肺部微生物组与代谢组在免疫抑制下的变化及曲霉菌感染的影响

《Cell Reports》：The murine lung microbiome is disbalanced by the human-pathogenic fungus Aspergillus fumigatus resulting in enrichment of anaerobic bacteria

本研究揭示了免疫抑制下小鼠肺部微生物组与代谢组的显著变化，以及曲霉菌（Aspergillus fumigatus）感染对肺部微生物组的重塑作用，为理解肺部感染机制提供了新视角。

　　本研究通过小鼠模型，深入探讨了免疫抑制、曲霉菌感染以及抗真菌治疗对肺部微生物组、代谢组以及肠道微生物组的影响。研究发现，免疫抑制和曲霉菌感染显著改变了肺部微生物组的组成，尤其是促进了厌氧菌Ligilactobacillus murinus的富集。此外，曲霉菌感染还通过消耗氧气创造了微需氧环境，进一步促进了厌氧菌的生长。这些发现不仅揭示了肺部微生物组在免疫抑制和感染状态下的动态变化，还强调了肠道微生物组与肺部微生物组之间的相互作用，为开发新的诊断方法和治疗策略提供了理论依据。

Highlights

• 免疫抑制和曲霉菌感染显著改变了小鼠肺部微生物组和代谢组的组成。
• 肠道微生物组通过血浆代谢组影响肺部稳态。
• 曲霉菌（Aspergillus fumigatus）感染促进了肺部厌氧菌Ligilactobacillus murinus的富集。
• 曲霉菌消耗氧气，创造了有利于厌氧菌生长的微需氧环境。

Summary 本研究通过小鼠模型，分析了免疫抑制、曲霉菌感染以及抗真菌治疗对肺部微生物组、代谢组以及肠道微生物组的影响。研究发现，免疫抑制和曲霉菌感染显著改变了肺部微生物组的组成，尤其是促进了厌氧菌Ligilactobacillus murinus的富集。此外，曲霉菌感染还通过消耗氧气创造了微需氧环境，进一步促进了厌氧菌的生长。这些发现不仅揭示了肺部微生物组在免疫抑制和感染状态下的动态变化，还强调了肠道微生物组与肺部微生物组之间的相互作用，为开发新的诊断方法和治疗策略提供了理论依据。

Introduction 长期以来，健康肺部被认为是无菌的环境。然而，随着分子技术的发展，如下一代测序技术，人们发现在下呼吸道中存在微生物DNA。尽管肺部微生物组的负荷远低于上呼吸道和其他宿主部位，但其在健康和疾病中的作用逐渐受到关注。例如，在慢性阻塞性肺疾病（COPD）、特发性肺纤维化等炎症性呼吸道疾病中，肺部微生物组的多样性降低，且与疾病严重程度相关。此外，肺部微生物组的组成与宿主的免疫状态密切相关，免疫抑制状态下的肺部微生物组变化尤为显著。本研究旨在探讨免疫抑制、曲霉菌感染以及抗真菌治疗对肺部微生物组、代谢组以及肠道微生物组的影响。

Results Ligilactobacillus在小鼠肺部微生物组中占主导地位 通过16S rDNA测序分析小鼠肺部微生物组，发现Ligilactobacillus是肺部微生物组中最丰富的菌属，占大多数样本（91/102）的最高DNA含量。此外，Faecalibaculum、Lactobacillus和Limosilactobacillus也是肺部微生物组的主要菌属。

免疫抑制和抗真菌治疗对微生物组和代谢组的影响 研究发现，免疫抑制对肺部微生物组的α多样性和β多样性没有显著影响，但有四种菌属的相对丰度发生了显著变化，其中Paracoccus的变化最大（log₂FC = ?7.265，FDR = 0.177）。相比之下，免疫抑制对肠道微生物组的影响更为显著，丰富度显著增加（Chao指数，p = 3.6 × 10^?5），均匀度显著降低（Shannon指数，p = 0.046）。此外，免疫抑制还导致血浆代谢组和肺部代谢组的显著变化，与肠道微生物组的变化密切相关。

