IL-1α

OTC2024类器官前沿应用与3D细胞培养论坛圆满落幕，点击图片可查看会后报告，咨询OTC2025类器官论坛请联系：王晨 180 1628 8769。 文章来源：天津医药 编者按 类器官与器官芯片作为近年来兴起的一种新型强大研究手段，在实现干细胞体外增殖与分化、模拟器官内细胞间互作方式、重现来源脏器形态学特征与功能、优化精准药物筛选方案和建立罕见病个体化治疗等方面发挥重要作用，已引起国内外研究人员、临床工作者和药物研发公司的广泛关注。目前已应用于包括肺、脑、肠在内的多种脏器的病理生理学研究与转化医学研究。未来结合工程学、基因编辑等手段进行类器官与器官芯片个性化、大规模、均质化、标准化和自动化的完善与优化将给个体化医学带来深远影响。我受《天津医药》编辑部邀约，特组织国内类器官与器官芯片研究领域的知名专家共同就肺、 脑和肠这 3种研究进展最快的类器官与器官芯片的构建及其在炎症反应、病毒感染、抗肿瘤药物筛选和罕见病等方面的应用进行阐述，并对目前关于该技术待解决的关键问题进行深入讨论。本专题旨在加深各学科基础研究、临床和药物研发同道对类器官与器官芯片的认识，共同推动该技术的深入应用，为疾病机制研究、临床诊断与目标药物发现提效增速。由于篇幅限制， 本专题未涉及包括肝、肾、胃和胰腺等其他脏器的类器官与器官芯片的研究进展， 但是这方面的研究同样值得关注。最后，本人对参与和支持本专题工作的全体作者和编审专家所付出的辛勤工作表示由衷感谢！ 01 高通量自动化类器官芯片研究进展 孟繁露， 韩益明， 修继冬， 黄建永 作者单位：北京大学工学院 摘要：类器官是利用干细胞的自更新和自组织能力在体外构建的三维多细胞培养物， 其复现了对应器官或组织的关键结构和功能特征， 为发育生物学、 再生医学、 疾病建模和药物开发等领域提供了理想的体外模型和研究平台。然而， 传统的类器官培养体系依赖于手动操作， 培养流程较为繁琐，且培养物个体差异和批次差异较大， 成为限制类器官转化和应用的重要原因之一。因此， 工程化类器官培养体系通过引入微流控芯片技术来提升类器官培养体系的通量和自动化程度， 对于实现类器官大规模、 均质化、 标准化培养具有重要意义。该文综述了高通量自动化类器官芯片的研究进展， 并探讨了类器官培养通量和标准化的主要限制性因素和潜在挑战。 02 气道类器官显微注射及极性反转模型的构建 宋立成1，张宇涵2，余忠阔1，解立新1 作者单位：1中国人民解放军总医院第八医学中心呼吸与危重症医学部；2上海交通大学医学院附属瑞金医院呼吸与危重症医学科 摘要：目的　探索通过显微注射及极性反转的方式建立高效模拟呼吸道病毒感染的新方法。方法 获取8周龄雄性C57BL/6小鼠肺组织，提取呼吸道上皮细胞，建立类器官transwell培养模型。通过改进传统显微注射平台，将绿色荧光蛋白（GFP）标记的流感病毒 PR8（GFP-PR8）定量注射入类器官内，观察类器官形态变化及紧密连接蛋白、微管蛋白的免疫荧光染色特点。通过悬浮培养的方法诱导极性内向反转为极性外向（AO），通过HE染色鉴定极性反转的形态学特点。对普通类器官及反转后类器官进行 PR8攻毒，观察感染效率及不同浓度的病毒感染下主要通路基因的表达差异。结果 普通类器官经显微注射后体积会明显增大。注射 PR8后，类器官顶端区域被感染的效率明显增高且会出现明显的损伤，表现为紧密连接蛋白及微管蛋白的蛋白表达显著下调。将类器官悬浮培养后，纤毛细胞极性随时间逐渐反转向外，于第6天起反转比例趋于稳定。反转后的类器官被病毒感染的效率显著提高，细胞损伤显著。0.01感染复数（MOI）的PR8攻毒后，AO类器官出现明显的炎症通路及分化相关基因的改变；在更高浓度PR8感染后则出现与之前相反的变化趋势。结论　极性反转和显微注射可以显著提高流感病毒对类器官的感染效率，这有助于类器官在呼吸道感染领域的广泛应用。 