莊清慧 于 艷 張 楠 杜素琴 黃京京 程喻力 諸欣平
(首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病原生物學(xué)系,北京 100069)
類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)是一種慢性、全身性自身免疫性疾病,主要表現(xiàn)為對(duì)稱性小關(guān)節(jié)的慢性炎癥、骨侵蝕和軟骨破壞,導(dǎo)致關(guān)節(jié)畸形和功能喪失,嚴(yán)重威脅患者健康。RA的發(fā)生和發(fā)展受遺傳、環(huán)境、免疫等多種因素的影響。其中,腸道菌群在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎發(fā)生和發(fā)展中的調(diào)節(jié)作用近年逐步受到關(guān)注。當(dāng)將關(guān)節(jié)炎小鼠的糞便懸液灌入無(wú)菌小鼠的胃中,無(wú)菌小鼠顯示出更高的關(guān)節(jié)炎誘導(dǎo)率(Liuetal., 2016a);而使用益生菌或抗生素人為調(diào)節(jié)腸道菌群使RA患者腸道微生物群正?;?,能在一定程度上抑制RA的發(fā)病及進(jìn)展,甚至改善RA的病情(Monsarratetal., 2013; Ozdemiretal., 2013; Chenetal., 2016)。
研究表明,寄生蟲能夠與宿主的腸道菌群相互作用。一方面,寄生蟲感染可以影響宿主腸道菌群組成,進(jìn)而影響宿主健康;另一方面,菌群能夠影響寄生蟲的活力和感染力。有研究發(fā)現(xiàn),蠕蟲感染可以通過啟動(dòng)宿主免疫應(yīng)答調(diào)節(jié)腸道共生菌和致病菌的平衡,并由此影響免疫相關(guān)性疾病的發(fā)生和發(fā)展(Ramananetal., 2016)。
旋毛形線蟲Trichinellaspiralis簡(jiǎn)稱旋毛蟲,成蟲主要寄生于宿主小腸粘膜,幼蟲寄生在同一宿主的橫紋肌細(xì)胞內(nèi),在肌肉內(nèi)形成幼蟲囊包,感染的不同時(shí)期能引起小鼠腸道菌群不同的變化(Liuetal., 2019)。我們前期的研究證明,在小鼠關(guān)節(jié)炎造模前,預(yù)先感染旋毛蟲可有效預(yù)防小鼠膠原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎(Collagen-Ⅱ induced arthritis,CIA)的發(fā)生和發(fā)展(Chengetal., 2018),但旋毛蟲感染對(duì)CIA小鼠關(guān)節(jié)炎的改善作用是否與腸道菌群調(diào)節(jié)有關(guān)尚不清楚。因此,本研究利用16S rDNA測(cè)序,探究預(yù)先感染旋毛蟲對(duì)CIA小鼠腸道菌群的影響,再進(jìn)一步分析差異菌屬與關(guān)節(jié)炎評(píng)分的相關(guān)性,為深入分析旋毛蟲感染對(duì)膠原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎的改善作用及其可能的機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)動(dòng)物:DBA/1雄性小鼠,8~10周齡,SPF級(jí),購(gòu)自首都醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心。
旋毛蟲蟲株:源自本實(shí)驗(yàn)室ICR鼠傳代保種的黑龍江豬源旋毛蟲 (ISS 533)。
牛Ⅱ型膠原、完全弗氏佐劑(Complete Freund′s adjuvant, CFA)、不完全弗氏佐劑(Incomplete Freund′s adjuvant, IFA)購(gòu)自美國(guó)Chondrex公司,Gene JET膠回收試劑盒、Ion Plus Fragment Library Kit試劑盒購(gòu)自美國(guó)Thermo公司。
將15只DBA/1小鼠隨機(jī)分成3組,包括正常對(duì)照組(Control組)、膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎組(CIA組)、預(yù)先感染旋毛蟲關(guān)節(jié)炎組(CIA.TS組),每組5只。CIA.TS組在關(guān)節(jié)炎造模前14 d,預(yù)先按照400條/只旋毛蟲肌幼蟲經(jīng)口感染DBA/1小鼠。造模當(dāng)天,將濃度為2 mg/mL的牛Ⅱ型膠原與等體積的完全弗氏佐劑混合,超聲乳化完全,在距小鼠尾根部1.5 cm處進(jìn)行皮內(nèi)免疫(100 μL/只);首次免疫后第21 d,將牛Ⅱ型膠原與不完全弗氏佐劑等量混合并乳化,于背部皮內(nèi)多點(diǎn)注射加強(qiáng)免疫(100 μL/只),制備CIA模型。
