Długotrwała terapia modulatorami CFTR-ETI przebudowuje mikrobiotę dróg oddechowych w mukowiscydozie

Wieloośrodkowe badanie opublikowane w czasopiśmie Microbiome pokazuje, że długotrwałe leczenie skojarzeniem elexakaftor–tezakaftor–ivakaftor u dorosłych osób z mukowiscydozą wiąże się z istotną przebudową mikrobioty dróg oddechowych. Wraz z czasem trwania terapii klasyczne patogeny mukowiscydozowe traciły znaczenie ekologiczne, a skład mikrobioty przesuwał się w kierunku profilu bardziej zbliżonego do obserwowanego u osób bez mukowiscydozy. Jednocześnie autorzy wskazują, że pełna normalizacja mikrobiomu może być ograniczana przez nieodwracalne uszkodzenie płuc oraz przewlekłą ekspozycję na antybiotyki, szczególnie azytromycynę.

W artykule:

• Dlaczego mikrobiota dróg oddechowych ma znaczenie w mukowiscydozie
• Jak zaprojektowano wieloośrodkowe badanie dorosłych pacjentów leczonych ETI
• Jak terapia elexakaftor–tezakaftor–ivakaftor zmienia różnorodność i dominację bakterii
• Co stało się z klasycznymi patogenami, takimi jak Pseudomonas aeruginosa i Staphylococcus aureus
• Dlaczego azytromycyna może wymagać ponownej oceny w erze modulatorów CFTR
• Jakie pytania pozostają otwarte dla dalszych badań klinicznych i mikrobiologicznych

Mukowiscydoza jako choroba mikrośrodowiska dróg oddechowych

Mukowiscydoza jest chorobą wieloukładową, ale to przewlekłe zakażenie i utrzymujący się stan zapalny w obrębie układu oddechowego pozostają kluczowymi czynnikami odpowiedzialnymi za chorobowość, spadek czynności płuc i skrócenie przeżycia pacjentów. Patofizjologicznym punktem wyjścia jest dysfunkcja białka CFTR, prowadząca do zaburzonego transportu jonów chlorkowych i wodorowęglanowych, odwodnienia powierzchniowego płynu dróg oddechowych, zwiększenia lepkości wydzieliny oraz upośledzenia klirensu śluzowo-rzęskowego.

W takim środowisku zakażenie nie ma zwykle charakteru prostego modelu „jeden drobnoustrój – jedna choroba”. Drogi oddechowe osób z mukowiscydozą są zasiedlane przez złożone, dynamiczne i wysoce zindywidualizowane społeczności mikroorganizmów. Ich skład zmienia się wraz z wiekiem pacjenta, stopniem zaawansowania choroby płuc, ekspozycją na antybiotyki, częstością zaostrzeń, obecnością przewlekłej kolonizacji oraz skutecznością leczenia przyczynowego.

W klasycznym obrazie zaawansowanej choroby oskrzelowo-płucnej w mukowiscydozie obserwuje się spadek różnorodności mikrobioty i wzrost dominacji pojedynczych patogenów. Do najważniejszych bakterii kojarzonych z progresją choroby należą Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, przedstawiciele Burkholderia cepacia complex, Haemophilus influenzae, Stenotrophomonas maltophilia oraz Achromobacter xylosoxidans. Im bardziej zaawansowana choroba płuc, tym częściej mikrobiota jest mniej zróżnicowana, bardziej zdominowana przez patogeny i mniej podobna do mikrobioty obserwowanej u osób bez mukowiscydozy.

Terapia ETI zmieniła naturalny przebieg mukowiscydozy

Wprowadzenie modulatorów CFTR było jednym z najważniejszych etapów rozwoju terapii mukowiscydozy. Leki te nie działają jak klasyczne leczenie objawowe, ale poprawiają funkcję wadliwego białka CFTR u pacjentów z określonymi wariantami genu CFTR. Największe znaczenie kliniczne uzyskała terapia potrójna elexakaftor–tezakaftor–ivakaftor, określana skrótem ETI, znana również pod nazwami handlowymi Kaftrio lub Trikafta.

