嗜麦芽窄食单胞菌（Stenotrophomonas maltophilia）多重耐药机会致病菌的系统发育格局与院内传播

主要作者及研究机构

本研究由德国博斯特尔研究中心（Research Center Borstel）分子与实验分枝杆菌学部的Matthias I. Gröschel、Stefan Niemann及Thomas A. Kohl等人主导，联合德国、英国、比利时、西班牙、荷兰、新加坡、美国等多国研究机构共同完成。论文发表于 Nature Communications，2020年第11卷，文章编号2044，DOI为10.1038/s41467-020-15123-0。

研究背景

嗜麦芽窄食单胞菌（*Stenotrophomonas maltophilia*）是一种在全球范围内日益受到关注的多重耐药机会致病菌，被世界卫生组织（WHO）列为全球主要耐药院内病原体之一。该菌广泛存在于自然生态系统中，同时在环境修复和工业领域也具有应用价值。然而，在免疫功能低下患者中，该菌可引起严重的院内获得性感染，归因死亡率（attributable mortality）高达37.5%。接受免疫抑制治疗的患者、恶性肿瘤患者以及患有囊性纤维化等慢性肺部疾病的患者感染风险尤其高。尽管该菌几乎可感染任何器官，但最常见的感染形式为呼吸道感染、菌血症和导管相关血流感染。由于其对大多数β-内酰胺类抗生素、头孢菌素、氨基糖苷类和大环内酯类等抗菌药物具有固有的多重耐药性，治疗选择极为有限。

此前，虽然已有小规模研究提示嗜麦芽窄食单胞菌复合群（S. maltophilia complex）内存在至少13个谱系，但缺乏基于大规模全基因组测序（whole-genome sequencing, WGS）的全球种群结构与克隆性研究。本研究旨在通过构建全球范围的基因组数据集，解析该菌复合群的种群结构、谱系分布及其与人类宿主的关联，并进一步识别可能的院内传播事件。为实现这一目标，研究者收集了来自22个国家、4大洲的2389株菌株的基因组数据，其中1071株为新测序菌株。

研究流程详述

第一，全基因组多位点序列分型（wgMLST）方案的构建。 为了对大规模基因组数据进行标准化基因分型，研究团队首先利用171个公开可用的组装基因组，构建了一个包含17,603个基因位点的wgMLST方案。该方案同时纳入了传统多位点序列分型（MLST）所使用的7个基因位点以及*gyrB*基因，以确保与已有分型数据向后兼容。所有菌株基因组经质量过滤后，最终保留1305个组装基因组用于后续分析，其中87%为临床来源。经wgMLST分析，平均每株菌可恢复4,174个位点（范围3,024–4,536个）。核心基因组分析鉴定出1,275个在99%菌株中均存在的核心位点，基因组大小介于4.04 Mb至5.2 Mb之间。

第二，系统发育与种群结构分析。 基于1,275个核心基因位点的串联序列比对，构建最大似然系统发育树，并利用分层贝叶斯种群结构分析（hierBAPS）将1305个基因组聚类为23个单系谱系，命名为Sgn1–Sgn4和Sm1–Sm18，其中包括6个此前未曾报道的新谱系（Sm13–Sm18）。通过平均核苷酸一致性（average nucleotide identity, ANI）分析进一步验证了这些谱系的划分，同一谱系内菌株的ANI值高于95%，不同谱系间则低于95%。此外，为评估结构基因组变异，研究者对20个代表15个主要谱系的完全闭合基因组进行了比较，结果未在任何基因组中检出质粒，噬菌体相关及整合性接合元件（integrative and conjugative elements）则广泛存在。

第三，分离来源与人类关联分析。 将菌株按分离来源分为环境源（n=117）、人为环境源（n=52）、人类侵袭性（n=133）、人类非侵袭性（n=353）和人类呼吸道（n=524）五类。结果显示，Sgn1、Sgn2、Sgn3和Sm11谱系中环境菌株比例显著更高；而Sm6（52%）、Sm2（65%）和Sm13（74%）谱系则与人类呼吸道来源显著相关。在一项由德国、奥地利和瑞士医院联合前瞻性收集的741株人类相关菌株中，Sm6谱系最为常见（33%）。研究还尝试通过全基因组关联分析（GWAS）寻找人类生态位特异性相关的遗传位点，但由于谱系间种群结构分层严重，仍存在显著混杂。

