医院源可吸入抗生素抗性组:细菌宿主、临床相关性和环境风险的宏基因组学解析

Inhalable antibiotic resistomes emitted from hospitals: metagenomic insights into bacterial hosts, clinical relevance, and environmental risks

Microbiome [IF: 14.650]

DOI：https://doi.org/10.1186/s40168-021-01197-5

发表日期：2022-01-27

第一作者: Dong Wu(武冬)^1,2

通讯作者：Dan Ye(叶丹)(yedan@gyfyy.com)⁵, Xiang‑dong Li(李向东)(cexdli@polyu.edu.hk)¹

合作作者: Ling Jin, Jiawen Xie, Hang Liu, Jue Zhao

主要单位：

¹香港理工大学(Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hung Hom, Kowloon, Hong Kong, China)

²华东师范大学(Shanghai Engineering Research Center of Biotransformation of Organic Solid Waste, School of Ecological and Environmental Science, East China Normal University, Shanghai, 200241, China)

⁵广州医科大学第一附属医院(The First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, 151 West Yanjiang Road, Guangzhou, 440104, China)

成果简介

近日，香港理工大学建设及环境学院李向东教授与广州医科大学附属第一医院叶丹主任医师联合团队在学术权威期刊Microbiome (Q1, IF = 14.7)上发表了题为“Inhalable antibiotic resistomes emitted from hospitals: metagenomic insights into bacterial hosts, clinical relevance, and environmental risks”的学术论文。文中以我国某大型城市中心医院的外排气口的细颗粒物(PM_2.5)所负载的抗生素抗性基因(ARG)为对象，对其宿主群落、临床意义、健康风险开展深入研究，发现医疗源PM_2.5中ARGs的丰度是城市环境空气的2–5倍，且含有金黄色葡萄球菌、白喉杆菌在内的大量潜在人类致病性ARGs宿主细菌，这或对人群造成单日 40 ~ 60 genome copies/day的抗性致病菌吸入性暴露通量，具有不可忽视的环境健康风险。

视频摘要

https://www.wibbitz.com/watch/bd314d43b130a4205b0dc8dfbfc7e7516/?cl=#7f8790&cl4=#15324e&lg=8132e369779d4f878702ab25f531c8cf&type=produced

引言

抗生素抗性基因(ARG)的广泛传播是全球最大的环境和卫生健康问题之一，随着人类向环境中大量排放抗菌药物和ARG，这种情况正不断恶化。近年来有研究发现，大气环境是 ARG 的重要储存库之一。其中，大气细颗粒物(PM_2.5)所携带的 ARG 更是引发了人们对呼吸暴露的担忧，当 ARG 赋存于(条件)致病菌中时尤甚。我国医院周边社区密集，潜在风险高。但医院所释放PM_2.5上负载的ARGs的季节性赋存变化规律、环境和医疗活动影响机制、潜在细菌宿主、环境健康风险仍未明晰。因此，本研究通过广泛地宏基因组测序(400Gb)、生物信息学组装与分箱、相关环境元数据比较，揭示出抗生素抗性组(resistomes)在不同季节条件下均与细菌群落显著关联，其主要受环境空气温度、湿度的影响，其丰度含量与院内耐药性感染病例数量显著相关。这种潜在的医疗源关联，或导致医院外排气可吸入菌群中富含金黄色葡萄球菌(Staphylococcus spp.)与白喉杆菌(Corynebacterium spp.)等人类致病性抗性细菌，可造成的吸入性暴露显著高于(约10倍)饮用水，具有较大的环境健康风险。

图文导读

医院PM_2.5 中ARGs与细菌群落显著相关且具有极高的人为源特征

通过宏基因组深度测序，探明医院外排气PM_2.5中的ARGs的相对丰度在0.19 ± 0.14 log₁₀(ARGs/16S rRNA gene)水平，显著高于城市样品2-5倍(图1a)，其中含有大量医疗源相关的ARGs类型，例如消毒剂抗性基因qacA/C、利福平(结核病治疗)抗性rpoB2 ，以及临床类重点关注的万古霉素、头孢类抗性基因vanR、ugd、blaOXA等。这表明医疗源PM_2.5中的ARGs具有高丰度、与医疗活动相关的特征(图1b)。同时，这些ARGs还与细菌群落显著性相关(P < 0.001，图1d)，但该相关性并未体现在城市环境空气中，可能暗示具有较强的种间传播能力。

