Lumacaftor-Ivacaftorの気道微生物叢への影響-嚢胞性線維症患者における微生物叢と炎症は緑膿菌の慢性コロニー形成と関連しているようだ


2023年3月27日
Lumacaftor-Ivacaftorの気道微生物叢への影響-嚢胞性線維症患者における微生物叢と炎症は緑膿菌の慢性コロニー形成と関連しているようだ

https://journals.asm.org/doi/10.1128/spectrum.02251-22


著者紹介 Raphael Enaud https://orcid.org/0000-0001-9493-5218, Florian Lussac-Sorton, Elena Charpentier, Lourdes Velo-Suárez, Jennifer Guiraud, Stéphanie Bui, Michael Fayon, SHOW ALL (13 AUTHORS), Laurence Delhaes laurence.delhaes@u-bordeaux.frAUTHORS INFO & AFFILIATIONs
DOI: https://doi.org/10.1128/spectrum.02251-22
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ABSTRACT
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結果
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材料と方法
謝辞
補足資料
参考文献
ABSTRACT
ルマカフトール-イバカフトールは、F508del対立遺伝子ホモ接合体の嚢胞性線維症(CF)患者に承認された嚢胞性線維症膜貫通伝導体(CFTR)モジュレーター併用療法です。この治療により、有意な臨床的改善が認められましたが、ルマカフトール-イバカフトール治療を受けた患者さんの気道微生物叢-マイコバイオータの進化と炎症について取り上げた研究はほとんどありません。ルマカフトール-イバカフトール治療開始時に、12歳以上のCF患者75名が登録された。そのうち、41名は治療開始前と治療開始6カ月後に採取した自発的な喀痰を有していた。気道微生物叢と真菌叢の解析は、ハイスループット配列決定によって行われた。気道炎症は喀痰中のカルプロテクチン値を測定することで評価し、微生物バイオマスは定量的PCR(qPCR)により評価した。ベースライン時(n = 75)には、細菌のα多様性は肺機能と相関していた。ルマカフトール-イバカフトール治療6カ月後、肥満度の有意な改善と抗生物質の静脈内投与コースの減少が認められた。細菌および真菌のα-およびβ-多様性、病原体の存在量、カルプロテクチンレベルに有意な変化は観察されなかった。しかし、治療開始時に緑膿菌に慢性的に汚染されていなかった患者さんでは、カルプロテクチン値が低下し、6カ月後に細菌のα-多様性の有意な増加が観察された。本研究は、CF患者における気道微生物叢-マイコバイオータの進化は、ルマカフトール-イバカフトール治療開始時の患者の特性、特に緑膿菌の慢性コロニー化によって異なることを示している。
重要性嚢胞性線維症の治療は、ルマカフトール-イバカフトールを含むCFTRモジュレーターの登場により、近年大きく変化しています。しかし、このような治療薬が気道生態系、特に肺障害の進展に関与する微生物叢-mycobiotaと局所炎症に及ぼす影響は不明である。タンパク質療法下での微生物叢の進化に関するこの多施設共同研究は、CFTRモジュレーターはできるだけ早く、理想的には患者が慢性的に緑膿菌に汚染される前に開始すべきであるという考えを支持するものである。(この研究は、ClinicalTrials.govの識別子NCT03565692で登録されています)。
はじめに
嚢胞性線維症(CF)は、CFTR(CFransembrane conductance regulator)タンパク質をコードする遺伝子の変異によって引き起こされる、白人集団の優勢な遺伝病である。イオン-水輸送の欠陥により、多臓器に機能不全が生じるが、気道のコロニー形成と感染、肺の炎症、栄養不良は、CF患者の最も重要な予後因子の一つである(1)。
肺の生態系は現在、多菌種と考えられており、次世代シーケンサーの進歩により、その細菌(マイクロバイオータ)と真菌(マイコビオータ)群集のより良い特性化が進んでいる(2-4)。CFでは、気道クリアランスの低下、呼吸器分泌物の蓄積、さらに宿主の免疫反応や治療(抗生物質など)といった他の要因が、微生物のα多様性の低下や病原体の過剰発現といった気道微生物叢-マイコバイオータの破壊に寄与している。このような変化は、CF患者における肺疾患の重症度と関連し、疾患の進化のバイオマーカーとなる。気道微生物叢のα多様性は、肺炎と逆相関し、1秒間の強制呼気量予測値(ppFEV1)および肥満度(BMI)と正の相関がある。また、微生物叢のα-多様性は、疾患の進化を予測することができます(3、5、6)。
嚢胞性線維症の管理は、以前は吸入粘液溶解剤による対症療法、気道確保技術、呼吸器感染症治療のための抗生物質コース、関連する膵臓エキス、栄養補助食品に限られていました。しかし、過去10年間で、CFTRタンパク質の機能回復を目的とした長期治療薬であるCFTRモジュレーターの開発により、CF患者さんの治療管理は変化しています。2015年、ルマカフトール(LUM)とアイバカフトール(IVA)(それぞれCFTR補正剤と増強剤)の組み合わせが、F508delホモ接合体患者(CF患者の約40%)に対して承認された最初のタンパク質治療薬となりました(7、8)。12歳以上のCF患者を対象とした臨床試験で、ルマカフトール-イバカフトールの有効性と安全性が確認されています(9)。ppFEV1、肺増悪、BMI、汗中の塩化物濃度、肺クリアランス指数(LCI)、胸部の磁気共鳴画像(MRI)のパラメータを有意に改善する(8、10、11)。しかし、肺機能の改善と汗の塩化物濃度の相関はわずかであり、ルマカフトール-イバカフトールに対する患者の反応は多因子であることが示唆されている(12)。さらに、最初の6カ月間の臨床反応は不均一である(13、14)。