03 气道类器官研究哮喘中 Lkb1调控上皮再生的机制 徐桂颖1, 李玉2,3, 李雪2,3, 刘怡萌1, 陈怀永1,2,3 作者单位：1天津医科大学海河临床学院；2天津大学海河医院；3天津市呼吸疾病研究所 摘要：目的 通过气道类器官培养研究哮喘中肝激酶B1（Lkb1）调控上皮再生的机制。方法 取Lkb1f/f（对照组，10只）和Scgb1a1CreER;Lkb1f/f小鼠（Lkb1敲除组，9只），采用雾化吸入鸡卵清蛋白（OVA）的方法建立过敏性哮喘模型，收集支气管肺泡灌洗液（BALF）和肺组织，统计BALF中炎性细胞数量，肺组织切片免疫荧光染色比较钙激活氯离子通道蛋白3（CLCA3）阳性细胞数量。通过流式细胞术分选出Club细胞进行类器官培养，统计类器官的平均直径和类器官形成率，回收细胞通过实时荧光定量PCR（RT-PCR）技术检测高脚杯细胞标志物CLCA3、纤毛细胞标志物叉头框蛋白J1（FOXJ1）和Club细胞中腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）的表达水平。结果 与对照组相比，Lkb1敲除组BALF中巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、中性粒细胞和淋巴细胞数量变化差异无统计学意义；Lkb1敲除后CLCA3阳性细胞数量减少；类器官培养结果显示敲除Lkb1后Club细胞来源的类器官平均直径减小，类器官形成率降低，纤毛细胞分化标志物FOXJ1 mRNA表达水平降低，缺失Lkb1后Club细胞表达AMPKα水平降低，且Club细胞增殖受到抑制，激活Lkb1的下游信号通路AMPK可以减弱Lkb1缺失对Club细胞再生功能的影响。结论　Lkb1通过AMPK通路促进气道祖细胞增殖。 04 小鼠小肠类器官炎症模型的构建 陈浩1,2, 李蕊1, 易菲1, 周丽3, 陈嘉琪4, 朱璠4, 管城艳4, 吴娜4,5 作者单位：1江西中医药大学药学院；2江西中医药大学附属医院药学部；3江西中医药大学计算机学院，4临床医学院；5江西中医药大学附属医院消化一科 摘要：目的 建立体外小肠类器官培养体系，探讨脂多糖（LPS）对小肠类器官生长和炎性因子分泌的影响。方法 体外无菌分离并收集C57BL/6小鼠小肠隐窝细胞团，使用类器官基质胶进行包埋，并在完全培养基的支撑下，培养形成具有小肠上皮样结构的立体多叶结构的小肠类器官。小肠类器官培养5~7 d或类器官中央区域变黑时传代，传代后3 d将小肠类器官随机分为不同质量浓度LPS组（0、150、175、200、225、250、275、300 mg/L）。在LPS诱导24 h和48 h后观察小肠类器官生长和形态特征变化；用CCK-8法检测不同时间和质量浓度LPS对小肠类器官诱导炎症后增殖活力的影响；采用酶联免疫吸附试验检测4种不同质量浓度LPS（0、175、200、225 mg/L）在不同时间对类器官培养上清液中粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、白细胞介素（IL）-1α、IL-6、IL-10水平的影响。结果 初步构建了小鼠小肠类器官培养体系。不同时间和质量浓度LPS作用小肠类器官诱导炎症后，通过形态学观察到小肠类器官会有不同程度的膨胀和内腔凋亡现象的发生，受损的肠上皮中隐窝或肠干细胞的增殖分化和出芽数量也受到不同程度的抑制。小肠类器官在175~225 mg/L的LPS诱导24 h和48 h后，其增殖活力呈现不同程度的降低（P<0.05），但细胞活力仍大于50%。200 mg/L和225 mg/L的LPS诱导24 h和48 h后，IL-1α、IL-6和GM-CSF水平部分升高（P<0.05）；200 mg/L的LPS诱导24 h和48 h后，IL-10水平降低（P<0.05）。结论 本研究初步构建了不同质量浓度和时间的LPS诱导小肠类器官体外肠道炎症损伤模型，为今后肠道疾病的机制研究和有效药物的筛选提供了更为可靠的研究平台。 