從首次免疫后的第21 d開始,隔天記錄各組小鼠的關(guān)節(jié)炎評(píng)分,評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下:0=無(wú)關(guān)節(jié)炎癥狀;1=1個(gè)足趾出現(xiàn)紅腫;2=2個(gè)足趾紅腫,但未累及足掌;3=3個(gè)以上的關(guān)節(jié)紅腫;4=紅腫累及踝關(guān)節(jié)(Cuzzocreaetal., 2005),記小鼠4個(gè)足爪的總分為該鼠的關(guān)節(jié)炎評(píng)分。
在關(guān)節(jié)炎造模后第50 d,在超凈臺(tái)中采集小鼠的新鮮糞便于無(wú)菌離心管中,迅速置于液氮罐中冷卻,保存于超低溫冰箱(-80 ℃)備用。使用CTAB方法提取樣本總DNA,利用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的純度和濃度。
對(duì)一個(gè)一直在堅(jiān)持做到最好的人來說,到達(dá)一個(gè)終點(diǎn)的意義不過是證實(shí)他的選擇和堅(jiān)持,于此,我更能理解他所說的拿到MS以后對(duì)工作和生活影響并不大,因?yàn)?,很多的變化,早已?jīng)發(fā)生在他走向侍酒師大師的這一路,潛移默化,一步一個(gè)腳印。
采用16S rDNA V3-V4可變區(qū)通用引物341F (5’→3’: C C T A Y G G G R B G C A S C AG)和806R (5’→3’: G G A C T A C N N G G G T A T C T A AT) 進(jìn)行特異性擴(kuò)增(Klindworthetal., 2013),用2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物;然后進(jìn)行PCR 產(chǎn)物電泳,用Gene JET 膠回收試劑盒切膠回收目的片段。最后采用Ion Plus Fragment Library Kit試劑盒進(jìn)行測(cè)序文庫(kù)的構(gòu)建,經(jīng)過Qubit 定量和文庫(kù)檢測(cè)合格后,交由北京諾禾致源科技股份有限公司進(jìn)行HiSeq2500測(cè)序。
為了得到可靠準(zhǔn)確的分析結(jié)果,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、過濾后得到有效數(shù)據(jù)(Clean reads),再對(duì)所有樣品的全部 Clean reads 進(jìn)行聚類,默認(rèn)以97%的一致性將序列按操作分類單元(OTUs,Operational Taxonomic Units)進(jìn)行聚類,選取OTUs的代表性序列進(jìn)行物種注釋和分析。使用相應(yīng)軟件繪制稀釋曲線;計(jì)算Chao1、Simpson,ace指數(shù)進(jìn)行Alpha多樣性分析(Griceetal., 2009; Lietal., 2013);根據(jù)weight-unifrac 距離矩陣進(jìn)行PCoA分析。最后,利用SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,分析數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差體現(xiàn),三組及以上數(shù)據(jù)的組間顯著性差異采用單因素方差分析,并進(jìn)行顯著性分析,P<0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
于首次膠原誘導(dǎo)后第21 d開始記錄各組小鼠關(guān)節(jié)炎評(píng)分,結(jié)果顯示, CIA.TS組小鼠的關(guān)節(jié)炎評(píng)分顯著低于CIA組,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),說明預(yù)先感染旋毛蟲緩解了膠原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎小鼠的關(guān)節(jié)炎癥,即預(yù)先感染旋毛蟲對(duì)膠原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎具有保護(hù)性作用(圖1)。
圖1 各組小鼠關(guān)節(jié)炎評(píng)分結(jié)果Fig.1 The arthritic scores of mice Control:正常對(duì)照組;CIA:膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎組;CIA.TS:預(yù)先感染旋毛蟲關(guān)節(jié)炎組。數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,* P<0.05;**P<0.01;ns, 表示差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 Control: Control mice; CIA: CIA mice; CIA.TS: CIA mice infected with T. spiralis. The values are presented as the mean± SD. *P<0.05, **P<0.01, ns, no significance.
