The microbiome and inferred function in pulmonary and extrapulmonary tuberculosis.
Date
2023-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University,
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Background (Chapter 1): Each year, up to 3–4% of all deaths worldwide are attributable to infection with the bacterial pathogen Mycobacterium tuberculosis (Mtb), the causative agent of tuberculosis (TB) disease, which amounts to almost 5,000 deaths each day1. The human microbiome produces metabolites that influence the immune system. Health, therefore, depends on the microbiome, however, the significance of the microbiome in tuberculosis (TB) is just beginning to be understood. Hypothesis: The primary hypothesis of this study is that by conducting microbiome analysis, it is possible to differentiate unique microbial communities found in different disease sites among individuals with pulmonary and extrapulmonary tuberculosis, and this can establish relationships between specific microbial taxa and clinical markers such as CRP levels. Aims and objectives: This study aimed to analyze the microbiome and predicted metagenome of individuals examined for pulmonary or extrapulmonary tuberculosis in an area with a high prevalence of HIV. The goal was to understand the microbial composition and its links to clinical characteristics in this population. Methods (Chapters 2-5): We leveraged ongoing diagnostic trials involving individuals with different forms of TB to characterise the microbiome before treatment. A range of samples were collected (i.e., cough aerosols, oral washes, induced sputum, bronchoalveolar lavage fluid, stool, site-of-disease fluids) from presumptive pulmonary TB or extrapulmonary TB (EPTB) people. Background DNA sampling controls (i.e., saline flush of medical apparatus) were additionally collected, where appropriate. Microbial DNA underwent 16S rRNA gene sequencing and was analysed, and functional metagenomes were inferred. The microbiomes of people with confirmed TB were compared to symptomatic, whilst accounting for clinical factors such as HIV status. Results (Chapters 2-5): In Chapter 2, we show (using a FDA-approved commercial device, PneumoniaCheck) that cough aerosols from people with pulmonary TB 1) contain detectable microbial readouts, including mycobacterial readouts, 2) Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) is detectable by Xpert MTB/RIF Ultra in cough aerosols, and 3) microbiota present in cough aerosols are distinct from those in the upper and lower airways. As TB lymphadenitis (TBL) is the most common form of EPTB, chapter 3 describes the site-of-disease lymph microbiome in people with presumptive TBL compared to symptomatic controls. Briefly, this includes the existence of distinct microbial community states termed ‘lymphotypes’ in definite TBs, and include: "Prevotella-Corynebacterium," "Prevotella-Streptococcus," and "Mycobacterium." The Mycobacterium lymphotype was associated with more severe disease, suggesting disease progression from Prevotella-Corynebacterium and Prevotella-Streptococcus states. The co-occurrence of Corynebacterium and Streptococcus species contributes to TBL pathology. Furthermore, definite TBs were enriched in microbial metabolic pathways related to fatty acids, amino acids, and short-chain fatty acids (SCFAs). These pathways have known proinflammatory immunomodulatory effects that inhibit TB control, and the Mycobacterium lymphotype showed the highest enrichment in these pathways. Chapter 4 describes the site-of-disease microbiome in people with presumptive tuberculous