CFTR调节剂ETI通过改善宿主生理驱动囊性纤维化微生物组重构：IMMProveCF IV期试验

《Nature Communications》：CFTR modulator therapy drives microbiome restructuring through improved host physiology in cystic fibrosis: the IMMProveCF phase IV trial

本研究针对囊性纤维化(CF)患者长期存在的微生物失调问题，开展了前瞻性纵向研究IMMProveCF试验，通过多部位采样和16S rRNA测序分析发现，ETI治疗通过改善CFTR功能和直接抗菌效应，快速重构呼吸道微生物组（金黄色葡萄球菌减少）并逐步改善肠道微生物组（大肠杆菌减少与钙卫蛋白下降相关），为理解治疗性调控下的宿主-微生物组动态提供了新视角。

　　

囊性纤维化(CF)是一种危及生命的遗传性疾病，由CFTR基因突变引起，导致上皮细胞氯离子通道功能受损。这种缺陷使得患者呼吸道和消化道分泌异常粘稠的黏液，为细菌感染创造了温床，引发慢性炎症和组织损伤。在CFTR调节剂问世之前，患者需要长期大量使用抗生素来控制感染，这反而加剧了微生物群落失调，促进了金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)等病原体的定植。

尽管2019年获批的三联CFTR调节剂疗法elexacaftor/tezacaftor/ivacaftor(ETI)通过恢复CFTR功能显著改善了CF患者的肺功能和临床结局，但ETI如何影响患者不同生态位（呼吸道和肠道）中长期存在的微生物失调和病原体定植，仍是一个未被充分探索的领域。微生物组的紊乱与CF的严重程度密切相关，但ETI诱导的生理改善与微生物组变化之间的因果关系，以及治疗的直接和间接效应，尚不明确。

为了回答这些问题，研究人员在《Nature Communications》上发表了IMMProveCF IV期试验的结果。这项前瞻性纵向研究招募了35名CF患者和49名健康对照，在ETI治疗开始后的24个月内，每3个月收集一次患者的痰液、咽喉拭子和粪便样本，同时记录临床参数。通过16S rRNA基因测序分析微生物组，并结合体外药物-细菌相互作用实验，研究团队揭示了ETI如何通过改善宿主生理和直接抗菌效应，驱动CF微生物组的重构。

研究采用的主要技术方法包括：对35名CF患者和49名健康对照进行长达24个月的前瞻性纵向队列研究，定期采集痰液、咽喉拭子和粪便样本；通过16S rRNA基因V4区扩增子测序分析微生物组组成和多样性；运用线性混合效应模型(LME)、PERMANOVA和MetadeconfoundR等统计方法进行临床数据和微生物组数据的关联分析，控制混杂因素；通过体外药物敏感性试验测定CFTR调节剂对常见呼吸道和肠道细菌生长的直接抑制效应(IC₂₅)；利用 mediation analysis（中介分析）探讨治疗持续时间、汗液氯离子水平和微生物变化的因果关系。

Distinct clinical improvements in response to ETI treatment

研究发现ETI治疗带来了显著的临床改善：肺功能(ppFEV₁)中位改善6-15%，汗液氯离子水平大幅降低（41-44 mmol/L），系统性炎症标志物（IgG、IL-6）和肠道炎症标志物（粪便钙卫蛋白）显著下降，抗生素使用天数减少。这些改善为微生物组变化提供了生理背景。

Loss of Staphylococcus dominance drives consistent shifts in sputum microbial diversity and composition following ETI treatment

痰液微生物组对ETI的反应迅速而持久。治疗3个月后即可观察到微生物组成的显著变化，6个月后 Shannon 多样性和物种丰富度显著增加。最显著的变化是金黄色葡萄球菌优势度的丧失——基线时11份样本中有6份以该菌为主，而治疗后无一例保持此状态，取而代之的是链球菌(Streptococcus)、罗氏菌(Rothia)或假单胞菌(Pseudomonas)的优势群落。

Sputum microbiome dynamics reflect medication and physiological changes

通过控制混杂因素的分析发现，痰液微生物组的变化与汗液氯离子水平（CFTR功能改善的标志）和吸入性DNA酶治疗显著相关。中介分析表明，金黄色葡萄球菌丰度的减少有99.8%是由汗液氯离子水平降低介导的，强烈表明CFTR功能改善是主要驱动因素。

Direct antibacterial effects of ETI might further confer niche disadvantage to Staphylococcus

体外实验证实，ETI中的elexacaftor和ivacaftor可直接抑制包括金黄色葡萄球菌在内的多种呼吸道细菌生长，但对铜绿假单胞菌无此作用。这表明ETI的直接抗菌效应与宿主生理改善协同作用，共同削弱了金黄色葡萄球菌的生态位优势。

Gradual shifts in gut microbiome composition in response to ETI treatment

与呼吸道的快速变化不同，肠道微生物组的改变更为渐进。治疗6-12个月后开始出现显著变化，且随时间持续分化。物种丰富度在治疗15-18个月后显著增加。大肠杆菌-志贺氏菌(Escherichia-Shigella)的相对丰度在治疗后下降，这与粪便钙卫蛋白的减少显著相关，表明肠道炎症的缓解。

Throat microbiome: subtle but stable shifts with ETI treatment

咽喉微生物组的变化较为细微但稳定，治疗后达到新的稳定状态。重要的是，咽喉与痰液微生物组的纵向变化显著相关，表明呼吸道不同部位对治疗的反应具有协调性。

Cross-habitat microbial colonization structure in pwCF

跨生态位分析显示，咽喉和痰液微生物组具有高度相似性，共享约70%的ASVs，而肠道与呼吸道微生物组差异较大。ETI治疗对肠-肺轴的微生物结构影响有限，表明治疗效应具有生态位特异性。

Comparison to healthy controls: CFTR modulator therapy shifts gut microbiome toward healthy control levels, reducing potentially pathogenic Proteobacteria

与健康对照相比，CF患者的肠道微生物组组成差异更大（方差解释率约10%）。ETI治疗后，多种微生物类群（特别是变形菌门，包括γ-变形菌纲、肠杆菌目、肠杆菌科和大肠杆菌/志贺氏菌）的丰度向健康对照水平靠拢，表明治疗部分逆转了CF相关的菌群失调。

研究结论强调，ETI治疗通过改善宿主生理（间接效应）和直接抗菌作用，驱动了CF微生物组的多位点重构。呼吸道微生物组反应迅速，金黄色葡萄球菌的减少主要由CFTR功能改善介导；而肠道微生物组变化较为渐进，与抗生素使用减少和炎症缓解相关。这些发现不仅揭示了CFTR调节剂对宿主-微生物组相互作用的深远影响，也为理解治疗性干预下微生物生态系统的可塑性提供了重要见解。研究建立的统计框架（控制混杂因素）为在复杂临床人群中解析真实的宿主-微生物组关联提供了方法论参考。尽管铜绿假单胞菌表现出对治疗的抵抗性，但整体上ETI能够部分逆转CF相关的微生物失调，为优化CF治疗策略和改善患者长期预后指明了方向。