COPD増悪時の喀痰マイクロバイオームの特徴および臨床指標との相関性

Characteristics of the sputum microbiome in COPD exacerbations and correlations between clinical indices.

抄録

背景:

慢性閉塞性肺疾患（COPD）は有病率、進行性の呼吸器疾患であり、COPDの急性増悪（AECOPD）は疾患の悪化を加速させる可能性がある。気道細菌異常がAECOPDと関連していることを示唆する証拠が増えつつあります。しかし、AECOPD中の喀痰マイクロバイオームの変化と臨床指標との正確な関連は依然として不明である。

BACKGROUND: Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a prevalent, progressive respiratory disease, and acute exacerbations of COPD (AECOPD) can accelerate the deterioration of the disease. Increasing evidence suggests that airway bacterial dysbiosis is associated with AECOPD. However, the exact relationship between changes in the sputum microbiome during AECOPD and clinical indices remains unclear.

研究方法:

本研究では、AECOPD患者（n=28）、安定期COPD患者（n=23）、回復期患者（n=15）および健康対照（HC; n=10）から合計76個の痰サンプルを収集した。喀痰マイクロバイオームプロファイルは、16S rRNA（リボソームRNA）遺伝子のV3-V4アンプリコンの配列決定により解析された。

METHODS: In this study, a total of 76 sputum samples were collected from patients with AECOPD (n = 28), stable COPD (n = 23), recovery (n = 15) and healthy controls (HCs; n = 10). The sputum microbiome profile was analysed by sequencing the V3‑V4 amplicon of the 16S rRNA (ribosomal RNA) gene.

結果:

細菌の多様性（Shannon and Simpson's index）は、COPD安定群およびHC群と比較して、AECOPD群および回復群で有意に減少していることが明らかになった。AECOPD患者の喀痰サンプルで最も優勢な門はProteobacteriaであり、マイクロバイオームの30%を占めた。AECOPD患者では、安定COPD群と比較して、FirmicutesとBacteroidetesの相対量が減少し、ProteobacteriaとActinobacteriaの相対量が増加した。さらに、AECOPD患者にはHaemophilusなどの識別菌が特異的な分類群として同定された。機能解析の結果、膜輸送や情報伝達代謝に関わる遺伝子がAECOPD群で濃縮されていることがわかった。重要なことは、Veillonellaの比率は肺機能と正の相関があり、Staphylococcusは炎症性指標と正の相関があったことである。

RESULTS: The bacterial diversity (Shannon and Simpson's index) was found to be significantly decreased in the AECOPD and recovery groups when compared to that in the stable COPD and HC groups. The most dominant phylum identified in the sputum samples of AECOPD patients was Proteobacteria, accounting for 30% of the microbiome. Compared to the stable COPD groups, the relative abundances of Firmicutes and Bacteroidetes were decreased, whereas those of Proteobacteria and Actinobacteria were increased in AECOPD patients. Furthermore, discriminative bacteria, such as Haemophilus, were identified as being specific taxa in AECOPD patients. Functional analysis showed that genes involved in membrane transport and signal transduction metabolism were enriched in the AECOPD group. Importantly, the proportions of Veillonella were positively correlated with lung function, and Staphylococcus was positively correlated with inflammatory indices.

結論:

本研究は、中国人コホートにおけるAECOPDの喀痰マイクロバイオーム（組成および機能に基づく）の変動を明らかにし、臨床指標との相関を強調した。これらの結果は、微生物のディスバイオーシスが疾患の進行に寄与する可能性を示し、AECOPDの診断のための微生物バイオマーカーを提供するものである。

CONCLUSION: Our study revealed variations in the sputum microbiome of AECOPD (based on composition and function) in a Chinese cohort and highlighted its correlation to clinical indices. These results indicated that microbial dysbiosis may contribute to disease progression and provide microbial biomarkers for the diagnosis of AECOPD.