БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 1, с. 3–14

УДК 579.61

Особенности микробиома респираторного тракта больных муковисцидозом*

© 2020 О.Л. Воронина 1**,***, Н.Н. Рыжова 1, М.С. Кунда 1, Э.В. Лосева 1, Е.И. Аксенова 1, Е.Л. Амелина 2, Г.Л. Шумкова 2, О.И. Симонова 3, А.Л. Гинцбург 1

Национальный исследовательский центр им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России, 123098 Москва, Россия; электронная почта: olv550@gmail.com

Научно-исследовательский институт пульмонологии ФМБА России, 115682 Москва, Россия

Национальный медицинский исследовательский центр здоровья детей Минздрава России, 119296 Москва, Россия

Поступила в редакцию 04.06.2019
После доработки 29.07.2019
Принята к публикации 10.09.2019

DOI: 10.31857/S0320972520010017

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: микробиом, муковисцидоз, респираторный тракт, хронический риносинусит, Proteobacteria.

Аннотация

Микробиота — неотъемлемая часть организма человека, которую активно исследуют, в т.ч. методами массового параллельного секвенирования. Однако микробиомы легких и пазух носа стали объектами пристального внимания лишь в последнем десятилетии. Для пациентов с муковисцидозом контроль состояния микроорганизмов дыхательных путей важен для сохранения функции легких. Выяснение роли пазух носа и наличия полипов в формировании микробиома дыхательных путей стало целью нашего исследования. Мы показали, что уже в детском возрасте в пазухах носа присутствуют протеобактерии, обнаруженные также в образцах из нижних дыхательных путей. В ряде случаев им сопутствуют потенциально опасные базидиомицеты. Однако наличие полипов не влияет на формирование микробиома пазух носа. Протеобактерии являются определяющими в снижении биоразнообразия микробиомов легких и пазух носа, что коррелирует с ухудшением показателей функции легких. Мягкие мутации в гене CFTR даже в гетерозиготном состоянии в сочетании с мутацией I класса способствуют формированию более благополучного микробиома.

Сноски

* Статья посвящается 80-летию кафедры биохимии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (см. том 84, вып. 11, 2019).

** Автор является выпускником кафедры биохимии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

*** Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена в рамках Государственного задания № 056-00108-18-00 на 2018 г. и на плановый период 2019 и 2020 гг. и Государственного задания № 056-00078-19-00 на 2019 г. и на плановый период 2020 и 2021 гг. для НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России.

Конфликт интересов

Авторы статьи подтверждают отсутствие конфликта интересов в научной и финансовой сферах.

Соблюдение этических норм

Информированные согласия на исследование образцов были получены врачами от взрослых больных МВ, пациентов старше 15 лет, а также от родителей и опекунов несовершеннолетних пациентов младше 15 лет. Цикл исследований биологических образцов пациентов, больных МВ и врожденным пороком развития легких, был одобрен комитетом по биомедицинской этике НИИЭМ им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России (протокол № 1 от 17.05.2012).

Список литературы

1. Woese, C.R. (2004) A new biology for a new century, Microbiol. Mol. Biol. Rev., 68, 173–186, doi: 10.1128/MMBR.68.2.173-186.2004.

2. Stackebrandt, E., and Woese, C.R. (1984) The phylogeny of prokaryotes, Microbiol. Sci., 1, 117–122.

3. Land, M., Hauser, L., Jun, S.R., Nookaew, I., Leuze, M.R., Ahn, T.H., Karpinets, T., Lund, O., Kora, G., Wassenaar, T., Poudel, S., and Ussery, D.W. (2015) Insights from 20 years of bacterial genome sequencing, Funct. Integr. Genomics, 15, 141–161, doi: 10.1007/s10142-015-0433-4.

4. Olsen, G.J., Larsen, N., and Woese, C.R. (1991) The ribosomal RNA database project, Nucleic Acids Res., 19 Suppl., 2017–2021, doi: 10.1093/nar/19.suppl.2017.

5. NIH Human Microbiome Project (URL: https://hmpdacc.org/).

6. Proctor, L.M. (2011) The Human Microbiome Project in 2011 and beyond, Cell Host Microbe, 10, 287–291, doi: 10.1016/j.chom.2011.10.001.

7. Nichols, D.P., and Chmiel, J.F. (2015) Inflammation and its genesis in cystic fibrosis, Pediatr. Pulmonol., 50 (Suppl. 40), S39–S56, doi: 10.1002/ppul.23242.

