Nature：科学家首次发现肠道微生物竟然会诱发中风！
2017-05-17 应雨妍 奇点网
近日，《自然》杂志上刊登了一篇研究，宾夕法尼亚大学医学院的研究人员发现，肠道微生物竟然会推动脑海绵状血管瘤（cerebral cavernous malformations，CCM）的发展！
近日，《自然》杂志上刊登了一篇研究，宾夕法尼亚大学医学院的研究人员发现，肠道微生物竟然会推动脑海绵状血管瘤（cerebral cavernous malformations，CCM）的发展！
CCM虽然叫做血管瘤，但并不是真正的癌症，事实上，它是一种中枢神经血管畸形。这些畸形的血管血管壁很薄，而且“抱团”在一起形成异常的海绵状血管团，看起来很像是“实体瘤”。CCM属于常见的血管畸形，人群发病率约为0.5-1%，占总中枢神经血管畸形的10-20%。最麻烦的事情在于，CCM会诱发癫痫和中风，而且目前完全没有药物能够阻止它。
脑海绵状血管瘤示意图，紫色部分为畸形血管团
其实，直到去年，研究人员才发现了导致CCM的直接原因。这也是由本次新研究的通讯作者Mark Kahn博士的团队发现的，研究同样发表在了《自然》杂志上。他们通过对脊椎动物模型和临床患者的研究，确定了脑上皮细胞中MEKK3-KLF2/4信号的增加是CCM的直接原因。不过，当时他们还是没能继续深究出MEKK3-KLF2/4信号是如何增加的。
而这次的新研究恰好帮助他们弥补了当年的“遗憾”。为了研究CCM，研究人员利用基因改造技术构建了CCM模式小鼠，然后通过人工选育传代，通常在第6代时会出现血管畸形，第10代时会出现成熟的畸形血管团。
而一年前，一次偶然的机会，他们发现了件“奇妙的事情”，经过多次传代，这些“后代小鼠”中出现了携带基因缺陷但是能够抵抗CCM的小鼠，然而在这群小鼠中，仍有一部分小鼠“顽强地”保持着CCM的发展。为什么会出现这样的“分歧”呢？通过一点一点的排除，他们发现，问题很可能出在肠道微生物上。
由于在构建模式小鼠时需要腹部注射药物，有些小鼠会出现感染，导致脓肿，肠道屏障功能变弱，肠道微生物就会从肠道进入血液，而这部分小鼠的血管畸形会持续发展。在反复试验了几次后，Kahn博士意识到，这不是巧合。于是他们对一些肠道微生物进行了测试，最终发现，在给有CCM抵抗的小鼠注射革兰氏阴性菌（GNB）时，它们会继续发展CCM。
脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis），肠道中一种十分常见的革兰氏阴性菌
为什么只能是革兰氏阴性菌呢？经过进一步的成分实验，研究人员发现，革兰氏阴性菌细胞壁中的一种特有成分——脂多糖（LPS）是导致CCM抵抗小鼠继续发病的诱因，在注射后，CCM抵抗小鼠脑中畸形血管团的体积迅速发展到原来的数倍！也就是说，进入血液中的革兰氏阴性菌或者说脂多糖正是推动CCM发展的一只“幕后黑手”！
注射脂多糖（下）和注射磷酸缓冲液（上）后CCM抵抗小鼠畸形血管团生长情况对比
虽然发现了CCM的发展是和肠道微生物有关系，可是它们和之前发现的信号通路之间又是如何“沟通”的呢？这中间似乎还少了“关键一环”。研究人员也对此感到疑惑，于是他们翻阅了过去的大量研究，终于发现这可能和先天性免疫受体TLR4有关系。
在2004年的一项研究中，有研究人员发现，脂多糖要通过TLR4来激活细胞内的信号通路。联系到他们自己两次研究的发现，研究人员于是猜想，或许TLR4正是那个缺少的“关键一环”，由肠道微生物推动的TLR4- MEKK3-KLF2/4才是CCM在发展过程中的一个“完整链条”。
CCM患者“肠脑交流”示意图
于是他们对小鼠TLR4基因进行了敲除，发现几乎能够完全阻止第10代小鼠CCM的发病！除了TLR4，另一个能与LPS结合，增强TLR4信号通路的辅受体CD14也起到了一定作用，敲除它的编码基因也可以部分阻止CCM的发展。
除了小鼠外，研究人员还对188例CCM患者进行了磁共振成像（MRI）和单核苷酸多态性（SNPs，由单个核苷酸变异引起的DNA序列多态性，广泛存在于人类基因组中）检查。他们发现只有TLR4和CD14两个基因的两种单核苷酸多态性与CCM病变血管团数量的增加有关，而携带它们的患者与非携带者相比，病变的增加量分别高达72%和49%！这说明小鼠体内的机制在人体内同样适用。
根据这些，研究人员认为，想要治疗CCM，可以从两个方面下手，要么抑制TLR4受体发挥作用，要么抑制肠道中的革兰氏阴性菌。按照这个思路，他们分别设计了几个实验。首先是针对TLR4，研究人员选择了两种TLR4拮抗剂——TAK-242和LPS-RS，尽管它们起效的机制不同，但是两者都取得了不错的“成绩”：TAK-242消除了CCM小鼠脑内约80%的畸形血管团，LPS-RS则更胜一筹，消除了90%！
接下来，他们针对肠道微生物进行了一个“代际治疗研究”，用同一对儿亲本小鼠交配两次，得到两群后代，其中一群在每代的时候都给予小鼠妈妈广谱抗生素治疗，直到第10代的时候一起检测CCM的发展情况。意料之中的，没有接受治疗的小鼠依然发展成了严重的CCM，而治疗组小鼠脑内的畸形血管则相对减少了96%！
小鼠“代际治疗研究”流程图
研究人员最后指出，尽管可以开发靶向TLR4的药物，但是他们还是建议其他研究人员重点关注肠道微生物治疗这条路，因为如果能够通过靶向肠道微生物与宿主之间的联系以治疗此类终身疾病实在是让人感到非常激动。当然，用在小鼠身上的“简单粗暴”的抗生素疗法是势必要改进的，对于CCM患者来说，这将会是一个非常好的消息。
原始出处：
Alan T. Tang， Jaesung P. Choi， Jonathan J. Kotzin et al. Endothelial TLR4 and the microbiome drive cerebral cavernous malformations. Nature， doi：10.1038/nature22075（ 2017）.
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