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斯坦福大学揭示滥用抗生素导致肠道菌群紊乱影响机体对疫苗的免疫反应

作者:发布时间:2019-09-11 03:53

2019年9月5日,来自斯坦福大学的Bali Pulendran团队在Cell杂志上在线发表题为Antibiotics-Driven GutMicrobiome Perturbation Alters Immunity to Vaccines in Humans的文章,招募了22位身体健康,年龄阶段在18到45岁之间的志愿者,分为两组,分别给予凯发k8网址抗生素和安慰剂,再接种流感疫苗。作者发现,服用抗生素所引起的肠道菌群紊乱,导致机体发生炎症反应和流感疫苗不良应答。


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具体来讲,作者先随机给其中11位志愿者口服广谱抗生素5天(计为-3,-2,-1,0,1天)。采用的抗生素包括针对革兰氏阴性和阳性菌的新霉素(neomycin),针对革兰氏阳性菌的万果霉素(vancomycin)和针对厌氧菌的甲硝锉(metronidazole)。接下来,在口服抗生素3天后(第0天),注射流感疫苗。最后,在接下来一年中跟踪取样(计为1天到365天,样品包括粪便和血液)。


首先,作者检测了抗生素对肠道菌群的影响。通过16S rRNA测序发现,口服抗生素组在第0天到第3天,肠道菌落数目达到最低值,比安慰剂组低3到4个数量级。之后,菌落数目又恢复正常水平。但值得注意的是,虽然菌落数目恢复,但菌群的丰富度和多样性却没有完全恢复。


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接下来,作者研究了口服抗生素后,志愿者们对流感疫苗的响应是否发生变化。考虑到志愿者们之前可能接种过流感疫苗,体内残存大量抗体。于是,作者调整了方案,选取之前三年都没有接种疫苗,体内流感抗体含量极低的志愿者。结果发现,与安慰剂组相比,在180天和360天,抗生素组对N1H1 A型加州流感病毒的中和能力降低,并且,在7天,抗生素组的IgG1和IgA水平也远低于安慰剂组,而IgG1和IgA正是流感疫苗所诱导,且针对N1H1 A型流感病毒的抗体。


再下来,作者系统地研究了抗生素组-3天到7天血液细胞转录谱的变化。通过基因富集分析(GSEA),作者发现,接种流感疫苗后(1天到7天),两组志愿者的转录谱变化比较相似,都集中在对疫苗的响应上。而接种疫苗前(-3天到0天),两组区别就十分明显了。首先,在细胞水平,与对照组相比,树突状细胞活化基因发生富集。作者通过流式细胞术确认,树突状细胞比例在0天和1天显著增加,接下来恢复原状,这与肠道菌群的变化一致。其次,在分子水平,作者发现转录因子AP1和Nur发生活化,而这两组转录因子信号,与一系列炎性因子,包括IL-6,IL-8和CXCL2相关。


肠道菌群与食物消化代谢密切相关,比如消化分解长链的复杂碳水化合物,再比如合成人体必需的多种维生素。所以,接下来作者研究了服用抗生素是否可以改变人体的血液代谢组(Metabolome)。作者发现,与安慰剂组相比,抗生素组志愿者的血液代谢组的确发生了巨大变化,主要体现在胆酸代谢途径和色氨酸代谢途径上。作者用高效液相色谱的方法验证了这一结论,也就是,肠道菌群的主要作用是将肝脏所合成的一级胆酸(primary bile acid)修饰为二级胆酸(secondarybile acid),而作者发现,抗生素组的一级胆酸/二级胆酸比例明显高于安慰剂组,这也与肠道菌群的作用相吻合。


由上面的结果可以看出,肠道菌群紊乱改变了人体对流感疫苗的响应,改变了血液细胞转录谱,同时,也改变了血液代谢组,那么,这三者之间是否具有联系呢?作者发现,二级胆酸水平与AP1/Nur信号存在明显的负相关。石胆酸(Lithocholicacid,LCA)是人体主要的二级胆酸之一,也是胆酸受体TGR5最主要的激动剂。作者发现,抗生素组志愿者的石胆酸水平是安慰剂组的千分之一,与此同时,与AP1信号通路具有高度相关性。有报道指出,TGR5信号通路可以抑制NLRP3炎症小体的活化,而AP1信号与炎性因子的合成分泌密切相关,所以,作者推测,肠道菌群可以影响人体的炎症反应。与此同时,作者建立了胆酸途径与N1H1流感病毒对应的IgG1抗体响应之间的关系。作者发现,二者之间具有高度的负相关。


综上所述,服用抗生素所引起的肠道菌群紊乱导致了人体发生一系列反应,包括AP1/Nur炎症信号的活化,树突状细胞比例升高,血液代谢组变化,二级胆酸比例明显降低,最终导致了N1H1型流感病毒对应抗体响应不良。这也解释了疫苗无效的原因之一,也就是滥用抗生素。这份工作的亮点在于招募了22位健康志愿者进行实验,使得这些结果在科研和临床都具有无可取代的意义。


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研究背景


我们的肠道之中栖息着数以亿计的细菌,这个数目几乎是人体细胞的十倍。肠道菌群与宿主之间的关系是当今生物学研究的前沿热点之一,它可以影响宿主的代谢功能,肠道免疫功能,自身免疫病和过敏反应等引起的炎症,甚至通过“肠-脑轴”影响中枢神经系统。有报道指出,在自身免疫病和过敏的状况之下,诸多免疫治疗手段效果堪忧,包括疫苗研发领域的抗艾滋病毒疫苗和肿瘤免疫治疗领域的PD1抗体。当然,这些结果通常都是来自于模式生物,比如小鼠中。肠道菌群对人体是否也如此重要仍旧不得而知。


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