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摘要
客观的尽管COVID-19主要是一种呼吸道疾病,但越来越多的证据表明,胃肠道与这种疾病有关。我们调查了肠道微生物组是否与COVID-19患者的疾病严重程度有关,以及微生物组组成的扰动(如果有的话)是否会随着SARS-CoV-2病毒的清除而消失。
方法在这项两家医院队列研究中,我们获得了100名实验室确诊的SARS-CoV-2感染患者的血液、粪便和患者记录。在清除SARS-CoV-2后30天内,从100名患者中收集了27名患者的连续粪便样本。通过鸟枪测序从粪便中提取的总DNA来表征肠道微生物组组成。从血浆中测定炎症因子和血液标志物的浓度。
结果与未接受药物治疗的患者相比,COVID-19患者的肠道微生物组组成显著改变(p<0.01)。几种已知具有免疫调节潜能的肠道共生菌,如Faecalibacterium prausnitzii,真细菌rectale双歧杆菌在患者中代表性不足,在疾病缓解后30天收集的样本中仍保持低水平。此外,这种紊乱的成分表现出疾病严重程度的分层,与炎症细胞因子和血液标志物(如C反应蛋白、乳酸脱氢酶、天冬氨酸转氨酶和-谷氨酰转移酶)浓度升高一致。
结论COVID-19患者肠道微生物群组成、细胞因子水平和炎症标志物之间的关联表明,肠道微生物组可能通过调节宿主免疫反应参与COVID-19的严重程度。此外,疾病缓解后肠道菌群失调可能导致持续症状,这突出表明有必要了解肠道微生物如何参与炎症和COVID-19。
- 结肠微生物区系
- 炎症
- 结肠细菌
数据可用性声明
数据可以在一个公共的、开放访问的存储库中获得。https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/PRJNA650244.原始序列数据可在BioProject接入PRJNA650244下的序列读取存档(sequence Read Archive, SRA)中获得。
这是一篇开放获取的文章,根据创作共用署名非商业(CC BY-NC 4.0)许可证发布,该许可证允许其他人以非商业方式分发、混音、改编、在此基础上进行构建,并以不同的条款许可其衍生作品,前提是正确引用原始作品,给予适当的荣誉,任何更改都已注明,并且使用是非商业性的。看到的:http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/.
数据来自Altmetric.com
本研究的意义
关于这个问题我们已经知道了什么?
SARS-CoV-2主要感染呼吸道,但COVID-19的病理生理学可归因于清除病毒的异常免疫反应。
一些证据,如SARS-CoV-2在人类肠上皮细胞中的复制,在粪便样本中检测到病毒,以及COVID-19患者肠道微生物群组成的改变,都表明涉及胃肠道。
COVID-19肠道菌群调查有限,尚未研究肠道菌群与疾病病理生理学之间的联系。
新的发现是什么?
COVID-19患者肠道菌群的组成与疾病严重程度以及几种炎症细胞因子、趋化因子和组织损伤血液标志物的血浆浓度的大小一致。
COVID-19患者体内具有已知免疫调节潜力的肠道细菌数量减少,例如Faecalibacterium prausnitzii,真细菌rectale以及几种双歧杆菌。
COVID-19患者的肠道菌群组成异常,在病毒清除后仍然存在。
本研究的意义
在可预见的未来,它会对临床实践产生怎样的影响?
