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Nature | 影响肠道感染的药物–微生物组相互作用识别

影响肠道感染的药物–微生物组相互作用识别

研究论文

● 原文:Nature(IF 48.5, 中科院双一区Top)

● DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09273-8

● 原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09273-8

● 发表日期：2025-7-16

● 第一作者：Aman Kumar

● 通讯作者：Andrew L. Goodman(andrew.goodman@yale.edu)

● 主要单位：

美国纽黑文耶鲁大学微生物致病学系、美国纽黑文耶鲁大学微生物科学研究所

摘要

在美国，大多数人通过服用至少一种处方药来管理自身健康，尽管这些药物被归类为非抗生素，但仍可能对肠道微生物组产生不利影响，进而扰乱肠道稳态。本研究在对超过100万人、长达15年的队列数据进行分析的基础上，识别出多种与胃肠道感染风险增加相关的药物。值得注意的是，在该流行病学研究中被鉴定出的药物，如强心苷地高辛（digoxin），可在小鼠模型中显著改变肠道微生物组的组成，并增加感染沙门氏菌（Salmonella entericasubsp.entericaserovar Typhimurium，S.Tm）的风险。地高辛对S.Tm感染的影响可以通过微生物组传递，其作用机制涉及一种对地高辛敏感的β-防御素，该防御素能改变肠道微生物组组成，并影响宿主对入侵病原体的免疫监测。因此，本研究通过结合流行病学与实验研究的方法来揭示药物-宿主-微生物组-病原体之间的相互作用，并识别那些会增加人类感染风险的关键机制。

全文解读

引言

肠道微生物组的紊乱可能会因个体和环境的不同而产生广泛影响，包括炎症性肠病、自身炎症性疾病、结肠癌以及胃肠道（GI）感染等。然而，这些疾病在群体层面上相对罕见，即使在易感人群中，导致风险增加的具体诱因及其所引发的微生物组变化仍尚不明确。大规模、前瞻性的流行病学研究（涵盖数万乃至数十万名个体）是识别人群中罕见病发病风险因素的重要策略，但这一方法在肠道微生物组领域面临巨大的挑战，因为目前具备足够统计效能（能够纳入罕见事件）的现有队列，通常缺乏疾病发生前后的微生物组数据。

肠道微生物组紊乱最常见的后果之一是胃肠道（GI）定植抗性丧失，即肠道微生物组失去了与宿主免疫系统协同作用的能力，无法有效阻止病原体在肠道内的增殖扩张。值得注意的是，处方药的使用通常伴随腹泻、腹痛等胃肠道副作用，甚至引发胃肠道感染。这些副作用不仅会增加药物相关的住院风险，还可能降低患者对药物的耐受性。尽管口服和非口服药物均可改变肠道微生物组组成，且肠道微生物能够代谢药物，但非抗生素类处方药的使用与肠道微生物组紊乱及感染风险之间的潜在联系目前仍尚不明确。鉴于美国大多数人依赖一种或多种处方药来维持健康，而腹泻性疾病每年在全球导致超过100万人死亡，阐明药物-菌群-感染的相互作用具有重大的公共健康意义。

尽管在大规模纵向流行病学数据集中无法直接获得微生物组数据，但本研究创新地使用胃肠道感染临床诊断数据作为大人群中微生物组紊乱的间接存在指标。通过分析了超过100万人在15年间的处方药使用情况和临床诊断数据，旨在识别与胃肠道感染风险增加相关的药物。我们发现，诸如强心苷地高辛等多种药物会在小鼠S.Tm感染模型中改变肠道微生物组组成并削弱其定植抗性。进一步研究发现，地高辛可诱导视黄酸相关孤儿受体（retinoic-acid-related orphan receptor，ROR）γt依赖性地表达一类此前未被表征过的肠道β-防御素家族，选择性地减少有助于免疫监视肠道病原体的共生微生物。这种将流行病学与实验方法结合的策略，为识别临床诊断编码反映的微生物群紊乱触发因素提供了新范式。

结果

基于百万人大规模队列的药物-感染关联性研究

为了识别与人类感染风险增加相关的药物，我们分析了一个包括超过一百万匿名个体的动态队列在15年内的医疗服务、住院和药房处方数据。本研究采用病例交叉设计（case-crossover study），通过将每位病例作为其自身的对照，有效控制已知及未知个体特征对胃肠道感染基础风险的影响（图1a）。为此，我们在15年内识别每位个体首次被记录的胃肠道感染事件（补充表1）。随后，将紧邻该感染事件发生前的60天设定为病例窗口（case window），以及病例窗口期前60天的对照窗口期（control window），分别评估在两个时间窗口内的处方药暴露情况（扩展数据图1a；详见“方法”部分）。通过条件逻辑回归分析（conditional logistic regression），我们筛选出在病例窗口中开具频率高于对照窗口的药物类别，以此判定其与胃肠道感染风险的关联性。由于药物暴露与微生物组紊乱之间的关系可能因药物而异，我们假设药物使用的时间临近性在建立潜在关联时具有重要意义。考虑到药物暴露与微生物群破坏的时效关系，本研究采用60天观察窗口以兼顾用药依从性差异和暴露滞后效应。敏感性分析显示，采用30天的较短窗口也能够得到了类似的关联结果。