05 微乳头型肺腺癌类器官的构建及其靶向药物的筛选 姜忠敏1,2, 张春艳2,3,4, 刘敏1,2, 郑洁1,2, 李艳霞2,4, 仁青措4,5, 孟纬4,6, 刘晓智2,4 作者单位：1天津市第五中心医院病理科；2天津市早产儿器官发育表观遗传重点实验室；3天津市第五中心医院普通外科；4青海黄南藏族自治州人民医院高原特色医学研究所，5传染科，6骨科 摘要：目的 建立微乳头型肺腺癌类器官的培养方法，并开展靶向药物的筛选。方法 自确诊为微乳头型肺腺癌患者手术组织样本中提取和培养原代肺癌类器官，动态观察和记录肺癌类器官生长情况；苏木精-伊红（HE）染色法及免疫组化染色法比较肺癌类器官与亲本组织间肿瘤细胞形态及蛋白表达特征；实时荧光定量聚核酶链反应检测肺癌亲本组织和类器官中基因突变情况；基于基因检测结果挑选靶向药物并验证其体外抑瘤效果。结果 成功从微乳头型肺腺癌组织中培养出类球形肿瘤类器官，可传代至少3代。HE染色结果可见类器官中肿瘤细胞形态与亲本组织细胞基本一致；免疫组化染色结果显示肺癌类器官与亲本组织中各基因的蛋白表达水平大致相同；基因突变分析结果显示，肺癌亲本组织和类器官的突变基因结果一致，均体现为原癌基因酪氨酸蛋白激酶受体Ret（RET）融合突变。基于肺癌类器官的靶向药物筛选结果显示，凡德他尼的体外抑瘤效果最佳。结论 基于微乳头型肺腺癌类器官的药筛实验可在短时间内筛选出高效靶向药物，可使微乳头型肺腺癌患者从中获益。 06 类器官在癌症基础研究和临床转化中的应用 司吴雪蓉，蒋明 作者单位：浙江大学医学院第四附属医院遗传医学中心；浙江大学国际医学院遗传学研究所；浙江大学医学院和国家临床儿童医学中心消化科；浙江省遗传缺陷与发育障碍研究重点实验室 摘要：类器官是成体干细胞或多能干细胞体外三维培养形成具有特定结构的组织类似物，与对应的器官具有高度相似的组织特性和生理功能。肿瘤类器官能够很好地保留癌症患者体内肿瘤的组织学和突变特征，在构建肿瘤类器官样本库、重建肿瘤微环境、研究肿瘤的发生发展机制以及制定个性化治疗方案和药物筛选等方面发挥了重要的作用，但目前仍存在着一些因素限制了肿瘤类器官的进一步发展。综述类器官技术在肿瘤基础研究和临床转化中的应用及面临的挑战，并对未来肿瘤类器官的发展方向予以展望。 07 类器官在儿童遗传性疾病中的应用研究进展 雷敏1,2,3, 蔡春泉1,3,4 作者单位：1天津市儿童医院/天津大学儿童医院；2天津大学医学院；3天津市儿科研究所；4天津市儿童缺陷防治重点实验室 摘要：类器官是高度保留其来源组织器官特性的体外3D组织培养物，在生物医学领域得到了广泛的应用。类器官可以作为研究疾病的体外模型，有助于进一步了解疾病的病理生理和分子机制，为遗传性疾病的个性化治疗提供了技术支撑。该文将围绕类器官技术在儿童遗传性疾病中的应用，着重介绍其在模拟疾病模型、矫正遗传缺陷、个性化治疗方面的优势及潜在的发展前景，以期为后续研究提供参考。 08 脑类器官技术及在脑卒中治疗中的应用进展 孙可心1, 肖雨倩1, 万俊1, 陈淑颖1, 陈丽敏1, 王岩2, 白艳杰2 作者单位：1河南中医药大学；2河南中医药大学第一附属医院 摘要：脑类器官是一种由胚胎干细胞（ESCs）或诱导多能干细胞（iPSCs）诱导产生的三维神经培养物，能够模拟人脑的结构和功能。随着脑类器官培养技术的不断优化，并与器官移植、基因编辑和类器官芯片等新兴技术相结合，产生了功能性血管结构和神经回路等复杂脑组织结构，为研究人类大脑发育和疾病提供了新方法、新思路。就脑类器官技术的最新进展进行综述，阐述了其在神经系统疾病中的应用，以及在脑卒中建模和移植治疗中的进展。 专题主编 陈怀永，天津大学海河医院研究员，博士生导师，天津市肺脏再生医学重点实验室主任，中国科学院生物物理研究所博士毕业，美国杜克大学博士后。现利用类器官、疾病动物模型、临床样本和干细胞治疗手段探讨肺脏干细胞功能改变与支气管哮喘、肺纤维化和呼吸道感染发生发展的关系。