条文本
PDF
文摘
客观的慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一个全球性的疾病的特点是慢性阻塞肺气流干扰正常的呼吸。虽然建立了呼吸道微生物群与慢性阻塞性肺病,慢性阻塞性肺病肠道微生物群发展的因果关系尚未建立。我们旨在解决肠道微生物群组成和COPD肺发展之间的联系,和描述细菌及其派生的活性成分的慢性阻塞性肺病改良。
设计鼠COPD吸烟(CS)的模型和策略评估因果效应的微生物群进行。肠道微生物群的结构进行了分析,其次是隔离目标细菌。单个细胞RNA序列,结合血清代谢组学分析来识别主机响应分子。细菌中活性成分分离,其次是功能分析。
结果肠道微生物群组成显著影响慢性阻塞性肺病CS-induced发展,粪便微生物群移植恢复COPD发病机理。一个共生的细菌Parabacteroides goldsteinii是孤立和改善慢性阻塞性肺病。减少肠道炎症和增强结肠细胞的线粒体和核糖体活动的系统恢复异常的主机在血清氨基酸代谢,慢性阻塞性肺病和抑制肺部炎症作为重要的改善机制。此外,脂多糖是从p . goldsteinii抗炎,显著改善了慢性阻塞性肺病充当toll样受体的拮抗剂4信号通路。
结论肠道慢性阻塞性肺病microbiota-lung轴连接。潜在benefial菌株及其功能组件可以开发和使用替代药物预防或治疗慢性阻塞性肺病。
- 肠道微生物
- 免疫学
数据可用性声明
合理的请求数据。所有数据都包含在相关研究文章或上传在线补充信息。的数据支持本研究的发现可以从相应的作者,以合理的要求。
来自Altmetric.com的统计
本研究的意义
已知在这个问题上是什么?
虽然有许多先前的研究,管理方式的慢性阻塞性肺病(COPD)仍遭遇困难。
微生物群组成的呼吸道被证明与慢性阻塞性肺病严重程度和发展密切相关。然而,肠道慢性阻塞性肺病microbiota-lung轴是否也存在不成立。
此外,没有微生物群衍生剂(s)确定有效改善慢性阻塞性肺病。
有什么新发现吗?
肠道慢性阻塞性肺病microbiota-lung轴成立于这项研究。
慢性阻塞性肺病菌株显示改善效果是孤立的。
抗炎脂多糖(LPS)分子纯化从这种细菌可以改善慢性阻塞性肺病。
它会如何影响临床实践在可预见的未来吗?
有益的菌株(Parabacteroides goldsteiniiMTS01),连同它的派生有限合伙人(p . goldsteinii有限合伙人)可能被开发作为代理慢性阻塞性肺病的临床实践。
介绍
慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种多维进步肺部炎性疾病,病理变化的大型和小型航空公司。1 2慢性阻塞性肺病有一个巨大的全球流行(2016年2.51亿例),导致高死亡率(2015年317万人死亡),预测的是2020年死亡的第三大主因。3 - 5慢性阻塞性肺病有许多措施管理;然而,持久的和进步的肺部炎症患者中仍普遍。6 7
微生物群的角色在宿主的健康发展是强调,8 - 10一些支持呼吸道微生物的作用对发病,进展、促销和慢性阻塞性肺病慢性的严重性。11新兴证据表明肠道微生物群组成和肺部免疫之间的相互作用。12然而,慢性阻塞性肺病肠道微生物群组成和发展之间的关系仍然是特征。
我们建立了肠道慢性阻塞性肺病microbiota-lung轴使用鼠标吸烟(CS)模型,和战略的粪便微生物群移植(FMT)和抗生素(ABX)治疗。一个肠道共生的Parabacteroides goldsteinii高亮显示(Pg)是显著负相关的慢性阻塞性肺病的严重性。自行口服孤立的Pg MTS01显著改善慢性阻塞性肺病CS-induced综合症,以减少炎症和改善细胞核糖体生物起源活动在肠和线粒体功能,系统恢复异常血清中氨基酸代谢,减少肺组织炎症。脂多糖(LPS)源自Pg-LPS随后特征作为toll样受体4(地)受体拮抗剂和工作作为一种活性成分,改善CS-induced慢性阻塞性肺病。我们的研究强调了重要的因果关系的肠道微生物群在COPD发病机理中的作用,建立了慢性阻塞性肺病gut-lung轴。此外,一个潜在的益生菌细菌的有限合伙人可能作为COPD改善代理被报道。
方法
CS-induced COPD模型
C57BL / 6小鼠(8 - 10周大)购买国家实验动物中心(台北,台湾)和无菌条件下保持12小时后(光/暗周期),与一个星期适应时期。老鼠与正常饮食(实验室Autoclavable啮齿动物饮食5010;美国LabDiet)在整个实验。
使用的CS-induced COPD模型从他修改等。13简单地说,老鼠暴露在CS从12 3 r4f香烟(肯塔基州大学)一天两次(每天24支),12周5上星期的今天,身体重量每周被监视。肺功能被强制评估肺操纵系统(美国威明顿Buxco研究体系)和支气管肺泡灌洗液(BALF)和石蜡的肺部得到每个鼠标确认慢性阻塞性肺病表型。详细的动物实验方法和测量中可以找到在线补充方法。
分析肠道微生物群的结构
我们跟着协议/我们的先前的研究14 - 16和详细的方法和工作流中可以找到在线补充方法和在线补充图S1。总之,偏最小二乘判别分析(PLS-DA)分析被用来评估sample-species复杂性(β多样性分析)。统计上显著的生物标志物(LDA分数(log10) > 4.0, p < 0.05)在CS老鼠发现使用LEfSe分析也证实了使用metagenomeSeq (q < 0.05)。此外,细菌种类显著改变ABX治疗(q < 0.05)或FMT (p < 0.05)使用metagenomeSeq被确定。
Pg栽培和基因组测序
