异基因干细胞移植后环境氧水平调控肠道生态失调和GVHD严重程度

背景

宿主肠道微生物群的组成直接影响着人类的健康和疾病。相应地，健康的肠道内居住着主要由专性厌氧菌 (共生)组成的多样化群落，该群落受宿主遗传、饮食和免疫的影响。这种平衡的破坏被称为生态失调，其特征通常是微生物群落结构从专性厌氧菌向兼性厌氧菌和耐氧微生物的转变，且与多种疾病相关，包括免疫介导的肠道疾病，如移植物抗宿主病 (GVHD)。虽然疾病严重程度与生态失调之间存在很强的相关性，但导致生态失调的机制尚不清楚。此外，对于生态失调是疾病过程的原因、放大器、调节器还是仅仅是结果，我们仍然知之甚少。

简介

2023年2月1日，来自美国密歇根大学罗格尔癌症中心的Keisuke Seike及其团队在Immunity (IF: 43.474)杂志上发表名为Ambient oxygen levels regulate intestinal dysbiosis and GVHD severity after allogeneic stem cell transplantation的研究[1]。

研究亮点

1、异基因肠道生态失调对幼年动物无致病性。

2、肠道生理性缺氧的丧失导致生态失调。

3、IECs中氧利用的缺陷会导致肠道缺氧的丧失。

4、异基因造血干细胞移植 (allo-HSCT)后氧调控可改善肠道缺氧和移植物抗宿主病 (GVHD)。

主要结果

异基因生态失调对幼年动物无致病性

在没有HSCT的情况下，我们首先确定了同种异体HSCT移植后与GVHD相关的生物异常是否具有毒性。用10 Gy照射正常C57BL/6 (B6)动物，并接受来自异基因BALB/c供体 (Allo B6)移植的脾T细胞和T细胞耗竭骨髓 (TCD BM)，以诱导GVHD和生态失调 (图1A)。在第2周时确认了来自Allo B6动物的粪便中的生态失调 (图1B-1D)。Allo B6粪便含有较多的变形菌，尤其是肠杆菌科的兼性厌氧菌，如埃希氏杆菌 (图1A和1B)。将Allo B6动物与一组未移植的B6宿主共居6周 (B6与Allo B6共居)，而来自同一集落的幼年B6动物队列未共同饲养 (未共同饲养B6)，并作为对照动物 (见图1A)。与Allo B6共培养的B6在6周时微生物群向Allo B6转变。尽管群落结构发生了变化，多样性降低，但未移植的幼年B6小鼠的同居和非同居队列均显示出相似的体重增加，且无GVHD体征 (图1E和1F)。

图1. 异基因生态失调对幼年动物无致病性

移植后而不是移植前的生态失调调控GVHD

接下来，我们讨论了同种HCT疗法后微生物群的变化是否会影响GVHD的严重程度。为此，我们探讨了移植前宿主生物代谢异常是否会影响GVHD结果。使用抗生素或稀释剂对照对B6动物进行治疗，并使用来自Allo B6动物的粪便微生物群进行重建 (图2A)。然后对他们进行致死性照射 (10 Gy)并移植来自B6同系或异系BALB/供体的5*106 BM细胞和2.5*106脾T细胞。接受或不接受抗生素和粪便管饲的同种异体受者在同种异体组之间表现出生物代谢异常和相似的微生物群，但与HCT之前的B6小鼠不同 (图2B和2C)。然而，移植前所有有或无生态失调的异基因受体均表现出相似的死亡率和临床GVHD严重程度 (图2D和2E)。肠道组织病理学证实了类似的病理性GVHD严重程度 (图2F)。这些数据表明，移植前微生物群的状态对GVHD结果没有实质性影响。

图2. 移植前生态失调或生态良好对GVHD无显著影响

肠道O2水平以微生物依赖性和非依赖性方式调控GVHD

我们确定了生理性缺氧的确实是否对可能影响GI GVHD的IECs有直接影响。为了分析O2增加的影响，我们测定了细胞O2传感器HIF-1α的表达。B6动物接受了同系或同种异体BMT。从同种异体和同系动物采集的IECs中，Hif-1α基因表达相似 (图6A)。然而，与同系动物相比，BMT后第21天异基因动物的IECs中HIF-1α蛋白减少 (图7B)。相比之下，调控HIF-1α蛋白水平的蛋白酶前芳基羟化酶3 (PHD3)在allo-IECs中的表达增加 (图7C和7D)。

接下来，为了确定异基因HSCT后IEC细胞自主性生理性缺氧丧失对GI GVHD是否具有非微生物群依赖性影响，我们使用同窝同源的IEC特异性Hif-1a基因敲除小鼠(Hif1afl/fl Villin1cre B6)或WT Hif1afl/fl B6动物 (以协调HCT前的微生物群)作为异基因HSCT受体。骨髓移植后动物被安置在一起，以协调微生物群的变化。与同窝交配的Hif1afl/fl B6小鼠相比，IEC特异性Hif1afl/fl Villin1cre B6同种异体移植受者表现出更高的GVHD严重程度和死亡率(图7E和7F)。总之，这些数据表明，同种异体HSCT移植后O2的变化直接影响宿主IECs，增强GVHD的严重程度，与微生物群的变化无关。

图7. 异基因造血干细胞移植的O2调控可改善肠道生理性缺氧和GVHD

结论及展望

移植物抗宿主病 (GVHD)和炎症性肠病等T细胞介导的胃肠道 (GI)疾病的严重程度与以专性厌氧共生菌丧失为特征的宿主肠道微生物组多样性降低相关。支撑这些微生物结构变化的机制尚不清楚。在本研究中，我们在多个特异性无病原体 (SPF)、无病原体和无菌的GI GVHD小鼠模型中显示，致病性T细胞引起的肠道损伤改变了胃肠道内的环境氧水平，并引起了生态失调。氧水平的变化以宿主肠道HIF-1α和微生物群依赖的方式影响肠道病理的严重程度。通过口服铁螯合调控肠道环境氧水平减轻了生态失调，并降低了GI GVHD的严重程度。因此，靶向环境肠道氧水平可能代表了一种新的、非免疫抑制策略，以减轻T细胞驱动的肠道疾病。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1074761323000171?via%3Dihub

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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