王璋+陈荣昌+周宏伟等Nature子刊:靶向呼吸道菌群,改善慢阻肺
热心肠小伙伴们 2022-08-23
今天,我们特别报道华南师范大学生命科学学院王璋研究员、深圳市呼吸疾病研究所陈荣昌教授和南方医科大学周宏伟教授团队,在Nature Microbiology发表的最新研究,围绕“微生物-代谢-宿主”轴,对慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者进行了深入的多组学分析,鉴定出呼吸道菌群通过特定微生物代谢物影响COPD的潜在机制通路,为COPD治疗提供新思路。我们特别带来对该研究共同通讯作者王璋研究员的专访,以飨读者。

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种慢性炎症性肺病,是全球第四大死因,包括两种主要的炎症内型(嗜中性粒细胞炎症和嗜酸性细胞炎症)。呼吸道菌群与COPD的表型和内型存在关联,且菌群失调可促进呼吸道炎症的发生,然而呼吸道菌群在COPD疾病发生发展中的作用机制,目前仍所知甚少。Nature Microbiology最新发表了来自华南师范大学生命科学学院王璋研究员、深圳市呼吸疾病研究所陈荣昌教授和南方医科大学周宏伟教授团队的研究成果Multi-omics analyses of airway host–microbe interactions in chronic obstructive pulmonary disease identify potential therapeutic interventions,填补了这方面的空白。研究者对我国广东省两个临床中心的COPD患者和健康人群进行了呼吸道微生物组与宿主多组学分析,绘制了呼吸道“微生物-代谢-宿主”互作的全景图谱,并发现在嗜中性粒细胞炎症COPD内型中,呼吸道菌群产生的代谢物吲哚-3-乙酸,可能通过调控IL-22介导的巨噬-上皮细胞互作,来发挥对COPD的保护性作用,为靶向呼吸道微生物-宿主互作的COPD治疗策略提供了理论依据。

我们特别带来对该研究共同通讯作者王璋研究员的专访,以飨读者。

祝贺王老师在Nature Microbiology发表重要成果!您和团队在呼吸道微生物组与慢阻肺的研究方面取得了多项重要突破。目前我们关于呼吸道菌群及其与慢阻肺的关系都有哪些认知?可否请您讲讲这项研究的由来? 

感谢热心肠的邀请。相较于如火如荼的肠道菌群,呼吸道微生物组的研究仍处于一个相对早期的阶段。

 

过去我们一直认为,健康人的呼吸道是无菌的,但高通量测序的到来彻底推翻了这一结论。2010年Hilty等人首次报道了人体呼吸道微生物群落的组成1,拉开了呼吸道菌群研究的序幕。近十多年来,诸多研究表明人体呼吸道菌群在呼吸道疾病中发生变化,并同疾病发生、发展及预后紧密相关。我们最新发表于iMeta的综述总结了目前呼吸道菌群研究领域的最新进展2

 

从2014年开始,我本人及团队一直围绕慢性阻塞性肺疾病(慢阻肺)呼吸道菌群开展研究。慢阻肺是重大慢性呼吸系统疾病,其全球患病和死亡率长期高居前三位,我国慢阻肺患者约为1亿3,造成了沉重的社会和经济负担。由于肺功能损伤的不可逆转性,目前慢阻肺缺乏有效的治愈手段。我们前期研究发现,呼吸道菌群可区分慢阻肺的临床表型(ERJ, 2016; Thorax 2018),并可较好预测患者对抗生素治疗的响应(Pharmacol Res, 2020);揭示呼吸道菌群与炎症内型的复杂关系,提出“菌群-宿主”联合分型的观点(AJRCCM, 2021);开发多组学荟萃分析方法,绘制慢阻肺气道“菌群-代谢-宿主”互作图谱(ISMEJ, 2020);阐明呼吸道耐药基因组与慢阻肺炎症内型的关系(Microbiol Spectr, 2022)。

 

但是,这些研究大多仍停留在菌群组成鉴别的描述性阶段。亟需开展进一步研究,结合体内外功能实验,探究呼吸道菌群在慢阻肺发生发展中的作用及可能机制,这也是我们这项最新研究的由来。

这项研究对于理解气道菌群在慢阻肺中的作用和机制具有重要意义。可否请您从研究者的角度分享一下这项研究的亮点和启示?在研究过程中,有没有令您印象深刻的问题、困难或发现? 