Dotychczasowe dane kliniczne wskazywały, że ETI może poprawiać parametry czynnościowe układu oddechowego, zmniejszać częstość zaostrzeń płucnych, poprawiać stan odżywienia i istotnie wpływać na jakość życia osób z mukowiscydozą. Mniej jasne pozostawało jednak, co dzieje się z ekosystemem mikrobiologicznym dróg oddechowych po kilku latach leczenia. Czy zmniejszenie lepkości wydzieliny, poprawa transportu jonowego i częściowe odtworzenie mechanizmów oczyszczania dróg oddechowych prowadzą do trwałej redukcji patogenów? Czy mikrobiota wraca do stanu zbliżonego do zdrowego? A może klasyczne patogeny utrzymują się mimo poprawy klinicznej?

Na te pytania odpowiedzieli autorzy pracy opublikowanej w czasopiśmie Microbiome. Zespół Helen Gavillet, Lauren R. Hatfield, Michelle Hardman, Ryana Marsha, Gisli G. Einarssona, Christiny S. Thornton, Michaela D. Parkinsa, Jamiego Duckersa, Jennifer M. Bomberger, Yasmin Hilliam, Stelli E. Lee, Roberta W. Lorda, Andrew Jonesa, Alexandra Horsleya, Thomasa W. V. Danielsa, Charlotte C. Teneback, Damiana W. Rivetta i Christophera van der Gasta przeanalizował długoterminowe zmiany mikrobioty oddechowej u dorosłych chorych leczonych ETI.

Międzynarodowy, wieloośrodkowy projekt badawczy

Badanie miało charakter wieloośrodkowy i wielonarodowy. Włączono do niego 276 dorosłych osób z mukowiscydozą z sześciu ośrodków w Wielkiej Brytanii, Stanach Zjednoczonych i Kanadzie. Wśród instytucji uczestniczących znalazły się między innymi Department of Applied Sciences, Northumbria University w Newcastle, Department of Life Sciences, Manchester Metropolitan University, School of Biological Sciences, University of Manchester, School of Pharmacy, Queen’s University Belfast, Department of Medicine, Cumming School of Medicine, University of Calgary and Alberta Health Services, Department of Respiratory Medicine, University Hospital Wales, Cardiff and Vale University Health Board, Department of Microbiology and Immunology, Geisel School of Medicine, Dartmouth College, Division of Otolaryngology, Brigham and Women’s Hospital, Manchester Adult Cystic Fibrosis Centre, Manchester University NHS Foundation Trust, NIHR Respiratory Biomedical Research Centre, University of Manchester, Cystic Fibrosis Unit, Southampton University Hospitals NHS Trust, National Institute for Health and Care Research, Southampton Biomedical Research Centre, Larner College of Medicine, University of Vermont oraz Northern Care Alliance NHS Foundation Trust.

Autorzy przeanalizowali łącznie 454 próbki oddechowe od dorosłych pacjentów z mukowiscydozą oraz próbki od 11 zdrowych osób bez mukowiscydozy. Materiał biologiczny obejmował przede wszystkim plwocinę, ale u osób, które nie odkrztuszały plwociny, wykorzystano wymazy kaszlowe. To ważny element projektu, ponieważ po rozpoczęciu skutecznej terapii modulatorem CFTR wielu pacjentów wytwarza mniej wydzieliny i nie jest w stanie regularnie dostarczać próbek plwociny. Ograniczenie analizy wyłącznie do osób odkrztuszających mogłoby więc faworyzować pacjentów z bardziej zaawansowaną chorobą płuc i zniekształcić obraz populacyjny.

Próbki przed rozpoczęciem ETI klasyfikowano według ciężkości choroby płuc na podstawie wartości procentowej należnej FEV1. Wyróżniono chorobę ciężką, umiarkowaną i łagodną. Próbki pobrane podczas leczenia ETI podzielono natomiast według czasu trwania terapii: około 6 miesięcy, 1 rok, 2 lata i 3 lata. Taka konstrukcja pozwoliła autorom nie tylko porównać stan „przed” i „po” terapii, lecz także ocenić kierunek zmian mikrobioty w dłuższej perspektywie.

