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背景
慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种多维度的进行性肺部炎性疾病，主要表现为大小气道的病理性改变。COPD在全球流行率很高(年为2.51亿例)，并导致很高的死亡率(年为万例死亡)，预计年COPD将成为第三大死亡原因。COPD的管理有多种措施；然而，持续性和进行性肺部炎症在患者中仍然很常见。
我们采用小鼠吸烟(CS)模型以及粪便微生物群移植(FMT)和抗生素(ABX)治疗策略，建立了COPD肠道微生物群肺轴。强调肠内共生的对羟基苯甲酸酯(Pg)与COPD严重程度呈显著负相关。
简介
年3月9日，来自中国台湾新北市辅仁天主教大学的Chia-ChenLu教授及其团队在Gut(IF:19.)发表名为ParabacteroidesgoldsteiniiGutmicrobiotamodulatesCOPDpathogenesis:roleofanti-inflammatorylipopolysaccharide的研究[1]。
主要发现
本研究建立了慢性阻塞性肺疾病轴肠道微生物群肺。分离出一株具有改善慢性阻塞性肺疾病作用的菌株。从该细菌纯化的抗炎脂多糖(LPS)分子可改善慢性阻塞性肺疾病。
有益细菌菌株(对羟基苯甲酸酯MTS01)及其衍生的脂多糖(对羟基苯甲酸酯-LPS)可能作为慢性阻塞性肺疾病临床实践的药剂。
主要结果
ABX治疗降低了CS诱导的COPD发病机制
为了确定肠道微生物群组成在COPD发展中的重要性，在CS发生前2周，小鼠分别口服万古霉素(VAN)、新霉素(NEO)、甲硝唑(MET)和氨苄青霉素(AMP))，以及联合口服ABX。在CS小鼠中观察到的异常表型(图1A-K)在ABX、AMP和VAN治疗组中得到显著改善。相比之下，口服NEO或MET治疗对COPD的发病机制没有显著影响(图1A-K)。因此，共生微生物群组成会影响CS诱导的COPD的炎症和发病机制，而最佳ABX治疗会使小鼠的COPD肺部发病机制降低。
图1.肠道微生物群与慢性阻塞性肺疾病发展关系的建立
肠道微生物群组成对COPD的发展起因果作用
ABX治疗的有益作用可能是通过改变肠道微生物群组成介导的。为了观察肠道微生物群结构的改变是否可能对COPD的发展起因果作用，我们进行了FMT实验。将来自接受ABX、NEO、AMP或VAN治疗的CTL或CS小鼠的供体粪便微生物群转移至CS受体小鼠。来自CTL、ABX治疗、AMP治疗或VAN治疗小鼠的粪便微生物群显著改善了COPD综合征(图1L-U)。
采用16S微生物群核糖体DNA测序法测定了每组小鼠的肠道微生物群组成(图2A)。与CTL小鼠相比，在CS小鼠的粪便中，丹毒杆菌科、拟杆菌科和乳球菌科的相对丰度显著降低，而拉克什皮科的相对丰度增加。ABX治疗和FMT治疗均会影响CS小鼠肠道微生物群的组成(图2a)。使用metagenomeSeq鉴定了与CS组相比被抗生素显著改变的17种细菌(图2B)，并进一步分析了所鉴定的17种细菌与COPD性状之间的相关性(图2C)。
图2.不同小鼠组中对羟基苯甲酸酯类与COPD严重程度的负相关关系
PgMTS01可改善COPD
随后从ABX处理的粪便微生物群样本中分离出一株Pg细菌MTS01。PgMTS01的16SrRNA基因的全长测序显示，与PgJCM的同源性为99.9%。口服PgMTS01可显著增加体重的增加量(增加7.4%)，并改善COPD表型(图3A-J)。与此同时，与呼吸道完整性相关的肺ZO-1和OccludinmRNA的表达也增加。
图3.对羟基苯甲酸酯类可改善COPD
PgMTS01可降低CS小鼠的肠道炎症并增强细胞核糖体和线粒体活性
PgMTS01给药可减少结肠中促炎细胞因子的产生并增加了肠道的完整性。为了进一步了解PgMTS01给药对结肠细胞生理学的影响，我们进行了单细胞RNA测序(scRNAseq)以及对接受/不接受PgMTS01治疗的CS小鼠结肠组织来源细胞的分析(图4A，B)。具体而言，与CTL小鼠相比，CS小鼠中观察到参与脂肪酸/类二十烷酸代谢、膜微绒毛形成和内肽酶活性的基因表达增加，而参与核糖体生物发生和线粒体活性相关基因的表达减少。相比之下，在CS小鼠中，PgMTS01给药显著上调了细胞抗氧化剂、氧化还原过程、抗菌药物、线粒体去极化、核糖体活性和黏蛋白产生的基因(图4C，D)。
图4.对与对羟基苯甲酸酯类一起给药的CTL、CS和MTS01小鼠组的结肠肠上皮细胞(IEC)和肺组织进行单细胞RNA测序(scRNAseq)分析
PgMTS01LPS(Pg-LPS)拮抗剂大肠杆菌LPS诱导的炎症
促炎LPS与氧化应激增加、促炎细胞因子产生及COPD发病机制有关。如图5A、B所示，与CTL小鼠相比，CS小鼠血清和肺BALF中测得的LPS活性均显著升高。相比之下，PgMTS01给药显著降低了检测到LPS的活性。
图5.从对羟基苯甲酸酯(Pg)MTS01(Pg-LPS)纯化的LPS可拮抗大肠杆菌OB4LPS(EC-LPS)引发的炎症
结论及展望
肠道微生物群-肺COPD轴是相连的。通过开发潜在有益的细菌菌株及其功能成分，并将其用作COPD预防或治疗的替代药物。总之，PgMTS01和Pg-LPS是潜在的治疗药物，可分别开发为功能性益生菌和生物后益生菌，以改善COPD(图7)。
图7.对羟基苯甲酸酯类(Pg)MTS01和Pg-LPS对CS诱导的COPD改善作用的假设性工作模型。在CS诱导的COPD模型中，观察到促炎细胞浸润增多、促炎细胞因子释放增多、肺功能恶化等肺发病机制增强(1)。系统循环中促炎LPS增加明显(2)。这与宿主体内异常的系统免疫(TLR4过度活化)和代谢(氨基酸代谢紊乱)活动密切相关。此外，CS还导致结肠的发病机制恶化，包括核糖体生物合成减少，线粒体活性降低，ZO-1和闭合蛋白产生减少(3)。此外，微生物群的变化与COPD的发病机制相关(拉氏菌科丰度与疾病严重程度呈正相关，Pg丰度呈负相关)(3)。通过给予PgMTS01或其衍生LPS(Pg-LPS)进行干预，恢复了结肠的发病机制(4)。PgMTS01可能至少部分通过作为TLR4信号通路的拮抗剂来使用其LPS以恢复异常的炎性和代谢表型(5)。从而实现了肺慢性炎症的改善，导致COPD发病机制的降低(6)。
原文链接
