肠外卡介苗通过肠-肺轴诱导肺内驻留记忆巨噬细胞和训练免疫

背景

人们越来越认识到固有免疫记忆和训练先天免疫 (TII)在宿主防御和疫苗学中的重要性。流行病学研究表明，使用减毒活疫苗 (包括卡介苗-谷蛋白 (BCG))进行胃肠外免疫可提供靶向目标病原体和无关病原体的保护。因此，抗结核 (TB)卡介苗接种可降低幼儿和老年人的全因死亡率和/或呼吸道感染。这种全身性/胃肠外微生物、炎症或疫苗诱导的TII主要是通过中枢训练的循环白细胞 (包括单核细胞)介导，单核细胞是骨髓 (BM)中髓系祖细胞的代谢/表观遗传重组产生的。

简介

2022年12月1日，来自加拿大麦克马斯特大学的Mangalakumari Jeyanathan及其团队在Nat Immunol (IF: 31.25)杂志上发表名为Parenteral BCG vaccine induces lung-resident memory macrophages and trained immunity via the gut-lung axis的研究[1]。

研究亮点

除了通过胃肠外疫苗接种或感染在骨髓 (BM)和外周血中诱导的中枢训练免疫外，有证据表明，黏膜暴露后，常驻黏膜的先天免疫记忆可通过局部炎症途径发展。然而，肠外接种/感染后整合远端产生的免疫信号是否导致粘膜常驻先天记忆尚不清楚。我们在此表明，皮下接种卡介苗 (BCG)可以诱导肺中的记忆性肺泡巨噬细胞 (AMs)和训练性免疫。尽管非肠道卡介苗接种可培养BM祖细胞和循环单核细胞，但记忆性AMs的诱导与循环单核细胞无关。相反，肠胃外卡介苗接种 (通过分支杆菌播散)会引起肠道微生物群、屏障功能和微生物代谢产物的时间依赖性改变，以及随后的循环和肺代谢产物的改变，从而在肺中诱导记忆巨噬细胞和训练有素的免疫。这些数据确定了远端粘膜组织先天免疫记忆发育的肠道微生物群介导途径，并对下一代呼吸道病原体疫苗策略的开发具有意义。

主要结果

皮下注射卡介苗诱导肺泡巨噬细胞的记忆表型

皮下接种卡介苗诱导骨髓/血液中培养的单核细胞。目前尚不清楚它是否训练了常驻肺部的AM。因此，小鼠皮下接种卡介苗。在疫苗接种后5周，我们在结核分枝杆菌全细胞裂解物 (WCL)刺激 (S)或无刺激 (US)的情况下分析了支气管肺泡灌洗 (BAL)和肺单个核细胞 (图1a)。AMs被鉴定为Ly6G−CD11b−CD11chiCD64hiSiglec-Fhi髓系细胞。BCG接种宿主的气道细胞约95%为AMs。与对照组AMs (PBS-US)相比，卡介苗AMs (BCG-US)在刺激后表达较高的基线水平和增强的MHC II (PBS-S vs . BCG-S) (图1b)。受刺激的AMs还表现出toll样受体2显著增加 (TLR2) (图1c)。受刺激的BCG AM产生IL-6的频率显著更高，而产生肿瘤坏死因子 (TNF)的细胞数量相当 (图1d,e)。在对照组和卡介苗接种宿主的肺组织AM群体中观察到相似的免疫特征。

图1. 皮下卡介苗诱导远端呼吸道黏膜记忆性AM

卡介苗条件下的肠道微生物群诱导记忆性肺巨噬细胞

接下来，我们采用了微生物群移植的方法来解决卡介苗诱导的肠道菌群失调与记忆诱发AM之间的关系。在移植来自对照 (PBS-CM)或BCG (BCG-CM)宿主的盲肠微生物群 (CM)之前，用广谱抗生素处理未感染小鼠10天，以干扰原始微生物群，并允许在接下来的5周内定植 (图6a)。与BCG AM的训练表型一致，与用PBS-CM定殖的那些相比，在基线 (US)和刺激 (S)时，用BCG-CM定殖的那些患者的气道AM显示MHC II和IL-6以及TNF产生升高 (图6b-d)。在BCG-CM (而非PBS-CM)肺组织中的AM中也观察到了类似的训练表型 (图6e-g)。因此，这些数据确定了卡介苗条件微生物群和记忆AM诱导之间的因果关系。

图6. 卡介苗条件下肠道菌群移植可诱导记忆性AMs和训练性免疫

循环微生物代谢产物在训练肺巨噬细胞中的作用

鉴于肠道微生物组衍生的循环SCFAs的免疫调节作用，以及我们观察到的在接种卡介苗的宿主中脱氧肉碱和丁酸盐的增加，我们确定了这些SCFAs与记忆AM诱导的关系。将l-肉碱和盐酸丁酸盐的混合物引入未喂养动物的饮用水 (DW + M)中持续3周，并且对照组动物接受常规饮用水 (DW) (图8a)。在刺激(S)下，DW + M AM在检测的细胞因子 (DW)中显示出增强的IL-6和MIP-1α产生 (图8b,c)，这与BCG训练的AM的特征相似。然而，与BCG宿主中的循环单核细胞不同，DW + M单核细胞不呈现训练有素的表型，表现出抑制的免疫特征，Ly6C和MHC II表达降低。它们分泌细胞因子/趋化因子的能力也保持相当。此外，正如预期的那样，与接种卡介苗的宿主不同，补充代谢产物 (DW + M)除引起轻度淋巴细胞浸润外，未引起结肠结构改变。

图8. 在卡介苗接种宿主中添加微生物代谢物的水可导致幼稚小鼠的AMs先天性免疫训练

结论及展望

综上所述，我们的研究揭示了一种新的胃肠外疫苗触发的肠道微生物群介导的远端黏膜组织先天记忆发育途径。研究表明，活疫苗的胃肠外免疫既能在中枢又能在外周诱导TII。这些知识将有助于设计下一代靶向结核分枝杆菌和新型冠状病毒病等呼吸道病原体的疫苗。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41590-022-01354-4

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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