Microbiome and virome dynamics after lung transplantation and its impact on recipients' long-term prognosis

Abstract

El trasplantament pulmonar (TP) representa la última opció terapèutica per aquells pacients que pateixen alguna malaltia respiratòria en fase terminal. Tot i que els últims anys s'han fet molts avenços, l'esperança de vida pel TP és la més baixa entre tots els trasplantaments d'òrgan sòlid. Això és degut a la incidència d'infeccions, que representen el 37% de les morts durant el primer any després del TP, i la disfunció crònica de l'empelt (DCE), que és la principal limitació per la supervivència a llarg termini, amb una mortalitat d'entre el 25-30% entre 3-5 anys després del TP. A més, ambdues complicacions estan relacionades, ja que les infeccions als receptors de TP són un factor de risc ben conegut pel desenvolupament de DCE. En els darrers anys, els mètodes metagenòmics han permès caracteritzar el microbioma bacterià dels receptors de TP, tot i que el seu paper en la patogènesi de la DCE no està clar. En el cas del component víric, la informació és encara menor, ja que no s'ha estudiat en profunditat tot el viroma, inclosos els virus d'ADN i ARN y, a més, no s'ha avaluat clarament ni la dinàmica a llarg termini del viroma després del TP ni la seva relació amb el pronòstic dels trasplantats. Per tant, l'objectiu principal de la present tesi va ser caracteritzar en detall el microbioma bacterià (part 1) i la composició completa del viroma (part 2) en receptors de TP utilitzant enfocs metagenòmics per avaluar la dinàmica temporal, la seva eventual restauració i l'impacte potencial en el pronòstic a llarg termini i el desenvolupament de DCE. Al primer estudi (part 1) es sosté que la diversitat alfa del microbioma nasofaringi va disminuir a les primeres fases post-TP i que, un any després, els receptors sense DCE presentaven una composició bacteriana més semblant a la dels pacients sans, una troballa que podria estar relacionada amb el millor pronòstic observat en aquest grup. A més es suggereix que el mostreig del tracte respiratori superior podria ser una alternativa eficaç i menys invasiva per estudiar el microbioma bacterià respiratori. Al segon estudi (part 2) s'afirma que la diversitat alfa es normalitza dos anys després del TP i que la composició del viroma difereix entre els receptors de TP i els pacients sans. No obstant, no es van observar diferències en la composició global del viroma entre els trasplantats amb i sense DCE. A més, es suggereix que la immunosupressió pot alterar la composició del viroma. En general, els estudis inclosos en aquesta tesi contribueixen a una millor comprensió de la dinàmica del microbioma bacterià respiratori i el viroma plasmàtic després del TP i la seva implicació en els resultats a llarg termini, i obren noves perspectives per futures investigacions.

El trasplante de pulmón (TP) representa la última opción terapéutica para aquellos pacientes que padecen de alguna enfermedad respiratoria en fase terminal. Aunque en los últimos años se han hecho muchos avances, la esperanza de vida en el TP es la más baja de entre todos los trasplantes de órgano sólido. Esto es debido a la incidencia de infecciones, que representan el 37% de las muertes en el primer año tras el TP, y la disfunción crónica del injerto pulmonar (DCI), que es la principal limitación para la supervivencia a largo plazo, con una mortalidad del 25-30% entre 3-5 años tras el TP. Además, ambas complicaciones están relacionadas, ya que las infecciones en los receptores de TP son un factor de riesgo bien conocido para el desarrollo de DCI. En los últimos años, los métodos metagenómicos han permitido caracterizar el microbioma bacteriano de los receptores de TP, aunque su papel en la patogénesis de la DCI no está claro. En el caso del componente vírico, la información es aún menor, ya que no se ha estudiado en profundidad todo el viroma, incluidos los virus de ADN y ARN y, además, no se ha evaluado claramente ni la dinámica a largo plazo del viroma tras el TP ni su relación con el pronóstico de los trasplantados. Por lo tanto, el objetivo principal de la presente tesis fue caracterizar en detalle el microbioma bacteriano (parte 1) y la composición completa del viroma (parte 2) en receptores de TP utilizando enfoques metagenómicos para evaluar la dinámica temporal, su eventual restauración y el impacto potencial en el pronóstico a largo plazo y el desarrollo de DCI. En el primer estudio (parte 1) se sostiene que la diversidad alfa del microbioma nasofaríngeo disminuyó en las primeras fases post-TP y que, un año después, los receptores sin DCI presentaban una composición bacteriana más parecida a la de los pacientes sanos, un hallazgo que podría estar relacionado con el mejor pronóstico observado en este grupo. Además, se sugiere que el muestreo del tracto respiratorio superior podría ser una alternativa eficaz y menos invasiva para estudiar el microbioma bacteriano respiratorio. En el segundo estudio (parte 2) se afirma que la diversidad alfa se normaliza dos años después de la LT y que la composición del viroma difiere entre los receptores de TP y los pacientes sanos. Sin embargo, no se observaron diferencias en la composición global del viroma entre los trasplantados con y sin DCI. Además, se sugiere que la inmunosupresión puede alterar la composición del viroma. En general, los estudios incluidos en esta tesis contribuyen a una mejor comprensión de la dinámica del microbioma bacteriano respiratorio y el viroma plasmático tras el TP y su implicación en los resultados a largo plazo, y abren nuevas perspectivas para futuras investigaciones.

Lung transplantation (LT) represents the last therapeutic option for patients suffering from various end-stage respiratory diseases. Despite all the advances made in recent years, the life expectancy of LT remains the lowest of all solid organ transplants. This is conditioned by the occurrence of infections, which account for 37% of deaths in the first year after LT and chronic lung allograft dysfunction (CLAD), which is the main limitation for long-term survival, with a mortality of 25-30% between 3-5 years after LT. Besides, both complications are related, as infections in LT recipients are a well-known risk factor for CLAD development. In recent years, metagenomic methods have made it possible to characterise the bacterial microbiome of LT recipients, although its role in the pathogenesis of CLAD is unclear. In the case of the viral component, there is even less information, as the entire virome, including DNA and RNA viruses, has not been studied in depth and, moreover, neither the long-term dynamics of the virome after LT nor its relationship to the prognosis of LT recipients has been clearly assessed. Therefore, the main objective of the present thesis was to characterise in detail the bacterial microbiome (part 1) and the complete virome composition (part 2) in LT recipients using metagenomic approaches to assess the temporal dynamics, its eventual restoration and the potential impact on long-term prognosis and CLAD development. The first study (part 1) contends that the alpha diversity of the nasopharyngeal microbiome decreased in the early post-LT stages and that, one year after LT, CLAD-free recipients presented a bacterial composition more closely to that of healthy patients, a finding that could be related to the better outcome observed in this group. Further, it is suggested that upper respiratory tract sampling could be an effective and less invasive alternative to study the respiratory bacterial microbiome. The second study (part 2) states that alpha diversity normalises two years after LT and that virome composition differs between LT recipients and healthy patients. However, no differences in global virome composition between CLAD and CLAD-free recipients were observed. Further, it is suggested that immunosuppression may alter virome composition Overall, the studies included in this thesis contribute to a better understanding of the dynamics of respiratory bacterial microbiome and plasma virome after LT and their implication on long-term outcomes, and open up new perspectives for future research.