这些发现表明,免疫调节肠道微生物的耗竭导致了严重的COVID-19疾病。
疾病消退后持续存在的肠道微生物群失调可能是一些患者在清除病毒后出现持续症状和/或多系统炎症综合征的一个因素。
支持在COVID-19中耗尽的有益肠道物种可以作为缓解严重疾病的新途径,强调了在COVID-19期间和之后管理患者肠道微生物群的重要性。
简介
感染SARS-CoV-2会诱导免疫反应以消除病毒,但越来越多的证据表明,异常反应是导致严重后果和COVID-19以外的其他炎症症状的原因。重症患者的血浆炎症因子和炎症标志物如IL 6、8和10以及C反应蛋白(CRP)和乳酸脱氢酶(LDH)水平较高,反映了SARS-CoV-2感染后的免疫反应和组织损伤。1 - 3此外,部分患者康复后出现自身炎症症状,最突出的是儿童多系统炎症综合征和川崎样病。4 - 6一些观察结果表明,这与胃肠道有很大的关系,例如SARS-CoV-2感染人类小肠肠细胞并在其中复制的能力,7在粪便样本中一致检测到病毒RNA8 9以及SARS-CoV-2感染者肠道微生物群组成的改变。10 11由于胃肠道是人体最大的免疫器官,已知其常驻微生物群可调节宿主的免疫反应,12我们假设肠道菌群与COVID-19中的宿主炎症免疫反应有关。在这里,我们对100例COVID-19患者住院期间和康复后30天内的肠道菌群和免疫反应进行了特征分析,表明住院期间的肠道菌群组成与疾病严重程度以及几种细胞因子和炎症标志物的血浆浓度有关。此外,与非COVID-19患者相比,康复患者的肠道菌群组成仍有显著变化,这可能对COVID-19之后的未来健康问题产生重要影响。
材料与方法
受试者招募和样本收集
这项研究是根据赫尔辛基宣言进行的。所有患者均提供书面知情同意书。如我们之前的研究所述,102019冠状病毒病患者是在2020年2月至5月期间从香港威尔士亲王医院和基督教联合医院招募的。这些患者由医院工作人员采集鼻咽拭子进行RT-qPCR检测,实验室确诊为SARS-CoV-2阳性。13非COVID-19受试者在COVID-19之前被招募,作为广告招募的香港人群肠道微生物组调查的一部分14或者结肠镜检查的非疾病对照,15研究对象进行了正常的结肠镜检查(在排便前几天收集粪便)。根据Wu报告的症状,COVID-19患者被分为四个严重程度组等.16简单来说,影像学无肺炎指征为轻症,有肺炎伴发热及呼吸道症状为中度,呼吸频率≥30次/分钟,呼吸环境空气时氧饱和度≤93%或PaO2/FiO2≤300 mm Hg为重度,呼吸衰竭需机械通气或器官衰竭需重症监护为危重症。住院患者的血液和粪便由医院工作人员收集,出院患者在随访当天提供粪便或在家自行采样。粪便收集在含有防腐剂的收集管中(猫。63700, Norgen Biotek Corp,加拿大安大略省),并在- 80°C保存直到加工。我们之前已经证明,在这种防腐介质中收集的粪便产生的肠道菌群组成与在−80°C下立即冷冻获得的结果相当。17
粪便DNA提取和测序
详细的方法在Zuo中有描述等.10简单地说,根据制造商的说明,使用Maxwell RSC PureFood GMO和认证试剂盒和Maxwell RSC仪器核酸提取平台(Promega, Wisconsin, USA)从0.1 g均质粪便样本中提取DNA。测序文库使用Nextera DNA Flex文库准备试剂盒(Illumina, California, USA)从提取的DNA中制备,并在香港中文大学肠道微生物研究中心的Illumina NovaSeq 6000系统(2×150 bp)上测序。为本研究生成的原始序列数据可在BioProject接入PRJNA650244的序列读取档案中获得。
序列数据处理,推断肠道菌群组成及统计分析
使用Trimmomatic V.39对原始序列数据进行质量过滤,以去除适配器和低质量序列。在此之后,使用MetaPhlAn2从质量过滤的正向读取中推断出微生物群组成谱18V.2.7.7与V.20数据库。按物种计数的站点和相对丰度表输入R19V.3.5.1进行统计分析。采用主成分分析(PCA)排序方法,对基于物种水平成分分布的样品进行聚类。采用置换多变量方差分析(PERMANOVA)和Procrustes分析评估肠道菌群组成与患者参数之间的相关性。使用线性判别分析效应量(LEfSe)和线性模型(MaAsLin)统计框架的多元分析来确定特定微生物物种与患者参数的相关性,该统计框架在Huttenhower Lab Galaxy实例中实现(http://huttenhower.sph.harvard.edu/galaxy/).在素食R包中实现了PCA, PERMANOVA和Procrustes分析20.V.2.4-6。