图1 ARGs抗性类型与丰度及其与细菌群落的相关性

a 医院外排气(红色)和城市环境(蓝色)空气PM_2.5 中ARGs抗性类型与总丰度；

b 核心抗性组内ARGs的成分与丰度热图；

c  目标环境气载ARGs与细菌群落在医院样品中显著相关；

d 不同季节下，医院PM_2.5 中细菌群落溯源分析。

基因组水平上解析ARGs宿主组成与致病性：医院是一个重要环境源、其所含ARGs具有较高水平传播特征

利用宏基因组数据组装和分箱技术，共计获得109个细菌的分箱基因组数据(metagenomes, MAGs)。其中夏季样品60个，约有40个为潜在ARGs宿主细菌，其中致病性宿主主要为葡萄球菌(Staphylococcus spp. = 1.96 genome copies/ppm), 白喉杆菌(Corynebacterium spp. = 1.75 genome copies/ppm), 以及芽孢杆(Bacillus spp. = 1.38 genome copies/ppm)。这些潜在抗性菌主要大量分布于医院PM_2.5中，其含量无论在夏季还是冬季都显著高于城市环境空气样品(图2)。

图2 夏季和冬季组装的宏基因组的分布和系统发育树

分箱基因组数据(metagenomes, MAGs)在夏季(a)和冬季(b)样品种的组成和分布。潜在ARGs属组细菌由三角形表示，阴影表明该MAG具有人类致病性特征，颜色代表不同物种分类门

此外，通过对MAGs所含ARGs与可移动基因元件的含量分析(Coverage/Gb),可知抗性致病菌的ARGs与MGEs显著相关(图3a)，但医疗源样品种MAGs的ARGs与MGEs的关联程度显著高过城市环境空气样品(Cohen’s D effect size = 0.63 vs. 0.22, P < 0.001)。其中，对医疗源MAGs中可移动ARGs-MGEs的基因结构组成分析发现， vanS、blaOXA等抗性组核心组分可以在夏季、冬季进行持续地水平转移传播(图3b)。

图3 ARGs与MGEs的关联性及ARGs在MAGs基因组序列中的组成和丰度

a 分箱基因组数据(metagenomes, MAGs)种内ARGs与MGEs的关联性；

b 代表性可移动ARGs在MAGs基因组序列中的组成和丰度情况。

环境因子元解析表明β-lactam类ARGs及其抗性菌的赋存与医疗人为活动密切相关

值得注意的是，通过对各ARGs宿主MAGs的分析发现(图4)，其中β-lactam类ARGs和抗性菌的赋存含量与院内抗性病例数量显著相关(P < 0.001，图4a、b)，尤其是在夏季。此时较高空气湿度(> 60%)、适宜的的环境温度可为气载ARGs宿主细菌提供合适的存活条件。因此，通过结构方程模型(图4c)发现，环境因素对医院外排气PM_2.5负载的ARGs宿主细菌也具有一定的影响，但远小于院内耐药性感染病例所产生的影响(std. = 0.62)。通过对PM_2.5菌群溯源结果进一步分析(图1d)，发现空气样品中人为源所关联的微生物占比与ARGs宿主细菌含量、院内耐药性病例数显著相关(图4d)。这进一步表明了医院内的医疗活动可能对外排气中抗生素抗性污染(ARGs、抗性菌)具有显著贡献。

图4 β-lactam类ARGs及其抗性菌的赋存与医疗人为活动密切相关

医院PM_2.5负载β-lactam类ARGs丰度(a)和宿主细菌含量(b)与对应耐药感染人数的线性回归分析。利用结构方程模型量化解析环境因子、院内病例数对空气中ARGs宿主细菌组成变化的影响(c)；医院空气样品中ARGs宿主细菌与菌群人源贡献比例的相关性分析(d)，其中红色代表夏季、蓝色为冬季，点大小代表采样期间院内耐药感染病例个数。