pericarditis (TBP) as it is the deadliest manifestation of EPTB, compared to symptomatic controls. The pericardial fluid (PF) of individuals with TBP differs from those without TBP in terms of both the microbial diversity and the relative abundance of specific taxa (not only Mycobacterium but also other genera like Lacticigenium, Kocuria, and Weeksella). We noted that HIV infection is associated with differences in the abundance of Mycobacterium in PF. Additionally, within individuals with both HIV and TBP (dTBs), the presence of Bifidobacterium is associated with more severe disease, indicated by HIV-positivity and lack of antiretroviral therapy (ART). PF microbial differences between people with definite TB (dTBs) and people without TB (nTBs) are accompanied by variations in functional capacities. Notably, dTBs show an enrichment of pathways involved in SCFA production. Moreover, PF microbiome is linked to distinct clinical and chest imaging characteristics. In Chapter 5, we evaluate the relationship between CRP, the microbiome, and TB by looking at how microbiome members in presumptive EPTB correlate with CRP, as a surrogate for inflammation. We, thus, sought to relate the microbial differences in EPTB to inflammation, represented by levels of the inflammatory marker C-reactive protein (CRP), using site-of-disease samples from our study. In people with presumptive tuberculous lymphadenitis (TBL), those with TB or HIV displayed higher CRP levels, suggesting an interplay between microbial diversity and inflammation. Mycobacterium relative abundance was found to positively correlate with CRP levels, especially in certain lymphotypes. These associations were not observed in individuals with presumptive tuberculous pericarditis (TBP), indicating distinct microbial influences between different TB manifestations. Discussion and conclusion (Chapter 7): In conclusion, this study aimed to improve our understanding of the microbiome's association with TB, especially in vulnerable subpopulations such as HIV-positive individuals. It sheds light on various aspects of the microbiome's association with TB, highlighting how the site-of-disease microbiomes are altered in TB and how specific microbial taxa and metabolic pathways may influence TB pathogenesis and severity. Elevated CRP levels correlated with certain lymphotypes in TBL, indicating distinct microbial influences between manifestations. This study establishes a basis for future research into the microbiome as a potential diagnostic or prognostic marker for TB, a disease that continues to pose a major global health threat.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Elke jaar word tot 3–4% van alle sterftes wêreldwyd toegeskryf aan infeksie met die bakteriële patogeen Mycobacterium tuberculosis (Mtb), die veroorsakende middel van tuberkulose (TB) siekte, wat neerkom op byna 5 000 sterftes elke dag1. Hierdie kolossale siektelas vereis 'n deeglike begrip van beide die patogeniese strategieë wat Mtb gebruik om siektes te veroorsaak, sowel as die gasheervatbaarheid wat Mtb ontwikkel het om te ontgin. Die menslike mikrobioom produseer metaboliete wat die immuunstelsel beïnvloed. Gesondheid hang dus af van die mikrobioom, selfs in distale plekke. Die belangrikheid van die mikrobioom in tuberkulose (TB) begin egter net verstaan word. In hierdie tesis hersien ons huidige TB-geassosieerde mikrobioomnavorsing krities. Die oorkoepelende doel van hierdie studie is om verskeie kennisgapings wat verband hou met en die mikrobioom aan te spreek, met 'n spesifieke fokus op ekstrapulmonêre TB (EPTB). Die