主持参与国家/省部级科研项目19项，发表论文70余篇，其中SCI收录50余篇，国家授权发明专利2项，天津市科技进步二等奖2项。 学术兼职： 天津市医学会呼吸病学分会常委 中华医学会结核病学分会基础学组委员 天津市救援医学学会呼吸急救分会委员 天津市医学会结核病学分会委员 天津医学会罕见病分会委员 《天津医药》编委 END 免责声明：本文仅作知识交流与分享及科普目的，不涉及商业宣传，不作为相关医疗指导或用药建议。文章如有侵权请联系删除。 OTC2024类器官前沿应用与3D细胞培养论坛圆满落幕，点击图片可查看会后报告，咨询OTC2025类器官论坛请联系：王晨 180 1628 8769

引言 免疫检查点阻断（immune checkpoint therapy）疗法是一类通过阻断抑制T细胞活性的信号通路来提高抗肿瘤免疫反应的治疗方法【1】。其中最典型的靶点是CTLA-4和PD-1/PD-L1。该疗法对不同类型的癌症显示出明显疗效，彻底改变了肿瘤治疗的策略。美国免疫学家詹姆斯·艾利森 (James P Alison) 和日本免疫学家本庶佑 (Tasuku Honjo) 因在该领域的突出贡献共同荣获2018年诺贝尔生理学或医学奖。根据肿瘤中淋巴细胞的浸润程度，可将其分为“热肿瘤” 和“冷肿瘤”。热肿瘤中淋巴细胞浸润丰富因而对免疫疗法反应良好。冷肿瘤中缺乏免疫细胞浸润因而对免疫疗法具有抵抗性，是肿瘤免疫治疗面临的一大挑战【2】。 美国 MD Anderson Cancer Center陈曦教授实验室长期致力于内质网应激反应和蛋白质稳态和应激在免疫微环境和肿瘤耐药性中的功能，机制以及临床转化研究【3-9】。 2024年10月16日， 陈曦实验室（徐龙勇，彭方略和罗琴为本文共同第一作者）在Cell杂志在线发表了题为IRE1α silences dsRNA to prevent taxane–induced pyroptosis in triple-negative breast cancer的文章，首次报道了内质网应激反应介导三阴性乳腺癌免疫逃逸的分子机制。实验室前期的研究鉴定了针对IRE1α核糖核酸酶的特异抑制剂ORIN1001【6】，该抑制剂在一期临床试验中肿瘤患者耐受良好【10】。在这项研究中徐龙勇领导的团队发现内质网应激感受器IRE1α抑制紫衫类（taxane）化疗药引起的双链RNA（dsRNA）。靶向IRE1α同时组合taxane化疗药导致p53-/- 肿瘤细胞中dsRNA聚积并被dsRNA受体ZBP1蛋白识别后引起NLRP3-GSDMD介导的细胞热死亡-焦亡，从而导致肿瘤中大量淋巴细胞浸润和激活。这项研究表明该ORIN1001联合紫衫类化疗药可以把对免疫治疗抵抗的三阴性乳腺癌冷肿瘤转化成反应良好的热肿瘤。 据国家癌症中心统计乳腺癌近年来发病率逐年上涨，在女性恶性肿瘤中新发病率最高【11】。而其中的三阴性乳腺癌 （triple-negative breast cancer）恶性程度最高，预后最差。由于化疗药除了引起细胞凋亡等免疫沉默的冷死亡外还具有引起免疫性的热死亡的潜力，因此被用来增强肿瘤中的淋巴细胞浸润和免疫疗法的效果（化疗-免疫治疗联合）。然而决定化疗药引起热死亡的机制并不清楚，许多冷肿瘤的患者对化疗-免疫联合疗法仍然具有抵抗性【12,13】。为此该团队以三阴性乳腺癌患者肿瘤样品为模型，通过免疫染色发现紫衫类化疗药只在部分患者的肿瘤中引起淋巴细胞浸润。进一步的研究发现这部分患者的肿瘤细胞中IRE1α蛋白核糖核酸酶活性较低，其活性与肿瘤中化疗药引起的淋巴细胞浸润程度负相关。这些结果提示IRE1α可能调节紫衫类化疗药的免疫刺激作用。团队以多种基因改造小鼠三阴性乳腺癌为模型来检测这种假设。通过使用ORIN1001小分子抑制剂，在肿瘤细胞中特异敲低IRE1α或者构建不被ORIN1001结合的IRE1α突变体等遗传操作结合质谱流式（CyTOF）和单细胞测序等技术表明IRE1α抑制紫衫类化疗药的免疫刺激作用。