Jak badano mikrobiotę dróg oddechowych?

Po pobraniu próbki były zamrażane w temperaturze −80°C, a następnie poddawane analizie molekularnej. Autorzy wykorzystali sekwencjonowanie regionu V4 genu bakteryjnego 16S rRNA na platformie Illumina MiSeq. Dane sekwencyjne analizowano z użyciem pakietu DADA2 w środowisku R, a identyfikację taksonomiczną prowadzono między innymi z wykorzystaniem GTDB database oraz BLAST. Zastrzeżono przy tym, że z uwagi na długość analizowanych sekwencji identyfikacja gatunkowa powinna być traktowana jako przybliżona.

Do oceny struktury mikrobioty zastosowano kilka komplementarnych miar ekologicznych. Różnorodność oceniano za pomocą przekształconych indeksów Shannona i Simpsona. Dominację pojedynczych taksonów oceniano za pomocą indeksu Bergera-Parkera, a podobieństwo składu mikrobioty mierzono indeksem Sørensena. Autorzy analizowali także relacje między częstością występowania danego taksonu a jego względną obfitością, co pozwalało klasyfikować bakterie jako taksony rdzeniowe lub satelitarne. Wykorzystano ponadto analizy SIMPER, PERMANOVA, testy Kruskala-Wallisa z testami post hoc Dunna, testy Wilcoxona oraz kanoniczną analizę korespondencji.

Tak szeroki zestaw narzędzi statystycznych i ekologicznych pozwolił potraktować mikrobiotę nie jako prostą listę wykrytych bakterii, lecz jako złożony ekosystem, którego przebudowę można oceniać ilościowo: przez różnorodność, dominację, rozkład patogenów, podobieństwo do mikrobioty zdrowych osób oraz wpływ czynników klinicznych.

ETI przesuwa mikrobiotę w kierunku profilu bardziej „zdrowego”

Najważniejszym wnioskiem z badania jest to, że wraz z czasem trwania terapii ETI mikrobiota dróg oddechowych osób z mukowiscydozą stopniowo oddalała się od profilu obserwowanego przed leczeniem i przesuwała się w kierunku mikrobioty bardziej podobnej do obserwowanej u osób bez mukowiscydozy. Nie oznaczało to jednak pełnej normalizacji. Nawet po kilku latach leczenia skład mikrobioty pozostawał istotnie różny od mikrobioty zdrowych uczestników.

Przed terapią ETI zgodnie z oczekiwaniami obserwowano zależność między ciężkością choroby płuc a strukturą mikrobioty. U pacjentów z cięższą chorobą różnorodność bakteryjna była niższa, a dominacja pojedynczych patogenów wyższa. W łagodniejszych stadiach choroby mikrobiota była bardziej zróżnicowana i mniej zdominowana przez klasyczne patogeny mukowiscydozowe.

Po rozpoczęciu leczenia ETI różnorodność mikrobioty rosła, a dominacja malała wraz z czasem trwania terapii. Szczególnie wyraźne różnice obserwowano po 2 i 3 latach leczenia. Oznacza to, że efekt ETI na mikrobiotę nie powinien być interpretowany wyłącznie jako szybka zmiana po włączeniu leku. Badanie sugeruje raczej proces długotrwałej przebudowy ekosystemu dróg oddechowych, w którym stopniowo zmniejsza się rola bakterii typowo dominujących w zaawansowanej mukowiscydozie.

Klasyczne patogeny tracą znaczenie ekologiczne

Jednym z najbardziej praktycznych klinicznie elementów badania była analiza klasycznych patogenów mukowiscydozowych. Autorzy wykazali, że w miarę dłuższego stosowania ETI zmniejszało się znaczenie ekologiczne takich bakterii jak Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Burkholderia cepacia complex, Stenotrophomonas maltophilia i Achromobacter xylosoxidans. Nie chodziło wyłącznie o ich względną obfitość w pojedynczej próbce, ale także o rozpowszechnienie w całej badanej populacji.

