Nat Medicine

敏君 BioArt 2019-07-23

腸道微生物是宿主代謝、免疫以及神經內分泌等途徑的關鍵調控因素，與肥胖、Ⅱ型糖尿病、心血管疾病、非酒精性脂肪肝、癌症以及抗腫瘤治療反應等有著密切聯繫【1-4】。儘管已有研究探索了微生物群組在長壽人群中的特徵，然而腸道微生物在加速老化症候群中發揮的作用仍知之甚少。

2019年7月22日，來自西班牙奧維耶多大學的Carlos López-Otín教授團隊在Nature Medicine發表題為Healthspan and lifespan extension by fecal microbiota transplantation into progeroid mice的文章，以Hutchinson–Gilford早衰症（HGPS）小鼠模型、HGPS和Nestor–Guillermo早衰症（NGPS）患者以及百歲老人為對象，研究了不同類群的腸道微生物特徵，發現小鼠早衰症模型和早衰症患者的腸道微生物失調，野生型供體的糞菌移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT）能夠延緩早衰受體的加速衰老表型並延長壽命，腸道菌群中Akkermansia屬具有有益功效，經口灌胃疣微菌門Akkermansia muciniphila能夠延長早衰小鼠的壽命。

為探究早衰症與腸道微生物的相關性，作者分別對3個年齡階段（包括1月、4月和22月，分別簡稱1mo、4mo和22mo）的野生型（Wild Type, WT）和HGPS小鼠模型LmnaG609G/G609G進行腸道宏基因組分析，比較發現小鼠組內菌群的多樣性與豐富性均無差異，而LmnaG609G/G609G 4mo小鼠表現出組間差異聚類。隨後，作者用線性判別分析（linear discriminant analysis effect size, LEfSe）的方法對不同分組條件小鼠的腸道細菌類群百分比進行估算，並通過qPCR驗證了LmnaG609G/G609G小鼠中Escherichia和Akkermansia的變化。WT 22mo小鼠的少部分腸道微生物表現出失調趨勢，唯一顯著的變化是Rikenella減少，這與LmnaG609G/G609G 4mo小鼠的組內分析一致。LEfSe分析微生物群組改變在早衰小鼠中的功能，發現致病性細菌相關的KEGG通路發生上調，多種代謝途徑發生差異富集。隨後，作者利用另外一種早衰小鼠模型Zmpste24-/-，確認了腸道失調與早衰症的關聯。

為探究腸道失調是否存在於人類早衰症中，作者從4個患HGPS的兒童和1個患NGPS的兒童以及他們健康的兄弟姐妹和母親獲得糞便樣品，發現早衰患者與其對照相比alpha-diversity與beta-diversity無區別。不同家庭組之間樣品比較，發現在定量和定性水平存在差別聚類，這與先前的研究一致【5, 6】

鑑於在小鼠和早衰症患者中觀察到的腸道微生物群變化，作者設想壽命較長的個體 （即百歲老人) 可能擁有有益於健康的微生物群。在對一組百歲老人以及健康對照進行宏基因組分析後，發現百歲老人的alpha-diversity以及細菌丰度均較低，在定量和定性水平beta-diversity指數存在差別聚類，表明百歲老人有著不同的微生物群落結構。LEfSe分析表明百歲老人腸道中存在較少的Betaproteobacteria以及較多的Synergistia和Verrucomicrobiae。這些結果與之前報道的百歲老人中Akkermansia和Christensenellaceae丰度上升，Roseburia丰度降低的研究結果一致。

為探究腸道微生物群的變化是否伴隨著HGPS小鼠的衰老加速，作者在四組小鼠中進行糞菌移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT），以野生型對照小鼠作為微生物群供體，LmnaG609G/G609G小鼠作為受體，同時也將較大月齡的LmnaG609G/G609G小鼠腸道微生物（oG609Gmic）群移植至較小月齡的LmnaG609G/G609G小鼠，即植入更惡化表型的早衰小鼠。野生型小鼠腸道微生物（WTmic）移植至LmnaG609G/G609G小鼠（LmnaG609G/G609G-WTmic）後，移植小鼠表現出體重和體溫下降的延遲，且未發生表型依賴性的低血糖，腎血管周圍纖維化程度也出現減輕，此外，腸道炎症標誌物的增加有所恢復。oG609Gmic移植至LmnaG609G/G609G小鼠後（LmnaG609G/G609G-oG609G），一些標誌物的表達出現下調，證明FMT本身可能是有益的。LmnaG609G/G609G野生型小鼠的壽命延長，生存率上升，而LmnaG609G/G609G-oG609Gmic小鼠的壽命和生存率均降低。最後，為了評估類早衰菌群的潛在致病性，作者還將年齡較大的LmnaG609G/G609G供體FMT植入WT小鼠 (WT- og609gmic)中，通過比較各組的宏基因組表達譜，驗證腸道定殖的有效性。結果作者並未在WT-oG609Gmic小鼠中發現早衰相關特徵，但這種做法導致代謝穩態發生了變化，包括體重增加，葡萄糖水平上升，O2消耗和CO2產量下降以及能源消耗降低。