曲霉菌感染对微生物组和代谢组的影响 为了研究曲霉菌感染对微生物组的影响，研究者使用了免疫抑制小鼠模型，并分别感染了曲霉菌野生型（WT）和突变型（ΔpptA）菌株。结果显示，感染WT曲霉菌的小鼠肺部微生物组中Ligilactobacillus的相对丰度显著增加（log₂FC = 2.852，FDR = 0.076），而感染ΔpptA菌株的小鼠则没有这种变化。此外，感染WT曲霉菌的小鼠肠道微生物组也发生了显著变化，特别是Escherichia/Shigella菌属的相对丰度增加了20倍。这些结果表明，曲霉菌感染不仅影响肺部微生物组，还通过血浆代谢组影响肠道微生物组。

抗真菌治疗对微生物组和代谢组的影响 研究还探讨了抗真菌药物伏立康唑（voriconazole）对微生物组和代谢组的影响。结果显示，伏立康唑治疗显著减轻了曲霉菌感染对微生物组和代谢组的改变。在感染WT曲霉菌的小鼠中，伏立康唑治疗显著降低了Ligilactobacillus的相对丰度，并减少了血浆和肺部代谢组中某些代谢物的变化。这些结果表明，抗真菌治疗可以部分恢复因曲霉菌感染而改变的微生物组和代谢组。

Ligilactobacillus murinus在小鼠下呼吸道中的培养 为了验证肺部微生物组的测序结果，研究者从小鼠下呼吸道分离了活菌。结果显示，Ligilactobacillus murinus是最常分离的菌种之一。此外，研究还发现，从不同供应商购买的小鼠中分离的细菌种类存在差异，这可能与小鼠的饲养环境有关。

Ligilactobacillus murinus的丰度与曲霉菌感染的关联 通过定量PCR（qPCR）分析，研究发现Ligilactobacillus murinus的DNA在感染WT曲霉菌的小鼠肺部样本中的含量显著增加。此外，Ligilactobacillus murinus的丰度与曲霉菌的负担呈正相关（R = 0.725，p = 0.003）。这些结果进一步证实了Ligilactobacillus murinus在曲霉菌感染中的重要作用。

曲霉菌通过创造微需氧环境促进Ligilactobacillus murinus的生长 为了探究曲霉菌如何促进Ligilactobacillus murinus的生长，研究者进行了体外共培养实验。结果显示，Ligilactobacillus murinus在与曲霉菌共培养时的菌落形成单位（CFU）显著增加。进一步的实验表明，曲霉菌消耗氧气，创造了微需氧环境，从而促进了Ligilactobacillus murinus的生长。这一发现为理解曲霉菌感染过程中肺部微生物组的变化提供了新的机制。

Discussion 本研究通过小鼠模型，揭示了免疫抑制、曲霉菌感染以及抗真菌治疗对肺部微生物组、代谢组以及肠道微生物组的影响。研究结果表明，曲霉菌感染不仅直接改变了肺部微生物组，还通过血浆代谢组影响肠道微生物组。此外，曲霉菌通过消耗氧气创造了微需氧环境，促进了厌氧菌Ligilactobacillus murinus的生长。这些发现为开发新的诊断方法和治疗策略提供了理论依据。未来的研究将进一步探讨Ligilactobacillus murinus在曲霉菌感染中的具体作用机制，以及如何利用这些发现开发新的治疗方法。

Limitations of the study 本研究的局限性在于肺部微生物组的分析受到低细菌生物量和低细菌与宿主DNA比例的限制，这使得高质量测序数据的获取较为困难。此外，研究中使用的伏立康唑治疗是在感染初期进行的，未来需要进一步研究伏立康唑在感染后期对微生物组和代谢组的影响。

Resource availability 本研究中使用的材料和数据均可从通讯作者处获得。所有材料均可在合理请求下提供。研究中生成的宏基因组数据已存储在欧洲核苷酸档案库（PRJEB76136），代谢组数据已存储在MetaboLights（MTBLS12262）。