したがって、モジュレーターの効果、特に気道微生物学に対する効果を調べることは、いくつかの理由から重要である。まず、病原体の存在量を減らし、肺微生物叢を疾患初期の微生物叢により近いもの(常在菌と微生物α多様性の増加)に回復させることを目的として、基礎となる病態生理への影響を評価するために行う必要がある。さらに、これらの知見は、治療効果のバイオマーカーとなり、関連する治療法(例えば、吸入抗生物質の継続)の適応に利用できる可能性があります。
CFTRモジュレーターは、いくつかの方法で気道微生物相を変化させることができます。まず、緑膿菌や黄色ブドウ球菌などに対する直接的な抗菌作用が、ivacaftorとlumacaftorのin vitroで報告されている(15-17)。さらに、粘膜クリアランスの改善、pHの調整、気道分泌物の水和、関連療法(抗生物質の使用など)の適応など、間接的な抗菌作用も考えられる。CFTRモジュレーター治療が気道マイクロバイオームに及ぼす影響を調査したいくつかの研究では、時には治療開始後数週間で組成が大きく変化することが報告されている(11, 18-26)。その中には、喀痰中の細菌α多様性の増加や緑膿菌の存在量の減少を示したものもあるが、これらの結果は他の報告とは矛盾している。また、ほとんどの研究は、少なくとも1つのG551D変異を持つ患者を対象に、ivacaftorで治療したものである。ルマカフトール-イバカフトール治療後の気道マイクロバイオームの進化に焦点を当てた研究はほとんどない(11、26)。結果は限定的で矛盾しており、ほとんどの研究では、肺機能のバイオマーカーであるマイコバイオータと炎症(11)が考慮されていません(3、6、18、27、28)。
本研究では、ルーマカフトール-イバカフトール開始後のCFTR機能の改善は、気道微生物叢-マイコバイオータ組成の変化と気道炎症の減少に関連するかもしれないと仮定した。そこで、12歳以上のCF患者を対象とした多施設コホートにおいて、ルマカフトール-イバカフトール治療開始前と開始6カ月後に前向きに追跡調査した喀痰サンプルについて、気道微生物叢-マイコバイオータ、気道炎症、臨床転帰との関連性を検討しました。
結果
ベースライン時の患者特性
75人のCF患者(35人[47%]12~17歳、40人[53%]18歳以上)が分析された。ベースライン時の患者特性は、表1にまとめた。すべての患者がルマカフトール-イバカフトール治療を継続的に受け、6ヶ月間フォローアップされたが、2回目の訪問時にメタバーコーディング分析に十分な量の自然喀痰があったのは41人(55%)のみであった(すなわち、治療開始時[M0]とフォローアップ6ヶ月時[M6]の喀痰サンプルが対になっているサブグループ)(補足資料の図S1参照)。ベースライン時、これらの41人の患者は、ppFEV1値が有意に低く、緑膿菌の慢性コロニー化が大きかったが、その他の有意差は全集団と比較して観察されなかった(Table 1)。
表1
表1 CF患者全員とM6サンプルの有無によるサブグループのベースライン時の臨床的特徴a
パラメータグループの値P値全患者M0およびM6検体を有する患者M6検体を有しない患者欠損値の数b値欠損値の数b値患者数(%)75 41 (55) 34 (45) 年齢中央値(年) (±SD)021. 0 (±9.0)022.5 (±9.0)019.0 (±8.7)0.10 18歳未満の患者数35 (47) 16 (39) 19 (54)0.16 女性患者数040 (53)019 (46)021 (62)0.18 ppFEV1 (%) (IQR)465 (53, 84)158 (42, 78)373 (62, 87)0. 01BMI中央値(kg/m2)(IQR)218.8(17.3、21.0)219.2(17.5、20.3)018.7(16.9、21.6)0.92BMI Zスコア中央値(IQR)d -0.8(-1.1, 0.1)-0.8(-1.2, -0.1)-0.8(-1.1, 0.2)0.59 直前12ヶ月間に1回以上静脈内注射した患者の数(%)。過去12ヶ月間に抗生物質の投与が1回以上あった患者の数440 (56)125 (64)315 (47)0.15 ベースライン時に肺の維持療法を行っている患者の数(%) 吸入抗生物質145 (61)126 (65)019 (56)0.42 アジスロマイシン045 (60)026 (63)019 (56)0.51 ドルナーゼアルファ159 (80)131 (78)028 (82)0. 6 吸入副腎皮質ホルモン剤052 (69)032 (78)020 (59)0.07 経口副腎皮質ホルモン剤03 (4)02 (5)01 (3)1 吸入高張食塩水58 (11)53 (8)05 (15)0.47 吸入気管支拡張剤559 (84)530 (83)029 (85)0.82 No. (肺にコロニーを形成した患者の割合 MSSA045 (60)021 (51)024 (71)0.09 MRSA012 (16)08 (20)04 (12)0.36 H. influenzae07 (9)03 (7)04 (12)0. 7 P. aeruginosae041 (55)027 (66)014 (41)0.03 B. cepacia02 (3)01 (2)01 (3)1 A. fumigatuse1623 (39)1313 (46)310 (32)0. 27喀痰上清投与量 カルプロテクチン値(μg/mL)の中央値(IQR)113,941 (3,098, 4,581)64,232 (3,216, 4,652)53,696 (2,251, 4,471)0.17 GM指数>1519 (25)113 (32)46 (20)0.24 総真菌量(ログpg/μL)(IQR)00の患者の数(%)中央値は。 7 (0, 1.3)00.7 (0, 1.3)00.7 (0, 1.1)0.7 総細菌量中央値 (log pg/μL) (IQR)02.3 (1.8, 2.8)02.1 (1.7, 2. 6)02.4 (2.1, 2.8)0.1 緑膿菌負荷量(log copies/mL)中央値(IQR)13.0 (2.4, 6.3)13.7 (2.4, 6.1)02.7 (2.2, 6.7)0.7
a
データは平均値(±SD)、中央値(IQR)、または数値(%)。 ppFEV1、1秒間の予測強制呼気量パーセント、BMI、体格指数、MSSA、メチシリン感受性S. aureus、MRSAはメチシリン耐性S. aureus。