Dla Pseudomonas aeruginosa średnia względna obfitość w grupach leczonych ETI malała z czasem: od około 30,5% po 6 miesiącach do 2,51% po 3 latach. Achromobacter xylosoxidans również wykazywał trend spadkowy i po 3 latach terapii nie był wykrywany w analizowanej grupie jako takson o mierzalnej średniej obfitości. Stenotrophomonas maltophilia także tracił znaczenie wraz z terapią, choć dynamika zmian była mniej jednorodna.

Po 3 latach terapii żaden z klasycznych patogenów mukowiscydozowych, z wyjątkiem oportunistycznego Haemophilus influenzae, nie utrzymywał statusu taksonu rdzeniowego. Autorzy podali, że rozpowszechnienie Pseudomonas aeruginosa zmniejszyło się z 87% po 6 miesiącach leczenia do 36% po 3 latach. W przypadku Staphylococcus aureus spadek wyniósł z 76% do 31%, dla Stenotrophomonas maltophilia z 46% do 14%, dla Burkholderia cepacia complex z 57% do 10%, a Achromobacter xylosoxidans po 3 latach nie był wykrywany.

Jednocześnie miejsce patogenów zajmowały częściej bakterie kojarzone z bardziej zróżnicowaną mikrobiotą dróg oddechowych, w tym przedstawiciele rodzajów Prevotella, Rothia, Streptococcus i Veillonella. Z punktu widzenia ekologii mikrobiomu może to oznaczać odbudowę bardziej złożonej struktury społeczności bakteryjnej, w której pojedynczy patogen nie narzuca dominującego profilu całemu ekosystemowi.

Poprawa FEV1 i zmiany mikrobioty nie są tym samym zjawiskiem

W analizie parowanych próbek od 82 dorosłych pacjentów autorzy wykazali, że czynność płuc poprawiała się po włączeniu ETI we wszystkich kategoriach ciężkości choroby przed leczeniem. Największy średni procentowy wzrost wartości FEV1 obserwowano u osób z najcięższą chorobą płuc przed terapią. W grupie ciężkiej średnia zmiana wynosiła 44,2%, w grupie umiarkowanej 14,3%, a w grupie łagodnej 10,9%.

Zmiany mikrobioty miały jednak bardziej złożony charakter. Różnorodność generalnie wzrastała po ETI, ale w analizie parowanej istotność statystyczną dla wskaźników różnorodności osiągnięto przede wszystkim w grupie pacjentów z łagodną chorobą płuc przed leczeniem. To ważna obserwacja, ponieważ sugeruje, że poprawa czynności płuc i przebudowa mikrobioty są powiązane, ale nie muszą zachodzić równolegle ani z taką samą dynamiką.

U pacjentów z bardziej zaawansowaną chorobą płuc ETI może znacząco poprawiać parametry czynnościowe, ale strukturalne uszkodzenie oskrzeli, wieloletnia kolonizacja, biofilm bakteryjny i skumulowana ekspozycja na antybiotyki mogą ograniczać pełną odbudowę bardziej fizjologicznego ekosystemu mikrobiologicznego. Autorzy podkreślają, że nawet po 3 latach leczenia mikrobiota pozostawała różna od mikrobioty zdrowych osób, co może odzwierciedlać trwałe zmiany anatomiczne i immunologiczne w drogach oddechowych.

Azytromycyna jako czynnik hamujący przebudowę mikrobioty

Jednym z najbardziej istotnych i potencjalnie praktycznych wniosków pracy jest obserwacja dotycząca azytromycyny. Azytromycyna jest makrolidem od lat stosowanym w mukowiscydozie nie tylko ze względu na działanie przeciwbakteryjne, ale przede wszystkim z powodu właściwości immunomodulujących. W praktyce klinicznej bywa używana przewlekle w celu ograniczenia częstości zaostrzeń i poprawy stabilności choroby.