Pg MTS01隔绝粪便ABX实验和小鼠的生长在厌氧条件下37°C。Illumina公司和Pacbio平台是用于Pg MTS01的全基因组测序。详细的实验中可以找到的方法在线补充方法。
ScRNAseq分析结肠癌和肺癌组织和血清代谢组学分析
CTL的结肠癌和肺癌组织,CS和CS管理与Pg小鼠组织收集12周后,受到10 x基因单细胞3的基因表达分析。血清代谢物进行分析和质。详细的实验和分析方法中可以找到在线补充方法。
Pg-LPS净化及其拮抗效应
通过使用热phenol-water提取Pg-LPS被孤立。拮抗效应分析了HEK-Blue-mTLR4细胞上,鼠标CD11c +树突状细胞(DC)细胞,人类PBMC细胞和小鼠B细胞治疗大肠杆菌O111: B4有限合伙人。详细的实验中可以找到的方法在线补充方法。
统计分析
数据显示为±SD和中位数±差参数和非参数分析,分别。两组之间的差异正在评估使用未配对的双尾学生的学习任务。数据集包括以上两组由单向方差分析评估,之后通过非参数克鲁斯卡尔-沃利斯检验Newman-Keuls多重比较(见图传说)。
结果
慢性阻塞性肺病的肠道微生物群参与发展的证据
肠道微生物群是否可能导致CS诱导慢性阻塞性肺病的发展,我们使用慢性肺部炎症的小鼠CS模型(在线补充图S2)。CS老鼠吸烟明显失去了体重12周(在线补充图S2a, b),增加免疫细胞的渗透BALF (在线补充图S2c)。相比之下,体重增加和减少渗透在CS小鼠免疫细胞观察cohoused与控制(CO-CTL)集团(在线补充图S2a-c)。比较,对照组cohoused CS (CO-CS)集团发展异常的表型(在线补充图S2a-c)。
认识提高,组织学分析肺组织切片证实CS-exposed老鼠显示外围气性变化特点是肺泡壁的破坏和增大领空而CTL老鼠。相比之下,CO-CTL组恢复了病理学,而CO-CS组恶化(在线补充图S2d, e)。认识提高,类似的现象在生产白细胞介素(IL) - 1β和肿瘤坏死因子(TNF) -αCD11C + DCs和F4/80 + CD11b +巨噬细胞细胞(在线补充图S2f, g),CD4 + NKP46 + Th17细胞IL-17A生产和il - 10生产CD4 + FoxP3 + Treg细胞也观察到(在线补充图S2h)。此外,评估肺功能还显示一致的结果(在线补充图S2i-l)。虽然肠道微生物群没有确定,共住结果推测,有利和不利的肠道细菌可能分别存在于CTL和CS老鼠。
ABX治疗减少CS-induced COPD发病机理
确定肠道微生物群组成在慢性阻塞性肺病开发的重要性,个人(万古霉素(VAN)、新霉素(NEO),甲硝哒唑(满足)和氨苄青霉素(AMP))和组合ABX17是口头管理CS前小鼠2周。异常的表型观察到CS老鼠(图1 a - kABX)均明显改善,AMP和VAN-treated组。相比之下,口服NEO或遇到治疗没有明显影响COPD发病机理(图1 a - k)。因此,共生的微生物群组成影响炎症和CS-induced COPD的发病机制和治疗最佳ABX易诱发小鼠减少发病机制在COPD的肺。
建立肠道microbiota-COPD发展关系。小鼠口服抗生素管理(NEO, AMP,范,和ABX)评估抗生素治疗慢性阻塞性肺病的影响发展的CS老鼠。体重的百分比变化是衡量整个12周(A)。(B)体重变化,BALF细胞成分(C)、流式细胞术分析生产IL-1β和TNF-αF4/80 + CD11b +巨噬细胞(D), IL-17A CD4 + NKp46 + Th17细胞和il - 10在CD4 + FoxP3 + Treg细胞(E),在肺组织病理学(F)和肺组织的平均线性拦截(G)和肺功能分析包括FRC (H)、FVC(我),Cchord (J)和FEV100 / FVC (K) 12周后测量。通过使用antibiotics-treated老鼠的粪便微生物群作为供体,FMT看到他们执行对COPD发展CS受体小鼠的影响。体重的百分比变化是衡量整个12周(L)。体重变化(M), BALF细胞成分(M)、流式细胞术分析生产IL-1βF4/80 + CD11b +巨噬细胞和CD4 + NKp46 + IL-17A Th17细胞(O),肺组织病理学(P)和肺组织的平均线性拦截(Q)和肺功能分析包括FRC (R)、FVC, Cchord (T)和FEV100 / FVC (U) 12周后测量。FMT,粪便微生物群的控制(CTL), CS, ABX, NEO, AMP和VAN收集,紧随其后的是收件人CS小鼠口服。除了面板F P,数据代表意味着±SD或中位数±差进行了分析使用Newman-Keuls事后多重比较单向方差分析分析(n = 6 - 12为面板j和n = 5 - 6面板钴)。* p < 0.05;* * p < 0.01;* * * p < 0.001。 ANOVA, analysis of variance; ABX, antibiotics; AMP, ampicillin; BALF, bronchoalveolar lavage fluid; CS, cigarette smoking; COPD, chronic obstructive pulmonary disease; FMT, faecal microbiota transplantation; IL-1β, interleukin 1β; MET, metronidazole; NS, not significant; TNF-α, tumour necrosis factor α; VAN, vancomycin.