b
欠測値は、該当するデータがない患者数に相当する。
c
M6サンプルのある患者とない患者との比較。有意な値(p < 0.05)は太字で示した。
d
思春期の子どもたちへ。
e
緑膿菌およびA. fumigatusのコロニー形成は、地域の慣行に従って、過去6ヶ月間に少なくとも1ヶ月間の陽性培養の間に連続した3つの培養における緑膿菌分離株の存在(49)または過去12ヶ月間の50%以上のサンプル陽性(50)および過去12ヶ月間のA. fumigatusの2つの痰培養陽性(51)と定義した慢性コロニー形成状態を指す。
ベースライン時の気道微生物叢-マイコバイオータと炎症。
1,329個の細菌アンプリコン配列変異体(ASV)に対する最終的な細菌リード数中央値30,890個(四分位範囲[IQR]、24,815、37,816リード)の中で、ベースライン時の微生物叢構成はPseudomonas(21%)が優勢で、Streptococcus(13%)とPrevotella(12%)と続いています。VeillonellaとStaphylococcusはそれぞれ、細菌ASVの10%を占めていた(図S2B)。ベースライン時の微生物叢組成に影響を及ぼす因子のうち、成人は、β多様性(順列多変量分散分析[PERMANOVA]によるP = 0.01)(図S3A)、α多様性の低下(図S3B)、緑膿菌の過剰発現(図S3C)により示されるように、青年のものとは異なる気道微生物叢を有した。ppFEV1が80%以上の患者は、ベースライン時にppFEV1が80%未満の患者と比較して、アルファ多様性(シャノン指数とシンプソン指数のP値はそれぞれ0.03と0.01)(図1A)およびベータ多様性(P = 0.02)(図1B)に関しても明確な微生物相を有していました。さらに、α-多様性指標はppFEV1と相関があった(図1C)。線形判別分析(LDA)効果量(LEfSe)法を用いて、私たちの集団でppFEV1を予測する多数の分類学的ノードを特定した。ppFEV1が80%未満の患者では、PseudomonasとLautropiaの相対量が有意に増加した(図1D)。FEV1が80%以上の患者でベースライン時に相対量が有意に異なる16属のうち、Streptococcus、Porphyromonas、Actinomyces、TM7x、Peptostreptococcusの過剰発現が見られた(図1D)。
図1
図1 肺機能に応じたベースライン時の喀痰の細菌組成。(A)微生物叢のα-多様性指標(シャノンおよびシンプソン)。(B)ベースライン時の肺機能に応じたβ多様性(サンプル間の微生物叢組成の違いを評価するもの)。Bray-Curtis距離メトリックを用いた非計量多次元尺度法(NMDS)序列化法を使用した。(C) ppFEV1とShannon indexの相関関係。(D)ベースライン時のppFEV1が80%未満と80%以上の患者を区別するASVを示すLEFSe法。
真菌については、493の真菌ASVについて、最終的な中央値は2,031リード(IQR、671、7,722リード)であった。ベースライン時の菌叢構成は、Candida(35%)が主で、Malassezia(14%)、Saccharomyces(8%)と続いた。アスペルギルスは真菌ASVの5%を占めた(図S2A)。注目すべきは、75人の患者のうち19人(25%)がガラクトマンナン(GM)指数が陽性であったが、GMレベルと慢性的なコロニー形成状態やA. fumigatusの相対量との間に有意な関連性は認められなかったことである。菌叢は、年齢(青年と成人)や肺機能(80%以上のppFEV1と80%未満のppFEV1)により、α-またはβ-多様性に有意差はなかった(図S4)。
ベースライン時の喀痰中のカルプロテクチン値の平均は3,941μg/mL(IQR, 3,098, 4,581 μg/mL)であった(表1)。この値は年齢とともに有意に増加し(r = 0.43; P = 0.003)、ppFEV1値および細菌α多様性指標と負の相関があった(それぞれr = -0.48, -0.53, -0.59; P < 0.001 )(図2A〜D)。また、カルプロテクチン値は、緑膿菌に慢性的に汚染された患者では、慢性的に汚染されていない患者よりも有意に高く(それぞれ、4,278 μg/mL [IQR, 3,827, 4,743 μg/mL] および 3,168 μg/mL [IQR, 768, 3,902 μg/mL])(P <0. 001)、緑膿菌の負荷定量と相関があった(r = 0.44; P < 0.001)(図2EおよびF)。さらに、気道微生物叢の組成は、菌叢ではなく、α-およびβ-多様性の点で、緑膿菌慢性コロニーを有する患者と有さない患者で有意に異なっていた(図3)。
図2
図2 患者および疾患特性に応じたベースライン時の喀痰カルプロテクチン。年齢(A)、ppFEV1(B)、細菌α多様性指数(Shannon[C]およびSimpson[D])、緑膿菌のqPCR負荷(E)、および緑膿菌による慢性コロニー形成(F)に応じたベースライン時の喀痰カルプロテクチンレベルを示す。
図3
図3 緑膿菌慢性コロニー化表現型に応じたベースライン時の喀痰の細菌および真菌組成。(AおよびB)ベースライン時(M0)の喀痰サンプルから得られた標的メタゲノミクスデータを、緑膿菌にコロニー形成された患者とコロニー形成されていない患者の間で、α-およびβ-ダイバーシティについて比較したものである。細菌(A)および真菌(B)群集のBray-Curtis距離メトリックを用いた非計量多次元尺度法(NMDS)順序法を用いてサンプル間の微生物組成の違いを評価するβ-多様性は、全体を通して微生物叢およびマイコバイオータの組成類似性を測定することが示されました。Permutational multivariate analysis of variance (PERMANOVA)を用いて、サンプルのクラスタリング仮説を検証した。(CとD)細菌(C)と真菌(D)コミュニティのアルファ多様性は、シャノン指数とシンプソン指数を用いて決定した。
ルマカフトール-イバカフトール治療下における臨床転帰、微生物叢-マイコバイオータ、および炎症特性の変化は、ベースライン時の緑膿菌慢性コロニー形成状態に関連している。
