囊性纤维化跨膜传导调节因子调节剂暴露的微生物调控：依来卡托（elexacaftor）-替扎卡托（tezacaftor）-依伐卡托（ivacaftor）与囊性纤维化患者肺部和肠道细菌之间的体外相互作用

《Biomedicine & Pharmacotherapy》：Microbial modulation of CFTR modulator exposure: In vitro interactions between elexacaftor-tezacaftor-ivacaftor and pulmonary and gut bacteria from people with cystic fibrosis

　　

背景：依来卡托-替扎卡托-依伐卡托（ETI）已改变囊性纤维化（CF）诊疗格局，但个体反应仍存在差异。尽管纵向研究表明ETI可重塑肺部和肠道微生物群，但药物与微生物直接相互作用的贡献尚不明确。研究人员采用体外药物-微生物组学（pharmacomicrobiomics）方法，筛选单个CFTR调节剂与CF相关肺肠细菌之间的双向相互作用。方法：依据CF肺肠微生物群中检出频率，选取35株革兰阳性与革兰阴性菌株（15株参考株、20株肺部临床分离株）。细菌在脑心浸液（BHI）或M9培养基中联合或不联合elexacaftor、tezacaftor、ivacaftor培养；以OD600和菌落形成单位（CFU）评估生长，经验证的液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）定量残余母体药浓度，并对OD600数据拟合逻辑增长模型。结果：Elexacaftor轻度促进铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和大肠杆菌（Escherichia coli）参考株生长，但不影响临床铜绿假单胞菌分离株，提示菌株依赖性。Ivacaftor抑制所有金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）菌株（含耐甲氧西林株）及若干厌氧共生菌，对铜绿假单胞菌和大肠杆菌基本无影响；tezacaftor对生长无 detectable 影响。无菌培养基中三药均较稳定；细菌暴露培养中母体药浓度下降约60–70%，多种病原体与共生菌呈高耗竭表型。结论：CFTR调节剂与CF相关微生物群在体外呈双向相互作用；elexacaftor与ivacaftor对细菌生长具有化合物、物种和菌株依赖性效应，且非通过恢复CFTR功能实现；多种细菌可降低上清液中可检测母体药浓度。

研究背景：囊性纤维化（CF）由CFTR基因致病变异引起，导致分泌物脱水、黏液纤毛清除受损及多器官进行性损伤，慢性呼吸道感染是发病与死亡主因。高效CFTR调节剂尤其是三联组合依来卡托-替扎卡托-依伐卡托（ETI）显著改善预后，但临床获益异质：部分人大幅获益，部分仅轻度改善或因不良事件停药。反应差异不能仅由CFTR基因型、基线病情或宿主药代动力学解释。纵向队列显示ETI重塑肺与肠道微生物群，例如降低金黄色葡萄球菌优势、提升多样性，但铜绿假单胞菌持续定植仍常见；IMMProveCF Ⅳ期试验提示菌群重构主要由CFTR功能改善、炎症减轻和抗生素压力下降驱动，而ETI组分直接抗菌效应表征不足。另一方面，细菌可代谢、转化、灭活或吸附CFTR调节剂，血浆与细胞内浓度个体间变异大，但微生物群对局部药物可得性的贡献未系统研究。因此研究人员开展体外药物-微生物组学筛选，探讨单个调节剂是否直接影响CF肺肠相关菌生长，以及这些细菌能否降低elexacaftor、tezacaftor、ivacaftor母体浓度。

论文发表于《Biomedicine》。

主要关键技术方法：研究人员未纳入人或动物干预，构建BiPlan项目下单菌种互作体系；菌株来源于保藏参考株与CF呼吸道临床分离株，共35株，覆盖肺与肠系病原、厌氧共生菌及革兰阳性/阴性、需氧/厌氧类群。以BHI与M9作为营养丰缺对照培养基，不以复制CF痰或肠内容物复杂性为目标。生长端采用OD₆₀₀与CFU，药物端采用LC-MS/MS多反应监测（MRM）定量单体药，并以逻辑增长模型拟合 biomass 曲线；耗竭实验以离心过滤后上清相对0.5 h匹配浓度归一化，定义为可检测母体药丢失的操作性指标。

研究结果

1. 1.
   Introduction：研究人员综述CF病理与ETI疗效异质性，指出药物-微生物组学可解释外源物被菌转化而致暴露变化的机制，提出本研究两个互补问题。
2. 2.
   Materials and methods：研究人员描述BiPlan框架、35株菌构成、BHI/M9培养条件、调节剂贮备液与筛选浓度（elexacaftor 5 μM、tezacaftor 5 μM、ivacaftor 10 μM）、生长与耗竭采样、非线性混合效应建模及统计策略，明确单条件耗竭仅作描述性筛选。
3. 3.
   Results