测量粪便样本中的SARS-CoV-2载量
采用RT-qPCR方法检测SARS-CoV-2病毒载量等.10按照制造商的说明,使用QIAamp病毒RNA迷你试剂盒(QIAGEN, Hilden Germany)从0.1 g均质粪便中提取RNA。SARS-CoV-2引物和探针序列由美国疾病控制和预防中心提供(2019-nCoV_N1-F: 5'-GACCCCAAAATCAGC GAAAT-3', 2019-nCoV_N1-R: 5'- tcctggttactgccagttgaatctg -3'和2019-nCoV_N1-P: 5'- fa - accccgcattacgtttggtggacc - bhq1 -3')。每一步RT-qPCR反应包含10 μ L提取的RNA, 4 μ L TaqMan快速病毒1步Master Mix(赛默飞世尔科学公司,马萨诸塞州,美国),最终反应体积为20 μ L。引物和探针浓度分别为0.5µM和0.125µM。循环条件分别为25°C持续2 min、50°C持续15 min、95°C持续2 min,依次进行45次循环,95°C持续15 s、55°C持续30 s。热循环在StepOnePlus实时PCR系统(赛默飞世尔科学公司)上进行。循环阈值(Ct)值根据包含全N基因的已知质粒拷贝的10倍连续稀释制备的标准曲线转换为病毒RNA拷贝(2019-nCoV_N_Positive Control, Integrated DNA Technologies, USA)。如果Ct值超过39.9个循环,则认为样本为阴性。检出限为347 copies/mL。
血浆细胞因子测定
在抗凝管中采集全血,2000 × g离心10 min,收集上清。在Bio-Plex 200系统(Bio-Rad Laboratories, California, USA)上使用MILLIPLEX MAP人类细胞因子/趋化因子磁珠板-免疫多重试验(Merck Millipore, Massachusetts, USA)测量细胞因子和趋化因子浓度。使用人NT-proBNP酶联免疫吸附测定试剂盒(Abcam, Cambridge, UK)测定n -末端脑钠肽(NT-proBNP)浓度。
患者和公众参与
患者或公众未参与本研究的设计、实施、报告或传播计划。
结果
COVID-19患者队列
2020年2月至5月,我们收集了100例SARS-CoV-2 RT-qPCR阳性的COVID-19患者的血液和粪便样本。报告了这些患者的人口统计学和临床特征,以及在COVID-19之前在香港招募的78名成年人的非COVID-19对照队列表1.女性47例,男性53例,平均年龄(±SD)为36.4±18.7岁。危、重、中、轻疾病16分别为3.0%、5.0%、45.0%和47.0%。相比之下,非covid -19队列由45名女性和33名男性组成,平均±SD年龄为45.5±13.3岁。在COVID-19队列中,共病包括高血压、高脂血症、糖尿病和心脏病,尽管除高血压外,每组患者均少于5例,共11例。在非covid -19队列中,高血压是唯一的主要共病,共有11人。在100名COVID-19患者中,41名患者在住院期间和/或出院后随访期间提供了多个粪便样本;34例和46例患者在收集粪便前分别接受了抗生素和抗病毒治疗。
COVID-19患者肠道菌群组成改变
总共对274份粪便样本进行了测序,平均每个样本产生6.8英镑(47 386 950个reads)。首先,我们比较了住院期间收集的每位COVID-19患者的第一批粪便样本的肠道菌群组成(n=87;100例COVID-19患者中有13例在康复后只提供了粪便)(40名女性至47名男性,年龄35.6±18.8岁(平均±标准差)),与非COVID-19受试者(45名女性至33名男性,年龄45.5±17.4岁(平均±标准差)),以评估COVID-19队列中肠道微生物群组成是否发生改变。在门的水平上,的成员拟杆菌门与非COVID-19患者相比,在COVID-19患者中相对更丰富(平均23.9% vs 12.8%, p<0.001, Mann-Whitney检验),而放线菌在非covid -19个体中相对较多(26.1% vs 19.0%, p<0.05, Mann-Whitney检验)(图1一个).