表1 各樣本測(cè)序數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析Tab.1 Statistical analysis of samples
對(duì)15個(gè)樣本的16S rDNA 基因的V3-V4 區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增,從中篩選出1 170 646個(gè)優(yōu)質(zhì)16S rDNA基因序列,每個(gè)樣本平均有78 043個(gè)序列(范圍70 534~80 215),長(zhǎng)度范圍在398~411 bp,符合16S rDNA基因的 V3-V4 區(qū)序列長(zhǎng)度。各樣本的OTU 范圍為303~551,腸道菌群的物種覆蓋度大于0.99,表明本研究測(cè)序覆蓋率和深度可滿足樣品16S 測(cè)序分析需求(表1)。我們隨機(jī)抽取樣本中一定數(shù)量的序列,并計(jì)算統(tǒng)計(jì)所代表的物種數(shù)目及構(gòu)建稀釋曲線。觀察發(fā)現(xiàn)15個(gè)樣本稀釋曲線在35 000趨向于平坦,表明測(cè)序數(shù)據(jù)深度合理,加大測(cè)序量并不會(huì)產(chǎn)生大量的新 OTU(圖2)。
圖2 各樣本稀釋曲線Fig.2 Rarefaction curve of each mouse C11-15:正常對(duì)照組;CIA11-CIA15:膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎組;CIA.TS11- CIA.TS15:預(yù)先感染旋毛蟲關(guān)節(jié)炎組。橫坐標(biāo)為從某個(gè)樣本中隨機(jī)抽取的測(cè)序條數(shù),縱坐標(biāo)為基于該測(cè)序條數(shù)能構(gòu)建的OTU數(shù)量。 C11-15: Control mice; CIA11-CIA15: CIA mice; CIA.TS11-CIA.TS15: CIA.TS mice. The abscissa is the sequences number randomly selected from each mouse, and the ordinate is the observed species number that can be constructed based on the sequences number.
為了解析群落內(nèi)部的物種組成情況,采用Alpha多樣性分析的方法對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行分析。由圖3可知,與Control組相比,CIA組的Chao1、Ace和Simpson指數(shù)有上升趨勢(shì),但二者差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;而與CIA組相比,CIA.TS組的Chao1、Ace和Simpson指數(shù)有下降趨勢(shì),更接近Control組。該結(jié)果提示,CIA小鼠腸道菌群的豐富度和多樣性有增加趨勢(shì),而預(yù)先感染旋毛蟲可以在一定程度上降低關(guān)節(jié)炎小鼠腸道菌群豐富度和多樣性。
圖3 各組小鼠Alpha多樣性分析Fig.3 Alpha diversity of each group A:chao 1指數(shù);B:ace 指數(shù);C:Simpson 指數(shù). A: chao 1 index; B: ace index; C: Simpson index.
為了對(duì)不同樣本的微生物群落構(gòu)成進(jìn)行比較分析,我們采用主坐標(biāo)分析法(PCoA,Principal Co-ordinates Analysis),每個(gè)樣本以點(diǎn)的形式反映在圖上,再通過點(diǎn)與點(diǎn)間的距離反映樣本的組間差異。其中橫坐標(biāo)為第1主成分,其對(duì)樣本差異的貢獻(xiàn)率為54.89%;縱坐標(biāo)為第2主成分,其對(duì)樣本差異的貢獻(xiàn)率為21.6%。由圖4可知,CIA組與Control組小鼠腸道菌群群落之間相距較遠(yuǎn);而CIA.TS 組小鼠的腸道群落與Control組相距較近。該結(jié)果提示,CIA小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,而預(yù)先感染旋毛蟲改善了CIA小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變。
圖4 各組主坐標(biāo)分析Fig.4 Principal Co-ordinates Analysis of each group
根據(jù)測(cè)序結(jié)果中各物種在門水平 OTUs 的相對(duì)豐度數(shù)值,對(duì)各組小鼠腸道菌群中門水平排名前十的菌門進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。由圖5可知,與Control組相比,CIA組小鼠腸道菌群中的脫鐵桿菌門(Deferribacteres)、變形菌門(Proteobacteria)和梭桿菌門(Fusobacteria)的豐度顯著增加(P<0.05);而預(yù)先感染旋毛蟲的CIA.TS組與CIA組對(duì)比,小鼠腸道菌群中的脫鐵桿菌門和變形菌門的豐度顯著減少(P<0.05),梭桿菌門的豐度也有減少趨勢(shì)(雖無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異P>0.05,但接近Control組水平)。該結(jié)果提示,CIA組小鼠腸道菌群在門水平上3種差異菌豐度顯著上升,而預(yù)先感染旋毛蟲部分恢復(fù)了3種菌的豐度,接近對(duì)照組水平。
圖5 各組小鼠腸道菌群在門分類水平的差異Fig.5 Differences in microbial relative abundance of each group at phylum level A:各組小鼠腸道菌群在門水平上的分布;B:各組小鼠腸道菌群在門水平上的差異分析。數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,*P<0.05;**P<0.01;ns, 表示差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 A: Distribution of the microbial communities of each group at phylum level; B: Differences in microbial relative abundance of each group at phylum level. The values are presented as the mean± SD. *P<0.05, **P<0.01, ns, no significance.
