适应性免疫系统的衰老影响肠道微生物组和维生素B6的系统水平

《Microbiome》：Aging of the adaptive immune system affects the gut microbiome and systemic levels of vitamin B6

　　

摘要
背景：年龄相关的肠道微生物群失调是衰老的一个标志，并与多种年龄相关疾病有关，但驱动这些变化的上游宿主因素仍未完全确定。研究人员描述了肠道微生物群与黏膜免疫之间广泛的双向串扰。衰老伴随着免疫功能进行性下降，统称为衰老相关免疫重塑（aging-associated immune remodeling, AAIR）。AAIR 涵盖广泛组成和功能变化，损害了对病原体、疫苗和组织损伤的有效反应。研究人员检验了 AAIR 是否是在衰老过程中影响微生物组组成的一个上游宿主因素。
结果：AAIR 的特征也存在于回肠固有层（ileal lamina propria, LP）中，包括初始 CD4⁺ 和 CD8⁺ T 细胞群减少，以及记忆性和调节性 T 细胞亚群扩增。为了检验黏膜 AAIR 是否反映造血系统内在衰老，研究人员使用了一个造血干细胞（HSC）移植模型，在该模型中，年轻的 RAG1^?/? 受体在接受年轻或年老供体 HSC 后获得完全由供体来源的适应性免疫系统，而宿主环境是年轻的。接受年老 HSC 的受体重现了黏膜 AAIR 的关键特征，特别是初始 T 细胞的丧失，表明回肠 LP 中的 AAIR 至少部分由年老 HSC 驱动。对粪便样本进行鸟枪法宏基因组测序显示，回肠 AAIR 与肠道微生物群改变相关。具体来说，与维生素 B6（VB6）生物合成和补救途径相关的类群丰度降低。相应地，在具有衰老免疫系统的小鼠血清中 VB6 水平降低。
结论：研究人员的发现将 AAIR 与微生物 VB6 通路丰度降低和全身 VB6 可利用性降低联系起来，表明免疫衰老以一种减弱微生物组 VB6 生物合成能力的方式塑造其功能输出。这提出了一个免疫-微生物组-VB6 关联，值得进一步研究在衰老过程中提高 VB6 水平的治疗策略。视频摘要。

**论文解读文章**

**研究背景、问题与目的**

肠道微生物组通过参与营养物质代谢、维持上皮屏障完整性、促进免疫成熟与功能以及抵御病原体等方式支持宿主健康。随着年龄增长，微生物群组成发生显著变化，表现为多样性降低、个体间变异增大以及功能潜力改变。这些年龄相关变化与衰老常见的健康损害和疾病（如衰弱、慢性炎症、肠道再生能力下降和神经退行性变）密切相关。尽管微生物失调被认为是衰老相关损伤和疾病的驱动因素，但其背后的机制尚不清楚。衰老同时涉及多种并发变化，包括免疫重塑、激素变化、上皮功能下降等内在因素，以及饮食改变、药物使用等外在因素，这使得因果关系的解析极具挑战。

适应性免疫系统在维持微生物稳态中发挥核心作用，主要通过免疫球蛋白 A（IgA）分泌、T 细胞介导的免疫监视和支持上皮屏障功能来实现。缺乏适应性免疫成分的小鼠（如 RAG1^?/? 小鼠）表现出显著改变的微生物群组成。免疫系统的衰老，即衰老相关免疫重塑（aging-associated immune remodeling, AAIR），以初始淋巴细胞输出减少、记忆性和调节性 T 细胞积累、胸腺退化以及免疫反应性降低为特征。AAIR 主要由造血干细胞（HSCs）的内在改变驱动，这些改变导致髓系偏向分化而牺牲淋巴系。AAIR 主要在血液和中枢造血器官中被鉴定，但其在组织驻留免疫系统（特别是与微生物群直接接触的肠道固有层（LP））中的存在仍不清楚。同样，AAIR 影响肠道微生物组组成的程度也尚不明确。