8. Salsgiver, E.L., Fink, A.K., Knapp, E.A., LiPuma, J.J., Olivier, K.N., Marshall, B.C., and Saiman, L. (2016) Changing epidemiology of the respiratory bacteriology of patients with cystic fibrosis, Chest, 149, 390–400, doi: 10.1378/chest.15-0676.

9. Dickson, R.P., Erb-Downward, J.R., Martinez, F.J., and Huffnagle, G.B. (2016) The microbiome and the respiratory tract, Annu. Rev. Physiol., 78, 481–504, doi: 10.1146/annurev-physiol-021115-105238.

10. Zakharkina, T., Heinzel, E., Koczulla, R.A., Greulich, T., Rentz, K., Pauling, J.K., Baumbach, J., Herrmann, M., Grunewald, C., Dienemann, H., von Muller, L., and Bals, R. (2013) Analysis of the airway microbiota of healthy individuals and patients with chronic obstructive pulmonary disease by T-RFLP and clone sequencing, PLoS One, 8, e68302, doi: 10.1371/journal.pone.0068302.

11. Воронкова А.Ю., Амелина Е.Л., Каширская Н.Ю., Кондратьева Е.И., Красовский С.А., Старинова Н.И., Капранов Н.И. (2019) В кн. Регистр больных муковисцидозом в Российской Федерации. 2017 год (под ред. Воронковой А.Ю.), Медпрактика-М, Москва, 68 с.

12. European Cystic Fibrosis Society Patient Registry. Annual data report (year 2016), version 1.2018 (URL: www.ecfs.eu/sites/default/files/general-content-images/working-groups/ecfs-patient-registry/ECFSPR_Report2016_06062018.pdf).

13. Einarsson, G.G., Zhao, J., LiPuma, J.J., Downey, D.G., Tunney, M.M., and Elborn, J.S. (2019) Community analysis and co-occurrence patterns in airway microbial communities during health and disease, ERJ Open Res., 5, 00128-2017, doi: 10.1183/23120541.00128-2017.

14. Caverly, L.J., and LiPuma, J.J. (2018) Cystic fibrosis respiratory microbiota: unraveling complexity to inform clinical practice, Exp. Rev. Respir. Med., 12, 857–865, doi: 10.1080/17476348.2018.1513331.

15. Isles, A., Maclusky, I., Corey, M., Gold, R., Prober, C., Fleming, P., and Levison, H. (1984) Pseudomonas cepacia infection in cystic fibrosis: an emerging problem, J. Pediatr., 104, 206–210, doi: 10.1016/s0022-3476(84)80993-2.

16. Lobo, L.J., Tulu, Z., Aris, R.M., and Noone, P.G. (2015) Pan-resistant Achromobacter xylosoxidans and Stenotrophomonas maltophilia infection in cystic fibrosis does not reduce survival after lung transplantation, Transplantation, 99, 2196–2202, doi: 10.1097/TP.0000000000000709.

17. Voronina, O., Ryzhova, N., Kunda, M., Sharapova, N., Aksenova, E., Amelina, E., Shumkova, G., Simonova, O., Egorov, M., Kondratyeva, E., Chuchalin, A., and Gintsburg, A. (2018) Changes in airways bacterial community with cystic fibrosis patients’ age and lung function decline. 41st European Cystic Fibrosis Conference, J. Cystic Fibrosis, 17 (Suppl. 3), S78, doi: 10.1016/S1569-1993(18)30366-7.

18. Pletcher, S.D., Goldberg, A.N., and Cope, E.K. (2019) Loss of microbial niche specificity between the upper and lower airways in patients with cystic fibrosis, Laryngoscope, 129, 544–550, doi: 10.1002/lary.27454.

19. Рыжова Н.Н., Воронина О.Л., Лосева Э.В., Аксенова Е.И., Кунда М.С., Шарапова Н.Е., Шерман В.Д., Гинцбург А.Л. (2019) Микробиом респираторного тракта детей с муковисцидозом, Сибирское медицинское обозрение, 2, 19–28, doi: 10.20333/2500136-2019-2-19-28.

20. Воронина О.Л., Рыжова Н.Н., Кунда М.С., Аксенова Е.И., Шарапова Н.Е., Амелина Е.Л., Лазарева А.В., Черневич В.П., Симонова О.И., Жуховицкий В.Г., Жилина С.В., Семыкин С.Ю., Поликарпова С.В., Ашерова И.К., Орлов А.В., Кондратенко О.В. (2019) Основные тенденции в изменении разнообразия буркхолдерий, инфицирующих российских больных муковисцидозом, Сибирское медицинское обозрение, 2, 80–88, doi: 10.20333/2500136-2019-2-80-88.

