House dust exposure mediates gut microbiome Lactobacillus enrichment and airway immune defense against allergens and virus infection Kei E. Fujimuraa,Tine.

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1 House dust exposure mediates gut microbiome Lactobacillus enrichment and airway immune defense against allergens and virus infection Kei E. Fujimuraa,Tine Demoorb, Marcus Raucha, Ali A. Faruqia, Sihyug Jangb, Christine C. Johnsonc, Homer A. Bousheyd, Edward Zorattie, Dennis Ownbyf, Nicholas W. Lukacsb and Susan V. Lyncha 報告學生:林政男 日期: 暴露在房子的灰塵，增加腸道微生物乳酸菌量，增強呼吸道免疫去防禦病毒傳染和過敏 Kei E. Fujimura et al. PNAS 2014;111:

2 INTRODUCTION The key role microbial communities play in a variety of critical mammalian processes including ancillary mucosal barrier function and metabolism A significant increase in the number of Escherichia coli or Clostridium difficile in fecal samples from 3-wk-old infants --a greater risk of developing a spectrum of childhood allergic diseases commonly characterized by overactive Th2 adaptive immune response. 人類微生物組學研究說明了微生物連繫在很多生理過程扮演很重要的角色，包含黏膜防護層功能、代謝以及人類免疫反應的發生與調控。 人類對微生物研究出現新觀念 歐洲新生兒的研究也顯示三週大嬰兒腸道的大腸桿菌和梭狀芽孢桿菌增加，會增加過度Th2活化的後天免疫反應，導致兒童過敏疾病發生的風險增加。因此過去的研究說明特殊腸道菌的存在與否可以改變後天免疫的環境。

3 INTRODUCTION Antibiotic administration and caesarian section delivery-- increased risk for childhood asthma. Exposure to livestock or pets, particularly dogs during this early-life period, significantly decreases the risk for disease development . Local environmental microbial exposures influence microbiome membership and the immune response of the human host 抗生素的使用及剖腹產都會增加氣喘的風險， 然而新生兒早期在有家畜或寵物的環境，特別是養狗的環境會降低這些疾病發生的風險。 可想而知，這可能是環境微生物影響人體微生物組成與免疫的反應

4 INTRODUCTION GI microbiome composition clearly impacts immune function, and early GI colonization patterns are linked to allergic disease development It is necessary to understand whether and how distinct environmental microbial exposures associated with allergy-protective factors influence GI microbiome composition and airway disease outcomes. 因為新生兒腸道菌的組成影響其免疫功能，與過敏疾病發生的情況有關聯， 因此 探討是否特殊微生物環境與過敏保護因子影響腸道菌相組成和呼吸道疾病之間的關聯性是很重要議題。

5 RESULTS Exposure of animals to dust from homes with dogs attenuates the development of allergen-induced airways disease and serum IgE. indoor/outdoor dog(D) No pet(NP) cockroach allergen (CRA)-challenged mice Exposure to D-associated house dust alters host responses to two distinct antigen systems via modulation of both T-cell numbers and activity 動物暴露在家裡有養狗收集來灰塵中，會減少過敏原誘發的呼吸道疾病和血清IgE的產生。(D為有養狗環境收集的灰塵)(NP為沒有養寵物環境收集的灰塵)(control是完全沒有)(CRA是接觸過蟑螂過敏源的老鼠) (A)透過Q-PCR在全肺mRNA的表現量分析 說明有養狗的實驗組的IL-4和IL-13與對照組相比顯著減少，但是沒有養寵物的組別沒有明顯差異 (B)伴隨Th2細胞因子量減少，粘液相關基因gob5的表達量顯著下降。 (C)觀察到呼吸道黏液的分泌及杯狀細胞組織的變形情形，在有養狗的實驗組動物有下降情形，如肺組織中PAS染色的結果 (D) 流注淋巴的數目於有養狗的實驗組動物中也觀察到有明顯下降。 (E)有養狗的實驗組動物 血清中IgE的量反映出Th2細胞產生減少的趨勢。數據值是每組五隻小鼠的平均值±標準差 ; 星號 表示P <0.05有統計的意義。 貼These studies demonstrate that exposure to D-associated house dust alters host responses to two distinct antigen systems via modulation of both T-cell numbers and activity. 結果:說明了有養狗環境的灰塵改變宿主對兩個特殊經由調控T cell數目跟活性的抗原系統反應 Kei E. Fujimura et al. PNAS 2014;111:

6 Exposure to house dust alters cecal microbiome composition.
This species resides intaxon 7028 (represented by Lactobacillus gasseri)-- a high degree of concordance between molecular and culture-based assessments of the cecal microbiome of these animals. 暴露於室內灰塵改變盲腸微生物的組成。有養狗跟沒寵物及控制組的實驗動物組別進行盲腸微生物UniFrac-based cluster analysis 說明了每個實驗組別具有特殊微生物組成 (B)演化樹顯示所有分類，有養狗跟控制組比，紅色的bar表示相對量明顯較多的菌屬，綠色是較少，用顏色區分類菌屬 酸桿菌門（淺藍色） ，放線菌（青色） ， Bacteriodetes （紫色） ，厚壁菌門（綠色） ，變形菌（紅色） ，和其他（橙色） This species resides intaxon 7028 (represented by Lactobacillus gasseri), which exhibited the most significant Lactobacillus enrichment in D dust-exposed animals (Table S1), indicating a high degree of concordance between molecular and culture-based assessments of the cecal microbiome of these animals. 分析暴露後實驗動物盲腸道發現的菌屬 共有7028 隻菌明顯都屬Lactobacillus ，這些動物中盲腸微生物的分子與培養計算之間具有高度共生 Kei E. Fujimura et al. PNAS 2014;111:

7 L. johnsonii plays a pivotal role in airway protection
Supplementation of mice with L. johnsonii attenuates the development of allergic airways disease. 餵食老鼠L. johnsonii 減少呼吸道過敏疾病發生的情形 (A)利用靜脈注射打入膽鹼 引發過敏原引起的呼吸道機能亢進 的檢測方式（250微克/千克，IV）證明在動物補充L. johnsonii有降低的反應。 (B) 檢測在肺中Th2細胞因子的mRNA（黑色條），及在過敏原再刺激的淋巴結細胞的蛋白表達量的結果（灰色柱）表明在L. johnsonii補充的小鼠有顯著減少. (C)在CRA曝光（黑色條），顯著增加總白血球，有粒細胞（嗜中性粒細胞和嗜酸性粒細胞）， (D)在總和炎症（LY6C+）DC群只在對照觀察到的，但在L. johnsonii補充的動物沒觀察到（由白色條表示CRA-未曝光控制）。 (E)組織學染色PAS染色，在L. johnsonii 補充的動物，炎症和mucogenic黏液分泌反應顯示明顯減少。數據代表平均值±SE從每組五只小鼠。 * P<0.05，** P <0.01。 L. johnsonii plays a pivotal role in airway protection (L. johnsonii 確實在保護呼吸道機制中扮演重要腳色) L. johnsonii plays a pivotal role in airway protection Kei E. Fujimura et al. PNAS 2014;111:

8 Viable L. johnsonii is necessary to attenuate RSV-induced airway responses.
L. johnsonii supplementation significantly reduced the RSV induced pulmonary responses and that viable organisms are necessary to transduce the altered responses. 活的L. johnsonii對於減少RSV誘發呼吸道反應是必須的。 (A) 添加未加熱殺死的活菌可以保護動物免於RSV感染八天後所誘導的呼吸道高度反應現象。 (B) RSV感染的動物肺臟組織切片檢測結果說明降低發炎反應，以及PAS染色的呼細道黏膜只出現在接受活菌的實驗組生物中。 (C)在添加活菌的動物組別，RSV刺激淋巴結細胞引發的細胞激素反應明顯較低 (D)肺臟中的各種不同白血球總數量只在接受活菌的實驗組生物中明顯下降。 數據代表平均值±SE從每組五只小鼠。 * P<0.05。 L. Johnsonii的添加明顯降低RSV誘導的肺臟反應，活菌對於這些不同反應是必須的 Kei E. Fujimura et al. PNAS 2014;111:

9 L. johnsonii-supplemented animals that exhibit airway protection exhibit altered cecal microbiome composition. Those taxa significantly enriched in L. johnsonii-supplemented mice included members of the Rikenellaceae II (primarily organisms of GI origin), whereas unprotected animals were characterized by enrichment of Lachnospiraceae and Ruminococceaceae, including Clostridium and Bacteroides species 添加具保護呼吸道的L. johnsonii動物具有不同的盲腸微生物組成， 以UniFrac 距離為基礎的二維圖形說明添加L. johnsonii與未添加的老鼠中，其微生物菌相的連繫組成與演化的距離，每一個實驗組別用橢圓形圈起來說明有95%的可信距離。 (B) 相較未添加L. johnsonii的控制駔動物，添加L. johnsonii的動物或接觸CRA後再添加 L. johnsonii的動物具有較遠的演化關係。 (*P < , **P < , respectively). 這些分類在添加L. johnsonii的小鼠增加包含Rikenellaceae II的這類腸道益菌，然而沒有保護的動物則是包含比較豐富 Clostridium梭狀芽孢桿菌這類的致病菌屬 Kei E. Fujimura et al. PNAS 2014;111:

10 回顧 作者利用小鼠模式，發現暴露在養狗環境收集來的灰塵能夠保護動物抵抗卵清蛋白或蟑螂引起的呼吸道過敏原。受到保護的動物其呼吸道中的T細胞總數明顯降低，且Th2相關的呼吸道反應及黏液分泌也因此調降。 伴隨暴露在養狗環境收集來的灰塵中，受到保護的動物盲腸中微生物大量重組，明顯含有豐富的其他菌種: L.johnsonii。 餵食老鼠L.johnsonii可保護他們抵抗呼吸道過敏原侵害或呼吸道融合病毒的感染。L.johnsonii 調控的保護機制是減少活化的CD11c(+)/CD11b(+) 和 CD11c(+)/CD8(+) 細胞的總數和比例，以及降低呼吸道 Th2 細胞激素的表達。

11 Conclusion 作者的研究結果顯示，暴露於養狗環境收集來的灰塵中，會產生保護效果，抵抗免呼吸道過敏原侵害以及改變腸道菌相的組成。此外，這項研究發現L.johnsonii是重要的菌屬，能夠影響控制粘膜表面的後天免疫保護作用，保護動物抵抗各種不同的呼吸道刺激。

12 Thanks for your attention ！

13 梭菌屬（Clostridium），菌體呈梭狀，又稱梭狀芽孢桿菌屬或厭氧芽孢桿菌屬，芽孢常比菌體大，是一類能產生內生孢子的厭氣性革蘭氏陽性菌。
梭菌屬廣泛分布於自然界，以土壤中最多，芽孢圓形或橢圓形。除了產氣莢膜梭菌無鞭毛外，大多有鞭毛。大部份的梭菌屬可以水解糖、蛋白質，又可產生外毒素。 EX:梭狀桿菌 (Clostridium difficile) 為一種革蘭氏陽性、產孢子 之厭氧桿菌。

14 擬桿菌門(Bacteroidetes)包括三大類細菌，即擬桿菌綱、黃桿菌綱、鞘脂桿菌綱。它們的相似性體現在核糖體16S RNA。
很多擬桿菌綱的細菌種類生活在人或者動物的腸道中，有些時候成爲病原菌。在糞便中，以細胞數目計，擬桿菌屬(Bacteroides)是主要微生物種類。