studie het ten doel om te ondersoek of hoes-aërosol van TB-pasiënte ander taksa bevat as Mycobacterium tuberculosis (Mtb) en as dit diagnosties bruikbaar kan wees, die mikrobioom in plek-van-siekte-vloeistowwe in EPTB-pasiënte en die korrelasie daarvan met kliniese eienskappe te ondersoek, ondersoek die assosiasie tussen C-reaktiewe proteïen (CRP) en verskillende taksa, en ondersoek die mikrobioomverskille in pulmonêre TB-pasiënte in vergelyking met simptomatiese kontroles. Deur hierdie leemtes aan te spreek, poog die studie om waardevolle insigte in die verhouding tussen TB en die mikrobioom by te dra. Metodes (Hoofstukke 2-5): Ons het deurlopende diagnostiese proewe gebruik wat individue met verskillende vorme van TB betrek om die mikrobioom voor behandeling te karakteriseer. 'n Reeks monsters is versamel (d.w.s. hoes-aërosols, mondspoelings, geïnduseerde sputum, brongoalveolêre spoelvloeistof, stoelgang, vloeistowwe van die plek van siekte) van mense met vermoedelike pulmonale of ekstrapulmonêre TB (EPTB). Agtergrond DNS-monsternemingskontroles (d.w.s. soutspoeling van mediese apparaat) is addisioneel ingesamel, waar toepaslik. Mikrobiese DNS het 16S rRNA geenvolgordebepaling ondergaan en is ontleed deur gebruik te maak van die Quantitative Insights Into Microbial Ecology (QIIME) pyplyn. Funksionele metagenome is geassesseer met Filogenetiese Ondersoek van Gemeenskappe deur Rekonstruksie van Onwaargeneemde State (PICRUSt). Die mikrobiome van mense met bevestigde TB is vergelyk met simptomaties (of, in sommige gevalle, gesonde noue kontakte), terwyl kliniese faktore soos MIV-status in ag geneem is. Resultate (Hoofstukke 2-5): In Hoofstuk 2 wys ons (met behulp van 'n kommersiële toestel, PneumoniaCheck) dat hoes-aërosols van mense met pulmonêre TB 1) waarneembare mikrobiese uitlesings bevat, insluitend mikobakteriese uitlesings, 2) Mycobacterium tuberculosis kompleks (MTBC) is waarneembaar deur Xpert MTB/RIF Ultra in hoes-aërosols, en 3) mikrobiota wat in hoes-aërosols voorkom, verskil van dié in die boonste en onderste lugweë. Aangesien TB limfadenitis (TBL) die mees algemene vorm van EPTB is, beskryf hoofstuk 3 die plek-van-siekte limfmikrobioom in mense met vermoedelike TBL in vergelyking met simptomatiese kontroles. Kortliks, dit sluit die bestaan van afsonderlike mikrobiese gemeenskapstoestande in wat 'limfotipes' in definitiewe TB's genoem word, en sluit in: "Prevotella-Corynebacterium," "Prevotella-Streptococcus," en "Mycobacterium." Die Mycobacterium limfotipe was geassosieer met meer ernstige siektes, wat daarop dui dat die siekte progressie van Prevotella-Corynebacterium en Prevotella-Streptococcus toestande aandui. Die gelyktydige voorkoms van Corynebacterium en Streptococcus spesies dra by tot TBL patologie. Verder is definitiewe TB's verryk in mikrobiese metaboliese weë wat verband hou met vetsure, aminosure en kortkettingvetsure (SCFA's). Hierdie weë het bekende pro-inflammatoriese immunomodulerende effekte wat TB-beheer inhibeer, en die Mycobacterium limfotipe het die hoogste verryking in hierdie weë getoon. Hoofstuk 4 beskryf die plek-van-siekte-mikrobioom in mense met vermoedelike tuberkulose perikarditis (TBP) aangesien dit die dodelikste manifestasie van EPTB is, in vergelyking met simptomatiese kontroles. Die perikardiale vloeistof (PF) van individue TBP verskil van dié sonder TBP in terme van beide die mikrobiese diversiteit en die relatiewe oorvloed van spesifieke taksa (nie net Mycobacterium nie, maar ook ander genera soos Lacticigenium, Kocuria en Weeksella). MIV-infeksie word geassosieer met verskille in die