基于腸-肺軸探討富氫水緩解哮喘氣道炎癥的作用和機(jī)制

文章來源：admin發(fā)布日期：2024-09-21 09:27瀏覽次數(shù)：

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支氣管哮喘是一種常見的慢性呼吸道炎癥性疾病,對患者的生活質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響,甚至危及生命。支氣管哮喘的本質(zhì)是由多種細(xì)胞(如嗜酸性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、氣道上皮細(xì)胞、肥大細(xì)胞等)和細(xì)胞組分參與的氣道慢性炎癥,其免疫應(yīng)答機(jī)制涉及2型和非2型炎癥,大部分患者表現(xiàn)為2型炎癥,主要特征是血清炎癥因子IL-4、IL-5、IL-13和Ig E的升高。近年來,隨著高通量檢測技術(shù)和生物信息學(xué)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)腸和肺之間存在遠(yuǎn)距離雙向調(diào)節(jié)機(jī)制,即“腸-肺軸”。腸道微生物和代謝物在“腸-肺軸”中扮演著重要的角色。“腸-肺軸”的失調(diào)與包括哮喘在內(nèi)的慢性呼吸道疾病發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān),并且已經(jīng)證明多種中藥或中藥提取物可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群和代謝物緩解哮喘氣道炎癥。富氫水是指使用高壓溶解、電解水和納米氣泡溶氫等手段生成的含有高濃度氫氣的水,具有便攜性、易用性和安全性。研究表明,富氫水在腸道炎癥性疾病、眼科疾病、腦部疾病、缺血再灌注損傷和慢性呼吸道炎癥性疾病中具有抗氧化、抗凋亡和降低炎癥因子水平的作用。既往人們認(rèn)為富氫水通過清除氧自由基和調(diào)控信號通路發(fā)揮作用,而近期的研究表明,富氫水可以調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)從而影響菌群相關(guān)代謝物的產(chǎn)生,因此我們推測富氫水可能通過腸道菌群和代謝物緩解支氣管哮喘氣道炎癥。