研究人员假设适应性免疫系统的衰老导致了衰老过程中观察到的微生物组变化。他们采用 HSC 移植模型，在基因相同、年龄匹配的宿主中，在标准化饲养和饮食条件下产生年轻或年老的适应性免疫系统，从而能够在没有其他混杂因素的情况下研究年老适应性免疫系统的影响。

**主要关键技术方法**

研究人员采用非竞争性 HSC 移植模型：从年轻（2–3月龄）和年老（>20月龄）B6.SJL 雌性小鼠的骨髓中分选 HSC（Lin^? Sca-1⁺ c-Kit⁺ CD34^? Flk2^?），经16小时培养后，将600个 HSC 经尾静脉注射至亚致死辐照（6.5 Gy）的年轻 RAG1^?/? 受体小鼠体内。移植后20周收集粪便样本进行鸟枪法宏基因组测序（Illumina NovaSeq X，150 bp双端，约2000万 reads/样本），使用 Kraken2 和 Bracken 进行物种分类，HUMAnN3 结合 MetaCyc 数据库进行功能通路分析。同时，利用 CyTOF（质谱流式细胞术）分析回肠 LP 免疫细胞组成，并使用竞争性 ELISA 检测血清 VB6 水平。样本来源：德国乌尔姆大学动物设施，SPF 条件下饲养的雌性小鼠。

**研究结果**

**1. 适应性免疫和年龄影响肠道微生物组的组成**

通过比较 RAG1^?/? 小鼠、野生型 C57BL/6J 小鼠以及经 HSC 移植重建适应性免疫的 RAG-HSC 小鼠的粪便宏基因组，主成分分析（PCA）显示各组微生物群落显著分离。RAG1^?/? 小鼠的微生物组成与野生型差异最大，而 RAG-HSC 小鼠的组成介于两者之间，更接近野生型。Bray-Curtis 距离分析确认 RAG-HSC 小鼠的微生物谱与野生型显著更相似。α多样性分析显示，RAG1^?/? 小鼠的 Shannon 和 Simpson 指数显著高于野生型和 RAG-HSC 小鼠，表明适应性免疫对微生物群施加选择性过滤，限制群落均匀度。在自然衰老的 C57BL/6J 小鼠中，年轻（Y）与年老（O）小鼠的微生物组 PCA 同样显著分离，并观察到厚壁菌门/拟杆菌门比值升高和 *Akkermansia muciniphila* 丰度降低等已知衰老相关变化，此外还发现了此前未报道的物种变化。

**2. 衰老相关回肠免疫景观重塑伴随 T 细胞亚群变化**

CyTOF 分析回肠 LP 免疫细胞发现，与年轻小鼠相比，年老小鼠的 CD19⁺ B 细胞频率降低，CD3⁺ T 细胞频率升高。T 细胞亚群中，CD4⁺ T 细胞频率升高而 CD8⁺ T 细胞频率降低。初始 CD4⁺ 和 CD8⁺ T 细胞（TN）显著减少，而 CD8⁺ 效应记忆 T 细胞（TEM）和 CD4⁺Foxp3⁺ 调节性 T 细胞（Treg）频率增加。功能上，回肠内容物中分泌型 IgA（sIgA）水平呈下降趋势，且离体刺激后年老小鼠回肠 CD4⁺ T 细胞的 TNF-α 和 IL-2 产生能力降低。这些结果表明 AAIR 的特征不仅存在于外周，也明确出现在回肠黏膜。

