抗生素耐药性是当下和未来几十年人类健康将面临的重要挑战之一。从2000年到2015年，抗菌药物的普及导致人类抗生素消耗量增加了约65%，2015年后这个数据还在增加。最明显的后果是抗生素耐药性的增多，这使得近年来常见的感染难以治疗。

最近，由于担心出现更难治疗的肠道感染和其他感染，以及耐药病原体可能传播给更脆弱的人群（如小孩和老人），人们对使用抗生素进行严格管理和开展精准用药算是迈开了第一步。

抗生素的使用经常产生脱靶效应，这意味着抗生素的使用浓度所引发的抗菌作用超出了消除影响病原菌的作用。下一代靶向测序已证明抗生素会导致肠道细菌生物量、分类多样性和功能多样性减少。

除了耐药性之外，抗生素未能清除感染的原因还有多种。感染灶中药物的药代动力学较差或生物膜（下期专门讲）等受保护的生态位中细菌的持续存在会导致治疗失败。

此外，在感染过程中，一些细菌（持续存在）可能会由于进入抗生素持久性状态而在药物治疗后达到致命的浓度。然后会引起长期和反复感染，导致最终治疗失败。

感染期间抗生素的持久性涉及持久性在宿主免疫反应和药物的联合作用下生存的能力。病原体已经进化出多种方式来击败宿主的免疫反应，并且它们的毒力因子已经被仔细研究了几十年。然而，细菌通过持久性抵抗抗生素暴露的能力仍然更加难以捉摸。

虽然抗生素暴露对病原体清除的正向影响有利于宿主健康，但抗生素暴露对肠道微生物组组成和功能的脱靶影响可能会对宿主健康产生有害或有益的影响，具体取决于初始成分和原生微生物群落的功能。

预测抗生素耐药性进化轨迹以及耐药风险的能力对于调整抗生素的给药方案以最大限度地延长其使用寿命具有重要价值。

本文将讨论抗生素持久性以及微生物持久性形成在感染中的重要性，了解肠道微生物群如何对抗生素扰动做出反应以及对特别人群的影响、影响抗生素暴露对微生物群影响的因素、抗生素引起的微生物群改变的潜在健康结果以及有可能改善这些问题的策略。

关于耐药性几个术语的界定和定义

抗生素持久性领域仍处于起步阶段；然而，关于定义的争议和讨论已经模糊了关键概念及其各自的重要性。在这里，采用的定义和说明与最近几十个研究小组的文章一致。

Gollan B,et al.Annu Rev Microbiol.2019

确定的定义主要集中在体外研究的细菌上，并以最小抑制浓度（MIC——明显抑制细菌生长的药物最低浓度）和杀死99%数量细菌所需的最少时间（MDK99）的测量为中心。

尽管这些测量对于区分允许细菌在实验室培养物中暴露于抗生素后存活的不同现象非常有价值，但它们在感染模型中的工作中难以进行。

因此，研究者们更多地关注不同概念的描述性定义。重要的是，一些导致抗生素暴露存活率增加的细菌行为（即抗生素持久性和表型耐药性）涉及复制群体内的表型异质性，因此最好通过群体和单细胞特征的组合来描述。

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耐药性

▸ 细菌的耐药性

当细菌能够在对同一物种的参考菌株致死的药物浓度下增殖时，细菌被认为对抗生素具有耐药性。

耐药性通常（但并非总是）特定于一种药物或一类药物，并且是由于非耐药亲本菌株的基因修饰（从头突变或通过水平基因转移获得）造成的。

遗传性状会代代相传

一旦获得，遗传性状就会代代相传。产生耐药性的主要原因是药物或药物靶点的输出或修改。在体外，可以通过测量增加的明显抑制细菌生长的药物的最低浓度。

▸ 群体的耐受性

当暴露于杀菌药物时，整个细菌群体可能表现出较低的杀灭率，因为群体的增长率因遗传或环境因素而降低。因此，与普通菌株相比，生长缓慢的细菌表现出相对的药物冷漠，这增加了种群在抗生素暴露下存活的时间。

从理论上讲，足够长的时间接触抗生素应该可以清除整个人群。营养缺陷型突变代表了这种耐受现象的一个极端例子。当环境条件发生变化允许恢复快速生长时，种群就会恢复到易感表型。在体外，可以通过测量杀死一定比例的群体的持续时间来量化耐受性。

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持久性

抗生素持久性和表型耐药性代表了抗生素存活方面的异质行为。“持久性”与“耐药性”一词指的是两个不同的概念，它们被认为是有联系的，但又是不同的。因此，它们不能互换使用。

▸ 感染持续存在

当病原体有能力在宿主体内停留较长时间时，无论宿主免疫反应如何或长期抗生素治疗如何，感染都会持续存在。

据信，持续感染至少部分依赖于感染人群的耐受性（或药物冷漠）以及抗生素的持久性，但这种联系仍然很脆弱。迄今为止，抗生素持久性领域主要忽视了持久性细菌在宿主体内生存的能力。

Gollan B,et al.Annu Rev Microbiol.2019

▸ 抗生素持久性

药物暴露后的这种异质群体行为是由于细菌亚群（持续存在）通过生长停滞、暴露于对其余群体致命的浓度的抗生素而得以生存的能力。

由于持续者是非定植者，因此他们的存在不会影响整个种群的MIC。在种群水平上，这种现象在几代群体中都是稳定的，这表明种群内的所有细菌都具有持续存在的遗传装备。

MIC——明显抑制细菌生长的药物最低浓度

抗生素持久性与压力有关

抗生素持久性很大程度上是由 “压力” 引发的，最好在压力缓解后进行评估，以免与耐受现象混淆。

事实上，与耐受人群相反，持久人群携带着压力暴露的记忆。由于现象的异质性，通常可能需要允许单细胞分析的工具来获取有意义的信息。

▸ 持续者

持续者是抗生素持久性种群中的个体，当暴露于对其他种群中的亲属致命的浓度的抗生素时，它们能够通过生长停滞而生存。

持久菌在药物中存活的能力是短暂的，并且持久菌后代是异质的，由易感细菌和持久菌组成。在体外，群体中存留菌的存在可以通过双相杀伤曲线来揭示，该曲线显示存活率与时间的关系，其中易感细菌被快速杀死，存留菌存活时间更长。