全患者および対になった喀痰サンプルを持つ41人の患者のサブグループ(M0-M6喀痰サンプル)のM0とM6間の臨床転帰の変化は同等であった(表2)。ppFEV1には有意な変化は見られなかったが、BMIには有意な増加が認められ、BMI Zスコアは両集団の青年期で安定していた。また、患者は抗生物質の静脈内投与(i.v.)のコース数が有意に減少していた(表2)。
表2
表2 ルマカフトール-イバカフトール投与6ヶ月後の臨床、微生物、炎症パラメータの推移とベースライン時の緑膿菌慢性コロニー形成状態による変化
パラメータグループの値M0喀痰サンプルの全患者(n = 75)M0およびM6喀痰サンプルの全患者(n = 41)緑膿菌慢性コロニー化患者(n = 27)緑膿菌慢性コロニー化でない患者。緑膿菌が慢性的に蔓延していない患者(n = 14)開始6ヶ月後開始6ヶ月後開始6ヶ月後開始6ヶ月後開始ppFEV1(%)(IQR)中央値65(53、84)65(47、91) 0. 158 (42, 78)62 (45, 85)0.351 (38, 63)47 (41, 66)0.379 (62, 93)86 (63, 94)0.3BMI (kg/m2) (IQR)18.8 (17.3, 21.0)19.8 (18.2, 22.0)<0.00119.2 (17.5, 20.3)19. 6 (18.1, 21.7)<0.0119.6 (17.8, 20.7)19.6 (18.3, 22.0)0.0718.4 (17.1, 20.2)19.8 (17.8, 20.7)0.01 BMI Zスコア中央値 (IQR)b-0.8(-1. 1, 0.1)-0.3 (-0.8, 0.2)0.3-0.8 (-1.2, -0.1)-0.31 (-0.8, 0.1)0.3-0.9 (-1.4, -0.5)-0.52 (-0.9, -0.4)0.7-0. 6 (-1.1, 0.3)-0.2 (-0.3, 0.2)0.4 1回以上の抗生物質の静脈内投与を受けた患者の数c40 (56)29 (40)<0.0125 (64)17 (42)0. 0121 (78)15 (56)0.044 (33)2 (15)0.5 肺コロニー形成MSSA45 (60)31 (46)0.0621 (51)14 (38)0.214 (52)7 (30)0. 077 (50)7 (50)1 MRSA12 (16)10 (15)18 (20)6 (16)15 (19)3 (13)NA3 (21)3 (21)1 H. influenzae7 (9)7 (10)13 (7)5 (14)0.71 (4)2 (9)12 (14)3 (21)1 P. aeruginosad41 (55)35 (50)0.727 (66)16 (48)127 (100)24 (89)NA0 (0)2 (14)NA B. cepacia2 (3)1 (2)NA1 (2)0NA10NA00NA A.fumigatusd23 (39)23 (37)0.613 (46)22 (61)18 (44)11 (52)15 (50)5 (42)1Sputum dosage カルプロテクチン値の中央値(μg/mL) (IQR)3,941 (3,098, 4,581) 4,232 (3,216, 4,652)4,018 (3,066, 4,675) 0. 54,413 (3,948, 4,760)4,361 (3,673, 4,812)3,168 (2,141, 3,845)3,067 (799, 4,018)0.5 No. (GM indexが119(25)以上の患者の割合(%) 13(32)17(44)0.210(37)13(50)0.33(23)4(31)1 総真菌量(log pg/μL)(IQR)中央値 0. 7 (0, 1.3) 0.7 (0, 1.3)0.7 (0, 1.4)0.60.7 (0, 1.2)0.8 (0, 1.3)0.40.7 (0.1, 1.3)0.5 (0.1, 1.3)1 全細菌量(ログ pg/μL) (IQR)2. 3 (1.8, 2.8)2.1 (1.7, 2.6)2.4 (1.4, 2.7)0.82.1 (1.6, 2.6)2.4 (1.7, 2.7)0.42.2 (1.9, 2.8)2.3 (1.4, 2.6)0.8 P. 緑膿菌負荷量(log copies/mL)(IQR)3.0(2.4, 6.3)3.7(2.4, 6.1)4.7(2.6, 7.2)0.15,8(3.4, 6.4)6.1(3.7, 7.4)0.32.4(2.4, 3.0)2.7(2.4, 3.2)0.5
a
データは平均値(±SD)、中央値(IQR)、または数値(%)。 ppFEV1、1秒間の予測強制呼気量パーセント、BMI、肥満度、MSSA、メチシリン感受性黄色ブドウ球菌、MRSA、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌、NA、適用外。有意な値(p < 0.05)は太字で示した。
b
思春期の子どもたちのために。
c
これらの基準は、M0またはM6受診の1年前から評価されました。
d
緑膿菌およびA. fumigatusのコロニー形成は、地域の慣行に従って、過去6ヶ月間に陽性培養の間に少なくとも1ヶ月を挟んだ連続3培養における緑膿菌分離株の存在(49)または過去12ヶ月間の50%以上のサンプル陽性(50)、および過去12ヶ月間にA. fumigatusの陽性痰培養2回(51)と定義した慢性コロニー形成状態を指す。
次に、M0-M6喀痰検体を有する41名のサブグループに焦点を当て、気道微生物叢と菌叢および喀痰バイオマーカーの進化を解読した。治療開始からM6受診までの期間の中央値は183日(IQR, 165, 210日)であった。41名の患者の集団において、気道微生物叢と真菌叢は、M0とM6でα-およびβ-多様性に有意な差はなかった。緑膿菌ASV相対量や緑膿菌定量PCR(qPCR)負荷、細菌・真菌負荷、GM陽性率、喀痰カルプロテクチン量に変化は認められなかった(表2)。年齢(青年または成人)およびベースライン時の肺機能(ppFEV1が80%以上またはppFEV1が80%未満)によるサブグループ解析でも、ルマカフトール-イバカフトール治療による気道微生物叢および真菌叢の有意な変化は認められなかった。
