COPD患者と健常者の肺のマイクロバイオーム構成と気管支上皮の遺伝子発現：細菌の16S rRNA遺伝子配列と宿主のトランスクリプトーム解析

Lung microbiome composition and bronchial epithelial gene expression in patients with COPD versus healthy individuals: a bacterial 16S rRNA gene sequencing and host transcriptomic analysis.

抄録

背景:

慢性閉塞性肺疾患（COPD）は、気道の炎症と細菌性ディスバイオーシスと関連しています。COPDにおける気道マイクロバイオームと気管支の遺伝子発現の関係は十分に理解されていない。我々は、COPD患者と健常者の気管支ブラッシングから気道マイクロバイオームの違いを明らかにし、区別できる細菌が気管支の遺伝子発現と関連しているかどうかを調査することを目的とした。

BACKGROUND: Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is associated with airway inflammation and bacterial dysbiosis. The relationship between the airway microbiome and bronchial gene expression in COPD is poorly understood. We aimed to identify differences in the airway microbiome from bronchial brushings in patients with COPD and healthy individuals and to investigate whether any distinguishing bacteria are related to bronchial gene expression.

方法:

この16S rRNA遺伝子配列および宿主トランスクリプトーム解析のために、英国、ドイツ、イタリア、ポーランド、ハンガリーの9施設から、吸入コルチコステロイドの投与または非投与の軽度から中等度のCOPD患者および同年代の健康人を、EmAコンソーシアムの一部として募集した。患者は、臨床的特徴、スパイロメトリー、CTスキャン、気管支鏡検査を受けた。気管支鏡による気管支ブラシサンプルから、16S rRNA遺伝子配列決定とRNA-Seq法による遺伝子発現を用いて、微生物プロファイルを得た。COPD患者対健常者、COPD患者対吸入コルチコステロイド治療有無における細菌属の相対量、属量と臨床特性、属量と宿主肺転写シグナルとの関連性を解析した。

METHODS: For this 16S rRNA gene sequencing and host transcriptomic analysis, individuals aged 45-75 years with mild-to-moderate COPD either receiving or not receiving inhaled corticosteroids and healthy individuals in the same age group were recruited as part of the Emphysema versus Airways Disease (EvA) consortium from nine centres in the UK, Germany, Italy, Poland, and Hungary. Individuals underwent clinical characterisation, spirometry, CT scans, and bronchoscopy. From bronchoscopic bronchial brush samples, we obtained the microbial profiles using 16S rRNA gene sequencing and gene expression using the RNA-Seq technique. We analysed bacterial genera relative abundance and the associations between genus abundance and clinical characteristics or between genus abundance and host lung transcriptional signals in patients with COPD versus healthy individuals, and in patients with COPD with versus without inhaled corticosteroids treatment.

調査結果:

2009年2月から2012年3月までに、574名の患者からブラシサンプルを得た。574検体中546検体（健常者207検体，COPD患者339検体（副腎皮質ホルモン吸入192検体，吸入なし147検体））を解析に使用した．COPD患者を健常者と最も強く区別した細菌属はPrevotella（相対量中央値：COPD患者33-5％，IQR 14-5-49-4， vs. 47-7％，31-1-607、健常者；p<0-0001）、連鎖球菌（8-6％、3-8-15-8、対5-3％、3-0-10-1、p<0-0001）であった。1; p<0-0001）、Moraxella（0-05%, 0-02-0-14, vs 0-02%, 0-0-07; p<0-0001）であった。プレボテラの存在量は，症状からみたCOPDの重症度と逆相関し，肺機能および運動能力と正の相関を示した．評価可能なRNA-seqデータが得られたのは446サンプルで、COPD患者257人（吸入コルチコステロイド使用136人、非使用121人）と健常者189人からのものであった。吸入コルチコステロイド治療を受けていないCOPD患者と健常者において、気管支ブラッシングからの肺の転写シグナルと細菌属の豊富さとの間に有意な関連は認められなかった。副腎皮質ステロイドを吸入しているCOPD患者では，プレボテラ属の多さがタイトジャンクション促進に関与する上皮遺伝子の発現と，モラクセラ属の多さがIL-17およびTNF炎症経路の発現と正の相関があった．

FINDINGS: Between February, 2009, and March, 2012, we obtained brush samples from 574 individuals. We used 546 of 574 samples for analysis, including 207 from healthy individuals and 339 from patients with COPD (192 with inhaled corticosteroids and 147 without). The bacterial genera that most strongly distinguished patients with COPD from healthy individuals were Prevotella (median relative abundance 33·5%, IQR 14·5-49·4, in patients with COPD vs 47·7%, 31·1-60·7, in healthy individuals; p<0·0001), Streptococcus (8·6%, 3·8-15·8, vs 5·3%, 3·0-10·1; p<0·0001), and Moraxella (0·05%, 0·02-0·14, vs 0·02%, 0-0·07; p<0·0001). Prevotella abundance was inversely related to COPD severity in terms of symptoms and positively related to lung function and exercise capacity. 446 samples had assessable RNA-seq data, 257 from patients with COPD (136 with inhaled corticosteroids and 121 without) and 189 from healthy individuals. No significant associations were observed between lung transcriptional signals from bronchial brushings and abundance of bacterial genera in patients with COPD without inhaled corticosteroids treatment and in healthy individuals. In patients with COPD treated with inhaled corticosteroids, Prevotella abundance was positively associated with expression of epithelial genes involved in tight junction promotion and Moraxella abundance was associated with expression of the IL-17 and TNF inflammatory pathways.

解釈:

COPDの重症化に伴い、気道マイクロバイオームはプレボテラの減少およびモラクセラの増加を伴い、上皮防御を促進する遺伝子のダウンレギュレーションおよび吸入コルチコステロイドの使用に関連する炎症性遺伝子のアップレギュレーションと連動していることがわかった。本研究は、マイクロバイオームの変化と宿主の炎症反応の関係を理解する上でさらなる洞察をもたらし、COPDの新たな治療戦略につながる可能性がある。

INTERPRETATION: With increasing severity of COPD, the airway microbiome is associated with decreased abundance of Prevotella and increased abundance of Moraxella in concert with downregulation of genes promoting epithelial defence and upregulation of pro-inflammatory genes associated with inhaled corticosteroids use. Our work provides further insight in understanding the relationship between microbiome alteration and host inflammatory response, which might lead to novel therapeutic strategies for COPD.

資金提供:

EU第7次フレームワークプログラム、国立保健医療科学院。

FUNDING: EU Seventh Framework Programme, National Institute for Health Research.