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表型耐药性

表型耐药性是在药物暴露时可能发生的另一种异质行为，这是由于细菌亚群（耐药性）在抗生素浓度达到对其余菌群致命的情况下能够增殖的能力。

整个群体的最小抑制浓度与易感菌株相当

由于群体主要由易感细菌组成，因此整个群体的MIC（明显抑制细菌生长的药物最低浓度）与易感菌株的MIC相当。在种群水平上，这种现象在几代菌中都是稳定的，这表明种群中的所有细菌都具有抵抗力的遗传装备。

▸ 休眠

休眠是一个用于定义一系列特征的术语，从缺乏任何可测量的细胞活性到生长停滞。在这篇文章中，我们用它来表示缺乏活性。

持续感染和抗生素持久性

从体内感染模型中积累的新证据强调了持续感染者在持续感染中的重要性。持续感染者在感染复发中的潜在作用是对其进行研究的重要原因。

★ 开发研究持久性的技术

由于这种生理状态的短暂性和可逆性，以及相对稀有的残留物可以产生少量的生物材料，研究抗生素残留物具有挑战性。

长期以来，最常见的方法是从基因或环境角度操纵细菌种群，并测量其对持久性水平的影响。虽然这使得能够识别涉及调节群体中持续者水平的压力和途径，但近年来通过建立能够跟踪、收集和分析持续者的方法，取得了重要突破（下图）。

​Gollan B,et al.Annu Rev Microbiol.2019

很快，人们就清楚地意识到重点应该放在单细胞研究上，因为持久性细菌只是细菌种群的一小部分。微流体装置与显微镜和流式细胞术相结合的使用成为一种选择技术。微流体背后的基本原理是分离单个细菌，以便使用延时显微镜来跟踪个体随时间的行为，以检查持久细胞的历史。

然而，微流体带来的对单个细菌的直接可视化和跟踪的能力受到可同时评估的细胞数量有限的阻碍。因此，流式细胞术提供了一种替代方法，允许以高通量方式进行单细胞分析，并通过荧光报告基因的发展，增强对感兴趣细胞进行分选的能力。

因此提出休眠（代谢活动的缺乏）对于进入持久性既不是必要的，也不是充分的。第一个开发荧光稀释技术来在单细胞水平上追踪细菌分裂的人。这种方法类似于免疫学家用来追踪T细胞增殖的羧基荧光素琥珀酰亚胺酯 (CFSE) 染色。

高通量下一代测序技术的兴起，随着生物信息学分析的改进和此类平台的可访问性的增加，也为持久化领域带来了视野。

最后，除了用于跟踪持久者的实验室技术之外，数学模型还允许对持久者行为进行计算机预测。例如，已经建立了一些模型来重点了解单细胞水平上持久物形成的分子机制。

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持续感染

许多病原菌在宿主组织内建立持续感染，避免被免疫系统和抗生素清除。细菌感染通常会导致宿主产生先天免疫反应，然后产生适应性免疫反应，这通常足以清除感染。然而，许多病原体已经进化出复杂的生存机制来逃避免疫反应并建立持续感染。

// 急性结核感染

急性结核感染是细菌躲避免疫系统且相对难以治疗的典型例子，导致需要长时间的抗生素治疗才能治愈感染。

然而，分枝杆菌感染有时只能部分清除，并且10%的患者在其一生中会出现复发。复发不仅出现在结核病中。5%至10%的患者会出现伤寒复发。

// 其他感染

尿路致病性大肠杆菌引起的尿路感染(UTI)后，20%至30%的女性会再次出现症状；许多其他细菌感染在治疗后往往会复发。

✦许多感染会反复发作

“复发”一词用于描述这样一种现象：最初感染的症状暂时消退，直到首次感染时未清除的细菌库重新激活。

有多种原因会导致感染反复发作，例如宿主易感性增加、其他慢性合并感染以及环境和生活方式因素。

较难确定是再次感染还是复发

长期以来，无法确定感染复发是再次感染还是复发。当初次感染完全清除后，个体出现新的感染时，就会发生再感染。

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持久性形成

抗生素残留物研究中投入的许多努力都围绕着调查残留物形成的触发因素和途径。

✦持久性的形成是一种细菌应激反应

但一个总体观察结果是，持久性的形成是一种普遍的细菌应激反应。多种环境因素充当压力信号，促进持久者的产生。

此外，大多数已被确定参与持久物形成的分子途径都是应激反应元件。我们首先回顾了持续细胞形成的触发因素，然后回顾了持续细胞形成所涉及的分子途径和效应器（下图）。

​Gollan B,et al.Annu Rev Microbiol.2019

抗生素持久性的触发因素、途径和效应器。持久性的外部触发因素以红色圆圈显示。应激反应途径为蓝色或绿色（已识别的效应器为橙色，受效应器影响的细胞成分为灰色）。

缩写：A—抗毒素；T—毒素。

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选择压力

选择压力可能是最难确定和纳入模型的因素。因此，在人类、动物和其他环境中，细菌病原体暴露于各种选择剂，这些选择剂通常存在于复杂的混合物中（例如抗生素、杀生物剂），并且其浓度可能随着时间的推移而发生很大变化。因此，在实验室环境之外通常很难确定选择的强度。

✦抗药性的选择具有较大差异

此外，抗药性的选择过程将有很大差异，具体取决于药物浓度是否足够高以（a）阻止病原体生长（如果> MIC则致命选择，如果< MIC则非致命选择）和（b）允许敏感和耐药菌同时生长。

在前一种情况下，在应用选择之前需要存在抗性突变体，富集率由群体中突变体的数量及其在特定抗生素浓度下的适应性决定。

然而，在最小抑制浓度选择过程中，可能会出现突变体，其富集率由群体中突变体的数量以及易感细胞和耐药细胞之间的适应度差异决定。因此，致死和非致死选择压力的出现率和选择的突变体类型有所不同。

