CF大鼠模型揭示肺部微生物组与肠道-肺轴的关联

《mBio》：Spontaneous lung colonization in the cystic fibrosis rat model is linked to gastrointestinal obstruction

本研究首次在CF大鼠模型中发现自发性肺部定植与肠道-肺轴的潜在联系（CF，Cystic Fibrosis）

　　囊性纤维化（Cystic Fibrosis, CF）是一种由CFTR基因突变引起的遗传性疾病，导致CFTR蛋白功能障碍。该病影响多个器官系统，特别是在肺部和肠道。在肺部，黏液变得黏稠并附着于上皮细胞，导致反复的细菌感染，其中Pseudomonas aeruginosa是最常见的病原体之一。在肠道，黏液与粪便混合并附着于肠壁，可能导致远端肠梗阻综合征（Distal Intestinal Obstruction Syndrome, DIOS）。尽管CF对肺部和肠道的影响已被广泛研究，但肺部定植与DIOS之间的相关性尚不清楚。

本研究首次在CF大鼠模型中观察到自发性肺部定植，且在3个月以下的CF大鼠中，肺部微生物组与野生型（Wild Type, WT）大鼠相似，不依赖于CFTR基因型。然而，随着DIOS的发展，CF大鼠的肺部微生物组逐渐被粪便相关微生物所主导，且在诱导Pseudomonas aeruginosa感染后，CF大鼠的肺部微生物组表现出与人类CF患者相似的特征，即Pseudomonas aeruginosa的相对丰度增加。此外，Ivacaftor治疗能够改善CF大鼠的肠道微生物组，降低Escherichia coli的相对丰度，这表明CF大鼠模型能够复现人类CF的疾病特征，并揭示了肠道-肺轴在CF中的潜在作用。

研究背景 囊性纤维化（CF）是一种常染色体隐性遗传病，由CFTR基因突变引起，导致CFTR蛋白缺失或功能障碍。CFTR蛋白功能的丧失使得黏液在多个器官系统中积聚并变得黏稠，特别是在呼吸系统和消化系统。在肺部，这种黏液为细菌提供了滋生的温床，导致难以根除的感染，其中Pseudomonas aeruginosa是最常见的病原体之一。在肠道，黏液与粪便混合并附着于肠壁，可能导致远端肠梗阻综合征（DIOS）。CF患者的肺功能和病原体感染是影响其发病率和死亡率的主要因素。随着年龄的增长，CF患者的肺部微生物组多样性降低，传统CF病原体如Pseudomonas aeruginosa和Staphylococcus aureus的相对丰度增加，这与肺功能的下降密切相关。

CF大鼠模型的开发为研究CF的复杂病理生理学提供了重要的工具。然而，大多数动物模型并不能完全复现人类CF的疾病特征。CF猪和CF雪貂已被证明能够自发性地发生肺部感染，这是CF的一个标志性并发症。CF大鼠模型虽然能够表现出CF的气道黏液缺陷，但之前尚未有研究报道其肺部微生物组的变化。本研究旨在探讨CF大鼠模型的肺部微生物组变化，以及DIOS与肺部定植之间的相关性。

研究方法 本研究使用了CFTR基因敲除（CFTR^?/?）、G542X CFTR点突变和人类化G551D CFTR插入的CF大鼠模型，以及它们的野生型（WT）对照组。所有动物实验均在阿拉巴马大学伯明翰分校（UAB）进行，并获得了UAB动物实验伦理委员会的批准。大鼠在断奶后被喂食标准啮齿动物饲料，并补充了DietGel 76A和含有50% Go-LYTELY的水，以减少肠道梗阻的死亡率。实验中，CF大鼠被分为3个月以下（<3 mo）和3个月以上（>3 mo）两组，以对应黏液缺陷表型。

为了评估肺部微生物组，研究人员在大鼠被安乐死后，迅速收集了肺组织样本，并将其储存在-80℃下以备后续的微生物组分析。同时，还收集了肠道内容物样本。微生物组分析由UAB微生物组研究核心实验室进行，包括DNA提取、16S rRNA基因的V4区域的PCR扩增以及NextGen测序平台的测序。使用QWRAP软件包进行数据分析。