第四，耐药组与毒力基因筛查。 研究对全部菌株进行了耐药基因和毒力基因的筛查。在所有谱系中均检测到五类主要外排泵（efflux pump）家族成员的高频率存在。氨基糖苷修饰酶中，乙酰转移酶（AAC）存在于6.1%的菌株中，磷酸转移酶（APH）存在于66%的菌株中。β-内酰胺酶基因*blaL1*存在于83.2%的菌株中，*blaL2*存在于63.2%的菌株中；Sgn4、Sm1、Sm12、Sm13和Sm16谱系缺乏*blaL2*，而Sm4a谱系则缺乏*blaL1*。磺胺耐药基因*sul1*仅见于19株（1.4%），*sul2*仅见于5株（0.4%）。毒力基因方面，*smoR*存在于89.3%的菌株中，且在Sm6谱系中检出率为100%；*katA*存在于86.6%的菌株中，但在Sgn1–Sgn4谱系中完全缺失。多重对应分析（multiple correspondence analysis, MCA）表明，耐药与毒力基因谱的变异主要由谱系决定，地理来源和分离来源影响甚微。

第五，克隆簇与潜在院内传播分析。 以10个等位基因差异（d10聚类）为阈值进行单链聚类分析，270株（21%）菌株被归入62个d10簇。在具有详细分离日期和地点的菌株中，发现了13个来自同一医院且在8周内分离的簇，涉及49株菌。其中3个d10簇由同一医院内不同患者呼吸道标本在8周或更短时间内分离的菌株组成，提示可能存在直接或间接的人与人传播。

主要结果

该研究揭示了嗜麦芽窄食单胞菌复合群具有极高的核苷酸多样性，可划分为23个单系谱系，其中Sm6谱系是全球分布最广、人类相关菌株比例最高的谱系，且该谱系菌株同时携带*blaL2*和*katA*等关键耐药及消毒剂抗性基因。ANI分析表明不同谱系间的遗传差异已低于95%的物种界定阈值，提示当前复合群可能包含多个隐存种。对20个完全闭合基因组的分析未发现质粒，表明质粒在该菌的耐药基因水平转移中未起主要作用。克隆分析鉴定出62个d10簇，其中部分簇内的菌株在同一医院、短时间窗内从不同患者分离，为院内传播提供了基因组学证据。在耐药基因方面，磺胺耐药基因的低检出率提示甲氧苄啶/磺胺甲噁唑（trimethoprim-sulfamethoxazole）仍可作为一线治疗选择。

结论与意义

本研究提供了目前最大规模的嗜麦芽窄食单胞菌复合群全球基因组数据集，首次在种群基因组水平上系统阐明了该复合群的谱系结构及其与人类宿主的关联。研究证实Sm6谱系在全球范围内分布最广、与人类感染最为密切，并携带完整的耐药及毒力基因库，具有成为优势院内病原体的遗传基础。此外，院内传播簇的存在提示需要加强感染控制措施，尤其是针对携带*katA*、对过氧化氢消毒剂具有耐受性的Sm6菌株。磺胺耐药基因的极低检出率支持甲氧苄啶/磺胺甲噁唑作为经验性治疗的合理性。

研究亮点

本研究的亮点在于：第一，构建了一个包含17,603个位点的wgMLST分型方案，实现了对高度多样化的嗜麦芽窄食单胞菌复合群的标准化基因分型；第二，基于全球大样本量首次定义了23个单系谱系，并发现6个新谱系；第三，将谱系与分离来源、耐药基因和毒力基因谱进行关联分析，揭示了Sm6谱系的人类适应特征；第四，通过核心基因组等位基因差异聚类，识别出潜在的院内传播簇，为该菌的感染控制策略提供了直接的基因组学依据。研究还提出，鉴于除Sgn1和Sgn2外的所有谱系均具有定植和感染人类的能力，应继续使用“嗜麦芽窄食单胞菌复合群”这一术语，而非区分*sensu stricto*和*sensu lato*。