oorvloed van Mycobacterium in PF. Boonop word die teenwoordigheid van Bifidobacterium in individue met beide MIV en TBP (dTB'e) geassosieer met meer ernstige siektes, wat aangedui word deur MIV-positiefheid en gebrek aan antiretrovirale terapie (ART). PF mikrobiese verskille tussen dTB's en nTB's gaan gepaard met variasies in funksionele vermoëns. Dit is opmerklik dat dTB's 'n verryking toon van paaie wat by SCFA-produksie betrokke is. Boonop is PF-mikrobioom gekoppel aan duidelike kliniese en borskasbeeldeienskappe. In Hoofstuk 5 evalueer ons die verwantskap tussen CRP, die mikrobioom en TB deur te kyk hoe mikrobioomlede in vermoedelike EPTB met CRP korreleer. Ons het dus probeer om die mikrobiese verskille in EPTB in verband te bring met inflammasie, verteenwoordig deur vlakke van inflammatoriese die merker C-reaktiewe proteïen (CRP), met behulp van plek-van-siekte-monsters uit ons studie. By mense met vermoedelike tuberkulose limfadenitis (TBL), het diegene met TB of MIV hoër CRP-vlakke getoon, wat 'n wisselwerking tussen mikrobiese diversiteit en inflammasie voorstel. Mycobacterium is gevind om positief te korreleer met CRP-vlakke, veral in sekere limfotipes. Verbasend genoeg is hierdie assosiasies nie by individue met vermoedelike tuberkulose perikarditis (TBP) waargeneem nie, wat duidelike mikrobiese invloede tussen verskillende TB-manifestasies aandui. Bykomende werk (ingesluit in die Bylaag) het die kompartementspesifieke mikrobioom in mense met vermoedelike pulmonêre TB beskryf in vergelyking met ouderdom- en geslagsooreenstemmende simptomatiese kontroles, sowel as hul noue kontakte. Ons wys hoe, selfs voor behandeling, definitiewe TB's 'n duidelike dermmikrobioom tot simptomatiese kontroles het, met verrykte derm-anaërobe wat verband hou met gasheer-inflammatoriese weë wat relevant is vir TB. Bepaalde TB's is ook verryk in verskeie mikrobiese metaboliese weë wat verband hou met SCFA-produksie. Interpretasie en gevolgtrekking (Hoofstuk 7): Ten slotte het hierdie studie ten doel gehad om ons begrip van die mikrobioom se assosiasie met TB oor die algemeen te verbeter, veral in kwesbare subpopulasies soos MIV-positiewe individue. Dit werp lig op verskeie aspekte van die mikrobioom se assosiasie met TB, en beklemtoon hoe die plek-van-siekte-mikrobiome in TB verander word en hoe spesifieke mikrobiese taksa en metaboliese weë TB-patogenese en erns kan beïnvloed. Verhoogde CRP-vlakke korreleer met sekere limfotipes in TBL, maar nie in TBP nie, wat duidelike mikrobiese invloede tussen manifestasies aandui. Gebaseer op ons bevindinge, stel ons voor dat die mikrobiota 'n rol speel in TB-patogenese op verskillende plekke in die liggaam. Verdere ondersoek is egter nodig om die spesifieke metaboliete wat deur hierdie mikrobiese taksa geproduseer word te verstaan en die meganismes waardeur hulle die gasheer se immuunrespons beïnvloed. Hierdie studie vestig 'n basis vir toekomstige navorsing oor die mikrobioom as 'n potensiële diagnostiese of prognostiese merker vir TB, 'n siekte wat steeds 'n groot globale gesondheidsbedreiging inhou.