核心提示：五岁以下儿童的死亡一半以上涉及急性营养不良或消瘦，并增加传染病的风险。人类临床模型的研究表明，营养不良与未成熟的肠道微生物群有关，其特征是肠杆菌科的患病率增加。
——摘要——
五岁以下儿童的死亡一半以上涉及急性营养不良或消瘦，并增加传染病的风险。人类临床模型的研究表明，营养不良与未成熟的肠道微生物群有关，其特征是肠杆菌科的患病率增加。在中度急性营养不良 (MAM) 儿童中观察到全身性炎症加剧和循环细菌脂多糖 (LPS) 增加。然而，支撑全身性炎症状态和内毒素血症的机制及其病理生理后果仍不明确。了解这些病理生理机制对于设计有针对性的治疗方法是必要的。作者使用MAM的小鼠模型来研究营养不良炎症的机制，研究发现MAM的小鼠在基线时表现出系统性炎症增加，细菌和细菌LPS的易位增加以及对炎症刺激的过度反应，对细菌LPS的过度反应与急性体重减轻有关。值得注意的是，在盲肠和结肠中发现了肠道炎症和屏障功能障碍，盲肠显示出菌群失调，具有变形杆菌和一些厚壁菌的扩张以及拟杆菌的收缩。这些变化与粪便LPS生物活性的增加同时发生。通过口服不可吸收的抗生素改变盲肠的变形菌门的比例来调节炎症表型和体重减轻。
急性营养不良的炎症加剧是肠道菌群变化，盲肠和结肠的肠屏障功能障碍以及全身暴露于LPS的增加的结果。
——研究背景——
急性营养不良影响全球 5050万五岁以下儿童。患有严重急性营养不良 (SAM) 的儿童死亡的可能性是健康儿童的 9 倍，患有中度急性营养不良 (MAM) 的儿童死亡的可能性是健康儿童的 3 倍。尽管儿童营养不良在全球范围内具有重要意义，但对于支持其发展的膳食蛋白质和微量营养素缺乏之外的病理生理机制知之甚少。许多研究描述了营养不良儿童的免疫缺陷。然而，对于免疫缺陷和营养不良之间的机制联系，以及营养干预是否可以影响免疫功能的恢复，人们知之甚少。
肠道菌群失调既是营养不良的促成因素，也是营养不良的后果。对患有 SAM 和 MAM 的儿童的研究表明，营养不良的儿童具有“不成熟”的肠道微生物群组成，未成熟微生物群的特点是多样性低，肠杆菌科耐氧菌的流行率增加，而有益共生菌的流行率降低。这种发育不良的微生物群会阻碍能量收集，使肠道病原体大量繁殖，从而导致屏障功能受损和肠道炎症。炎症反应对营养不良的儿童来说影响很大，将已经稀缺的营养物质转移到急性期和免疫蛋白的产生。对 SAM 和 MAM儿童的观察性研究表明，营养不良、肠道损伤和循环 LPS 升高有关，然而支撑这些发现的机制尚不明确。因此探究营养不良的病理性炎症与肠道微生物群和细菌脂多糖之间的关系对于解析这种机制是十分必要的。
——研究结果——
营养不良的小鼠表现出基线炎症增加和对炎症刺激的过度反应
(图1A)使用结合大量营养素 (蛋白质) 和微量营养素 (铁和锌) 缺乏症的小鼠模型模拟导致儿童MAM的饮食。小鼠成对喂养，MN小鼠比对照小鼠少接受10% 的食物，产生适度的能量不足。对照饮食的小鼠在饮食的第28天达到其成年体重，并获得其起始体重的38%。第28天的MN小鼠平均为12.5g，并且失去了其起始体重的8%。在基线时，与对照小鼠相比，发现 MN 小鼠的血清促炎细胞因子水平(IL-1b、TNF、IFNg、IL-6 和 IL17A)增加。
(图1B)在 MN 和对照小鼠的足背皮肤皮内注射了LPS或硫磷胆酸，注射无菌 PBS 用作对照。 LPS 组与对照组相比，MN 小鼠中促炎细胞因子 ll1b、中性粒细胞趋化因子 Cxcl1 和 Cxcl2 表达增加，但单核细胞趋化因子 Cxcl2 没有增加。