在物种水平上,我们发现了与疾病(COVID-19与非COVID-19)和抗生素(图1 b) (p<0.05, PERMANOVA),但不包括粪便SARS-CoV-2负荷、抗病毒药物(87例患者中39例为洛匹那韦/利托那韦、利巴韦林或奥司他韦)、皮质类固醇和质子泵抑制剂的使用(在线补充表S1).在不控制抗生素使用的情况下,COVID-19肠道微生物群的组成差异主要是由包括以下物种的富集所驱动的瘤胃球菌属gnavus,瘤胃球菌属扭矩而且拟杆菌dorei和消耗双歧杆菌adolescentis,Faecalibacterium prausnitzii而且真细菌rectale(p<0.05, LEfSe) (表2,在线补充表S2).当检查抗生素作用时,队列之间的差异主要与类群的富集有关,如Parabacteroides,Sutterella wadsworthensis而且拟杆菌caccae和消耗Adlercreutzia equolifaciens,Dorea formicigenerans而且leptum梭状芽胞杆菌(p<0.05, MaAsLin) (在线补充表S3),尽管这些样本中大多数涉及的类群的平均相对丰度小于0.1%。虽然87例COVID-19患者和78例非COVID-19患者的肠道菌群总体组成不同,但在物种丰富度和Shannon多样性方面无显著差异(p>0.05, Mann Whitney检验)(在线补充图S1).在COVID-19队列中,住院期间采样的肠道菌群组成(n=87)与疾病严重程度(轻度、中度、重度、危重)最显著相关,其次是抗生素的影响大小递减(p<0.05, PERMANOVA) (在线补充表S1).在确定与疾病严重程度相关的微生物物种时,我们发现f . prausnitzii而且双歧杆菌bifidum在调整抗生素使用和患者年龄后,与严重程度呈负相关(p<0.05,有序回归)。其他几种微生物物种的相对丰度通常在人体肠道中丰富,包括b . adolescentis而且大肠rectale也显示随着疾病严重程度的增加而减少,尽管这些在统计上并不显著(在线补充表S4).
血浆中炎症因子、趋化因子和组织损伤标志物的浓度与肠道菌群组成相关
在COVID-19感染中,免疫系统产生炎症细胞因子以应对病毒感染。在某些情况下,炎症反应可能过于激进(即“细胞因子风暴”),并导致广泛的组织损伤、感染性休克和多器官衰竭。1根据观察到COVID-19患者的肠道菌群发生了改变(图1)以及几种物种与疾病严重程度的关系(在线补充表S4),我们假设这些成分的变化通过导致免疫反应失调而在疾病恶化中发挥作用。87例COVID-19患者住院期间肠道菌群组成的PCA可视化显示,在轻度、中度、重度和重症疾病严重程度组中存在连续统一体(图2),表明肠道菌群组成的分层与疾病严重程度相关。然后我们将细胞因子的血浆浓度(在入院时测量;并观察到C-X-C基配体10 (CXCL10)、IL-10、肿瘤坏死因子-α (TNF-α)、天门冬氨酸转氨酶(AST)、γ -谷氨酰转移酶(GGT)、CRP、LDH、NT-proBNP和红细胞沉降率与菌群组成显著相关(图2) (p<0.05, Procrustes分析)。值得注意的是,这些测量值随着代表更严重疾病状态的微生物群组成而增加。由于CXCL10、IL-10、TNF-α、AST、GGT、CRP、LDH和NT-proBNP在更严重的COVID-19中通常升高,2研讨会这些结果表明,肠道菌群组成与对COVID-19的免疫反应程度和随后的组织损伤有关,因此可能在调节疾病严重程度方面发挥作用。然后,我们评估了COVID-19患者中哪些特定物种的富集或减少与细胞因子浓度相关。从最丰富的物种列表中表2在COVID-19队列中,6个物种与CXCL10呈负相关,5个与IL-10呈负相关,2个与TNF-α和C-C基序配体2 (CCL2)各呈负相关(图3模拟) (p<0.05, Spearman相关)。这些措施包括b . adolescentis,大肠rectale而且f . prausnitzii已知在人体胃肠道系统中发挥免疫调节作用。24 - 26日相反,有两个物种在COVID-19队列中富集b . dorei而且Akkermansia muciniphila与IL-1β、IL-6、C-X-C基序配体8 (CXCL8)呈正相关(图3比).与其他相对较少的肠道细菌的相关性显示在在线补充表S5).
