Альфа-разнообразие микробиоты дыхательных путей при хронических заболеваниях легких: первый систематический обзор и метаанализ

Respiratory Research (2022) 23:214.

The respiratory microbiota alpha‑diversity in chronic lung diseases: first systematic review and meta‑analysis

Marta Avalos‑Fernandez, Thibaud Alin1, Clemence Metayer1, Rodolphe Thiebaut, Raphael Enaud, Laurence Delhaes

В последние десятилетия, благодаря достижениям в технологиях секвенирования нового поколения (NGS) и биоинформатике, мы наблюдаем взрывной рост числа исследований микробных сообществ в организме человека (т.е. микробиома человека). Микробиом кишечника является наиболее изученным участком микробиома человека. В частности, дисбаланс в его микробном составе (т.е. дисбактериоз) в настоящее время считается индикатором ухудшения здоровья и связан с различными хроническими заболеваниями, такими как ожирение, сахарный диабет 2-го типа, неалкогольная болезнь печени, болезнь Крона и кардиометаболические заболевания.

Одним из распространенных показателей дисбактериоза является модифицированное (в основном более низкое) общее микробное альфа-разнообразие, которое обозначает относительное обилие микробных видов в пространстве и времени в пределах данного сообщества (на практике, в биологическом образце). В отличие от этого, бета-разнообразие и гамма-разнообразие измеряют соответственно изменения видового разнообразия между различными сообществами и общее разнообразие различных сообществ в пределах региона или с течением времени. При количественной оценке альфа-разнообразия основными измерениями являются богатство и равномерность.

Первое относится к числу различных видов, присутствующих в данном сообществе. Последний сравнивает однородность численности популяции каждого из видов. Индексы разнообразия Chao1, Shannon и Simpson являются популярными математическими измерителями альфа-разнообразия видов в сообществе.

• Chao1 фокусируется на видовом богатстве.
• Индексы Shannon и Simpson измеряют как видовое богатство, так и равномерность. Обычно их используют для описания дисбактериоза.

Несмотря на то что, по-видимому, существует консенсус в отношении того, что снижение альфа-разнообразия микробиома кишечника связано с ухудшением состояния здоровья, нет четких доказательств того, что это сказывается на микробных сообществах других участков человеческого тела. В частности, недавно была изучена взаимосвязь между разнообразием микробиоты дыхательных путей и хроническими заболеваниями легких, хотя микробная колонизация дыхательных путей уже давно характеризует хронические заболевания легких, такие как астма, хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), муковисцидоз (CF) или бронхоэктазы без муковисцидоза (БЭ).

На самом деле, долгое время считалось, что здоровые легкие стерильны (т.е. имеют нулевое разнообразие), что явно ограничивало интерес к изучению их микробного разнообразия. Кроме того, по сравнению с микробиотой кишечника, микробиота легких характеризуется инвазивным доступом и сложным сбором образцов (за исключением образцов мокроты), а также низкой бактериальной плотностью в образцах, связанных с верхними дыхательными путями.

Хронические респираторные заболевания, особенно астма и ХОБЛ, являются одной из основных причин смерти и инвалидности во всем мире. На протяжении всего течения респираторного заболевания пациенты переживают фазы ремиссии, когда болезнь и ее симптомы находятся под контролем, перемежающиеся с фазами обострения, во время которых болезнь внезапно выходит из-под контроля, а симптомы усиливаются, что приводит к интенсификации оказания медицинских услуг пациентам. Опираясь на технологии NGS, несколько исследований смогли показать, что микробиота дыхательных путей резко изменяется в диапазоне значений индексов альфа-разнообразия при сравнении пациентов с обострением и ремиссиями хронических респираторных заболеваний и здоровых людей. Это может привести врачей к выявлению новых биомаркеров хронических респираторных заболеваний.

В настоящей работе предлагается систематический обзор исследований, изучающих альфа-разнообразие микробиоты легких у пациентов с хроническими респираторными заболеваниями, в которых для сравнения представлена контрольная группа по статусу заболевания или здоровые испытуемые.

Исследователи сосредоточились на наиболее распространенных показателях альфа-разнообразия (индексы Chao1, Shannon и Simpson) наиболее часто измеряемого компонента микробиома (бактериома) и наиболее распространенных хронических заболеваниях (бронхиальная астма, ХОБЛ, муковисцидоз, БЭ и легочная гипертензия).

Впоследствии:

• провели метаанализ на основе моделей случайных эффектов, чтобы по возможности охарактеризовать разницу в индексах альфа-разнообразия при сравнении случаев с контрольной группой;
• исследовали источники гетерогенности и оценили качество и риск систематической ошибки;
• обсудили потенциальную клиническую значимость показателей альфа-разнообразия микробиоты легких.

Насколько известно, это первый метаанализ, посвященный альфа-разнообразию микробиоты легких, ассоциированному с наиболее распространенными хроническими заболеваниями.

