科研 | Nature子刊 ：人类急性移植物抗宿主病的代谢组学分析揭示了宿主和微生物来源的代谢产物的变化

编译：小鹿同学，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

尽管临床管理有所改善，异体造血干细胞移植(HSCT)仍然会造成高发病率和高死亡率，主要原因是移植物抗宿主病(GvHD)。近年来有研究表明，组织、微环境或宿主菌群等外部因素可能影响异体免疫应答。在这里，作者使用高通量代谢组学来分析GvHD患者和供体，发现GvHD患者和供体之间的代谢组学特征明显不同。在急性GvHD发病时，除了宿主来源的代谢物外，作者还发现了微生物来源的代谢物，特别是芳香烃受体(AhR)配体、胆汁酸和原生质的显著变化。

总而言之，作者的研究结果表明急性GvHD期间的同种异体免疫反应可能受到胆汁酸和菌群AhR配体减少的影响，这些都能够抑制吲哚胺2,3-二加氧酶的诱导作用并影响同种异体T细胞反应性。

论文ID

原名：Metabolomics analysis of human acute graftversus-hostdisease reveals changes in host and microbiota-derived metabolites

译名：人类急性移植物抗宿主病的代谢组学分析揭示了宿主和微生物来源的代谢产物的变化

期刊：Nature communications

IF：11.878

发表时间：2019.12

通讯作者：Flore Sicre de Fontbrune

作者单位：法国巴黎圣路易斯医院

实验目的

分析接受造血干细胞移植（HSCT）患者的血液代谢组，鉴定出与移植物抗宿主病（GvHD）相关的宿主和菌群代谢物的变化，包括芳香烃受体配体、胆汁酸等。

结果

1 异基因造血干细胞移植后患者的代谢组学特征

在此，作者研究了两组患者，一组来自圣路易斯医院(队列1,n =43)，另一组来自13个法国移植中心(队列2,n = 56)，他们接受了同种异体造血干细胞移植。在急性GvHD开始时，即使用糖皮质激素治疗之前或移植后第90天，对未出现GvHD的患者收集患者样本(图1a)。几乎所有的患者在取样时都进行了自然喂养，排除了代谢组学改变与肠外或肠内营养相关的可能性。使用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)，作者分别在队列1和2中检测到801和927个循环代谢物，两个队列具有653个共同代谢物(图1b)。这些共同代谢物在每个代谢途径中的平均分布为:脂类(46.18%)、氨基酸(24.16%)、异种生物(13%)、核苷酸(4.43%)、碳水化合物(3.82%)、辅因子和维生素(3.82%)、肽(3.21%)和能量(1.38%)(图1c)。

图1  实验设计和检测代谢物的概述

2 移植后患者代谢组的改变

为了确定异体HSCT患者的代谢组是否与健康受试者的代谢组不同，没有GvHD的患者与其相关的供体之间进行了比较。在供体和患者中，为了识别更常被检测到的代谢物，不考虑化合物的量如何，对不可检测值的分布进行了评估（图2a）。

将83个不可测值大于50%的代谢物丢弃进行进一步分析，其余不可测值代入，每个对应代谢物最小检测值的一半（图2b）。通过比较未发生GvHD的患者与配对的相关供体之间每种代谢物的数量进而确定假定具有生物学相关性的代谢物（图2c，d）。与健康受试者相比，未发生GvHD的异体HSCT患者的主要特征是复合脂质代谢物数量显著增加，尤其是脂肪酸、单、二酰基甘油和原代BA。氨基酸代谢HSCT也发生了改变。特别是，移植后色氨酸代谢物和牛磺酸的产生明显减少，而未发生移植物抗宿主病的患者多胺代谢物增加。通过对代谢物相对量的整体分析，证实BA和吲哚丙酸是移植后受影响最大的代谢物(图2e,f)。

在多胺组中，作者观察到5-甲基硫代腺苷(MTA)和N-乙酰化胺水平明显升高，可能起到保护肠道完整性的作用，也可以抑制巨噬细胞的活化和减少T细胞的活化。有趣的是，最近也有研究表明，肠道炎症是由微生物来源的代谢物通过调节NLRP6炎症小体信号来调节的。牛磺酸可能激活炎性小体信号并导致促炎性细胞因子的产生，而多胺可能抑制这一途径并保护肠道不受自身炎症的影响。胆汁酸通过抑制免疫系统的NLRP3依赖的炎症反应，从而被认为是体内的一个强有力的监管机构。NKT细胞在肝脏内的募集，通过调节肝窦内皮细胞产生CXCL16进而减少巨噬细胞的活化、迁移和细胞因子的产生。总之，这些结果表明，在没有GvHD的患者中观察到的代谢组学改变可能有助于减少炎性小体的激活，从而保护移植后上皮的完整性。

图2 与健康供体相比，接受HSCT患者代谢组学变化

使用相同的方法，作者比较了GvHD患者和其供体的代谢组学特征。很少有代谢物在供体或GvHD患者中被检测到(队列1 n=0,队列2 n=6,图3a)。队列1和队列2各鉴定出150和182个移植后显著改变的代谢物，110个代谢物为两组共有(图3c，d)。与供体相比，患者的BA和单/二酰基甘油有所增加。GvHD患者的大多数代谢途径与没有发生GvHD的患者相似。所有患者的一个共同特征是异种生物检测的大幅下降，特别是在黄嘌呤、烟草和食物代谢物，这表明所有患者在接受移植后食物摄入都发生了改变。