高致死抗生素浓度

在高致死抗生素浓度下，在一个遗传事件中提供高水平耐药性的罕见的预先存在的大效应突变往往会被选择性富集（下图）。

Gollan B,et al.Annu Rev Microbiol.2019

非致死性抗生素浓度

相反，在非致死性抗生素浓度下，富集的突变体通常是由许多对耐药性影响较小的突变引起的（但它们组合起来可能会产生高水平的耐药性）。

重要的是，选择越弱（即易感细菌和耐药细菌之间的适应度差异越小），对于低适应度成本的突变体（上半部分）的富集就越强。

此外，由于在弱非致死选择压力下逐步选择连续的小效应突变，通过突变或水平基因转移获得抗性的概率增加的突变菌株得到富集。

注：矛盾的是，较弱的非致死选择可能比致死选择更富集有问题的突变体（高适应度菌株和突变体）。

持久性形成的主要触发因素

许多触发因素似乎都会刺激持久性的形成，从饥饿或氧化应激等营养应激再到细胞外代谢信号。

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营养压力

几十年来，人们都知道抗生素的杀灭率取决于细菌的生长速度，而细菌的生长速度又取决于碳源的可用性，因此控制整个细菌群体的抗生素耐受性。

✦营养缺乏是持久性形成的诱因

此外，营养缺乏似乎是持久性形成的主要诱因之一。例如，氨基酸或氮饥饿会增加铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、变形链球菌（Streptococcus mutans）和大肠杆菌（Escherichia coli）等不同物种中经抗生素治疗后存活下来的细菌数量。

! 手术或抗生素治疗后患者的营养非常重要

这就涉及另外一个主题，就是手术或抗生素治疗后，患者的营养，尤其肠内营养的监测或补充非常重要。

还有充分的证据表明，细菌培养物在进入稳定期及以后往往会开始积累持续细胞，然后持续细胞的比例达到与生物膜中所见的水平一样高。事实上，研究表明，营养和氧气有限的生物膜中含有非常高比例的持久物。

除了饥饿造成的剧烈压力外，碳源的变化会破坏代谢通量（可被视为暂时饥饿），也会导致大肠杆菌的持续存在增加。

这种碳源转变伴随着严格反应关键介体四磷酸或五磷酸鸟苷 [ (p)ppGpp ] 水平的大幅增加，这可能是饮食模式改变或节食诱发的。

重要的是，通过营养转换形成的持续细胞似乎维持高 ATP 水平，从而允许非生长相关过程的继续，例如维持膜电位。

➤2
氧化、酸性、渗透应激

除了营养变化之外，氧化、酸性和渗透应激也被认为是持久物形成的触发因素。例如，用过氧化氢处理大肠杆菌培养物或通过向培养基中添加水杨酸盐产生活性氧会导致持久性细菌的增加。

✦吲哚促进持久细胞的形成

同样在大肠杆菌中，吲哚（一种色氨酸生物合成中间体，其产量因氧化应激而增加）被证明可以促进持久细胞的形成。

此外，无法合成海藻糖的大肠杆菌突变体产生的氧化应激与吲哚分泌增加和持久物形成同时发生。

暴露于吲哚的细菌上调了它们的oxyR调节子和噬菌体休克pspBC途径，并且这些途径的缺失降低了吲哚促进持久细胞形成的能力。

沙门氏菌也观察到对吲哚的类似反应，伴随着katG 过氧化氢酶表达的增加，有趣的是，沙门氏菌不产生吲哚。然而，这可能有利于肠道中的沙门氏菌，肠道中的沙门氏菌在感知来自其他微生物群的吲哚时升高的氧化防御反应可能会保护其免受伴随局部炎症的氧化应激。

✦pH值变化和高渗透压也促进持久性形成

pH值变化和高渗透压是促进持久物形成的其他压力。此外，抗生素本身也可能引发持久性细菌的形成，例如在大肠杆菌或金黄色葡萄球菌中，其中用亚抑制浓度的各种抗生素进行预处理显著增加了残留物水平。

✦氧化应激和抗生素诱导细菌群体的持续存在

重要的是，暴露于逐渐增加的抗生素浓度的肺炎克雷伯菌（Klebsiella Pneumoniae）临床菌株显示出持续增加的水平，以及随后出现的耐药变异体。

这一观察结果可能特别相关，因为在临床中抗生素输送和药代动力学通常会导致血液中抗生素浓度逐渐增加。这可能会增加持久菌群的规模，从而增加产生耐药性的细菌库。

同样，氧化应激和抗生素诱导的DNA损伤的结合已被证明可以诱导细菌群体的持久存在。总体而言，许多非生物胁迫导致持久细胞形成增加，大量研究充分支持了这一点，表明主要的细菌胁迫反应是这种表型的强有力的协调者。

➤3
细胞外信号传导

当暴露于细菌分泌到周围环境中的细胞外代谢物时，也可以刺激持久细胞的形成。

✦细胞外代谢物也刺激持久细胞的形成

除了上面引用的吲哚的例子之外，能力刺激肽CSP（一种群体感应分子）被证明可以促进变形链球菌（Streptococcus mutans）持久细胞的形成。

这种群体感应分子似乎是一种中间体，向其他群体发出压力信号，以便其做出适当的压力反应，包括持久性形成。同样，一些假单胞菌群体感应分子不仅可以增加假单胞菌的存留细胞分数，还可以增加通常从囊性纤维化患者中分离出来的不动杆菌和伯克霍尔德氏菌的存留细胞分数。

因此，似乎不仅种内信号传导而且种间信号传导也可能促进持久物的形成。

➤4
宿主的影响

在感染过程中，细菌会经历上述压力的组合，其强度和时间各异，可能有利于持久细胞的形成。

这提出了一种可能性，即在受感染宿主中形成的细菌持续存在可能独特地适应了它们最初形成的触发因素，并且与从生长的细菌中分离出的细菌不同，后者通常使用单一应激因子来诱导细菌持久化状态。

✦宿主巨噬细胞诱导持久化

就沙门氏菌而言，它在宿主免疫骨髓细胞中存活，其持续水平在被小鼠巨噬细胞内化后急剧增加。

结核分枝杆菌持续细胞的形成也是由与宿主巨噬细胞的相互作用触发的。

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通路和效应器

鉴于刺激存留细胞形成的不同应激，看到相应的应激反应途径也在存留细胞形成中发挥作用也就不足为奇了，这可能会在细菌暴露于应激和最终导致长期生长停滞的分子效应物之间架起桥梁。

