Lung immune tone, i.e. the immune state of the lung, can vary between individuals and over a single individual's lifetime, and its basis and regulation in the context of inflammatory responses to injury is poorly understood. The gut microbiome, through the gut-lung axis, can influence lung injury outcomes but how the diet and microbiota affect lung immune tone is also unclear. We hypothesized that lung immune tone would be influenced by the presence of fiber-fermenting short-chain fatty acid (SCFA)-producing gut bacteria. To test this hypothesis, we conducted a fiber diet intervention study followed by lung injury in mice and profiled gut microbiota using 16S sequencing, metabolomics, and lung immune tone. We also studied germ-free mice to evaluate lung immune tone in the absence of microbiota and performed in vitro mechanistic studies on immune tone and metabolic programming of alveolar macrophages exposed to the SCFA propionate (C3). Mice on high-fiber diet were protected from sterile lung injury compared to mice on a fiber-free diet. This protection strongly correlated with lower lung immune tone, elevated propionate levels and enrichment of specific fecal microbiota taxa; conversely, lower levels of SCFAs and an increase in other fatty acid metabolites and bacterial taxa correlated with increased lung immune tone and increased lung injury in the fiber-free group. In vitro , C3 reduced lung alveolar macrophage immune tone (through suppression of IL-1β and IL-18) and metabolically reprogrammed them (switching from glycolysis to oxidative phosphorylation after LPS challenge). Overall, our findings reveal that the gut-lung axis, through dietary fiber intake and enrichment of SCFA-producing gut bacteria, can regulate innate lung immune tone via IL-1β and IL-18 pathways. These results provide a rationale for the therapeutic development of dietary interventions to preserve or enhance specific aspects of host lung immunity.

ABSTRACT Microbial metabolites produced by the gut microbiome, such as short-chain fatty acids (SCFA), can influence both local intestinal and distant lung physiology and response to injury. However, how lung immune activity is regulated by SCFAs is unknown. We examined fresh human lung tissue and observed the presence of SCFAs with large inter-individual and even intra-lobe variability. In vitro , SCFAs were capable of modifying the metabolic programming in both resting and LPS-exposed alveolar macrophages (AM). Additionally, since we hypothesized that lung immune tone could be defined through priming of the inflammasome (aka signal 1), we interrogated naïve mouse lungs for pro-IL-1β message and localized its presence within the alveolar space in situ , specifically in AM subsets, and in close proximity to alveolar type 2 epithelial (AT2) cells. We established that metabolically active gut microbiota, that produce SCFAs, can transmit LPS and SCFAs to the lung (potential sources of signal 1), and thereby could regulate lung immune tone and metabolic programming. To understand how murine lung cells sensed and upregulated IL-1β in response to gut-microbiome factors, we determined that in vitro , AM and AT2 cells expressed SCFA receptors, FFAR2, FFAR3, and IL-1β but with different expression patterns and LPS-inducibility. Finally, we observed that IL-1β, FFAR2 and FFAR3 were expressed both in isolated human AM and AT2 cells ex-vivo , but in fresh human lung sections in situ , only AM expressed IL-1β at rest and after LPS challenge. Together, this translational study using mouse and human lung tissue and cells supports an important role for the gut microbiome and SCFAs in regulating lung immune tone.

Gut microbial products are known to act both locally within the intestine and get absorbed into circulation, where their effects can extend to numerous distant organ systems. Short-chain fatty acids (SCFA) are one class of metabolites produced by gut microbes during the fermentation of indigestible dietary fiber. They are now recognized as important contributors to how the gut microbiome influences extra-intestinal organ systems via the gut-lung, gut-brain, and other gut-organ axes throughout the host. SCFAs are absorbed from the colon, through intestinal tissue, into the portal vein (PV). They then pass through the liver, and are consumed in various organs such as the brain, muscle, adipose tissue, and lungs. SCFAs are most easily measured in the expelled fecal material however, more accurate measurements have been obtained from intra-colonic fecal contents. Here we propose that sampling PV and systemic circulating plasma of a single subject may be preferable for studying the absorption, transport, and systemic levels of SCFAs in mice. We present a new technique for efficient blood sampling from the PV and inferior vena cava (IVC) that allows for the collection of relatively large volumes of blood from the portal and systemic circulations. This is accomplished by ligating the PV, thereby allowing for the dilation or enlargement of the PV as it backfills from the mesenteric veins that drain into it. Using this method, we were able to improve the rate of successful collection as well as the total amount of blood collected (up to 0.3 mL from IVC and 0.5 mL from PV).