去年，美格基因科学顾问、华南师范大学生命科学学院王璋研究员及其研究团队利用多组学meta分析揭示慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者呼吸道微生物群落的功能特征（点击查看文章详情），近日，王璋研究员团队在慢性阻塞性肺病与微生物群落关系研究上又有新进展，研究结果刊登在American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine期刊上，研究探究了COPD炎症内型与呼吸道微生物组的关系，并首次提出COPD“炎症—微生物组”联合分型的策略，为疾病精准分型与治疗提供新的思路。

慢性阻塞性肺疾病（COPD）炎症内型与呼吸道微生物组的关系：多队列纵向研究

Inflammatory Endotype–associated Airway Microbiome in Chronic Obstructive Pulmonary Disease Clinical Stability and Exacerbations: A Multicohort Longitudinal Analysis

作者：Zhang Wang, Nicholas Locantore, Koirobi Haldar, Mohammadali Yavari Ramsheh, Augusta S. Beech, Wei Ma, James R. Brown, Ruth Tal-Singer, Michael R. Barer, Mona Bafadhel, Gavin C. Donaldson,Jadwiga A. Wedzicha, Dave Singh, Tom M. A. Wilkinson, Bruce E. Miller, and Christopher E. Brightling

The First author and Corresponding author: Dr. Zhang Wang

期刊：American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine

时间：2021.6.15

影响因子：21.405

文章摘要

了解呼吸道微生物组在慢性阻塞性肺疾病（COPD）炎症内型中的作用可有助于开发基于微生物组的诊断与治疗方法，研究团队对在英国四个地点招募的510位COPD患者的1,706份痰液样本进行综合分析。分析结果发现嗜中性粒细胞COPD患者呼吸道中存在两种主要类型的微生物群落组成，其不同之处在嗜血杆菌属的比例、炎症因子、病情时空动态性及其与嗜酸粒细胞炎症的互换性，表明需要针对各自类型的患者采取不同的治疗方案。同时，论文发现部分特定非优势的微生物分类单元与嗜酸性粒细胞的时空变化相关，因此监控这些微生物组学特征可反映患者嗜酸性粒细胞炎症水平的变化情况，表明使用微生物组生物标志物进行床旁诊断是可推行的。

主要内容

1.嗜中性粒细胞COPD在呼吸道生态的异质性

本研究中将1,366个样本分为嗜中性粒细胞组（N=551）、嗜酸性粒细胞组（N=189）、混合组（N=187）和寡粒细胞组（N=302）（图1.A），对以上数据集进行α多样性分析，发现嗜中性粒细胞组与其余三组相比香农指数显著降低，但该组中的香农指数值范围很广（图1.B），同時β多样性分析也显示嗜中性粒细胞组有较大的质心偏移（图1.C）。而在分析病情稳定期和病情急性加重期样本中也观察到类似的情况，说明嗜中性粒细胞炎症优势患者的气道微生物组成存在异质性模式。

另一方面比较了不同炎症内型的气道微生物群落，发现嗜酸性粒细胞组、混合组和寡粒细胞组中的大部分样本的微生物群落组成平衡（77.1-83.5%，圖2.A），相比之下嗜中性粒细胞组中56.8%的样本具有组成平衡的微生物群落，有27.8%的样本中嗜血杆菌属占据主导优势（图2.A）。在病情稳定期和急性加重期的样本中，炎症内型的群落分布总体一致，但病情急性加重期的样本中微生物组成平衡的比例相对较低。因此可总结，嗜中性粒细胞优势的COPD存在两种主要的气道微生态类型，其区别在于嗜血杆菌属是否占据主导地位。

图1 嗜中性粒細胞(Neutro)和嗜酸性粒細胞(Eosino)优势的慢性阻塞性肺疾病(COPD)中的呼吸道微生物组比较

图2 嗜中性粒细胞优势COPD气道微生物群落组成的异质性

2. 嗜中性粒细胞优势慢阻肺基于气道微生物组分类的两大亚群具有不同炎症介质谱与时空动态性

研究进一步发现，嗜中性粒细胞优势COPD基于气道微生物组分类得到的两大亚组的气道炎症介质谱具有显著差异：嗜血杆菌优势亚组中TNFa及IL-1b高表达，提示Th1型炎症占主要优势。而平衡微生物亚群中IL-17A及SAA高表达，表明其Th17型炎症更为显著（图2）。同时发现两大亚组具有不同的时间动态性：嗜血杆菌优势亚群在疾病发展中高度稳定，而平衡微生物亚群则具有时间动态性特征，并可同时与Th1与嗜酸性粒细胞炎症（Th2）状态发生互换。

3.患者的呼吸道微生物组与炎症状态的时空变化相关

目前已知嗜中性粒细胞和嗜酸性粒细胞炎症在同一患者不同时期是可互换的，为评估呼吸道微生物组是否随着患者炎症状态变化而变化，特地设置了变化点检测分析，发现莫拉氏菌和放线杆菌的时间轨迹与急性加重的发生有关（图3.E）。而分析炎症稳定的患者的呼吸道微生物组数据发现，嗜血杆菌与嗜酸性粒细胞转换为嗜中性粒细胞相关，而弯曲杆属则与嗜中性粒细胞转换成嗜酸性粒细胞相关。

为进一步评估微生物组是否随中性粒细胞和嗜酸性粒细胞炎症的程度而变化，设计了计算微生物组的时间测量值与痰液嗜中性粒细胞和嗜酸性粒细胞百分比之间的交叉协方差，发现弯曲杆菌属与嗜酸性粒细胞增多交叉协方差最高。

图3 特定非优势微生物与嗜酸性粒细胞增多相关

4.炎症亚型之间独特的宿主-微生物组相互作用

为了评估炎症亚型的微生物组群落结构进行了共生网络分析。在嗜中性粒细胞嗜血杆菌组中，嗜血杆菌在网络中是主要的枢纽节点，与35个菌属存在密切关系。而在嗜中性粒细胞平衡组中，韦荣氏球菌具有最高的连通性，其次是沙雷氏菌和不动杆菌等。在嗜酸性粒细胞组的网络特征是梭杆菌、颗粒状杆菌和弯曲杆菌之间的相互关系显著富集（图4.A）。

同时对每个亚型组的微生物组群落结构和炎症介质进行了全方位的相关性分析，在嗜中性粒细胞嗜血杆菌组中嗜血杆菌和莫拉氏菌与炎症介质的相关性最高；在嗜中性粒细胞平衡组中，沙雷氏菌属等与IL-17A等白介素存在多种相关性；在嗜酸性粒细胞炎症亚组中，劳特罗普氏菌属和弯曲杆菌属与嗜酸细胞活化趋化因子-3等呈现正相关（图4.B）。

图4 炎症亚型之间的独特的宿主-微生物组的关系

结论与亮点

呼吸道微生物组可以将嗜中性粒细胞COPD分为不同的亚型（嗜血杆菌优势亚群和平衡微生物亚群），这两大亚群具有不同的炎症蛋白表达谱、不同的时空稳定性、和不同的菌群-宿主互作关系，因此理应给予不同的治疗方案。另外也发现呼吸道微生物组中部分物种在时间上的丰度变化与患者炎症变异趋势有关。基于以上研究，首次提出COPD“炎症—微生物组”联合分型的策略，为疾病精准分型与治疗提供新的思路。

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