肠道微生物群组成扮演一个因果影响慢性阻塞性肺病的发展
ABX治疗的有利影响可能是介导通过改变肠道微生物群组成。是否会改变肠道微生物群结构因果影响慢性阻塞性肺病开发,FMT实验进行。捐赠者粪便微生物群的CTL或CS老鼠被ABX, NEO, AMP或货车被转移到CS-recipient老鼠。粪便微生物群的CTL, ABX-treated AMP-treated或VAN-treated小鼠显著改善慢性阻塞性肺病综合征(图1 l-u)。相比之下,微生物群来自CS或NEO-treated老鼠CS收件人未能扭转慢性阻塞性肺病的特征(图1 l-u)。简单地说,计算机科学的慢性阻塞性肺病治疗产生的改善效果与ABX老鼠,AMP或货车通过肠道微生物群的可转换的移植。因此,改变肠道微生物群的结构可能扮演一个因果影响COPD发病机理。
各组小鼠的肠道微生物群组成是决定使用微生物群16 s核糖体DNA测序(图2一个)。Erysipelotrichaceae的相对丰度,细菌性的和Ruminococcaceae显著降低,而Lachnospiriaceae增加粪便的CS老鼠老鼠与细胞毒性t淋巴细胞(在线补充图S3a-c)。ABX治疗和FMT会影响CS小鼠的肠道微生物群的构成(图2一个和在线补充图S3d, e)。十七个细菌种类显著改变抗生素(ABX NEO, AMP和VAN)与c组相比被确定通过使用metagenomeSeq (图2 b)和17岁之间的相关性细菌物种,并慢性阻塞性肺病的特征进一步分析(图2 c)。p . goldsteinii和大肠杆菌与慢性阻塞性肺病严重程度显著负相关(图2 c)和Pg的相对丰度大肠杆菌在16 s测序数据主要是与那些由qPCR验证一致,除了Pg安保组的相对丰度没有显著改变qPCR数据(在线补充图S3f-i)。此外,细菌种类显著改变了FMT任意两组之间表示只有Pg ABX增加趋势,货车,AMP治疗小鼠组(图2 d和在线补充图S3j)。此外,慢性阻塞性肺病严重程度之间的正相关和Lachnospiriaceae在CS显著增加小鼠观察(图2 c和在线补充图S3k)。因此,一起获得的所有数据,Pg被选为后续研究。
消极的协会Parabacteroides goldsteinii在不同的小鼠组与慢性阻塞性肺病严重程度。十大最丰富的粪便微生物群细菌CTL的家属,CS, ABX, NEO, AMP和VAN治疗小鼠组(A)所示。由抗生素细菌种类显著改变(ABX NEO, AMP和VAN)与C组相比(q < 0.05)所示的热图(B)。斯皮尔曼的17之间的相关分析确定细菌种类和慢性阻塞性肺病的特征(C), p值修正为多个比较利用Benjamini和业务(BH)方法。(+ p < 0.05;+ + p < 0.01;#调整p < 0.05;# #调整p < 0.01)。细菌种类显著改变了FMT (CTL-CS、CS-CS ABX-CS, NEO-CS, AMP-CS和VAN-CS)任意两组之间(p < 0.05)所示的热图(D)。热图(B, D)的值是基于行缩放(z分数)的相对丰度。ABX抗生素;AMP、氨苄西林;CS,吸烟; COPD, chronic obstructive pulmonary disease; CTL, control; FEV, forced expiratory volume; FMT, faecal microbiota transplantation; FVC, forced vital capacity; NEO, neomycin; VAN, vancomycin.
的Pg MTS01改善慢性阻塞性肺病
一个Pg菌株MTS01 (在线补充图S4a)随后隔绝ABX-treated粪便微生物群样本。全身的16 s rRNA基因测序Pg MTS01显示,99.9% Pg JCM13446的身份。14口服治疗Pg MTS01 (2×108菌落每天每只老鼠)显著增加身体体重增加(7.4%)和改善COPD表型(图3 j)。同时,肺癌ZO-1和Occludin的表达与呼吸道mRNA-linked完整性也增加(在线补充图S4b, c)。
Parabacteroides goldsteiniiMTS01改善慢性阻塞性肺病。生活p . goldsteinii(Pg) MTS01 2×10的菌落8是口头管理CS老鼠来评估其对COPD的影响发展。体重的百分比变化是衡量整个12周(A)。(B)体重变化,BALF细胞成分(C)、RNA的表达IL-1βTNF-α肺(D),在肺组织病理学(E)和肺组织的平均线性拦截(F)和肺功能分析包括FRC (G)、FVC (H), Cchord(我)和FEV100 / FVC (J) 12周后测量。除了面板E,数据代表意味着±SD或中位数±差(n = 5)分析了使用Newman-Keuls事后多重比较单向方差分析分析。* p < 0.05;* * * * * p < 0.01, p < 0.001。方差分析,方差分析;BALF、支气管肺泡灌洗液;慢性阻塞性肺病,慢性阻塞性肺疾病;CS,吸烟;细胞毒性t淋巴细胞,控制; IL-1β, interleukin 1β; NS, not significant; TNF-α, tumour necrosis factor α.
