Circulation: 肠道微生物或可调节心肌梗死后的心肌修复
04
文章速递
作者为了研究在发生心肌梗死后（Post-Infarction），肠道微生物在心肌修复中的作用，首先，C57BL/6J小鼠用抗生素（Antibiotics, ABX）处理7天后，进行心肌梗死（myocardial infarction, MI）手术，构建成post-MI 小鼠模型，观察post-MI小鼠的存活期、肠道粪便中微生物数量及组成、短链脂肪酸（SCFA）含量，以及免疫细胞数量。然后通过移植正常小鼠的粪便、补充益生菌、免疫细胞移植的方法干预，观察post-MI小鼠的心肌修复效果。
结果表明抗生素处理后的post-MI小鼠，存活率明显下降；移植未经过治疗小鼠的粪便、补充益生菌、单核细胞系移植后，小鼠的心肌修复功能增强，存活率明显上升。
本研究说明了肠道菌群及其产生的短链脂肪酸能调节免疫功能，在post-MI小鼠的心肌修复中扮演着重要角色。
关键字: Microorganism, myocardial infarction, myeloid cells, metabolites, Lactobacillus
Title: Loss of Gut Microbiota Alters Immune System Composition and Cripples Post-Infarction Cardiac Repair
DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.118.035235
Journal: Circulation [IF 18.88]
First Authors: Tony WH Tang, Hung-Chih Chen
Correspondence: Patrick CH Hsieh
Affiliation: Program in Molecular Medicine, National Yang Ming University and Academia Sinica, Taipei, Taiwan.
Published: 2018-10-08
1
摘要
① 肠道微生物在调节宿主生物功能方面获得了相当大的关注，尤其是肠道微生物与宿主的免疫和代谢的互作，这些方面在MI的病理生理学和心肌修复的研究中至关重要。
② 在用C57BL/6J小鼠构造MI模型的前7天，使用抗生素清除肠道内的微生物群，然后用流式细胞仪检测心脏中的免疫细胞组成，用16S rDNA测序粪便中微生物组成，用HPLC检测粪便中短链脂肪酸含量。
③ 结果表明粪便移植重构肠道微生物、单核细胞系移植、SCFA和乳酸杆菌cocktail的补充对post-MI小鼠的心脏有保护作用。
④ 肠道微生物产生的SCFAs在维持宿主免疫方面起着重要作用，有助于post-MI小鼠的心肌修复。
2
研究背景
越来越多的证据表明特定种类的细菌可以在宿主中发挥免疫调节作用，并且最近研究中表明肠道微生物能影响各种各样免疫细胞的组成、迁移和功能。考虑到免疫系统在伤口修复过程中起着不可或缺的作用，因此肠道微生物与各种组织的修复有关也就不足为奇。已经有报道肠道微生物与心血管疾病有联系，如肠道微生物通过氧化三甲胺（TMAO）的产生增加巨噬细胞胆固醇积累，泡沫细胞形成和加重血栓形成。抗生素引起的肠道微生物失调能够改变肠道微生物的组成和代谢，对于MI的结果可能会产生影响。肠道微生物在MI后的确切功能和参与心脏的内源性修复机制有待被揭示。
3
研究思路
作者们发现MI手术后的小鼠接受抗生素处理后生存率明显降低，猜测肠道微生物在此过程中扮演重要角色，而肠道微生物又和免疫功能息息相关，并且能产生SCFA，于是分别进行粪便移植，补充免疫细胞、SCFA和Lactobacillus益生菌等实验来干预，探究MI小鼠的心肌修复功能和生存率是否有提升。
研究思路
4
研究结果
C57BL/6J小鼠分为Sham组（手术对照组）和MI组，经过ABX处理后，粪便中的细菌数量显著下降，MI组小鼠经过ABX处理后生存率显著下降（图1.A-B）。用不同剂量的ABX处理，粪便中细菌的数量和生存率有一个梯度的变化，印证了ABX对肠道细菌和post-MI小鼠的存活率的影响（图1.C-D）。
