「 行业资讯 」组织驻留菌—你器官里的“钉子户”可能是疾病加速器

组织驻留菌为长期定植于器官（如肝、肾、胃、大脑等）内部的微生物，不同器官的生物特性决定了哪些微生物可以定植和生长，并决定该部位微生物种群的主次之分，这导致不同部位的表面具有特征鲜明的微生物群落，与宿主细胞形成复杂互动，影响局部免疫微环境。

微生物与人类共同进化，两者一直存在共生或互惠互利的关系，但它未见得对人类一直都友好。随着各种致病的组织驻留菌种被发现，大家恍然发觉，我们器官里的这些“钉子户”未必是我们的朋友，也有可能是疾病的帮凶。随之，组织驻留菌对疾病进展的作用开始受到关注，其与疾病进展的关系也逐渐成为研究热点。而更全面地理解宿主与其驻留菌群之间的关系，可能会带来改善疾病的新方法。
 

案例分享

本次分享一个典型案例-咽峡炎链球菌（S. anginosus），S. anginosus是一种在胃癌患者的胃黏膜中呈现富集状态的驻留菌种。香港中文大学于君教授与沈祖尧教授团队发表在Cell（IF=42.5）杂志上一篇名为Streptococcus anginosus promotes gastric Inflammation, atrophy, and tumorigenesis in mice的文章，该文章就详细解析了该驻留菌与小鼠胃部炎症、萎缩及肿瘤发生的关系，我们就跟着这篇文章看一下S. anginosus作为组织驻留菌对胃病的影响。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.01.004 

结果

S. anginosus感染2周后可诱发小鼠急性胃炎

经16S rRNA检测分析S. anginosus在胃肿瘤发生不同阶段的丰度变化后发现，与浅表性胃炎（SG）相比，S. anginosus在萎缩性胃炎（AG）和肠上皮化生（IM）中显著增加，并在胃癌（GC）患者中达到最高（图1A），提示S. anginosus可能参与胃癌进展。

为探究S. anginosus在小鼠胃部的致病机制，将脑心浸液（BHI）作为阴性对照，幽门螺杆菌SS1菌株（H. pylori SS1）作为阳性对照，对小鼠进行了为期2周的S. anginosus灌胃干预（图1B）。感染2周后观察到S. anginosus定植于胃黏膜基底层（图1C），而感染S. anginosus的小鼠黏膜下层出现中性粒细胞浸润（图1D），有26%的感染小鼠出现轻度至中度炎症（图1E）。S. anginosus感染组的促炎趋化因子表达上调（图1F），Ccl20、Ccl8等促炎因子在感染组也显著高于BHI组（图1G）。这些结果表明，S. anginosus感染可诱发小鼠胃部急性炎症反应，并伴随促炎趋化因子的显著升高。

图1 S. anginosus定植于胃粘膜并促进急性炎症

S. anginosus 感染三个月后可诱发小鼠慢性胃炎

为确定S. anginosus在胃部感染的长期效应，将感染模型延长至3、6、9和12个月，在胃窦和胃体部均观察到S. anginosus持续定植于胃黏膜基底层并向黏膜层扩展的现象，伴随感染进程观察到慢性炎症特征：自感染3个月起，胃黏膜下层持续出现中性粒细胞浸润和淋巴细胞灶状聚集，该现象持续至6、9及12个月（图2A-2C）。与BHI对照组相比，感染组小鼠在9个月时的胃部炎症评分显著升高，12个月时进一步加剧，而且尤其在后期阶段S. anginosus引发的炎症程度与H. pylori相当（图2D）。这些结果表明，长期咽峡炎链球菌感染可引发与H. pylori相当的严重慢性胃炎，且两种病原体可能通过协同作用加剧胃部炎症。