緑膿菌の慢性的なコロニー形成は、疾患進化のターニングポイントとなる。緑膿菌に慢性的に汚染された患者は、ppFEV1が低く、抗生物質の投与回数が多い(表S1)。さらに、緑膿菌の慢性的なコロニー形成は、カルプロテクチン値の上昇および細菌α多様性指標の低下と有意に関連していた(図2Fおよび図3C)。細菌群集のシフトは、緑膿菌に汚染された患者よりも、慢性的に緑膿菌に汚染されていない患者においてより多く発生した(図4)。ルマカフトール-イバカフトール治療において、このようなコロニーを持たない患者のみが、細菌のα多様性指標を有意に増加させた(図4)。真菌のα-ダイバーシティ、細菌と真菌のβ-ダイバーシティ(データは示さず)、カルプロテクチンや微生物負荷に有意な変化は観察されなかった(表2)。M0-M6の微生物叢および菌叢データに関して、DESeq2解析により、緑膿菌に慢性的にコロニー形成されていない患者において、Malassezia restrictaの有意な増加、Candida albicans, Capnocytophaga spp. Veillonella spp. TM7x spp. Rothia spp., Fusobacterium sppの減少(グラム陽性とグラム陰性菌の間に進化の差はない)(テーブルS2) が認められた。
図4
図4 ベースライン時の緑膿菌慢性コロニー形成に応じたルマカフトール-イバカフトール治療による細菌のα多様性指数の推移。ベースライン時に緑膿菌の慢性コロニー形成がない患者(AおよびB)およびある患者(CおよびD)におけるルマカフトール-イバカフトール治療による細菌のアルファ多様性指数の推移を示す。
考察
我々は、ルマカフトール-イバカフトールによる治療を受けたF508delホモ接合体患者の6ヶ月間の進化を評価した。第一に、ルマカフトール-イバカフトールの投与開始は、BMIの改善と抗生物質の点滴投与の減少に関連しました。第二に、治療中の気道微生物叢の変化は、ベースライン時の緑膿菌による慢性的なコロニー形成の状態に依存していた。
75名のCF患者を対象とした我々の集団では、ルマカフトール-イバカフトールの連続投与にもかかわらず、治療下でのppFEV1の有意な改善は確認されなかった。一方、多数の患者を対象とした研究の実データでは、ppFEV1が3%増加したことが示されています(10)。しかし、ppFEV1の進化は、汗の塩化物レベルとppFEV1の進化との間に部分的な相関があることから示唆されるように、多因子(すなわち、局所炎症または気管支拡張症の存在)である(12、29、30)。さらに、ルマカフトール-イバカフトールによるppFEV1の改善は、肺機能が良好な患者(ppFEV1が90%以上)または肺疾患が進行した患者(ppFEV1が40%未満)では確立が難しく、後者の状態はベースライン時のコホート値の3分の1を占めています(11、29、30)。本研究は観察研究であり、6ヶ月の追跡調査時にルーチンケアで汗の塩化物またはLCI推定が行われなかったため、これらの汗のパラメータ(ppFEV1よりも感度が高い[11、31])に関するデータは得られなかった。しかし、BMIと抗生物質静注コースの改善は観察され、これは多くの研究(8、10、11、29、30)によると、より一貫した効果的な結果を反映している。これまで、ルーマカフトール-イバカフトール治療の効果に関する研究は、細菌性微生物叢を分析した最近の研究(11)を除き、主に従来の臨床および生物学的パラメータに焦点を当ててきました。
現在では、常在微生物群集と局所的な炎症反応を包含する肺の生態系が、CF患者の病態生理と転帰に強く関連していることがよく認識されている(5)。lumacaftor-ivacaftorまたはelexacaftor-tezacaftor-ivacaftor治療下の気道微生物叢の進化に関するデータはほとんどなく、気道真菌叢に関する情報はない(11、26、32、33)。本研究では、ルマカフトール-イバカフトールが細菌のα多様性指数を増加させる可能性を示唆する予備的な結果(32)とは対照的に、両時点で自然排痰された患者コホートにおいて、気道微生物叢および真菌叢に有意な変化は観察されなかった。真菌、細菌、緑膿菌のバイオマスの相対的存在量やqPCR負荷に有意な変化は認められませんでした。ルマカフトール-イバカフトールの細菌または緑膿菌の存在量に対する影響に関するデータは矛盾しており、結論は出ていない(26、32)。
ベースライン時の気道微生物叢と菌叢の組成は、CFに関する文献にあるものと一致していた(4、33-35)。これらの微生物群集は、CFの進化に関連するさまざまな要因(肺機能、緑膿菌やA. fumigatusによる慢性的なコロニー形成など)の影響を受け、モジュレーター治療下での微生物群集の変化にも影響を与える可能性がある。緑膿菌による慢性的なコロニー形成の状況は、その臨床的関連性、モジュレーター治療下の微生物叢の進化における役割(6、24、26、32、33)、および喀痰中のカルプロテクチンレベルとの相関から注目されていた。本研究では、ルーマカフトール-イバカフトール治療開始時に慢性的に緑膿菌に汚染されていなかった患者は、治療前のカルプロテクチン値が低く、治療6カ月後に細菌のα多様性が有意に増加しました。これらの結果は、肺疾患の重症度の上昇に伴い多様性の低下を示す緑膿菌などのCF病原体の役割と一致した(28)。ルマカフトール-イバカフトールでは、同じ患者が嫌気性菌(すなわち、FusobacteriumとVeillonella)およびRothiaの存在量の有意な減少を示し、これらは緑膿菌を含むCF病原体との相互作用を通じて肺損傷に寄与すると考えられる(6)。これらの細菌は、緑膿菌の増殖を刺激する短鎖アミノ酸や脂肪酸を生成して喀痰ムチンを分解することができる(36)。また、嫌気性菌による短鎖脂肪酸の生成は、インターロイキン8(IL-8)関連経路を通じて炎症反応に関与している可能性がある(6, 37)。さらに、緑膿菌は、Rothiaが生産する基質を用いてin vitroで一次代謝産物を生成する(5, 38)。ppFEV1が80%以上の患者では、一部の嫌気性菌(PorphyromonasとPeptostreptococcus)の存在量が増加していることから、細菌種と患者の表現型を区別して嫌気性菌の役割を調査する必要がある(33、39)。
