Effects of pulmonary rehabilitation on airway microbiota detected in the saliva of patients with COPD

Abstract

Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) is the third leading cause of mortality worldwide. Pulmonary Rehabilitation (PR), a comprehensive intervention that includes several components, one of which is exercise training, is the most cost-effective therapy for patients with COPD. Exercise training increases ventilation and oxygen uptake, which most likely influences airway microbiota. However, how this influence occurs is still poorly understood. This study aimed to study the impact of RR on pulmonary microbiota in patients with COPD by exploring the microbial composition, alpha and beta diversity. Sociodemographic, anthropometric, clinical and saliva samples (once a month) were collected from a group of patients over a period of ~ 9 months (~ 3 months before RR, 3 months during RR and 3 months after RR) and in another patient group for a period of 6 months (without RR). Saliva microbiota was characterized by 16s rRNA sequencing and analyzed using the QIIME2 pipeline. Twenty-five patients with COPD who underwent PR (19♂, 73±6y, FEV1pp 48±15) and 5 patients who never had PR (5♂, 75±6y, FEV1pp 48±13) participated in the study. A significant increase of Proteobacteria phylum and Neisseria genus from pre-PR to PR period was observed. LEfSe showed that pre-PR comparing with during PR, samples’ microbiotas are enriched in the genera Pseudomonas and Shingomonas and during PR samples’ microbiotas are enriched in Neisseria and Alloscardovia. When comparing the periods during PR with post-PR, LEfSe pointed Granulicatella and Acinetobacter as being enriched during PR period and Staphylococcus, Selenomonas and Pasteurellaceae family as being enriched in the post-PR period. Comparing pre-PR with post-PR periods, LEfSe pointed Granulicatella, Sphingomonas, Pseudomonas and Enhydrobacter as being enriched in the pre-PR period and Pasteurellaceae family as being enriched in the post-PR period. No significant differences were observed in alfa diversity when comparing the different periods. LME model showed that time has a significant impact in alfa-diversity and that the interaction between PR and time passage are mainly contributing for microbiota dynamics, in non-phylogenetic metrics. PERMANOVA showed that microbiota does not converge per period. In conclusion, PR does not seem to significantly alter the structure of microbiota (alpha diversity) but changes composition. In general, alpha diversity is influenced by the passage of time and not by PR. Beta-diversity analyses showed that there is no microbiota convergence during or after PR. In non-phylogenetic metrics, microbiota dissimilarity is impacted by interaction between PR and time passage.

A doença pulmonar obstrutiva crónica (DPOC) é a terceira principal causa de mortalidade no mundo. A Reabilitação Respiratória (RR), uma intervenção compreensiva que, inclui várias componentes sendo uma delas o exercício físico, é a terapia mais custo-efetiva para os doentes com DPOC. O exercício físico aumenta a ventilação e captação de oxigénio, o que provavelmente influencia a microbiota das vias aéreas. No entanto, a forma como esta influência ocorre é ainda pouco compreendida. Este estudo teve como objetivo estudar o impacto da RR na microbiota pulmonar em doentes com DPOC explorando a composição microbiana, alfa e beta diversidade. Foram recolhidos dados sociodemográficos, antropométricos, clínicos e amostras de saliva (uma vez por mês) num grupo de doentes durante um período de ~9 meses (~3 meses antes da RR, 3 meses durante a RR e 3 meses após a RR) e noutro grupo de doentes durante um período de 6 meses (sem RR). A microbiota da saliva foi caracterizada pelo sequenciamento de 16s rRNA e analisada usando o pipeline QIIME2. Participaram no estudo 25 doentes com DPOC que realizaram RR (19♂, 73±6y, FEV1pp 48±15) e 5 doentes que nunca realizaram RR (5♂, 75±6y, FEV1pp 48±13). Observou-se um aumento significativo do filo Proteobacteria e do género Neisseria do período pré-RR para durante a RR. O LefSe mostrou que a microbiota das amostras do periodo pré-RR em comparação com o período durante a RR são enriquecidas nos géneros Pseudomonas e Shingomonas e a microbiota das amostras do período RR em comparação com o período pré-RR são enriquecidas em Neisseria e Alloscardovia. Comparando entre os períodos RR e pós-RR, o LEfSe apontou os géneros Granulicatella e Acinetobacter como sendo enriquecidas nas amostras do período RR e os géneros Staphylococcus, Selenomonas e a família Pasteurellaceae como sendo enriquecida no período pós-RP. Comparando o pré-PR com o período pós-PR, LEfSe apontou os géneros Granulicatella, Sphingomonas, Pseudomonas e Enhydrobacter como sendo enriquecidas no período pré-PR e a família Pasteurellaceae como sendo enriquecida no período pós-PR. Não foram observadas diferenças significativas na alfa-diversidade comparando os diferentes períodos. O modelo LME mostrou que o tempo tem um impacto significativo na alfa-diversidade e que a interação entre a RR e passagem no tempo contribui para a dinâmica da microbiota, em métricas não filogenéticas. A PERMANOVA mostrou que a microbiota não converge por período. Em conclusão, a RR não parece alterar significativamente a estrutura da microbiota (alfa-diversidade), mas sim a sua composição. Em geral, a alfa-diversidade é influenciada pela passagem do tempo e não pela RR. As análises da beta-diversidade mostram que não há convergência da microbiota durante nem apos a RR. Em métricas não filogenéticas, a dissemelhança da microbiota é influenciada pela interação entre a RR e a passagem do tempo.