CS一直显示为肠粘膜损害的危险因素。18在结肠,Pg MTS01治疗减少促炎细胞因子的表达,如IL-1β和TNF-α(在线补充图S4d),增加表达ZO-1和Occludin (在线补充图S4e, f在CS的老鼠。Pg MTS01进一步恢复TNF-α-induced增加t细胞层渗透率的Caco-2-cells体外模型(在线补充图S4g)。Pg MTS01体重变化的影响,在肺和肝脏组织病理学,血清GPT和包子水平显示,Pg MTS01对健康小鼠(没有不利影响在线补充图S4h-l)。
Pg MTS01减少肠道炎症,增强细胞核糖体和CS小鼠线粒体活动
Pg MTS01政府减少促炎细胞因子的生产和增加肠道的完整性在冒号(在线补充图S4d-g)。进一步描述Pg MTS01政府对生理的影响结肠细胞RNA单细胞测序(scRNAseq)和分析结肠tissue-derived CS细胞小鼠有/没有Pg MTS01治疗进行(图4 a, B)。具体地说,在CS和CTL的老鼠相比,增加脂肪酸/类花生酸代谢相关基因的表达,膜微绒毛形成和肽链内切酶的活动,而涉及核糖体生物起源的基因表达减少,线粒体活动观察(在线补充数据集1和图S5a b)。相比之下,Pg MTS01管理显著调节基因的细胞抗氧化剂,氧化还原过程、抗菌药物、线粒体两极化,核糖体活动和CS老鼠粘蛋白生产(图4 c, D和在线补充数据集2)。表达水平的Mptx1(粘膜pentraxin 1), Ang4(4)血管生成素、核糖核酸酶家族成员和Muc2(粘蛋白2)(在线补充图S5c-e),RNR1(线粒体编码12 s rRNA), RNR2(线粒体编码16 s rRNA) Cytb(线粒体编码细胞色素B), PGC-1α(过氧物酶体proliferator-activated受体γ共激活剂1α),ND-5(线粒体编码NADH-ubiquinone氧化还原酶链5蛋白)和线粒体编码转录因子的基因与氧化压力和核糖体、线粒体活动,进一步验证了qPCR (在线辅助表S1和图S5f-k)。相比之下,Pg MTS01没有显著下调通路在CS老鼠。
单个细胞RNA序列(scRNAseq)分析结肠肠上皮细胞(IEC)和肺组织的细胞毒性t淋巴细胞,CS和CS管理Parabacteroides goldsteiniiMTS01小鼠组。结肠IEC, t-SNE分析的结果(A)和细胞类型的比例(B)由单一的热图之间的差异表达基因C和C + Pg组(C),以及去浓缩通路分析(D)所示。肺组织,t-SNE分析的结果(E)和比例的细胞类型(F)由单一的热图c和c + Pg之间的差异表达基因集团(G),以及去富集分析(H I)所示。直流,树突细胞;CS,吸烟;细胞毒性t淋巴细胞,控制
在慢性阻塞性肺病,核糖体减少生源论活动与线粒体功能障碍。19耗氧速率(OCR)和细胞外的酸化速率(ECAR)与氧化磷酸化和糖酵解non-mitochondria函数,分别测定。Pg MTS01异常OCR活动增加和减少ECAR CS老鼠(在线补充图S5l, m)。Pg MTS01可能因此减少炎症,恢复废除结肠细胞核糖体和线粒体活动的CS老鼠。
Pg MTS01系统恢复异常的胺基酸代谢在Cs老鼠
的现象,口服Pg MTS01改善COPD肺发病机理可能与恢复系统的异常代谢的血液。进一步描述是否有代谢组学不影响小鼠血清Pg MTS01治疗,带正、负电荷一道metabolite-analyses进行分析。独创性规范化路径分析血清代谢物表明Pg MTS01政府最重要的异常改善氨基acid-related CS老鼠的新陈代谢和tRNA-amino酸收费活动,包括增加瓜氨酸和脯氨酸的生物合成、降解苯丙氨酸、甘氨酸和精氨酸周转率(在线补充图S6a-d)。Pg MTS01可能因此提高氨基酸代谢与细胞核糖体、线粒体活动和尿素循环周转(在线补充图S6c)。
Pg MTS01降低Cs小鼠肺部炎症
管理Pg MTS01增强肺完整性(在线补充图S4b, c)和减少炎症在COPD肺(图3 d)。进一步的肺组织单细胞RNA序列分析表明CS也增加了可行的项B细胞,巨噬细胞和T细胞和中性粒细胞数量减少,由Pg逆转MTS01管理局(图4 e, F)。此外,Pg MTS01明显恢复的异常基因表达模式识别在CS老鼠。特别是通过MHCII基因抗原处理和表示,和B细胞受体信号通路在B细胞减少(图4胃肠道,在线补充数据集3、4和图S7a b)。相比之下,基因涉及抗氧化活性、eicosanoid-binding活动,脂肪酸合成和免疫反应调节(图4胃肠道,在线补充数据集3 - 4和图S7a b)。其中,表达式的Scgb1a1消炎作用中扮演了重要作用被Pg MTS01最重要的调节20 21(在线补充图S7c)。然而,Pg MTS01并未显著降低小鼠血清免疫球蛋白水平CS (在线补充图S7d)。短暂,Pg MTS01减少overinflammatory免疫反应,包括那些与B细胞受体信号在肺组织中。
