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Cell子刊 | 肠道微生物群-免疫系统-脑轴:肠道微生物影响大脑发育

2022-01-21
中科新生命
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早产儿(<28周&<1000g)往往面临着围产期脑白质损伤的巨大风险,虽然肠道微生物与生命早期的发育有关,但目前研究人员并不是非常清楚早产儿个体中肠道微生物-免疫系统-脑轴之间的详细关联。近日,一篇发表在Cell Host & Microbe(IF 15.127)上题为“Aberrant gut microbiota-immune-brain axis development in premature neonates with brain damage”的研究报告中,来自维也纳大学的研究团队发现了一种治疗大脑外损伤的早期疗法的可能性靶点,肠道微生物在其中扮演关键角色,研究人员发现,胃肠道中克雷伯菌(Klebsiella)的过度生长或与早产儿特定免疫细胞数量的增加及神经性损伤的发生直接相关。

研究材料

粪便和血液样本,早产儿分娩后第3天、第7天、第14天,然后每两周取样一次,直至足月。

技术路线

· 步骤1:描述患者的神经生理发育特征;

· 步骤2:与围产期脑白质损伤相关的T细胞动态发育;

· 步骤3:微生物群与脑损伤的相关性;

· 步骤4:SCFAs与脑损伤的相关性;

· 步骤5:筛选与脑损伤相关的生物标志物。

研究结果

1. 神经生理学特征预测脑损伤

2017年9月至2019年6月期间,研究团队共招募了60名极早产儿。为了量化脑损伤,研究人员对神经影像学的结果进行Kidokoro评分,正如预期的那样,严重脑损伤婴儿的Kidokoro评分更高;为了表征患者的神经生理发育,采用振幅整合脑电图(aEEG)评估,观察到神经生理学成熟的一致趋势,其特征是一个初始静止阶段,DV(不连续电压,discontinuousvoltage)是主要的aEEG模式,随后是一段神经生理学成熟期,在此阶段CV(连续电压,continuousvoltage)持续增加,最终在足月年龄时趋于稳定。因此,脑损伤婴儿成熟期延迟,神经发育受到短暂抑制,且颅氧饱和度的不稳定性增加,这些神经生理学特征均可预测脑白质损伤(PWMI),并且在病理学中起重要作用。


图1 极早产儿的神经生理学发育

2. 脑损伤早产儿表现出促炎性极化T细胞反应

尽管T细胞是肠道微生物组和大脑之间的重要联系,但它们在生命早期的个体发育以及它们与极早产儿围产期脑损伤的关系仍然知之甚少。为了研究与围产期脑损伤相关的T细胞动力学的时间变化,研究人员利用荧光激活细胞分选(FACS)研究了T细胞亚群,结果发现γδ T细胞的增加可能与PWMI的发病机制有关。这种细胞反应起初与IL-8、IL-17a、VEGF-A和PDGF-BB的分泌相关。随后,VEGF-A和γδ T细胞之间的密切联系持续存在,而神经保护剂PDGF-BB和BDNF的进一步分泌在患有严重脑损伤的婴儿中受到抑制。



图2 极早产儿的T细胞发育

3. Klebsiella的过度生长与脑损伤有关

微生物群是免疫耐受的重要发起者,因为微生物抗原的性质和数量决定了淋巴细胞的反应。因此研究人员采用16s  rRNA测序来量化早产儿粪便样本中的细菌数量及群落组成。随着分娩后时间的推移,细菌的数量逐渐增加,并在分娩后2周趋于稳定。其中,从患有严重脑损伤的早产儿粪便中分离出来的克雷伯菌与脑损伤存在显著的相关性,该菌株基因组具有几种潜在的毒力因子以及支持其在患有肠炎的肠道中定殖的基因。因此,Klebsiella在肠道中的过度生长与神经病理学相关


图3 极早产儿的微生物组群及其与脑损伤对应的多样性

4. 肠道菌群和代谢物之间的动态变化与脑损伤之间的潜在联系

虽然健康的成人肠道被认为是一个很大程度上缺氧的环境,但据报道早产儿的胃肠道部分缺氧,因此在产后发育过程中必须过渡到缺氧状态。16s结果显示,随着时间的推移,专性厌氧类群的增加,反映了这种向缺氧的转变。

在缺氧情况下,细菌必须通过底物的磷酸化获得能量,而在肠道中,这通常是通过将膳食或宿主衍生化合物发酵成短链脂肪酸(SCFAs)来实现的,短链脂肪酸可作为神经系统和免疫系统信号分子。因此,研究人员收集了分娩前和分娩后28天的样本进行代谢组学检测,评估SCFA与严重脑损伤的相关性。结果发现,在分娩前期,脑损伤患者的丁酸水平显著升高,丙酸水平略微升高,但在以后的时间点没有显著差异,表明SCFA在早期向肠道缺氧过渡可能与脑损伤有关


图4 极早产儿粪便中的SCFAs

5. 可以预测PWMI的肠道微生物-免疫系统-脑轴的生物标志物

为了确定可靠的脑损伤生物标志物,研究人员对微生物组、代谢组、临床、免疫学和神经生理学数据进行了综合分析。脑白质损伤的最强指标是Klebsiella水平升高、γδ T细胞的增加,以及促进T细胞生成的几种细胞因子和趋化因子的增加。几种数据集之间的相关性分析表明,Klebsiella与γδ T细胞、免疫因子(VEGF-A、PDGF-BB和BDNF)显著相关


图5 极早产儿肠道微生物群免疫脑轴与脑损伤生物标志物

小编小结

肠道、大脑和免疫系统的早期发展是密切相关的,早产儿遭受围产期脑白质损伤的风险很大,但具体机制尚未知。本研究分析了60例接受了包括抗生素和益生菌在内的标准医院护理的极度早产儿的肠道菌群、免疫学和神经生理发育情况,结果发现患有严重脑损伤的婴儿表现出促炎性T细胞极化,其表现为外周血中γδ T细胞的扩张,并在分娩后不久由升高的IL-17a和VEGF-a分泌驱动。随后,这些婴儿的神经生理学成熟开始延迟,其特征是皮层电位受到抑制,头颅氧饱和度增加不稳定性,以及神经保护剂PDGF-BB和BDNF分泌不足。肠道中的克雷伯菌过度生长是促使与严重脑损伤相关的独特且非常稳定的微生物组的关键。因此,我们得出结论,Klebsiella参与肠道微生物群-免疫系统-脑轴的调节,并可能加重PWMI

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肠-免疫-靶轴系统研究方案

· 16s/宏基因组----肠道微生物的组成及改变

· 免疫代谢组----肠道微生物产生的用于调控机体免疫的代谢物

· 免疫因子组----肠道微生物如何影响机体免疫

· 转录/蛋白质组----对终端靶器官应对炎症响应机制的系统描述