mNGS揭示不同表型COPD急性加重期患者痰液微生物菌群特征

导 读

近日,南京医科大学附属淮安市第一人民医院呼吸与危重症医学科与迪飞医学合作,在Microbial Pathogenesis(IF=3.8)发表了一篇急性加重期间不同表型慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)患者痰液微生物菌群的分析研究。

本研究收集了29例不同表型急性加重的慢性阻塞性肺疾病 (acute exacerbations of COPD, AECOPD)患者治疗前的痰液样本,利用mNGS技术分析痰液微生物菌群的差异,并探讨痰液微生物菌群与急性加重期患者临床指标的关系,对AECOPD患者的个性化治疗有一定的指导意义。

研究背景

COPD主要是一种与吸烟相关的异质性疾病,其特征是慢性呼吸道症状和持续的气流受限。在中国,COPD是导致寿命损失的五大原因之一。AECOPD是指呼吸道症状加重,通常伴有局部或全身炎症加重,而导致的肺功能下降和死亡率增加。

COPD患者的临床表现、疾病进展和治疗反应均存在显著异质性,受生物基因型和环境因素的影响。COPD表型是一种或多种疾病的综合特征,与临床症状、治疗反应和预后有关。这使得识别不同表型的COPD患者之间的差异并开发更个性化的治疗方法成为可能。

多项研究表明,COPD患者肺部微生物菌群变化与病情恶化的严重程度和频率有关。然而,关于肺气肿表型(emphysema phenotype, E)、慢性支气管炎伴肺气肿表型(chronic bronchitis with emphysema phenotype, B+E)和哮喘-COPD重叠表型(asthma-COPD overlap phenotype, ACO)的AECOPD患者之间痰微生物菌群差异的研究较少。

本研究纳入29例经历AECOPD的患者,根据COPD表型不同,将患者分为E、B+E和ACO三组,利用mNGS技术检测并分析不同表型AECOPD患者的微生物菌群特征。

研究结果

痰液微生物群的分布和多样性

通过比较三组不同表型的AECOPD患者的菌群组成和多样性差异发现,在急性加重期间,三组患者的微生物菌群组成相似。

痰液中最丰富的门是厚壁菌门、放线菌门和变形菌门;主要属有罗氏菌属、链球菌属、放线菌属;主要菌种则有粘滑罗氏菌、龋齿放线菌、干燥奈瑟菌等。三组间α多样性和β多样性无显著差异。

图1 三组痰液微生物菌群在种水平上的分布

图2 三组痰液微生物菌群的β多样性

组间高丰度差异物种

三组患者痰中菌群门、属水平差异均无统计学意义。

结果表明,在门水平上, B+E组放线菌的相对丰度与其他组相比有小幅的增加但无显著性差异;在属水平上,ACO中乳杆菌和链球菌的相对丰度较其他组略有增加、B+E组罗氏菌的相对丰度较其他两组增加。在物种水平上,除ACO组缓症链球菌相对丰度较其他组显著增加,其余B+E组血链球菌和粘滑罗氏菌的相对丰度较其他组略有增加、E组流感嗜血杆菌的相对丰度也较其他组有所增加,但均无显著性差异。

图3 三组痰中微生物菌群在种水平上的相对丰度差异

(*表示P<0.05)

组间微生物菌群的交互作用

研究发现B+E、E和ACO组在物种水平上具有独特的微生物共生网络。

Candidatus Saccharibacteria oral taxon TM7x和坏死梭杆菌分别是ACO和E共生网络的核心节点。它们与一些物种呈正相关,并发挥协同作用。在B+E中,流感嗜血杆菌和肺炎克雷伯菌具有协同作用。此外,还发现一些物种在不同表型之间分别起到协同或拮抗作用。

图4 三组间物种水平上的微生物网络。三个几何图形代表三组中的物种。正方形代表B+E,三角形代表E组,圆形代表ACO组。每个几何图形的面积与微生物菌群的相对丰度有关;不同的颜色代表不同的微生物群,相同的颜色表示同一门;紫色和蓝色的线分别表示共现和互斥。

细菌分类与临床指标的相关性分析

Spearman相关性分析显示,血链球菌的相对丰度与外周血中性粒细胞比率和NLR呈正相关。

血链球菌是正常口腔菌群之一, 但病原菌定殖或菌群失衡引起的炎症反应在COPD的发生发展中起关键作用,研究推测B+E中该细菌的增加与COPD炎症的增加有关。产黑色素普雷沃氏菌与年龄、外周血中性粒细胞比率和NLR呈负相关,提示该菌可能是有益菌,在AECOPD中具有抗炎作用。

图5. 痰中细菌分类与临床指标的相关性分析。红、绿点分别代表临床指标和细菌分类群。红、蓝边分别表示痰液细菌分类群与临床指标呈正相关和负相关 (*、**分别表示P<0.05和0.01)。

总 结

该研究首次分析了不同表型AECOPD患者痰中微生物菌群及其与临床指标的关系,探讨了微生物群与AECOPD炎症的关系。

这些发现将有助于在未来的研究中通过抑制与炎症相关的特定细菌分类群来改变患者的预后,对个体化治疗有一定指导意义。

该研究使用了迪飞医学mNGS检测技术。

参考文献:

Mao X, Li Y, Shi P, Zhu Z, Sun J, Xue Y, Wan Z, Yang D, Ma T, Wang J, Zhu R. Analysis of sputum microbial flora in chronic obstructive pulmonary disease patients with different phenotypes during acute exacerbations. Microb Pathog. 2023 Sep 4;184:106335. doi: 10.1016/j.micpath.2023.106335. Epub ahead of print. PMID: 37673353.