Pg MTS01有限合伙人(Pg-LPS)抵销大肠杆菌LPS-induced炎症
有限合伙人的促炎与氧化应激增加,有关生产促炎细胞因子和COPD的发病机制。22所示图5 a, B,有限合伙人的活动以血清和肺在CS BALF都显著增加小鼠相比,CTL老鼠。相比之下,Pg MTS01管理显著降低这些LPS检测活动。
有限合伙人纯化从Parabacteroides goldsteinii(Pg) MTS01 (Pg-LPS)抵销炎症引起的大肠杆菌O111。B4有限合伙人(EC-LPS)。BALF的促炎有限合伙人活动(A)和血清在细胞毒性t淋巴细胞(B), c和c + Pg组织检测到HEK-Blue-mTLR4记者细胞被显示。圆形基因组Pg MTS01地图(C)所示。kdo2-lipidA在EC的生物合成途径是(D)所示,表明LpxL和LpxM负责添加第五和第六酰基链为Kdo2-lipid EC脂质a .假定的基因合成Pg MTS01被确定爆炸搜索使用EC MG1655脂生物合成基因的查询。基因标识和位置以及身份与EC MG1655和相比拟杆菌doreiDSM17855 (E)表示。影响不同剂量的有限合伙人来自EC O111。B4 (EC-LPS)或Pg MTS01 (Pg-LPS)在HEK-Blue-mTLR4记者NF-kB激活细胞(F)所示。Pg-LPS的敌对的结果在HEK-Blue-mTLR4 EC-LPS NF-kB激活诱导细胞(G)所示。竞争的Pg-LPS FITC-EC-LPS绑定在HEK-Blue-mTLR4细胞(H)所示。影响EC-LPS或Pg-LPS在单一或组合管理CD86的表达和B细胞扩散进行了分析通过流式细胞术和(I)和(J)所示,分别。的对抗结果Pg-LPS在EC-LPS诱导TNF-αCD11c +骨髓树突状细胞和IL-1β在人体外周单核细胞(K)和(左)所示,分别。细胞因子水平表示为相对比例相比,水平引起EC-LPS(灰色栏)。数据代表意味着±SD分析使用Newman-Keuls事后多重比较单向方差分析分析。* p < 0.05;* * p < 0.01;* * * p < 0.001;* * * * p < 0.0001。B细胞增殖表示CFSE减半,绿色荧光染料,分区之间大约同样的后代。 ANOVA, analysis of variance; BALF, bronchoalveolar lavage fluid; CS, cigarette smoking; CTL, control; IL-1β, interleukin 1β; LPS, lipopolysaccharide; NS, not significant.
爆炸的整个基因组序列分析Pg MTS01 (图5 c)强调基因参与脂质合成与识别拟杆菌dorei(图5 d, E),叫多形拟杆菌。23拟杆菌species-derived有限合伙人亚型表现出显著降低endotoxicity和immune-stimulatory响应相对于肠道分离出来的促炎的有限合伙人。24日25日大肠杆菌通常产生脂质分子有六个酰基链。26相比之下,Pg MTS01缺乏LpxM,酰基转移酶的基因的一个直接同源,预计将产生脂质和五个酰基链(图5 d, E)。
是否Pg MTS01和大肠杆菌展出subtype-specific有限合伙人免疫原性差异,对测量细胞活化的影响。HEK-Blue-mTLR4记者NF-kB激活的细胞,特别是测量了促炎的有限合伙人的活动。而来自大肠杆菌O111。B4 (EC-LPS)开始激活NF-kB活动的浓度1 ng / mL, Pg-LPS 1000 ng / mL的浓度仍然未能激活(图5 f)。Pg-LPS进一步显示敌对影响EC-LPS活动。在1:1的比例浓度下,NF-kB活动激活EC-LPS被添加Pg-LPS减少80% (图5克)。进一步的研究表明,Pg-LPS与EC-LPS TLR4受体结合剂量依赖性的方式(图5 h)。
是否EC-LPS和Pg-LPS互动的现象也发生在其他免疫细胞是未来解决。CD19 CD86的表达和增殖+B细胞由EC-LPS招致敌对Pg-LPS (图5 i, J)。认识提高,生产过剩的TNF-αCD11c +骨髓衍生DCs (图5 k),IL-1β在人体外周单核细胞(图5 l)EC-LPS治疗也存在剂量依赖的相关性降低Pg-LPS管理,分别。没有细胞毒性显示细胞Pg-LPS处理(在线补充图S8a)。简而言之,Pg-LPS EC-LPS和抵销其促炎的竞争活动。
Pg-LPS改善慢性阻塞性肺病CS-induced综合症
