移植源自年轻小鼠的粪便菌群通过抑制炎症促使衰老造血干细胞恢复活力
原创 医学参考报
撰文│夏荣木
编辑│毕紫娟
审校│汤红明
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造血干细胞移植（hematopoietic stem cell transplantation，HSCT）最初被应用于多种恶性血液病，后来被用于接受高剂量化疗和放疗后造血系统功能严重缺陷的癌症患者，现成为自身免疫性疾病的过继性免疫疗法，甚至是唯一的治疗方式。临床数据显示，以下5种疾病适合进行HSCT ：急性髓系白血病、急性淋巴细胞白血病、多发性骨髓瘤、非霍奇金淋巴瘤及再生障碍性贫血。中国血液和骨髓移植登记组（Chinese Blood and Marrow Transplantation Registry Group，CBMTRG）2020年数据显示170家医院共完成13 415例HSCT。自2008年以来共实施了90 436例HSCT。迄今为止，已有174 家医疗中心注册授权HSCT证书。
一、造血干细胞移植临床应用的限制
尽管HSCT在临床治疗中不断发展，目前仍存在一些问题，包括移植物功能不良（poor graft function，PGF）、移植失败、移植物抗宿主病（graft-versushost disease，GVHD）和疾病复发等。PGF可能与供体特异性抗HLA抗体（donor-specific HLA antibody，DSA）相关，且与原发性PGF显著相关，采用利妥昔单抗（抗CD20单克隆抗体） 可清除DSA， 降低PGF发病率。N-乙酰-L-半胱氨酸、全反式维甲酸和艾曲波帕等可通过降低间充质干细胞（mesenchymal stromal cells，MSCs）凋亡，保护MSCs功能及改善骨髓内皮祖细胞（endothelial progenitor cell，EPC）功能等方式调节骨髓微环境，从而提高移植物的安全性和有效性。新技术和新策略的应用将有助于改善HSCT后患者的生活质量和生存预后。2021年版的《肠道微生态与造血干细胞移植相关性中国专家共识》与2020年版的《中国异基因造血干细胞移植治疗血液系统疾病专家共识——急性移植物抗宿主病》报告阐述了包括抗人胸腺淋巴细胞球蛋白，MSCs和粪便移植（fecal microbiota transplantation，FMT）等新技术的应用有助于提高HSCT的临床治疗效果。
二、肠道微生态影响HSCT效果
上述专家共识明确表述HSCT对机体肠道微生态产生影响，而肠道微生态同时通过多种机制影响HSCT患者预后。与人体共生的微生物贯穿人体发育各个阶段。人体各部位含有的复杂细菌、古细菌、真菌、其他原生生物及病毒微生物群，统称为微生物群。微生物群对维持健康组织及刺激免疫力至关重要，微生物种群的生态失调与疾病和免疫力缺陷显著相关。在接受allo-SCT的患者中观察到肠道菌群失调，并与HSCT相关的死亡有关。抗生素的使用和全肠外营养等多种因素均可导致allo-HSCT后的微生态失调，肠道细菌多样性与患者总生存率、复发率、非复发死亡率或GVHD发生率显著关联。此外，肠道菌群微生物群及其代谢产物与HSCT患者的预后密不可分。
2022 年1月，Cell Stem Cell杂志在线发表文章 “The microbiota regulates hematopoietic stem cell fate decisions by controlling iron availability in bone marrow”，研究揭示了肠道菌群、巨噬细胞及铁利用率之间相互关联，并证实三者调控造血干细胞（hematopoietic stem cells，HSCs）命运的重要作用。2022年5月，Science Translational Medicine杂志刊发题为 “MAIT and Vδ2 unconventional T cells are supported by a d iverse intestinal microbiome and correlate with favorable patient outcome after allogeneic HCT” 的研究性文章，探索了肠道菌群多样性、菌群衍生代谢物、非常规T细胞的产生与维持及HSCs克隆造血能力间的相关性。研究结果夯实了肠道微生态与HSCT患者预后的关联性，同时也为肠道菌群移植干预影响HSCT患者临床预后提供了充足证据。
三、移植源自年轻小鼠的粪便菌群通过抑制炎症促进衰老HSCs恢复活力
