文 / 章 / 要 / 点
细菌性脑膜炎(BM)在儿童中的发病率高于成人，但症状表现并不明显。虽然已有研究报道过引起BM的一些病原微生物，但脑脊液(CSF)和血液微生物组仍不明确。
本研究纳入72名儿童(10名健康儿童、32名BM患儿、30名未确诊BM的感染性疾病患儿)，共采集CFS和血液标本102份用于mNGS与生信分析(图1)。旨在利用mNGS分析经常规检测确诊的BM患儿和接受抗生素治疗患儿的CSF和血液中微生物群特征，以评估疾病风险和预后。
结果表明：1) BM患儿CSF和血液微生物群特征与未确诊BM以及健康儿童不同；2) 根据大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、嗜热毁丝霉(Thermothelomyces thermophila )等主要代表性微生物组成特征，可将BM患者分成不同亚组；3) BM患者微生物特征的变化与血液C反应蛋白水平和CSF粒细胞百分比相关；4) 在以肺炎克雷伯菌为优势菌亚组中，血液可替代CSF作为临床检测的主要标本。
实 / 验 / 设 / 计
图1 研究概述和分析工作流程
主 / 要 / 结 / 果
| BM儿童血液和CSF微生物群与健康组和未确诊BM组不同
未确诊患儿CSF中微生物群α多样性高于BM患儿，而健康组与BM组血液微生物群α多样性间的差异不显著(图2A)；在种水平上，患儿(PB、PC、IN)和健康组(NB)的优势微生物相对丰度差异明显，患儿组中肺炎克雷伯菌、大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌等相对丰度高于健康组，但健康组中小粒病毒的相对丰度高于患儿组(图2B)。PCoA显示，健康组和患儿组血液微生物群落构成差异显著，群落变异的主要驱动者为大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、托拉斯假单胞菌(Pseudomonas tolaasii)等(图2C)。同时，BM患儿和未确诊患儿的CSF标本整体物种组成也存在差异(图2D)。
图2 BM患儿拥有独特的微生物群
| 与BM相关的代表性微生物群可被当作疾病标志物
通过随机森林和edgeR两种方法筛选了BM相关生物标志物(筛选标准：P<0.01, MDA-top10)，筛选结果如表1所示。这表明，CSF和血液中具有代表性的微生物群成员可以作为识别BM的生物标志物。
表1 通过统计分析筛选代表性微生物
| 具有代表性的微生物群可作为临床分层分析的生物标志物
进一步分析表明，患儿组中大肠杆菌和肺炎克雷伯菌检出率高于健康组，溶血葡萄球菌、嗜热毁丝霉和乳酸乳球菌仅在患儿组中出现(图3A)。统计结果表明，mNGS对上述代表性微生物的检测阳性率明显高于传统培养(图3B)。总体而言，mNGS对于病原体检测的结果是有效的，且检测到的代表性微生物可作为一种比较可靠的生物标志物。
此外，BM患儿的候选微生物群展示出特定的组合模式，部分患儿以大肠杆菌为优势菌，另一些则以肺炎克雷伯菌为优势菌(图3C)。
图3 筛选出的代表性微生物可作为临床分层标志
| 代表性微生物群可反应患儿的炎症状态和感染程度
根据血液中大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和嗜热毁丝霉的组合，患者被分成4个亚组且群落构成差异显著，两个主要的亚组分别以大肠杆菌和肺炎克雷伯菌为优势菌(图4A-B)。同样，根据CSF中大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、嗜热毁丝霉、溶血葡萄球菌和嗜酸乳杆菌能将患儿分为4个亚组，主要亚组的优势菌分别为肺炎克雷伯菌、肺炎克雷伯菌和大肠杆菌、大肠杆菌(图4C-D)。
血液和CSF中微生物分布模式与临床检测指标之间的潜在相关性分析结果表明，以肺炎克雷伯菌为优势菌的亚组中，血液CRP水平高于以大肠杆菌为优势菌的亚组(图4E)。基于CSF样本产生的3个亚组的粒细胞比例差异显著，以肺炎克雷伯菌为优势菌的亚组高于以大肠杆菌为优势菌的亚组(图4F)。综上，代表性微生物群可反映患儿的炎症状态和感染程度，肺炎克雷伯菌的优势可提示严重感染。
图4 代表性微生物可反映炎症状态和感染程度
| 以肺炎克雷伯菌为主的患者，血液和CSF的检测能力相同
本研究中，以肺炎克雷伯菌为优势菌的患儿血液和CSF检测结果一致性为100%，以大肠杆菌为优势菌的患儿血液和CSF检测结果一致性为52.94%(图5)。
图5 肺炎克雷伯菌占优势的患者血液具有与脑脊液相同的检测能力
| 血液和CSF中脑膜炎相关微生物群与代谢途径相关
研究者比较了患儿组和健康组中分配到细胞过程和信号转导、信息存储和加工、新陈代谢等三个主要功能类别的微生物序列比例。结果表明，两组间在微生物功能，尤其是新陈代谢方面差异显著(图6B)。患儿组血液样本中大量存在的微生物功能主要富集在新陈代谢方面，尤其是在能量生产和转化方面，但其他功能出现损耗(图6C)。以上结果反映了患儿微生物群代谢活性的变化。
图6 BM患儿与健康对照组之间代表性微生物群的功能表现
总 / 结
本文是探索脑膜炎相关微生物群对临床表现影响的首次报告。利用mNGS技术全面分析血液和脑脊液中BM相关微生物群，确定了可能在脑膜炎中起关键作用的代表性微生物，并根据特定微生物组合模式将患儿分为不同的亚组，通过统计不同亚组优势微生物的动态变化规律，发现血液能代替脑脊液作为部分患儿疾病诊断和治疗监测的主要载体，有助于降低进一步恶化的风险。
本研究证实，即使在抗生素干预的前提下，mNGS也可以展示出优于常规方法的检测效能。此外，本文也是首次阐述微生物群与血液CRP和粒细胞比例相关性的研究，为细菌性脑膜炎的疾病风险和预后评估提供了重要的参考意义。
封面图片来源于网络，侵删