该分析识别出了一些预期的药物类别，如抗菌药、免疫抑制剂和止泻药，这说明该策略能够有效识别会增加胃肠道感染风险的药物类别（扩展数据图1b）。值得注意的是，这一方法还揭示出一些非抗生素类药物，其增加胃肠道感染疾病风险的能力甚至超过部分预期药物类别（图1b，扩展数据图1b和补充表2）。随后我们开展无偏倚的个体药物分析，从显著与非显著药物类别中筛选出21种符合标准的药物（处方次数>100，病例窗口期处方药暴露数量：对照窗口期药物暴露数量（OR）>1.5，P<0.05）用于后续的小鼠研究（图1b和补充表2、表3）。对于潜在混杂因素（如抗生素、止泻药和免疫抑制剂的同时使用）调整后的P值见补充表4。

图 1. 一百万名个体为期15年的分析识别出会增加人类和小鼠感染风险的药物

(a) 通过病例交叉流行病学研究设计，分析超过一百万名个体的处方药使用情况与胃肠道感染事件之间的关联。病例期和对照期的划分以感染性胃肠事件为基准；对于每种药物，计算其比值比（odds ratio，OR），即病例期服药人数（N）与对照期服药人数的比值。

(b) 流行病学研究结果。基于每类药物中服药人数、OR＞1.5且P＜0.05的标准，筛选出21种候选药物（具体药名已列出）用于后续研究。字母（a-ba）表示药物类别，数字（1-231）代表具体药物（见补充表2）。针对这21种药物进行了多变量分析，以校正可能增加感染风险的混杂因素（灰色区域表示抗菌药物、免疫抑制剂和止泻药）（见补充表4）。

(d) 药物依赖性肠道菌群组成差异（β多样性）通过Bray-Curtis距离的主坐标分析（PCoA）进行评估，包括药物处理前后（左）及同一实验批次中药物组与对照组在第0天（D0）的比较（右）。采用多元置换方差分析（PERMANOVA）计算差异的解释量，效应量（R²）反映组间差异的大小。药物和溶剂名称按小鼠实验批次着色。*表示P＜0.05，**表示P＜0.01。

(e) 部分在流行病学筛查中识别出的药物会影响C57BL/6NTac小鼠粪便中S.Tm ΔinvA菌株的致病菌负载（感染后12小时检测）。统计学分析采用非参数的Kruskal-Wallis检验，后续进行Dunn多重比较检验（每种药物组n＝5只小鼠，溶剂对照组n＝25只）。箱线图中，中线表示中位数，上下边界为第25与第75百分位数，须线表示最大值与最小值。CFUs表示菌落形成单位。

小鼠验证实验

我们进一步在感染模型病原菌S.Tm的小鼠中评估了流行病学研究中鉴定出的21种药物对肠道微生物组组成及感染风险的影响。定植抗性是该模型中决定病原菌感染的关键因素。目前大多数研究通常链霉素处理来在扰乱肠道微生物群以实现感染。在本研究中，我们将21种药物（见补充表3）及其对应的溶剂对照，分别给予不同组别的常规（CV）C57BL/6NTac小鼠（来自Taconic Biosciences），每天两次，连续两天；并在开始给药前和最后一次给药后12小时分别采集粪便样本，进行16S rRNA测序分析。野生型（WT）S.Tm包含两种III型分泌系统（T3SS）：T3SS-1介导对非吞噬细胞的侵袭并诱发广泛的肠道炎症，而T3SS-2则促进系统性扩散并支持其在宿主内的生存。由于炎症本身也会进一步扰乱微生物群，我们在初步药物筛查中使用了S.Tm ΔinvA菌株，该菌株缺失T3SS-1的核心结构元件，因此其结肠炎致病性减弱，但仍保留T3SS-2功能。在最后一次给药后洗脱12小时后，用S. Tm ΔinvA对每只小鼠进行感染，并随时间监测感染过程（见图1c）。为评估药物处理对肠道微生物组的影响，我们比较了同一组小鼠在药物处理前后的群落β多样性，以及同一实验组中药物处理组与对照组之间的差异。结果显示，多种药物在上述至少一种比较中诱导了粪便微生物群组成的显著变化（见图1d及扩展数据图1c）；其中地高辛和多奈哌齐（donepezil）在两种比较中均显著改变了微生物组组成。此外，有四种药物（地高辛、氯硝西泮、泮托拉唑和喹硫平）在感染后12小时显著增加了小鼠体内的病原菌负载（见图1e）。这些药物在对代表性人类肠道细菌分离株的体外测试中，并未表现出广谱抗菌活性（见扩展数据图1d）。