▸ 严格响应

由于饥饿是持久细胞形成的重要触发因素，因此对于严格反应和持久细胞之间的联系已经进行了大量的工作。

严格反应的关键介质是警报素 (p)ppGpp，在营养饥饿时被激活。(p)ppGpp 水平升高，与DksA协同作用，导致转录和翻译重排，使细菌能够适应稀缺资源。

当暴露于低pH值或氧化条件时，DksA会发生影响其调节功能的构象变化，因此，严格的反应不仅与饥饿有关，而且与氧化和pH应激因素有关。

影响 (p)ppGpp 合成或 DksA 的突变会显著降低革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌中的存留细胞分数。

▸ SOS反应

SOS反应是一种DNA修复机制，在暴露于各种环境应激因素（氧化应激和抗生素暴露）时被激活，这些都是持久性的一般触发因素。

这些压力会造成损伤，产生单链DNA，而单链DNA 又会被RecA蛋白识别。RecA 随后激活LexA阻遏物的蛋白水解活性，最终导致细胞内的全局转录重排。去除这些主调节因子中的任何一个都会导致持续细胞的大量损失。

▸ ATP水平下降

在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌中，持久性与细胞内ATP下降有关。

在这两种生物体中，处于指数期但表现出稳定期标记表达的细胞富含持久细胞。此外，用砷酸盐（一种已知能降低ATP浓度的化合物）处理呈指数增长的细菌，会导致持续细胞的大幅增加。

因此，ATP水平的降低可能是大多数细菌过程（例如翻译）关闭的普遍模式，从而导致抗生素在休眠期间持续存在。

抗生素对肠道微生物群的影响

一般来说，暴露于抗生素通常会导致微生物群落结构、物种组成和代谢能力发生重要变化。

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对一般人群的影响

阿奇霉素是世界卫生组织消除沙眼和雅司病战略的重要组成部分。

雅司病是由雅司螺旋体引起的慢性接触性传染病，病原为雅司螺旋体，亦称纤细螺旋体。

五项随机对照试验研究了阿奇霉素预防性使用对普通人群肠道微生物群的影响。肠道微生物组的特征主要在于α多样性，它量化了单个微生物群中不同细菌类群的数量及其丰度的均匀性。

•阿奇霉素治疗后微生物群α多样性下降

据报道，12个月后微生物群α多样性下降了16%–22%。24个月的长期随访发现，阿奇霉素治疗后，乌普萨拉弯曲菌（Campylobacter upsaliensis）和人弯曲杆菌(campylobacter hominis)丰度降低，并且主要与微生物存活、生长和炎症相关的细菌代谢途径的丰度降低，这可能部分解释了所报道的对儿童死亡率的降低。

乌普萨拉弯曲菌（Campylobacter upsaliensis）在高收入环境中，特别是在农村儿童中，它是一种公认的食源性肠道病原体；而人弯曲杆菌(campylobacter hominis)与肠道炎症和菌血症有关。

三个国家的四项随机对照试验报告了短期使用的影响。与安慰剂相比，阿奇霉素治疗使微生物群α多样性降低高达32%。据报道，Akkermansia muciniphila和Proteobacteria也有所减少。

注：后一组细菌包括常见的病原体，例如大肠杆菌和弯曲杆菌属。

​Fishbein SRS,et al.Nat Rev Microbiol.2023

总之，这些研究表明阿奇霉素引起的α多样性明显减少，同时肠杆菌科病原体也减少。

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抗生素如何重塑微生物群

抗生素与代谢或饮食元素之间的协同作用可以进一步塑造微生物组动力学并改变对抗生素的易感性，从而导致疾病的临床相关差异。

•高脂饮食下进行抗生素治疗会引起病理性炎症

对高脂肪饮食的小鼠进行抗生素治疗会引起肠道黏膜的病理性炎症，并增加肠杆菌（Enterobacteriaceae）的水平。这些小鼠表现出炎症性肠病的免疫症状。

Fishbein SRS,et al.Nat Rev Microbiol.2023

•饮食和抗生素结合改变了微生物和宿主的代谢

从其他几项使用饮食和化学干预来模拟西式饮食影响的小鼠研究来看，很明显，饮食和抗生素的结合改变了微生物和宿主的代谢。

具体来说，在一个模型中，这种协同干预通过改变脂肪酸代谢释放了单糖和乙醇胺，最终增加了肠道沙门氏菌感染的易感性。

另外，饮食中多糖或微生物可及的碳水化合物水平的调节对抗生素治疗结果有很大影响。在没有纤维的情况下，使用传统微生物组或人源化微生物组的小鼠在环丙沙星治疗后α多样性恢复延迟。

•含纤维饮食促进了丁酸水平的恢复

在人类实验中，在联合抗生素治疗期间，以杂食和纯素饮食喂养的志愿者，相对于那些不含纤维的液体饮食的志愿者，表现出了更快的微生物群恢复(通过α和β多样性来衡量)。

具体来说，含纤维饮食促进了粪便丁酸水平的快速恢复和具有独特氨基酸代谢的厚壁菌门的恢复。

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对肠道抵抗组的影响

抵抗组（resistome）是指存在于肠道微生物群中的抗生素抵抗基因的集合。抗生素对肠道抵抗组具有显著但高度可变的影响。

•抗生素通常会增强肠道抵抗组

通过抗生素暴露对肠道抵抗组的改变可能引起微生物组中耐药病原体的病理性繁殖。值得注意的是，抗生素治疗最常见的结果是肠道微生物组中抵抗组负荷急剧增加（通过相对丰度的变化来衡量）。

这些研究揭示了抗生素诱导的抵抗组变化的一些一般模式。尽管增加了总抗性组负担，但抗生素可同时导致特异性的大量丧失和抗性组多样性的减少，这可能是由于分类损失。

•水平基因转移促进抗性组富集

抗生素诱导的肠道抵抗组扩张也可能由ARG编码的MGEs驱动。

在短期内，抗生素治疗后抵抗组负担的增加主要是由染色体编码ARGs的富集(即耐药细菌谱系的扩大)驱动的。

然而，此后不久(约1个月)，染色体ARGs的微生物丰度急剧下降。相反，mge编码的ARGs在治疗停止后持续更长的时间，这可能是由于mge的寄生性质。(尽管缺乏抗生素介导的生长优势或细菌宿主存在适应性缺陷，它们仍在细菌群体中持续存在)

