Characterization and quantification of the fungal microbiome in serial samples from individuals with cystic fibrosis

Abstract

BackgroundHuman-associated microbial communities include fungi, but we understand little about which fungal species are present, their relative and absolute abundances, and how antimicrobial therapy impacts fungal communities. The disease cystic fibrosis (CF) often involves chronic airway colonization by bacteria and fungi, and these infections cause irreversible lung damage. Fungi are detected more frequently in CF sputum samples upon initiation of antimicrobial therapy, and several studies have implicated the detection of fungi in sputum with worse outcomes. Thus, a more complete understanding of fungi in CF is required.ResultsWe characterized the fungi and bacteria in expectorated sputa from six CF subjects. Samples were collected upon admission for systemic antibacterial therapy and upon the completion of treatment and analyzed using a pyrosequencing-based analysis of fungal internal transcribed spacer 1 (ITS1) and bacterial 16S rDNA sequences. A mixture of Candida species and Malassezia dominated the mycobiome in all samples (74%–99% of fungal reads). There was not a striking trend correlating fungal and bacterial richness, and richness showed a decline after antibiotic therapy particularly for the bacteria. The fungal communities within a sputum sample resembled other samples from that subject despite the aggressive antibacterial therapy. Quantitative PCR analysis of fungal 18S rDNA sequences to assess fungal burden showed variation in fungal density in sputum before and after antibacterial therapy but no consistent directional trend. Analysis of Candida ITS1 sequences amplified from sputum or pure culture-derived genomic DNA from individual Candida species found little (<0.5%) or no variation in ITS1 sequences within or between strains, thereby validating this locus for the purpose of Candida species identification. We also report the enhancement of the publically available Visualization and Analysis of Microbial Population Structures (VAMPS) tool for the analysis of fungal communities in clinical samples.ConclusionsFungi are present in CF respiratory sputum. In CF, the use of intravenous antibiotic therapy often does not profoundly impact bacterial community structure, and we observed a similar stability in fungal species composition. Further studies are required to predict the effects of antibacterials on fungal burden in CF and fungal community stability in non-CF populations.

Coculture of Staphylococcus aureus with Pseudomonas aeruginosa Drives S. aureus towards Fermentative Metabolism and Reduced Viability in a Cystic Fibrosis Model

“…Culture-independent studies have revealed the simultaneous presence of numerous bacterial taxa, fungi, and viruses in respiratory samples from CF patients at all stages of life (2)(3)(4)(5)(6)(7)(8). This abundance of microbes colonizing the respiratory tract, and particularly the lower airways, is facilitated by thick airway mucus and deficient mucociliary clearance that result from mutation of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene (9)(10)(11).…”

Un nouveau concept

“…Quelques études se sont intéressées au mycobiote digestif ou cutané [1,2], très peu ont abordé le mycobiote pulmonaire [3][4][5][6][7]. Pourtant, plusieurs éléments démontrent l'importance de la flore fongique dans les pathologies respiratoires chroniques telles que la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO), l'asthme ou la mucoviscidose : (1) les spores (ou conidies) de champignons sont de petite taille (2 à 10 μm), très facilement inhalées.…”

“…À ce jour, quelques études ont analysé et identifié le mycobiote pulmonaire du sujet sain et/ou les profils de mycobiote modifié (ou dysbiose) caractérisant un contexte pathologique spécifique (asthme, mucoviscidose et transplantation pulmonaire). En utilisant les approches de séquençage à haut débit, toutes ces études ont mis en évidence une flore fongique beaucoup plus riche que celle identifiée par méthode conventionnelle (culture et/ou PCR ciblant un pathogène) [3][4][5][6][7]. En effet, ces techniques offrent la possibilité théorique d'identifier toutes les espèces fongiques pré-sentes (y compris celles réfractaires à la culture comme Pneumocystis jirovecii) et de générer des données détaillées, précises et sans a priori sur cette communauté microbienne [3][4][5][6][7].…”

“…En utilisant les approches de séquençage à haut débit, toutes ces études ont mis en évidence une flore fongique beaucoup plus riche que celle identifiée par méthode conventionnelle (culture et/ou PCR ciblant un pathogène) [3][4][5][6][7]. En effet, ces techniques offrent la possibilité théorique d'identifier toutes les espèces fongiques pré-sentes (y compris celles réfractaires à la culture comme Pneumocystis jirovecii) et de générer des données détaillées, précises et sans a priori sur cette communauté microbienne [3][4][5][6][7]. Chez les sujets sains [1,2,4,6], le mycobiote pulmonaire comporte de nombreux champignons issus de l'environnement dont des Aspergillus, des Cladosporium, des Penicillium et beaucoup de levures (Figure 1 Mieux connaître la communauté fongique pulmonaire et son écologie, la comparer avec celle de la communauté bactérienne, permettra de mieux analyser les synergies potentielles entre microorganismes.…”

“…De façon surprenante, les espèces du genre Malassezia ont été isolées en grande quantité chez ces patients [5,7]. L'espèce Malassezia pachydermatis, responsable de troubles allergiques, a notamment été isolée chez les patients asthmatiques au cours d'une étude castémoins [6] (Figure 1).…”