iScience | 想換一個(gè)腸道菌群有多難？論移植腸道菌群的建立和恢復(fù)力
2022年1月21日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院戴磊課題組在Cell子刊iScience雜志發(fā)表了題為“老齡小鼠移植腸道菌群的建立和恢復(fù)力（Establishment and resilience of transplanted gut microbiota in aged mice）”的文章。該項(xiàng)研究對(duì)老齡小鼠進(jìn)行了來(lái)自自體或異體宿主的糞便菌群移植，跟蹤觀察發(fā)現(xiàn)移植后腸道菌群成功定植并分別建立與宿主類似的穩(wěn)態(tài)菌群結(jié)構(gòu)，并對(duì)宿主結(jié)腸轉(zhuǎn)錄組產(chǎn)生長(zhǎng)期影響。此外，對(duì)于移植后的小鼠進(jìn)行化學(xué)誘導(dǎo)腸道炎癥，發(fā)現(xiàn)異體移植建立的菌群經(jīng)過(guò)再次擾動(dòng)后，無(wú)法維持與供體相似的穩(wěn)態(tài)，而是恢復(fù)為老齡宿主移植前的初始狀態(tài)。本研究說(shuō)明對(duì)于老齡宿主進(jìn)行異體腸道菌群移植后應(yīng)該長(zhǎng)期關(guān)注其穩(wěn)定性并在有需要時(shí)進(jìn)行重復(fù)移植。助理研究員王瑩博士、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士生湯錦輝為共同第一作者，戴磊研究員為通訊作者。共同作者包括中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所的劉欣安副研究員、王立平研究員，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的劉洋彧教授，深圳未知君生物科技的譚驗(yàn)博士等人。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.103654
腸道菌群與宿主共生，在長(zhǎng)期地相互作用下建立起了高度適配的狀態(tài)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。維持健康的腸道菌群對(duì)老年人的生活質(zhì)量和健康壽命至關(guān)重要，許多胃腸道疾病，包括艱難梭菌感染（CDI），炎癥性腸病（IBD）和腸易激綜合癥等均與菌群失調(diào)有關(guān)，而且其中許多疾病在老年人中更為普遍。
糞便菌群移植（FMT）是一種將糞便物質(zhì)從健康供體轉(zhuǎn)移到腸道菌群受到破壞的患者的手段，目前已被用于治療多種疾病。評(píng)估FMT治療的成功和保護(hù)效果的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，分別是1）是否能在宿主體內(nèi)建立新的菌群穩(wěn)態(tài)； 2）新建立的菌群穩(wěn)態(tài)在再次擾動(dòng)后是否仍具有恢復(fù)能力。尤其是在異體FMT的情況下，原本與宿主高度適配的菌群狀態(tài)被來(lái)自供體的具有不同組成的新?tīng)顟B(tài)所取代，它可能處于亞穩(wěn)態(tài)，這種新建立的菌群平衡可能更容易被環(huán)境變化所破壞，因此研究移植后菌群的穩(wěn)定性和恢復(fù)力至關(guān)重要。
糞便菌群移植（Fecal Microbiota Transplantation）示意圖
（修改自2019, Wang, J Formos Med Assoc）
老年人作為胃腸道疾病高發(fā)人群，是否可以受益于FMT治療呢？此前有研究表明 FMT 在治療老年患者的 CDI 方面是安全有效的【1】，但在 FMT 后的 6 個(gè)月內(nèi)，老年患者的復(fù)發(fā)率顯著高于年輕患者【2】。一項(xiàng)以小鼠為模式動(dòng)物的研究比較了幼年（3 周齡）和成年（8 周齡）小鼠FMT后菌群的長(zhǎng)期狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)菌群定植在幼年 SPF 小鼠中優(yōu)于成年 SPF 小鼠【3】，這表明移植菌群的建立可能受到宿主年齡的影響。目前尚無(wú)對(duì)自體與異體FMT后移植菌群在老年宿主中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和恢復(fù)力的相關(guān)研究。如何合理設(shè)計(jì)在老年宿主中使用 FMT 的治療策略？是否需要采取特定的預(yù)防措施防止疾病復(fù)發(fā)？本項(xiàng)研究使用老齡小鼠模型對(duì)此進(jìn)行探究。