ORIN1001组合taxane化疗不但显著增加冷肿瘤中的淋巴细胞浸润从而使其变成热肿瘤，而且明显提高浸润的CD8+ T细胞活性。虽然活化的T细胞会上调PD1并通过分泌IFN上调肿瘤微环境中的PD-L1这种负反馈来调节自己的活性，但是加入针对PD-1的阻断抗体可以打破这种负反馈从而发挥免疫治疗的作用来消除肿瘤。 在研究其中的机制的过程中，徐龙勇等发现白细胞介素1α（IL-1α）特异的在ORIN1001组合taxane化疗的肿瘤负荷小鼠血清中升高。以往的研究表明IL-1α在炎症小体（inflammasome）激活的情况下被分泌到细胞外【14】。通过电镜，免疫染色等方法结合小分子抑制剂和遗传操作，实验室确认了NLRP3炎症小体介导的GSDMD切割导致细胞焦亡，IL-1α分泌和肿瘤中淋巴细胞浸润。在众多激活NLRP3炎症小体的分子中ORIN1001组合taxane特异的在p53-/- 肿瘤细胞中引起dsRNA累积。有意思的是这些dsRNA并不是经典的转座子元件，而是来自编码基因并呈现非经典的左手螺旋 （Z-type dsRNA， Z-RNA）。ZRNA很少被ADAR修饰【15】，被细胞中的ZBP1蛋白识别后可以激活NLRP3炎症小体【16】。ORIN1001组合taxane引起的dsRNA可以引起ZBP1依赖的NLRP3炎症小体激活和细胞焦亡。序列分析和体外试验表明许多dsRNA是IRE1α核糖核酸酶的底物，IRE1α切割这些dsRNA后导致它们的降解。实验室还进一步探讨了ORIN1001组合taxane化疗只在肿瘤细胞中引起dsRNA累积的机制并发现肿瘤细胞中p53的缺失是关键因素。以上这些发现可以在三阴性乳腺癌患者肿瘤样品和病人来源肿瘤异种移植（Patient-derived tumor xenograft, PDX）模型中验证。这些研究详细阐明了肿瘤细胞如何利用IRE1α和p53来避免taxane化疗引起的危险信号和热死亡并进而逃避免疫系统攻击。 图一：IRE1α抑制化疗药引起的热死亡和免疫刺激（Credit: Cell） 综上所述，这项研究系统性的揭示了化疗药引起肿瘤细胞热死亡的可能方式以及肿瘤细胞通过内质网应激反应和p53抑制这种热死亡的具体机制，并为针对冷肿瘤的化疗-免疫治疗提供了新的策略 （图1）。通过ORIN1001靶向抑制IRE1α可以在p53 缺失的三阴性乳腺癌中有效增强taxane化疗药引起的dsRNA和热死亡，并引起淋巴细胞浸润和显著提高患者对免疫治疗的发应。 参考文献 1. Sharma, P., Goswami, S., Raychaudhuri, D., Siddiqui, B.A., Singh, P., Nagarajan, A., Liu, J., Subudhi, S.K., Poon, C., Gant, K.L., et al. (2023). Immune checkpoint therapy-current perspectives and future directions. Cell 186, 1652-1669. 10.1016/j.cell.2023.03.006. 2. Galon, J., and Bruni, D. (2019). Approaches to treat immune hot, altered and cold tumours with combination immunotherapies. Nat Rev Drug Discov 18, 197-218. 10.1038/s41573-018-0007-y. 3. Xu, L., Peng, F., Luo, Q., Ding, Y., Yuan, F., Zheng, L., He, W., Zhang, S.S., Fu, X., Liu, J., et al. (2024). IRE1α Silences dsRNA to Prevent Taxane–Induced Pyroptosis in Triple-Negative Breast Cancer. Cell (in press). 