综述：肠道微生物组在抗生素驱动的抗菌药物耐药性中的作用

《Frontiers in Microbiology》：The role of the gut microbiome in antibiotic-driven antimicrobial resistance

　　

抗菌药物耐药性（Antimicrobial Resistance, AMR）是当前全球卫生体系面临的最紧迫威胁之一。人体肠道定植着由代谢互作机制协调调控的复杂微生物生态系统，肠道微生物群在人体正常生长发育及生理过程中发挥关键作用，其既是抗生素介导的扰动靶点，也是抗菌药物耐药基因传播的储存库。尽管抗生素仍是治疗细菌感染不可或缺的手段，但其对肠道微生物群的广泛生态影响会破坏保护宿主抵御病原体入侵与代谢功能紊乱的微生物稳态。肠道微生物组同时作为抗菌药物耐药基因的集合储存库（统称“耐药组”），可通过接合、转化、转导等水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）机制，在共生菌与病原菌之间发生移动与传播。本综述系统梳理了人体肠道微生物群的组成与功能、抗生素诱导肠道菌群失调的机制，以及年龄、遗传学特征、饮食、免疫状态等宿主因素对微生物组动态变化及AMR产生的调控作用。研究人员进一步评估了耐药组表征的新兴技术，包括聚合酶链式反应（PCR）、下一代测序（Next-Generation Sequencing, NGS）、功能宏基因组学及人工智能驱动工具。最后，综述讨论了粪菌移植（Faecal Microbiota Transplantation, FMT）、噬菌体疗法、成簇规律间隔短回文重复序列（CRISPR）相关疗法、抗菌肽等微生物组靶向治疗策略，用于对抗AMR并恢复肠道微生物稳态。综上，本综述强调，维护和重建肠道微生物组的完整性应被视为全球AMR防控中抗菌药物管理策略的核心组成部分。

引言

抗生素通过有效治疗感染性疾病、支撑外科手术、肿瘤化疗及器官移植等现代医疗干预手段，极大推动了现代医学发展。然而，抗菌药物耐药性（AMR）的快速出现与全球扩散正不断削弱其临床效用，已成为全球公共卫生的重大威胁。AMR是由抗菌药物不合理使用、感染控制实践不足及新型治疗药物研发有限共同导致的多因素全球性危机。全球抗菌药物耐药性研究（GRAM）项目估计，2019年细菌AMR直接导致约127万人死亡，关联死亡达495万人；2021年最新数据显示，仅当年就有约114万人直接死于AMR，共471万死亡与耐药感染相关，凸显AMR的严重性与广泛危害。当前多重耐药（Multidrug Resistance, MDR）感染呈显著上升趋势，医疗机构内MDR感染增幅超40%。抗生素的广泛重复使用会降低微生物多样性，清除基础共生类群，产生利于耐药生物与机会性病原体扩张的生态位。重要的是，肠道微生物组作为AMR基因的储存库（统称“耐药组”），可通过接合、转化、转导等水平基因转移（HGT）机制在共生菌与病原菌间传播。最新宏基因组研究表明，短期抗生素使用即可改变耐药组与微生物群落结构，且恢复往往不完全或存在延迟；肠道菌群紊乱与艰难拟梭菌（Clostridioides difficile）等感染易感性升高、肠球菌（Enterococcus）及肠杆菌科（Enterobacteriaceae）等耐药病原体定植增加密切相关。这提示需采用兼顾微生物组的精准治疗策略，包括靶向抗菌药物使用、微生物组重建方案、开发窄谱或非破坏性抗菌药物，以减缓AMR进展。AMR的产生源于细菌暴露于抗生素后，通过产生灭活抗生素的酶、改变药物靶点、降低膜通透性、主动外排抗生素等机制获得耐药性，临床中会导致感染更难治疗、住院时间延长，常需使用毒性更高或价格更昂贵的最后一线疗法。AMR的演化与扩散主要受人类抗生素误用与过度使用驱动，包括病毒性感染不当处方、不恰当的广谱治疗、未完成疗程等；同时，畜牧业中抗生素用于促生长与疾病预防，也会催生耐药菌，通过食物链、直接接触、环境暴露传播至人类。人体胃肠道定植着最大最复杂的微生物生态系统——肠道微生物组，其通过促进消化吸收与代谢、调节免疫系统、抵御入侵病原体维持宿主健康，通过与有害微生物竞争营养与生态位提供定植抗性，维持肠道稳态。尽管抗生素是细菌性感染治疗的必需药物，但也是对肠道微生物组最强的干扰因子之一，可导致菌群失调、常驻菌群丢失、机会性或致病性生物扩散，这些紊乱在持续抗生素疗程后可长期持续，并与腹泻、艰难拟梭菌感染易感性升高、免疫失调、代谢紊乱等相关。此类生态紊乱会耗竭定植抗性（Colonisation Resistance, CR），为耐药生物扩张创造适宜条件。此外，肠道微生物组还是AMR基因的来源，抗生素暴露会增加耐药菌株丰度，促进共生菌与病原菌间的HGT，推动耐药相关特征在肠道生态系统内外的快速扩散，因此肠道不仅是抗生素介导损伤的作用靶点，也是AMR扩增与传播的核心场所。尽管肠道微生物组在AMR中的作用已获广泛认可，但抗生素诱导菌群失调的长期后果，以及饮食、年龄、免疫状态、住院史、地理背景等宿主相关因素的影响仍未完全阐明；当前临床方案常忽视微生物组保护与重建是抗菌药物管理的核心组成部分。本综述整合现有证据，系统阐释肠道微生物组的组成与功能、抗生素促进肠道AMR的机制，以及减轻耐药性同时保护微生物健康的 emergent 策略，弥补上述研究空白。