抗生素可以增加肠道中mge编码的ARGs的丰度，并导致ARGs和MGEs在患者中更频繁和更广泛(涉及更多样化的分类群)的传播。

总体而言，在临床使用和环境抗生素暴露较高的人群中，ARGs水平转移率较高。

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产时抗生素预防

在全球范围内，使用产时抗生素预防（IAP）是预防围产期感染和相关不良妊娠结局的最常见策略。

产时抗生素预防涉及使用广谱抗生素，这些抗生素可有效对抗最有可能引起高危母亲感染的微生物，主要是B族链球菌。

建议在剖腹产手术切开前进行抗生素预防；分娩期间，母亲B族链球菌培养呈阳性或有侵袭性GBS感染风险；或出生后立即进行，以减少与手动去除胎盘、过度宫内操作或生殖道撕裂相关的感染风险。

•经过产时抗生素预防的婴儿微生物多样性降低

七项观察性研究和一项随机对照研究调查了抗生素预防与肠道微生物群之间的关联。经过产时抗生素预防治疗的母亲所生的婴儿在6-7天时的微生物群α多样性有所降低。

暴露于产时抗生素预防还与微生物群组成的更大相似性（即β多样性减少）相关，这表明母体抗生素暴露的选择性压力对婴儿的早期婴儿微生物群组成具有一致的影响。

•产时抗生素预防组以肠杆菌为主，双歧杆菌较少

一项前瞻性队列研究发现，产时抗生素预防组10日龄时放线菌门（包括双歧杆菌）的相对丰度显著减少，厚壁菌门（包括一些值得注意的致病菌群，如葡萄球菌、李斯特菌和链球菌）显著增加。

双歧杆菌是母乳喂养的婴儿肠道微生物群的重要成员，可以通过与其他重要肠道细菌（如乳杆菌）的共生交叉喂养相互作用来驱动微生物群的持续发育。

总体而言，这些研究表明，婴儿微生物群的α多样性降低与母亲产生接触抗生素相关，包括肠杆菌科相对丰度较高和拟杆菌和双歧杆菌丰度较低。

抗生素对肠道微生物影响的驱动因素

以下讨论抗生素类别、细菌进化枝、起始微生物群组成和长期微生物群组成。

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抗生素类别和细菌进化枝

√不同抗生素会影响对应的菌属丰度

最近对55项人类研究的回顾总结了微生物群组成的变化，这些变化与分为22个抗生素类别的68种不同抗生素显著相关。研究表明，每种抗生素对属于一组有限属的细菌影响最强烈。

此外，受影响的细菌属的数量在抗生素类别之间和内部都存在差异。

阿奇霉素与3个属（拟杆菌、双歧杆菌、梭菌）的丰度变化相关，而其他大环内酯类药物则与2-6个属的丰度变化相关（包括前三个属，以及粪杆菌属、普雷沃菌属、瘤胃球菌、链球菌、肠球菌、嗜血杆菌或假单胞菌）。

β-内酰胺类药物，例如氨苄西林和头孢菌素，分别与8和12个属的丰度变化相关，这些属与其他β-内酰胺类药物不同，涵盖系统发育上不同的门（放线菌门、厚壁菌门、变形菌门、疣微菌门）。

√抗生素的不同分类群具有特异性作用

培养实验证实了不同抗生素的这些分类群特异性作用。例如，甲硝唑强烈抑制拟杆菌属和双歧杆菌属的生长。在厌氧培养中，而氨苄青霉素显著减少拟杆菌属和产气荚膜梭菌的生长，但其对双歧杆菌属的影响取决于细菌的生长速度。

此外，氨基糖苷类和磺胺类药物对测试的细菌几乎没有影响。大环内酯类药物对所有测试的细菌种类均具有抑菌作用（但不会杀死），但对艰难梭菌没有影响。

注意：β-内酰胺的作用具有菌株特异性，并且因所使用的特定抗生素而异。

因此，抗生素对微生物群的影响取决于所使用的抗生素，以及细菌分支的反应以及反应方式。

然而，抑制对抗生素敏感的微生物可能会破坏定植抵抗力，并为机会致病菌打开生态位，增加宿主对抗生素后感染的易感性。另外，抗生素的使用也可以增加耐抗生素的共生细菌，这对宿主有潜在的好处。

影响这些效应的因素包括不同抗生素的药代动力学、不同细菌对每种抗生素的降解和耐药机制，这些降解和耐药机制对不主动执行这些功能的其他细菌的间接影响，以及特定耐药决定因素的局部或区域流行率。

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肠道微生物群的起始组成

考虑到抗生素作用因抗生素类别和细菌进化枝而异，微生物群的初始组成也可能决定抗生素的短期和长期作用。

√微生物群的初始组成会影响抗生素的作用

对五个队列的数据分析确定，具有增强的降解复杂碳水化合物（特别是宿主粘蛋白）的功能能力的特定物种的丰度，准确地预测了微生物群从抗生素相关的α多样性减少中恢复。

这些细菌的基线丰度可以识别使用抗生素后α多样性减少的参与者，准确度为70%。

√粘蛋白降解能力促进细菌在肠道繁殖

研究人员提出粘蛋白降解能力可能为这些细菌在肠道中重新繁殖提供了优势。此外，这些复杂碳水化合物的降解可能会产生次生代谢物，这些代谢物反过来又可以被其他细菌用作营养源以支持其再生。

注：与恢复相关的细菌包括拟杆菌属的几种。

无菌小鼠的证据支持了这一在人类身上的发现。两组均被富含普雷沃氏菌和粪杆菌或富含拟杆菌和副拟杆菌的人类粪便微生物群定植，并且两组均接受为期7天的阿莫西林克拉维酸治疗。