研究人員使用自然衰老的小鼠（20月齡）作為FMT受體來(lái)研究移植的腸道菌群的建立及其恢復(fù)力。首先，用抗生素混合物處理老齡小鼠以破壞腸道菌群，并監(jiān)測(cè)其自行恢復(fù)（spontaneous recovery, SR）過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，抗生素處理對(duì)腸道菌群多樣性和組成的影響持續(xù)至處理后 8 周。
接下來(lái)，研究人員對(duì)抗生素處理后的老齡小鼠進(jìn)行自體（Autologous, FMT-A）或異體（Heterologous，FMT-H）的FMT，比較他們對(duì)于促進(jìn)腸道菌群穩(wěn)態(tài)恢復(fù)的作用（圖1A）。異體移植的供體是來(lái)自另一供應(yīng)商的2月齡年輕小鼠，它們的初始腸道菌群與老齡受體的組成顯著不同。我們的研究發(fā)現(xiàn)與自行恢復(fù)（SR）組相比，自體和異體FMT均能將腸道菌群多樣性的恢復(fù)時(shí)間從8周加快到3周（圖1B，C）。在抗生素處理后第21天，自體和異體菌群移植分別成功地在新宿主中建立起了新的菌群狀態(tài)，并且起組成分別接近于供體的菌群組成（圖1D-F）。此結(jié)果表明在移植菌群的建立層面，異體與自體菌群移植一樣有效，并且新建立的菌群組成相似于供體。
圖1：自體或異體FMT均可促進(jìn)老齡小鼠抗生素處理后的腸道菌群建立
FMT可能引起腸道菌群功能基因的組成（由宏基因組測(cè)序表征）和宿主腸道基因表達(dá)水平（由結(jié)腸轉(zhuǎn)錄組測(cè)序表征）的重大變化，并影響FMT治療的成功與否。研究人員跟蹤觀察了老齡小鼠的三個(gè)治療組（SR，FMT-A和FMT-H）從治療前到糞菌移植后56天的宏基因組和結(jié)腸轉(zhuǎn)錄組變化，發(fā)現(xiàn)相比于SR和FMT-H組，FMT-A促進(jìn)微生物群功能恢復(fù)方面效果較好。結(jié)腸轉(zhuǎn)錄組測(cè)序則表明，與 SR 組相比，異體和自體FMT均可促進(jìn)宿主轉(zhuǎn)錄組的恢復(fù)，而且FMT及不同的供體選擇對(duì)于宿主轉(zhuǎn)錄組具有長(zhǎng)期的影響。
最后，研究人員對(duì)接受自體或異體FMT后的小鼠使用化學(xué)物質(zhì)（葡聚糖硫酸鈉，DSS）誘發(fā)結(jié)腸炎癥，引起對(duì)新建立的腸道菌群穩(wěn)態(tài)的再次擾動(dòng)（圖2A）。對(duì)于接受自體移植的老齡小鼠，腸道菌群的恢復(fù)過(guò)程僅被誘導(dǎo)的炎癥短暫地?cái)_動(dòng)，第 53 天后的無(wú)論是誘發(fā)腸炎的受體鼠（FMT-A-DSS組）還是移植后沒(méi)有誘發(fā)腸炎的受體鼠（FMT-A組）其腸道菌群組成均相似（圖 2B），與老年供體的距離沒(méi)有顯著差異（圖 2D）。相反，異體移植所建立的腸道菌群則無(wú)法在擾動(dòng)后維持其組成，異體移植后接受腸炎誘導(dǎo)的小鼠（FMT-H-DSS）其菌群組成逐漸恢復(fù)到了移植前老齡小鼠原始的菌群穩(wěn)態(tài)（圖2C），與僅接受異體糞菌移植（FMT-H組）小鼠相比其菌群組成明顯偏離其供體（圖 2D）。
圖2：相比于自體FMT，異體FMT后建立的移植菌群在再次擾動(dòng)后恢復(fù)力較差
本項(xiàng)研究表明，異體FMT作為臨床上廣泛使用的腸道菌群干預(yù)手段，不僅應(yīng)該關(guān)注其安全性和有效性，也有必要關(guān)注其長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。盡管 FMT 已成為復(fù)發(fā)性 CDI 的最有效治療方法，但據(jù)報(bào)道，約 20% 的患者在初始 FMT 治療后仍會(huì)出現(xiàn)復(fù)發(fā)性 CDI【4】。先前對(duì) IBD 患者進(jìn)行 FMT 治療的研究也表明，需要多次 FMT 干預(yù)才能獲得更好的臨床結(jié)果，并且有研究顯示供體和患者之間的年齡差異顯著影響 FMT 后的長(zhǎng)期維持。本研究發(fā)現(xiàn)供體的選擇不僅對(duì) FMT 后腸道菌群的宏基因組和宿主的轉(zhuǎn)錄組有長(zhǎng)期影響，也決定了移植菌群應(yīng)對(duì)后續(xù)再次擾動(dòng)的恢復(fù)能力。總之，對(duì)于老年患者，尤其是接收異體糞菌移植的老年患者，監(jiān)測(cè) FMT 的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和后續(xù)擾動(dòng)（如疾病復(fù)發(fā)）對(duì)于新建立菌群穩(wěn)態(tài)的影響至關(guān)重要，在復(fù)雜的擾動(dòng)的情況下可能需要進(jìn)行多次 FMT或制定更合理的治療策略。