肠道微生物组：组成与保护作用

人体肠道微生物组是由病毒、细菌、古菌、真菌组成的复杂多样生态系统，其分类组成存在显著个体异质性，受年龄、环境因素、宿主遗传学等多重决定因素调控。大规模分析显示，仅9/410个鉴定出的细菌属存在于95%以上的样本中，提示个体间差异显著；宿主遗传因素（如乳糖酶LCT位点）与双歧杆菌（Bifidobacterium）丰度变异相关。健康人肠道的主要细菌门为厚壁菌门（Firmicutes）与拟杆菌门（Bacteroidetes），其次为放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobia）及梭杆菌门（Fusobacteria）；双歧杆菌属（Bifidobacterium）、粪杆菌属（Faecalibacterium）、乳杆菌属（Lactobacillus）、阿克曼氏菌属（Akkermansia）等重要共生属，通过营养代谢、免疫调节、维持上皮屏障完整性参与肠道稳态。其中普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）与罗斯氏菌属（Roseburia）是短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids, SCFAs）的主要生产者，尤其是丁酸盐，其作为结肠细胞的主要能量来源，可发挥肠道黏膜抗炎作用。年龄是塑造肠道菌群组成的核心因素，研究显示2岁以下儿童拥有独特的肠道菌群，且AMR基因丰度高于大龄儿童与成人，提示生命早期是肠道菌群发育及其健康效应的关键窗口期；中国人群不同生命阶段也观察到拟杆菌门、厚壁菌门、变形菌门等微生物类群及功能基因含量的年龄相关变化。除组成多样性外，肠道微生物组还通过免疫调节、屏障维持、代谢调控发挥宿主保护作用：小鼠实验显示，肠道菌群耗竭会加重肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）感染，促进细菌播散、炎症、组织损伤与死亡，而粪菌移植可恢复正常肺部细菌负荷、平衡细胞因子应答、改善巨噬细胞吞噬能力，凸显肠-肺轴的保护作用；葡聚糖硫酸钠结肠炎模型显示，黏液阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）的细胞外囊泡可降低上皮IL-6产生，改善体重下降、结肠缩短、炎性细胞浸润等临床症状，证实其对肠道黏膜的保护作用。此外，肠道微生物组还可保护宿主抵御非感染性应激，秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）模型显示，微生物组重构会富集携带解毒酶的耐新霉素细菌，保护线虫免受抗生素毒性，但这种保护性转变也会损害代谢功能与感染抵抗力。实验与人类研究一致表明，肠道微生物组高度动态，共生微生物及其代谢产物可为宿主提供针对病原体、毒性化合物、炎性损伤的核心保护。

