2020-08-28
期刊《Blood》
影響因子：17.543
近期，派森諾與上海復旦大學附屬華山醫院合作，采用16S rRNA基因測序、代謝組檢測、免疫因子檢測、流式細胞儀等多組學檢測技術，對骨髓移植小鼠的腸道菌群、血清代謝組、免疫因子、巨噬細胞極化作用進行整合關聯研究，揭示了腸道菌群通過代謝產物氧化三甲胺（TMAO）誘導M1巨噬細胞極化，從而加劇移植物抗宿主病（GVHD）的作用機制，相關成果發表于血液學研究領域期刊《Blood》（影響因子：17.543），并獲期刊撰文點評！
本研究嘗試采用多組學整合研究的手段，探索腸道菌群代謝物、飲食和疾病之間的相互作用，并尋找飲食等干預作用下，靶向調理人體微生物組及其代謝物從而治療疾病的新思路，有助于下游分子機制的研究，進而發現針對腸道菌群代謝的靶向新療法。可謂意義重大！
《Blood》當期點評文章
研究背景
人體作為一個復雜的生態系統，寄生了數以百萬億計的微生物，其中腸道菌群不僅在營養吸收、物質代謝、免疫防御等重要生理過程中起重要作用，而且也與心臟病、肥胖、癌癥等諸多重要疾病的發生發展有千絲萬縷的聯系。腸道菌群之所以對人體健康具有舉足輕重的影響，其中一個重要原因是它們會產生豐富的代謝產物，并進入血液循環，從而影響人體的多種生理功能和疾病的發生發展。
異基因造血干細胞移植是迄今為止侵襲性血液惡性腫瘤的一個治愈方法，是血液腫瘤治療鏈中的關鍵手段，但移植物抗宿主病（GVHD）是導致異基因移植患者死亡的重要原因，也是讓許多患者對移植望而卻步的主要因素。腸道菌群紊亂與GVHD發展密切相關，盡管腸道菌群的代謝產物（比如短鏈脂肪酸和吲哚）已被證明可以減輕疾病的嚴重程度，但人體微生物組的多樣性預示著腸道微生物代謝物對GVHD影響的差異性。國際上有學者嘗試用糞菌微生物組移植和益生菌等活微生物療法治療GVHD。但是，耐藥菌感染風險、供體樣本保存、移植過程繁雜、糞菌定殖抵抗等因素都增加了活微生物療法的不確定性。
TMAO的前體包括膽堿、磷脂酰膽堿、肉堿和甘油磷酰膽堿等，在魚、紅肉、牛奶和雞蛋中含量非常豐富。當人體大量攝入這些食物時，在腸道菌群作用下就會產生大量TMAO。而3,3-二甲基丁醇（DMB）作為膽堿類似物，主要存在于紅酒、冷榨特級初榨橄欖油和葡萄籽油中，可以阻斷TMAO的作用。本研究就以TMAO為切入點，解析了膽堿代謝物TMAO在小鼠GVHD過程中的作用。
研究方法
測序平臺：Illumina高通量測序平臺
測序區域：微生物組細菌16S rRNA基因V4-V5區
研究結果
本研究發現，腸道菌群代謝產物TMAO會加劇GVHD，而對其下游信號的靶向干預有助于緩解GVHD對機體的損傷。TMAO或高膽堿飲食可增強同種異體GVH反應，而膽堿類似物3,3-二甲基-1-丁醇（DMB）可逆轉TMAO誘導的GVHD嚴重程度。
高膽堿飲食誘導產生的腸道菌群代謝物TMAO加劇了同種異體GVH反應
DMB可逆轉TMAO誘導的GVHD嚴重程度
有趣的是，在GVHD加重的小鼠中，腸道菌群不論是多樣性水平、還是組成結構都未發生顯著變化，表明腸道菌群未發生明顯失調和紊亂，預示著GVHD加重主要是和腸道菌群代謝產物TMAO有關。另一方面，在GVHD小鼠中可觀察到TMAO誘導的同種異體T細胞增殖和T輔助細胞（Th）亞型分化，但在體外培養中未觀察到。因此，本研究進一步研究了巨噬細胞極化的作用，這是體外培養系統所不具備的。在TMAO誘導的GVHD組織和TMAO培養的骨髓來源的巨噬細胞（BMDMs）中，F4/80+CD11b+CD16/32+ M1巨噬細胞和特征基因IL-1、IL-6、TNF-α、CXCL9和CXCL10水平都增加。而抑制NLRP3炎癥小體可逆轉TMAO刺激的M1特征，提示NLRP3是巨噬細胞對氧化三甲胺刺激反應的關鍵蛋白水解激活因子。
與此一致，在TMAO刺激的BMDMs中觀察到了線粒體活性氧和增強的NF-κB核重定位。而敲除GVHD受體的NLRP3不僅可封閉M1激活，而且在TMAO治療的情況下也可逆轉GVHD的嚴重程度。
TMAO通過激活NLRP3炎癥小體強化M1巨噬細胞
TMAO通過線粒體活性氧激活NLRP3炎癥小體
綜上所述，本研究揭示了TMAO誘導的GVHD加劇是由Th1和Th17分化導致的，而后者又是由依賴NLRP3炎癥小體激活的、極化的M1巨噬細胞介導的。
研究結論
本研究通過多組學整合關聯研究的策略，發現高膽堿飲食和TMAO干預會加重GVHD；而利用DMB靶向抑制TMAO的產生，可以阻斷高膽堿飲食引起的GVHD。因此，本研究提供了宿主膽堿飲食、腸道菌群代謝物與GVH反應之間的聯系，為通過控制膽堿飲食減輕GVHD提供了依據。同時，這一干預方法可直接作用于腸道菌群代謝物導致宿主失衡的信號途徑，因而能克服菌群移植的定殖抗性和潛在的病原菌致機體感染的風險，有望成為未來治療GVHD和其他炎癥性疾病的新靶點和重要手段。
本研究的高通量測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引：
Kunpeng Wu, Yan Yuan, Huihui Yu, Xin Dai, Shu Wang, Zhengxu Sun, Fen Wang, He Fei, Qiwang Lin, Hua Jiang, Tong Chen; The gut microbial metabolite trimethylamine N-oxide aggravates GVHD by inducing M1 macrophage polarization in mice. Blood 2020; 136 (4): 501–515. doi: https://doi.org/10.1182/blood.2019003990
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https://ashpublications.org/blood/article/136/4/501/454386/The-gut-microbial-metabolite-trimethylamine-N
