摘要
研究背景
人源菌群关联(HMA)模型被用于研究人类肠道微生物组对宿主生理的影响。早期微生物群的改变与儿童过敏发展相关。本研究通过建立两代HMA小鼠模型,研究来自不同过敏风险婴儿的人源微生物群在小鼠及其后代中的定植情况,以及其对宿主代谢组的影响。
研究方法
采用两代HMA小鼠模型,对19名婴儿(分三组)的粪便样本进行移植:高遗传过敏风险但未发病组(non-AAM,n=6)、高遗传风险且发病组(AAM,n=6)、低风险对照组(n=7)。追踪微生物群从接种到后代的演替轨迹,并通过代谢组学分析小鼠后代肠道器官和血清中的代谢谱,同时与人源样本进行对比。
研究结果
人源微生物群在小鼠中适应宿主环境后仍保持原始样本的组成特征。这种微生物差异反映在后代代谢组中,表现为鞘脂类、酰基肉碱和色氨酸代谢物的组间差异。小鼠后代的代谢特征与对应婴幼儿粪便水提取物高度一致,特别是AAM组在肠道内容物、肝脏和血清中呈现更高水平的神经鞘磷脂(SM)和特定神经酰胺(Cer),而non-AAM组则积累乳糖基神经酰胺(LacCer)和二氢神经酰胺(DhCer)。
研究结论
早期微生物群对宿主代谢组具有深远影响,两代HMA模型可有效研究微生物群-代谢组相互作用。过敏易感个体的微生物群可能导致代谢网络紊乱,而健康菌群通过促进免疫调节代谢物(如吲哚乳酸)的产生维持免疫稳态。
背景
宿主生理与肠道菌群相互作用的研究表明,特定微生物组成与过敏等疾病相关。尽管如此,建立人源菌群与疾病的因果关系仍具挑战。HMA模型通过将无菌小鼠接种人源粪菌,为研究人源微生物提供了有效工具。本研究创新性地采用两代模型,克服了传统HMA模型中微生物适应不良的问题,揭示了早期微生物群对免疫发育的长期影响。
方法
实验动物
在卡罗林斯卡学院无菌中心饲养无菌C57BL/6小鼠,采用标准化饲料并定期进行无菌检测。通过16S rRNA扩增子测序跟踪微生物群变化。
人源样本
研究来自长期队列的健康足月母乳喂养婴儿粪便样本,按过敏风险分为三组:
- non-AAM组:6名高过敏风险但未发病婴儿(2周龄时收集)
- AAM组:6名高风险且2岁前发病的婴儿
- 对照组:7名低风险婴儿
实验设计
将三组粪便池接种到无菌小鼠(每组3-4只母鼠),6周后繁殖建立F1代。通过代谢组学分析后代肠道内容物、肝脏、脂肪组织和血清中的代谢物,同时制备婴幼儿粪便水提取物刺激人外周血单核细胞(PBMCs)进行免疫学检测。
结果
微生物群与代谢组的免疫调节作用
non-AAM和AAM组的粪便水提取物呈现显著代谢差异:
- non-AAM组吲哚乳酸(ILA)等色氨酸代谢物水平更高(P<0.01)
- AAM组长链酰基肉碱含量显著增加(P<0.001)
PBMC刺激实验显示:
- AAM组显著激活Th1(IFNγ)、Th2(IL-13)和Th17(IL-17A/22)反应(P<0.0001)
- non-AAM组呈现调节性免疫特征(IL-10和IL-6升高,P<0.01)
微生物群演替轨迹
三组微生物群在小鼠中呈现独特演替模式:
- AAM组向Hungatella、Clostridioides方向演替(P<0.001)
- non-AAM组富集Bifidobacterium和Lacticaseibacillus
- 对照组微生物多样性最高(α多样性恢复率达57%)
鞘脂代谢特征
- AAM组肝脏中SM(d18:1/16:0)水平比non-AAM组高1.8倍(P=0.017)
- non-AAM组肠道内容物LacCer(d18:1/16:0)丰度显著升高(P=0.034)
- S1P(鞘氨醇-1-磷酸)与Enterobacter呈负相关(r=-0.72, P=0.003)
极性代谢物差异
- AAM组肠道组织色氨酸浓度降低42%(P=0.021),而组胺水平升高(P=0.014)
- non-AAM组肝脏中S-腺苷甲硫氨酸(SAM)含量增加(P=0.028)
- 三甲胺氧化物(TMAO)与Bifidobacterium呈正相关(r=0.68, P=0.007)
讨论
微生物群适应性
尽管物种和饮食差异导致微生物群在小鼠中发生适应性改变(α多样性下降50%),但原始菌群特征仍显著影响代谢组。例如,non-AAM组中高丰度的Bifidobacterium与调节性T细胞分化相关,而AAM组的Enterobacter富集与Th17反应增强有关。
代谢物-免疫轴
本研究首次揭示:
- 吲哚代谢物通过AhR调节肠道稳态
- 鞘脂代谢异常与过敏炎症相关
- 三甲胺代谢物作为菌群-宿主互作新标志
研究局限
- 小鼠模型存在人源菌群适应瓶颈
- 未进行多组学校正分析
- 短链脂肪酸检测灵敏度受限
结论
两代HMA模型有效揭示了早期微生物群对宿主代谢的长期影响。研究发现特定微生物(如Bifidobacterium)通过调节鞘脂代谢和AhR配体生成,维持免疫耐受。这些发现为基于菌群干预的过敏预防策略提供了新靶点。
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