清除SARS-CoV-2后,肠道菌群仍存在生态失调
由于一些COVID-19患者在康复后报告持续出现症状和/或随后出现多系统炎症,27我们假设,在COVID-19患者中发现的肠道微生物群失调在康复后仍然存在,并可能导致这些情况。为评估COVID-19康复后肠道微生物组成,我们收集了27名患者(女性13名,男性14名,年龄45.6±17.6岁(平均±标准差))经RT-qPCR检测为阴性的鼻咽抽吸或拭子后30天(中位数6天,IQR 14天)的42份粪便样本。与未接受抗生素治疗的患者相比,27例康复患者的肠道菌群组成仍有显著差异(p<0.05, PERMANOVA)(14例接受抗生素治疗,13例未接受抗生素治疗),尽管与未接受抗生素治疗的患者相比,接受抗生素治疗的患者肠道菌群组成的差异更大(图4).康复患者肠道菌群丰富,包括双歧杆菌dentium而且乳酸菌ruminis不管他们是否服用了抗生素大肠rectale,r . bromii,f . prausnitzii而且双歧杆菌longum(p<0.05, LEfSe) (表3;在线补充表S6).为了确定抗生素是否与COVID-19患者的疾病结局改善有关,我们检查了其在中度疾病队列中的使用,其中接受/未接受抗生素治疗的患者数量相当(45名中度疾病患者中有21名接受了抗生素治疗)。在其他疾病州的表现则不太平衡(表1).我们发现,从COVID-19症状出现到出院,使用或不使用抗生素的天数没有差异(p>0.05, Mann-Whitney检验)。此外,由于45例患者在入院期间没有菌血症或血培养记录,且除1例患者外,其余患者降钙素原<0.2 ng/mL,这些发现表明,假设没有细菌合并感染,抗生素不太可能与改善患者预后有关,相反,抗生素可能会加剧和延长COVID-19患者的肠道菌群失调。
讨论
SARS-CoV-2感染的病理生理学特征是侵袭性炎症反应,这与一些患者出现多器官功能障碍的原因密切相关,因此疾病的严重程度可能不仅取决于病毒感染,还取决于宿主的免疫反应。1 21 28-30本研究表明,COVID-19患者住院期间肠道菌群组成与几种细胞因子、趋化因子和炎症标志物的血浆浓度相关,这表明肠道菌群可能在调节宿主免疫反应中发挥作用,并可能影响疾病严重程度和预后。具体而言,COVID-19队列中几种细菌种类的耗尽与TNF-α、CXCL10、CCL2和IL-10浓度的增加有关,这与对COVID-19患者的免疫学研究一致,2这表明这些耗尽的类群可能在预防过度侵袭性炎症方面发挥作用。为了支持这一推论,耗尽的肠道共生菌如b . adolescentis,f . prausnitzii,大肠rectale,R.(Blautia)obeum而且d . formicigenerans已单独与其他炎症相关疾病的宿主炎症反应降低有关。24 - 26日例如,f . prausnitzii已被证明能诱导诱导分泌抗炎细胞因子IL-10的人类结肠调节性T细胞,31的高相对丰度大肠rectale与阿尔茨海默病的炎症减少有关,32而且b . adolescentis能够抑制核因子κB的活化,从而促进促炎细胞因子的表达。33此外,富集瘤胃球菌属gnavus,瘤胃球菌属扭矩,拟杆菌dorei而且拟杆菌vulgatus也与微生物介导的免疫失调的推断一致。r . gnavus而且r .扭矩据报道,在肠道中与炎症性肠病同时发生34 35而且b . dorei而且b . vulgatus与几种炎症性肠道疾病有关,如肠易激病和溃疡性结肠炎。36然而,目前尚不清楚在COVID-19中富集的炎症相关肠道微生物是否确实在疾病中发挥积极作用,还是仅仅由于其他肠道微生物的耗尽而机会性地大量繁殖。