地高辛破坏定植抗性

由于地高辛在小鼠中显著改变了微生物组的组成并提高了S. Tm感染的风险，且其与微生物组的相互作用已有充分研究，我们选择该药物进行进一步研究。在经地高辛预处理的小鼠进行S. Tm ΔinvA感染的独立重复实验中证实，在感染后12小时、第2天和第4天收集的粪便样本以及在感染第4天收集的胃肠道内容物及肠外组织中，病原菌负载显著增加（图2a及扩展数据图2a-g）。与病原菌负荷增加趋势一致，地高辛预处理小鼠的死亡率显著高于用磷酸盐缓冲液（PBS）处理的对照组小鼠（图2b）。但是在通过腹腔注射S. Tm ΔinvA感染的小鼠中，地高辛预处理对肝脏和脾脏的细菌负荷无影响；这一结果表明，感染小鼠的死亡率升高是由于肠道病原菌负荷增加及其后续扩散所致，且地高辛对于肠道微环境的改变在病理过程中发挥关键作用（扩展数据图2h-i）。

由于C57BL/6NTac小鼠携带Nramp1（也称为Slc11a1，该基因对巨噬细胞的杀菌活性至关重要）的功能丧失等位基因，因此该品系小鼠在感染野生型（WT）S. Tm后迅速死亡；而C57BL/6NTacNramp1^+/+小鼠对WTS. Tm的抵抗力较强。但是在WTS. Tm感染前，用地高辛对C57BL/6NTacNramp1^+/+小鼠进行预处理，同样会导致其病原菌负荷和死亡率均显著高于感染前接受PBS处理的对照小鼠（图2c, d及扩展数据图2j-k）。为了探究地高辛对其他病原菌的影响，我们将地高辛预处理的C57BL/6NTac小鼠感染啮齿类柠檬酸杆菌（Citrobacter rodentium），这是一种附着和破坏型病原体，常用于在小鼠中模拟人类病原体如出血性大肠杆菌（enterohaemorrhagicEscherichia coli）和肠病性大肠杆菌（enteropathogenicE. coli）；此外，还用耐万古霉素屎肠球菌（vancomycin-resistantEnterococcus faecium, VRE）对小鼠进行感染，这是一种与医院获得性感染相关的人类病原菌。值得注意的是，地高辛预处理显著增加了C. rodentium在粪便中的负荷（感染后第10天，即感染高峰期检测），并提高了C. rodentium在肠道上皮上的附着水平（扩展数据图3a, b）。同样，地高辛预处理小鼠粪便及胃肠内容物中的VRE负荷也显著增加（扩展数据图3c, d）。上述结果表明，地高辛预处理与人类感染风险增加相关，这种关联独立于其他药物的联合使用，并且足以在多种小鼠感染模型中提高感染风险。

地高辛可改变RORγt（由Rorc基因编码）的活性。RORγt对于将初始T细胞分化为促炎性辅助T细胞17（T_H17）至关重要，这类细胞可产生细胞因子白细胞介素-17（IL-17）和白细胞介素-22（IL-22）；其他类型的细胞（例如第3组先天性淋巴细胞，ILC3）也以RORγt依赖的方式产生这些细胞因子。这些细胞因子作用于肠道上皮细胞，可上调抗菌凝集素（如Reg3g和Reg3b）的表达，并诱导产生趋化因子，从而促进中性粒细胞和单核细胞向黏膜表面聚集。这种固有的先天免疫应答协调作用在肠道屏障的建立中发挥重要作用，该屏障同样对于维持肠道-免疫系统稳态和抵御肠道病原体至关重要。通常认为这些因子的存在与回肠对S. Tm定殖的抵抗能力有关。值得注意的是，在地高辛预处理小鼠中，IL-17和IL-22依赖的抗菌凝集素如Reg3b和Reg3g在回肠组织中的表达显著下调，但在盲肠和结肠中无明显变化（扩展数据图3e-g）。

为明确地高辛对宿主的直接作用（独立于微生物组效应）是否会导致感染易感性差异，我们首先检测了不同给药方案对易感性的影响。分别对C57BL/6NTac小鼠进行单次给药（感染前2小时）和延长给药（连续7日，每日两次，预处理后停药洗脱12小时）（扩展数据图4a），观察C57BL/6NTac小鼠的S. Tm ΔinvA感染情况。结果显示，不同于两日给药处理组，相较于感染前接受PBS处理的对照小鼠，这两种给药方案均未改变感染结局（扩展数据图4b–e）。与这一结果一致的是，在接受两天地高辛处理后显著下调的促炎性S. Tm耐受基因在连续7天给药后恢复至基线水平（扩展数据图4f）。这些因地高辛处理时长不同而呈现的表型差异表明，地高辛对宿主的直接作用不足以解释S. Tm易感性的增加。

由于地高辛处理可改变微生物组组成（图1d及扩展数据图1c），我们进一步探究具有不同肠道微生物组组成的小鼠是否表现出相似的地高辛响应。尽管C57BL/6NTac小鼠与C57BL/6J小鼠在接受地高辛处理后体重均略有下降，但在感染S.Tm ∆invA的小鼠中，地高辛预处理并未导致C57BL/6J小鼠的病原负荷增加或死亡率改变（图2e、2f及扩展数据图4g）。将这些小鼠与C57BL/6NTac小鼠共同笼养两周以实现微生物组的交换后，该表型发生改变：与感染前未接受地高辛处理的共同笼养对照组相比，地高辛预处理的共同笼养C57BL/6J小鼠在感染后对病原体表现出更高的易感性（图2f、2g）。尽管死亡率升高，但在感染后第3天（3dpi）两组间的病原负荷相似，这可能是由于本实验中所使用的S.Tm剂量较高所致（扩展数据图4h）。