研究结果

1. 肺部微生物组不依赖于CFTR基因型 研究人员首先探讨了肺部微生物组是否依赖于CFTR基因型。结果显示，在3个月以下的CF大鼠中，CFTR基因敲除（CFTR^?/?）、G542X CFTR点突变和人类化G551D CFTR插入的CF大鼠的肺部微生物组在科、属和种的分类水平上与WT大鼠相似。此外，通过Shannon指数测量的微生物多样性也没有显著差异。这表明在CF大鼠模型中，肺部微生物组并不依赖于CFTR基因型。
2. DIOS后肺部与粪便微生物组的相似性增加 研究人员进一步分析了DIOS发生后CF大鼠肺部和粪便微生物组的变化。结果显示，与WT大鼠相比，<3 mo CF大鼠的肺部和粪便微生物组在科、属和种的分类水平上存在更大的重叠。具体来说，<3 mo CF大鼠的肺部和粪便中相对丰度较高的细菌属包括Escherichia-Shigella、Lactobacillus和Bacteroides等。此外，<3 mo CF大鼠的粪便微生物组表现出肠道菌群失调，其微生物多样性降低，而肺部微生物多样性则没有显著变化。这些结果表明，DIOS的发生与肠道菌群失调有关，并且肺部和粪便微生物组之间的相似性增加。
3. 肺部微生物组在DIOS前后的变化 研究人员还探讨了DIOS前后CF大鼠肺部微生物组的变化。结果显示，在DIOS发生之前，肺部微生物组以传统CF病原体为主，如Pseudomonas aeruginosa、Staphylococcus aureus和Stenotrophomonas maltophilia等。然而，在DIOS发生后，肺部微生物组逐渐被粪便相关微生物所主导，但传统CF病原体仍然存在，并且表现出与年龄相关的差异。具体来说，在<3 mo CF大鼠中，Staphylococcaceae、Streptococcaceae和Veillonellaceae的相对丰度较高，而在>3 mo CF大鼠中，Xanthomonadaceae和Pseudomonadaceae的相对丰度增加。这些结果表明，DIOS的发生与肺部微生物组的变化有关，并且这种变化与人类CF患者中观察到的现象相似。
4. Pseudomonas aeruginosa诱导感染对肺部微生物组的影响 研究人员还研究了Pseudomonas aeruginosa诱导感染对CF大鼠肺部微生物组的影响。结果显示，在诱导感染后3天（3 dpi），Pseudomonas aeruginosa在WT和CF大鼠的肺部均为优势菌种。然而，在诱导感染后28天（28 dpi），CF大鼠的肺部中Pseudomonas aeruginosa的相对丰度显著增加，而WT大鼠则能够清除该病原体。此外，诱导感染还导致了肺部微生物组多样性的降低，尤其是在3 dpi时。这些结果进一步证实了CF大鼠模型能够复现人类CF患者中Pseudomonas aeruginosa感染的特征，并且揭示了诱导感染对肺部微生物组的影响。
5. Ivacaftor治疗对肺部和粪便微生物组的影响 最后，研究人员探讨了Ivacaftor治疗对CF大鼠肺部和粪便微生物组的影响。结果显示，Ivacaftor治疗能够改变CF大鼠的肺部微生物组，特别是降低了Staphylococcaceae和Staphylococcus aureus的相对丰度。在粪便微生物组中，Ivacaftor治疗显著降低了Escherichia coli的相对丰度，并增加了微生物多样性。这些结果表明，Ivacaftor治疗能够改善CF大鼠的肠道微生物组，并可能对肺部微生物组产生有益的影响。

结论 本研究首次在CF大鼠模型中观察到自发性肺部定植，并揭示了肠道-肺轴在CF中的潜在作用。研究结果表明，CF大鼠模型能够复现人类CF的疾病特征，包括肺部微生物组的变化和Pseudomonas aeruginosa感染的持久性。此外，Ivacaftor治疗能够改善CF大鼠的肠道微生物组，并可能对肺部微生物组产生有益的影响。这些发现为未来的研究提供了重要的基础，并可能为CF的治疗提供新的策略。