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Microbiome/南方医院麻醉科刘克玄教授团队肠道菌群 研究再获新进展

2022-03-08 09:23 作者:资讯管理员 浏览次数:18974

近日,南方医科大学南方医院麻醉科刘克玄教授团队在国际微生物学顶级学术期刊Microbiome杂志(中科院SCI分区小类微生物学1区, IF: 14.652)上在线发表了题为“Lactobacillus murinus alleviate intestinal ischemia/reperfusion injury through promoting the release of interleukin-10 from M2 macrophages via Toll-like receptor 2 signaling”的研究论文。麻醉科胡敬娟博士和邓凡博士为论文共同第一作者,刘克玄教授和李偲教授为论文共同通讯作者。

肠缺血再灌注(Ischemia/reperfusion, I/R)是临床常见的急危重症情况,常发生在创伤、感染、休克及肠梗阻、体外循环等临床现象中,其不仅引起肠损伤,还因肠屏障破坏后菌群失调、内毒素移位,导致脓毒症及肠外多器官功能不全甚至衰竭,死亡率极高。临床上发现上述患者治疗后的结局存在明显的个体差异,部分恢复良好,部分出现并发症甚至死亡,具体原因不清楚。为揭示上述问题,刘克玄教授团队复制了小鼠肠I/R模型,发现部分小鼠对肠I/R损伤非常敏感(Sen),部分则能很好耐受(Res)。进一步,该团队通过16S测序菌群分析和粪菌移植实验证明,小鼠肠I/R损伤易感性差异与肠I/R前的肠道菌群组成和多样性有关;并且发现Res组小鼠术前粪便中鼠乳杆菌(Lactobacillus murinus, L. murinus)相对丰度明显高于Sen小鼠;另外粪便中L. murinus的相对含量与肠I/R后肠、肝、肺和肾组织中的炎症因子表达呈相关,提示L. murinus可能是减轻肠I/R损伤的潜在菌株。

L. murinus属于乳酸菌科,革兰氏阳性菌,是市场上潜在的益生菌,被发现具有抑制盐敏感性高血压、介导结肠肠上皮细胞增殖、改善结肠炎、增强肠道屏障功能等作用,但在肠I/R损伤中作用目前尚无报道。该研究通过给野生型小鼠、无菌小鼠补充L. murinus后建立肠I/R模型发现,L. murinus可明显减轻肠I/R损伤,提高小鼠生存率。同时该研究还发现体外循环患者术前粪便中L. murinus的含量与术后肠损伤相关指标呈明显的负相关;将不同L. murinus含量的体外循环患者粪菌分别移植给伪无菌小鼠后建立肠I/R模型,结果进一步提示,患者粪便中L. murinus含量高低与小鼠对肠道I/R损伤的不同敏感性有关。

该研究进一步通过氯磷酸脂质体清除小鼠巨噬细胞实验、小肠类器官和巨噬细胞共培养离体实验表明,L. murinus减轻肠I/R损伤的作用依赖于巨噬细胞的参与。随后的离体实验发现,在WT小鼠小肠类器官和巨噬细胞的共培养体系中,L. murinus处理减轻了小肠类器官缺氧/复氧(H/R)损伤,但在WT小鼠小肠类器官与从TLR2-/-、IL-10-/-小鼠中提取的巨噬细胞共培养体系中没有保护作用,结果进一步说明,L. murinus通过TLR2促进巨噬细胞释放IL-10,以减轻肠I/R损伤。

该研究首次揭示了肠道菌群是导致I/R损伤易感性差异的主要原因鼠乳杆菌作为导致该易感性差异的菌株之一,可通过TLR2信号促进巨噬细胞释放IL-10减轻肠I/R损伤。该研究不仅揭示了肠I/R损伤的新机制,还率先提出靶向干预肠道菌群可能是防治围术期肠损伤有效手段的理论为开发鼠乳杆菌成为临床上防治肠I/R损伤的药物提供了基础。