(图1C)从 MN 小鼠中分离并用 LPS 或 LTA 刺激的腹膜巨噬细胞比从对照小鼠中分离的腹膜巨噬细胞产生更多的 TNF。
(图1D) MN小鼠腹腔内注射亚致死剂量的 LPS，其起始体重减少了 13.5%，而对照小鼠则减少了 9.3% 的起始体重。
小结：实验结果表明营养不良导致基础炎症增加，对无菌组织损伤或细菌产物的炎症反应过度，以及暴露于细菌 LPS 后更大的病理生理影响(体重减轻)。
营养不良的小鼠显示需氧细菌和细菌LPS的易位增加
(图2A)与对照小鼠相比，观察到MN小鼠的肠系膜淋巴结 (MLN)，脾脏和肝脏中培养的需氧细菌数量增加。
(图2B)通过质谱法鉴定了来自对照和MN小鼠脾脏和肝脏的需氧和厌氧细菌菌落的随机样本。鉴定出的67个菌落中有10个是革兰氏阴性，其余57个菌落属于厚壁门的革兰氏阳性细菌，包括肠球菌属 (25)，葡萄球菌属 (25)，气球菌属 (3)，链球菌 (2)，梭状芽孢杆菌 (1) 和明串珠菌 (1)。与对照小鼠相比，MN小鼠的血清LPS水平也明显更高。
(图2C)在MN小鼠中，改变了从肠道到周围和门静脉血液的LPS转运途径。用荧光标记的LPS灌胃小鼠两小时后，对照组小鼠显示荧光标记的LPS主要转移到门静脉，MN小鼠显示出明显更大的LPS向外周循环的易位。在对照小鼠中，外周血与门静脉血液中LPS浓度的比率0.25，但在MN小鼠中比率为0.87。
小结：实验结果表明MN小鼠对细菌和细菌产物的全身暴露程度更高。
营养不良的小鼠有肠道(结肠)屏障功能受损和肠道炎症改变的证据
(图3A、B、C)检测回肠、盲肠和结肠的组织学结构确定增加的肠外细菌负荷和 LPS 易位是否是由于肠道屏障功能受损。发现回肠绒毛高度没有显着差异，但固有层炎症细胞增加。结肠显示 MN 小鼠隐窝长度的显着减少 (p = 0.09) 和炎性细胞浸润增加。
(图3D、E、F)4 kDa FITC-葡聚糖的口服灌胃在灌胃后 1 小时显示血清浓度没有差异。与对照小鼠相比，结肠内滴注 4 kDa FITC-葡聚糖后 1 小时的血清取样显示 MN 易位增加。同样，在滴注后 1 和 16 小时测量时，与对照小鼠相比，FITC-LPS 的结肠内滴注导致 MN 中向血清的易位增加。
(图 3G)使用 4 kD FITC-葡聚糖对来自回肠、盲肠和结肠的肠上皮的细胞旁通透性进行离体分析，结果显示 MN 和对照小鼠的回肠没有差异，但 MN 小鼠的盲肠和结肠的扩散显着增加从上皮的顶端到基底外侧的荧光团。
(图4A-C)与盲肠和结肠屏障功能受损的证据一致，营养不良的盲肠和结肠中炎性细胞因子 Nos2 和髓过氧化物酶的表达增加。
小结：实验结果表明营养不良小鼠的屏障功能受损位于大肠。
来自MN小鼠的盲肠微生物群的特征是厚壁菌和变形杆菌的比例增加，拟杆菌的数量减少。
(图5A、B、C)来自对照和MN小鼠的盲肠内容物的微生物群组成在α多样性没有差异，但β多样性不同。在盲肠内容物中，MN小鼠中拟杆菌的总体比例降低，而变形菌和厚壁菌增加。
(图5D)与对照小鼠相比，MN小鼠盲肠内容物的OTUs包括两种变形杆菌OTUs和七种厚壁杆菌OTUs。MN小鼠盲肠含量降低的OTUs包括四种拟杆菌和五种厚壁菌。
(图5E)与对照小鼠相比，MN小鼠MLN的所有显著OTU水平变化都包括增加;在MN小鼠的MLN中，OTUs没有显著降低。
