중증 환자에서 카바페넴 내성 장내세균 집락화와 연관된 장내 미생물 총 조성 변화

Abstract

BACKGROUND: Carbapenem-resistant Enterobacteriaceae (CRE) are an emerging concern for global health and are associated with high morbidity and mortality in critically ill patients. Risk factors for CRE colonization include broad-spectrum antibiotic use and microbiota dysbiosis in critically ill patients. Therefore, we evaluated the alteration of the intestinal microbiota associated with CRE colonization in critically ill patients. METHODS: Fecal samples of 41 patients who were diagnosed with septic shock or respiratory failure were collected after their admission to the intensive care unit (ICU). The gut microbiota profile determined using 16S rRNA gene sequencing and quantitative measurement of fecal short-chain fatty acids were evaluated in CRE-positive (n=9) and CRE negative (n=32) patients. The analysis of bacterial metabolic abundance to identify an association between CRE acquisition and metabolic pathway was performed. RESULTS: CRE carriers showed a higher proportion of the phyla Proteobacteria and lower abundance of the phyla Bacteroidetes as compared to the CRE non-carriers. Linear discriminant analysis (LDA) with linear discriminant effect size showed that the genera Erwinia, Citrobacter, Klebsiella, Cronobacter, Kluyvera, Dysgonomonas, Pantoea, and Alistipes had an upper 2 LDA score in CRE carriers. CRE carriers showed lower phylogenetic diversity, and beta-diversity analysis demonstrated that the two groups were clustered significantly apart. CRE carriers had lower levels of branched short-chain fatty acids such as isobutyric acid and valeric acid. Furthermore, the PICRUSt-predicted metabolic pathways revealed significant differences in five features, including ATP-binding cassette transporters, phosphotransferase systems, sphingolipid metabolism, other glycan degradation, and microbial metabolism, in diverse environments between the two groups. CONCLUSIONS: Critically ill patients with CRE have a distinctive gut microbiota composition and community structure, altered branched short-chain fatty acid production and changes in the metabolic pathways. Further studies are needed to determine whether prebiotics and/or probiotics improves microbiota dysbiosis in patients with CRE.|배경: 카바페넴 내성 장내세균 (Carbapenem-resistant Enterobacteriaceae, CRE)은 카바페넴을 포함한 대부분의 항생제에 광범위한 내성을 갖기 때문에, 중환자에서 높은 이환율과 사망률과 관련이 있다. 광범위한 항생제 사용과 중환자에서 미생물 군집 불균형이 CRE 집락화에 대한 위험 요인으로 작용한다. 그러므로, 본 연구에서는 중환자의 CRE 집락화에 따른 장내 미생물 군집의 변화를 측정하여 비교하고자 한다. 연구방법: 패혈성 쇼크 또는 호흡 부전으로 진단받고 중환자실에 입실한 41명의 분변 샘플을 수집하였다. CRE 양성 9명과 CRE 음성 32명의 장내 미생물에 대해서 16S rRNA 유전자 염기서열 분석과 분변 단쇄 지방산의 정량 분석을 통해 비교하였다. CRE 집락화와 대사 경로 사이의 연관성을 확인하기 위해 박테리아 대사 풍부도 (bacterial metabolic abundance) 분석을 수행하였다. 결과: CRE 양성 환자는 CRE 음성 환자에 비해 프로테오박테리아문 (Proteobacteria)이 유의하게 증가했고 의간균문 (Bacteroidetes)은 감소한 것으로 나타났다. CRE 양성 환자에서 선형판별분석 (Linear discriminant analysis, LDA) 상 상위 2 LDA 점수를 보이는 것은 에르비니아속, 시트로박터속, 클레브시엘라속, 크로노박터속, 클루이베라속, 디스고노모나스속, 판토에아속, 알리스티페스속이었다. 알파 다양성 (Alpha diversity) 지수는 CRE 양성 환자에서 저하되었고, 베타 다양성 (Beta diversity) 분석은 CRE 집락화에 따라 뚜렷한 차이가 있음을 보여주었다. CRE 양성 환자에서 이소부틸산 (isobutyric acid)과 발레르산 (valeric acid)과 같은 측쇄지방산 (branched short-chain fatty acids)이 저하되어 있었다. 또한, PICRUSt로 예측한 두 군 간 대사 경로 비교에서 ATP-binding cassette transporters, phosphotransferase systems, sphingolipid metabolism, other glycan degradation, microbial metabolism가 유의한 차이가 있음을 확인하였다. 결론: CRE양성 중환자는 CRE 음성 중환자에 비해 뚜렷하게 다른 장내 미생물 구성을 보였고, 측쇄지방산이 저하되어 있다. 또한, 항생제 유출펌프 (efflux pump)와 연관된 대사경로의 증가 소견을 보였다. CRE 환자에서 프리바이오틱스 또는 프로바이오틱스 투여로 장내 미생물 군집 불균형을 개선할 수 있는 지 추가 연구가 필요하다.