基于中国某ICU一年内的环境微生物多样性监测

Monitoring microbial communities in intensive care units over one year in China

Science of the Total Environment [IF: 7.963]

DOI：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152353

发表日期：2021-12-14

第一作者: Kexin Li(李克欣)^1,2,Qianhui Zhu(朱倩慧)^1,2,Fan Jiang(江帆)³

通讯作者：Songnian Hu(胡松年)(husn@im.ac.cn)^1,2,Zilong He(贺子龙)(hezilong@buaa.edu.cn)^5,6,Li Yang(杨丽)(yangl.mianyang@gmail.com)⁴

合作作者: Huixia Li(李辉霞), Jingying Liu(刘静颖), TaoYu(余涛), Yiyang Du(杜一洋)

主要单位：

¹中国科学院微生物研究所(State Key Laboratory of Microbial Resources, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China)

²中国科学院大学(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China)

³四川省第四人民医院(The Fourth People’s Hospital of Sichuan Province, Chengdu, China)

⁴绵阳师范大学(College of Life Science & Biotechnology, Mianyang Normal University, Mianyang, China)

^5,6北京航空航天大学(School of Engineering Medicine, Beihang University, Beijing 100191, PR China;Beijing Advanced Innovation Center for Big Data-Based Precision Medicine, Interdisciplinary Innovation Institute of Medicine and Engineering, Beihang University, Beijing, China)

摘要

医院感染(HAI)严重威胁着重症监护室(ICU)的病人健康。研究ICU中的微生物组成和多样性对于预防医院感染非常重要。目前中国尚缺乏基于时间尺度对ICU中微生物进行研究。在本研究中，我们使用16S rRNA测序对两间ICU的床单、床把手、共用血氧仪、床头柜、护士手、地板和推车的微生物群落进行了一整年的动态监测。结果显示，微生物组成在一年内发生了明显变化。此外，我们发现一些与医院感染相关的细菌在ICU表面持续存在，包括痤疮杆菌、假单胞菌、葡萄球菌、埃希菌和肠球菌等。结合溯源分析显示，两个ICU的大多数细菌来自建筑物或人体皮肤。通过对医院微生物进行长期监测，我们希望能够为预防ICU的医院感染提供建设性的建议。

引言

医院感染是指病人在医院内获得的感染，包括在住院期间发生的感染和在医院内获得出院后发生的感染。医院感染会影响病人的免疫系统，尤其是重症监护室的病人。鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、粪肠球菌、肺炎克雷伯菌和肠杆菌是医院感染的常见病原体，涉及七种类型的常见感染，包括导管相关尿路感染、血流感染、肺部感染和手术部位感染等。相关研究显示，导致医院感染的病原体会在医护人员、病人、医疗设备和医院其他环境表面进行传播，严重影响病人的治疗。目前，ICU表面存在的病原体已经成为公共卫生保健的一个全球性威胁。预防这些病原体传播导致的感染已成为公共卫生和医疗保健的重要任务。基于中国ICU的复杂情况，有必要进行长期监测，为预防医院感染提供建设性的建议。通过对一年内ICU环境中微生物群的动态监测，我们的研究希望能对医院感染的防控提供一定参考。

结果

医院微生物菌群多样性的动态变化

Bacterial diversity and composition of all samples for one year

结果显示，一年内ICU的α多样性显著差异(图1a)。2月、10月、11月和12月的香农指数明显高于其他月份。但是，不同采样点和两个ICU之间没有显示出α多样性的明显变化(图1b, c)。接下来基于两个ICU、不同取样点和不同月份的ICU环境样本的微生物群落进行了β多样性分析(图1d-h)。根据PCoA结果显示，来自不同月份的样本比如3-5月、7-9月、10-12月的样品明显聚集在一起(图1e和f)。

图1 细菌多样性分析

a 基于不同月份的样品的香农指数；

b 基于不同取样点的样品的香农指数；

c ICU-A和ICU-B的香农指数；

d-h 基于Bray Curtis距离的主坐标分析。

在不同分类水平上研究ICU-A和ICU-B中的微生物群落，结果也呈现明显的季节性变化(图2a，b)。在门水平上，两个ICU中的变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、 放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)始终占主导地位。在所有样本中，变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)是最主要的门，分别占所有样本的70.55%和15.58%。在属水平上，劳尔氏菌(Ralstonia)、柠檬酸杆菌(Limnobacter)、不动杆菌(Acinetobacter)、短链单胞菌(Brevundimonas)、葡萄球菌(Staphylococcus)、假单胞菌(Pseudomonas)、棒状杆菌(Corynebacterium)、大肠埃希菌(Escherichia)、粪肠球菌(Enterococcus)、链球菌(Streptoccus)和丙酸杆菌(Propionibacterium)在两个ICU中含量最高。对所有样本进行层次聚类分析，结果也显示了四个明确的聚类(3-5月、7-9月、1-2月、10-12月)，与PCoA分析一致。