W analizowanym badaniu azytromycyna była jednak związana z mniej korzystnym profilem mikrobioty. Autorzy stwierdzili, że u pacjentów otrzymujących azytromycynę mikrobiota po ETI pozostawała bardziej podobna do mikrobioty sprzed leczenia niż u osób, które nie otrzymywały tego antybiotyku. Podobieństwo składu mikrobioty między próbkami przed leczeniem i po leczeniu było istotnie większe u osób przyjmujących azytromycynę, co może oznaczać utrzymywanie profilu dysbiozy charakterystycznego dla okresu przed ETI.

Co więcej, stosowanie azytromycyny wiązało się z większym rozpowszechnieniem klasycznych patogenów mukowiscydozowych. Autorzy wskazali, że po uwzględnieniu leczenia azytromycyną dystrybucja wszystkich analizowanych patogenów była większa u osób otrzymujących ten antybiotyk niż u osób go nieotrzymujących, zarówno przed ETI, jak i w trakcie terapii ETI. W czasie leczenia ETI obserwowano większą względną obfitość między innymi Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia cepacia complex i Achromobacter xylosoxidans u pacjentów stosujących azytromycynę.

Nie oznacza to, że na podstawie tego jednego badania należy automatycznie odstawiać azytromycynę u pacjentów z mukowiscydozą leczonych ETI. Wyniki mają charakter obserwacyjny i wymagają oceny w badaniach zaprojektowanych specjalnie do analizy bezpieczeństwa i skutków klinicznych deeskalacji leczenia. Jednak autorzy bardzo wyraźnie sugerują, że azytromycyna jest kandydatem do ponownej oceny w erze modulatorów CFTR. W praktyce może to oznaczać potrzebę badań odstawiennych, identyfikacji podgrup pacjentów, którzy nadal odnoszą korzyść z makrolidu, oraz takich, u których lek zwiększa obciążenie farmakoterapią bez wyraźnego zysku klinicznego.

Dlaczego mikrobiota nie staje się w pełni prawidłowa?

Chociaż terapia ETI wiązała się z korzystną przebudową mikrobioty, autorzy podkreślają, że nie osiągnięto pełnego „zdrowego” profilu mikrobiologicznego. To zjawisko jest klinicznie zrozumiałe. Dorośli pacjenci z mukowiscydozą często rozpoczynają terapię ETI po latach przewlekłego zapalenia, nawracających zaostrzeń, leczenia antybiotykowego i utrwalonego uszkodzenia strukturalnego płuc. Rozstrzenie oskrzeli, zmieniona architektura śluzówki, lokalne nisze biofilmowe i długotrwałe zaburzenia immunologiczne mogą utrzymywać warunki sprzyjające przetrwaniu określonych drobnoustrojów.

Drugi problem to presja selekcyjna. ETI zmienia środowisko dróg oddechowych: poprawia właściwości wydzieliny, może ograniczać zaleganie śluzu i zmienia warunki dostępności składników odżywczych dla bakterii. Taka zmiana może zmniejszać znaczenie dotychczas dominujących patogenów, ale jednocześnie może tworzyć nowe nisze ekologiczne. Autorzy wskazują, że konieczne są dalsze badania nad tym, czy po rozpoczęciu ETI może dochodzić do selekcji szczepów o innych cechach zjadliwości, zwłaszcza w odniesieniu do Pseudomonas aeruginosa, ale potencjalnie także innych drobnoustrojów.

Trzecia kwestia dotyczy grzybów. Dotychczas większość badań mikrobiomu w mukowiscydozie koncentrowała się na komponentach bakteryjnych. Tymczasem mykobiom dróg oddechowych, obejmujący między innymi drożdżaki i grzyby pleśniowe, pozostaje znacznie słabiej poznany. Autorzy badania wskazują, że wpływ ETI na mikrobiotę grzybiczą powinien stać się jednym z ważnych kierunków dalszych analiz.

Znaczenie dla praktyki klinicznej

Badanie nie zmienia bezpośrednio standardu leczenia, ale dostarcza ważnych argumentów dla bardziej precyzyjnego myślenia o opiece nad osobami z mukowiscydozą w erze modulatorów CFTR. Po pierwsze, potwierdza, że poprawa kliniczna po ETI ma odzwierciedlenie w przebudowie ekosystemu dróg oddechowych. Zmniejszenie dominacji klasycznych patogenów może być jednym z mechanizmów długoterminowej stabilizacji choroby płuc.

