硒缺乏导致T细胞分化紊乱可能是富贵病-克罗恩病发病的潜在机制
首页 > 新闻动态 > 行业动态

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)是一种主要累及胃肠道的的慢性非特异性炎症性疾病,主要包括克罗恩病(Crohn disease, CD)和溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)两种,它们以慢性和复发性肠道炎症为特征。近年来,IBD发病率呈上升趋势,目前还难以治愈,严重影响患者的生活质量。众多因素包括基因突变、饮食结构、肠道微生物紊乱和免疫过度激活等,都参与了IBD的发病机制。而在这些因素中,黏膜免疫系统功能障碍是CD和UC发病机制中最重要的,但其潜在的生理机制和免疫反应病理特征仍有待进一步研究。

 

2021年8月,浙江大学靳津课题组和浙江大学邵逸夫医院曹倩课题组合作在Immunity杂志在线发表了题为“Multiomic analyses reveal a critical role of selenium in controlling T cell differentiation in Crohn’s disease”的文章。该研究所使用的Selenow-KO小鼠(品系编号:T029600)来自国家遗传工程小鼠资源库共建单位--集萃药康的斑点鼠品系库。该文章研究人员通过多组学分析检测了未经治疗的IBD个体的免疫学特征和代谢微环境,并通过实验揭示了硒补充剂抑制了过继性T细胞转移引起的结肠炎的严重程度和CD患者的临床症状,确立了硒可作为 CD患者的潜在治疗药物。

 

研究结果

通过单细胞测序揭示了单纯IBD个体的常见和疾病特异性结肠免疫细胞类型

研究人员对3例健康对照和12例初诊未接受过药物治疗中重度CD和溃疡性结肠炎UC患者的结肠黏膜免疫细胞进行了单细胞测序,通过对63314个高质量转录组数据进行聚类分析,发现初诊CD患者的Th1-like 细胞和GPBhiFollicular B细胞特异性增多,而Th17-like 细胞和exhausted Tc17 细胞的比例在初诊UC患者特异性升高。

图1 CD和UC患者及健康供体免疫细胞亚群分析

 

CD4+效应细胞亚群在CD和UC个体中表现出疾病特异性的模式和代谢转移

先天免疫细胞来源的细胞因子可以调控T细胞的分化,为阐明CD和UC中产生这两群独特细胞亚群(Th1-like、 Th17-like)的机制,作者首先比较了两类疾病中的先天免疫细胞的应答模式。研究结果表明调控Th1或Th17分化的细胞因子在两类疾病的先天免疫细胞中的表达没有显著差异,但这两个T细胞亚群存在多个代谢酶表达差异,提示两者代谢模式不同,代谢微环境可能在塑造两类疾病T细胞免疫应答过程中发挥着重要的作用。

图2 两种IBD患者中T辅助细胞极化驱动基因的表达情况

 

IBD患者结肠活检的代谢谱显示了疾病特异性代谢物变化

进一步对活动期CD和UC患者及健康对照者结肠组织利用LC-MS非靶向代谢组学技术进行检测,分别鉴定出了92种和275种在CD和UC中特异性变化的代谢物。检测发现一些维生素C和酰基肉碱在CD患者中富集,而果糖赖氨酸、黄嘌呤和l-赖氨酸只在UC患者中增加;相反,30-磷酸腺苷酸硒酸酯和葫芦素E在CD患者中特异性下调,而DL-乳酸和CMP-唾液酸在UC患者中特异性下调。

图3 来自IBD患者和健康供体的结肠活检的代谢图谱

 

IBD特异性代谢物塑造了T细胞的分化模式

为了进一步明确这些代谢物是否调控T细胞的分化,研究人员通过T细胞分化试验筛实验,鉴定出了一些可以调控特定疾病亚型中T细胞亚群分化的代谢物。研究发现硒的有机形式3'-磷酸腺苷酸显著抑制Th1细胞的分化而不影响Th17细胞的分化,并且在Th1细胞分化过程中添加硒导致了基因表达的显著变化(如亚硒酸盐处理组中I12、Ifng和Ccl3的表达显著下调)。

图4 亚硒酸盐选择性地抑制Th1细胞的分化

 

硒促进嘌呤的补救合成途径,抑制单碳代谢

研究人员通过LC-MS对亚硒酸盐处理后的Th1细胞进行了代谢组学分析,发现差异代谢产物主要富集于一些氨基酸和嘌呤代谢。该研究显示在Th1分化过程中,硒处理可以抑制单碳代谢导致嘌呤从头合成减少,补救途径代偿性上调。并且T细胞的活化和分化过程同时伴随着ROS的产生,细胞内ROS水平受到抗氧化酶和其他分子的严格调控。

图5 亚硒酸盐抑制单碳代谢途径和IFN-γ的表达

 

亚硒酸盐通过促进SELW依赖的SHMT2降解来抑制单碳代谢

研究人员采用靶向硒代半胱氨酸的MS技术,发现硒含量的升高会促进Th1分化过程中硒蛋白W(SELW), GPX1, GPX4, TRXR1和TRXR2的产生。进一步阐明了硒蛋白SLEW在硒调控Th1细胞分化过程中起到的关键作用,并揭示了SELW通过招募E3泛素链接酶TRIM21和多种代谢酶的方式调控嘌呤补救途径和单碳代谢的具体机制。

图6 硒通过SELW介导的SHMT2降解来抑制单碳代谢

 

膳食中补充亚硒酸盐可以减轻动物模型和IBD临床患者的结肠炎病症

研究人员通过建立结肠炎模型,并给予正常的饮食、缺乏硒的饮食和补充亚硒酸钠的饮食,发现缺硒饮食的小鼠体重明显下降,导致了更严重的结肠炎症,并增加了结肠中浸润的Th1细胞的数量,添加硒后能较好的改善模型的相关病症。此外临床上的实验数据显示补充硒可以通过抑制结肠中过度的Th1细胞介导的免疫反应,从而改善CD患者的结肠炎预后。

图7 膳食中补充亚硒酸盐减轻Rag1-/-小鼠模型结肠炎表型

图8 膳食中补充亚硒酸盐减轻IBD临床患者结肠炎病症

 

总结

图9 IBD研究模式图

 

该研究借助单细胞测序、代谢组学和蛋白质谱等技术,系统解析了初诊CD和UC患者的肠道免疫细胞组成及代谢改变,阐明了CD结肠中独特的代谢改变塑造局部黏膜免疫应答模式的机制。研究发现硒缺乏导致CD个体的单碳代谢和Th1极化过度活化,添加硒补充剂有望通过抑制Th1细胞分化来促进CD肠道炎症的缓解,表明硒和单碳代谢可能是改善CD症状的潜在药物靶点。同时研究结果也为微量元素在炎症性疾病中调节适应性免疫中的药物化功能提供了见解。