気道微生物叢は、アイバカフトール治療下でも経時的に比較的安定しているが(31)、気道真菌叢は、環境のコニディアの吸入を条件として、経時的に変動することが示されている(34)。そのため、ルマカフトール・イバカフトール治療が気道真菌叢に与える影響は、自然変動よりも大きくなければならないため、解析が困難である(40)。しかし、緑膿菌が慢性的にコロニー形成されていない患者において、C. albicansの存在量はルマカフトール・イバカフトールによって有意に減少し、C. albicansはCF疾患の悪化や肺機能の著しい障害と関連している(41)。この結果は、緑膿菌が他の呼吸器疾患患者よりもCF患者でカンジダ種と共存する頻度が高く、CF患者におけるカンジダと病原性細菌によるコロニー形成率が年齢とともに増加するという最近の報告と一致する(42)。
カルプロテクチンは好中球の活性化に機能的に関連していることから,喀痰上清中のカルプロテクチン濃度を評価し,局所炎症を評価した(27,43).その結果、ルマカフトール-イバカフトールに関連する気道炎症と一致して、高レベルのカルプロテクチンを検出しました(11)。以前の報告(24)と一致し、慢性的に緑膿菌に汚染されていない患者であっても、治療下で炎症に有意な変化を認めなかったことから、CF患者における気道炎症の是正は困難であることが示されました。ルマカフトール-イバカフトール療法12ヶ月後に呼気メタボロームプロファイルが変化したが、これは気道微生物叢の構成というよりも、局所炎症および酸化ストレスとの関係を示唆するものである(26)。
本研究にはいくつかの限界があった。メタバーコードは、V3-V4領域と内部転写スペーサー2(ITS2)領域がそれぞれ細菌と真菌のDNAを増幅するための効率的なターゲットであるが(44、45)、すべての微生物の属と種を特定できないかもしれない。プロセスを最適化するために、低頻度の分類群の解像度を向上させ、クラスタリング法(運用分類単位を用いる)と比較して多様性の評価を高めるノイズ除去法(ASVを用いたDADA2)を使用した(46)。さらに、M6喀痰サンプルのない患者は、緑膿菌の慢性的なコロニー形成が少なく、ベースライン時のppFEV1が高かった。したがって、これらの患者は、重症度が低く、進行していないCF疾患であると考えられ、最近示唆されたように、6ヶ月後の排痰能力が低下している可能性がある(11)。さらに、CFTRモジュレーターの成功により、慢性緑膿菌感染症に対するいくつかの治療オプションが生まれ、その後、抗菌治療のアプローチに適応する必要がある(47)。さらに、ivacaftor治療について以前に提案したように、lumacaftor-ivacaftor治療下では、気道微生物叢および菌叢の進化と炎症が異なる可能性があります(24)。さらに、ルマカフトール-イバカフトールによる気道微生物叢-マイコバイオータへの影響を投与6カ月後に評価した。気道微生物叢の変化は、イバカフトール投与開始後数週間から観察され(21)、ルマカフトール-イバカフトールによる臨床効果は3カ月で得られており(10)、6カ月後の評価により、微生物叢やマイコバイオータの変化を検出することができると考えられる。しかし、これは長期的な進化に関する情報を提供するものではなく、ivacaftorを用いた先行研究(21)で示唆されたように、異なる可能性があります。したがって、交絡バイアス(コンプライアンス不良や抗生物質の使用)を考慮した、より長期的な研究が必要である(22)。最後に、ルマカフトール-イバカフトール治療は、12歳以上のF508delホモ接合体患者に対する標準治療の一部であるため、年齢、性別、変異についてペアにしたCFの対照患者を持つことは倫理的に考えられなかった。しかし、呼吸器微生物叢の経時的な解析により、患者を自身のコントロールとして使用することができた。
結論として、ルマカフトール-イバカフトールで治療したCF患者における気道微生物叢-マイコバイオータと炎症の進化を報告する。α多様性が微生物群集の関連マーカーであるという報告(3、48)と同様に、我々の結果は、マイクロバイオーム、メタボローム、および炎症が総体的に疾患進行に寄与する全体として、CF肺エコシステムを考慮することの重要性を強調している(5、26、33)。臨床的および生物学的パラメータと炎症および微生物叢-微生物叢のデータを組み合わせることにより、我々の発見は、理想的には患者が緑膿菌でコロニー化し、気道が不可逆的に損傷する前に、できるだけ早期にCFTRタンパク質モジュレータを開始すべきであるという考えを支持するものである(26)。これらのデータは、ルマカフトール-イバカフトールによる治療を受けた2~11歳の患者を中心に、特に確認する必要があります。我々のデータと最近の報告(11、24、26、33)を考慮すると、CFTRモジュレーターの時代には、臨床的特徴、肺機能評価(ppFEV1、LCI、MRI)、肺生態系解析(局所炎症、微生物-マイコバイオタ、メタボローム評価)、および腸-肺軸の評価とともに、ivacaftor(31)に推奨されているように、個別のアプローチを含むCF管理の総合的評価が必要である。
材料と方法
研究デザインおよび患者。
LumIvaBiota縦断観察研究に登録された患者は、F508delホモ接合体であり、12歳以上であった。患者は、本試験に参加した6つのフランスCFセンター(ボルドー、ロスコフブレスト、フォッホ、グルノーブル、マルセイユ、ロベール・ドゥブレのCRCMセンター)のいずれかでモニタリングされた。すべての患者は、2015年12月から2018年6月の間にルマカフトール-イバカフトール治療を開始し、自発的に排痰した。
喀痰は、治療開始前(M0)および治療開始6カ月後(M6)のケア中に採取した。各施設の慣例に従い、最終的には理学療法後の通院時に得られた自然排痰で構成された。参加者は、排痰の前に口腔洗浄を行ったり、高張食塩水のネブライザーを受けたりする必要はなかった。ルーチンケアに必要な通常の微生物分析を行った後、自然分泌された喀痰は、その場で-20℃で凍結され、ドライアイスでボルドー病院の真菌科に送られ、微生物相、ガラクトマンナン(GM)、カルプロテクチンの集中分析が行われた。両方の訪問時に、患者の臨床状態は、フランス嚢胞性線維症レジストリにネストされたフランス全国前向きコホートのデータを使用して記録された(10)。
