郭浩等揭示肠道微生物菌群和代谢产物在电离辐射模型中的保护作用

来源：BioArt

电离辐射可以引起造血系统，肠道系统以及心脑血管神经系统的多器官损伤【1-3】。放射治疗在临床上被广泛用于治疗多种肿瘤。但是由于放射射线不仅可以杀死癌细胞，还会对周围的正常细胞和组织造成损伤，因此放疗经常会引起各种副作用，比如疲劳，恶心，呕吐和腹泻等等。另外，核电站泄露或核武器也会释放大量的辐射，造成极大的社会隐患。因此，研究预防和治疗辐射引起的损伤是一项重大科研和国防研究的方向。

2020年10月30日，美国北卡罗拉纳大学教堂山分校的Jenny P.Y. Ting 团队（郭浩博士为论文一作）在Science在线发表研究长文Multi-omics analyses of radiation survivors identify radioprotective microbes and metabolites，发现在致死剂量的全身性辐射模型中，肠道微生物菌群，特别是Lachnospiraceae和Enterococcaceae可以保护小鼠抵抗辐射引起的造血系统和肠道系统的损伤，从而在致死剂量的辐射后存活下来。并且这些有益的微生物在放疗副作用轻微的白血病病人的粪便中含量显著提高。通过靶向性以及非靶向性代谢组学研究，他们发现短链脂肪酸，特别是propionate，以及色氨酸通路中的代谢产物也可以在小鼠中起到显著地保护辐射损伤的作用【4】。研究人员首先发现，在使用了致死剂量的辐射小鼠模型中，虽然大部分的C57BL/6 小鼠都会在辐射之后的30天内死亡，但是仍然有少量的小鼠可以存活下来。并且这部分小鼠一旦度过了最初的30天危险期，那么他们可以和没有接受过辐射的普通小鼠一样存活长达两年的时间。研究人员将这部分小鼠称为“精英存活小鼠”并且收集了他们的粪便进行16s核糖体RNA的测序。与同年龄的对照小鼠相比，“精英存活小鼠”的肠道菌群有很明显的不同。

随后，研究人员通过多种不同的菌群干扰实验来直接验证肠道菌群是否可以影响机体对于辐射的反应。在“dirty-cage sharing”实验中，作者将“精英存活小鼠”和同年龄的对照小鼠使用过的脏笼子收集起来，用来饲养SPF的recipients。每一周他们都会将recipients转移到相对应的新鲜dirty cage中。经过8周的dirty-cage sharing,对recipients进行致死剂量的辐射。接受了“精英存活小鼠”脏笼子饲养后的recipients对致死剂量辐射具有了明显的抵抗效果，30天内生存率达到了70%。相反，接收对照组脏笼子饲养的recipients，30天存活率仅为20%左右。另外，作者分别利用SPF小鼠和Germ-free无菌小鼠进行了粪菌移植实验。他们直接收集了“精英存活小鼠”和对照小鼠的粪便，并将粪便处理物通过灌胃的方法转移到受体小鼠中。接收“精英存活小鼠”粪便移植的SPF小鼠和GF小鼠都表现出明显的抗辐射效果。作者同时也检测了两种受体小鼠中肠道菌群的组成，发现二者存在巨大差异。并且通过LDA effect size analysis，他们找出了8种在“精英存活小鼠”受体组显著升高的细菌以及5种显著下降的细菌。那么作者推测，这些在“精英存活小鼠”受体组显著升高的细菌就可能是使机体对辐射有抵抗效果的“有益菌”，相反在“精英存活小鼠”受体组显著下降的细菌则可能是“有害菌”。

那么，这些肠道菌群对辐射的影响在人体内是否也成立呢？作者联合杜克大学以及纪念斯隆-凯特琳癌症中心的实验室，一起进行了一个小型临床研究。他们收集了一些白血病病人的粪便并进行了16s核糖体RNA测序。由于腹泻是放疗之后常见的副作用，他们根据病人腹泻的持续时间，将病人样本分为轻度腹泻和重度腹泻两组。通过肠道菌群的分析发现，在轻度腹泻病人中，Lachnospiraceae，Enterococcaceae以及Lactobacillaceae这三种在小鼠中可能的“有益菌”数量明显高于重度腹泻的病人。Lachnospiraceae的数量与病人腹泻时间存在显著地负相关性。因此，作者推断在人体中，这些可能的“有益菌”也可以帮助病人降低放疗引起的副作用。

随后，作者挑选了三种可能的“有益菌”，三种可能的“有害菌”以及一种最著名的益生菌Lactobacillus rhamnosus, 进行了单一菌株的体内实验。作者发现，Lachnospiraceae对小鼠的保护作用作为明显。并且，通过组织学分析，Lachnospiraceae极大地降低了辐射对于造血系统和肠道系统造成的损伤。骨髓和脾脏的组织结构和细胞死亡得到了极大地保护。大肠和小肠的损伤以及肠道渗透性也明显降低。

由于Jenny Ting课题组和其他课题组已经报道过，Lachnospiraceae可以产生大量的短链脂肪酸【5,6】，并且短链脂肪酸是调节机体免疫反应和炎症反应的重要物质【7,8】，因此，作者检测了三种短链脂肪酸对辐射的影响。他们发现，在接受了propionate处理后，小鼠可以有效地抵抗致死剂量辐射带来的造血系统和肠道系统的损伤，生存率也得到了极大的提高。作者同时检测了骨髓中造血干细胞和祖细胞的比例，发现propionate处理小鼠要远高于对照小鼠。另外，辐射所导致的DNA损伤与活性氧的释放，在propionate处理后也明显降低。

最后，作者通过非靶向性代谢组学研究发现了一系列的代谢产物在“精英存活小鼠”的粪便中含量显著提高。其中，升高最为明显的是色氨酸代谢通路的成员。作者选取了indole-3-carboxaldehyde (I3A)和kynurenic acid (KYNA)进行了体内验证。研究显示，这两种色氨酸代谢产物都可以极大地提高辐射后小鼠的生存率。

肠道菌群和代谢产物介导保护辐射损伤

总结来说，本研究发现了一个可以帮助机体抵抗辐射的肠道微生物菌群-代谢产物网络。在C57BL/6小鼠中存在一小部分“精英存活小鼠”，他们可以抵抗致死剂量的辐射。“精英存活小鼠” 的肠道菌群组成和普通小鼠不同，他们的肠道中含有大量的Lachnospiraceae等“有益菌”。这些“有益菌”通过产生大量的短链脂肪酸和色氨酸代谢通路的代谢产物来促进造血发生以及肠道损伤修复，从而帮组机体抵抗辐射引起的损伤和死亡。