肠道微生物群失调影响脑转移进展中免疫细胞转录组的时间动态：一项关键研究成果

为探究肠道微生物群对脑转移（BrMet）免疫反应的影响，研究人员开展相关研究，发现其显著影响免疫反应动态，意义重大。

　　

一、研究背景

在癌症研究领域，脑转移（Brain Metastasis，BrMet）一直是一个棘手的难题。肿瘤细胞一旦转移到脑部，患者的病情往往急转直下，治疗难度剧增。这背后的关键原因在于，脑转移的发生涉及肿瘤细胞与大脑微环境之间复杂的相互作用，而其中免疫系统的动态变化更是起着至关重要的作用。

目前，虽然我们知道中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）内的免疫细胞以及外周免疫细胞会对脑转移的免疫格局产生影响，但这些免疫细胞在脑转移过程中的动态变化规律，以及调节这种微环境的具体因素，仍然如同迷雾一般，困扰着科研人员。此外，全身系统性因素在这一过程中的作用也尚不明确，尤其是肠道微生物群，它与大脑之间存在着千丝万缕的联系，却很少有人深入探究其在脑转移免疫反应中的具体作用。

正是在这样的背景下，为了揭开这些谜团，来自美国德克萨斯大学西南医学中心（UT Southwestern Medical Center）和圣母大学（University of Notre Dame）等机构的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们希望通过深入剖析肠道微生物群与脑转移免疫反应之间的关系，为脑转移的治疗开辟新的路径，这一研究成果发表在《Cell Reports》上。

二、研究方法

研究人员采用了多种前沿技术来开展此项研究。首先，通过 16S rRNA 测序，对小鼠粪便样本中的肠道微生物群进行分析，以此了解肠道微生物群的组成和多样性变化。其次，利用单细胞测序技术（Single-Cell RNA Sequencing，scRNA-seq），对不同阶段脑转移小鼠的大脑免疫细胞进行深入研究，全面解析免疫细胞的转录组动态变化。此外，还运用了细胞索引转录组和表位测序（CITE-seq）技术，进一步精确分析免疫细胞的表面蛋白表达情况 。研究中使用的小鼠模型包括 C57BL/6 等多种品系，通过向小鼠颈动脉注射脑转移癌细胞系 E0771-mCherry，构建脑转移小鼠模型。