研究目的: 本研究旨在哮喘小鼠動物模型中探索富氫水對氣道炎癥的影響,探究富氫水對哮喘小鼠腸道菌群和血清代謝物的調(diào)節(jié)作用,通過體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證富氫水可通過“腸-肺軸”改善哮喘氣道炎癥,并初步闡明機(jī)制。研究方法: 我們采用屋塵螨腹腔注射致敏和氣道滴入激發(fā)的方法,構(gòu)建哮喘小鼠模型。通過肺組織病理染色、黏蛋白5AC免疫熒光染色和ELISA法檢測血清炎癥因子,評估模型的有效性。另一組哮喘小鼠在激發(fā)期間接受富氫水灌胃,探討富氫水對氣道炎癥的影響。同時,我們還設(shè)置了陰性對照組。我們利用16S r RNA擴(kuò)增子測序分析小鼠腸道菌群,代謝組學(xué)檢測小鼠血清代謝物,研究哮喘小鼠模型建立和富氫水干預(yù)后腸道菌群和血清代謝物的變化情況,并使用生物信息學(xué)手段篩選出優(yōu)勢差異腸道菌群和關(guān)鍵代謝物,將它們與哮喘氣道炎癥指標(biāo)相關(guān)聯(lián),探討富氫水通過“腸-肺軸”緩解哮喘氣道炎癥的潛在機(jī)制。最后,我們在哮喘小鼠體內(nèi)移植經(jīng)富氫水灌胃處理后的哮喘小鼠腸道菌群,同時給予另一組哮喘小鼠補(bǔ)充關(guān)鍵代謝物,以驗(yàn)證富氫水能否通過腸道菌群和代謝物緩解哮喘氣道炎癥。此外,我們還在體外利用IL-13誘導(dǎo)的BEAS-2B細(xì)胞損傷模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證代謝物的通路機(jī)制。研究結(jié)果: 1、富氫水緩解哮喘小鼠氣道炎癥 C57BL/6小鼠在經(jīng)屋塵螨腹腔注射和氣道滴入激發(fā)后,相對于空白對照組小鼠,氣道周圍出現(xiàn)大量炎癥細(xì)胞浸潤,黏液分泌和杯狀細(xì)胞化生增多,黏蛋白5AC熒光表達(dá)增加,血清炎癥因子IL-4、IL-5、IL-13和Ig E的表達(dá)水平顯著升高,表明哮喘小鼠動物模型成功構(gòu)建。哮喘小鼠接受富氫水干預(yù)后,肺組織病理改善,黏蛋白5AC熒光表達(dá)降低,血清炎癥因子和Ig E水平下降,表明富氫水緩解哮喘小鼠氣道炎癥。 2、富氫水調(diào)節(jié)哮喘小鼠腸道菌群和血清代謝物我們對小鼠腸道菌群檢測后發(fā)現(xiàn),哮喘小鼠動物模型構(gòu)建后,腸道菌群多樣性和均勻度顯著降低,腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,副沙門氏菌屬(Parasutterella)、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)和杜博斯氏菌屬(Dubosiella)相對豐度顯著降低。富氫水未對菌群的多樣性和均勻度產(chǎn)生影響,但升高了雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)和聯(lián)合乳桿菌屬(Ligilactobacillus)相對豐度,并顯著富集了雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)。小鼠血清代謝組學(xué)檢測結(jié)果表明,富氫水調(diào)節(jié)了哮喘小鼠的代謝輪廓。我們通過生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn),富氫水顯著提高了哮喘小鼠色氨酸代謝通路代謝物,并進(jìn)一步篩選出通路中的3-吲哚乙酸(Indole-3-acetic acid,IAA)為關(guān)鍵代謝物。通過進(jìn)行菌群的相關(guān)性分析和查閱文獻(xiàn),雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)可分解代謝色氨酸產(chǎn)生IAA,而IAA可作為配體與芳香烴受體(Aryl hydrocarbon receptor,Ah R)結(jié)合,激活A(yù)h R信號通路并影響相關(guān)細(xì)胞因子的表達(dá)。我們通過檢測IAA和Ah R相關(guān)細(xì)胞因子發(fā)現(xiàn),IAA與促炎細(xì)胞因子IL-1β、IL-6、IL-17、IL-22、TNF-α呈負(fù)相關(guān),與抑炎細(xì)胞因子IL-10、INF-γ呈正相關(guān)。 3、腸道菌群和關(guān)鍵代謝物參與富氫水緩解哮喘氣道炎癥的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證我們將經(jīng)富氫水干預(yù)后的哮喘小鼠腸道菌群移植到哮喘小鼠體內(nèi),發(fā)現(xiàn)肺組織病理改善,氣道周圍黏蛋白5AC熒光表達(dá)降低,血清炎癥因子和Ig E表達(dá)水平下降,表明富氫水對哮喘小鼠氣道炎癥的保護(hù)作用可以通過腸道菌群移植轉(zhuǎn)移。此外,給予哮喘小鼠補(bǔ)充IAA后,同樣發(fā)現(xiàn)哮喘小鼠肺組織病理改善,氣道周圍黏蛋白5AC表達(dá)減少,血清促炎細(xì)胞因子IL-4、IL-13、TSLP顯著下降,抑炎細(xì)胞因子IL-10顯著上升,Western Blot檢測結(jié)果表明Ah R和下游轉(zhuǎn)錄靶標(biāo)CYP1A1蛋白表達(dá)增加,流式細(xì)胞學(xué)檢測提示肺泡灌洗液中Th17/Treg失衡恢復(fù),驗(yàn)證了IAA可能通過激活A(yù)h R信號通路緩解哮喘小鼠氣道炎癥。在體外實(shí)驗(yàn)中,我們利用IL-13誘導(dǎo)人支氣管上皮細(xì)胞(BEAS-2B)損傷模擬哮喘氣道炎癥,與IAA共同孵育后,IL-6、IL-8、IL-33、TSLP m RNA表達(dá)顯著降低,而在此基礎(chǔ)上加入Ah R拮抗劑CH-223191后回升,Western Blot檢測也顯示IAA增加了Ah R和CYP1A1的表達(dá),并可被CH-223191抑制,驗(yàn)證了IAA通過激活A(yù)h R信號通路減輕IL-13誘導(dǎo)的BEAS-2B細(xì)胞損傷。
研究結(jié)論: 富氫水調(diào)節(jié)哮喘小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu),富集了雙歧桿菌屬(Bifidobacterium),升高血清色氨酸代謝物IAA的水平,并通過激活A(yù)h R信號通路,恢復(fù)肺泡灌洗液Th17/Treg失衡,緩解哮喘氣道炎癥。研究意義:本研究揭示了富氫水通過“腸-肺軸”緩解哮喘氣道炎癥,這項(xiàng)研究為氫醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來了新的研究成果,并為將來研發(fā)益生菌和靶向Ah R的藥物來減輕哮喘氣道炎癥提供了新的方法和思路。