進(jìn)一步對(duì)各組小鼠腸道菌群中物種相對(duì)豐富度排名靠前的30名菌屬進(jìn)行比較分析。從圖6可知,與Control組相比,CIA組小鼠腸道菌群中厚壁菌門的未分類毛螺菌科(unidentified_Lachnospiraceae)、脫鐵桿菌門的Mucispirillum屬和變形菌門中脫硫弧菌屬Desulfovibrio的豐度明顯增加(P<0.05),擬桿菌門中Alistipes屬和理研菌屬Rikenella的豐度明顯減少(P<0.05);而與CIA組相比,CIA.TS組小鼠腸道菌群中Mucispirillum屬和脫硫弧菌屬的豐度(P<0.05)明顯減少,未分類毛螺菌科的豐度有減少趨勢(shì),理研菌屬的豐度明顯增加(P<0.05),Alistipes屬的豐度有增加趨勢(shì)。該結(jié)果提示,CIA小鼠腸道菌群在屬水平上菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,而預(yù)先感染旋毛蟲對(duì)CIA小鼠腸道菌群失調(diào)具有明顯的調(diào)節(jié)作用。
為了進(jìn)一步分析小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)改變與關(guān)節(jié)炎疾病嚴(yán)重程度的關(guān)系,我們將CIA組和Control組之間的差異菌屬與關(guān)節(jié)炎評(píng)分進(jìn)行Spearman相關(guān)分析。由圖7可知,CIA小鼠中豐度顯著升高的未分類毛螺菌科、Mucispirillum屬和脫硫弧菌屬,其相對(duì)豐度與關(guān)節(jié)炎評(píng)分都呈顯著正相關(guān);而豐度顯著降低的Alistipes屬的相對(duì)豐度與關(guān)節(jié)炎評(píng)分呈顯著負(fù)相關(guān),理研菌屬的相對(duì)豐度與關(guān)節(jié)炎評(píng)分也呈負(fù)相關(guān)(雖無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義)。該結(jié)果提示,CIA小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)改變與關(guān)節(jié)炎疾病嚴(yán)重程度具有顯著相關(guān)性。
圖6 各組小鼠腸道菌群在屬分類水平的差異Fig.6 Differences in microbial relative abundance of each group at genus level A:各組小鼠腸道菌群在屬水平上的分布;B:各組小鼠腸道菌群在屬水平上的差異分析。數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,* P<0.05;**P<0.01;ns, 表示差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 A: Distribution of the microbial communities of each group at genus level; B: Differences in microbial relative abundance of each group at genus level. The values are presented as the mean± SD. *P<0.05, **P<0.01, ns, no significance.
圖7 屬水平的差異菌相對(duì)豐度與關(guān)節(jié)炎評(píng)分相關(guān)性分析Fig.7 Spearman correlations between microbial relative abundance and arthritic scores A:未分類毛螺菌科;B:Mucispirillum屬;C:脫硫弧菌屬;D:Alistipes屬;E;理研菌屬. A: unidentified_Lachnospiraceae; B: Mucispirillum; C: Desulfovibrio; D: Alistipes; E: Rikenella.