すべての患者、または該当する場合はその保護者は、研究についての情報を受け取った。喀痰サンプルの残骸と臨床データ(年齢、性別、ppFEV1、BMI、投薬、ルーチンケア中に行われた喀痰の微生物培養の結果)を収集する前に、非賛成を得た。微生物学的データは、各患者のS. aureus、Haemophilus influenzae、Burkholderia cepacia、P. aeruginosa、Aspergillus fumigatusの肺内コロニー形成状態を調べるために収集されました。緑膿菌およびA. fumigatusのコロニー形成については、地域の慣行に従って、過去6ヶ月間に少なくとも1ヶ月間の陽性培養の間に連続3回の培養で緑膿菌分離株が存在すること(49)または過去12ヶ月間に50%以上のサンプルが陽性であること(50)および過去12ヶ月間にA. fumigatusに対して2回の喀痰培養陽性と定義されています(51)。他の病原体によるコロニー形成についてはコンセンサスを得た定義がなかったため、コロニー形成状態の判定は治験責任医師の裁量に任された。
サンプルは、Bordeaux Centre for Biological Collections(認可番号AC-2014-2166)から入手した。この研究は、ClinicalTrials.govに識別子NCT03565692で登録された。
喀痰の前処理と DNA 抽出。
等量のSputasol(Oxoid, Basingstoke, UK)で37℃、30分間前処理した後、遠心分離(1,500×g、10分間)し、上清とペレットをそれぞれカルプロテクチンおよびGM評価、DNA抽出用に-20℃で別々に冷凍保存した(4、52)。DNeasy PowerSoil kit(Qiagen, Les Ulis, France)を用いて、人工群集のすべての細菌と真菌を溶解できることを確認した後、先に述べたように(53)、試料からDNAを抽出した(補足資料参照)。次に、メーカーのプロトコールに従い、前述(54)のように、Precellys evolution(7,000rpmで30秒を2サイクル)を用いて機械的溶解ステップを強化しました。ネガティブコントロール(250μLのDNAを含まない水)は、同じプロトコルで処理した。DNAサンプルは20ng/μLで使用した。
メタバーコーディングを用いた微生物叢および真菌叢の評価。
喀痰の分類学的組成は、先に記載したように、rRNAのV3-V4およびITS2領域を標的とすることで評価した(54)。V3-V4およびITS2遺伝子座を増幅するために使用したプライマーは以下の通りである: 16S-フォワード(TACGGRAGCAGCAG)、16S-リバース(CTACCNGGGTATCTAAT)、ITS2-フォワード(GTGARTCATCGAATCTTT)、ITS2-リバース(GATATGCTTAAGTTCAGCGGGT).陰性抽出コントロールに加えて、ライブラリーブランクと2つの陽性コントロール(社内の人工細菌および真菌コミュニティ[補足資料参照])を処理し、患者サンプルと一緒に配列決定し、実験手順を検証するために使用しました。PCR増幅は、バーコード付きプライマー(最終濃度0.2μM)を用いて、アニーリング温度50℃で30サイクル行うことで実施した。PCR産物はAgilent自動化システムで確認し、磁気ビーズを用いて精製し、等モル濃度で混合した。次世代シーケンスは、ボルドー大学のPlateforme Génome Transcriptome de Bordeaux(PGTB)プラットフォームにおいて、MiSeqシステム(Illumina、カリフォルニア州サンディエゴ)で250bpペアエンド技術を使用して行った。
細菌および真菌のリードの解析。
リードはデマルチプレックスされ、プライマーはCutAdaptを用いて除去された。サンプルはRのDADA2パイプライン(バージョン4.0.3)で、ペアエンドリードの標準的なフィルタリングパラメータ、トリミング、デレプリケーション、マージを使用して処理した(46、55、56)。最近提案されたように(57)、真菌コミュニティの特徴付けのために前方配列のみを分析した。2種類のアンプリコン配列バリアント(ASV)テーブルを構築し、細菌のASVはSilvaデータベース(リリース138)から、真菌のASVはUniteデータベース(リリース8.2)から分類法を割り出した。非効率的な実験の可能性を検出するための模擬コミュニティと、微生物叢と菌叢の潜在的な試薬汚染物質を特定し除去するためのネガティブコントロールを、microDecon Rパッケージ(58)を用いて使用しました。サンプルの1%未満に存在するASVは除去した(56)。各サンプルのカバー率は、希薄化曲線を用いて評価した。真菌のリードが100未満であった8人の患者からの10サンプルを除き、すべてのサンプルが希釈曲線のプラトーに到達した。
細菌、真菌、緑膿菌の負荷を定量化した。
16S遺伝子座を標的としたqPCRは、以前に記載されたように、総細菌負荷の定量化に使用された(11、54)。定量は、Escherichia coli(ATCC 25922)濃度の標準範囲(2.79~2,787.1 pg/μL)を用いて実施した。
緑膿菌の存在量は、10 CFU/mLの閾値で感度100%、特異度100%の2つのqPCR(oprLとecfX-gyrB)を組み合わせて定量化した(59-61)。
真菌のシーケンシングはITS2領域の増幅に基づいており、18S領域を含む他の領域と比較してITS2シーケンシングの性能が優れていることを示す発表データと一致している(44)。真菌の18S領域をターゲットにした、公表され広く使われているプライマーを、qPCRによる真菌負荷の定量化のために選択した(62)。定量は、標準範囲のCandida albicans(ATCC 5314)DNA濃度(0.37 pg/μL~3,663.5 pg/μL)を用いて行われた。
カルプロテクチンの投与量
CF喀痰に多く含まれる炎症性因子であるカルプロテクチン(27、43)の喀痰上清中の濃度を酵素結合免疫吸着法(ELISA)(カタログ番号S100A8/9;Buhlmann Laboratories AG, Schonenbuch, Switzerland)(27、43)により評価した。
ガラクトマンナンの投与量
