协同进化过程，在多样性和分类群水平上均具有较强的正相关或负相关。抗生素治疗诱导的ARG富集也更可能与细菌而不是噬菌体的变化有关。
与剧烈定植过程引起的婴儿高时间内个体内多样性相反，健康的成人肠道病毒组相对稳定。之前的一项研究报告称，80% 的病毒在健康成年人中持续存在 2.5 年。横断面研究报告了非酒精性脂肪性肝病 （NAFLD） 的疾病特异性肠道病毒组改变、炎症性肠病 （IBD）包括溃疡性结肠炎，以及 1 型或 2 型糖尿病和结直肠癌。这些研究表明，肠道病毒组可以在各种疾病中受到影响，但是，其他环境因素，如药物（抗生素或免疫抑制剂），饮食，地理差异也会影响肠道的细菌和病毒群落。先前的观察表明，在猪肠道中抗生素治疗后诱导噬菌体多样性，其特征在于抗生素抑制细菌后噬菌体的扩增。与这些发现相反，一项针对接受微生物群转移疗法（包括 2 周抗生素治疗）的自闭症谱系障碍 （ASD） 患者的研究表明，万古霉素治疗后肠道噬菌体多样性下降，并在几个受试者中恢复。同样，研究人员在这项研究中表明，用于根除幽门螺杆菌的抗生素可能导致病毒组（噬菌体）多样性的降低和病毒组群落差异的增加，这表明肠道炎症或免疫反应的恢复以及幽门螺杆菌根除带来的更健康的肠道病毒组。
图3：幽门螺杆菌根除治疗后病毒分类群发生显著改变。
先前的发现表明，各种根除疗法可导致肠道微生物群的不同和短暂的扰动，研究人员观察到各种根除方案后的短期和中期肠道病毒组改变。一项研究报告称，噬菌体可能会抑制靶向细菌的生长，促进正常肠道微环境和共生的富集。此外，在人类肠道中鉴定出的噬菌体大多为温带噬菌体，其突变和进化速率相对较低于毒噬菌体，从而导致病毒和细菌群落的恢复速度不同。恢复速度不同的另一个可能原因可能是由空间重组的细菌群落或微环境引起的，这有助于细菌从抗生素和噬菌体的攻击中逃脱。此外，研究人员的结果显示，与根除治疗后6个月内的主要治疗组相比，再治疗组（先前根除治疗失败）的病毒组多样性较低，进一步支持了根除治疗可能不可逆转地改变肠道病毒组的发现，并且多疗程的根除疗法可能对病毒组群落产生更持久的影响。需要进一步的大规模研究，涉及各种方案，以验证不同根除方案对肠道病毒组的影响。
研究人员在多样性和分类水平上观察到6周的噬菌体-细菌相关性短暂增强，噬菌体-细菌相关性的阳性或负数增加，这可能是由于抗生素诱导的应激下复杂的噬菌体-细菌协同进化动力学造成的。此外，研究人员观察到抗生素治疗可能会影响一些肠道细菌。从而间接改变噬菌体的丰度和流行率。例如，根除治疗后富集了芽孢杆菌、蛭弧菌、棒状杆菌、克雷伯菌属和集球菌属的丰度，对应于噬菌芽孢杆菌（芽孢杆菌噬菌体vB_BhaS-171）、蛭弧菌噬菌体（蛭弧菌噬菌体phi1422）、噬菌体棒状杆菌（Samwavirus StAB），Klebsiella phage（Przondovirus KP32）和Synechococcus phage（Llyrvirus SSKS1）。据报道，在最近的一项研究中，在超过1422%的健康个体的血液中发现了蛭弧菌噬菌体phi50。由于细菌宿主可以同时携带多个噬菌体，单个噬菌体的改变可能不会跟随细菌宿主的改变。例如，肠道细菌噬菌体mEp390（噬菌体埃希氏菌体）丰度在根除后减少，埃希氏菌噬菌体HK639在根除后增加，而埃希菌属的丰度在根除后丰富。然而，这些噬菌体的功能需要通过进一步的研究来验证。另一方面，增强的噬菌体-细菌相互作用和来自Caudoviricetes类的丰富尾部噬菌体表明噬菌体介导的水平基因转移（HGT）在人类肠道中的可能性更高，如将phiHP33直系同源基因转移到幽门螺杆菌菌株，其与幽门螺杆菌毒力标志物细胞毒素相关基因A（CagA）和空泡细胞毒素A（VacA）相关。
图4：幽门螺杆菌根除治疗后噬菌体和细菌的生物多样性改变。
除了能够感染人体肠道中的病原体外，噬菌体或噬菌体衍生颗粒（称为移动遗传元件）还能够携带抗生素抗性基因并将其水平转移到细菌中。并促进抗生素耐药肠道菌群的出现。然而，研究人员的研究表明，ARG的富集与细菌宿主而不是噬菌体的关系更密切。之前的一项研究表明，所鉴定的噬菌体中没有一个携带已知的抗菌素抗性基因，这表明ARG很少被编码在噬菌体中，噬菌体可能不负责ARG转移。幽门螺杆菌噬菌的患病率估计为 ~21%。先前的研究已经确定了phiHP33噬菌体序列和其他噬菌体（施密德病毒KHP30，施密德病毒KHP40和施密德病毒sv1961P）在幽门螺杆菌菌株中的存在。虽然在这些幽门螺杆菌噬菌体中没有观察到明显的改变，但phiHP33噬菌体与幽门螺杆菌属的丰度显示出显着的相关性。考虑到幽门螺杆菌中存在噬菌体，针对与裂解盒相关的噬菌体基因的研究可用于噬菌体治疗。除了噬菌体本身外，鉴于抗生素耐药性的增加，噬菌体编码的溶酶和相关细菌分解酶也被认为是抗生素的潜在替代品。这项研究有几个局限性。首先，与目前的细菌序列数据库相比，公共数据库中有限的噬菌体序列阻碍了噬菌体细菌宿主的鉴定，并显着限制了肠道病毒组的研究。其次，由于该试点研究的样本量较小，各种根除疗法对肠道病毒组的作用是否不同，需要在未来的大规模研究中得到验证。第三，之前的一项研究揭示了抗生素对针对铜绿假单胞菌的噬菌体的影响的时间依赖性方式。在这项研究中，研究人员观察到根除治疗后6个月病毒组群落减少，需要更长的观察期才能充分了解肠道病毒组的改变。第四，研究人员依靠预测的ORF与Viral RefSeq的相似性来获得病毒分类信息，这可能会限制检测到的病毒多样性的范围。为了解决这一限制，研究人员考虑了其他病毒数据库，例如肠道噬菌体数据库（GPD）。其中包含从公共宏基因组数据中检测到的超过 140，000 个病毒重叠群。然而，这些病毒基因组仅在家族水平上提供分类学注释。考虑到病毒RefSeq已被广泛用于最近的许多研究中，研究人员认为这是研究人员研究最合适的方法。最后，由于目前的宏基因组测序方法忽略了RNA病毒，并且没有湿实验室方法就无法区分活性和休眠噬菌体，因此肠道真核病毒的作用可能被低估了。未来有必要开展针对真核病毒的工作并完善噬菌体数据库。
图5：幽门螺杆菌根除治疗后病毒-细菌相互作用的改变。
总之，该研究证明了幽门螺杆菌根除对使用宏基因组方法重塑肠道病毒组、肠道微生物群和病毒-细菌跨王国相互作用的影响。研究人员的研究结果强调了与幽门螺杆菌抗生素治疗相关的肠道微环境以前较少探索的部分的变化。
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