18天后，拟杆菌组的α-多样性对抗生素暴露更具弹性。然而，拟杆菌属的粘蛋白消化降解可以促进肠道感染，这已在艰难梭菌、啮齿类梭菌和鼠伤寒沙门氏菌中得到证实。

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长期微生物群恢复

两项分析均使用了10个月期间纵向收集的成人数据，其中包括两个为期5天的环丙沙星疗程。

√不同菌群达到新的平衡所需时间不等

一项分析确定，对于不同的细菌亚群，微生物群达到新的稳定配置所需的时间从2到42天不等。

拟杆菌属中的一个细菌亚群在两周内以相同或更高的相对丰度建立了新的平衡。然而，其他细菌如毛螺菌科(Lachnospiraceae)和一部分细菌在治疗期间有所增加，并需要42天才能恢复到使用抗生素前的水平。

相比之下，瘤胃球菌科的一组细菌在一次治疗后减少到检测不到的水平，十个月后仍未恢复。该综述发现细菌进化枝的特异性决定了抗生素对微生物群的影响。

√更短的恢复时间可能由于暴露于环境来源的细菌

对相同数据的第二次分析表明，更短的恢复时间可能是由于更多地暴露于环境来源的细菌，这些细菌可以重新定殖受干扰的微生物组。

尽管这些研究涉及的个体很少，并且最多只能代表个体间的异质性，但他们探索了微生物群丰度数据的采样时间序列，并且他们的发现得到了实验工作的支持。

√更复杂的微生物群可以减轻抗生素暴露的影响

在一项这样的实验中，两组小鼠被分配到无特定病原体的条件或暴露于土壤的一般动物条件下，并且均接受为期两周的万古霉素和链霉素治疗。

暴露于土壤的小鼠在治疗后表现出更大的α多样性和稳定性，并且在停用抗生素后更快地恢复治疗前的α多样性。这些研究表明，更受控制的外源细菌，例如复杂的益生菌混合物，可以减轻抗生素暴露对微生物组的影响。

√抗生素暴露使婴儿α多样性降低

抗生素暴露的长期影响也在婴儿中进行了研究。α-多样性降低与出生后立即治疗有关，但在产后第一年恢复。α-多样性的减少是由于毛螺菌科和肠杆菌科被抑制所致。

尽管微生物群α多样性在一岁时基本上恢复，但由于新生儿接触抗生素而导致这些早期定植菌减少对宿主健康的影响需要仔细调查。

在另一项研究中，与在那段时间没有接触过抗生素的婴儿相比，从出生到三岁接受抗生素治疗的婴儿的物种α多样性较低，但α多样性的减少幅度不大，仅在第一年明显。然而，在细菌菌株水平上，暴露于抗生素的婴儿和未暴露于抗生素的婴儿之间的差异更大。

此外，还发现部分细菌菌株只在肠道定殖一次。这些菌株通过接触抗生素而被消除，但在未经治疗的婴儿中仍然存在。相比之下，其他菌株在随访期间多次在肠道重新定殖。这些菌株更有可能在暴露和未暴露的婴儿中持续存在，这为以下观点提供了进一步的支持：再定殖是使用抗生素后微生物群恢复的驱动力。

★ 评估菌群经过抗生素治疗恢复原有结构的能力

根据菌群的基本构成，尤其是底层代谢黏蛋白以及短链脂肪酸的菌构成情况，可以评估菌群在经过抗生素治疗后恢复原有菌群结构的能力。

该恢复能力越强菌群结构较难通过抗生素改变，越弱则易受抗生素影响，导致后续菌群构成发生较大变化。该指标可以为菌群的抗生素干预选择和菌群重建提供参考。

抗生素耐药是指病原体（细菌、病毒、真菌等）不能被抗生素及其他抗感染药物有效杀死的抵御能力。由于存在抗生素滥用的情况，导致环境中许多细菌尤其是病原菌产生对特定抗生素类型的耐药性。通过对大量抗生素耐药菌基因组和耐药基因的分析，结合肠道菌群测序数据，报告中评估了肠道菌群对主要抗生素类型可能存在的耐药风险。

注意：仅作为风险提示和参考，并不直接对应抗生素耐药，具体用药和耐药检测请谨遵医嘱和进行耐药检测。

<来自：谷禾健康肠道菌群检测数据库>

小结

总而言之，这些分析表明，微生物群从抗生素暴露中恢复可能取决于所使用的抗生素、初始微生物群组成以及受药物影响的特定细菌分类群。

此外，纵向观察研究提供了额外的证据，表明肠道的重新定植可能在抗生素暴露后微生物组的恢复中发挥关键作用。然而，还需要更多的研究来检验这几项研究提出的具体假设。

抗生素相关的健康影响

值得注意的是，仅恢复可能无法保护宿主免受抗生素扰动对微生物组的潜在长期影响。

流行病学研究已确定抗生素使用与肥胖、哮喘，过敏特应性和结直肠癌以及其他健康疾病之间存在关联。抗生素对肠道微生物组的破坏已被认为是这些关联背后的重要机制。

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影响传染性疾病

50%或更多中低收入国家的婴儿在3个月大时携带至少一种肠道病原体，并在24个月大时经历至少一次腹泻发作。

中度至重度腹泻的最常见原因是病毒（轮状病毒、沙波病毒、诺如病毒）或细菌（大肠杆菌致病型、志贺氏菌、弯曲杆菌属）感染。

特定病原体的流行情况因国家而异。死亡率和严重腹泻发作也因国家和病原体而异。

▷抗生素降低了腹泻和痢疾导致的死亡率

抗生素的广泛目标是减轻病原菌对宿主健康的负担和影响。使用阿奇霉素进行的随机对照试验结果表明，对弯曲杆菌属具有抑制作用。促炎微生物组代谢途径可能部分解释了在这些环境中观察到的腹泻和痢疾导致的儿童死亡率持续下降。