3.1. Panel of strains and baseline growth：研究人员通过基线培养发现所有35株在至少一种条件下生长，BHI普遍快于M9，厌氧菌需氧条件生长差，铜绿假单胞菌具一定厌氧能力。

3.2. Elexacaftor promotes growth of reference P. aeruginosa and E. coli, but not clinical P. aeruginosa isolates：研究人员以BHI中5 μM elexacaftor处理参考株，见24 h CFU高约1–2 log₂ CFU·mL^?1、OD₆₀₀平台升高；剂量反应在0.5–10 μM增强并高位平台；逻辑模型示承载量K上升为主。临床铜绿假单胞菌黏球/非黏球分离株无一致促生长，故效应为菌株依赖、偏实验室株特征。

3.3. Tezacaftor has no detectable impact on bacterial growth：研究人员在全部菌株与条件下比较tezacaftor与对照，CFU、OD₆₀₀及模型参数均无重复变化，体外呈微生物学惰性。

3.4. Ivacaftor inhibits S. aureus and anaerobic commensals but not P. aeruginosa or E. coli：研究人员以10 μM ivacaftor处理，见9株金黄色葡萄球菌（MSSA/MRSA/参考/临床）早期OD₆₀₀延迟、24 h CFU降低，模型示相对生长率r大幅下降，以抑菌/延时为主；Prevotella spp.、拟杆菌（Bacteroides fragilis）、长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）等厌氧共生菌持续低值；流感嗜血杆菌（Haemophilus influenzae）为中间时间点延时而非持续抑制；铜绿假单胞菌与大肠杆菌曲线无一致改变。浓度反应0.5–8 μg·mL^?1抑制增强，证明非单点高浓度假象。

3.5. Bacterial depletion of elexacaftor, tezacaftor and ivacaftor：研究人员在无菌对照中终末剩余约77–96%；细菌培养中elexacaftor、tezacaftor、ivacaftor中位剩余分别约38%、35%、29%，平均降60–70%。高产耗菌包括 Achromobacter xylosoxidans、H. influenzae、P. aeruginosa、Stenotrophomonas maltophilia、艰难梭菌（Clostridioides difficile）等；耗竭受培养基与氧合影响，可为生长偶联代谢或胁迫下膜分配/吸附。

3.6. Effects of modulators on growth kinetics：研究人员以逻辑模型确认elexacaftor升铜绿假单胞菌参考株K，ivacaftor使长双歧杆菌、流感嗜血杆菌、Prevotella buccae、Prevotella veroralis、金黄色葡萄球菌r降超50%，并改变部分普雷沃菌K或延滞期，tezacaftor无参数变化。

讨论部分总结：研究人员指出结果为概念验证，表明CFTR调节剂与CF微生物群双向互作；ivacaftor抗金葡菌可部分解释临床金葡菌检出下降，而对铜绿假单胞菌无抑制作则呼应其持续定植。体内菌群重构主因为黏液水化、清除、炎症与抗生素压力等宿主介导因素，而非单纯直接抗菌。Ivacaftor具喹诺酮样结构核心但非氟喹诺酮，其抑菌/可能杀菌分界需时间-杀菌与膜完整实验确认。10 μM为上限筛查浓度，不等同气道游离浓度；肠道中ivacaftor抑厌氧共生菌说明临床多样性改善由宿主优势机制掩盖直接抑制。细菌致母体药耗竭可经酶代（如铜绿假单胞菌CYP107S1）、膜/生物膜蓄积、限养共代谢实现，但代谢物与细胞结合份未鉴定。研究人员提出病原富集致局部低暴露、低生物量致高暴露两类假设，类比他克莫司（tacrolimus）与左旋多巴（levodopa）的药微组学，未来需将微生物谱、治疗药物监测与PK模型整合。局限包括BHI/M9不复制CF痰/肠环境、耗竭单重复、未定性代谢物、浓度不代理腔体游离浓度。

结论部分翻译：总之，本体外药物-微生物组学研究显示CFTR调节剂与CF相关微生物群可以双向方式相互作用。Elexacaftor与ivacaftor调节选定肺部与肠道细菌的生长，而多种病原体与共生菌从培养上清中显著耗竭母体elexacaftor、tezacaftor与ivacaftor。这些概念验证结果补充了ETI诱导微生物群重构的临床证据，但未确立体内药代动力学效应。其将微生物代谢、转化与螯留列为可检验机制，或可贡献于局部药物暴露与治疗反应差异。在开展生理相关条件、重复实验设计及患者来源群落研究之前，尚不能考虑微生物组学指导的CFTR调节剂治疗优化。

作者：Pierrick Boulic、Cyril Leven、Danni Li、Yimin Zhu、Juliana Alcoforado Diniz、Stéphanie Gouriou、Elena K. Schneider-Futschik、Geneviève Héry-Arnaud；单位 INSERM, EFS, Univ Brest, UMR 1078, GGB, Microbiota, Brest, France。