为确定地高辛对病原体易感性的影响是否可以通过肠道微生物组进行传播，我们对C57BL/6NTac供体小鼠进行PBS或地高辛处理2天，并在12小时清除期后，将各供体小鼠的肠道内容物移植至无菌（ex-GF mice）受体小鼠体内。移植7天后，受体小鼠被处死以检测促炎因子的表达，或感染S.Tm ΔinvA（见图2h）。结果显示，与接受PBS处理供体小鼠肠道内容物的受体相比，携带地高辛处理供体小鼠肠道内容物的受体小鼠，在感染前表现出促炎因子表达显著下降，感染后表现出更高的病原菌负荷、更严重的体重下降和更高的死亡率（图2i,j及扩展数据图5a,b）。相比之下，将接受7天地高辛或PBS处理的C57BL/6NTac供体小鼠，或接受2天地高辛或PBS处理的C57BL/6J供体小鼠的肠道内容物移植至GF受体小鼠后，不同组间在S.Tm ΔinvA感染易感性方面未观察到显著差异（扩展数据图5c-g；供体小鼠均在最后一次PBS或地高辛处理后12小时收集肠道内容物）。上述结果表明，地高辛与宿主细胞之间的直接相互作用（包括微生物组移植过程中可能存在的地高辛残留）并不足以提高S.Tm感染的易感性。

图 2. 地高辛对感染风险的影响可通过肠道微生物组进行传播

(a, b) C57BL/6NTac小鼠口服灌胃PBS（含5%二甲基亚砜，DMSO）或地高辛（5 mg kg⁻¹），随后感染S.Tm ΔinvA（实验方案同图1c）。

(a) PBS预处理（n=11）或地高辛预处理（n=13）小鼠在感染后12小时的粪便病原菌负荷。

(b) PBS或地高辛预处理的C57BL/6NTac小鼠在感染S.Tm ΔinvA或模拟感染后的死亡率。

(d) PBS或地高辛预处理的C57BL/6NTacNramp1⁺/⁺小鼠在感染WTS.Tm后的存活情况。

(e, f) 地高辛对C57BL/6J小鼠感染的影响。感染S.Tm ΔinvA后，未合笼饲养的PBS处理组和地高辛预处理组小鼠的粪便病原菌负荷（每组n=5）（e）及死亡率（f）。(g) 在与C57BL/6NTac小鼠合笼饲养14天后，再分组接受PBS或地高辛处理的C57BL/6J小鼠，在S.Tm感染后的生存情况。

(h) 肠道微生物群移植实验的示意图。(i, j) 分别接受来自PBS预处理或地高辛预处理的C57BL/6NTac供体小鼠的胃肠道内容物移植的无菌小鼠，在感染S.Tm后第4天的粪便病原菌负荷（PBS组n=9，地高辛组n=8）（i）及其死亡率（j）。

在图a、c、e、i中，横线表示中位数，虚线表示检测限。图b、d、f、g、j中的P值使用Gehan-Breslow-Wilcoxon检验计算。NS，表示无统计学意义。

地高辛降低了节段状丝状菌（SFB）的丰度

由于地高辛对感染易感性的影响可以通过肠道微生物组传播，我们进一步评估了地高辛在C57BL/6NTac和C57BL/6J小鼠中引起的微生物组变化。地高辛处理显著改变了两种小鼠的肠道微生物群组成（扩展数据图6a-c），包括多种乳杆菌属（Lactobacillus）分类群的相对丰度降低（图3a和扩展数据图6d, e）。此外，在C57BL/6NTac小鼠中，地高辛处理还清除了“拟萨伐菌”（Candidatus savagella）；该微生物在C57BL/6J小鼠中不存在（图3a和扩展数据图6f）。Candidatus savagella属于分节丝状菌（Segmented Filamentous Bacteria, SFB）类群，为可形成孢子的革兰氏阳性菌。SFB能够附着于回肠上皮，并激活级联免疫反应，包括上调血清淀粉样蛋白A（SAA1和SAA2）通路并激活RORγt通路，从而形成具有保护功能的促炎性肠道环境以抵御外来病原体的入侵。与16S rRNA测序结果一致，对C57BL/6NTac及其Nramp1⁺/⁺小鼠进行的靶向qPCR检测表明，地高辛预处理后粪便中的SFB水平显著下降（图3b,c）。扫描电子显微镜（SEM）的分析结果进一步显示，地高辛预处理几乎完全清除回肠上皮表面的SFB（图3d）。即使是以0.5 mg kg⁻¹的低剂量进行两天地高辛处理，也能通过qPCR和SEM检测到SFB的显著减少，这表明地高辛能够在文献中常用的多种使用剂量下削弱SFB附着回肠上皮或定殖肠道的能力（图3d和扩展数据图6g）。值得注意的是，从流行病学筛查中筛选出的其他药物并不会影响小鼠体内SFB丰度，这说明除了SFB死亡外，还存在其他机制导致药物介导的定殖抵抗力丧失（补充图1）。