三、研究结果

1. 肠道微生物群失调与脑转移负担增加相关：研究人员给小鼠使用广谱抗生素鸡尾酒（ABX）诱导肠道微生物群失调，结果发现，与对照组相比，ABX 处理的小鼠脑转移负担显著增加。通过 16S rRNA 测序分析发现，ABX 处理后，小鼠肠道微生物群的组成发生明显改变，多样性也大幅降低。后续通过粪便微生物群移植（FMT）实验发现，恢复肠道微生物群的多样性能够逆转 ABX 诱导的脑转移负担增加的现象，这表明肠道微生物群多样性在脑转移进展中起着重要的调节作用。有趣的是，研究人员还尝试补充短链脂肪酸（SCFAs），但结果显示，SCFAs 并不能显著逆转肠道微生物群失调对脑转移进展的促进作用，不过它会改变骨髓来源的髓细胞中巡逻单核细胞（Ly6C^Low）的比例。
2. CITE-seq 揭示脑免疫环境动态变化：研究人员利用 CITE-seq 技术，对肿瘤 naive 小鼠以及不同时间点（4 dpi、8 dpi 和 14 dpi）脑转移小鼠的大脑免疫细胞进行分析。结果发现，在脑转移过程中，免疫细胞的组成和基因表达呈现出动态变化，而且这种变化在肠道微生物群失调的情况下更为明显。例如，在晚期脑转移阶段，CNS_Native 细胞的比例下降，这可能是由于外周免疫细胞的浸润增加所致。此外，不同免疫细胞亚型在基因表达上也存在差异，如 Mono_Macs 细胞在 ABX 处理的小鼠中，基因上调幅度在某些阶段减小，而基因下调幅度则增加。
3. Ly6c2⁺单核细胞反应因 ABX 处理而改变：对非小胶质细胞髓系（NonMGMyeloid）细胞进行亚群分析发现，Ly6c2⁺单核细胞（SC5 和 SC2）在 ABX 处理的小鼠中，在中期和晚期分别显著富集，且其分化轨迹与对照组不同。RNA 速度分析显示，ABX 处理的小鼠中，Ly6c2⁺单核细胞的分化动态发生改变，一些与分化相关的高动态基因表达下调。基因集变异分析（GSVA）表明，在中期，对照组小鼠的 Ly6C⁺单核细胞富集干扰素（IFN）刺激基因集，而在晚期，ABX 处理的小鼠中这些基因集表达上调，这表明 ABX 处理可能导致 Ly6C⁺单核细胞的 IFN 反应延迟。
4. TNF^High炎症性小胶质细胞在晚期脑转移中富集：对小胶质细胞进行亚群分析发现，在晚期脑转移阶段，表达疾病相关小胶质细胞（daMG）标记的 SC2 和 SC5 亚群比例增加，其中 SC2 细胞中肿瘤坏死因子（TNF）表达较高。RNA 速度分析和 CellRank2 分析表明，稳态小胶质细胞（SC0 和 SC3）在 ABX 处理的小鼠中更倾向于分化为 SC2 细胞，导致晚期转移时 SC2 细胞频率增加。此外，ABX 处理还改变了小胶质细胞的稳态，使其在中期和晚期，核糖体和线粒体 - 核糖体蛋白基因显著上调，表明小胶质细胞在增殖。
5. T 细胞影响 ABX 条件下的脑转移生长：研究发现，在 ABX 处理的 B6.Rag1^-/-小鼠中，脑转移负担显著降低，且系统性耗尽 CD3⁺ T 细胞也会导致 ABX 处理的小鼠脑转移负担减轻，这表明在 ABX 处理条件下，CD3⁺ T 细胞在脑转移生长中起促进作用。进一步分析发现，ABX 处理导致 TCRγδ T 细胞减少，且 IL-17A⁺ γδ T 细胞与对照组小鼠的转移减少相关，但在本研究模型中，阻断 γδ T 细胞受体对脑转移进展影响不大。
6. 小胶质细胞耗竭影响脑转移和 T 细胞亚型：在 ABX 处理的小鼠中，耗竭小胶质细胞（MGDep）可减少脑转移，表明小胶质细胞在肠道微生物群失调条件下对肿瘤生长起促进作用。MGDep 还会导致脑转移负担的大脑中 TCRγδ⁺ T 细胞比例增加，且在肿瘤 naive 大脑中也观察到类似现象，这表明小胶质细胞在调节 CNS 中 γδ T 细胞水平方面发挥作用。此外，MGDep 还会影响 NKG2A⁺ NK T 细胞亚群，使 NKG2A⁺ CD107a⁺细胞比例增加，且 Klrc1⁺ Lamp1⁺ NK T 细胞富集在颗粒酶介导的细胞死亡等通路，具有更强的细胞毒性功能。

四、研究结论与讨论

这项研究全面地描绘了脑转移过程中免疫反应的动态变化，清晰地揭示了肠道微生物群失调对免疫反应的显著影响。研究表明，肠道微生物群失调通过改变外周血单核细胞、中枢神经系统常驻小胶质细胞和 γδ T 细胞等免疫细胞的反应，进而影响脑转移的进展。此外，研究还发现脑肿瘤微环境（TME）中存在功能冗余现象，这使得肿瘤细胞能够适应和存活，即使个别通路被破坏。

小胶质细胞在脑转移免疫 TME 中扮演着关键角色，其在肿瘤不同阶段可能发挥不同的作用，既可能抑制肿瘤，也可能促进肿瘤生长。同时，研究还揭示了肠道微生物群与大脑之间在脑转移诱导的神经炎症中的联系，为进一步理解全身免疫反应与脑特异性免疫反应之间的复杂相互作用提供了重要线索。

然而，该研究也存在一定的局限性。研究仅聚焦于一种脑转移和肠道微生物群失调模型，可能无法代表所有情况。此外，实验中使用的广谱 ABX 鸡尾酒与临床实际情况存在差异。未来的研究需要探索更多的模型，采用更具临床转化性的策略，以进一步深入了解肠道微生物群与脑转移之间的关系，为脑转移的治疗提供更有效的靶点和策略。