【客戶文獻 作者導讀－腸道菌群調節COPD(慢性阻塞性肺病)發病機理_Gut (IF: 23.059)】

除了先前的簡單導讀外，更邀請長庚大學 賴信志老師團隊的 林稚容 博士，為這次的研究成果做更詳細的解說。

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文：長庚大學 林稚容 博士 
慢性肺阻塞(chronic obstructive pulmonary disease)在全球具有很高的患病率，並導致高死亡率。然而，慢性肺阻塞的治療方法依舊面臨相當多困難，並且患者的持續性和進行性肺部發炎仍然很常見。呼吸道中的微生物群組成與慢性肺阻塞的嚴重程度和發育密切相關，但是，尚不確定腸道微生物菌群與慢性肺阻塞軸線是否也存在。此外，也沒有可有效改善慢性肺阻塞的微生物來源藥物。

本研究使用吸菸小鼠模型，糞便微生物相移植和抗生素治療策略，首次建立了腸道微生物相與慢性肺阻塞疾病發展的軸線。腸道微生物相分析的結果發現共生的戈氏副擬桿菌(Parabacteroides goldsteinii)，其豐度與慢性肺阻塞的嚴重程度呈現顯著負相關。口服實驗室自行分離的戈氏副擬桿菌(P. goldsteinii MTS01)可以顯著改善慢性肺阻塞疾病發展。其機制主要經由降低腸道細胞發炎和改善腸道細胞核醣體活性和粒線體功能，並系統性地恢復血清中異常胺基酸的代謝，並減少肺組織發炎。進一步鑑定出戈氏副擬桿菌的活性成分脂多醣(Pg-LPS)可透過拮抗TLR4受體訊號傳遞系統，明顯改善慢性肺阻塞疾病。以下說明文章中幾個重要的結果:

1. 腸道菌群參與慢性肺阻塞發展 (補充圖S2)
為了了解腸道菌群是否可導致吸菸誘導的慢性肺阻塞疾病發展，本研究使用了小鼠吸菸模型。吸菸12週的小鼠體重明顯減輕，並且肺泡沖洗液中免疫細胞的浸潤增加，肺組織切片的組織學分析顯示肺泡壁破壞和擴大，肺功能降低。相比之下，在與對照組共存的吸菸小鼠(CO-CTL)中觀察到症狀改善，而與吸菸小鼠共存的對照組(CO-CS)表現出異常的表型。雖然未確認腸道菌群組成，但共寄居結果推測對照組和吸菸小鼠可能分別存在有益和不利的腸道細菌。


2. 抗生素治療可減少吸菸引起的慢性肺阻塞發病 (圖1上)
為了確定腸道菌群組成在慢性肺阻塞發展的重要性，分別讓小鼠口服萬古黴素(VAN)，新黴素(NEO)，甲硝唑(MET)和氨芐青黴素(AMP)和組合抗生素(ABX)。在吸菸小鼠中觀察到的異常表型在ABX，AMP和VAN處理組中得到了明顯改善，而口服NEO或MET治療並沒有顯著影響。因此，共生菌群組成會影響吸菸誘導的慢性肺阻塞的炎症和發病，採用最佳抗生素治療可降低小鼠慢性肺阻塞發展。


3. 腸道菌群組成對慢性肺阻塞發展的因果作用 (圖1下及圖2)
抗生素治療的有益作用可能通過改變腸道菌群組成來轉移，為了觀察改變腸道菌群結構是否可能對慢性肺阻塞的發展有因果作用，進行了糞便菌群移植實驗。將經過抗生素處理小鼠的糞便菌群轉移至吸菸小鼠，來自對照組，ABX，AMP或VAN處理的小鼠糞便菌群顯著改善了疾病。相反，源自抽菸或NEO處理的小鼠微生物群並沒有顯著影響。因此，改變腸道菌群結構可能對慢性肺阻塞發展有因果作用。

使用16S微生物核醣體DNA測序確定小鼠的腸道菌群組成，與對照組小鼠相比，抽菸小鼠的糞便中，Erysipelotrichaceae，Bacteroidales，Ruminococcaceae的相對豐度顯著降低，而​​ Lachnospiriaceae的相對豐度卻增加了。此外抗生素治療和糞便菌群移植都會影響抽菸小鼠腸道菌群的組成，使用metagenomeSeq分析發現與抽菸組相比，被抗生素顯著改變了17種細菌，並進一步分析17種細菌與慢性肺阻塞疾病之間的相關性。戈氏副擬桿菌(Parabacteroides goldsteinii)和大腸桿菌與慢性肺阻塞嚴重程度呈顯著負相關， Lachnospiriaceae與慢性肺阻塞嚴重程度存在正相關。


4. 戈氏副擬桿菌MTS01改善慢性肺阻塞 (圖3)
隨後從ABX處理的糞便樣品中分離出戈氏副擬桿菌菌株MTS01。口服戈氏副擬桿菌MTS01(每隻小鼠每天2×10⁸ CFU)可顯著增加體重並改善慢性肺阻塞。而戈氏副擬桿菌菌株MTS01對健康小鼠體重變化，肺和肝臟的組織病理學，及血清GPT和BUN，並無不良影響。


5. 戈氏副擬桿菌MTS01脂多醣(Pg-LPS)拮抗大腸桿菌脂多醣誘導的發炎 (圖5)
與對照組小鼠相比，抽菸小鼠在血清和肺泡沖洗液中測得的內毒素活性均顯著增加。相比之下，給予戈氏副擬桿菌MTS01顯著降低了檢測到的內毒素活性。

通常大腸桿菌產生具有六個酰基鏈的脂多醣，且誘發明顯的發炎反應，戈氏副擬桿菌MTS01的全基因組序列進行的BLAST分析顯示了參與脂多醣合成的基因缺乏LpxM(酰基轉移酶基因)，因此可能產生具有五個酰基鏈的脂多醣。

在多種細胞的活化測試，包含HEK-Blue-mTLR4報告細胞，小鼠CD11c+樹狀細胞，人類周邊血單核細胞中，相對於衍生自大腸桿菌O111.B4的脂多醣可以明顯激活發炎反應，高濃度戈氏副擬桿菌MTS01脂多醣仍然未能激活，並且競爭大腸桿菌O111.B4脂多醣對TLR4受體的結合，戈氏副擬桿菌MTS01脂多醣進一步更顯示出對大腸桿菌O111.B4的脂多醣活性的拮抗作用。


6. 戈氏副擬桿菌MTS01脂多醣改善慢性肺阻塞 (圖6)
隨後對戈氏副擬桿菌脂多醣進行研究，以了解其在改善吸菸誘導慢性肺阻塞的潛力。每週兩次給予吸菸小鼠戈氏副擬桿菌MTS01脂多醣(每隻小鼠0.2微克或2微克)，分析慢性肺阻塞表型。與吸菸小鼠相比，戈氏副擬桿菌MTS01脂多醣治療在低劑量和高劑量下皆顯著增加體重，減少肺泡免疫細胞浸潤，並使肺病理學和肺功能正常化。此外，戈氏副擬桿菌MTS01脂多醣減少了小鼠肺組織和結腸的發炎。相應地，也顯著降低了血清和肺泡沖洗液中測得的內毒素活性。使用戈氏副擬桿菌脂多醣治療對照小鼠的肝和腎功能正常。因此，戈氏副擬桿菌MTS01脂多醣改善了慢性肺阻塞。