医疗源PM_2.5暴露具有不可忽视的抗生素抗性暴露风险

环境中ARGs的风险主要体现在其可移动性和宿主的致病性上。如图5a所示，医院空气中潜在致病性ARGs宿主主要由放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）三类菌组成，并且其含量在夏冬两季无明显差异，这表明医院是一个稳定的ARGs及其宿主细菌排放源(P >0.05)，其释放出来的人类致病性宿主相对含量更是显著高于城市环境空气(5.00 ± 3.07 vs. 3.01 ± 1.77 genome copies/ppm，P <
0.05)。值得注意的是，这些医疗源致病性ARGs宿主细菌的基因组内比其他细菌携带有更加丰富的ARGs，且这些ARGs也多为与MGEs关联的可移动ARG(图5a)。

图5 空气PM_2.5负载ARGs宿主的含量与ARGs的抗性类型及PM_2.5样品潜在抗性风险量化分析

a 医院和城市空气PM_2.5负载ARGs宿主的含量及ARGs的抗性类型；

b 基于MetaCompare的环境空气PM_2.5样品的潜在抗性风险量化分析结果；

c 以本项目医院、城市空气样品为例，估算居民单日抗性致病菌的吸入暴露通量，及基于先前饮用水测序数据估算的饮水暴露通量。

因此，通过对抗性组的潜在风险评估，我们发现医院空气PM_2.5样品的抗性风险指数值为25.60(AMR – MetaCompare， 图5b)，显著地高于城市环境空气(index value = 21.1，P < 0.01)。同时，通过对数据进一步量化计算可知，环境空气中潜在致病菌的含量为2.89 ± 3.64 genome copies/m3-air。那么，以居民每日呼吸15 m3空气计，受医疗源外排气影响区域居民则每日吸入约 45 个抗性致病菌(图5c)，且该暴露通量显著高于人体通过饮用水摄入的抗性致病菌量十倍有余。

总结与展望

医疗源的外排气是一个重要的气载ARGs排放源，其负载的ARGs宿主细菌具有不可忽视的环境暴露风险。本研究成果揭示可吸入ARG气载迁移传播机制、明晰医疗源抗性风险，并为其管理提供科学依据。今后研究应当在ARGs抗性的表达、耐药菌种筛分层面进一步明确风险，并以医院耐药感染职业传播、医院-社区传播等环境体系开展研究，以完善和提升同一健康“One-Health”大环境健康框架下，城市环境中抗生素抗性的赋存、传播、风险系统性认识。

在此特别感谢广州地化所李军研究员课题组的大力协助，本项目得到了国家自然科学基金委(NSFC)和香港研究资助局(RGC)的资助。

作者简介

第一作者：武冬，男，香江学者博士后，现任职于华东师范大学生态与环境科学学院，青年研究员。研究方向与兴趣：环境中新兴污染物环境行为、效应及其控制；有机固废资源化处理与处置；基于组学的环境微生物生态研究。期待与各位同仁开展合作，欢迎报考研究生。

通讯作者：叶丹: 广州医科大学附属第一医院医院感染管理科科长，主任医师，国家呼吸医学中心疾病防控部部长，广东省医疗机构感染预防与控制专家组成员，中国医院协会医院感染管理专业委员会委员。主持和参与国家重点研发计划、省部级科研项目和粤港澳地区合作项目多项。从事感染控制工作20余年，在院感控制领域发表高水平论文30余篇，相关成果获得教育部科学技术进步奖二等奖。

通讯作者：李向东: 香港理工大学建设及环境学院院长、可持续城市发展研究院院长、土木与环境工程学系环境科学与技术讲座教授(Chair Professor)。他在南京大学地球科学系获学士和硕士学位，在英国帝国理工学院环境中心获博士学位，主要研究领域包括区域性环境污染、城市空气和土壤环境，以及受污染土地的修复技术。李教授已发表学术论文250余篇，刊登在国际知名学术刊物上，目前的研究焦点是快速经济发展及城市化而出现的环境变化，着重于大气颗粒物、土壤、沉积物、生物体中的微量金属，有机污染物和耐药性基因，以及它们对人体健康及生态系统的影响。目前担任环境研究领域顶尖刊物Environmental Science and Technology (ES&T) 副主编和ACS Environmental Au 的执行主编，同时是多个国际著名环境/地学期刊的编委。

Reference

Dong Wu, Ling Jin, Jiawen Xie, Hang Liu, Jue Zhao, Dan Ye, Xiang‑dong Li. Inhalable antibiotic resistomes emitted from hospitals: metagenomic insights into bacterial hosts, clinical relevance, and environmental risks. Microbiome 10, 19 (2022). https://doi.org/10.1186/s40168-021-01197-5

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