原文/摘要视频链接:https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-022-01227-w

2021-2022年刘克玄教授团队肠道菌群相关的其他研究成果汇总

自2021年以来,南方医科大学南方医院麻醉科刘克玄教授团队连续发表6篇高质量肠道菌群相关的研究,合计影响因子52.1分。

其他5篇研究成果简报如下

① 肠道菌群代谢产物辣椒素酯通过增强Gpx4活性抑制肠I/R诱导的铁死亡

《Gut Microbes》

2021年3月,刘克玄教授团队在Gut Microbes杂志(中科院SCI分区小类微生物学1区, IF: 10.245)上在线发表题为“The gut microbiota metabolite capsiate promotes Gpx4 expression by activating TRPV1 to inhibit intestinal ischemia reperfusion-induced ferroptosis”的研究论文。麻醉科邓凡博士为论文第一作者,刘克玄教授和胡敬娟博士为论文共同通讯作者。

该研究利用16S rRNA测序结合代谢组学技术证实,肠I/R诱导了肠道菌群紊乱和代谢产物变化,且显著降低了肠道菌群代谢产物辣椒素酯含量;临床验证发现体外循环患者术前粪便中的辣椒素酯水平与肠I/R损伤程度呈负相关。进一步研究显示,辣椒素酯在体内和体外均能减轻铁死亡依赖的肠I/R损伤,但这种保护作用被谷胱甘肽过氧化物酶4 (Gpx4) 的抑制剂和铁死亡的负调节剂RSL3消除。此外,瞬时受体电位香草酸-1 (TRPV1) 的拮抗剂也能消除辣椒素酯对Gpx4的正向调节作用,同时也能抑制辣椒素酯对铁死亡依赖的肠I/R损伤的保护能力。该研究表明,辣椒素酯可通过激活TRPV1受体增强了GPX4的活性并抑制肠上皮细胞铁死亡,提高了小鼠生存率。该研究率先阐明了肠I/R损伤导致的肠道菌群紊乱和代谢产物变化,并发现菌群代谢产物辣椒素酯对肠I/R的保护作用及机制,为肠I/R损伤的临床治疗提供了新思路。

原文链接:https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19490976.2021.1902719

② 术前禁食通过重塑肠道菌群及其代谢产物改善肠缺血再灌注损伤

《British Journal of Anaesthesia》

2021年12月刘克玄教授团队在British Journal of Anaesthesia期刊(中科院SCI分区小类麻醉学1区,IF:9.166)上在线发表论著“Preoperative fasting confers protection against intestinal ischaemia/reperfusion injury by modulating gut microbiota and their metabolites in a mouse model”。麻醉学2020级博士研究生黄文芳和2020级硕士研究生闫昱为本文的共同第一作者,麻醉科李偲教授和刘克玄教授为本文的共同通讯作者。

术前合理的禁食方案是围手术期安全的重要保障。目前临床上主张择期手术患者术前须禁食6~8h。然而,该禁食方案是否适用于术中易发肠I/R损伤的危重症患者?基于上述临床问题,该研究在小鼠肠I/R模型前给予禁食24h处理,发现可以改善肠屏障功能及提高小鼠存活率。并通过粪菌移植实验证实,移植小鼠和健康人群禁食(24h)后的粪菌给小鼠后,可以抵抗小鼠肠I/R损伤,并显著提高生存率。同时该研究利用16S DNA测序结合代谢组学分析发现,术前禁食可以维持菌群稳态,且增加菌群代谢产物岩芹酸的含量。随后该研究进一步通过体内外实验证实,岩芹酸通过激活AMPK-mTOR信号减少细胞凋亡从而改善肠I/R损伤。该研究率先阐明禁食对肠I/R损伤菌群及其代谢产物的影响,为临床指导肠缺血损伤高危患者术前禁食策略提供新思路。

原文链接:https://www.bjanaesthesia.org/article/S0007-0912(21)00754-6/fulltext

③ 肠道菌群代谢物普伐他汀通过IL-33/ST2信号促进II型固有淋巴细胞释放IL-13减轻肠I/R损伤

《Frontiers in Immunology》

2021年9月,刘克玄教授团队在Frontiers in Immunology期刊(中科院SCI分区小类免疫学2区Top,IF:7.561)上发表题为“Gut Microbial Metabolite Pravastatin Attenuates Intestinal Ischemia/Reperfusion Injury Through Promoting IL-13 Release From Type II Innate Lymphoid Cells via IL-33/ST2 Signaling”的研究论文。麻醉科邓凡博士和胡敬娟博士为本文的共同第一作者,麻醉科刘克玄教授和刘卫锋教授为本文的共同通讯作者。

