丙酸通过免疫调节机制改善多发性硬化症病程 [复制链接]

背景介绍

多发性硬化症（MS）以对白质慢性自体免疫攻击为特征从而导致中枢神经系统（CNS）内神经轴突周围的髓鞘破坏，临床表现为促炎性自身反应性T细胞（即辅助性T（Th）17细胞和Th1细胞）增加，而调节性T（Treg）细胞数量减少且功能受损。这种自身反应和调节因素之间的不平衡导致了复发性组织炎症，并在一定程度上介导了MS患者持续的神经退行性病变和随后的神经功能缺陷，如果不进行治疗或将导致严重的残疾（如瘫痪、认知障碍和自主神经功能障碍）。

MS动物模型表明短链脂肪酸（SCFAs）如丙酸（PA），可显著增加肠道相关Treg细胞数量，随后降低全身免疫反应，并伴随疾病改善。德国医院AidenHaghikia研究团队围绕“MS患者体内SCFAs水平和产生SCFAs的肠道菌群是否发生变化及补充PA对Treg细胞的诱导作用是否适用于MS”进行研究，相关成果发表于《Cell》。

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PA补充可以调控T-reg/Th-17失衡

首先，作者比对了正常人与MS患者的血清及粪便样本，通过LC-MS/MS考察了患者与正常人之间多种短链脂肪酸（SCFA）水平的变化（乙酸，丙酸，丁酸），以及他们肠道菌群内产SCFA菌群的变化。通过与正常组对比发现，MS患者的粪便及血清中，丙酸水平有着显著的变化，且产生丙酸相关的菌群丰度水平也有着显著差异。（图1A-C）因此，作者假设肠道内的丙酸的缺失会导致MS及类风湿新关节炎等其他的免疫类疾病中T-reg及Th-17的失衡。因此，作者通过对MS患者进行PA（mg/d））干预的手段，考察了T-reg及Th-17水平的变化。作者发现，在第0天，MS患者的T-reg，水平较C组显著降低，而在PA干预14天后，T-reg水平有着显著的恢复。（图1E/F）同时，作者在新发的MS患者体内补充PA后，也得到了相同的趋势。而在PA干预14天后，作者同时发现，Th-17水平在MS患者体内显著降低，因此作者认为，PA具有免疫调节的特性。为了验证以上观点，作者将T-reg细胞与外周单血核细胞（PBMCs）共培养，测定T-reg的抑制能力。作者发现，MS患者的T-reg细胞抑制能力较弱，而补充了PA后的T-reg细胞抑制能力增强（图1L-N）。这也从直接说明了补充PA后可以一定程度上修复MS患者的T-reg细胞功能。

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长期补充PA可降低临床MS患者年复发率及疾病进展

通过对97例PA干预的MS患者的长期跟踪，作者发现，PA干预后，可降低MS患者的年复发率，降低患者疾病进展。（图2A-C）同时，相比于无PA干预组，干预组的扩展残疾状况表（EDSS）更为稳定。（图2D）通过对22例PA干预组的MS患者及22例非PA干预组的MS患者的脑部进行1.5-TMRI扫描，作者发现，PA干预组的患者纹状体，尾状核，壳核，苍白球体的体积显著增加。（图2E）同时，作者比较了三例PA干预组MS患者在PA干预前后的脑脊液中PA的水平，发现在PA干预后，脑脊液中的PA水平有着显著的升高。

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补充PA后可引起肠道菌群组应答

为了测试PA补充后引起的微生物组改变是否会对局部肠道组织产生功能性影响，作者评估了患者补充PA前、补充后14天的粪便样本对肠道器官培养系统的影响。补充PA前后，将MS患者中应答者（n=5）和无应答者（n=4）的微生物组分别以10的7次方个CFU/mL的相等细菌载量引入肠道培养系统，并在2小时后对36例结肠组织进行RNA测序（研究设计图3A-3C）。差异基因表达显示PA组肠道组织中个转录本表达增加，个表达减少；无PA组有44个转录本增加和个表达减少。在应答患者中，与Treg细胞正相关的基因被诱导，而负相关的基因被抑制，表明补充PA后患者粪便具有Treg细胞诱导特性（图3D），但无应答患者显示出相反的效果。PA处理后厌氧菌的细菌载量略有增加，所有样品中的需氧菌减少（n=10）。综上结果表明，MS患者进行PA补充后其微生物组在诱导Treg发育方面发挥了功能性作用。在体外实验中，通过PA处理的T-reg细胞增加了其对PBMCs细胞的抑制能力。（图3E-F）

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PA体外刺激Treg细胞的抑制能力增加并由IL-10介导

作者发现，MS组在PA处理后，IL-10水平明显升高，IL-17和干扰素-γ（IFN-γ）显著降低（图4A-B），因此作者认为，PA可能是通过调节T-reg细胞IL-10水平从而发挥的抑制作用。为研究细胞因子和免疫细胞功能之间的联系，作者检测了PA诱导的Treg抑制功能增加是否需要IL-10。从新诊断为MS患者基线和第14天分离Treg细胞并用抗IL-10抗体等进行抑制试验。在第14天时抑制IL-10可阻止PA给药后抑制能力的增加（图4C），而在基线没有差异，表明IL-10对于PA调节Treg细胞功能的必要性。接下来，作者考察了IL-10增加与T-reg细胞抑制功能之间的潜在作用机制，测量了PA补充前后MS患者Treg细胞的耗氧量（OCR）。作者发现，MS患者与HCs相比最大呼吸减少（图4F-4G）。长期PA干预（90天）能够使MS患者Treg细胞的线粒体呼吸恢复到HCs水平，MS患者的基础呼吸和最大呼吸显著增加（图4D-4G）。与HCs线粒体相比，MS线粒体具有较高的椭球体长度和较低的球形度。与第0天相比，MS患者补充PA3个月后MS线粒体形态显示出更多球形和更少椭球形的趋势（图4H-4J）。90天MS患者Treg细胞的线粒体形态与HCs相似，表明MS的Treg细胞线粒体不仅功能受损，且具有形态改变的表型，可通过长期补充PA逆转，可见线粒体功能和完整性在MS发病机制中发挥重要作用。

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补充PA后，可导致T细胞中TNF及IL-10相关基因表达上调

最后，作者通过对MS患者的外周血细胞的基因表达谱进行分析，发现了个显著调控的基因，，通路分析显示其主要与T细胞的特异性调控相关。（图5A）网络分析显示，IL-10与TNF是调控中的核心作用枢纽。（图5B）上述分析与研究表明，在PA干预后，可导致MS患者代谢增强，T-reg细胞线粒体呼吸增加。

讨论

作者通过LC-MS/MS手段，考察了临床MS患者血清及粪便中丙酸的变化，发现MS患者体内PA含量降低，且与PA生成相关的肠道菌群丰度降低。而这种PA的降低伴随着T-reg及Th-17的失衡。因此，作者发现，通过外源性补充PA，可以提高T-reg细胞的活性，增强其抑制功能，从而干预MS患者的疾病进程。通过体外实验，证明PA是通过干预IL-10的方式，诱导T-reg细胞恢复其活性的。以上结果，对临床MS患者的发病机制及肠道菌群失衡导致的疾病进展有着重要的意义。

编辑：李昊峰

排版：周志豪