在这项研究中,我们结合多中心人群队列、多组学数据及体内外功能实验,较为系统地阐明了慢阻肺呼吸道菌群与宿主互作的一个潜在机制,表明呼吸道菌群有潜力作为慢阻肺的干预新靶标。

 

由于呼吸道菌群的独特性,在研究过程中,我们的确遇到了不少的困难。例如,相对于肠道菌群,呼吸道样本微生物的生物量较低,宿主核酸比例极高,为宏基因组测序带来难度。我们尝试使用多种宿主核酸去除的样本前处理方法,但效果和稳定性均不理想。最终我们只能采用高深度测序(>30G/样本)的“笨”办法,实现去除宿主后对菌群的覆盖。

 

另外,口腔污染是呼吸道菌群研究的一个重要局限。尽管我们通过严格的诱导痰质控尽量减少痰液样本的口腔污染,但由于痰液本身的局限性,口腔污染无法完全排除。通过其他有创手段(如肺泡灌洗)可获得更能代表下呼吸道的菌群特征,但其对于健康人群及稳定期慢性病人群并不适用。

 

而且,在功能研究方面,相对于较为成熟的粪菌移植,目前还缺乏稳定且高效的呼吸道菌群整体干预方法。

这项研究的发现为慢阻肺治疗提供了一种新型策略。在临床转化方面,可否请您介绍一下目前的规划?

这项研究表明,靶向呼吸道“微生物-宿主”互作可能是慢性气道疾病治疗的一个新的策略。尽管如此,在临床转化方面,我们仍有很长一段路要走,需要更多的基础研究工作来支撑。

 

这其中包括:(1)我们需要更深入阐明呼吸道菌群作用机制,哪些菌产生或消耗哪些活性分子,作用于哪些免疫细胞类群中的何种信号通路而影响疾病。我们所发现的IAA介导的菌群宿主互作可能只是冰山一角。(2)我们需要探索呼吸道共生菌的培养和干预方法,并明确菌群干预的有效性与安全性。

 

除干预靶标,呼吸道菌群也可能作为一种新型标志物助力慢阻肺的精准分型(AJRCCM, 2021),这方面距离临床转化可能更近。

除了这项研究中揭示的菌群代谢物IAA介导的机制以外,气道菌群还可能通过哪些机制影响慢阻肺的病理生理过程?菌群在另一种慢阻肺炎症内型(嗜酸性细胞炎症)中可能发挥什么样的作用?

如前所述,相对于肠道菌群,我们对呼吸道菌群在慢阻肺或其他呼吸疾病中的作用机制仍知之甚少,但近年来亦逐渐有较多报道。

 

Yadava等人研究表明,呼吸道微生物组参与了肺气肿小鼠气道IL-17A炎症反应以及自身免疫过程4。中科院钱友存教授团队探究了呼吸道菌群在IPF中的作用机制,表明呼吸道菌群通过TLR-Myd88通路驱动IL-17B的产生以及肺纤维化5。Singanayagam等人发现,吸入激素抑制了抗菌肽,导致气道菌群失调及链球菌增殖,为吸入激素治疗慢阻肺后肺炎风险增加提供了机制解释6。Rigauts等人研究表明,气道微生物组的黏液罗氏菌可以通过抑制NF-κb途径缓解气道炎症7。这些研究共同揭示,呼吸道菌群对于气道炎症及肺组织结构损伤的潜在调控作用。

 

对于嗜中性粒细胞慢阻肺,我们的多组学分析结果也提示了更多菌群宿主可能的互作方式,包括酪氨酸降解、天冬氨酸代谢等菌群代谢途径与宿主IL-17A的关联等,但这些均有待于进一步功能实验验证。

 

相对嗜中性炎症,嗜酸性炎症在慢阻肺中占较小比例。我们前期研究发现,嗜酸性慢阻肺可见弯曲杆菌、颗粒链球菌升高,并同嗜酸性粒细胞比例的时空变化关联(AJRCCM, 2021)。我们最新的研究亦发现,弯曲杆菌贡献甘油磷脂代谢通路和胆碱生成,同嗜酸性炎症细胞因子IL-5、嗜酸性粒细胞趋化因子-2相关,为呼吸道菌群在嗜酸性慢阻肺中的作用提供了一种可能的假说。

在某种意义上,呼吸道与肠道有相似之处,都是体内重要的黏膜界面。这两个部位的菌群有哪些相似和不同之处?它们之间有没有什么关联?二者的研究彼此间有没有可以相互借鉴的地方?

的确,呼吸道菌群与肠道菌群有着许多相同之处。但由于呼吸道拓补学结构的特殊性及其与外部环境更为密切的接触,呼吸道微生物在群落构成、多样性与稳定性方面与肠道菌群存在着不同。

 

首先,呼吸道菌群的生物量是肠道/口腔菌群的百分之一,甚至更少8,物种多样性亦比肠道菌群低很多。在群落组成方面,肠道菌群为厚壁菌门、拟杆菌门占主要优势,而呼吸道菌群以变形菌门的相对丰度通常比肠道菌群更高。同时,肠道菌群的移动多是单向的,而呼吸道菌群可存在双向移动,包括迁入和迁出。

 

