肠道菌群对造血干细胞命运及功能的调控机制

撰文│夏荣木

编辑│毕紫娟

审校│汤红明

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健康成人胃肠道在胃部高酸性环境中大约存在10²个细菌，这部分细菌可进入十二指肠及空肠。远端回肠有10⁷~10⁸个细菌，结肠中有10¹¹~10¹²个细菌，所有这些细菌统称为肠道微生物群或肠道菌群。对高度厌氧环境中生长的细菌进行培养非常困难，只有10%~50%的细菌可在实验室成功培养。随着独立于培养测序技术的出现，大量相关数据产生，研究人员对健康和疾病状态下个体细菌的组成有了深入了解，对肠道菌群的作用也已初步了解。

最近研究证实，无菌动物肠道菌群可显著影响宿主的多种生物学行为，包括新陈代谢、器官发育、炎症及免疫反应等。现在，研究者已充分认识到，宿主—肠道菌群相互作用可形成健康有益的“智能通讯系统”，肠道菌群的生物活性代谢物，如短链脂肪酸、共轭脂肪酸、胞外多糖和神经活性代谢物—γ-氨基丁酸（GABA）及血清素可为宿主带来益处。因此，宿主与肠道菌群的相互作用对维持宿主健康至关重要。

个体肠道菌群特征的独特性犹如体内另一套“基因组”，这套“基因组”可能是疾病风险的预先决定因素。目前研究证实肠道菌群的组成与人类已知所有疾病几乎都有显著关联，包括但不限于胃肠道疾病、肥胖症、糖尿病、癌症，甚至神经及其退行性疾病如抑郁症、自闭症、焦虑及帕金森病等。

一、肠道菌群影响造血干细胞的命运选择

目前，肠道菌群相关基础研究和临床研究已如火如荼开展。2022年1月21日，Cell Stem Cell 在线发表了美国阿尔伯特爱因斯坦医学院Paul Frenette 研究组关于肠道菌群与造血干细胞（HSC）的最新研究进展，题为《肠道菌群通过控制骨髓中铁元素的可用性影响造血干细胞的命运》。该工作揭示了肠道菌群、巨噬细胞及铁元素可用性之间的相互关联，并证实了三者在压力下调节关键HSC的重要作用。

该研究组为探索肠道菌群在HSC中的作用， 使用4~6周广谱抗生素清除了小鼠体内肠道菌群。发现尽管小鼠血液中总中性粒细胞和衰老的中性粒细胞明显减少，但骨髓中的HSC稳态并没有显著变化。然后，研究者用化疗药物5-氟尿嘧啶（5FU）处理小鼠后（会导致严重的骨髓损伤后迅速再生），意外发现ABX（广谱抗生素青霉素、万古霉素、新霉素及甲硝唑混合物）处理的无菌动物骨髓及淋巴细胞再生明显延迟。骨髓情况分析证实使用5FU后的ABX 处理动物中，HSC遭遇压力后激活并进入细胞周期的能力未发生变化，但向多种细胞谱系分化受阻，恢复静止状态时也出现明显延迟。该研究进一步发现，ABX处理组小鼠在进行小鼠骨髓细胞连续移植（BMTs）后，其长期移植成功率为100%。这些结果表明，ABX处理增强了HSC的自我更新能力，但在分化产生下游细胞谱系方面表现出巨大缺陷。

二、肠道菌群影响红细胞的清除效率

随后发现，与对照组小鼠相比，5FU处理明显加速了红细胞清除效率。然而，在ABX处理动物的骨髓再生过程中，红细胞清除时间被显著延迟。稳定状态下的红细胞吞噬通过巨噬细胞介导，主要发生在脾脏、骨髓，肝脏中也会发生。稳态下骨髓吞噬活动很少，在5FU诱导压力下，骨髓再生的早期阶段触发了强大的红细胞吞噬作用，ABX处理明显降低了这种吞噬作用。这些结果显示，肠道菌群会调节压力诱导的骨髓巨噬细胞的红细胞吞噬作用。

红细胞（RBC）过早被吞噬的现象提示它们可能在再生过程中发挥了关键作用。在稳定状态下，巨噬细胞对RBC的吞噬功能是为红细胞生成提供铁元素。细胞内铁平衡与否可直接影响HSC功能。因此，压力诱导RBC在骨髓中的回收可能有助于造血再生，并通过调节铁的可用性影响HSC自我更新。为评估肠道菌群消除产生的低铁可用性是否影响HSC的结局，研究人员分析了HSC表面的转铁蛋白受体1（Tfr1，也称为CD71）表达，它与细胞内铁水平呈负相关。在5FU处理后，ABX处理的小鼠HSC CD71表达明显增加。综合其它结果证实，肠道菌群枯竭在骨髓中可诱导铁缺乏，在造血压力期由RBC回收提供的局部铁可能会促进HSC分化。