该研究发现普伐他汀(PA)是肠道菌群的代谢产物,并且体外循环手术患者的术前粪便PA水平和术后肠I/R损伤指标呈负相关;此外,PA可减轻小鼠的肠I/R损伤,在肠道类器官与ILC2共培养模型中可减轻H/R损伤;进一步,PA通过激活IL-33/ST2信号,促进ILC2释放IL-13,以抑制肠道I/R损伤,去除ILC2、中和IL-13或中和IL-33可消除PA的保护性作用;IL-13可通过激活Notch1和Wnt信号促进肠道干细胞自我更新。该研究揭示了肠道菌群代谢产物PA可通过IL-33/ST2信号通路促进ILC2释放IL-13来减轻肠I/R损伤的新机制,为临床上防治肠I/R损伤提供了新策略以及为普伐他汀在围术期肠损伤的临床转化提供理论依据。

原文链接:https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2021.704836/full

④ 脓毒症或脓毒症休克患者肠道菌群失调与脓毒症诱发的心肌功能障碍的关系

《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》

2022年3月,刘克玄教授团队在Frontiers in Cellular and Infection Microbiology期刊(中科院SCI分区小类微生物学2区,IF:5.293)上在线发表题为“Association Between Gut Dysbiosis and Sepsis-Induced Myocardial Dysfunction in Patients With Sepsis or Septic Shock”的研究论文。麻醉学2019级博士研究生陈宇和2015级八年制博士研究生张富为本文的共同第一作者,麻醉科刘克玄教授和邓凡博士为本文的共同通讯作者。

研究通过对ICU治疗的脓毒症或脓毒性休克患者进行前瞻性观察,并根据床旁超声心动图及超敏肌钙蛋白I等相关指标评估其心功能变化,依据变量匹配原则以1:1匹配的方法将入组患者划分为脓毒症相关性心功能障碍队列(SIMD Group)及非脓毒症相关性心功能障碍队列(NSIMD Group),同时采用16S rRNA测序方法分析两组患者肠道菌群特征,重点探讨了肠道微生态变化与SIMD发生、发展及预后的临床相关性。研究结果发现两组患者肠道菌群多样性特征及整体结构组成存在显著差异,包括肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、变栖克雷伯杆菌(Klebsiella variicola)、普通拟杆菌(Bacteroides vulgatus)等特征菌的丰度变化可能与SIMD的易感性及临床结局有关,其中变栖克雷伯杆菌(Klebsiella variicola)对于SIMD的发生具有潜在的预测功能。

⑤ 术前肠道菌群对乳腺癌幸存者慢性术后疼痛的预测和预防潜力

《Anesthesia & Analgesia》

2021年8月,刘克玄教授团队在Anesthesia & Analgesia期刊(中科院SCI分区小类麻醉学2区,IF:5.178)上发表题为“Predictive and preventive potential of preoperative gut microbiota in chronic postoperative pain in breast cancer survivors”的研究论文。麻醉科姚志文博士和杨枭博士为本文的共同第一作者,麻醉科刘克玄教授为本文的独立通讯作者。

该研究通过建立前瞻性队列嵌套的病例对照研究,比较了乳腺癌术后发生和未发生慢性疼痛患者的术前肠道菌群特征,并筛选出两者的差异菌群。然后将术前差异的菌群信息加入现有的乳腺癌术后慢性疼痛预测模型中,发现术前肠道菌群特征能提高模型的预测能力。通过动物的粪菌移植实验证明了术前肠道菌群的差异能引起不同程度的术后慢性疼痛,脊髓小胶质细胞很可能介导了这一作用。该研究的意义:1. 为靶向术前肠道菌群为防治乳腺癌术后慢性疼痛的手段奠定理论基础;2. 为将肠道菌群特征作为预测因子加入预测模型、提高外来模型在本地区的应用推广中提供理论依据。

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