Pg-LPS随后调查看到改善的潜力CS-induced COPD发病机理。腹腔内(i.p。)管理促炎的有限合伙人增强肺气肿发展在慢性阻塞性肺病,27我们测试的影响i.p。治疗CS Pg-LPS的老鼠。CS老鼠有或没有i.p。Pg的治疗- - - - - -有限合伙人(0.2或2 100年µgµL盐水为每个老鼠)每周两次是慢性阻塞性肺病表型。CS老鼠相反,Pg-LPS治疗明显增加体重增加了18%和13.9%在低和高剂量,分别为(图6 a, B),降低BALF cellular-infiltration (图6 c),正常肺部病理和功能(图6 d - i)。此外,Pg-LPS减少促炎细胞因子的表达,如IL-1β和TNF-α肺组织(图6 j, K)和结肠(图6 l, M慢性阻塞性肺病)的老鼠。认识提高,增加LPS浓度和BALF中活动(图6 n)和血清(图6 o慢性阻塞性肺病)的老鼠Pg-LPS都显著降低。进一步的研究表明,控制老鼠Pg-LPS对待正常的肝脏和肾脏功能(在线补充图S8b, c)。因此,有限合伙人Pg MTS01起源CS-induced改善COPD的老鼠。
Pg-LPS改善COPD发展CS老鼠。Pg-LPS ip治疗后,体重变化(A、B), BALF细胞成分(C)、肺组织病理学(D),肺组织的平均线性拦截(E),肺功能分析包括FRC (F)、FVC (G), Cchord (H)和FEV100 / FVC(我),信使rna表达水平分析IL-1β和TNF-α肺组织(J, K)和结肠(L, M),分别在BALF和内毒素活动(N)和血清(O)。LPS-L, H: Pg-LPS在0.2和2µg /每周两次,3个月。除了面板D,统计分析了使用Newman-Keuls事后多重比较单向方差分析分析(n = 3 - 6)。* p < 0.05;* * p < 0.01;* * * p < 0.001。方差分析,方差分析;BALF、支气管肺泡灌洗液;CS,吸烟; COPD, chronic obstructive pulmonary disease; CTL, control; FEV, forced expiratory volume; FVC, forced vital capacity; IL-1β, interleukin 1β; i.p., intraperitoneal; LPS, lipopolysaccharide; TNF-α, tumour necrosis factor α.
讨论
本研究强调,肠道微生物群失调扮演一个因果效应影响CS-induced COPD发病的严重程度。因此,潜在的轴之间的肠道微生物群的组合可以建立COPD和肺癌。人类最近的一项研究还发现,细菌种类不同粪便微生物之间的COPD患者和健康对照组。28不仅目前的证据强烈表明,呼吸道,也是人类肠道微生物群的结构都可能参与控制慢性阻塞性肺病的发展。微生物群的构成BALF细胞毒性t淋巴细胞,CS和ABX小鼠组织决心使用微生物群16 s核糖体DNA测序(在线补充图S9),这表明CS或ABX治疗影响BALF微生物群的构成。在CS ABX治疗小鼠的改善效果也可能是部分原因是肺部微生物群组成的变化。基于这些结果,维持微生物群内稳态结肠和呼吸道必须考虑设计一个有效的策略来预防/治疗慢性阻塞性肺病。
过程中12周的烟雾暴露和co-housing实验对照组cohoused与CS (CO-CS)集团发展异常的表型,如所示在线补充图S2。即便如此,我们不能来固体结论CS-induced肠道微生物群组成异常起着异常造成影响COPD-related表型控制老鼠。部分原因是不仅吸收彼此的粪便细菌,cohoused老鼠也舔对方的皮肤皮毛和暴露cigarette-derived物质,可以坚持的床上用品和墙壁笼由于烟雾暴露。因此,异常COPD-related表型观察控制老鼠可能只有部分是由于传输的不正常的肠道微生物群细菌smoke-exposed老鼠。除了粪便微生物群,其他因素也可能参与影响COPD-related表型。因此,我们没有确定肠道微生物群的成分在这个场景中。确认的可能性肠道microbiota-COPD轴,FMT随后执行建立关系。
细菌在肠道微生物群的影响,增加丰富Lachnospiraceae (在线补充图S3a-c, k)可能是其中一个因素导致异常的炎症和减少在结肠细胞的生理活动。一致,增加大量的Lachnospiriaceae也报道在许多其他慢性炎症相关的疾病,如炎症性肠病、肠易激综合征腹泻,肥胖和后压力。29日人类最近的一项研究也报道了多个家族成员Lachnospiraceae与肺功能降低。28另一方面,从ABX-treated FMT小鼠减少肠道炎症,促进肠道的完整性,改善肺COPD发病机理,Pg(丰度呈正相关,图2罪犯和在线补充图S3f h, j)。一个假设是,开发潜在的有害细菌的最优耗竭和/或浓缩的有益的细菌在肠道可能被视为另一种慢性阻塞性肺病的改进策略。后续研究使用孤立的Pg MTS01作为唯一的细菌口服药对慢性阻塞性肺病改进验证其影响,从而吸引潜在的调查机制通过Pg MTS01改善慢性阻塞性肺病。
最近的一项研究发现,Pg显著减少患者的慢性肾脏疾病也是一种慢性炎症性疾病。30.似乎没有许多报道与Pg丰富有关。的原因之一可能是Pg增长严重并有选择地受到一些糖和多糖的影响。例如,那些来自中国传统医学(中医)真菌,如灵芝和被毛刺激经济增长(赖等,未发表)。人类大规模的调查,特别是有关中药多糖管理,有必要提供更深入的信息。
