编者按：
在我们的肠道中生活着数以万亿计细菌，比我们体内的细胞还要多出10倍。最新研究表明，肠道微生物群落在肠道免疫中起着重要作用。然而，微生物群对免疫系统影响的证据大多来自小鼠模型或人类相关研究，而对于药物干扰微生物群对人类在疾病和健康期间的生理状态的影响，目前还没有深度的研究。
近期，来自美国斯坦福大学的 Thomas Hagan 研究团队在 Cell （IF=36.216）发表了题为“Antibiotics-Driven Gut Microbiome Perturbation Alters Immunity to Vaccines in Humans”的文章。通过转录组学、代谢组学和16S rRNA 技术，证明由抗生素驱动的微生物群结构变化可能影响健康成年人对疫苗的免疫反应，这对临床实践和公共卫生领域具有重要意义，并使人们能更好的理解肠道微生物和我们免疫系统之间的调控作用的机制。
方法流程
研究结果
1.抗生素导致肠道细菌负荷降低和细菌多样性变化为了研究肠道微生物群在流感疫苗产生的免疫反应中的作用，作者招募了22名健康的成年人进行抗生素治疗（图1A）。在使用抗生素后1个月，微生物群落组成发生了显着变化，其中占主导的肠杆菌科在抗生素使用后前3天和第7天显着下降(图1E)。而毛螺菌科、瘤胃菌科、拟杆菌科等在使用抗生素后显着下降后并逐渐恢复到基线水平(图1E)。通过样本间多样性的主坐标分析(PCoA)发现实验组和对照组在180天后仍有很大差异(图1F)，说明物种丰富度和细菌多样性在6个月内并没有完全恢复，细菌物种的多样性发生长期改变（图1G）。
图1抗生素使用对健康成年人肠道微生物群的影响
2.抗生素对流感疫苗抗体反应的影响
作者接下来通过评估血清的抗体反应，发现抗生素诱导的肠道生态系统扰动并未显着改变流感灭活疫苗（TIV）特异性抗体中和同源疫苗的能力（图2A）。为确定是否是由于预先存在的流感免疫力所导致，作者重新招募了11名三年内没接受过疫苗注射的受试者，发现抗生素使获得性免疫水平显着下降（图2C）。说明在没有预先存在的免疫反应的情况下，肠道微生物群落的扰动会减弱对流感疫苗接种的抗体反应。
图2 抗生素治疗对流感疫苗抗体的影响
3.抗生素在血液中诱导促炎症的转录和细胞反应
作者为了研究单独使用抗生素是否能引起血液转录组的变化，基于第0天抗生素治疗受试者基因表达的变化进行富集分析(图3A)。作者发现在使用抗生素后，大量血液转录模块（BTMs）的表达发生了变化，包括炎症信号的增加和树突状细胞的激活以及 B 细胞和细胞周期相关表达减少。在整个抗生素治疗过程中，受试者和对照组人群中这些模块的表达都有所增加，并且在停止使用抗生素后开始恢复到控制水平，结果表明这些变化由抗生素引起的肠道微生物群紊乱造成。
图3对抗生素的转录和细胞反应
4.抗生素会扰乱血液代谢组
作者通过非靶向代谢组学发现实验组的代谢组数据相对于对照组表现出较大的扰动（图4A）。富集分析显示抗生素诱导的胆汁酸代谢和色氨酸代谢发生明显改变（图4B），实验组血清中的初级胆汁酸水平升高而次级胆汁酸降低（图4C）。之后发现对照组和实验组接种疫苗后的代谢变化在第1天达到峰值(图4A、D)，而第7天后其变化仍然较大。作者检查了接种疫苗后的富集代谢途径后，发现两组之间的富集代谢途径几乎没有重叠(图4E)。说明抗生素显着改变了血液中流感疫苗的代谢反应。
图4抗生素和流感疫苗对血液代谢组的影响
5.受试者中次级胆汁酸的扰动与 NLRP3 炎症小体信号转导升高有关
转录组学和代谢组学数据的综合分析显示，在抗生素治疗后诱导的个体二级胆汁酸水平和图3中鉴定的许多炎症 BTM 之间存在显着的负相关（图5A）。在抗生素治疗后血浆中与炎症反应关联最强的的石胆酸（LCA）减少了 1,000 倍（图5E），它参与的 AP-1 信号传导的模块 M35.0 在受试者接种疫苗后上调（图5C），但在对照组中下调（图5D）。LCA 是胆汁酸受体 TGR5 的最有效的兴奋剂，并且研究显示 TGR5 信号传导抑制小鼠中 NLRP3 炎症小体的活化。这些发现突出了微生物组可能调节人类炎症反应的潜在机制。
图5 受试者中次级胆汁酸的扰动与 NLRP3 炎症小体信号转导升高有关
6.肠道微生物群通过不同的途径调节炎症信号
作者通过转录、代谢、微生物数据，构建了一个细菌-代谢物关联占主导地位的响应网络以确定抗生素使用和流感疫苗接种期间多个组学数据之间的关系(图6A、B)。抗生素使用导致肠道微生物群发生改变进而降低了次级胆汁酸的水平，这与作者之前的分析一致。而 LCA 的减少与转录簇 G3 的增加之间存在很强的负相关，G3 包含许多 BTMs ，参与炎症反应、树突状细胞活化和 AP-1 信号转导。此外，LCA 还与富含胆汁酸生物合成的代谢物簇 M79 密切相关，这表明作者的非靶向代谢组学分析能够准确地捕捉到微生物群扰动所改变的代谢通路。LCA 的变化与粪便中的细菌负荷、鞭毛蛋白和 LPS 含量密切相关(图6D)，且 H1N1 特异性 IgG1 的丰度也与抗生素治疗后鞭毛蛋白的减少显着相关(图6E)。这些结果表明，由抗生素驱动的肠道关键菌群扰动在调节炎症信号等方面具有独特的功能。
图6 肠道微生物群在调节炎症信号等方面具有独特的功能
小编总结
本研究通过16S rRNA 测序发现抗生素的使用会使人体肠道微生物多样性发生长期改变，这种对肠道微生物群落的长期改变会削弱对流感疫苗接种的抗体反应。通过血液转录组学证实了抗生素的使用时造成肠道微生物群发生改变的原因，并经过血浆代谢组学发现抗生素的使用会显着改变血液中流感疫苗的代谢反应，次级胆汁酸的水平降低。结合转录组和代谢组数据发现抗生素治疗后，次级胆汁酸水平降低有助于抑制炎症小体的活化，这有利于揭示微生物组对炎症调节的潜在机制。
参考文献：
Hagan T,Cortese M,Rouphael N,et al.Antibiotics-DrivenGutMicrobiomePerturbationAlters
ImmunitytoVaccinesinHumans[J].Cell. Sep 5;178(6):1313-1328.e13.
◆你胖的健康吗？肠道菌群告诉你◆【Nature+Nat.Med.】两大顶级期刊揭示蛋氨酸在肿瘤代谢中的神奇作用◆代谢组+宏基因组+转录组：探究生物结皮中微生物群落与代谢物的关系
END
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