肠道作为抗菌药物耐药基因的主要储存库

宏基因组研究一致证实，人体肠道是抗菌药物耐药基因（Antimicrobial Resistance Genes, ARGs）的重要储存库，统称肠道耐药组。一项针对中国长寿地区246名健康个体的研究鉴定出606个AMR基因，老年参与者ARGs丰度与多样性最高，四环素耐药基因tetQ最为普遍，拟杆菌属是ARGs的主要载体。高分辨率婴儿微生物组分析显示，肠道耐药组在生命早期已充分建立：对12名健康婴儿的月度测序发现，核心ARGs主要为与肠杆菌科相关的外排相关基因，出生后第一年随着变形菌门水平下降，ARGs总丰度逐渐降低；针对6个国家963名婴儿4132份宏基因组的分析鉴定出4285个ARGs，显示出生前3年ARGs丰度随年龄增长而下降，大肠埃希菌（Escherichia coli, E. coli）携带不成比例的ARGs，且ARGs的逐步积累提示发育中肠道菌群内HGT增加。体内模型机制研究显示，肠道微生物间可通过质粒介导高效转移：移植人类微生物群的小鼠模型中，携带多个ARGs的RP4接合质粒可从工程化E. coli供体转移至毛螺菌科（Lachnospiraceae）、梭菌科（Clostridiaceae）、假单胞菌科（Pseudomonadaceae）等受体家族，转接合菌株可在群落中长期存续；中性粒细胞减少移植患者的Hi-C图谱显示，肠道微生物组存在广泛的HGT网络，活动期ARGs与更多微生物类群相关，提示抗生素暴露的肠道环境有利于常驻微生物间的基因转移。临床与环境证据表明，肠道共生菌是ARGs的重要储存库：埃及健康人群中64.3%的共生E. coli分离株表现为多重耐药，携带与β-内酰胺类、磺胺类、四环素类、喹诺酮类、氨基糖苷类抗生素耐药相关的多种质粒介导ARGs。综上，现有证据明确肠道微生物群包含丰富的可移动耐药基因，可在共生微生物间移动，并可能被病原菌获得，是其作为AMR储存库的核心意义。

抗生素暴露与肠道菌群失调

抗生素使用是胃肠道紊乱的主要原因，可导致肠道菌群失调，其特征为微生物多样性降低、结构改变、微生物功能丧失。尽管抗生素对控制病原感染至关重要，但其非选择性活性会破坏共生微生物群落，损害肠道稳态。最新证据表明，抗生素诱导的肠道菌群变化可持续较长时间，可能导致免疫失调、代谢失衡、机会性感染易感性升高；菌群失调的程度与持续时间受抗生素类型、治疗时长、年龄、饮食、微生物组组成等宿主特异性因素影响，凸显抗生素暴露是宿主-微生物组互作的关键调控因子，可产生短期与长期生理后果。

4.1 肠道菌群失调的定义与概述

肠道菌群失调是指相对于宿主适应的稳态基线，肠道微生物群的组成、多样性、功能容量出现失衡。由于个体间异质性极高，目前尚无健康微生物组的通用定义，但平衡的肠道生态系统通常以厚壁菌门与拟杆菌门为主，在维持代谢与免疫稳态中发挥核心作用。生理状态下，这些微生物群落参与复杂碳水化合物、蛋白质、脂质的代谢，并促进乙酸、丙酸、丁酸等SCFAs的产生；SCFAs对肠道健康尤为重要，丁酸盐是结肠细胞的主要能量来源，可通过调节紧密连接维持上皮屏障完整性。此外，肠道微生物组通过抗菌肽（Antimicrobial Peptides, AMPs）产生与细胞因子信号通路调节宿主免疫应答。菌群失调的典型特征为α多样性（如香农指数、Chao1指数）降低、有益共生菌耗竭、变形菌门等机会性类群扩张。在所有影响肠道微生物组成的外部因素中，抗生素被认为是菌群失调的主要驱动因素，常诱导肠道微生物组发生快速、深刻的生态转变。

