Indoor airborne microbiome, environmental and household determinants and respiratory health in Northern Europe

Abstract

Bakgrunn: Overgangen fra utemiljø til bygde miljøer har redusert vår eksponering for mikrobielt mangfold. I dag tilbringer det moderne mennesket opptil 80% av tiden innendørs. Tidligere studier har vist at eksponering for luftbårne bakterier kan minske risikoen for å utvikle luftveissykdommer som astma. Studiene viser også at barn som vokser opp på gård har lavere risiko for å utvikle immunmedierte sykdommer enn barn som vokser opp i urbane områder. Grunnen til dette kan være eksponering for gårdsrelatert mikrobiota gjennom kontakt med husdyr.

Mål: Vi ønsket å forbedre protokollen for analyse av bakterier og endotoksin fra EDC (Electrostatic Dust Collector), en prøvetakingsenhet som brukes til å måle luftbåren bakteriell eksponering. Videre ville vi undersøke forskjellen i luftbåren bakteriesammensetning mellom boliger til bønder og boliger i bystrøk, og å studere bakterieoverføring mellom husdyrstaller og boliger. I Paper III søkte vi å identifisere faktorer assosiert med sammensetningen av bakterier fra boliger fra fem forskjellige nordiske studiesentre. I Paper IV hadde vi som mål å undersøke sammenhengen mellom innendørs bakterieprofiler (mangfold og mengde) og typer av bakterier, lungefunksjon og luftveisbetennelse.

Metoder: Luftbårne støvpartikler ble samlet inn med EDC-er over en periode på 14 dager. Bakterielt DNA og endotoksin ble ekstrahert fra prøvene. Vi sammenlignet DNA-ekstraksjonseffektiviteten til bakterielle komponenter fra EDC-er med fem forskjellige teknikker. En kvantitativ PCR (qPCR) ble brukt for å vurdere mengde bakterier. V3–V4-regionen til det bakterielle 16S rRNA-genet ble amplifisert og sekvensert ved bruk av Ilumina MiSeq for å bestemme sammensetningen av bakteriesamfunnene. Den kinetiske kromogene LAL-analysen ble brukt for endotoksinmåling. Sammenhengen mellom avhengige og uavhengige variabler ble studert ved bruk av multivariate regresjonsmodeller.

Resultater: I artikkel I fant vi at luftbårne bakterier var betydelig mer tallrike og mer mangfoldige i bønders boliger enn i boliger i urbane strøk (p < 0,001). De antatt gunstige bakteriene var mer tallrike i bøndenes hjem og har sin opprinnelse hovedsakelig fra husdyrgjødsel og det ytre miljø, men ikke nødvendigvis direkte fra dyrene selv. I artikkel II fant vi at to teknikker ga bedre resultat enn de tre øvrige teknikkene som ble testet. Videre utviklet vi protokoller for samtidig å trekke ut både DNA og endotoksin fra et EDC filter. I artikkel III har vi beskrevet store geografiske forskjeller for sammensetningen av de innendørs luftbårne bakteriene. Høyere innendørs bakteriediversitet og mengde var assosiert med høyere forekomst av bakterier som har opphav fra utemiljø, som kan skyldes mindre nedbør og høyere vindhastighet utendørs. Multivariate regresjonsmodeller viste at alfa-diversitetsindekser og bakterie- og endotoksinkonsentrasjoner var positivt assosiert med beboernes alder, hvor mange personer som bor i boligen, rengjøringsfrekvens, hundehold og boligens alder. I artikkel IV fant vi at innendørs bakteriediversitet var assosiert med god lungefunksjon hos menn, men med mer lungeinflammasjon hos kvinner. Vi fant videre at Actinobacteriota bakterier var assosiert med bedre lungefunksjon, mens Clostridia bakterier var assosiert med lavere lungefunksjon. Høyt FeNO-nivå var negativt assosiert med Cellulomonas og positivt assosiert med Campylobakter bakterier.

Konklusjon: Vi viste at luftbårne bakterier i bøndenes hjem, spesielt storfebøndenes boliger, var preget av høy bakteriediversitet sammenlignet med boliger i urbane strøk. Vår studie (artikkel I) viser at bakteriesammensetningen i bøndenes hjem har sin opprinnelse fra husdyrgjødsel og bidrarytterligere til verifiseringen av hypotesen om mikrobielt mangfold. I artikkel II beskriver vi en felles protokoll for DNA- og endotoksinekstraksjon. Teknikken vår bidrar til et høyt kvalitet-til-pris-forhold og kan brukes i store epidemiologiske studier som tar for seg luftbåren bakteriell eksponering der et stort antall prøver skal analyseres. I artikkel III konkluderte vi med at innendørs luftbårne bakterier viser store geografiske forskjeller, og bidraget fra utendørs bakterietaxa til inneluft påvirkes av værforhold. Videre antyder resultatene våre at generelle livsstils valg som yrke, typer kjæledyr, hyppighet av rengjøring og bruk av desinfeksjonsmidler påvirker innendørs mikrobiomet. Det ble funnet forskjellige assosiasjoner mellom innendørs bakterier og lungefunksjon og lungeinflammasjon hos menn og kvinner, noe som tyder på seksuell dimorfisme som respons på luftbåren bakteriell eksponering. Videre var assosiasjonsmønstrene mellom innendørs bakteriesamfunn og lungefunksjon og luftveisbetennelse forskjellige. Resultatene fra artikkel IV gir ny innsikt i å forstå det kompliserte forholdet mellom innendørs bakterieeksponering og luftveishelse.

