Variação na composição de gêneros probióticos nos diferentes estágios da COVID-19: uma abordagem in silico

Abstract

The imbalance of the microbiota was identified in COVID-19 patients in oropharyngeal, nasopharyngeal, and stool samples, and was associated with bacterial infections, a reduction in probiotics, an increase in pathogenic bacteria, and a decrease in beneficial symbionts. To better understand these alterations, we evaluated the relationship between two important genera of the human gut microbiota: Bifidobacterium and Lactobacillus. Both genera were associated with disease severity of COVID-19. Additionally, the administration of probiotics containing these genera demonstrated improvements in symptoms and laboratory parameters. Although many studies have already evaluated microbiota changes in COVID-19 patients, the variation in the methods available for biological data analysis hinders direct comparison between different studies. To address methodological limitations, this study reanalyzed intestinal microbiome datasets available in public databases, following a standardized approach across all studies. Specifically, we evaluated ten bacterial genera (Akkermansia, Bacteroides, Bifidobacterium, Blautia, Coprococcus, Faecalibacterium, Lactobacillus, Oscillospira, Roseburia, and Ruminococcus) present in the gut microbiota and associated with host health, with the aim of identifying the dynamics of these genera across varying degrees of COVID-19 severity. Through this approach, we were able to observe alterations in the microbiota of COVID-19 patients and how changes in specific genera could be related to the severity of the disease. The reanalysis identified significant changes in differential abundance, particularly for the genera Bifidobacterium, Bacteroides, Lactobacillus, and several from the Lachnospiraceae family. Bifidobacterium emerged as a potential biomarker of disease severity and a therapeutic target. Bacteroides displayed a complex pattern, possibly associated with inflammation induced by the disease or growth as an opportunistic pathogen. Lactobacillus showed significant changes in abundance across different COVID-19 stages. By contrast, Akkermansia and Faecalibacterium did not show significant differences, while Oscillospira and Ruminococcus presented statistically significant results, though with a low LDA value (linear discriminant analysis) for Oscillospira and significance in only one study for Ruminococcus, suggesting limited relevance of these genera in COVID-19 severity. For the Lachnospiraceae family, Coprococcus, Lachnospira, and Roseburia exhibited reductions with increasing disease severity. Conversely, Blautia yielded statistically significant results in only one study, suggesting a low influence of this genus in COVID-19. Additionally, a broad diversity of unclassified representatives from the Lachnospiraceae family was observed across different COVID-19 severities. These data underscore the importance of the relationship between the Lachnospiraceae family and COVID-19, emphasizing the urgent need for further exploration of this family. The differences observed between the original results and those obtained by our analysis highlight the importance of methodological rigor and the critical need for updated databases. Our findings highlight the complex relationship between the intestinal microbiota and COVID-19, revealing potential biomarkers and therapeutic targets, as well as the ongoing need for an increasingly deeper understanding of intestinal microbiota alterations in patients with the disease.

O desequilíbrio da microbiota foi identificado em pacientes com COVID-19 em amostras de orofaringe, nasofaringe e fezes, sendo associado a infecções bacterianas, redução de probióticos, aumento de bactérias patogênicas e diminuição de simbiontes benéficos. Para compreender mais profundamente essas alterações, avaliamos a relação de dois gêneros importantes da microbiota intestinal humana: Bifidobacterium e Lactobacillus. Ambos os gêneros estiveram relacionados à doença e à severidade da COVID-19. Além disso, a administração de probióticos contendo esses gêneros demonstrou melhora nos sintomas e em parâmetros laboratoriais. Apesar de muitos estudos já terem avaliado as mudanças na microbiota de pacientes com COVID-19, a variação dos métodos disponíveis para a análise de dados biológicos prejudica a comparação direta entre diferentes trabalhos. Para mitigar as limitações metodológicas, este trabalho realizou uma reanálise de conjuntos de dados de microbioma intestinal disponíveis em bancos de dados públicos, seguindo uma análise padronizada para todos os trabalhos. Especificamente, avaliamos dez gêneros bacterianos (Akkermansia, Bacteroides, Bifidobacterium, Blautia, Coprococcus, Faecalibacterium, Lactobacillus, Oscillospira, Roseburia e Ruminococcus) presentes na microbiota intestinal e relacionados à saúde do hospedeiro, com o objetivo de identificar a dinâmica desses gêneros nos diferentes graus de severidade da COVID-19. Por meio dessa abordagem, fomos capazes de observar as alterações da microbiota em pacientes com COVID-19 e como mudanças em gêneros específicos poderiam estar relacionadas à gravidade da doença. A reanálise identificou mudanças importantes na abundância diferencial, especialmente para os gêneros Bifidobacterium, Bacteroides, Lactobacillus e gêneros da família Lachnospiraceae. Bifidobacterium mostrou-se um potencial biomarcador de severidade da doença e alvo terapêutico. Bacteroides apresentou um padrão complexo, possivelmente relacionado à inflamação da doença ou ao crescimento como patógenos oportunistas. Lactobacillus mostrou mudanças significativas na abundância entre os estágios da COVID-19. Por outro lado, Akkermansia e Faecalibacterium não demonstraram diferenças significativas, enquanto Oscillospira e Ruminococcus apresentaram resultados estatisticamente significativos, mas com baixo valor de LDA (linear discriminant analysis) para Oscillospira, e em apenas um trabalho para Ruminococcus, sugerindo uma relevância limitada desses gêneros na severidade da COVID-19. Para a família Lachnospiraceae, Coprococcus Lachnospira e Roseburia apresentaram redução com o aumento da gravidade. Por outro lado, Blautia apresentou resultados estatisticamente significativos apenas para um trabalho, sugerindo baixa influência deste gênero na COVID-19. Além disso, uma grande diversidade de representantes não classificados da família Lachnospiraceae pode ser observada para as diferentes gravidades da COVID-19. Esses dados ressaltam a importância da relação entre a família Lachnospiraceae e a COVID-19 e a necessidade urgente de explorar essa família mais profundamente. As diferenças encontradas entre os resultados originais e os obtidos pela nossa análise destacam a importância do rigor metodológico e a necessidade crítica de bancos de dados atualizados. Nossos achados destacam a complexa relação entre a microbiota intestinal e a COVID-19, evidenciando potenciais biomarcadores e alvos terapêuticos, bem como a necessidade contínua de compreender, de maneira cada vez mais aprofundada, as alterações da microbiota intestinal em pacientes com a doença.