四项证据进一步表明，地高辛对SFB等免疫调节微生物的影响是该药物改变宿主对病原体易感性的关键：第一，SFB的死亡导致小鼠小肠固有层中IL-17A诱导分化的CD4 T细胞、中性粒细胞、Ly-6C^hi单核细胞和巨噬细胞的比例和总数显著下降（图3e–h和补充图2a–e）。与此一致的是，地高辛预处理小鼠中Il17a基因及中性粒细胞和单核细胞的标志基因表达水平均显著下调（扩展数据图6h–n）。第二，SFB阴性的C57BL/6J小鼠经地高辛处理后，对S. Tm ΔinvA的感染情况并无显著变化；而将C57BL/6J小鼠与C57BL/6NTac小鼠合笼饲养后，其体内获得了SFB的定殖，随后给予地高辛处理可降低SFB水平并增强S. Tm致病性，相较于PBS处理组差异显著（图2e–g和图3i）。第三，接受地高辛处理的C57BL/6NTac小鼠肠道菌群移植的无菌小鼠，在七天菌群稳定期后，其SFB水平显著低于接受PBS处理供体菌群移植的小鼠（图3j和扩展数据图7a–c）。第四，我们将来源于SFB单菌定殖无菌小鼠的粪便直接移植至C57BL/6J小鼠，这些小鼠成功获得SFB稳定定殖；而后经地高辛处理后，其SFB丰度显著下降（图3k），同时病原体负荷及感染易感性显著升高（图3l和扩展数据图7d）。此外，SFB水平在地高辛连续处理五天及以上的小鼠中逐渐恢复（扩展数据图7e），这与前述地高辛对感染易感性和促炎标志基因表达影响为短暂现象的结论一致（扩展数据图4b–f），只需短暂停药即可重建系统对地高辛的敏感性（扩展数据图7f）。最后，为验证抗生素能否模拟地高辛对SFB依赖性促炎标志基因的影响，我们对C57BL/6NTac小鼠使用万古霉素。结果显示，万古霉素显著降低了SFB丰度及相关基因表达水平（扩展数据图7g,h）。综上所述，持续两日的SFB抑制能够显著改变肠道-免疫稳态。

图 3. 地高辛介导的分节状丝状菌（SFB）死亡增加了小鼠对S. Tm感染的易感性

(a) 火山图展示了PBS预处理组与地高辛预处理组中C57BL/6NTac小鼠粪便的菌群丰度差异。

(b, c) 通过qPCR检测，分析PBS预处理与地高辛预处理的C57BL/6NTac小鼠（b，n=5每组）和C57BL/6NTacNramp1^+/+小鼠（c，n=8每组）肠道中SFB的相对丰度。

(d) 扫描电镜观察PBS或地高辛预处理C57BL/6NTac小鼠末端回肠的代表性图像，图像来源于两次独立实验。比例尺为40 μm。

(e) 流式细胞图，PBS或地高辛预处理小鼠回肠中的CD4⁺IL-17A⁺T细胞（上）、嗜中性粒细胞（中）以及Ly-6C^hi单核细胞与巨噬细胞（下）。CD4⁺T细胞的门控策略为B220^-NK1.1^-TCRβ⁺CD4⁺CD8^-；嗜中性粒细胞为B220^-NK1.1^-TCRβ^-CD11b⁺Ly-6G⁺；单核细胞与巨噬细胞为B220-NK1.1^-TCRβ^-CD11b⁺Ly-6G^-Ly-6C^hi。

(f-h) 分别比较PBS与地高辛预处理小鼠（n=5每组）回肠固有层中，经PMA和离子霉素体外刺激后的IL-17A⁺CD4⁺T细胞频率（f）以及嗜中性粒细胞（g）与Ly-6C^hi单核细胞和巨噬细胞（h）的数量。

(i) 与C57BL/6NTac小鼠合笼饲养的C57BL/6J小鼠获得SFB定殖，随后经地高辛处理后SFB丰度减少。在PBS或药物处理前已将小鼠分笼（n=5每组）。数据以均值±标准误表示。

(j) 在接受PBS或地高辛预处理的C57BL/6NTac供体小鼠的胃肠内容物移植后，观察无菌小鼠中SFB的相对丰度（n=5每组）。数据为几何平均值，误差棒为几何标准差。

(k, i) SFB定殖足以改变C57BL/6J小鼠对地高辛的响应。SFB定殖在感染前第14天（D-14天）进行，药物给予方案与图1c一致，感染前两天开始给药。（k）PBS（n=8）或地高辛（n=6）处理后SFB的相对丰度。（i）感染S.Tm ΔinvA后的小鼠死亡率。P值通过Gehan-Breslow-Wilcoxon检验计算。