プラテリア・アスペルギルス酵素免疫測定法(EIA)(Bio-Rad, Marnes-La-Coquette, France)を用いて、製造者の推奨プロトコルに従って喀痰上清のGM抗原指数を評価した;1以上の指数を陽性とし、陽性結果が得られたアッセイは重複して繰り返した(63、64)。
統計分析。
結果は、パラメトリック変数については平均値(±標準偏差[SD])、ノンパラメトリック変数または絶対値については中央値(四分位範囲[IQR])、カテゴリー変数についてはパーセンテージで示した。定量的変数の群間比較にはノンパラメトリックのWilcoxon-Mann-Whitney検定を使用した。相関はスピアマン法を用いて算出した。マクネマーの検定とウィルコクソンの符号順位検定は、それぞれ対になった名目データと量的データの分析に使用した。P値は、Benjamini-Hochberg調整(65)を用いて多重検定について補正した。
微生物叢と菌叢のデータについては、phyloseq Rパッケージを用いてα-diversity指標(Simpson指標とShannon指標)を作成した。横断的な分析では、特定の時間において、アルファ多様性指標の有意差をウィルコクソン順位和検定を用いて特定した。縦断的な分析では、ウィルコクソンの符号順位検定を使用した。β多様性の差は、vegan Rパッケージの順列多変量分散分析(PERMANOVA)により、10,000回の順列で検定した。DESeq2 (66)を使用して、相対存在量の差異に関する2クラス検定を行った。治療開始前と治療開始後のデータを比較する場合は、ペアテストを使用した。メタバーコードバイオマーカーの同定には、LEfSe法を使用した(67)。
解析はR studio(Version 1.3.1056 for Windows)で行い、P値<0.05は統計的有意性を示すとみなした。
データの入手
16S rRNA遺伝子とITS2配列は、European Nucleotide Archive(アクセッション番号PRJEB53549)に提出されている。コードは https://github.com/raphaelenaud/LumIvaBiota で入手可能です。本研究で作成および/または解析したその他のデータセットは一般には公開されていないが、合理的な要求があれば対応する著者から入手可能である。
謝辞
本試験に参加していただいた患者さんとそのご家族、および本試験に関わったすべての看護師、医師、臨床研究コーディネーターに感謝いたします。
LumIvaBiota研究グループは、Sébastien Imbert、Fabien Beaufils、Patrick Berger(ボルドー大学、INSERM U1045)、Cécile Bébéar、Julie Macey、Frédéric Perry、および Pauline Gallet(ボルドー大学病院)で構成されていました; Guillaume Simon(ボルドー大学病院、CIC 1401)、Erwan Guichoux、Marie Massot、Benjamin Tyssandier(PGTB、Pierroton)、Muriel Cornet、Isabelle Pin、Catherine Llerena(グレノーブル大学病院)、Stephanie Gouriou(Brest 大学病院); Michele Gerardin、Patricia Mariani (Assistance Publique Hôpitaux de Paris, Hôpital Robert Debré); Sophie Ramel (Roscoff Fondation Ildys); Dominique Grenet and Emilie Cardot-Martin (Foch Hospital); Jean-Christophe Dubus, Nathalie Stremler-Le Bel, Mélisande Baravalle-Einaud and Stephane Ranque (Marseille University Hospital); Emmanuel Mas、Marie Mittaine、Sophie Cassaing(トゥールーズ大学病院)、Nathalie Wizla、Caroline Thumerelle、Dominique Turck、Séverine Loridant、Anne-Sophie Deleplanque (リール大学病院)。
R.E.、F.L.-S.、E.C.、L.D.が研究をデザインした。R.E.、F.L.-S.、E.C.、S.B.、M.F.、P.-R.B.、G.H-A.、およびLumIvaBiota研究グループの研究者がデータ収集に貢献した。R.E., F.L.-S., E.C., L.V.-S., J.G., T.S., M.N., G.H.-A., and L.D. contributed to data management and analysis. R.E.、F.L.-S.、E.C.、L.V.-S.、M.N.、L.D.は統計解析を実施した。R.E.、G.H.-A.、L.D.は原稿の第1稿を執筆し、著者全員が重要な知的内容について修正・承認した。最終的な原稿は全著者が承認した。
この研究は、Vertex SocietyとVaincre la Mucoviscidose Associationからの研究助成金により行われたものである。Vertex SocietyとVaincre la Mucoviscidose Associationは、データの収集と分析、および原稿の提出の決定において、いかなる役割も担っていない。
補足資料
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Einarsson GG, Ronan NJ, Mooney D, McGettigan C, Mullane D, NiChroinin M, Shanahan F, Murphy DM, McCarthy M, McCarthy Y, Eustace JA, Gilpin DF, Elborn JS, Plant BJ, Tunney MM. 2021. ivacaftorによるCFTR変調後の嚢胞性線維症の気道微生物群の拡張培養および培養非依存型分子解析。J Cyst Fibros 20:747-753.
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