近年來,大量研究報(bào)道蠕蟲感染或其蟲源性分子對(duì)炎癥性疾病的發(fā)生和發(fā)展具有一定抑制作用。越來越多的動(dòng)物模型研究表明,某些寄生蟲感染對(duì)炎癥性疾病的保護(hù)作用與其對(duì)宿主腸道菌群的調(diào)節(jié)作用有關(guān)(Blanderetal., 2017)。腸道菌群是一個(gè)極其復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),在維持機(jī)體健康方面起著至關(guān)重要的作用,被認(rèn)為是攜帶著機(jī)體“第二基因組”的另一個(gè)“隱藏器官”(Congetal., 2015)。腸道微生物可能作為一種調(diào)節(jié)介質(zhì),通過影響?zhàn)つぜ叭砻庖吖δ芏绊懨庖呦到y(tǒng)疾病。本實(shí)驗(yàn)采用16S rDNA 測(cè)序技術(shù)對(duì)各組小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較研究,以從腸道菌群調(diào)節(jié)的角度探究預(yù)先感染旋毛蟲對(duì)小鼠膠原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎的改善作用。
對(duì)于關(guān)節(jié)炎患者腸道菌群多樣性的改變目前尚有爭(zhēng)論,有研究表明其菌群多樣性的改變與疾病進(jìn)程的不同時(shí)期相關(guān)(Liuetal., 2016b; Xiaoetal., 2018)。本研究在關(guān)節(jié)炎造模后第50 d收集小鼠的糞便,通過對(duì)16S rDNA測(cè)序分析發(fā)現(xiàn),CIA組小鼠菌群的多樣性較Control組小鼠有所升高。
本研究在門水平上對(duì)各菌門相對(duì)豐度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示,CIA組小鼠脫鐵桿菌門、變形菌門和梭桿菌門的相對(duì)豐度顯著增加,在屬水平上未分類毛螺菌科、Mucispirillum屬和脫硫弧菌屬的相對(duì)豐度顯著增加,Alistipes屬和理研菌屬的相對(duì)豐度顯著減少。有研究表明,毛螺科菌與腸道炎癥程度呈正相關(guān)(Liuetal., 2016b),還能夠參與代謝紊亂、糖尿病和結(jié)腸癌的發(fā)生(Xieetal., 2016)。在RA患者腸道菌群的研究中也發(fā)現(xiàn),在關(guān)節(jié)炎發(fā)作之后,毛螺菌科的豐度明顯升高(Liuetal., 2016b)。Mucispirillum屬主要寄居于腸粘液層,其主要功能為降解粘蛋白。有研究發(fā)現(xiàn),Mucispirillum屬與腸道炎癥和自身免疫性疾病相關(guān)。例如,在感染性結(jié)腸炎的小鼠模型中,結(jié)腸表面黏液層的早期破壞與Mucispirillum豐度增加有關(guān)(Berryetal., 2015; Loyetal., 2017)。Dzierzewicz等(2006)的研究發(fā)現(xiàn),脫硫弧菌是一種革蘭陰性厭氧硫酸鹽還原菌,能夠刺激上皮免疫應(yīng)答,促使巨噬細(xì)胞產(chǎn)生炎性細(xì)胞因子,導(dǎo)致人類腸道中產(chǎn)生有毒的硫化氫。本研究中CIA組小鼠脫硫弧菌屬的相對(duì)豐度顯著增加,與Dzierzewicz的研究結(jié)果相一致。另外,本研究中一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是,關(guān)節(jié)炎小鼠中豐度顯著性升高的未分類毛螺菌科、Mucispirillum屬和脫硫弧菌屬的相對(duì)豐度與關(guān)節(jié)炎評(píng)分呈正相關(guān),而豐度顯著性降低的Alistipes屬和理研菌屬的相對(duì)豐度與關(guān)節(jié)炎評(píng)分呈負(fù)相關(guān),而預(yù)先感染旋毛蟲可使CIA小鼠腸道菌群中未分類毛螺菌科、Mucispirillum屬和脫硫弧菌屬的相對(duì)豐度降低,Alistipes屬和理研菌屬的相對(duì)豐度升高,提示旋毛蟲感染對(duì)CIA小鼠關(guān)節(jié)炎癥的抑制作用與其對(duì)CIA小鼠腸道菌群的調(diào)節(jié)密切相關(guān)。
綜上所述,CIA可導(dǎo)致小鼠腸道菌群嚴(yán)重失調(diào),從穩(wěn)態(tài)變?yōu)椤把仔浴睜顟B(tài),菌群多樣性上升,尤其是一些促炎菌的豐度明顯升高;而預(yù)先感染旋毛蟲后,CIA小鼠的菌群豐富度有所降低,更接近正常小鼠的水平,且能有效恢復(fù)關(guān)節(jié)炎小鼠在門和屬水平上腸道菌群構(gòu)成和豐度的改變。因此,我們推測(cè)預(yù)先感染旋毛蟲對(duì)關(guān)節(jié)炎的緩解作用與菌群調(diào)節(jié)有關(guān),而旋毛蟲感染經(jīng)調(diào)節(jié)腸道菌群抑制CIA發(fā)生的可能機(jī)制還有待進(jìn)一步深入研究。