Методы

Для включения в обзор статьи должны были соответствовать следующим критериям:

• борьба хотя бы с одним из изученных хронических респираторных заболеваний;
• показ индексов альфа-разнообразия в статье или в дополнительных файлах, которые можно правильно собрать (из таблицы, коробчатой или гистограммы);
• в статье должна иметься хотя бы одна контрольная группа (здоровые или пациенты со стабильным заболеванием) и хотя бы одна группа случаев (пациенты в стабильном состоянии или пациенты с обострением или все пациенты с заболеванием);
• включать взрослых людей (людей ≥ 18 лет, любого региона проживания, любого пола и возраста); поскольку разнообразие развивающегося детского микробиома более нестабильно и несравнимо с таковым у взрослых, исследования, ориентированные на детскую популяцию, были исключены.

Исследователи ограничили поиск пятью наиболее распространенными хроническими респираторными заболеваниями, которые, как известно, связаны с микробной колонизацией/инфекциями: астмой, ХОБЛ, муковисцидозом, БЭ и легочной гипертензией. Поиск проводился с использованием баз данных PubMed, Medline и Scopus. Всего в результате поиска было выявлено 628 статей, а после удаления дублирующихся записей (Н=277) отсмотрели 351 статью по названиям и аннотациям. Из них 160 статей были исключены на этом этапе, главным образом потому, что они не были сосредоточены на заболевании или исходе, изученном здесь (n=80), альфа-разнообразие микробиоты не сообщалось (n=32) или не влияло на микробиоту человека (n=10)). Из 192 полнотекстовых статей, рассмотренных на предмет соответствия критериям отбора, 25 исследований соответствовали нашим критериям включения в систематический обзор. Кроме того, два исследования были включены с использованием выборки методом «снежного кома», поскольку эти два исследования не включали наши критерии включения в заголовок или аннотацию; метатаксономический анализ или индексы альфа-разнообразия, найденные в полном тексте или дополнительных файлах. В итоге в обзор литературы было включено 27 исследований. Наконец, в окончательном метаанализе были использованы данные 24 исследований, так как три исследования были исключены: одно исследование было единственным, в котором измеряли альфа-разнообразие с индексом Фишера, в другом исследовании анализировали фаги, ассоциированные с бактериями, а в третьем исследовании использовался другой, несопоставимый молекулярный метод, поскольку авторы анализировали метагеномные профили с использованием полиморфизма длины терминального рестрикционного фрагмента (T-RFLP), который не является подходом NGS.

Обсуждение

В этом систематическом обзоре и метаанализе мы подчеркнули, что при рассмотрении общей картины (все заболевания вместе взятые, астма, ХОБЛ, муковисцидоз и БЭ) для всех показателей альфа-разнообразия, индексов Chao1, Shannon и Simpson нет четкой тенденции в разнообразии респираторной микробиоты у людей с некоторыми хроническими респираторными заболеваниями (в ремиссии/больные/обострения) по сравнению со здоровыми людьми, а также у лиц с хроническими заболеваниями легких в течение стабильного периода по сравнению с лицами с хроническим заболеванием легких в период обострения.

Тем не менее, мы обнаружили незначительную тенденцию к большему разнообразию респираторной микробиоты (Shannon) у стабильных пациентов по сравнению с пациентами с обострением, а также более выраженную тенденцию к большему разнообразию респираторной микробиоты (Chao1) у здоровых и больных людей. Тем не менее, эти результаты следует интерпретировать с осторожностью, учитывая ограниченное число доступных исследований.

Внимательно изучив каждое хроническое респираторное заболевание, мы показали, что при муковисцидозе наблюдается большее разнообразие микробиоты дыхательных путей у более здоровых людей (здоровых и больных) и незначительная тенденция к увеличению разнообразия респираторной микробиоты у пациентов в ремиссии и с обострением. Результаты анализа альфа-разнообразия у здоровых людей по сравнению с астматиками или ХОБЛ оказались более мягкими, в соответствии с опубликованными данными, демонстрирующими расходящиеся убедительные замечания. Кроме того, в последнее время отмечается отсутствие существенных различий в профилях микробиоты дыхательных путей между пациентами с ХОБЛ легкой и средней степени тяжести и здоровыми людьми. Известно, что микробиота легких демонстрирует бóльшую пространственную вариабельность между индивидуамами, чем внутри индивидуумов, а хронические респираторные заболевания, особенно ХОБЛ и астма, признаны крайне гетерогенными заболеваниями.

Поскольку ХОБЛ классически считается воспалением бронхов, где нейтрофилы играют центральную роль, в то время как астма в большей степени связана с эозинофильным воспалением дыхательных путей, трудно сравнивать эти различные популяции и их микробиоту легких, особенно в отношении показателей альфа-разнообразия.

Выводы

В заключение следует отметить, что общепризнанное влияние разнообразия микробиоты кишечника на здоровье пока нельзя экстраполировать на микробиоту дыхательных путей.

Знания о микробиоте дыхательных путей и здоровье находятся в стадии исследования, и на данный момент кажется, что измерения альфа-разнообразия недостаточно для полного понимания связи между микробиотой и здоровьем, за исключением контекста муковисцидоза, который представляет собой наиболее изученное хроническое респираторное заболевание с последовательными данными о связи альфа-разнообразия и функции легких.

Вопрос о том, влияют ли различия в профилях респираторной микробиоты на симптомы и/или эволюцию хронических респираторных заболеваний, заслуживает дальнейшего изучения.

doi.org