肠道菌群在出生后早期发育中通过巨噬细胞和间充质生态位促进干细胞分化

背景

肠道是自我更新最快的器官之一。主动循环的Lgr5+肠干细胞位于被称为隐窝的囊状结构的底部，并分化为两种主要的细胞类型：肠细胞和分泌细胞。Paneth细胞是分泌细胞的一种，分泌抗菌肽并参与炎症性肠病 (IBD)的发病机制。Paneth细胞通过分泌Wnt配体促进干细胞活性，但其分化也依赖于Wnt信号通路。除Paneth细胞外，肠间充质细胞如上皮下端粒细胞 (TCs)、滋养细胞和Hedgehog (Hh)信号应答细胞也分泌关键的干细胞生态位因子如Wnt配体。此外，与大多数器官不同，肠道直接面对外部环境。这些特化的上皮细胞形成了将内部组织与外部环境分开的屏障表面，与外部的肠道微生物群以及各种类型的间充质细胞和免疫细胞持续相互作用。这些独特的微环境如何与肠道干细胞相互作用以维持组织稳态是一个目前尚不清楚的关键问题。

简介

2022年11月29日，来自加拿大多伦多大学病童医院的Ji-Eun Kim及其团队在Immunity (IF: 43.474)杂志上发表名为Gut microbiota promotes stem cell differentiation through macrophage and mesenchymal niches in early postnatal development的研究[1]。

研究亮点

1、微生物群调节肠道干细胞分化和巨噬细胞极化。

2、CD206+肠道巨噬细胞促进间充质生态位细胞增殖增殖。

3、抗生素治疗会损害肠道干细胞生态位，促进NEC发病机制。

4、乳杆菌或巨噬细胞治疗可部分挽救NEC样表型。

主要结果

微生物异常会损害干细胞向Paneth细胞的分化

为了研究微生物组和高经验性抗生素暴露对出生后早期肠道发育的影响，妊娠雌性小鼠在妊娠和断奶期间接受了广谱抗生素鸡尾酒 (Abx)治疗。GF小鼠被平行使用。我们在P17分析了幼鼠的肠道结构和细胞密度 (图1A)。与GF小鼠实验的结果一致，接受Abx和GF小鼠治疗的小鼠均显示肠道长度显著减少 (Abx组和GF组分别减少10.8%和16.2%) (图1B)。由于回肠隐窝长度显著缩短 (Abx和GF组分别减少17.0%和21.6%)，但在其他小肠区域没有缩短，因此我们将分析的重点放在回肠 (图1B, 1C)。它们的基质细胞群密度降低，其中包括间充质细胞和免疫细胞 (Abx组和GF组分别减少24.4%和38.7%) (图1C)。此外，流式细胞术分析显示回肠Lgr5-EGFP+细胞数量减少，提示Abx组可能存在干细胞缺陷 (图1D)。

图1. 肠道微生物群暴露促进Paneth细胞成熟

出生后肠道干细胞生态位发育受损促进NEC发病

Abx治疗与NEC相关，Paneth细胞缺陷可引起NEC样病理。因此，我们研究了Abx治疗诱导的肠道微生物菌群失调是否会加重NEC的发病机制。我们将使用Abx治疗的幼鼠置于NEC实验条件下，包括低氧培养、脂多糖 (LPS)灌胃和配方奶喂养 (图5A)。我们首先分析了NEC小鼠模型中Paneth细胞的数量，发现其数量和标记基因表达均减少 (图5B和5C)。然后，我们分析了Abx治疗在NEC发病机制中的作用。与仅NEC组相比，我们在NEC+ Abx组中发现了更严重的NEC样表型，这表明肠道微生物菌群失调在加重NEC发病机制中具有潜在作用 (图5D，5E)。

图5. Abx治疗促进NEC发病

CD206+巨噬细胞在体内促进干细胞分化

为了进一步检查CD206+巨噬细胞是否通过Wnt分泌促进干细胞分化为Paneth细胞，我们分析了肠样共培养系统中Paneth细胞的成熟情况。使用Ng2+ MNCs和从有或无Wls的CD206+巨噬细胞收集的条件培养基培养肠样细胞。我们发现CD206+巨噬细胞和Ng2+ MNCs既增加了LYZC+成熟Paneth细胞的数量，也增加了肠样细胞的生成效率。

由于我们的数据表明，Abx治疗导致的CD206+巨噬细胞数量的减少可能促进了NEC的发病，我们下一步研究了CD206+巨噬细胞在体内拯救NEC样表型的能力。我们从Cx3cr1EGFP小鼠中分离单核细胞，并通过IL-4处理将其分化为CD206+巨噬细胞，然后在NEC诱导前将这些CD206+巨噬细胞腹腔内注射到小鼠中 (图7A)。转移的GFP+ CD206+巨噬细胞定位于肠间充质，约占整个基质细胞的0.03%(图7B)。这些巨噬细胞不仅增加了帕内特细胞的数量，而且部分挽救了NEC样表型 (图7C)。注射CD206+巨噬细胞的NEC组与注射溶剂Ctrl组相比，MNCs的增殖增加 (图7D-7F)。这些数据表明，在出生后早期发育中，CD206+巨噬细胞的分化和MNCs的增殖是Paneth细胞分化所必需的。

图7. 外源性CD206+巨噬细胞可部分挽救NEC表型

结论及展望

尽管已知肠道微生物群可促进上皮干细胞增殖，但在出生后早期发育过程中，肠道微生物群介导干细胞分化的机制尚不清楚。本研究表明，肠道微生物群暴露可促进巨噬细胞分化，而巨噬细胞分化可维持MNC增殖，随后在出生后早期激活干细胞分化所需的上皮Wnt信号，而该过程的扰动可导致危及生命的NEC (图7G)。我们发现，乳杆菌定植或CD206+巨噬细胞转移促进了Paneth细胞分化并降低了NEC的严重程度。总而言之，我们的工作确定了在出生后早期发育期间，肠道微生物群介导的干细胞干细胞生态位调节。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1074761322005933?via%3Dihub

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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