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Elke jaar word tot 3–4% van alle sterftes wêreldwyd toegeskryf aan infeksie met die bakteriële patogeen Mycobacterium tuberculosis (Mtb), die veroorsakende middel van tuberkulose (TB) siekte, wat neerkom op byna 5 000 sterftes elke dag1. Hierdie kolossale siektelas vereis 'n deeglike begrip van beide die patogeniese strategieë wat Mtb gebruik om siektes te veroorsaak, sowel as die gasheervatbaarheid wat Mtb ontwikkel het om te ontgin. Die menslike mikrobioom produseer metaboliete wat die immuunstelsel beïnvloed. Gesondheid hang dus af van die mikrobioom, selfs in distale plekke. Die belangrikheid van die mikrobioom in tuberkulose (TB) begin egter net verstaan word. In hierdie tesis hersien ons huidige TB-geassosieerde mikrobioomnavorsing krities. Die oorkoepelende doel van hierdie studie is om verskeie kennisgapings wat verband hou met en die mikrobioom aan te spreek, met 'n spesifieke fokus op ekstrapulmonêre TB (EPTB). Die studie het ten doel om te ondersoek of hoes-aërosol van TB-pasiënte ander taksa bevat as Mycobacterium tuberculosis (Mtb) en as dit diagnosties bruikbaar kan wees, die mikrobioom in plek-van-siekte-vloeistowwe in EPTB-pasiënte en die korrelasie daarvan met kliniese eienskappe te ondersoek, ondersoek die assosiasie tussen C-reaktiewe proteïen (CRP) en verskillende taksa, en ondersoek die mikrobioomverskille in pulmonêre TB-pasiënte in vergelyking met simptomatiese kontroles. Deur hierdie leemtes aan te spreek, poog die studie om waardevolle insigte in die verhouding tussen TB en die mikrobioom by te dra. Metodes (Hoofstukke 2-5): Ons het deurlopende diagnostiese proewe gebruik wat individue met verskillende vorme van TB betrek om die mikrobioom voor behandeling te karakteriseer. 'n Reeks monsters is versamel (d.w.s. hoes-aërosols, mondspoelings, geïnduseerde sputum, brongoalveolêre spoelvloeistof, stoelgang, vloeistowwe van die plek van siekte) van mense met vermoedelike pulmonale of ekstrapulmonêre TB (EPTB). Agtergrond DNS-monsternemingskontroles (d.w.s. soutspoeling van mediese apparaat) is addisioneel ingesamel, waar toepaslik. Mikrobiese DNS het 16S rRNA geenvolgordebepaling ondergaan en is ontleed deur gebruik te maak van die Quantitative Insights Into Microbial Ecology (QIIME) pyplyn. Funksionele metagenome is geassesseer met Filogenetiese Ondersoek van Gemeenskappe deur Rekonstruksie van Onwaargeneemde State (PICRUSt). Die mikrobiome van mense met bevestigde TB is vergelyk met simptomaties (of, in sommige gevalle, gesonde noue kontakte), terwyl kliniese faktore soos MIV-status in ag geneem is. Resultate (Hoofstukke 2-5): In Hoofstuk 2 wys ons (met behulp van 'n kommersiële toestel, PneumoniaCheck) dat hoes-aërosols van mense met pulmonêre TB 1) waarneembare mikrobiese uitlesings bevat, insluitend mikobakteriese uitlesings, 2) Mycobacterium tuberculosis kompleks (MTBC) is waarneembaar deur Xpert MTB/RIF Ultra in hoes-aërosols, en 3) mikrobiota wat in hoes-aërosols voorkom, verskil van dié in die boonste en onderste lugweë. Aangesien TB limfadenitis (TBL) die mees algemene vorm van EPTB is, beskryf hoofstuk 3 die plek-van-siekte limfmikrobioom in mense met vermoedelike TBL in vergelyking met simptomatiese kontroles. Kortliks, dit sluit die bestaan van afsonderlike mikrobiese gemeenskapstoestande in wat 'limfotipes' in definitiewe TB's genoem word, en sluit in: "Prevotella-Corynebacterium," "Prevotella-Streptococcus," en "Mycobacterium." Die Mycobacterium limfotipe was geassosieer met meer ernstige siektes, wat daarop dui dat die siekte progressie van Prevotella-Corynebacterium en Prevotella-Streptococcus toestande aandui. Die gelyktydige voorkoms van Corynebacterium en Streptococcus spesies dra by tot TBL patologie. Verder is definitiewe TB's verryk in mikrobiese metaboliese weë wat verband hou met vetsure, aminosure en kortkettingvetsure (SCFA's). Hierdie weë het bekende pro-inflammatoriese immunomodulerende effekte wat TB-beheer inhibeer, en die Mycobacterium limfotipe het die hoogste verryking in hierdie weë getoon. Hoofstuk 4 beskryf die plek-van-siekte-mikrobioom in mense