**3. 年老 HSC 诱导回肠 LP 中衰老相关的 T 细胞特异性重塑**

将年轻或年老供体的 HSC 移植至年轻 RAG1^?/? 受体，产生具有年轻（DY）或年老（DO）适应性免疫系统的小鼠。DO 小鼠在回肠 LP 中同样表现出初始 CD4⁺ 和 CD8⁺ T 细胞减少、Treg 和 CD8⁺ TEM 增加以及 B 细胞减少，与自然衰老表型一致。此外，DO 小鼠的 Th17 细胞频率显著升高。这些结果证明 HSC 驱动的免疫衰老足以在回肠黏膜引起关键的 AAIR 特征，尤其是在 T 细胞区室。值得注意的是，回肠髓系细胞（Gr-1⁺/Mac-1⁺）在 DY 和 DO 间无差异，且大部分为受体来源，提示髓系细胞主要为组织驻留、长寿命群体，不易被骨髓来源细胞替代。

**4. AAIR 影响肠道维生素 B6 物种并降低全身维生素 B6 可利用性**

对 DY 和 DO 小鼠粪便宏基因组进行通路差异丰度分析，尽管各批次间微生物组存在基线差异，但合并分析显示一个小的、跨批次一致的差异分类群集合。更重要的是，在 DO 小鼠中，多条代谢通路丰度降低，其中两条维生素 B6（VB6）生物合成和补救途径——吡哆醛 5′-磷酸生物合成 I（PYRIDOXSYN-PWY）和吡哆醛 5′-磷酸生物合成与补救超途径（PWY0-845）——在 DY vs. DO 以及 Y vs. O 比较中均一致减少。尽管经 FDR 校正后未达到统计学显著性（可能与样本量有限有关），但效应量很大。血清 VB6 浓度测量显示，DO 小鼠比 DY 小鼠低约30%，自然年老小鼠比年轻小鼠低约50%。这表明适应性免疫衰老与 VB6 生物合成能力相关微生物的减少以及全身 VB6 水平降低相关联。

**讨论与结论总结**

讨论部分指出，这些数据支持免疫系统与肠道微生物组之间的双向关系，并补充了免疫衰老本身（特别是黏膜 AAIR）对年龄相关微生物组变化的贡献。AAIR 与携带 VB6 生物合成/补救途径的微生物丰度降低以及全身 VB6 可利用性下降相关，提示免疫介导的微生物组重塑可能减少 VB6 通路类群的丰度，从而降低系统 VB6 水平。但也不能排除其他机制（如活化免疫细胞对 VB6 需求增加、肠道吸收或全身运输改变）的贡献。研究还讨论了可能的细胞机制，包括初始 T 细胞减少、B 细胞和 sIgA 降低以及效应/调节亚群比例变化如何重塑黏膜环境选择性地影响 VB6 产生菌；以及 EphB6 受体酪氨酸激酶作为候选分子机制——其在 T 细胞中高表达，年老小鼠中表达下降，可能通过影响囊泡运输而间接影响 VB6 产生菌群。局限性包括：实验仅用雌性小鼠，HSC 移植模型引入辐照和抗生素暴露等干扰，实验室饲养限制微生物暴露复杂性，以及免疫表型仅关注回肠 LP，微生物组分析基于粪便样本等。

结论部分：总之，研究数据揭示了回肠 LP 中的 AAIR，这种重塑可通过移植年老 HSC 重现，确立了 HSC 衰老作为衰老相关黏膜免疫重塑的贡献因素。这种免疫状态伴随着肠道微生物组结构改变、微生物 VB6 生物合成/补救途径一致性降低以及全身 VB6 可利用性下降。尽管免疫重塑、微生物组 VB6 功能能力与宿主 VB6 状态之间的直接因果链尚待建立，但这些发现确定了一个肠道黏膜轴，通过该轴，造血免疫衰老可能在衰老过程中塑造微生物组功能和 VB6 稳态。通过将肠道识别为 HSC 驱动免疫衰老的靶器官，这项工作为未来研究提供了依据，以确定调节免疫衰老和/或微生物组 VB6 能力的干预措施在多大程度上可减轻衰老相关的微生物组组成和 VB6 可利用性变化。