為驗證上述結果，作者將正常小鼠的微生物移植到Zmpste24-/-小鼠體內，發現移植後小鼠表現出較不明顯的頸胸前凸畸形、體型增大以及梳毛行為，高血糖症狀也得到了緩解。與移植正常小鼠微生物的小鼠類似，該小鼠生存率上升，壽命增加。

在人類和小鼠的腸道微生物宏基因組分析中均獲得一致結果，即A. muciniphila在LmnaG609G/G609G 4mo小鼠中丰度降低，在百歲老人樣本中增加。因為這種細菌在其他模型中發揮了有益的作用【7, 8】，作者將A. muciniphila經口灌胃LmnaG609G/G609G小鼠，發現小鼠壽命延長，表明這種菌對衰老加速具有延緩作用。與先前研究結果一致，補充A. muciniphila能夠誘導迴腸表達Reg3g，有利於腸粘膜層的增厚。並且腸道三葉肽因子Tff3表達增加，能夠促進粘膜層的癒合與修復。

圖 1

最後，為探究FMT延長LmnaG609G/G609G小鼠壽命的潛在機制，作者對WT、LmnaG609G/G609G和LmnaG609G/G609G-WTmic小鼠迴腸內容物進行了代謝組學分析，發現次生膽汁酸生物合成通路中代謝物富集（圖1a）。與WT小鼠相比，LmnaG609G/G609G小鼠膽汁酸減少，更進一步研究發現其迴腸中單糖阿拉伯糖和核糖、核苷肌苷和醚磷脂PCae（18:0）含量降低，這些在移植WTmic後的小鼠中均得到恢復（圖1b, c，圖2）。

圖 2

FMT能夠調節人類和小鼠的肥胖和新陳代謝，緩解患者的代謝綜合徵，對於耐受性免疫檢查點抑制劑相關結腸炎以及Clostridium difficile的反覆感染均有治療效果【9, 10】。本研究表明，對腸道微生物進行干預能夠促進健康並延長壽命。A. muciniphila移植可延長早衰症患者的壽命，從而擴展了先前關於Akkermansia spp. 促進哺乳動物以及老齡小鼠健康狀態的研究【11】。以往的研究表明，FMT治療艱難梭菌C. difficile複發性感染依賴於膽汁酸代謝的重建，而抗生素導致的微生物群減少也抑制了次級膽汁酸庫，而重要的是，次生膽汁酸是由腸道微生物群產生的，並與Akkermansia水平密切相關。膽汁酸能調節代謝和抗炎信號，其在LmnaG609G/G609G mice中減少，通過FMT恢復次級膽汁酸和其他代謝物（阿拉伯糖、核糖、肌苷)水平，有助於改善早衰小鼠的健康狀態並延長其壽命。

在未來的工作中，進一步確定一些在早衰症發生中發揮重要作用的腸道菌種類及其代謝物，並明確利用FMT改善健康狀態和延長壽命的功能機制及其適用性，具有重要的理論和臨床意義。

參考文獻

1. Koeth, R. A. et al. Intestinal microbiota metabolism of l-carnitine, a nutrient in red meat, promotes atherosclerosis. Nat. Med. 19, 576–585 (2013).

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4. Zitvogel, L., Daillere, R., Roberti, M. P., Routy, B. & Kroemer, G. Anticancer effects of the microbiome and its products. Nat. Rev. Microbiol. 15, 465–478 (2017).

5. Rothschild, D. et al. Environment dominates over host genetics in shaping human gut microbiota.Nature 555, 210–215 (2018).

6. Lloyd-Price, J. et al. Strains, functions and dynamics in the expanded Human Microbiome Project.Nature 550, 61–66 (2017).

7. Gopalakrishnan, V. et al. Gut microbiome modulates response to anti-PD-1 immunotherapy in melanoma patients. Science 359, 97–103 (2018).

8. Routy, B. et al. Gut microbiome influences efficacy of PD-1-based immunotherapy against epithelial tumors. Science 359, 91–97 (2018)

9. Wang, Y. et al. Fecal microbiota transplantation for refractory immune checkpoint inhibitor-associated colitis. Nat. Med. 24, 1804–1808 (2018).

10. van Nood, E. et al. Duodenal infusion of donor feces for recurrent Clostridium difficile. N. Engl. J. Med. 368, 407–415 (2013).

11. Bodogai, M. et al. Commensal bacteria contribute to insulin resistance in aging by activating innate B1a cells. Sci. Transl. Med. 10, eaat4271 (2018).

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