Inflammation and Airway Microbiota during Cystic Fibrosis Pulmonary Exacerbations

Abstract

BackgroundPulmonary exacerbations (PEx), frequently associated with airway infection and inflammation, are the leading cause of morbidity in cystic fibrosis (CF). Molecular microbiologic approaches detect complex microbiota from CF airway samples taken during PEx. The relationship between airway microbiota, inflammation, and lung function during CF PEx is not well understood.ObjectiveTo determine the relationships between airway microbiota, inflammation, and lung function in CF subjects treated for PEx.MethodsExpectorated sputum and blood were collected and lung function testing performed in CF subjects during early (0–3d.) and late treatment (>7d.) for PEx. Sputum was analyzed by culture, pyrosequencing of 16S rRNA amplicons, and quantitative PCR for total and specific bacteria. Sputum IL-8 and neutrophil elastase (NE); and circulating C-reactive protein (CRP) were measured.ResultsThirty-seven sputum samples were collected from 21 CF subjects. At early treatment, lower diversity was associated with high relative abundance (RA) of Pseudomonas (r = −0.67, p<0.001), decreased FEV1% predicted (r = 0.49, p = 0.03) and increased CRP (r = −0.58, p = 0.01). In contrast to Pseudomonas, obligate and facultative anaerobic genera were associated with less inflammation and higher FEV1. With treatment, Pseudomonas RA and P. aeruginosa by qPCR decreased while anaerobic genera showed marked variability in response. Change in RA of Prevotella was associated with more variability in FEV1 response to treatment than Pseudomonas or Staphylococcus.ConclusionsAnaerobes identified from sputum by sequencing are associated with less inflammation and higher lung function compared to Pseudomonas at early exacerbation. CF PEx treatment results in variable changes of anaerobic genera suggesting the need for larger studies particularly of patients without traditional CF pathogens.

A Winogradsky-based culture system shows an association between microbial fermentation and cystic fibrosis exacerbation

“…Some studies find little change (Fodor et al, 2012;Deschaght et al, 2013;Price et al, 2013), while others are finding fluctuations in anaerobic microbial abundance (Carmody et al, 2013;Deschaght et al, 2013;Twomey et al, 2013;Zemanick et al, 2013). The WinCF system demonstrated that obligate anaerobes are abundant prior to exacerbation and actively fermenting.…”

Mycobiota: Micro-Eukaryotes Inhabiting Our Body as Commensals or Opportunistic Pathogens

“…Keeping in mind the co-occurrence of the microbial communities transiently or persistently colonizing the lung [92,93], a modification in lung mycobiota may result from a primary dysbiosis of bacteria. Indeed, the causative or the correlative relation between changes in lung mycobiota and disease onset needs to be proven by expanding the number of samples and moving forward the study from the species to the strain level.…”

Le microbiome pulmonaire en 2015

“…Même si le nombre des articles dans la littérature étudiant la composition et la structure du microbiote pulmonaire dans des contextes différents de maladies respiratoires est croissant, les connaissances actuelles, en particulier sur sa composition fongique et virale, et sur sa fonction, restent encore très limitées. Selon les études publiées (Tableau I), les modifications du microbiote pulmonaire seraient corrélées à l'évolution clinique des patients (par exemple : dans la mucoviscidose, une perte de diversité bactérienne et fongique peut être associée à une diminution de la fonction respiratoire) [7,[9][10][11]14]. De plus, comme le microbiome intestinal, le microbiome pulmonaire jouerait un rôle dans la régulation de la réponse immunitaire [3].…”

“…À côté de P. aeruginosa, d'autres espèces ou genres (Streptococcus, Prevotella, Veillonella, Rothia, Actinomyces, Gemella, Granulicatella, Fusobacterium, Neisseria, Atopobium, etc.) ont été identifiés comme étant importants dans la constitution du microbiote pulmonaire au cours de la mucoviscidose [9,11,[13][14][15][16][17][18][19][20]. L'ensemble de ces études tend à montrer qu'il existe une corrélation significative entre la diversité du microbiome pulmonaire et l'âge, le statut clinique et l'état de la fonction pulmonaire des patients [11, 15-17, 20, 26].…”

“…À l'inverse, la colonisation par des bactéries sélectionnées serait un facteur de risque accru pour l'asthme. L'impact de la colonisation bactérienne sur l'asthme et sur la survenue d'exacerbations, a été observé dans de nombreuses études avec des taux de colonisation allant de 12 à 61 % selon les résultats [43][44][45] soit (mucoviscidose, BPCO, ou asthme), la survenue d'une exacerbation sera associée à une modification du bactériote et du bactériome, voire du mycobiote et/ou du virome [8,9,11,14,31,33,34]. Cette dysbiose, largement étudiée en ce qui concerne la communauté bactérienne, moins documentée pour les micromycètes, les virus ou les phages, montre clairement son impact sur la fonction respiratoire, sur la réponse inflammatoire et immune locale, voire une association avec une réponse incomplète au traitement adapté à la pathologie pulmonaire [23].…”