项目文章Nat Commun (IF 17.694) | 多组学助力肠道菌群在急性髓系白血病中的作用机制研究

急性髓性白血病（AML）是一种血液系统恶性肿瘤，其特征是未成熟的髓系细胞过度增殖。虽然化疗已被证明对这种恶性肿瘤有效，但患者的长期生存率较低，且容易复发。AML患者的长期生存和预后与AML进展的多种因素密切相关，包括遗传和稳态环境变化。越来越多的证据表明，人类肠道菌群可以影响稳态环境，并与炎症、自身免疫性疾病，甚至癌症的发展有关，但其在AML进展中的作用仍不清楚。

2022年5月，山东大学齐鲁医院马道新教授课题组在Nature Communications（IF 17.694）上在线发表了题为“Gut microbiota regulates acute myeloid leukaemia via alteration of

intestinal barrier function mediated by butyrate”的文章。该文主要利用16S rRNA测序和代谢组学技术，并结合体内体外实验揭示了肠道菌群以代谢物依赖的方式促进AML进展，为AML的靶向治疗提供了新的思路和方法。中科新生命参与了该研究中非靶向代谢组和短链脂肪酸靶向代谢组的相关工作。

研究材料

AML患者和健康对照组、小鼠模型、细胞

技术路线

步骤1：AML患者肠道菌群的多样性和组成发生显著改变；

步骤2：AML引起肠道菌群生态失调，从而加速了AML的进展；

步骤3：粪菌移植延缓AML的发展；

步骤4：AML患者肠道菌群代谢物发生了显著的改变；

步骤5：丁酸盐灌胃可延迟 AML 进展；

步骤6：丁酸盐可逆转AML小鼠肠道屏障损伤；

步骤7：肠道屏障的损伤加速血液脂多糖（LPS）升高，从而加速AML进展。

 

研究结果

1.AML患者肠道菌群的多样性和组成发生显著改变

首先对AML患者与健康对照组的粪便样本进行测序分析，共鉴定出2461个OTUs，结果显示AML患者肠道菌群的多样性和组成发生显著改变，如AML患者的粪便多样性明显低于健康对照组；与健康对照组相比，在门水平上，AML患者的厚壁菌门(Firmicutes)显著减少，拟杆菌门(Bacteroidota)富集；属水平上，AML 患者粪便中的粪杆菌属（Faecalibacterium）等显著较少，且发现粪杆菌与外周白细胞水平呈显著负相关等。表明肠道菌群的低多样性和较低丰度的粪杆菌可能在AML的进展中起重要作用（图1）。

图1  AML患者肠道菌群的多样性和组成发生显著改变

2. AML引起肠道菌群生态失调，从而加速了AML的进展

为了阐明肠道菌群在 AML 中的作用，作者构建了 MLL-AF9 AML小鼠并对小鼠粪便进行测序分析。结果发现，与健康对照小鼠相比，AML小鼠的肠道菌群多样性随着疾病的进展而显著降低。通过使用抗生素处理AML 小鼠和正常小鼠粪便悬浮液灌胃AML小鼠实验，观察了细胞浸润、增值、脾脏重量和大小等信息，结果表明 AML会导致菌群失调，破坏肠道菌群的多样性会加速 AML 的进展（图2）。

图2 AML引起肠道菌群生态失调，从而加速了AML的进展

3. 粪菌移植延缓AML的发展

之前研究发现粪杆菌与良好的预后相关，可被认为是AML患者的有益菌。通过单一粪杆菌灌胃实验和补充或不补充粪杆菌的粪菌移植（FMT）实验观察了小鼠白血病细胞、脾脏重量和大小等信息，结果表明与单独补充粪杆菌相比，完整肠道微生物群的移植在抑制 AML 进展中发挥更大的作用，并且补充粪杆菌可降低 AML-FMT 小鼠的白血病负担（图3）。

图3  FMT延缓AML的发展

4. AML患者肠道微生物代谢物发生了显著的改变

作者进一步研究了肠道菌群参与AML进展的具体机制，采用非靶向代谢组学方法研究了AML疾病组和健康对照组粪便、血液和骨髓样本的代谢谱，发现组间有明显差异，其中粪便样本里的丙酸和丁酸显著不同。接着使用GC-MS方法对肠道短链脂肪酸（SCFAs）进行靶向代谢组学检测，发现与健康对照组相比，AML疾病组粪便中的丙酸和丁酸水平显著降低，且粪杆菌与丁酸呈正相关。后续通过粪杆菌灌胃等实验证实丁酸是粪杆菌的直接代谢产物。菌群功能分析发现两组之间丁酸代谢的相对丰度存在明显差异，表明丁酸盐可能在AML进展中发挥重要作用（图4）。

图4 AML患者肠道微生物代谢物发生了深刻的改变

5.丁酸盐灌胃可延迟 AML 进展

通过小鼠灌胃实验发现丁酸盐可以延缓AML进展，比如丁酸盐处理的 AML 小鼠比对照 AML 小鼠表现出更多的脾肿大、细胞浸润和增殖缓解，延长了寿命。此外，与 AML 患者的结果一致，丁酸盐处理的 AML 小鼠血液中丁酸盐的浓度没有明显的变化，表明丁酸不是通过直接接触杀死白血病细胞，而是通过其他机制延缓AML的进展（图5）。

图5丁酸盐灌胃可延缓AML进展

6. 丁酸盐可逆转AML小鼠肠道屏障损伤

与对照组相比，AML小鼠对FITC-葡聚糖的肠通透性显著增加，表明白血病诱导肠道损伤。而与对照 AML 小鼠相比，丁酸盐处理的 AML 小鼠的肠道损伤显著改善，与正常小鼠相比，FITC-葡聚糖通透性仅轻度增加。在正常小鼠和丁酸盐处理的 AML 小鼠肠上皮细胞连接的完整性较好，而AML 小鼠肠上皮细胞之间存在显著较大的间隙。作者进一步探讨了肠通透性改变的机制，结果发现在AML小鼠中，细胞-细胞连接保护蛋白ZO-1和claudin-1的表达下调，而细胞-细胞连接抑制蛋白claudin-2的表达在mRNA和蛋白质水平上调，这些变化在丁酸盐处理的AML小鼠中逆转（图6）。

图6 丁酸盐可逆转AML小鼠肠道屏障损伤

7. 肠道屏障的损伤加速血液脂多糖（LPS）升高，从而加速AML进展

LPS是肠道菌群产生的主要有害物质，肠道屏障是LPS进入血液的唯一途径。实验发现AML疾病组血浆中LPS浓度显著高于健康对照组，通过小鼠灌胃和注射LPS、补充丁酸盐等实验证实了菌群来源的 LPS 浓度与肠道屏障功能呈负相关，肠道屏障受损导致血液中LPS浓度增加，而丁酸盐处理和 Con-FMT 处理则逆转了这种作用，且LPS 在小鼠体内加速AML进展，表明调节LPS含量对AML治疗有效。

图7肠道屏障的损伤加速血液LPS升高，从而加速AML进展

小结

AML导致肠道完整性受损、菌群多样性紊乱以及菌群代谢物的变化。肠道屏障功能下降、肠道内容物中丁酸盐含量降低和血液LPS升高是AML的促癌因素，丁酸盐通过影响肠道屏障调节外周血LPS浓度（图8）。

图8肠道菌群通过改变肠道屏障功能和LPS血液浓度调节AML