从生物学上讲,呼吸道菌群、肠道菌群与呼吸疾病之间亦存在紧密的“肠-肺轴关联。如Dickson等人发现,在急性肺损伤中,下呼吸道菌群存在显著的肠菌富集,提示肠道菌群移位9。中国台湾长庚大学赖信志教授团队发现,慢阻肺小鼠肠道菌群显著改变,其中金氏拟杆菌通过LPS介导宿主TLR4信号传导的拮抗作用,可减缓慢阻肺症状10。广州医科大学冉丕鑫教授团队在接受慢阻肺患者粪便移植的小鼠中,观察到更为突出的肺部炎症、气道重塑以及黏液高分泌症状11。这些研究均表明,肠道菌群在慢阻肺等呼吸疾病中发挥重要作用。

 

目前呼吸道菌群领域基本沿用肠道菌群所建立的技术方法,但由于呼吸道菌群的特殊性,亟需建立为呼吸道菌群“量身定做”的方法。

最后,可否介绍一下完成这项研究的团队,以及您课题组未来的研究方向?

这项研究由华南师范大学、深圳市人民医院、南方医科大学、广州医科大学四家单位共同合作完成。从临床样本收集,多组学检测及分析,到动物与细胞实验验证,历时四年有余。

 

在临床队列方面,我们有幸得到了深圳市呼吸疾病研究所陈荣昌教授团队的大力支持;在基础研究方面,我们有幸得到了南方医科大学周宏伟教授团队的全方位帮助。我们也有幸得到包括Emad El-Omar教授、Jack Gilbert教授、Martin Blaser教授、Martin Stampfli教授在数据分析、基础实验及论文修改等方面的多次讨论与指导。

 

目前,我们团队集中围绕呼吸系统疾病谱中呼吸道及肠道菌群的作用机制开展研究。在这项研究的基础上,我们拟进一步验证其中的几项关键通路,进一步系统阐明菌群-宿主互作机制。

 

同时,对于呼吸道菌群研究面临的“卡脖子”问题,我们也在开展多方面探索。欢迎感兴趣的同学扫描下方二维码加入我们,也期待各位老师的指导与合作。

 

 

参考文献
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1. Hilty M, Burke C, Pedro H, Cardenas P, Bush A, Bossley C, Davies J, Ervine A, Poulter L, Pachter L, Moffatt MF, Cookson WO. Disordered microbial communities in asthmatic airways. PLoS One 2010: 5(1): e8578.
2. Yi X, Gao J, Wang Z. The human lung microbiome—A hidden link between microbes and human health and diseases. iMeta 2022: e33.
3. Wang C, Xu J, Yang L, Xu Y, Zhang X, Bai C, Kang J, Ran P, Shen H, Wen F, Huang K, Yao W, Sun T, Shan G, Yang T, Lin Y, Wu S, Zhu J, Wang R, Shi Z, Zhao J, Ye X, Song Y, Wang Q, Zhou Y, Ding L, Yang T, Chen Y, Guo Y, Xiao F, Lu Y, Peng X, Zhang B, Xiao D, Chen CS, Wang Z, Zhang H, Bu X, Zhang X, An L, Zhang S, Cao Z, Zhan Q, Yang Y, Cao B, Dai H, Liang L, He J, China Pulmonary Health Study G. Prevalence and risk factors of chronic obstructive pulmonary disease in China (the China Pulmonary Health [CPH] study): a 

专家简介
王璋
华南师范大学生命科学学院研究员
广东省青年珠江学者
王璋、华南师范大学生命科学学院研究员,广东省青年珠江学者。2014年博士毕业于美国弗吉尼亚大学生物系(University of Virginia)。2014-2018年在国际药企葛兰素史克(GlaxoSmithKline)任博士后与高级研究员,2018年作为青年拔尖人才引进加入华南师范大学。从事人体微生物组学相关研究,重点应用多组学技术及疾病动物模型探究慢性阻塞性肺疾病(慢阻肺)等呼吸系统疾病中肠道、气道菌群功能及菌群—宿主互作机制。以第一或通讯作者在American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine(IF:21.41),European Respiratory Journal(IF:16.68),Thorax(IF:9.14),ISME Journal(IF:10.30)等期刊发表SCI论文30余篇,H-index为18。受到期刊Editorial评述与Faculty Opinion(原F1000Prime)推荐。撰写Nature-Springer出版的Methods Molecular Biology系列专著《Bacterial Pangenomics》第九章节微生物宏基因组分析方法学(ISBN:978-1-0716-1098-5)。主持国家自然科学基金面上项目、广东省“青年珠江学者”等科研与人才项目多项。担任广东省精准医学应用协会微生态医学分会常务委员、广东省慢阻肺康复工程技术研究中心委员等职务。担任Medicine in Microecology期刊Editorial Board Member,mSystems等期刊审稿人。
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周宏伟
南方医科大学珠江医院检验医学部主任
南方医科大学微生物组医学中心主任
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