图2 S. anginosus促进小鼠慢性胃炎

S. anginosus感染9个月后，可诱发小鼠自发性胃萎缩、化生及异型增生

胃肿瘤发生沿着萎缩-化生-异型增生这一癌前病变序列发展，其中胃炎是主要风险因素。已证明S. anginosus可引发慢性胃炎后，进一步探究长期感染是否会诱发胃黏膜癌前病变。感染9个月时，S. anginosus导致轻度壁细胞萎缩，至12个月时进展为中-重度萎缩（图3A）。感染12个月后在S. anginosus感染小鼠中检测到黏液性化生，且感染小鼠形成了低级别异型增生（图3B-3D）。作为阳性对照的H. pylori能更快诱导胃萎缩，但在12个月时诱导的黏液性化生数量少于S. anginosus，且未发现异型增生（图3A-3B和图3E-3F）。此外，该菌株在感染后6个月和12个月均能诱导胃黏膜细胞增殖（图3G和3H）。综上，S. anginosus感染特异性引发胃黏膜一系列癌前病变，表现为进行性壁细胞萎缩、黏液性化生及异型增生，并伴随细胞增殖加剧。

S. anginosus损害小鼠胃屏障功能与胃微生物群稳态

胃屏障功能的破坏是肿瘤转化的重要标志。与BHI对照组小鼠相比，感染S. anginosus的小鼠中紧密连接蛋白（CLDN18、OCLN和ZO-1）显著减少（图3I）。感染S. anginosus 3个月后，CLDN18在胃体的颈部区域和胃窦的基部表达显著降低（图3J）。感染9个月和12个月时，CLDN18的缺失在胃体或胃窦的整个胃腺长度上变得明显。这些结果暗示了S. anginosus感染对胃屏障功能的破坏。

图3 S. anginosus可诱发小鼠胃黏膜萎缩、化生和发育不良，并破坏胃屏障功能

S. anginosus 在无菌小鼠中诱导自发性黏液性化生

为证明S. anginosus能否作为单一菌种促进胃部肿瘤发生，将该菌接种至无菌小鼠体内持续9个月，并证实了该菌在无菌小鼠胃黏膜的成功定植（图4A-4E）。经验证发现BHI组小鼠的组织正常，而感染S. anginosus的小鼠在感染9个月后出现了黏液性化生，并同样促进了细胞增殖（图4F-4I）。CLDN18和OCLN蛋白表达被S. anginosus调控显著下调，表明该菌破坏了无菌小鼠的胃部紧密连接（图4J）。综合无菌小鼠实验结果证实了S. anginosus在驱动胃部肿瘤发生中的直接致病作用。

图4 S. anginosus促进无菌小鼠的黏液性化生

S. anginosus在体内促进 YTN16 同种异体移植物的生长

为探究S. anginosus是否促进胃癌进展，通过将小鼠胃癌YTN16细胞皮下移植至C57BL/6小鼠体内建立胃癌同种异体移植模型，随后进行S. anginosus注射（图5A）。结果显示，与对照组相比，S. anginosus显著促进移植瘤生长（图5B-5D）。在移植瘤中，该菌分别显示出促进细胞增殖和抑制凋亡的作用（图5E和图5F）。在原位胃癌移植模型上也同样发现S. anginosus显著促进瘤体生长（图5G-5I）。这些结果表明，S. anginosus与YTN16的相互作用改变了细胞状态，并重塑了胃癌肿瘤微环境以促进肿瘤发生。综上证明S. anginosus在体内促进了胃癌异种移植瘤的生长。

S. anginosus加速小鼠胃部肿瘤发生

为阐明S. anginosus在胃肿瘤发生中的作用，该研究建立了MNU诱导的小鼠胃癌模型，9个月后在胃窦部观察到病变（图5J和图5K）。与对照组小鼠和H. pylori感染组小鼠相比，S. anginosus感染组小鼠的肿瘤发生率显著升高（图5K）。与对照组相比，感染组小鼠的肿瘤数量和体积均显著增加，36.4%的S. anginosus感染小鼠出现高度异型增生，S. anginosus还显著促进了小鼠胃部细胞增殖（图5L-5N）。这些结果共同表明，S. anginosus能加速MNU诱导的小鼠胃肿瘤发生进程。