以前会导致肠道炎症和严重的结肠炎,31日对受损的肠道ribosomal-biogenesis紧密相连。32此外,与计算机科学相关的管制的核糖体生物起源也与细胞衰老表型33和老化,如早衰和Hutchinson-Gilford早衰症综合征。34另一方面,抑制线粒体呼吸活性与COPD的发病机制有关,19 34和可能是肺CS毒性的关键机制。具体来说,线粒体功能障碍与损失我转录的RNA聚合酶,因此,影响平移富达,引起内质网应激和凋亡。34此外,CS与皮下脂肪损失,可能会导致计算机科学减肥老鼠35(图1 a, B)、恶病质、36动脉粥样硬化、脱发、骨质疏松症、白内障。37因此,Pg MTS01扰动或恢复异常的结肠核糖体生物起源和线粒体活动CS-induced慢性炎症可能更有害。
CS系统也表现出异常的胺基酸代谢,包括蛋白质合成代谢降低,增加蛋白质分解代谢38(在线补充图S6)。值得注意的是,Pg MTS01系统促进氨基酸代谢,尤其是参与调节尿素循环,oxide-biosynthesis氮和柠檬酸循环活动(在线补充图S6)。精氨酸的代谢减少失误和L-citrulline参与线粒体三羧酸,argino-succinate分流和尿素循环,氮oxide-biosynthesis活动(在线补充图S6)是由Pg MTS01恢复管理。虽然Pg MTS01影响氨基酸代谢的恢复可能与增强细胞核糖体、线粒体活动,更详细的分子机理的研究是必要的。
以前的研究也表明,免疫球蛋白的数量1同形像抗体与COPD发病和严重程度呈正相关。39Pg MTS01政府并没有显著降低小鼠慢性阻塞性肺病的总血清免疫球蛋白水平,尽管疲软的趋势观察(在线补充图S7d)。Pg MTS01对其他同形像的影响需要进一步调查。同时,Pg MTS01显著降低scgb1a1的表达水平(在线补充图S7c),细支气管细胞来源于Scgb1a1-expressing祖细胞作为主要的前哨细胞气道,负责控制免疫反应。此外,关于COPD-pathogenesis,尤其是肺气肿是慢性阻塞性肺病的后期开发,B细胞和B细胞种类淋巴滤泡的作用已经凸显。40具体来说,增加IgA1-production b细胞计数观察肺内lymphoid-follicles远端肺实质慢性阻塞性肺病的科目。41除了DCs和巨噬细胞,B细胞能吸收,过程和呈现抗原T细胞的反应。40本研究结果所示表明over-activated B细胞信号通路中观察到肺的CS老鼠显著降低由Pg MTS01 (图4胃肠道)。此外,CD86的表达水平和B细胞增殖引起EC-LPS也不顾Pg-LPS (图5 i, J)。这些结果表明Pg MTS01可能恢复的影响,至少在某种程度上,通过调制的B细胞活动,Pg-LPS可能对B细胞直接监管作用。Pg的改善机制是否MTS01 / Pg-LPS COPD肺可能依赖于B和T细胞之间的相互作用,甚至其他免疫细胞还有待进一步确定。
出乎意料,scRNAseq分析COPD的肺动物显示减少的中性粒细胞和T细胞数量相对于对照组(图4 f),不同于那些获得细胞分析(图1 c)。中性粒细胞是中央在COPD发病机理,NETosis丰富neutrophil-dominant难治性肺部疾病的细胞死亡指标。42另一方面,T细胞在慢性阻塞性肺病炎症也发挥重要的作用,43和平均增长103%,细胞凋亡在早期被发现在慢性阻塞性肺病患者与正常人群。43自scRNAseq主要分析了生活和完整的细胞,我们观察到的现象可能表明CS诱导NETosis42和T细胞的凋亡,44导致后续炎症发展。治疗Pg MTS01可行的中性粒细胞和T细胞的数量增加,这可能是其改善效果密切相关。
促炎有限合伙人主要由革兰氏阴性变形菌门一直密切与慢性阻塞性肺病的发展。45此外,香烟往往含有促炎有限合伙人污染物。46增加释放促炎的有限合伙人在血清和BALF CS小鼠慢性阻塞性肺病可能启动和推进发展(图5 a, B),并建议促炎有限合伙人活动水平与炎症严重程度密切相关。Pg-LPS降低LPS活动在血清和BALF和表达下调基因涉及CS-induced LPS-related炎症、减轻导致COPD-pathogenesis (图6 j-o)。后来的研究表明,Pg-LPS并未显著提高细胞激活活动,甚至得罪的大肠杆菌LPS诱导激活活动(图5 f-l)。这些结果显示一个潜在的发展新战略在慢性阻塞性肺病治疗使用抗炎有限合伙人作为治疗药物。25Pg-LPS的改善效果也在另一个CS COPD模型检查的BALB / c小鼠已报告有一个非常不同的肠道微生物组成与C57BL / 6小鼠相比。47结果表明,CS Pg-LPS也改善了慢性阻塞性肺病发展BALB / c小鼠(在线补充图S10)。因此,影响Pg-LPS并不特定于C57BL / 6小鼠。虽然Pg-LPS的底层改善机制可能是通过与EC-LPS竞争TLR4受体,Pg-LPS进行改性的进一步研究,以改善其抗炎功效是至关重要的。