13656. doi:10.1016/j.cell.2024.09.032. 4. Lv, X., Lu, X., Cao, J., Luo, Q., Ding, Y., Peng, F., Pataer, A., Lu, D., Han, D., Malmberg, E., et al. (2023). Modulation of the proteostasis network promotes tumor resistance to oncogenic KRAS inhibitors. Science 381, eabn4180. 10.1126/science.abn4180. 5. Xu, L., Liu, X., Peng, F., Zhang, W., Zheng, L., Ding, Y., Gu, T., Lv, K., Wang, J., Ortinau, L., et al. (2020). Protein quality control through endoplasmic reticulum-associated degradation maintains haematopoietic stem cell identity and niche interactions. Nature Cell Biology 22, 1162-1169. 10.1038/s41556-020-00581-x. 6. Zhao, N., Cao, J., Xu, L., Tang, Q., Dobrolecki, L.E., Lv, X., Talukdar, M., Lu, Y., Wang, X., Hu, D.Z., et al. (2018). Pharmacological targeting of MYC-regulated IRE1/XBP1 pathway suppresses MYC-driven breast cancer. J Clin Invest 128, 1283-1299. 10.1172/JCI95873. 7. Liu, X., Yu, J., Xu, L., Umphred-Wilson, K., Peng, F., Ding, Y., Barton, B.M., Lv, X., Zhao, M.Y., Sun, S., et al. (2021). Notch-induced endoplasmic reticulum-associated degradation governs mouse thymocyte β−selection. eLife 10, e69975. 10.7554/eLife.69975. 8. Chen, X., and Cubillos-Ruiz, J.R. (2021). Endoplasmic reticulum stress signals in the tumour and its microenvironment. 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阿尔茨海默症（Alzheimer's Disease, AD）是一种主要影响老年人的神经退行性疾病，全球病例数量不断增加。近年来，肠道菌群失衡被认为与AD的发病机制密切相关，尤其是微生物代谢物对神经炎症的调控作用。然而，目前尚不清楚肠道微生物组和大脑中的神经炎症如何相互作用，或者这些相互作用如何影响大脑功能和认知。 近日，中国中医科学院赵海誉研究团队在Alzheimers Res Ther发表了题为Intestinal endogenous metabolites affect neuroinflammation in 5×FAD mice by mediating "gut-brain" axis and the intervention with Chinese Medicine的研究论文，揭示了肠道微生物群的改变对AD进展的重要影响，特别是在神经炎症和代谢调控方面的作用。