發(fā)布時(shí)間：2023-11-22
2023年11月22日，《免疫》Immunity 期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《腸道上皮細胞多巴胺受體信號驅動(dòng)雌性多發(fā)性硬化小鼠疾病進(jìn)展》的研究論文。該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室周嘉偉研究組，中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng )新中心宋昕陽(yáng)研究組，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心朱正江研究組與上海交通大學(xué)醫學(xué)院附屬瑞金醫院神經(jīng)內科陳晟團隊合作完成。利用基因修飾小鼠和藥理學(xué)實(shí)驗方法以及多組學(xué)聯(lián)合分析，他們發(fā)現，腸道上皮細胞多巴胺D2受體（IEC DRD2）過(guò)度激活可以選擇性地在雌性小鼠中改變腸道菌群的組成及其代謝物水平，從而促進(jìn)多發(fā)性硬化的發(fā)病。此研究聚焦中樞神經(jīng)系統自身免疫性疾病研究前沿，獨辟蹊徑，通過(guò)跨系統研究，揭示了腸道遠程調控中樞神經(jīng)系統自身免疫性疾病易感性的新機制，為建立具有性別選擇性的中樞神經(jīng)系統自身免疫性疾病干預手段開(kāi)辟了一條新途徑。
中樞神經(jīng)系統的自身免疫性疾病，如多發(fā)性硬化、視神經(jīng)脊髓炎譜系障礙，以慢性、進(jìn)行性神經(jīng)炎癥、脫髓鞘和神經(jīng)變性為特征。這些疾病在發(fā)病率和臨床特征上都表現出強烈的女性?xún)A向，其患者多為中青年女性。隨著(zhù)疾病的進(jìn)展逐漸失去自主活動(dòng)能力。已有的治療藥物多為對癥治療，選擇品種有限且價(jià)格昂貴，無(wú)法得到根治，給家庭和社會(huì )帶來(lái)巨大的負擔。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)能夠有效延緩這類(lèi)疾病進(jìn)展的藥物，而目前對這類(lèi)疾病認識有待更新，拓展研究思路是建立新的治療方法的重要基礎。
已知，腸道微生物群失調促進(jìn)多發(fā)性硬化的發(fā)展。在多發(fā)性硬化動(dòng)物模型中，腸道微生物群在疾病的起始階段、效應階段和調節階段以及個(gè)體對藥物治療的反應中都起著(zhù)關(guān)鍵作用。然而，由于個(gè)體之間，腸道微生物群組成的差異很大，迄今，國內外醫學(xué)界未能建立起具有廣泛代表性的“核心微生物群表型”。腸道上皮細胞為胃腸道構筑了一條防線(xiàn)，不僅可以隔絕腸腔及其內容物，還可以整合腸腔內的多種菌群信號，以維持胃腸道正常生理功能。據報道，有多種與多發(fā)性硬化相關(guān)的腸道細菌可以產(chǎn)生多巴胺受體激動(dòng)劑，因此，作者設想，腸道上皮細胞多巴胺受體介導了菌群和宿主相互聯(lián)系，并且這種聯(lián)系在多發(fā)性硬化發(fā)病過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
為對上述設想予以驗證，作者分別構建了在腸道上皮細胞分別特異性敲除多巴胺D2、D3、D4受體的小鼠，同時(shí)根據文獻提供的腸道細菌產(chǎn)生大量的多巴胺受體激動(dòng)劑苯乙胺這一線(xiàn)索，利用實(shí)驗性自身免疫性腦脊髓炎作為多發(fā)性硬化動(dòng)物模型，觀(guān)察在上述基因缺失的情況下，小鼠行為學(xué)、病理學(xué)的變化，并作多組學(xué)分析，之后，使用小膠質(zhì)細胞系和野生型小鼠對所發(fā)現的差異代謝物進(jìn)行篩選，尋找和鑒定可以減輕動(dòng)物模型發(fā)病嚴重程度的代謝物。同時(shí)收集多發(fā)性硬化患者和健康對照的糞便樣品用于靶向代謝物檢測，驗證苯乙胺含量與多發(fā)性硬化發(fā)病之間的相關(guān)性及性別差異。