在图b、c、f-h、i-k中，组间比较采用双侧Mann-Whitney检验。

地高辛诱导的BD-39调控SFB水平

由于地高辛可与核心转录因子RORγt结合，我们进一步探讨了地高辛诱导的SFB减少是否依赖于RORγt通路。预先对已定植SFB的Rorc^⁻/⁻小鼠进行地高辛处理后，SFB水平未下降，感染易感性也未增加（图4a与扩展数据图8a、b），这说明：第一，地高辛并不直接杀死SFB；第二，地高辛通过RORγt通路依赖性地降低SFB水平。尽管RORγt在T_H17细胞和ILC3细胞中均有表达，但缺失ILC3的转基因小鼠在地高辛处理后仍呈现出类似野生型小鼠的SFB减少现象，而同时缺失T_H17和ILC3细胞的小鼠则对地高辛无反应（扩展数据图8c）。我们还研究了地高辛对Rag1^⁻/⁻小鼠（缺乏成熟的T细胞和B细胞）肠道中SFB的影响：在SFB单一定植的Rag1^⁻/⁻小鼠中，地高辛处理对SFB丰度无影响，而SFB单一定植的野生型对照小鼠在地高辛处理后则表现出SFB丰度显著下降（扩展数据图8d）。综上，地高辛通过T_H17依赖性机制调控SFB水平。

由于抗菌肽（antimicrobial peptides，AMPs）如REG3γ和α-防御素已被证实可以降低肠道中SFB的丰度，我们测定了地高辛和PBS预处理的C57BL/6NTac小鼠回肠组织中AMPs的表达水平。结果表明，地高辛处理对多数所检测AMPs的表达无影响或呈下调趋势；然而，药物处理显著上调了编码β-防御素39（BD-39）的基因Defb39（图4b）。对另一批地高辛或PBS预处理的C57BL/6NTac小鼠进行回肠组织RNA测序后发现，Defb39的表达在地高辛处理组中显著上调，与靶向基因表达实验结果一致；此外，还发现β-防御素族中的BD-37在地高辛处理小鼠中也可能上调（图4c与扩展数据图8e）。与地高辛诱导的SFB丰度降低及前述靶向基因表达分析结果一致，这些RNA测序结果还显示出SFB依赖性基因（Saa1和Saa2）以及S. Tm感染的关键炎症因子（Il17a、Il22、Reg3b、Reg3g、Cxcl1、Cxcl2和Ccl2；见扩展数据图3e、6h–n与8e,f）的表达水平显著下调。值得注意的是，Defb39在地高辛处理下的上调仅发生于回肠（扩展数据图8g），而回肠正是SFB主要附着的部位；此外，在SFB阳性小鼠中，地高辛导致Reg3b与Reg3g下调的现象同样仅发生于回肠（扩展数据图3e–g）。

值得注意的是，对已定植SFB的Rorc^⁻/⁻小鼠进行地高辛预处理无法改变其Defb39的表达水平；而对野生型小鼠进行延长（7天）地高辛处理后，Defb39表达能够恢复至未处理水平（图4d及扩展数据图8h）。此外，无菌小鼠（缺乏小肠固有层TH17细胞）在地高辛处理后回肠中也未出现Defb39过表达（图4e）。但是对SFB单菌定植的无菌小鼠进行地高辛处理，则显著上调Defb39表达、降低SFB丰度并下调SFB调控基因（Saa1和Reg3g）的表达（图4f–h）。上述结果表明，地高辛依赖的Defb39上调及SFB减少不依赖于其它肠道微生物群成分。为检验Defb39上调是否会调节SFB水平，我们构建了在肠道上皮特异性villin（Vil1）启动子控制下恒定表达Defb39的转基因小鼠（Vil-Defb39）。该小鼠全肠道过表达Defb39（扩展数据图9a），并引起显著的微生物组改变，包括乳酸杆菌属丰度明显下降（扩展数据图9b–d）。且与野生型C57BL/6NTac对照相比，Vil-Defb39小鼠体内SFB水平显著降低，其SFB水平与地高辛预处理的野生型小鼠相当（图3b、4i及扩展数据图9e）。随后，我们纯化重组BD-39并评估其对代表性共生菌种（涵盖主要肠道门类）的抗菌活性。包括芽孢梭菌和S. Tm在内的部分菌种对BD-39不敏感，而其他菌种（包括多株乳酸杆菌）对BD-39表现出一定的敏感性（扩展数据图9f）。值得注意的是，E. coliΔbamBΔtolC突变株相比野生型E. coli对BD-39更加敏感，这说明外排泵和外膜屏障可能介导BD-39的耐受性（扩展数据图9f）。为测试BD-39对难以体外培养的SFB是否具备直接抗菌活性，我们在厌氧条件下将SFB单菌定植小鼠的盲肠内容物与纯化BD-39或对照缓冲液共培养，然后将培养样本接种至无菌小鼠，并通过动态监测受体小鼠体内SFB水平以评估接种物中的SFB活力。结果显示，与缓冲液孵育组相比，BD-39孵育组受体小鼠体内的SFB水平显著下降，这说明BD-39可直接杀灭SFB（图4j,k）。综上数据表明，地高辛预处理依赖于RORγt通路，通过RORγt通路诱导Defb39表达，进而减少SFB丰度并改变小鼠的免疫应答。