研究发现，通过调控“肠脑轴”的代谢产物，可能为AD的治疗提供新的干预靶点。 1. AD进展与肠道菌群的改变 认知缺陷表现 5×FAD小鼠（转基因小鼠，简称Tg-M）在认知功能评估中显示出明显的认知缺陷，尤其在Y迷宫和莫里斯水迷宫（Morris Water Maze, MWM）测试中，定位平台所需时间显著长于野生型小鼠（Wild-Type Mice, WT-M）。 在MWM的探查试验中，Tg-M小鼠在目标象限的停留时间、移动距离和穿越平台的次数均低于WT-M小鼠。此外，尽管通常焦虑水平较高的动物在中心区域的探索时间较短，但Tg-M小鼠在该区域的停留时间是WT-M小鼠的2.4倍，且排泄的粪便量也显著增加。 雌性5×FAD小鼠（转基因小鼠，简称Tg-F）体重较低，表现出更高的死亡率和攻击性，其在认知任务中的表现显著低于同龄的Tg-M小鼠，尤其在MWM测试中潜伏期增加。 图1. AD小鼠认知缺陷和焦虑增加 CNS神经炎症 5×FAD转基因小鼠表现出加速的认知障碍、早期的淀粉样蛋白（Aβ）沉积以及突触退化，尤其在雄性小鼠的海马和皮层区域观察到快速的Aβ斑块积累。 ELISA检测显示，Tg-M小鼠大脑中三种Aβ（Aβ38、Aβ40、Aβ42）的浓度显著高于WT-M小鼠。免疫染色结果表明，5×FAD小鼠的大脑中活化的小胶质细胞和星形胶质细胞数量增加，尤其在Aβ斑块周围，这导致神经炎症和血脑屏障功能障碍。 此外，RT-PCR和Western blot分析发现主要组织相容性复合物II类（MHC-II）和促炎细胞因子（如IL-1α、TNF-α、MCP-1）的表达增加，抑制了小胶质细胞对Aβ的清除功能。与雄性小鼠相比，雌性Tg-F小鼠表现出更严重的神经炎症，其大脑中Aβ、IBA-1和GFAP水平显著提高。 图2. Aβ升高会诱发神经炎症 外周免疫系统变化 5×FAD小鼠在外周免疫系统中表现出明显的功能失调，尤其是Th1（CD3+CD8−INFγ+）、Th2（CD3+CD8−IL4+）和Th17（CD3+CD8−IL17α+）细胞在转基因小鼠（Tg-M）脾脏中的比例显著高于野生型小鼠（WT-M），而调节性T细胞（Treg, CD4+CD25+Foxp3+）的频率则降低。 Th1细胞被认为在阿尔茨海默症（AD）中具有有害作用，其水平升高与小胶质细胞激活、炎症因子表达增加、认知功能受损和突触可塑性紊乱相关。研究发现，尽管Tg-M小鼠的Th1和Th2细胞均有所增加，但Th1/Th2比率下降，表明外周炎症加剧可能导致Th1细胞的升高和Th2细胞的过度分泌，进而引发Th1/Th2失衡。Treg细胞在AD中起到神经保护作用，其暂时耗竭会加速认知障碍并促进小胶质细胞清除Aβ沉积。 图3. AD小鼠脾脏中免疫细胞的水平 抗生素诱导的肠道微生物组扰动影响了认知和神经炎症 抗生素（ABX）诱导的肠道微生物组扰动显著影响了5×FAD小鼠（Tg-M）的认知功能和神经炎症。16S rRNA基因扩增子测序显示，Tg-M小鼠粪便中的α微生物多样性显著增加，而PLS-DA分析揭示其肠道微生物组成发生了明显变化。ABX治疗导致Tg-M小鼠的α多样性急剧下降，并打破了肠道菌群的结构稳态，同时Aβ聚集减少，表明抗生素治疗促进了小胶质细胞的清除功能。 此外，ABX还降低了脑内MHC II类和炎症细胞因子（如IL-1α、TNF-α和MCP-1）的表达，可能重置了小胶质细胞的吞噬功能。ABX显著改善了Tg-M小鼠的认知障碍和焦虑，表现在MWM任务中的学习记忆提升和开放场测试中粪便排泄减少。这些结果表明，“肠脑轴”能够实现双向信息传递，且Tg-M小鼠的功能通路在氨基酸、碳水化合物和能量代谢等方面较WT-M小鼠更为丰富。 图4. 肠道微生物多样性的改变 2. 