HSCs具有自我更新能力及多谱系分化潜能，是造血系统发育的起始细胞。HSCs的衰老导致造血系统重建功能障碍，引起PGF甚至移植失败。越来越多研究探索了HSCs 衰老的分子机制，延缓HSCs衰老及恢复其功能仍是该领域重要的研究和探索方向。2023年1月，Blood 杂志刊发浙江大学钱鹏旭、黄河课题组的最新研究成果《移植源自年轻小鼠的粪便菌群通过抑制炎症促使衰老的造血干细胞恢复活力》。研究将年轻小鼠的粪便微生物群移植入老年小鼠，观察到老年受体鼠的淋巴分化显著增加，骨髓分化减少。同时，基于年轻小鼠FMT促使老年鼠的HSCs恢复活力，使之短期和长期的造血功能得到显著改善。为探究年轻小鼠肠道微生物群对老年HSCs功能的影响，作者将FMT-YA或FMT-AA组小鼠的BM细胞移植至接受致死辐射的受体小鼠中，肠道菌群移植16周后发现，与FMT-AA BM细胞相比，FMTYABM细胞的植入率显著提高， 且CRU试验显示FMTYA小鼠的功能性HSCs增加4.2倍。此外，移植FMT-YA BM细胞的受体小鼠体内供体来源的HSPC、祖细胞的比例及祖细胞的绝对数量均显著增加。在第一次移植后的第4个月进行2次移植，以评估HSCs的长期再增殖能力。研究结果显示，FMT-YA细胞具有更高植入效率，FMT-YA细胞的CRU增加2.6倍，受体小鼠体内LT-HSC及MPPs数量增加。克隆形成实验及与二次移植实验评估纯化后的LT-HSC的干性，结果证实基于年轻小鼠的FMT增强HSCs的功能。
四、基于年轻小鼠FMT改善老年鼠肠道屏障完整性
肠道菌群失调与多种疾病相关，包括过敏性疾病、癌症和心血管疾病。肠道菌群是正常和异常造血系统发育的重要调控因子。肠道菌群改变导致老年鼠IL-1水平升高，并成为HSCs年龄依赖性骨髓分化的重要驱动因素。通过单细胞转录组测序发现不同年龄的小鼠HSCs对炎症刺激表现出不同反应。基于年轻小鼠的粪便微生物群移植可减弱受体老年鼠肠道炎症信号，同时上调FoxO信号通路，促进衰老过程中HSCs淋巴分化。微生物组与代谢组联合分析发现，FMT重塑肠道微生物群分布和代谢物丰度，诸如毛螺菌科（Lachnospiraceae）细菌和色氨酸相关代谢物显著促进造血系统功能的恢复及衰老的HSCs功能的恢复。
肠屏屏障受损可导致细菌易位，激活炎症信号，影响骨髓增生及造血系统功能。因此，肠道屏障完整性的改善是老年鼠HSCs活力恢复的重要环节。肠道是微生物群定居及与宿主相互作用的主要场所。研究发现移植源自老年供体小鼠粪便微生物群的无菌小鼠的肠道长度和表面积显著增加。且与FMTYA小鼠相比，FMT-AA小鼠的肠道长度更长。HE与ABPAS染色显示，FMT-YA小鼠的上皮中存在更多杯状细胞。此外，FITC标记的循环葡聚糖实验结果表明，经源自年轻小鼠肠道微生物组治疗后，FMTYA小鼠肠道屏障完整性得到改善，其肠道炎症标志物包括IFN-γ、IL-6及IL-4的表达较低，基于年轻小鼠的FMT对老年小鼠的肠道屏障完整性具有支持和保护作用。
五、补充色氨酸相关代谢产物改善植入老化HSCs效率
采用16S rRNA基因测序分析FMT后小鼠肠道菌群组成，发现FMT-AA小鼠α多样性表现出更高的细菌丰富度，其丰富度更接近于供体丰度。β多样性分析显示，主成分分析（PCA）表明FMT-YA和FMTAA小鼠之间微生物分布具有显著性差异。FMT-YA小鼠肠道微生物群富含蓝藻和厚壁菌，而FMT-AA小鼠与老年鼠肠道微生物群富含放线菌。在差异的微生物中，毛螺菌科细菌显著提高HSCs植入效率，增强LT HSC功能，此效应可能是通过改善肠道屏障完整性所致。
微生物群衍生的代谢产物在宿主炎症和造血的调节中发挥至关重要作用。对小鼠粪便样本进行非靶向代谢组学分析， 表明FMT-YA及FMT-AA的代谢产物谱丰度差异显著。色氨酸相关代谢产物，包括色氨酸、吲哚-1-乙酸（IAA）、吲哚及吲哚-3-甲醇（I3C） 在FMT-YA小鼠中显著上调，且在PB和BM血浆中获得相同结果。吲哚衍生物在体外和体内均可防止氧化应激并减轻炎症反应。研究结果证实，毛螺菌科细菌与色氨酸、吲哚及吲哚衍生物丰度呈正相关。老年鼠补充标准饮食和/或含色氨酸、吲哚、IAA、I3C或吲哚-3-丁酸4周后，发现只有色氨酸和I3C增加BM中WBC数量。此外，包括IL-1β、IL-5及CXCL1等炎症信号分子水平在色氨酸和I3C处理的老年鼠的BM血清中显著降低。这些结果表明FMT有效重塑肠道微生物群分布和代谢产物丰度，可能是造血衰老恢复的基础。
六、总结与展望
肠道微生物群组成变化与HSCT相关，多种因素导致allo-HSCT患者肠道微生物群多样性降低，包括反复使用广谱抗生素、化疗和（或）放疗以及营养状况改变等。FMT是一种将健康人群粪便供体中的菌群移植入患者胃肠道内的细菌疗法，FMT能够恢复肠道细菌群落的多样性。现已证实FMT是治疗HSCT后相关症状的一种有效方法。尽管大量聚焦于肠道菌群的研究发现所有疾病均可能与肠道微生态失调关联，导致人们对肠道菌群的研究产生误解，扎实且深入的基础研究以探索FMT的具体分子机制，揭示细菌- 代谢物-靶器官之间的相互作用依然充满挑战，且具有重要临床意义，肠道微生态是一个蕴藏无限可能的研究领域。
《医学参考报》干细胞与再生医学专刊
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