met vermoedelike tuberkulose perikarditis (TBP) aangesien dit die dodelikste manifestasie van EPTB is, in vergelyking met simptomatiese kontroles. Die perikardiale vloeistof (PF) van individue TBP verskil van dié sonder TBP in terme van beide die mikrobiese diversiteit en die relatiewe oorvloed van spesifieke taksa (nie net Mycobacterium nie, maar ook ander genera soos Lacticigenium, Kocuria en Weeksella). MIV-infeksie word geassosieer met verskille in die oorvloed van Mycobacterium in PF. Boonop word die teenwoordigheid van Bifidobacterium in individue met beide MIV en TBP (dTB'e) geassosieer met meer ernstige siektes, wat aangedui word deur MIV-positiefheid en gebrek aan antiretrovirale terapie (ART). PF mikrobiese verskille tussen dTB's en nTB's gaan gepaard met variasies in funksionele vermoëns. Dit is opmerklik dat dTB's 'n verryking toon van paaie wat by SCFA-produksie betrokke is. Boonop is PF-mikrobioom gekoppel aan duidelike kliniese en borskasbeeldeienskappe. In Hoofstuk 5 evalueer ons die verwantskap tussen CRP, die mikrobioom en TB deur te kyk hoe mikrobioomlede in vermoedelike EPTB met CRP korreleer. Ons het dus probeer om die mikrobiese verskille in EPTB in verband te bring met inflammasie, verteenwoordig deur vlakke van inflammatoriese die merker C-reaktiewe proteïen (CRP), met behulp van plek-van-siekte-monsters uit ons studie. By mense met vermoedelike tuberkulose limfadenitis (TBL), het diegene met TB of MIV hoër CRP-vlakke getoon, wat 'n wisselwerking tussen mikrobiese diversiteit en inflammasie voorstel. Mycobacterium is gevind om positief te korreleer met CRP-vlakke, veral in sekere limfotipes. Verbasend genoeg is hierdie assosiasies nie by individue met vermoedelike tuberkulose perikarditis (TBP) waargeneem nie, wat duidelike mikrobiese invloede tussen verskillende TB-manifestasies aandui. Bykomende werk (ingesluit in die Bylaag) het die kompartementspesifieke mikrobioom in mense met vermoedelike pulmonêre TB beskryf in vergelyking met ouderdom- en geslagsooreenstemmende simptomatiese kontroles, sowel as hul noue kontakte. Ons wys hoe, selfs voor behandeling, definitiewe TB's 'n duidelike dermmikrobioom tot simptomatiese kontroles het, met verrykte derm-anaërobe wat verband hou met gasheer-inflammatoriese weë wat relevant is vir TB. Bepaalde TB's is ook verryk in verskeie mikrobiese metaboliese weë wat verband hou met SCFA-produksie. Interpretasie en gevolgtrekking (Hoofstuk 7): Ten slotte het hierdie studie ten doel gehad om ons begrip van die mikrobioom se assosiasie met TB oor die algemeen te verbeter, veral in kwesbare subpopulasies soos MIV-positiewe individue. Dit werp lig op verskeie aspekte van die mikrobioom se assosiasie met TB, en beklemtoon hoe die plek-van-siekte-mikrobiome in TB verander word en hoe spesifieke mikrobiese taksa en metaboliese weë TB-patogenese en erns kan beïnvloed. Verhoogde CRP-vlakke korreleer met sekere limfotipes in TBL, maar nie in TBP nie, wat duidelike mikrobiese invloede tussen manifestasies aandui. Gebaseer op ons bevindinge, stel ons voor dat die mikrobiota 'n rol speel in TB-patogenese op verskillende plekke in die liggaam. Verdere ondersoek is egter nodig om die spesifieke metaboliete wat deur hierdie mikrobiese taksa geproduseer word te verstaan en die meganismes waardeur hulle die gasheer se immuunrespons beïnvloed. Hierdie studie vestig 'n basis vir toekomstige navorsing oor die mikrobioom as 'n potensiële diagnostiese of prognostiese merker vir TB, 'n siekte wat steeds 'n groot globale gesondheidsbedreiging inhou.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2023.