在另一项研究中，长双歧杆菌(Bifidobacterium longum)抑制了儿科病例中分离的轮状病毒，并缩短了病毒性胃肠炎的持续时间。

▷抗生素也会扰乱肠道微生物群促进肠道感染

抗生素扰乱肠道微生物组后可促进肠道感染，这一点已在艰难梭菌、啮齿类梭菌和鼠伤寒沙门氏菌中得到证实。

或者，用抗生素扰乱肠道微生物群已被证明可以延迟轮状病毒感染并预防小鼠的诺如病毒感染。

相比之下，在艾滋病毒感染儿童中长期使用复方新诺明，4年后仍可抑制炎性草绿色链球菌以及相关的全身性炎症，从而增加该人群的防御风险。

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超重和肥胖

抗生素的使用与肥胖风险增加有关。接触时间越早（6个月之前）和接触频率越高，这种关联就越大。较低的肠道微生物群α多样性也与肥胖有关。

▷抗生素促进营养不良儿童的体重增加

相比之下，抗生素可以促进营养不良儿童的体重增加，尽管其影响是异质的，并且可能是由抗生素类别以及不同人群中生长限制性合并症（例如艾滋病毒和严重急性营养不良）的不同患病率驱动的。

微生物组组成对体重增加的因果影响也已在无菌小鼠中得到证实。

如果不清楚微生物群组成变化与健康结果之间的因果机制，微生物群组成通常被定义为“生态失调”，这是基于与疾病相对于健康对照的关联。

在高收入成年人群中，α多样性下降是“生态失调”的一个共同特征，“生态失调”是根据与疾病的关联来定义的。在这种情况下，α多样性减少表明肥胖和相关代谢紊乱（例如I型和II型糖尿病）的风险增加。

▷抗生素导致α多样性下降增加肥胖风险

相比之下，在纯母乳喂养的婴儿中，肠道微生物组以双歧杆菌为主。由于母乳中存在高浓度的寡糖，导致与混合或配方奶喂养的婴儿相比，α多样性较低。

更大的α多样性与较早引入补充食品和青春期超重风险增加有关。因此，婴儿早期微生物群α多样性的增加可能表明由于婴儿早期营养不足而导致“生态失调”，抗生素相关的α多样性减少对健康的影响也可能是因情况而异的。

▷新生儿抗生素暴露于儿童生长有关

抗生素暴露的时间可能有助于进一步了解具体情况的影响。在芬兰的一个由12422名足月新生儿组成的队列中，新生儿抗生素暴露（主要是静脉注射苄青霉素和庆大霉素）与男孩生命前6年生长受损有关。

一项由1707名德国新生儿组成的独立队列证实了与男孩生长的相关性。相反，新生儿期后接受抗生素疗程的次数与男女6岁时体重指数的增加有关 。

最近的一项针对小鼠的研究表明，出生时注射的低剂量青霉素会导致肥胖增加，并加剧高脂肪饮食对体重增加的影响。生长表型是在无菌接种抗生素处理小鼠的粪便微生物群时诱导的，表明改变的微生物群起着因果作用。

然而，还需要更多的研究来表征和确认促进从抗生素暴露中恢复的微生物组的成分，以及健康新陈代谢可能需要的成分，并将这些转化为人类健康。

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哮喘和特应性过敏

较早和更频繁的抗生素处方也与儿童哮喘风险增加有关。较低的肠道微生物群α多样性与婴儿期和儿童期的湿疹和过敏有关。

▷婴儿抗生素使用与儿童哮喘风险存在联系

最近证明婴儿抗生素使用引起的微生物群改变与5岁时哮喘风险之间存在直接联系。在出生第一年接触抗生素的婴儿到5岁时患哮喘的可能性是正常婴儿的两倍。估计这种关联的25%可归因于抗生素引起的α多样性减少或抗生素相关的特定细菌丰度变化。

▷母亲使用抗生素会影响婴儿微生物的早期定植

尽管整个婴儿期的肠道微生物组存在巨大的变异性，但婴儿期微生物组的有意义的一部分是在出生后立即从母体肠道获得的，并保留长达3年。因此，母亲接触抗生素也可能会改变分娩过程中微生物物种向婴儿的传播，并影响早期定植。

影响新生儿微生物组组成的抗生素暴露可能会对儿童发育产生长期影响。几项使用动物模型的研究表明，新生儿期对于免疫系统的成熟至关重要，这一过程依赖于新生儿肠道微生物组的定植，并且会受到抗生素消融的干扰。

小结

抗生素在治疗细菌感染和减少疾病传播方面起着积极的作用。然而，滥用和不适当使用抗生素可能导致细菌耐药性的增加，并对肠道微生物群产生负面影响。

因此，我们应该合理使用抗生素，遵循医生的建议，并在使用抗生素期间维护肠道健康。谨慎使用抗生素有助于最大限度地减少负面影响，确保抗生素继续为我们的健康服务。

减轻抗生素对微生物组影响的措施

人们提出了一些有前景的方法来减轻抗生素使用对微生物组的影响。

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施用益生元

共同施用益生元以促进共生细菌的生长就是这样的策略之一。在婴儿中，母乳富含复杂的低聚糖，可作为双歧杆菌生长的底物，并促进其他物种的交叉喂养。

在一个观察队列中，母乳喂养与产时抗生素预防暴露婴儿微生物组α多样性的更快恢复有关。母乳喂养的好处也可能超出其益生元含量。

•儿童益生元和抗生素联合给药使有益菌丰度升高

在儿童中，乳果糖与阿奇霉素的联合给药有助于恢复乳果糖的相对丰度。治疗后18天内，乳杆菌属(Lactobacillus)、肠球菌（Enterococcus）、Anaerostipes、经黏液真杆菌属（Blautia）和罗氏菌属(Roseburia)出现增加，而单独使用阿奇霉素可导致治疗后60天内促炎性链球菌的丰度增加。

•成人联合使用益生菌和抗生素可减轻耐药性

在成人中联合使用益生菌和抗生素也显示出一定的潜力，可以减轻耐药性遗传决定因素的抗生素选择。

然而，口服益生菌在肠道的成功定植表现出因人、肠道区域和益生菌菌株而异的相当大的变异性，这可以通过宿主和本土微生物组特征来解释。

此外，益生菌菌株中缺乏对所施用抗生素的耐药性可能会加剧微生物组中抗生素耐药性的选择，进一步限制了益生菌的潜在保护作用。

注：使用抗生素给药前收集的自备健康粪便样本进行粪便微生物群移植可能是恢复微生物组的更有效方法，尽管这对于中低收入国家来说可能不太实用。

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抗生素药物组合

另一种策略涉及使用抗生素药物组合来实现比单一抗生素治疗更有针对性的物种特异性效果。

例如，一项调查筛选了超过1000种药物，以确定可降低抗生素广谱活性而不损害其对抗相关病原体活性的候选药物。

•红霉素对肠道共生细菌具有强抑制作用

抗凝药物双香豆素和两种非甾体类抗炎药物托芬那酸和二氟尼柳成为红霉素对肠道共生细菌（例如普通拟杆菌和均匀拟杆菌）作用的强抑制剂。

然而，红霉素对致病菌（例如金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌和屎肠球菌）没有显著影响。