Po drugie, wyniki wspierają koncepcję, że mikrobiologiczne monitorowanie pacjentów z mukowiscydozą powinno wykraczać poza klasyczną hodowlę i prostą informację o obecności lub braku pojedynczego patogenu. Analiza mikrobiomu może w przyszłości dostarczać informacji o stopniu dysbiozy, ryzyku zaostrzeń, skutkach antybiotykoterapii i odpowiedzi na leczenie przyczynowe.

Po trzecie, praca wzmacnia dyskusję o redukcji obciążenia terapeutycznego. W ostatnich latach coraz częściej mówi się o tym, że pacjenci skutecznie leczeni modulatorami CFTR mogą nie potrzebować wszystkich elementów wcześniejszej, bardzo złożonej farmakoterapii. Dotyczy to jednak decyzji wymagających wysokiej ostrożności. Odstawianie leków takich jak azytromycyna powinno być oceniane w kontrolowanych badaniach klinicznych oraz indywidualizowane na podstawie historii zaostrzeń, statusu mikrobiologicznego, czynności płuc, obrazu radiologicznego i tolerancji dotychczasowego leczenia.

Ograniczenia badania

Autorzy wskazują kilka ograniczeń. Po pierwsze, wykorzystano dwa typy materiału biologicznego: plwocinę i wymazy kaszlowe. Choć podstawowe miary mikrobioty nie różniły się istotnie między typami próbek, liczba odczytów sekwencyjnych była większa w plwocinie. Wraz z czasem leczenia ETI malał też odsetek pacjentów dostarczających plwocinę, co samo w sobie odzwierciedla poprawę kliniczną, ale może komplikować porównania.

Po drugie, nie wszystkie próbki były parowane, czyli nie od każdego pacjenta dostępny był materiał zarówno przed terapią, jak i w kolejnych punktach czasowych po jej rozpoczęciu. Autorzy tłumaczą to między innymi okresem pandemii COVID-19, ograniczeniem wizyt w ośrodkach mukowiscydozy i większym udziałem opieki zdalnej, co utrudniało systematyczne pobieranie materiału.

Po trzecie, badanie dotyczyło dorosłych osób z mukowiscydozą. Wciąż potrzebne są dane dotyczące dzieci, zwłaszcza młodszych pacjentów rozpoczynających leczenie modulatorem CFTR przed utrwaleniem rozległych zmian strukturalnych w płucach. To właśnie w tej populacji efekt zapobiegania dysbiozie może okazać się największy.

Wnioski

Długotrwała terapia elexakaftor–tezakaftor–ivakaftor u dorosłych osób z mukowiscydozą wiąże się z korzystną przebudową mikrobioty dróg oddechowych. Mikrobiota staje się bardziej zróżnicowana, mniej zdominowana przez pojedyncze patogeny i bardziej podobna do profilu obserwowanego u osób bez mukowiscydozy. Klasyczne patogeny mukowiscydozowe, zwłaszcza Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Burkholderia cepacia complex, Stenotrophomonas maltophilia i Achromobacter xylosoxidans, tracą znaczenie ekologiczne wraz z czasem trwania terapii.

Jednocześnie mikrobiota nie ulega pełnej normalizacji. Prawdopodobnymi barierami są nieodwracalne uszkodzenie płuc, wieloletnia ekspozycja na antybiotyki, utrwalone nisze zakażenia i presja selekcyjna działająca na mikroorganizmy. Szczególną uwagę zwraca azytromycyna, która w analizie autorów była związana z utrzymywaniem profilu dysbiozy i większą trwałością klasycznych patogenów mimo leczenia ETI. Wyniki te nie są podstawą do samodzielnych zmian terapeutycznych, ale stanowią silny argument za badaniami nad racjonalną deeskalacją przewlekłej antybiotykoterapii w erze modulatorów CFTR.

Źródło: Microbiome, „Remodelling of cystic fibrosis respiratory microbiota in response to extended elexacaftor–tezacaftor–ivacaftor therapy”.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40168-026-02440-7