【1】AGRAWAL, M., ARONIADIS, O. C., BRANDT, L. J., KELLY, C., FREEMAN, S., SURAWICZ, C., BROUSSARD, E., STOLLMAN, N., GIOVANELLI, A., SMITH, B., et al. 2016. The long-term efficacy and safety of fecal microbiota transplant for recurrent, severe, and complicated Clostridium difficile infection in 146 elderly individuals. J Clin Gastroenterol, 50, 403-7.
【2】TSENG, A. S., CROWELL, M., ORENSTEIN, R., PATRON, R. L. & DIBAISE, J. 2017. Older patient age is associated with similar safety but higher relapse after fecal microbiota transplantation for recurrent Clostridium difficile infection. Official journal of the American College of Gastroenterology | ACG, 112, S51.
【3】LE ROY, T., DEBéDAT, J., MARQUET, F., DA-CUNHA, C., ICHOU, F., GUERRE-MILLO, M., KAPEL, N., ARON-WISNEWSKY, J. & CLéMENT, K. 2019. Comparative evaluation of microbiota engraftment following fecal microbiota transfer in mice models: Age, kinetic and microbial status matter. Frontiers in Microbiology, 9, 3289.
【4】MAMO, Y., WOODWORTH, M. H., WANG, T., DHERE, T. & KRAFT, C. S. 2018. Durability and long-term clinical outcomes of fecal microbiota transplant treatment in patients with recurrent Clostridium difficile infection. Clin Infect Dis, 66, 1705-1711.
PI與課題組簡(jiǎn)介：
戴磊博士，研究員，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所，合成微生物組學(xué)研究中心主任。國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，入選《麻省理工科技評(píng)論》中國(guó)區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”。
戴磊課題組的主要研究方向?yàn)?/font>宿主共生微生物組的生態(tài)和進(jìn)化。運(yùn)用定量生物學(xué)、合成生物學(xué)的工具，對(duì)微生物組的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行精準(zhǔn)解析和調(diào)控，致力于解決人體健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等重大問(wèn)題。
擬招聘具有微生物學(xué)、合成生物學(xué)、生物信息學(xué)等相關(guān)研究背景博士后1-2名，客座學(xué)生1-2名。有意申請(qǐng)者請(qǐng)將個(gè)人簡(jiǎn)歷以郵件方式發(fā)送至 lei.dai@siat.ac.cn。
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