图 4. 可被地高辛诱导且依赖RORγt的β-防御素在小鼠肠道中调控节段状丝状菌（SFB）水平

(a) PBS或地高辛预处理对SFB定殖的Rorc^⁻/⁻小鼠（每组n=8）与野生型同窝对照小鼠（每组n=7）体内SFB水平的影响。

(b, c) C57BL/6NTac小鼠回肠组织中特定AMPs编码基因的相对表达量，分别由qPCR检测（b，具体样本量和P值见原始数据来源）和RNA-seq分析（c）。统计分析采用双尾非配对t检验。

(d-f) SFB定殖的Rorc^⁻/⁻小鼠（d，每组n=4）、无菌小鼠（e，每组n=5）及SFB单菌定殖的无菌小鼠（f）（PBS组n=4，地高辛组n=6）回肠组织中Defb39的表达。

(g) SFB单菌定殖的无菌小鼠回肠内容物中SFB的绝对丰度（PBS组n=5，地高辛组n=6）。

(h) SFB单菌定殖的无菌小鼠回肠组织中SFB响应基因（Saa1和Reg3g）的表达（PBS组n=4，地高辛组n=6）。

(i) Vil-Defb39转基因小鼠与野生型对照（每组n=3）粪便中SFB丰度。

(j) 纯化BD-39对SFB抗菌活性测定的示意图。

(k) 无菌小鼠（每组n=3）接种经BD-39或对照缓冲液处理的盲肠内容物后，体内SFB绝对丰度随时间变化。两组比较使用Welch双样本t检验。

在b、d-f、h中，基因表达变化以内参Gapdh为基准。在a、d-i中，两组比较采用双侧Mann-Whitney检验；在a中，多重比较使用Bonferroni-Dunn方法。图中中线代表a、g中的中位数，以及d-f、h中的几何平均值；i、k数据为标准误（s.e.m）。*表示P<0.05，**表示P<0.01，***表示P<0.001。

地高辛与人源化微生物组小鼠的感染研究

尽管SFB在人类中较为罕见，但个体间在其他能够诱导T_H17细胞反应的肠道微生物上存在显著差异。此外，人类肠道菌群在由微生物酶Cgr2介导的地高辛代谢（失活作用）能力上也表现出个体差异。小鼠实验表明，口服给予Cgr2依赖性地高辛代谢产物二氢地高辛（dihydrodigoxin）并不会改变小鼠体内SFB丰度或S. Tm的感染情况（扩展数据图10a–c）。为探究能够诱导T_H17反应的人源肠道微生物是否使小鼠对地高辛介导的定植抗性丧失敏感，我们将C57BL/6NTacNramp1^⁺/⁺小鼠重新衍生为无菌状态并接种一个已知可诱导T_H17反应的人源肠道菌群（补充表6；该菌群不包含cgr2阳性菌株），并测定地高辛处理后的免疫反应。结果显示，地高辛预处理同样使这些小鼠回肠中促炎细胞因子表达下降，与SFB阳性的C57BL/6NTac小鼠表现一致（图5a,b及扩展数据图10d）。为了将这一发现扩展至完整的人源肠道菌群，我们推测混合多个人类供体的菌群样本更可能包含诱导T_H17的菌群。基于靶向宏基因组测序方法，我们首先评估了30名供体菌群中的cgr2基因丰度，结果显示，约有一半个体检测不到cgr2（图5c及扩展数据图10e）。随后，我们使用来自8位cgr2阴性供体的混合菌群样本，定植于无菌 C57BL/6NTacNramp1^⁺/⁺小鼠，并测量地高辛处理后的响应。结果表明，这些人源菌群显著诱导了宿主Il22的表达（图5d）。值得注意的是，地高辛预处理使受试小鼠回肠中Il22和Il17a表达下降，同时显著上调Defb39，并对其他促炎标志基因的表达产生不同程度的影响（图5d–f及扩展数据图10f）。此外，地高辛处理还能改变人源菌群定植小鼠的肠道微生物组成，例如导致Lachnospiraceae和Bacteroides（拓展数据图10g）的丰度显著下降。更重要的是，在携带相同人源混合菌群的情况下，WTS. Tm感染会导致地高辛预处理组小鼠的病原菌负荷显著高于PBS对照组（图5g）。与病原菌负荷增加相一致，地高辛预处理并感染S. Tm的小鼠中，S. Tm特异性炎症标志基因表达也显著上调（图5h）。

图 5. 地高辛提高了定植有人体微生物组的无菌小鼠对野生型鼠伤寒沙门氏菌（WTS. Tm）感染的易感性

(a) 实验设计。将可诱导T_H17反应的人源肠道菌群或人类粪便混合样本接种至无菌C57BL/6NTacNramp1^⁺/⁺小鼠（受体）。随后，按图1c方案给予PBS（n=4）或地高辛（n=5）预处理。在最后一次给药12小时后，小鼠被处死或感染WTS. Tm。