4.2 抗生素对肠道微生物群的影响

抗生素诱导的微生物群紊乱程度与持续时间主要取决于抗生素的抗菌谱、暴露时长、药代动力学特性。广谱抗生素（如碳青霉烯类、哌拉西林-他唑巴坦）因全面清除专性厌氧共生菌（尤其是产SCFAs细菌），比窄谱药物的影响更显著。抗生素暴露通常导致微生物多样性快速下降、功能冗余丧失、机会性类群（尤其是变形菌门）扩张。实验与临床研究显示，即使是短期抗生素使用也可在数天内显著降低微生物多样性，而长期或反复暴露可能导致持续或不完全恢复：例如小鼠模型中头孢曲松治疗可抑制Chao1、香农等多样性指数长达治疗后14个月，提示微生物恢复力长期丧失。在组成层面，抗生素诱导微生物种群的选择性转变：广谱药物减少厚壁菌门、拟杆菌门等优势门，同时促进兼性厌氧菌扩张；特定抗生素也存在差异化效应，如阿莫西林与普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）丰度升高相关，四环素暴露可能利于链球菌科（Streptococcaceae）增殖。微生物群的系统性恢复存在高度异质性：部分类群可在停药后重建，而其他类群可能永久耗竭，导致替代性失调状态。这种变异性凸显了当前研究中抗生素暴露后肠道微生物组的长期恢复力与重建方面的重大空白。

4.3 抗生素暴露后肠道菌群失调的后果

抗生素诱导的菌群失调效应超越肠腔，影响全身代谢与免疫稳态。核心机制通路之一是SCFAs产生受阻：乙酸、丙酸、丁酸盐水平下降会通过减弱紧密连接蛋白削弱上皮屏障完整性，增加肠道通透性，促进脂多糖（Lipopolysaccharides, LPS）等微生物组分易位，触发全身炎症，参与炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）与代谢紊乱的发病机制。此外，菌群失调会降低定植抗性（CR），为机会性病原体创造有利环境，典型例子是艰难拟梭菌，其定植受抗生素诱导的胆汁酸代谢改变与微生物竞争促进。从免疫角度看，菌群失调会破坏多个关键调节通路：辅助性T细胞17（Th17）生成减少、调节性T细胞（Treg）失衡、白细胞介素-22（IL-22）产生减少、SCFAs抗炎效应减弱，共同削弱黏膜免疫，增加感染与慢性炎症疾病易感性。同时，抗生素暴露会促进肠道耐药组扩张，推动HGT与AMR基因在微生物种群内的存续。但抗生素诱导菌群失调的长期后果仍存在不一致性：部分研究报道微生物群部分恢复，而其他研究提示持续的功能缺失，提示宿主遗传学、饮食、环境暴露可能是微生物群恢复与恢复力的关键调控因子。

抗生素促进肠道AMR的机制

人体胃肠道包含密度最高的微生物生态系统之一，是ARGs的主要储存库（统称肠道耐药组）。抗生素暴露对微生物组施加强选择压力，导致生态破坏与进化改变，促进耐药类群增殖。即使是短期抗生素使用也可导致耐药组的持久改变。抗生素引起的菌群失调会降低定植抗性，利于耐药生物与ARGs扩散。肠道AMR源于相互关联的协同过程，而非单一通路，这些过程共同推动肠道耐药组扩张。

5.1 水平基因转移（HGT）

HGT是肠道微生物组内ARGs传播的核心驱动因素，主要机制包括接合、转化、转导，其中接合因肠道高密度微生物环境中细胞直接接触利于基因交换，被认为是最有效且与临床最相关的机制。亚抑菌浓度抗生素暴露会触发细菌应激应答（如SOS通路激活），增加DNA摄取、噬菌体诱导与质粒转移，共同创造利于ARGs传播的条件，但HGT与克隆扩张在体内的重要性仍不明确。转化指细菌摄取外源DNA并将其整合入基因组，超过80种细菌被鉴定为天然感受态，包括淋病奈瑟菌（Neisseria gonorrhoeae）、霍乱弧菌（Vibrio cholerae）、肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）等临床重要病原体，均可通过该过程获得耐药基因；尽管多数外源DNA会被肠道内DNase降解，但动物肠内容物中仍可检测到完整质粒DNA，提示转化可能参与肠道内ARGs扩散。另一种潜在基因转移机制是膜囊泡（Membrane Vesicles, MVs），这类纳米级结构主要由革兰阴性菌分泌，可通过膜融合将质粒等含ARGs的遗传物质转移至受体细胞，体外研究已在不动杆菌（Acinetobacter）与E. coli中证实其质粒转移潜力。转导指噬菌体介导的细菌DNA转移，可通过普遍性、特异性或侧向转导实现；人体肠道存在携带ARGs的多样噬菌体，且抗生素暴露后其数量可增加，实验证据表明噬菌体介导的转导有助于肠道相关细菌的遗传多样性与抗生素耐药性演化，但其在肠道微生物组内的整体意义仍需进一步明确。在所有HGT机制中，接合被认为是肠道生态系统内ARG传播的主要途径：该过程中，质粒、整合接合元件（Integrative Conjugative Elements, ICEs）等可移动遗传元件直接在细菌细胞间转移，这些元件常同时携带重金属耐受、消毒剂耐药等其他适应性性状的基因，支持不同环境压力下的共选择。肠道密集的微生物群落与富含黏液的微环境为共生菌与病原菌间的接合转移提供了理想场所：临床证据显示，万古霉素耐药（vanB）转座子可在肠道共生菌迟钝真杆菌（Eggerthella lenta）、无辜梭菌（Clostridium innocuum）中检出，提示这些生物可能是此前未被识别的ARGs储存库；同一患者分离的阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）、E. coli、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）中可检出携带bla_OXA-48的IncL/M质粒，提示患者肠道微生物组内存在质粒转移。此外，接合性质粒可动员本身不可自转移的DNA，显著加速肠道微生物群落内AMR的传播。