MI前和MI后小鼠的心脏经过H&E染色的图像显示，用过ABX处理的小鼠的心脏出现了破裂（图1.E），肠道细菌含量也明显下降，再用未经ABX处理的小鼠的粪便进行移植之后，肠道细菌含量恢复正常，小鼠的存活率显著升高，到达67%（图1.F-G）。
图1 肠道微生物的缺失导致MI后的高死亡率
在MI3D（MI第3天）组，使用ABX后，myeloid cells（髓系细胞），Macrophages（巨噬细胞），Neutrophils（中性粒细胞）出现了明显的下降，肠道微生物重构（ABX+Recon）的小鼠这三个指标又明显上升（图2.A），GFP+标记的免疫细胞的荧光图（图2.B-C）也证实了肠道微生物对维持免疫细胞有重要作用。
在MI小鼠造模后第1天补充RAW264.7这种单核细胞的细胞系（图2.D），在MI3D的时候，相比ABX组，补充RAW264.7的小鼠的免疫细胞的比例也有了显著升高（图2.E），小鼠的存活率有了明显上升（图2.F），说明免疫细胞的重构对于MI的心肌修复有很好的效果。
图2 肠道微生物调节免疫细胞进而影响心肌修复
ABX处理之后的小鼠的粪便和血液中的短链脂肪酸（SCFA）明显降低，而进行醋酸、丙酸、丁酸这三种SCFA补充之后，粪便和血液中的SCFA含量又增加了，小鼠的存活率提升了50%（图3.A-B）。流式细胞仪和绿色荧光染色的结果证实了在MI3D时，ABX+SCFA supp组的免疫细胞数量相比ABX组有明显的升高（图3.C-E）。
图3 SCFA的补充能增加免疫细胞的数量，有助于MI的心肌修复
作者用16S rDNA测序的方法研究了对照实验Sham组、MI1D和MI7D的小鼠肠道微生物组成，Lactobacillus, Prevotella, Clostridium, Oscillospira等4个属的细菌组成发生了明显变化（图4.A-C）。Lactobacillus 在MI1D和MI7D时相比Sham组有显著的降低，并且它普遍被认为是对身体有益的，作者们于是围绕Lactobacillus构建了益生菌cocktail，发现相比Mock组和牛奶对照组，小鼠的心脏射血分数（EF，评价心脏功能的指标）明显增强（图4.D-E），MI小鼠的存活率相比用ABX处理之后的有显著提高（图5.A）。作者也比较了益生菌cocktail中不同菌株对EF的作用（图5.B）。总体说明益生菌的cocktail有助于MI的心肌修复。
图4 MI影响肠道微生物组成
图5 益生菌改善了MI小鼠的存活率和提升心脏能力
小鼠在MI3D补充了益生菌之后，myeloid cells，Macrophages，Neutrophils有明显的升高（图6. A）。相比Water而言，虽然补充益生菌的小鼠粪便中SCFA的总量不变，甚至丁酸含量出现下降，但是丙酸含量明显上升；血清中的总SCFA也不变，但是丙酸含量也有明显升高（图6.B-E）。推测肠道微生物产生的丙酸对免疫有调节作用。和对照组相比，在MI3D用丙酸处理后，小鼠的免疫细胞比例有非常明显的增加（图6.F）。
图6 Lactobacillus益生菌补充改变了短链脂肪酸代谢来调节免疫应答
5
讨论与总结
肠道微生物产生的短链脂肪酸对于维持免疫成分和对于post-MI小鼠的心脏修复能力具有重要作用。而在ABX处理之后的小鼠中，肠道细菌减少，产生的短链脂肪酸减少、髓系免疫细胞减少，通过粪便移植重构微生物群、益生菌补充和免疫细胞移植等方法，小鼠的生存期获得了明显的提升。因此，更好地理解宿主-微生物之间的互作机制能为治疗心脏疾病的策略和发展提供全新的方向。
图7 总结
参考文献
Tang T W H, Chen H C, Chen C Y, et al. Loss of Gut Microbiota Alters Immune System Composition and Cripples Post-Infarction Cardiac Repair[J]. Circulation, 2018.
本文系菌探Momics（ID：Momics）原创，欢迎个人转发分享。其他任何媒体、网站如需转载，须在正文前注明来源菌探Momics。
菌探Momics
一起探索微生物的奥秘
点击“阅读原文”，阅读英文原文