(图 5F)来自 MN 小鼠的盲肠和结肠的总粪便LPS比对照小鼠的总粪便LPS 更能诱导TLR4活化。
(图 5G)与对照小鼠相比，MN 中引流盲肠和上结肠的MLN中的生物活性 LPS更高。
小结：营养不良引起的生态失调(包括变形菌增加和拟杆菌减少)将导致结肠中LPS 聚集。
口服抗生素改变肠道菌群可调节营养不良小鼠的炎症和体重减轻
(图 6A)在 28 天饮食的最后 14 天，MN 小鼠在其饮用水中给予万古霉素、粘菌素或不含抗生素。
(图 6B、C)测定小鼠盲肠内容物的微生物群组成。与未处理的 MN 小鼠相比，COL 处理的 MN 小鼠的变形菌门比例增加。
(图 6D)在 5 只 VANC 处理的小鼠中有 4 只的读数中，三种 OTU占 98%。经 VANC 处理的 MN 小鼠的拟杆菌属和厚壁菌门的平均患病率为 0.02%，而未处理的 MN 小鼠则为 12% 和 78.07%。
(图 6E)为了确定抗生素介导的盲肠微生物群组成变化是否调节全身炎症反应，用LPS 皮内攻击MN小鼠。与对照 MN小鼠相比，COL治疗的MN小鼠具有相似水平的炎性细胞因子。与对照或 COL 处理的MN小鼠相比，VANC处理的MN小鼠显示出变形菌门的显著扩增，其LPS诱导的Il1b、Il6、Cxcl1和 Il17a表达显着增加。
(图 6F)评估口服抗生素如何影响细菌易位。与 COL 治疗的 MN 小鼠相比，VANC 治疗的小鼠脾脏和肝脏中的可培养细菌水平显着降低。
(图 6G)测量小鼠在两周的抗生素治疗过程中的体重变化，经 VANC 处理的 MN 小鼠与对照MN 小鼠表现出相似的体重减轻，而经 COL 处理的小鼠能够在营养缺乏的饮食中维持体重。对照和 VANC 治疗的 MN 小鼠。
小结：实验结果表明抗生素介导的炎症和体重减轻调节与细菌易位的变化无关。
——结论与展望——
描述了 MAM 模型中的基线全身炎症状态和增强的全身炎症反应发生在肠道生态失调、结肠炎症和屏障功能障碍以及细菌和细菌 LPS 易位增加的背景下。用抗生素调节肠道微生物群中的肠道变形菌门群落具有显着的效果—增加加剧炎症和减少改善体重减轻。因此，针对特定的肠道细菌群落可能会通过中断肠道生态失调、肠道屏障受损和导致生长迟缓的全身性炎症的病理生理级联反应来使营养不良的儿童受益。此外，将监测和治疗计划的重点从简单的生长指标转移到早期病理生理标志物的识别和靶向将促进更合理的治疗并改善儿童 MAM 的长期恢复。为了更好地治疗儿童营养不良，应进一步探索这些机制和潜在疗法。
英文题目：Pathologic Inflammation in Malnutrition Is Driven by Proinflammatory Intestinal Microbiota, Large Intestine Barrier Dysfunction, and Translocation of Bacterial Lipopolysaccharide
中文题目：营养不良的病理性炎症是由促炎性肠道微生物群、大肠屏障功能障碍和细菌脂多糖易位引起的
发表杂志：Frontiers in Immunology(JCR 8.786/Q1、中科院2区Top期刊)
发表时间：2022年5月26日
作者：Grace T. Patterson
通讯作者：Peter C. Melby
第一单位：德克萨斯大学医学部内科传染病科
DOI：10.3389/fimmu.2022.846155