5.2 可移动遗传元件（MGEs）

HGT的潜能依赖于可移动遗传元件（Mobile Genetic Elements, MGEs），其作为ARGs动员与整合的载体，包括质粒、转座子、整合子，可促进耐药决定因子的种内与种间转移，构成肠道耐药组结构演化的基础。质粒是可自主复制的染色体外DNA元件，常携带多重耐药（MDR）基因簇，通过接合传播；转座子可实现ARGs在质粒与染色体DNA间的移动，整合子则通过位点特异性重组捕获并表达基因盒，这些元件常编码β-内酰胺酶、碳青霉烯酶等临床重要耐药决定因子。此外，MGEs支持共选择：单个遗传元件上连锁的多个耐药基因可在选择压力下共同维持。抗生素暴露与MGEs丰度及活性升高相关，增加失调微生物群落内ARGs的传播潜能，但MGE富集是抗生素压力的直接后果还是生态破坏的次级效应，仍是正在进行的研究方向。

5.3 营养可用性与生态重构

抗生素诱导的微生物组成改变也会导致肠道代谢景观的显著变化：优势共生种群减少会扰乱已建立的代谢网络与交叉喂养互作，导致此前被利用的营养物质积累。这种生态重塑为耐药与机会性生物创造了适宜生境：宿主来源底物（如黏膜聚糖、唾液酸）可用性增加，结合胆汁酸谱改变，为耐药类群提供代谢优势；此外，抗生素暴露后微生物竞争减少，使这些生物可利用新出现的资源在肠道生态系统内扩张。许多耐药机制在正常条件下会产生代谢适合度代价，但菌群失调相关的富营养环境可抵消这些代价，使耐药细菌能够存续并在恢复的共生种群中占据竞争优势。这些发现共同凸显生态位重构是AMR持续存在的核心但常被低估的驱动因素。

5.4 获得性耐药机制

除生态与水平遗传过程外，细菌还采用固有分子机制在抗生素暴露下存活：最突出的机制是多药外排泵的过表达或修饰，其可主动将抗菌药物排出细胞外，将细胞内药物浓度降至亚致死水平。其他关键耐药机制包括：靶点修饰（阻止抗生素结合，如旋转酶或核糖体蛋白突变）、酶解降解（如β-内酰胺酶介导的抗生素水解）、膜通透性降低（限制抗生素摄入）。肠道内的亚抑菌抗生素浓度可作为选择与诱变压力，加速这些适应性性状的出现；随时间推移，这些耐药机制可在细菌种群内确立，尤其是当其与可移动遗传元件（MGEs）介导的传播结合时。

抗生素诱导的定植抗性丧失

6.1 定植抗性的定义

定植抗性（Colonisation Resistance, CR）是指本土肠道微生物群阻止外源性病原体与机会性内源性生物在胃肠道生态系统内定植、扩张并引起感染的能力。这种多层防御源于竞争性微生物互作与黏膜免疫效应物的协同作用，包括营养争夺、定植位点占据、细菌素合成、肠腔pH调控。专性厌氧共生菌（尤其是毛螺菌科、瘤胃球菌科、拟杆菌目）通过利用氨基酸、单糖、宿主来源黏蛋白等必需底物，建立营养排斥这一基础防御机制。梭状芽胞杆菌目（Clostridiales）产生的次级胆汁酸可提供额外化学屏障，抑制艰难拟梭菌孢子萌发与营养生长，但该