三、肠道菌群可通过其代谢物调节宿主生理过程

为研究肠道菌群相关代谢物调节宿主生理过程，研究人员筛选了一系列菌群代谢物，包括短链脂肪酸（SCFAs）、1,3-二氨基丙烷（1,3-DAP）、三磷酸肌醇（IP3）及维生素B12（VB12），这些代谢物可影响宿主细胞功能。结果证实只有丁酸盐可显著增强巨噬细胞对RBC的吞噬作用。SCFAs主要由肠道厌氧菌通过发酵膳食纤维产生，肠道菌群耗竭会降低肠道中SCFAs种类。ABX处理导致3种主要的SCFAs降低，包括丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐。为研究丁酸盐能否在体内调节巨噬细胞功能及HSC再生反应，通过在ABX处理的动物中重新添加丁酸盐进行实验。再生早期阶段，丁酸盐的补充恢复了骨髓巨噬细胞吞噬功能的缺陷，明显增加了骨髓巨噬细胞中参与RBC回收基因的表达水平。此外，小鼠再生整个过程中，丁酸盐的补充可明显改善局部铁缺乏和骨髓细胞系分化，同时逆转HSC的扩增、细胞周期和CD71表达水平。这些结果表明，肠道菌群代谢物丁酸盐协调了骨髓再生事件，为再生的HSC提供了快速铁获取方法。尽管缺铁可能会导致菌群失调，使结果解释复杂化，但后续研究表明，肠道菌群可通过骨髓中的铁供应调节HSC的自我更新和分化结局，饮食诱导的铁缺乏可调节独立于肠道菌群的HSC自我更新和扩增。

四、肠道菌群—骨髓巨噬细胞—铁元素通路在HSC 领域的应用潜力

维持移植HSC的扩增及长期活性是一个重大应用挑战。如果限制铁的可用性会促进HSC的自我更新并抑制再生过程分化，优化铁水平将增强HSC的体外扩增效率。Nature杂志发表的一项研究证实在含有聚乙烯醇（PVA）的无血清培养基中添加造血细胞因子血小板生成素（TPO）和干细胞因子（SCF）可将小鼠功能性HSC扩增多倍。PVA培养系统中铁浓度比其他已发表的无血清培养系统（100~200mg/L 转铁蛋白，结合2.5~5.0μM铁）低很多。因此，低铁供应可能有助于维持及扩大体内功能性HSC数目。为测试这种可能性，在保持所有其他成分不变的情况下，向PVA培养系统中添加不同浓度的转铁蛋白（0.005~500mg/L），发现培养系统中的转铁蛋白水平明显影响了HSC扩增效率。转铁蛋白浓度为0.5mg/L（这一水平明显低于以往研究中使用的浓度）能够最大程度提升HSC扩增效率。虽然较高浓度转铁蛋白诱导HSC分化及表型HSC数目降低，但低于0.5mg/L的转铁蛋白水平同样会引发生存压力，转铁蛋白低于0.005mg/L则导致HSC发生死亡。移植试验显示，较低浓度的转铁蛋白培养基有助于提高HSC长期活性。这些结果表明铁水平是调节HSC自我更新和分化的关键因素。综上， 这项工作揭示了一个全新的肠道菌群-骨髓巨噬细胞- 铁元素调节通路，其对HSC在应激状态下的结局选择与功能起着重要调控作用。

五、总结与展望

HSC是生产所有血液与免疫细胞的始祖细胞，其在稳态时处于静息状态，这种状态可保护HSC，并保持长期自我更新及重建造血系统能力。在遭遇造血压力时，HSC可被激活并快速分化产生子代细胞谱系以抵抗压力。HSC从自我更新到分化的过程涉及多方面程序再编程及多种因素的网络精细调控。目前关于HSC的自我更新和分化过程已有了大量研究，该研究证实了肠道菌群在骨髓再生期间可调节HSC的自我更新和分化过程，这可能为理解HSC机制开拓一个新领域，同时也可为解决HSC移植提供一个新的潜在策略。

肠道菌群相关的研究是一个新兴领域，尽管其关键进展在最近几年才出现，但肠道菌群相关研究规模正在快速扩大，研究的深度和广度也都在快速发展。大量的临床试验或新技术已经应用于临床，科学家和资本正涌进来，这将是一个大有可为的蓝海领域。

（ID：yxckbsc2022030301）

作者简介

夏荣木

现任厦门承葛生物科技有限公司学术部主管。主要从事肿瘤分子生物学和药物干预研究，干细胞分子生物学、肠道菌群微生态健康领域的相关基础及临床转化研究。在探索肿瘤疾病发生发展相关机制，干细胞自我更新机制方面具有较好经验。目前在国际期刊发表研究性文章10 余篇。部分相关工作发表在国际知名期刊Oncogene、Journal for ImmunoTherapy of Cancer、Clinical and Translational Medicine、Frontiers in Cell and Developmental Biology 。申请实用新型专利1 项，1项发明专利进入实审，1项发明专利正接受审查。

《医学参考报》干细胞与再生医学专刊

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