Background: Human transition from outdoor environment to the built environments have reduced our exposure to microbial diversity. Nowadays we spend on average up to 90 % of our time indoors. Previous studies have indicated that exposure to airborne bacteria might prevent or facilitate the development of respiratory disease such as asthma. The studies also showed that children growing up on farm environments have lower risk of immune-mediated diseases than children growing up in urban areas probably due to exposure to farm-related microbiota through contact with livestock animals.

Objectives: We attempted to increase the efficiency of the extraction of airborne dust, DNA, and endotoxin from the EDC (Electrostatic Dust Collector), a sampling device used for addressing airborne bacterial exposure. We aimed to investigate the difference in airborne bacterial composition between the farmers’ homes and suburban homes and to study bacterial transfer between livestock stables and farmers’ homes. In Paper III, we attempted to identify factors associated with the composition of the indoor bacterial communities. In Paper IV, we aimed to investigate the association between indoor bacterial profiles (diversity and load), lung function, and airway inflammation. Furthermore, we aimed to determine whether individual bacterial taxa in the indoor microbiome affect lung function and airway inflammation.

Methods: Airborne dust particles were sampled with EDCs over a period of 14 days. The dust washed from the EDCs' cloths was used to extract DNA and endotoxin. We compared the DNA extraction efficiency of bacterial components from EDCs using five extraction techniques. A quantitative PCR (qPCR) was used to assess bacterial abundance. The V3–V4 region of the bacterial 16S rRNA gene was amplified and sequenced using Ilumina MiSeq to determine the composition of the bacterial communities. The Divisive Amplicon Denoising Algorithm (DADA2) algorithm was used for the inference of amplicon sequence variants from amplicon data. The kinetic chromogenic LAL assay was used for endotoxin measurement. The association between dependent and independent variables was studied using adjusted multivariate regression models.

Results: In paper I, we found that airborne bacteria were significantly more abundant and more diverse in farmers home than suburban homes (p < 0.001). In particular, the putatively beneficial bacterial taxa of intestinal origin were more abundant in the farmers homes and originated mainly from surrounding environment rather than livestock stables. In paper II, we found that two techniques outperformed the rest. Furthermore, we developed protocols to simultaneously extract both DNA and endotoxin from a single EDC cloth. In paper III, the indoor airborne bacteria differed across five Northern European countries. Higher indoor bacterial diversity and load were associated with higher abundance of outdoor bacterial taxa which might be because of low precipitation and higher wind speed outdoor. Multivariate regression models showed that alpha diversity indices and bacterial and endotoxin loads were positively associated with the age of the occupants, the number of occupants, the cleaning frequency, the presence of dogs, and the age of the house. In paper IV, we found that indoor bacterial diversity was associated with higher lung function in males and higher eosinophilic airway inflammation in females. We further found that cells affiliated with Actinobacteriota were associated with better lung function, while cells affiliated with Clostridia were associated with lower lung function. We further found that higher FeNO levels were negatively associated with Cellulomonas and positively associated with Campylobacter.

Conclusion: We showed that airborne bacteria in farmers’ homes, especially cow farmers’ homes, was characterized by high bacterial diversity compared to suburban homes. Additionally, it appears that the indoor airborne bacterial community in farmers' homes is influenced by intestinal animal microbiota from manure. In Paper II, we were able to develop a joint protocol for DNA and endotoxin extraction. Our technique promotes a high quality-to-price ratio and may be employed in large epidemiological studies addressing airborne bacterial exposure where a large number of samples are needed. In paper III, we concluded that indoor airborne bacteria are geographically patterned, and the contribution of outdoor bacterial taxa to indoor air might be affected by weather events. Furthermore, our results suggest that general lifestyle choices such as the number of occupants, types of pets, frequency of cleaning, and use of disinfectants impact the indoor microbiome. Different associations were found between indoor bacteria and lung function and airway inflammation in males and females, suggesting sexual dimorphism in response to airborne bacterial exposure. Furthermore, the association patterns between the indoor bacterial communities and lung function and airway inflammation were different. The results from Paper IV provide new insights into understanding the complicated relationship between indoor bacterial exposures and respiratory health.