的一般影响hypoacylated脂质在抑制免疫活动前已报告。25通过基因组比较,lpx米可能编码一个酰基转移酶在脂质合成的过程中没有被发现Pg MTS01基因组(图5 d, E)。因此它是预测的结构脂质在Pg MTS01类似中确定拟杆菌spp如叫多形拟杆菌,拟杆菌dorei,脆弱拟杆菌,拟杆菌ovatus,Rhodobacter capsulatus和Rhodobacter sphaeroides,这是penta-acylated而不是hexa-acylated25 48(图5 e)。这些抗炎有限合伙人一般的特点是没有强有力的兴奋剂行为,甚至敌对的效果大肠杆菌派生的促炎有限合伙人。第23 - 25例如,来自Rhodobacter证明有效的促炎LPS-mediated拮抗细胞激活和保护小鼠免受促炎LPS-induced死亡。49个50在这中间,E5564形式Rhodobacter sphaeroides了防止慢性气道吸入代和炎症引起的有限合伙人。此外,b . fragilis和b . ovatus也减轻LPS-induced炎症小鼠,51而b . vulgatus和b . dorei有限合伙人endotoxaemia改善,减少肠道微生物生产,抑制促炎的免疫反应。52最近,消炎的论争的有限合伙人来自疲弱拟杆菌spp是由内毒素耐受诱导通过MD-2 / TLR4受体复杂轴在肠道固有层CD11c吗+细胞。53因此,Pg-LPS可能属于一个家族hypoacylated有限合伙人一般显示抗炎功能。
总之,Pg MTS01和Pg-LPS是潜在的治疗药物,可能发展成功能性益生菌10 25 54 55postbiotics,25分别以改善慢性阻塞性肺病(图7)。
假设的工作模型的改善效果Parabacteroides goldsteinii (Pg)MTS01 Pg-LPS CS-induced慢性阻塞性肺病。在CS-induced COPD模型中,发病机制增强肺等增加促炎细胞的浸润,增加释放促炎细胞因子和观察肺功能恶化(1)增加促炎(2)有限合伙人在系统循环明显。这些都是异常的系统性免疫密切相关(TLR4 overactivation)和代谢(氨基酸代谢障碍)活动的主持人。此外,CS也导致结肠癌发病恶化,包括减少核糖体生物起源、线粒体活动,和减少ZO-1 occludin生产(3)。此外,微生物群变化与COPD的发病机制(大量Lachnospiraceae与疾病严重程度呈正相关,而大量的Pg负相关)(3)。政府干预的Pg MTS01或其派生的有限合伙人(Pg-LPS)恢复结肠(4)的发病机理。Pg MTS01可能,至少在某种程度上,利用其有限合伙人作为拮抗剂的TLR4信号通路恢复异常的炎症和代谢表型(5)。因此,改善肺部慢性炎症,导致减少COPD发病机制实现(6),P-LPS炎性有限合伙人。慢性阻塞性肺病,慢性阻塞性肺疾病;CS,吸烟;有限合伙人,脂多糖;TLR4, toll样受体4。
数据可用性声明
合理的请求数据。所有数据都包含在相关研究文章或上传在线补充信息。的数据支持本研究的发现可以从相应的作者,以合理的要求。
伦理语句
病人同意出版
伦理批准
动物实验机构批准的动物保健和使用协议执行的天主教辅仁大学,根据他们的指导方针(动物伦理批准数字A10558和A10849)。
脚注
氯和几率同样起到了推波助澜的作用。
调整通知本文已经被修正,因为它第一次在网上发布。图4和图6已经更新。
贡献者几率构思的项目,导致实验设计,进行实验,解释结果,准备数据和写的手稿;T-WC scRNAseq分析执行;Y-LK微生物群进行了分析;C-JC和承包的导致了实验设计和完成实验;碳碳、Y-HT和SS审查和编辑稿件;氯和C-CL构思和监督项目,解释结果和写的手稿;结果和讨论的所有作者批准了手稿。
资金这项研究是由CORPD1F0013 CORPD1J0052从长庚医院,108 - 2321 - b - 182 - 002, 109 - 2320 - b - 030 - 010, 109 - 2327 - 182 - 001 b从科技部(大部分),微生物群研究CenterCentre长庚大学和研究新兴特色地区的病毒感染研究CenterCentre CenterCentre ProgramProgramme框架内的高等教育萌芽项目由教育部(MOE)在台湾和台湾(most109 - 3017 f - 182 - 001)。
相互竞争的利益没有宣布。
出处和同行评议不是委托;外部同行评议。
补充材料此内容已由作者(年代)。尚未审查由BMJ出版集团有限公司(BMJ)和可能没有被同行评议。任何意见或建议讨论仅代表作者(年代)和不了BMJ的支持。和责任起源于BMJ概不负责任何依赖的内容。内容包括任何翻译材料,BMJ并不保证翻译的准确性和可靠性(包括但不限于当地法规、临床指南,术语,药物名称和药物剂量),和不负责任何错误或遗漏引起的翻译和改编或否则。