首先，通過(guò)代謝組學(xué)檢測，作者發(fā)現，多發(fā)性硬化患者糞便中苯乙胺含量顯著(zhù)高于健康對照，且存在性別差異。通過(guò)條件性基因敲除等實(shí)驗方法，觀(guān)察到只有腸道上皮細胞多巴胺受體D2，而不是D3和D4基因缺失，可顯著(zhù)緩解多發(fā)性硬化小鼠模型發(fā)病的嚴重程度。通過(guò)與野生型對照組轉錄組的對比，發(fā)現DRD2敲除的多發(fā)性硬化小鼠模型中，腸道溶菌酶等抗菌肽表達量顯著(zhù)減少；同時(shí)通過(guò)16s rRNA測序，發(fā)現在造模前和發(fā)病高峰期腸道菌群組成出現顯著(zhù)差異；通過(guò)同籠飼養和抗生素處理，發(fā)現DRD2在多發(fā)性硬化小鼠模型的作用是腸道菌群依賴(lài)的；通過(guò)非靶向代謝學(xué)檢測和代謝精準分析術(shù) MetDNA，鑒定了47種只在雌性小鼠脊髓中存在差異的代謝物。之后，利用小膠質(zhì)細胞細胞系BV2細胞和野生型小鼠對這些差異代謝物進(jìn)行篩選，確定了N-乙酰賴(lài)氨酸可以在整體動(dòng)物和體外培養細胞水平顯著(zhù)抑制炎癥反應，從而緩解自身免疫性腦脊髓炎的發(fā)病。
為了進(jìn)一步探究N-乙酰賴(lài)氨酸抑制炎癥的分子機制，利用磁珠分選、流式細胞分選等方法，將脊髓中的小膠質(zhì)細胞分離并進(jìn)行轉錄組測序及單細胞測序。發(fā)現N-乙酰賴(lài)氨酸顯著(zhù)降低了多發(fā)性硬化相關(guān)小膠質(zhì)細胞的比例，提高了增殖性小膠質(zhì)細胞和穩態(tài)小膠質(zhì)細胞的比例。表明N-乙酰賴(lài)氨酸有利于恢復多發(fā)性硬化小鼠模型失衡的中樞神經(jīng)系統免疫穩態(tài)。
傳統觀(guān)點(diǎn)認為，性激素等在中樞神經(jīng)系統自身免疫性疾病發(fā)病過(guò)程中發(fā)揮重要作用。本研究顯示，腸道的苯乙胺-多巴胺D2受體-溶菌酶信號軸是決定雌性動(dòng)物或中青年女性群體對多發(fā)性硬化發(fā)病易感性的重要因素，這是對傳統觀(guān)點(diǎn)的新的延伸和拓展。作者還揭示了腸道—微生物群——腦的相互作用是如何調控中樞神經(jīng)系統免疫穩態(tài)，這一調控方式突出了宿主腸道細胞本身對腸道菌群的核心作用，為發(fā)展基于腸道上皮細胞活動(dòng)調控的腦疾病干預方法提供了新的分子和細胞基礎。N-乙酰賴(lài)氨酸的抑炎作用的發(fā)現為研發(fā)適用于女性多發(fā)性硬化患者的神經(jīng)炎癥治療方法提供了新的機會(huì )。
該項工作由彭海蓉博士、邱佳倩、周勤明博士和博士研究生張彧鍇在周嘉偉研究員、宋昕陽(yáng)研究員、朱正江研究員和陳晟教授的指導下完成，研究組的其他成員積極參與，并得到了中國科學(xué)院上海營(yíng)養與健康研究所肖意傳、邱菊研究員的大力協(xié)助，因此，是眾多研究組通力合作的結果。本工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、中國科學(xué)院、科技部、上海市科委/教委、廣東省科技廳等的資助。
圖1.在雌性小鼠中，糞便中較高的苯乙胺濃度會(huì )引起腸道上皮細胞中的DRD2過(guò)度激活，促進(jìn)溶菌酶和防御素表達量增加。這些過(guò)量的抗菌肽，對細菌的殺傷力增強，因此，乳酸桿菌等對溶菌酶敏感的菌種在雌性小鼠體內減少。而乳酸桿菌產(chǎn)生的N-乙酰賴(lài)氨酸對小膠質(zhì)細胞介導的炎癥具有很強的抑制作用，是緩解中樞神經(jīng)系統自身免疫性疾病，如多發(fā)性硬化的物質(zhì)基礎之一。
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