图3 与未发生移植物抗宿主病（GvHD）的患者相比，GvHD患者的代谢组学改变

3 急性GvHD的特点是特异性代谢组学改变

最近在小鼠模型中发现，代谢物可以调节GvHD的严重程度。在患者体内，代谢组主要反映宿主及其菌群的代谢。为了确定哪些代谢组学改变与急性GvHD相关，作者比较了发病时GvHD患者与未发生GvHD患者的代谢组。对患者中不可检测值分布的评估显示，indolepropionate(一种源自于色氨酸代谢的微生物化合物)是第2队列中发生GvHD时唯一显著降低检测频率的代谢物(图4a)。比较代谢物的数量，发现GvHD患者的氨基酸(色氨酸和精氨酸途径)和脂质(溶浆原蛋白、浆原蛋白和磷脂)均有显著的下降。除了上面的描述通路中,作者还发现，在急性GvHD患者中，多种复杂的脂质产物，如中链和长链脂肪酸、多不饱和脂肪酸(n3和n6)，以及原发性和继发性BA中都有大量增加(图4b,c)。患者之间代谢物的比较也证实了BA、原生质、色氨酸和精氨酸代谢物是GvHD发病时观察到的主要变化(图4e,f)。这些结果在校正了年龄、性别和BMI等主要混杂因素之后得到了证实。因此，根据结果能够识别出一组代谢物，这些代谢物仍然与两个队列的GvHD发病显著相关(图5)。

图4  代谢途径改变与GvHD发病相关

图5  GvHD发病时的代谢组学变化不受年龄、性别和BMI的影响

为了明确这些代谢物在急性GvHD发病时的意义，作者使用PCA对GvHD患者和未发生GvHD患者进行区分(图6a, b)。然后用PLS-DA鉴定出与急性GvHD相关的代谢物谱图（图6c，d），并用于建立GvHD主要途径的过表达分析（ORA）（图6e，f）。这一方法证实了在单变量分析中识别出的代谢物大部分也是由sPLS-DA鉴定出的，尤其是原生质、精氨酸和色氨酸代谢。通过lasso回归分析，作者能够确定色氨酸和精氨酸通路都参与其中，特别是在两个队列中都检测到的AhR配体3-吲哚氧基硫酸盐。作者最后比较了这些途径的化合物率，并观察到两个队列在GvHD发病时的相似分布(图7a)。除了宿主衍生的代谢物，作者还发现了两个队列中微生物降解的吲哚化合物的显著变化，特别是在AhR配体中(图7b)。所有这些微生物源性代谢物的变化都与急性GvHD相关的严重微生物菌群失调相一致。有趣的是，最近有研究表明，移植HSCT患者的粪便微生物群落多样性和尿3-吲哚酚硫酸酯水平增加。

图6 多变量分析鉴定与GVHD相关的主要通路

图7 与aGVHD相关的通路涉及微生物源的芳基烃受体配体

讨论

GvHD是供体免疫细胞针对受体同种抗原的免疫反应，其病理生理学不完全清楚。近年来的实验研究突出了免疫细胞、微生物群和宿主环境之间复杂的相互作用和调控网络。本文中指出接受异基因造血干细胞移植的患者与健康受试者相比，代谢组学发生了重大变化，急性GvHD的发病与未发生GvHD的患者相比，似乎与代谢组学的具体差异有关。研究结果表明，移植后患者的饮食行为会发生改变，主要影响黄嘌呤代谢(提示巧克力、茶和咖啡的摄入)或调味品衍生的代谢物(胡椒碱、蒜氨酸、肉桂油甘氨酸)。重要的是，大多数患者在取样时口服喂养，排除可能影响新陈代谢的喂养因素。

这些结果指出了一个尚未解决的问题，即急性GvHD与发病时代谢物改变之间的关系。最近的动物模型研究结果提示，至少部分代谢物的变化可能参与了GvHD的发病机制。然而，不能排除GvHD本身可以引起组织代谢的改变。事实上，以前已经证明，在实验模型GvHD中观察到的生物失调可能是异基因免疫应答的部分原因和后果。本文的研究结果表明，许多代谢物的变化特别是发生GvHD时，可能是由于移植后微生物群的变化。最近的研究表明,血浆代谢物可以预测肠道微生物组的α-多样性。在本研究中，40种代谢物被鉴定为与人类疾病和微生物有关，其中许多在移植后也被鉴定。在本研究的队列中，所有的患者在取样时都接受了抗生素治疗。抗生素参与了微生物菌群的代谢紊乱，极有可能参与了移植后代谢组学的改变。然而，这一现象是否可能是加重急性GvHD严重程度的一个因素仍有待探索。有趣的是，最近的临床研究表明，抗生素可能对人类的GvHD风险有重大影响。

总之，本文的研究结果显示，异基因造血干细胞移植与主要的代谢组学改变有关。急性GvHD的特点是色氨酸代谢物的产生减少，特别是宿主或微生物来源的AhR配体，可能有助于增加受体的异基因免疫反应。在GvHD早期促炎反应中，纤溶酶原的减少、BAs和多不饱和酸水平的升高可能是潜在的代谢组学途径。这些发现突出了GvHD发病时涉及的主要生物学过程，可能是GvHD预防或治疗的新治疗靶点。

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