•药物组合具有物种特异性效应

另一项研究分析了近3000种抗生素、药物和食品添加剂的组合，以确定可以减轻对微生物群的附带影响而不减少对病原体影响的候选化合物。超过70%的药物组合具有狭窄的物种特异性效应，20%显示出菌株特异性效应。

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窄谱抗生素

另一种方法是确定窄谱抗生素替代品，尽可能选择狭谱抗生素，这些抗生素只对特定类型的细菌有效，而不是广谱抗生素，后者会杀死更多的细菌，包括有益菌。

微生物组本身可能是此类窄谱化合物的来源。例如，对人类微生物组计划中的752个细菌基因组的研究发现了共生细菌携带的一组编码硫肽的基因。

•对病原菌有很强的抑制作用，对共生菌没有抑制

乳青霉素是一种由加氏乳杆菌编码的硫肽，对金黄色葡萄球菌和阴道加德纳菌等常见病原体具有很强的抑制活性，但对共生菌没有抑制作用。

苏云金素是另一种已被鉴定的抗菌素，由苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)产生。它已被证明可以有效对抗艰难梭菌，而不影响人类结肠的粪便培养系统中的微生物群组成。

开发此类干预措施需要更深入地了解与抗生素结合产生健康益处或不良副作用的机制，以便窄谱替代品能够实现预期结果，同时最大限度地减少不必要的风险。

最后，环境中可能还存在重要的微生物成分，有助于防止生态失调或在关键发育时期恢复肠道微生物组的生理重要子集。识别这些成分可以指导缓解干预措施的开发和测试。

结语

有令人信服的证据表明，即使不存在抗生素耐药性，感染也很难治疗。几项依赖于对患者分离株进行深度基因组测序的纵向研究表明，这些持续性感染的复发与宿主体内细菌库的维持有关，这些细菌在免疫防御和抗生素的联合作用下幸存下来。

用于追踪动物和细胞感染模型中细菌的细菌生长停滞报告者已经证明，尽管接受抗生素治疗，但在持续感染部位仍存在不增殖或缓慢增殖的细菌。过去几年，追踪和分析稀有非生长细菌的尖端技术的发展极大地促进了抗生素持久性的研究。在这方面，这个领域正在不断发展。

总结如下：

1.与普通菌株相比，生长缓慢的细菌表现出相对的药物冷漠，这增加了种群在抗生素暴露下存活的时间。

2.药物暴露后的这种异质群体行为是由于细菌亚群（持续存在）通过生长停滞、暴露于对其余群体致命的浓度的抗生素而得以生存的能力。

3.许多病原菌在宿主组织内建立持续感染，避免被免疫系统和抗生素清除。细菌感染通常会导致宿主产生先天免疫反应，然后产生适应性免疫反应，这通常足以清除感染。然而，许多病原体已经进化出复杂的生存机制来逃避免疫反应并建立持续感染。

4.有多种原因会导致感染反复发作，例如宿主易感性增加、其他慢性合并感染以及环境和生活方式因素。长期以来，无法确定感染复发是再次感染还是复发。

5.持久性的形成是一种普遍的细菌应激反应。多种环境因素充当压力信号，促进持久者的产生。许多触发因素似乎都会刺激持久细胞的形成，从饥饿或氧化应激等营养应激到细胞外代谢信号。

6.婴儿微生物群的α多样性降低与母亲接触抗生素相关，包括肠杆菌科相对丰度较高和拟杆菌和双歧杆菌丰度较低。

7.不同的抗生素对不同细菌菌属影响不同，肠道内菌群结构的恢复与抗生素的使用和患者基线菌群有关。

8.超重，肥胖，哮喘，过敏等人群与早期和长时间抗生素的使用引起的菌群失调以及部分关键菌属的消失或下降有关。

9.未来可以发展更综合的预防措施，例如，乳青霉素是一种由加氏乳杆菌编码的硫肽，对金黄色葡萄球菌和阴道加德纳菌等常见病原体具有很强的抑制活性，但对共生菌没有抑制作用。

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主要参考文献

Gollan B, Grabe G, Michaux C, Helaine S. Bacterial Persisters and Infection: Past, Present, and Progressing. Annu Rev Microbiol. 2019 Sep 8;73:359-385.

Gough EK. The impact of mass drug administration of antibiotics on the gut microbiota of target populations. Infect Dis Poverty. 2022 Jun 30;11(1):76.

Shah T, Baloch Z, Shah Z, Cui X, Xia X. The Intestinal Microbiota: Impacts of Antibiotics Therapy, Colonization Resistance, and Diseases. Int J Mol Sci. 2021 Jun 20;22(12):6597.

Vuong HE, Pronovost GN, Williams DW, Coley EJL, Siegler EL, Qiu A, Kazantsev M, Wilson CJ, Rendon T, Hsiao EY. The maternal microbiome modulates fetal neurodevelopment in mice. Nature. 2020 Oct;586(7828):281-286.

Fishbein SRS, Mahmud B, Dantas G. Antibiotic perturbations to the gut microbiome. Nat Rev Microbiol. 2023 Jul 25.

Koh E, Hwang IY, Lee HL, De Sotto R, Lee JWJ, Lee YS, March JC, Chang MW. Engineering probiotics to inhibit Clostridioides difficile infection by dynamic regulation of intestinal metabolism. Nat Commun. 2022 Jul 4;13(1):3834.

Gomaa EZ. Human gut microbiota/microbiome in health and diseases: a review. Antonie Van Leeuwenhoek. 2020 Dec;113(12):2019-2040.

本文转自：谷禾健康