图5 S. anginosus加速小鼠胃癌发展

S. anginosus表面蛋白TMPC通过与胃上皮细胞上的ANXA2受体结合，实现该菌的定植

进一步研究该菌的黏附特性显示，S. anginosus可附着并侵入AGS和Ges-1细胞（图6A）。S. anginosus能清晰可见地附着在两种细胞表面，形成明显的病原体-宿主界面（图6B），这表明该菌可能通过直接与胃上皮细胞相互作用发挥致癌效应。为解析S. anginosus黏附侵袭的分子机制，本研究筛选了能与宿主受体结合的细菌黏附素。通过Biotin pull-down实验检测S. anginosus黏附素与Ges-1细胞膜蛋白的潜在相互作用（图6C）。鉴定出S. anginosus唯一表面蛋白TMPC后，又寻找到了胃上皮细胞上TMPC的结合受体ANXA2，并证实了在两种细胞中TMPC-ANXA2的直接结合（图6D-6I）。

在GES-1和AGS细胞中敲除ANXA2验证了TMPC-ANXA2介导了S. anginosus对胃上皮细胞的定植（图6J）。ANXA2基因敲除抑制了S. anginosus的附着和侵袭（图6K）。为确定TMPC在S. anginosus驱动的胃肿瘤发生中的功能重要性，本研究构建了TMPC蛋白表达缺陷的S. anginosus ΔTmpc突变株（图6L-6N）。与野生型相比，突变株在体外表现出明显的细胞粘附和侵袭能力受损，且无法在体内诱导YTN16同种异体移植物的生长（图6O-6Q）。这些结果共同证实：S. anginosus表面蛋白TMPC与胃上皮细胞上的ANXA2受体结合，介导S. anginosus在胃上皮细胞的定植，并在肿瘤发生过程中具有不可或缺的功能。

图6 S. anginosus通过TMPC-ANXA2轴与胃上皮细胞互作

S. anginosus通过TMPC-ANXA2相互作用激活MAPK信号通路

为探究S. anginosus诱发胃癌的下游信号机制进行了RNA测序。感染组有1727个基因上调、1020个基因下调，Ras、MAPK、PI3K-AKT等致癌通路在感染组显著激活，富集分析证实MAPK信号通路被S. anginosus显著激活（图7A-  7C）。感染组p-ERK1/2、p-JNK和p-AKT蛋白表达明显增加，同时下游Cyclin D1表达上调（图7D）。

在MNU诱导的胃癌模型中验证了S. anginosus显著提高p-ERK1/2、p-AKT、p-c-Jun及下游Cyclin D1、c-Myc的表达（图7E）。体外实验显示，S. anginosus与Ges-1、AGS细胞共培养可快速激活p-ERK1/2、p-AKT和p-JNK表达（图7F）。机制研究表明，TMPC-ANXA2相互作用是MAPK通路激活的关键——敲除ANXA2的Ges-1和AGS细胞完全丧失了p-ERK1/2、p-AKT和p-JNK的诱导能力（图7G）。此外，体内异种移植模型YTN16中，TMPC缺失可消除S. anginosus对p-ERK1/2和p-JNK的诱导作用（图7H）。这些结果共同表明：S. anginosus通过TMPC-ANXA2相互作用激活MAPK信号通路，从而促进胃上皮细胞的肿瘤发生。

图7 S. anginosus通过TMPC-ANXA2轴激活MAPK信号通路

总结

研究证明S. anginosus可促进小鼠胃部炎症、萎缩及肿瘤发生，并阐明了该菌通过与胃上皮细胞相互作用驱动肿瘤发生的分子机制，首次为S. anginosus作为胃癌发生阶段的致病病原体提供了直接证据。

类似于像S. anginosus作为众多疾病关键驱动因子的组织驻留菌还有很多，但我们对这类微生物的认知仍处于“盲区”，人体多器官中潜藏的组织驻留菌种类、分布与功能远未被系统描绘，它们如何突破免疫屏障、重塑微环境、介导慢性与恶性转化的机制尚未完全解析，未来还需加大力度研究。解析组织驻留菌与疾病进展的关系，对靶向组织驻留菌群进行精准医疗提供新方法，为提高疾病风险评估与治疗能力，从源头拦截疾病提供全新路径。