21. Voronina, O.L., Kunda, M.S., Ryzhova, N.N., Aksenova, E.I., Sharapova, N.E., Semenov, A.N., Amelina, E.L., Chuchalin, A.G., and Gintsburg, A.L. (2018) On Burkholderiales order microorganisms and cystic fibrosis in Russia, BMC Genomics, 19 (Suppl. 3), 74, doi: 10.1186/s12864-018-4472-9.

22. Voronina, O.L., Kunda, M.S., Ryzhova, N.N., Aksenova, E.I., Semenov, A.N., Lasareva, A.V., Amelina, E.L., Chuchalin, A.G., Lunin, V.G., and Gintsburg. A.L. (2015) The variability of the order Burkholderiales representatives in the healthcare units, BioMed Res. Int., 2015, 680210, doi: 10.1155/2015/680210.

23. Воронина О.Л., Кунда М.С., Аксенова E.И., Орлова А.А., Чернуха М.Ю., Лунин В.Г., Амелина Е.Л., Чучалин А.Г., Гинцбург А.Л. (2013) Экспресс-диагностика микроорганизмов, поражающих дыхательные пути больных муковисцидозом, Клиническая лабораторная диагностика, 11, 53–57.

24. Curran, B., Jonas, D., Grundmann, H., Pitt, T., and Dowson, C.G. (2004) Development of a multilocus sequence typing scheme for the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa, J. Clin. Microbiol., 42, 5644–5649, doi: 10.1128/JCM.42.12.5644-5649.2004.

25. Воронина О.Л., Рыжова Н.Н., Кунда М.С., Аксенова Е.И., Овчинников Р.С., Федосова Н.Ф., Амелина Е.Л., Лунин В.Г., Чучалин А.Г., Гинцбург А.Л. (2015) Разработка подходов к идентификации возбудителей микозов легких у больных муковисцидозом непосредственно в клинических образцах из респираторного тракта, Лабораторная служба, 4, 11–17.

26. Chen, J., Bittinger, K., Charlson, E.S., Hoffmann, C., Lewis, J., Wu, G.D., Collman, R.G., Bushman, F.D., and Li, H. (2012) Associating microbiome composition with environmental covariates using generalized UniFrac distances, Bioinformatics, 28, 2106–2113, doi: 10.1093/bioinformatics/bts342.

27. Консенсус по клиническим эффектам генетических вариантов МГНЦ, Leiden Open Variation Database, v.3.0 (URL: http://seqdb.med-gen.ru/).

28. Clustering and classification methods for biologists. Manchester Metropolitan University (URL: http://www.angelfire.com/planet/biostats/upload.htm).

29. Anderson, M.J. (2001) A new method for non parametric multivariate analysis of variance, Austral. Ecology, 26, 32–46, doi: 10.1111/j.1442-9993.2001.01070.pp.x.

30. Ginsburg, G.S., and Willard, H.F. (2009) Genomic and personalized medicine: foundations and applications, Transl. Res., 154, 277–287, doi: 10.1016/j.trsl.2009.09.005.

31. Chowdhary, A., Randhawa, H.S., Gaur, S.N., Agarwal, K., Kathuria, S., Roy, P., Klaassen, C.H., and Meis, J.F. (2013) Schizophyllum commune as an emerging fungal pathogen: a review and report of two cases, Mycoses, 56, 1–10, doi: 10.1111/j.1439-0507.2012.02190.x.

32. Biswas, K., Cavubati, R., Gunaratna, S., Hoggard, M., Waldvogel-Thurlow, S., Hong, J., Chang, K., Wagner Mackenzie, B., Taylor, M.W., and Douglas, R.G. (2019) Comparison of subtyping approaches and the underlying drivers of microbial signatures for chronic rhinosinusitis, mSphere, 4, e00679-18, doi: 10.1128/mSphere.00679-18.

33. Lucas, S.K., Yang, R., Dunitz, J.M., Boyer, H.C., and Hunter, R.C. (2018) 16S rRNA gene sequencing reveals site-specific signatures of the upper and lower airways of cystic fibrosis patients, J. Cyst. Fibros., 17, 204–212, doi: 10.1016/j.jcf.2017.08.007.

34. Fothergill, J.L., Neill, D.R., Loman, N., Winstanley, C., and Kadioglu, A. (2014) Pseudomonas aeruginosa adaptation in the nasopharyngeal reservoir leads to migration and persistence in the lungs, Nat. Commun., 5, 4780, doi: 10.1038/ncomms5780.