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项目文章Cell Host Microbe(IF 31)| 齐鲁医院&山东省立医院利用多组学揭示肠道微生物群失调加重腹主动脉瘤

2022-12-07
中科新生命
1986

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腹主动脉瘤(AAA)是一种隐蔽的、致命的血管疾病,缺乏有效的非手术治疗干预手段。AAA的发病机制非常复杂,中性粒细胞及其释放的中性粒细胞胞外诱捕网(NETs)被认为可以促进AAA的进展。大量研究表明,肠道微生物及其代谢产物在宿主机体稳态调控和疾病发生发展中发挥关键作用。然而,AAA患者的肠道微生物群是否异常、肠道微生物失调与AAA之间的因果关系及其潜在机制仍未阐明。

2022年10月,山东大学齐鲁医院张群业教授、张澄教授和山东第一医科大学附属省立医院王哲教授团队在Cell子刊: Cell Host & Microbe (IF: 31.316)上发表题为“Gut microbiome dysbiosis contributes to abdominal aortic aneurysm by promoting neutrophil extracellular trap formation”的研究文章。通过16S多样性、宏基因组与代谢组学技术联合,发现AAA患者肠道微生物组成存在明显异常,如Roseburia intestinalis丰度在患者中下降。代谢谱在健康个体和患者中也有明显改变,如丁酸含量降低、几种短链脂肪酸(SCFAs)的水平显著升高。为了研究其中机制,还进行了粪菌移植(FMT)和体内外功能实验,验证与AAA病情发展密切相关。另外,中性粒细胞耗竭能显著减轻移植AAA患者粪便的AAA小鼠的病情。中科新生命为其提供了 非靶代谢组学和靶向短链脂肪酸检测的技术服务

 

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 研究材料

33例腹主动脉瘤患者和31例健康对照组;野生型和载脂蛋白E基因敲除 (ApoE-/-)小鼠

 

 

 技术路线

步骤1:AAA患者的肠道微生物群失调;

步骤2:AAA患者肠道微生物群功能和共生网络的显著变化;

步骤3:肠道微生物群代谢特征显著改变并与 AAA患者的病情相关;

步骤4:显著增加中性粒细胞浸润和NET形成并促进AAA发展;

步骤5:R. intestinalis及其代谢物丁酸在体内抑制中性粒细胞浸润和 NET 形成并改善AAA。

 

 

 研究结果

1. AAA患者的肠道微生物群失调

首先,研究人员对33例腹主动脉瘤患者和31例健康对照组的粪便样本进行了宏基因组分析。结果表明,与健康个体相比,AAA患者的肠道微生物群存在明显失调,细菌占肠道微生物群的 98.05%。在属水平上,包括细菌、古细菌和病毒在内的许多肠道微生物群的丰度在AAA患者中发生了显著变化。在物种水平上,许多产生 SCFAs的细菌,如高丰度的丁酸产生菌Roseburia intestinalis等多种有益菌的丰度明显降低,并且与瘤直径负相关。除了细菌外,AAA患者肠道中其他微生物的丰度也发生了显著变化。许多病毒的丰度,如志贺氏病毒pSf1,埃希氏病毒Bp4等,在AAA患者中明显高于健康人群。这些结果表明,一些病毒、古生菌或真菌也可能与AAA的发生有关。

 

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图1 AAA患者的肠道菌群失调

 

2. AAA患者肠道微生物群功能和共生网络的显著变化

为了揭示AAA发展中肠道微生物群失调的重要性,研究者使用KEGG数据库进行了功能注释,发现物种和功能之间存在很强的对应关系,表明微生物组的物种组成可以可靠地预测其功能特征。尤其是肠道益生菌R. intestinalis与丁酸生成中的关键酶显著正相关,例如磷酸丁酰转移酶 (K00634),表明R. intestinalis具有合成丁酸的能力。这一结论得到了R. intestinalis培养上清液的SCFAs靶向代谢组学分析的证实

 

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图2 AAA患者肠道微生物群共生网络和功能的显著变化

 

3. 肠道微生物群代谢特征显著改变并与AAA患者的病情相关

为了进一步阐明肠道微生物群在AAA中的作用,通过非靶向代谢组分析了肠道微生物群的代谢概况。发生显著变化的49种代谢物参与糖、脂质、氨基酸和嘌呤代谢的多种途径。在AAA患者的肠道和血浆中,丁酸的水平显著降低,但其他几种SCFAs的水平显著升高。此外,肠道和血浆中的丁酸水平与肠道内R.intinalis的丰度呈强烈正相关,但与肿瘤直径呈显著负相关。表明R.intinalis可能通过产生进入循环的丁酸来抑制AAA的发展。

 

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图3 AAA患者肠道微生物组的代谢谱显著改变

 

4. 显著增加中性粒细胞浸润和NET形成并促进AAA发展

为了证明肠道微生物群失调与AAA发展之间的因果关系,研究者进行了FMT实验。结果表明,AAA患者的肠道微生物群能明显增加AngII诱导的ApoE-/-小鼠动脉瘤直径,以及血管的中性粒细胞浸润和NETs的释放,健康人肠道微生物群的作用则相反。这些结果证明,中性粒细胞在由肠道菌群失调介导的AAA中起因果作用。

 

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图4 AAA患者和健康个体微生物群对Ang II诱导的AAA小鼠的影响

 

5. R. intestinalis及其代谢物丁酸在体内抑制中性粒细胞浸润和NET形成并改善AAA

研究者的上述结果已表明R. intestinalis可能对AAA的发展具有重要影响。因此,接下来的研究重点放在了这种益生菌上。进一步的分析表明,R. intestinalis及其代谢物丁酸盐可以显著改善体内AAA的多种病理异常,包括中性粒细胞浸润增强、NET形成、炎症、VSMC向合成表型转变和弹性纤维破坏,从而减轻AAA。

 

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图5 R. intestinalis和丁酸钠预防性治疗对CaCl2诱导的AAA小鼠的影响

 

最后,为了阐明丁酸对NET形成的影响和机制,研究者从健康人外周血中纯化了嗜中性粒细胞进行体外实验,以及小鼠的体内实验证明,丁酸钠通过抑制中性粒细胞NOX2的表达来抑制炎症状态下NET的形成。

图6 丁酸盐对中性粒细胞NET形成的抑制作用

 

 

 小结

综上所述,研究揭示了AAA患者的肠道生态失调,并证实肠道菌群失调是AAA的重要原因。Roseburia intestinalis及其代谢物丁酸盐可显著抑制腹主动脉中性粒细胞浸润和NET形成,从而改善AAA的多种病理变化,有效缓解AAA进展。研究者们的发现也促进了对肠道微生物和宿主免疫以及疾病发展的理解。

 

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