(b) 在接种T_H17诱导菌群的小鼠（第0天）中，回肠组织所选标志基因的表达水平。

(d) 在接种T_H17诱导人源混合菌群的小鼠中（GFn=5，PBSn=4，digoxinn=4），回肠Il22表达水平（第0天）。多组比较使用单因素方差分析（ANOVA）及Tukey多重比较检验。

(e) 在接种人源混合菌群的无菌小鼠中，地高辛预处理组（n=4）和PBS预处理组（n=4）回肠Il17a表达水平。

(f) 同一模型中Defb39在地高辛预处理组（n=5）与PBS预处理组（n=5）的小鼠回肠组织中的表达水平。

(g) 无菌Nramp1^⁺/⁺小鼠（PBSn=5，地高辛n=5）在感染WTS. Tm后4天（4 dpi）的粪便及回肠、盲肠和结肠内容物中的病原菌负荷。

(h) 在上述接种人源混合菌群的小鼠（4 dpi）回肠组织中，S. Tm响应性炎症标志基因的表达水平。

讨论

多种胃肠道疾病都与微生物组相关。本研究利用大规模流行病学人类数据，识别出代表感染性胃肠道疾病风险因素的处方药物。在流行病学研究中发现的近半数非抗生素类药物，在小鼠体内改变了微生物组组成、感染易感性或两者兼具。我们重点关注了地高辛，该药物通过诱导β-防御素表达改变小鼠感染风险，β-防御素能重构肠道微生物组，引发免疫重编程并削弱对病原体的反应（详见补充讨论）。在小鼠肠道微生物组环境中，免疫重编程由分节丝状菌介导；定植缺乏分节丝状菌但能诱导IL-17a和IL-22的人类菌群的悉生小鼠表现出相似反应，表明该反应在小鼠与人类中具有保守性。

BD-39是人类BD-1的同源蛋白，属于哺乳动物中保守存在的β-防御素家族；人类基因组编码该家族超过30个成员。人类BD-1在胃肠道（包括结肠和回肠）中表达，并在病原体或其他信号存在时被诱导产生。虽然黏膜表面的感染和炎症通常被认为是诱导β-防御素的触发因素，但我们的数据表明，地高辛等外源性化合物也可作为诱导信号。值得注意的是，长期使用地高辛治疗后，BD-39表达会恢复至基线水平。尽管具体的衰减机制仍需进一步研究，但调节性T细胞的诱导可促进对食物抗原等化合物的免疫耐受。在接受长期地高辛治疗方案的小鼠中，暂时停药后重新给药会使小鼠对地高辛的影响（包括BD-39表达、分节丝状菌水平及后续免疫反应）恢复敏感性。流行病学研究可能纳入了在病例观察期末开始地高辛治疗的患者，以及暂时未遵医嘱用药（漏服剂量）的个体，这可以解释为何地高辛会增加患者感染风险，而在小鼠中这种影响随时间减弱。需特别指出的是，约25%服用地高辛的患者因剂量不足存在用药依从性问题。

地高辛依赖的BD-39表达及其后续的微生物组重构究竟是适应性反应还是偶然现象，目前尚不明确。与许多药物类似，地高辛源自一种有毒植物（毛地黄），而自然界中已观察到多个微生物组介导的对植物化合物产生反应的例子。其他因素，如环境暴露、饮食和病原体感染，也可能破坏微生物组的组成；流行病学研究已在大规模人群队列中追踪了这些事件。此外，医疗记录记载了多种可能与微生物组破坏相关的健康结局，包括非感染性结肠炎和结肠癌等疾病，并揭示了微生物组如何影响药物疗效和毒性。本文所述的流行病学与实验相结合的方法，可用于界定人类微生物组破坏的其他诱因与后果之间的机制关系，识别高危个体，并探索治疗干预策略。

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任何方法、附加参考文献、《Nature Portfolio》报告摘要、源数据、扩展数据、补充信息、致谢、同行评审信息；作者贡献和竞争利益的详细信息；以及数据和代码的可用性声明，均可在以下网址获取：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09273-8

引文格式：

Kumar, A., Sun, R., Habib, B. et al. Identification of medication–microbiome interactions that affect gut infection.Nature644, 506–515 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09273-8

作者简介

Andrew L. Goodman（通讯作者）

● Andrew耶鲁大学教授，微生物致病机制教授兼微生物科学研究所所长，微生物致病机制主席。本科毕业于普林斯顿大学生态与进化生物学专业，在哈佛大学获得微生物学与分子遗传学博士学位，并在华盛顿大学完成博士后训练。其实验室运用微生物遗传学、无菌动物技术和质谱分析等方法，研究肠道微生物在健康与疾病状态下如何与宿主相互作用，并关注微生物组如何影响医学药物的疗效与毒性。实验室的研究成果已获美国国立卫生研究院（NIH）"新创新者奖"、皮尤基金会奖、杜邦青年教授奖、伯勒斯·威康基金会奖、霍华德·休斯医学研究所（HHMI）学者项目奖、美国药理学与实验治疗学会（ASPET）约翰·J·阿贝尔奖，以及美国总统早期科学与工程事业奖等多项荣誉。https://medicine.yale.edu/profile/andrew-goodman

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