肠道微生物在COVID-19中发挥的潜在作用可以允许使用基于微生物组的风险概况来确定有严重疾病或下游炎症症状(如儿童多系统炎症和川崎样病)风险的个体。4 6 37根据本研究中调查的几名患者在清除SARS-CoV-2后长达30天的时间内,肠道菌群在从COVID-19中恢复后可能仍有显著变化。有报道称,部分COVID-19康复患者在最初出现症状后80多天会出现持续的疲劳、呼吸困难和关节痛等症状,27 38 39我们认为,肠道微生物群失衡可能会导致covid -19后与免疫相关的健康问题。我们短暂的随访期不允许将肠道菌群组成外推到长期持续的症状。因此,需要对COVID-19患者进行更长时间的随访(例如,清除病毒后3个月至1年),以解决与恢复后肠道菌群失调持续时间、菌群失调与长期持续症状之间的联系,以及特定肠道微生物的失调或富集/耗尽是否会使恢复的个体容易出现未来的健康问题有关的问题。
我们的研究有几个缺点,包括异质性患者临床管理,这可能会混淆与COVID-19相关的微生物特征。适当的对照研究需要在每个疾病严重程度组中具有足够代表性的同质病例-对照队列,并且在治疗之间的变异性最小,尽管这些理想在现实世界中可能不可能实现。因此,目前尚不清楚作为COVID-19结果的肠道菌群组成在多大程度上受到临床管理的影响。此外,观察到的肠道菌群组成可能只是对患者健康和免疫状态的反应,而不是直接与疾病严重程度有关,因此它可能不能直接适用于预测非covid -19受试者的疾病易感性。在解释与抗生素使用相关的患者结果时也需要谨慎。据估计,有一半至四分之三的COVID-19患者接受了抗生素治疗,尽管只有不到7%的患者出现了细菌感染。40 41我们发现,使用或不使用抗生素的结果没有差异,这支持了在管理COVID-19患者时减少不必要的抗生素的呼吁,但我们的比较仅限于中度疾病患者,因为该亚队列的患者数量更具可比性。虽然我们的研究结果表明抗生素不能改善患者的预后,但在重症和危重患者中使用抗生素的比例较高仍有可能加重炎症。42最后,肠道菌群组成在人群中具有高度异质性,本文报道的组成变化可能不一定反映在来自其他生物地理位置的COVID-19患者中。然而,这项关于肠道菌群变化与免疫失调的调查显示,肠道微生物可能参与了COVID-19中宿主炎症反应的调节。随着越来越多的证据表明肠道微生物与肠道内外的炎症疾病有关,12 43这些发现强调了迫切需要了解肠道微生物在人体免疫功能和全身炎症中的具体作用。
数据可用性声明
数据可以在一个公共的、开放访问的存储库中获得。https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/PRJNA650244.原始序列数据可在BioProject接入PRJNA650244下的序列读取存档(sequence Read Archive, SRA)中获得。
伦理语句
伦理批准
本研究已获香港中文大学-新界东集群联合临床研究伦理委员会(文献编号:2020.076)批准。在收集粪便样本之前,所有参与者都获得了书面知情同意。
致谢
我们要感谢在中国香港特别行政区威尔士亲王医院和基督教联合医院隔离病房工作的所有医护人员。我们感谢Miu Ling Chin、Apple CM yang、Wendy CS Ho、Rity Wong、Vickie Li、Ida MT Chu和其他工作人员/学生在本研究中的技术贡献,包括样本收集、库存和处理,以及Zhan Hui、Yating Wan、Chen Nan在DNA提取方面的协助。
参考文献
脚注
PKC和SCN是联合资深作者。
推特@Tao_Zuo_, @Siew_C_Ng
YKY、TZ和CKW贡献均等。
贡献者SCN, GC-YL, ET, KSCF, VC, LL招募研究对象。AYLL, RWYN, TCFY, GL-HW收集并整理患者临床资料。PC组织样品盘点和加工。TZ, QL, FZ, AC, CPC进行实验室工作,包括提取DNA和生成序列数据。CKW进行细胞因子和趋化因子测量。YKY和SCN对数据进行分析和解读,并撰写稿件。GJ, DS-CH和其他作者审阅了手稿。SCN、PC和FKLC设计并监督了这项研究。
资金本研究获卫生及医学研究基金、食物及卫生局、香港特别行政区政府(COVID190111)支持,并获许辉周新兰慈善基金有限公司、松鹤有限公司、许明先生及陈德宏基金会捐赠。
相互竞争的利益没有宣布。
出处和同行评审不是委托;外部同行评审。
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