肠源性代谢物变化与氨基酸、碳水化合物和能量代谢的关系 短链脂肪酸（SCFAs）由肠道微生物发酵膳食纤维产生，调节能量代谢，并在微生物-肠-脑相互作用中发挥重要作用。 在Tg-M小鼠的粪便中，SCFAs产生菌的丰度显著变化，具体表现为有益菌如Erysipelotrichaceae和Bifidobacteriaceae的减少，以及Lachnospiraceae的增加。此外，Tg-M小鼠粪便中的哌啶酸（PA）水平下降，异丁酸（IBA）水平上升。纵向研究显示，Tg-M小鼠在9至11个月期间的粪便SCFAs水平快速增加，表明肠道微生物群的动态变化与SCFAs生成密切相关。 图5. AD小鼠粪便中 SCFA 的改变 3. 肠源性代谢物是肠脑轴的沟通中介 肠源性代谢物通过血液进入全身，影响大脑功能并在阿尔茨海默症等神经疾病中影响认知。使用气相色谱-串联质谱（GC-QQQ-MS）和液相色谱-串联质谱（LC-QQQ-MS）研究发现，5×FAD小鼠（Tg-M）的大脑中短链脂肪酸（SCFAs）水平与小胶质细胞激活呈正相关，且Tg-M小鼠的粪便、血清和脑组织中IBA水平高于野生型小鼠（WT-M）。 外周血中丙氨酸、色氨酸、牛磺酸等氨基酸水平显著增加，同时大脑中的丙氨酸、甲硫氨酸、GABA等浓度也显著升高。Tg-M小鼠表现出葡萄糖代谢障碍和线粒体功能障碍，PICRUSt分析预测其能量代谢出现障碍。在Tg-M小鼠中，丙酮酸水平显著升高，而柠檬酸和琥珀酸水平则显著降低，且外周和大脑中的代谢物变化趋势一致。这些结果表明，缺氧加重的线粒体功能障碍与Tg-M小鼠中脂质过氧化增加的现象相关。 图6. AD小鼠外周血和脑内源性代谢物的变化 4. 黄连解毒汤（HLJDD）通过调节肠道微生物代谢缓解AD小鼠的神经炎症 在对5个月大的雄性5×FAD小鼠进行六个月的HLJDD治疗后，研究发现其认知障碍和焦虑显著改善，表现为莫里斯水迷宫（MWM）测试中的学习和记忆能力提升，以及开放场测试中排便量减少。 HLJDD通过降低由Aβ和免疫细胞相互作用引发的炎症因子（如IL-1α和INF-γ）分泌，缓解了神经炎症。分析显示，HLJDD重塑了小鼠的肠道微生物结构，增加了SCFA产生菌的丰度，并降低了SCFAs的整体水平。HLJDD组的SCFAs水平与某些细菌群体呈负相关，而与其他细菌群体呈正相关。 此外，HLJDD还提高了粪便中胆碱水平，降低了色氨酸、GABA、牛磺酸和亮氨酸的含量，并通过调节外周免疫细胞（降低Th1和Th2细胞，增加Treg细胞）进一步改善了5×FAD小鼠的神经炎症和认知功能。 小结 总体而言，本研究探讨了肠道微生物群的改变如何影响阿尔茨海默症（AD）的进展，结果显示5×FAD小鼠在认知测试中表现出明显的缺陷，伴随脑中Aβ沉积和神经炎症的加重。 研究发现，短链脂肪酸（SCFAs）产生菌显著减少，而异丁酸等代谢物浓度升高，这些变化与神经炎症和认知功能下降密切相关。同时，外周免疫系统中的Th1细胞比例增加，调节性T细胞（Treg）比例减少，导致免疫失衡。 这些结果强调了“肠脑轴”在AD进展中的关键作用，表明通过调节肠道微生物及其代谢产物可能为AD的干预提供新的治疗靶点，为未来研究与临床应用奠定了基础。 参考文献： Gu X, Fan M, Zhou Y, et al. Intestinal endogenous metabolites affect neuroinflammation in 5×FAD mice by mediating "gut-brain" axis and the intervention with Chinese Medicine. Alzheimers Res Ther. 2024;16(1):222. Published 2024 Oct 14. doi:10.1186/s13195-024-01587-5 本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！ 点击下方「阅读原文」，前往生物谷官网查询更多生物相关资讯~