图2 属水平微生物组成及层次聚类分析

微生物菌群溯源分析

Microbial sources in the ICU environments

针对ICU环境的微生物组成进行了溯源分析。使用的公共数据包括城市环境(室内、家庭、办公室、教育设施以及城市生态系统等)的样本(n = 355)，健康人类微生物组(皮肤、粪便、尿液和口腔)(n = 579)，以及土壤微生物组(n = 77)。结果表明，ICU环境中的微生物群落主要来源于城市环境(ICU-A和ICU-B分别为42.94%和45.04%)和人体皮肤(ICU-A和ICU-B分别为16.06%和12.18%)。在ICU-A中，与其他样本点相比，在床栏杆(48.65%)和地板表面(47.70%)发现来自于城市环境的微生物的比例较高(图3a)，在床单上检测到来自人类口腔的细菌比例较高(3.22%)。在ICU-B中，与其他采样点相比，地板表面来自城市环境的细菌比例较高(54.20%)，而人体皮肤细菌比例较低(8.35%)(图2b)。对ICU-A和ICU-B的进一步分析比较表明，ICU-A含有较低比例的城市环境相关细菌(42.94%)和较高比例的人类来源的细菌(20.20%)。

图3 不同采样点的微生物溯源结果

(a)ICU-A和(b)ICU-B的床单、床栏杆、床头柜、推车、脉搏血氧仪、地板和护士手的微生物溯源结果。

鉴定医院感染相关的细菌和核心菌群

Ecological relationships between biodiversity of key-stone phylotypes, functional genes, and crop production

不动杆菌(Acinetobacter)、假单胞菌(Pseudomonas)、 葡萄球菌(Staphylococcus)、 大肠埃希菌(Escherichia)、 粪肠球菌(Enterococcus)、 梭菌(Clostridium)、 寡养单胞菌(Stenotrophomonas)、 肠杆菌(Enterobacter)、克雷伯氏菌(Klebsiella)、变形杆菌(Proteus)、 伯克霍尔德氏菌(Burkholderia)和 分支杆菌(Mycobacterium)是医院感染常见的致病菌。此外，我们还定义了”核心细菌”，这些细菌是指在超过90%的样品都存在的细菌（图4）。Venn图显示，医院感染的相关细菌不动杆菌(Acinetobacter)、假单胞菌(Pseudomonas)、葡萄球菌(Staphylococcus)、大肠杆菌(Escherichia)和粪肠球菌(Enterococcus)在医院ICU表面长期存在。此外，由于ICU-A间病例数远高于ICU-A，葡萄球菌(Staphylococcus), 粪肠球菌(Enterococcus)和大肠埃希菌(Escherichia)的相对丰度在两个重症监护室之间有显著差异（图5）。

图4 医院感染相关细菌和核心菌的丰度热图

(a)ICU-A和(b)ICU-B中医院感染相关细菌和核心菌热图。(c)医院感染相关细菌和核心菌的Venn图。

图5 医院感染相关细菌在ICU-A和ICU- B的差异分析

在进行为期一年的监测中，7月、11月和12月的ICU-A间3号床病人出现了由肺炎克雷伯菌引起的肺部感染(图6)。结果显示，肺炎克雷伯菌在离患者较近的区域比如床单、手推车、床头柜有更高的相对丰度。

图6 不同月份中肺炎克雷伯菌在病人痰液样品和相应环境样品的相对丰度

一月(a)、二月(b)和三月(c)中肺炎克雷伯菌在病人痰液样品和相应环境样品的相对丰度。

讨论

通过一年的医院监测，我们研究了ICU环境中不同取样点的细菌群落。每个ICU的微生物组成在时间尺度上有明显变化。在ICU环境中一直存在着一定与医院感染相关的细菌比如不动杆菌(Acinetobacter), 葡萄球菌(Staphylococcus)和粪肠球菌(Enterococcus)。此外，建筑物和人体皮肤是ICU中微生物的主要来源。通过在离病人较近的地方有更高丰度的致病菌，我们推断环境和病人之间存在着病原体的传播。因此，在对医院环境进行消毒时，应该注意感染病人周围区域的重点消杀。这些发现提高了我们对ICU表面微生物的复杂特征的理解。ICU环境中微生物群落的时间动态变化最终将有助于为医院环境的消毒和预防医院感染提供建设性的建议。

作者简介

通讯作者：胡松年，中科院微生物所研究员，博士生导师，主要从事微生物宏基因组研究技术与方法、微生物多组学分析平台搭建以及微生物资源生物信息挖掘与利用，目前已在国际顶级期刊Science，Nature Plant, Genome Biology, Nature communications, Nucleic Acids Research等高水平SCI论文300余篇，主持或参与国家级研究项目二十余项。

通讯作者：贺子龙，北京航空航天大学副研究员，博士生导师，致力于运用多组学手段揭示人体微生物与疾病之间的相互作用以及人体传染性疾病与致病微生物之间的联系。已参与多项国家级项目，主持中国博士后面上基金项目，在Nucleic Acids Research, Brief in bioinformatics，Science of the Total Environment，Genomics, Proteomics & Bioinformatics等期刊发表SCI论文二十余篇。

Reference

Kexin Li, Qianhui Zhu, Fan Jiang, Huixia Li, Jingying Liu, Tao Yu, Yiyang Du,Li Yang, Zilong He, Songnian Hu. TMonitoring microbial communities in intensive care units over one year in China. Science of the Total Environment (2022). http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152353