编者按：艰难梭菌感染（CDI）在全球范围内发病率呈上升趋势，尤其在欧美等发达国家艰难梭菌已成为医院感染的主要病原体之一。CDI主要由抗菌药物使用、免疫功能低下等因素引起。在近日举行的2024美国微生物学会年会（ASM Microbe 2024）中，一项LBA研究聚焦于CDI的易感性与感染前炎症状态之间的联系。《感染医线》特邀浙江大学医学院附属第一医院陈云波教授对该研究进行深入点评，进一步阐释结肠类器官单细胞转录组学在揭示CDI发病机制中的作用。
研究简介
人结肠类器官单细胞转录组学揭示了一种罕见的结肠上皮细胞类型，该细胞类型是感染前炎症状态与严重艰难梭菌感染易感性之间的纽带[1]
艰难梭菌感染（CDI）每年影响全球数百万患者，引起一系列症状。在美国，黑人和西班牙裔人群严重CDI和死亡率负担较重。尽管由艰难梭菌毒素引起的结肠炎和上皮侵袭与感染期间高炎症标志物严重相关，但目前几乎没有被广泛认可的CDI严重程度的预测指标。炎症性肠病和使用克林霉素等与严重CDI相关的常见风险因素会导致感染前的炎症激活，但感染前炎症的作用尚不清楚。
研究者模拟了结肠上皮以了解严重CDI的风险因素。从经过抗菌药物处理培养的人类结肠干细胞中提取无菌分化结肠类器官。用艰难梭菌UK1萌发芽孢接种结肠类器官单层细胞以启动感染，并在接种后15小时（15hpi）对结肠类器官进行单细胞RNA测序分析。
与健康结肠上皮相比，研究者观察到了与伤口愈合/再生有关的分化转录。炎症基因表达映射到包括M细胞和再生干细胞在内的结肠类器官细胞类型，这些细胞在健康结肠中少见，但在炎症结肠中常见。在接种艰难梭菌之前，CXCL8和CCL20的表达主要局限于这些细胞类型中。已知CCL20的表达标志着炎症结肠上皮再生过程中M细胞的分化。另一方面，上皮细胞的CXCL8在M细胞中表达最高，能够招募中性粒细胞，从而促进CDI炎症。由于细菌毒素可利用M细胞进入宿主体内，因此研究者认为，在感染之前，炎症结肠中的M细胞可调节CDI的易感性和严重程度。
此外，结肠炎症在囊性纤维化中很常见，而囊性纤维化对有症状的CDI具有保护作用。囊性纤维化的特点是囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR）基因突变，CFTR的缺陷会损害上皮再生。CFTR的表达仅限于未接种的结肠类器官M细胞。因此，囊性纤维化可能干扰与M细胞相关的艰难梭菌发病机制，从而对CDI症状起到保护作用。在15hpi时，在M样细胞中发现了临床炎症标志物的显著上调，并且在大多数细胞类型中CCL20和CXCL8普遍增加。这表明，一旦发生CDI，艰难梭菌可以利用易感结肠并加剧感染前的炎症。
专家点评
艰难梭菌感染（Clostridium difficile infection，CDI）是院内感染的常见类型。约有15%的住院患者在感染艰难梭菌后可发展成严重CDI（Severe CDI），进而可发展为危及生命的伪膜性肠炎和中毒性巨结肠，甚至导致患者死亡[2]。值得注意的是，不同医疗指南对严重CDI的诊断标准存在差异[3]。目前，能够准确预测CDI严重程度的指标非常少。
结肠类器官（Colonoids），是一种通过肠道干细胞或诱导多能干细胞（iPSCs）培养的三维微型结肠结构。与传统的二维细胞培养方法相比，结肠类器官更具细胞多样性，包括上皮细胞、杯状细胞、潘氏细胞和内分泌细胞等多种类型的肠道细胞，使得结肠类器官能够更为准确地模拟体内肠道环境。因此，结肠类器官作为一种新兴的体外模型系统，在基础研究、药物开发、个性化医疗和再生医学等领域得到了广泛应用。
为了进一步明确CDI的易感性与感染前炎症状态之间的联系，来自美国塔夫斯大学（Tufts University）的研究团队利用结肠类器官作为体外模型，进行艰难梭菌感染细胞前后的单细胞RNA测序。研究发现，在艰难梭菌感染前，M细胞和再生干细胞中的CXCL8和CCL20的表达受到抑制；而在感染后，发现炎症基因表达明显。已知CCL20的表达标志着炎症结肠上皮再生过程中M细胞的分化；同时，M细胞中表达CXCL8，可以招募中性粒细胞，从而加剧CDI炎症。因此，研究者认为，M细胞可调节CDI的易感性和严重程度。另外一个研究发现是，囊性纤维化对CDI具有保护作用。在囊性纤维化患者中，囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR）基因往往是突变的，并导致上皮再生功能的损伤。在本体外模型中，CFTR基因仅仅在未感染的M细胞中有表达，而在艰难梭菌感染的M细胞中未发现表达。因此，推测囊性纤维化可能干扰与M细胞相关的艰难梭菌致病机制，从而对CDI症状起到保护作用。
因此，研究者认为，艰难梭菌可能会利用感染发生时宿主已有的炎症水平（易感性），进一步推进炎症的严重程度，导致严重CDI的发生。尽管本研究基于体外模型，但对于后续进一步研究严重CDI的发生、发展具有一定的价值。
▌参考文献：
[1] A. Gladden-Young, P. Zucchi, A. Tai, et al. Single-Cell Transcriptomics of Human Colonoids Reveals a Rare Colon Epithelial Cell Type as a Link between Preinfection Inflammation and Susceptibility to Severe C. difficile Infection. ASM Microbe 2024.
[2] Buddle JE, Fagan RP. Pathogenicity and virulence of Clostridioides difficile. Virulence. 2023;14(1):2150452. doi:10.1080/21505594.2022.2150452
[3] Cheng YW, Fischer M. Clinical management of severe, fulminant, and refractory Clostridioides difficile infection. Expert Rev Anti Infect Ther. 2020;18(4):323-333. doi:10.1080/14787210.2020.1730814
陈云波 教授
医学博士，主任技师
浙大一院传染病重症诊治全国重点实验室细菌学平台负责人
中华医学会感染病学分会第十二届委员会青年学组委员
中国初级卫生保健基金会病原检测专业委员会委员
浙江省预防医学会微生态专业委员会委员兼秘书
浙江省转化医学学会公共卫生与生物安全分会委员
浙江省病原微生物实验室生物安全研究质量控制中心专委会委员等
从事感染性疾病的临床诊断；研究方向：艰难梭菌分子流行病学及致病机制。主持国家自然基金面上项目、973计划、国家科技重大专项等5项；主参“传染病防治”科技重大专项等5项；担任《Infectious Microbes & Diseases》、《国外医药抗生素分册》等的编委；近3年来，以第一或通讯作者累积发表SCI论文25篇，曾获三项浙江省科技进步二等奖。