长春瑞滨是使用最为广泛的抗有丝分裂药物之一,也是联合化疗方案的主要成分
[1]。然而,长春瑞滨会引起免疫抑制和骨髓抑制等不良反应,导致患者对化疗的耐受性显著降低
[2]。骨髓抑制不仅与白细胞和中性粒细胞显著减少相关,还会增加患者对感染的易感性
[3]。化疗导致患者免疫功能低下,对这类患者的管理颇为复杂,其中传染病是该人群面临的最为突出的问题之一。在这些患者中,细菌和真菌感染的发生通常非常严重,如果不治疗,可能会迅速致命
[3]。因此,探寻能够改善长春瑞滨化疗所致免疫抑制状况的免疫增强剂势在必行。
目前,众多研究已开展,旨在寻找能减轻免疫抑制、提升化疗患者免疫反应的安全免疫增强剂
[2, 4]。在此方面,科学家们着重指出了功能性食品与膳食补充剂在促进健康上的重要意义
[5]。近年来,利用益生菌改善免疫功能低下患者的免疫健康状况,尤其引发了人们的关注。研究发现,鼠李糖乳杆菌CRL1505能够缓解环磷酰胺诱导的小鼠骨髓抑制和免疫抑制状况
[6]。最新研究结果表明,动物双歧杆菌乳亚种IU100可保护环磷酰胺处理的小鼠,使其免受骨髓抑制和免疫抑制的影响
[7]。复合益生菌(包含动物双歧杆菌乳亚种XLTG11、干酪乳杆菌Zhang和植物乳植杆菌P8),通过增加环磷酰胺处理小鼠的白细胞和淋巴细胞数量,以及提升细胞因子(IL-6、IL-10、IL-1β和IFN-γ)含量,改善环磷酰胺所致的免疫抑制情况
[8]。大量研究显示,微生物群通过释放免疫调节代谢物SCFAs,在免疫调节过程中发挥着重要作用
[9, 10]。综上所述,益生菌作为对抗免疫力受损情况的天然免疫调节剂,极具潜力。然而,针对微生物改善长春瑞滨诱导的免疫抑制方面的研究,目前仍较为匮乏。
鉴于斑马鱼与人类在遗传和生理上具有高度相似性,斑马鱼已被视为疾病研究和药物发现的理想模式生物
[11, 12]。斑马鱼CHT是其造血干细胞扩增和分化的重要场所,通过分析斑马鱼CHT处巨噬细胞和中性粒细胞的数量,能够探究斑马鱼的免疫状态
[13-15]。前期研究表明,胸腺肽能够减轻长春瑞滨对斑马鱼体内巨噬细胞和T细胞的抑制作用,并提高免疫相关因子TNF-α、TNF-β、INF-γ和GM-CSF mRNA水平,即胸腺肽对长春瑞滨诱导的免疫抑制具有良好的保护作用
[2]。然而,运用斑马鱼模式生物探究微生物改善化疗药物诱导免疫抑制的研究,目前尚未见诸报道。另外,副干酪乳酪杆菌E6属于乳酪杆菌属,由本研究团队从健康幼儿粪便中分离得到。该菌株于2021年1月29日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏编号为CGMCC No. 21771。因此,本研究首次运用斑马鱼模式生物,评价副干酪乳酪杆菌E6对长春瑞滨诱导的化疗性免疫抑制的改善作用,并探究其代谢物SCFAs调节免疫的作用机制,旨在为副干酪乳酪杆菌E6用于改善长春瑞滨诱导的化疗性免疫抑制提供一定的研究数据支持。
1 材料和方法
1.1 材料与试剂
野生型AB系斑马鱼、转基因巨噬细胞绿色荧光斑马鱼Tg(mpeg-EGFP)、转基因中性粒细胞绿色荧光斑马鱼Tg(mpx-EGFP)、转基因T细胞红色荧光斑马鱼Tg(rag2-DsRed)均购来自国家斑马鱼资源中心。斑马鱼种鱼进行胚胎繁殖后,胚胎置于斑马鱼养殖水中(5 mmol/L NaCl,0.17 mmol/L KCl,0.33 mmol/L CaCl2,and 0.33 mmol/L MgSO4)。副干酪乳酪杆菌E6由本团队从健康婴幼儿粪便中分离获得,该菌株已在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心完成菌种保藏,保藏编号为 CGMCC No.21771,本研究通过了广东省人体微生态工程技术研究中心的伦理审批(伦理批号:IACUC MC 0421-01-2024)。
MRS培养基(青岛高科技工业园海博生物技术有限公司)。FITC(Sigma-aldrich)。RNA快速提取试剂盒、FastQuant RT Kit (With gDNase)[天根生化科技(北京)有限公司]。酒石酸长春瑞滨、乙酸钠、丙酸钠、丁酸钠(上海源叶生物科技有限公司)。
1.2 副干酪乳酪杆菌E6培养与制备
将副干酪乳酪杆菌E6接种在MRS肉汤中,并在37 ℃下培养16 h,然后以4000×g离心10 min收集细菌沉淀,用磷酸盐缓冲盐水(PBS)洗涤2次,随后将洗涤后的沉淀重悬于PBS中,制备成浓度为1×109 CFU/mL的菌悬液。
1.3 副干酪乳酪杆菌E6在斑马鱼肠道定植
将500 μL副干酪乳酪杆菌E6菌液(1×109 CFU/mL)离心(10 000×g,5 min),弃去上清液,在避光环境下加入500 μL FITC溶液(1 mg/mL),涡旋混匀,避光孵育1 h后,将混悬液进行离心(10 000×g,5 min),弃去上清液,再用500 μL PBS洗涤3次,最后重悬于PBS中(1×109 CFU/mL)。
挑选受精后3 d(3 dpf)的健康野生型AB系斑马鱼置于6孔板中,20/孔。实验设置正常组(斑马鱼养殖水)、1×104 CFU/mL副干酪乳酪杆菌E6组、1×105 CFU/mL副干酪乳酪杆菌E6组、1×106 CFU/mL副干酪乳酪杆菌E6组,20条/组,5 mL/孔。置于生化培养箱中28 ℃孵育,24 h/次后更换新溶液;孵育48 h后弃上述溶液,用斑马鱼养殖水洗涤3次后,置于荧光显微镜下拍照记录副干酪乳酪杆菌E6在斑马鱼肠道定植情况。
1.4 副干酪乳酪杆菌E6对斑马鱼CHT处巨噬细胞、中性粒细胞和T细胞生成的影响
挑选发育正常2 dpf Tg(mpeg-EGFP)、Tg(mpx-EGFP)、Tg:rag2-DsRed转基因斑马鱼置于6孔细胞培养板中,10条/孔。实验设置正常组、模型组(酒石酸长春瑞滨)、1×104 CFU/mL副干酪乳酪杆菌E6组、1×105 CFU/mL副干酪乳酪杆菌E6组、1×106 CFU/mL副干酪乳酪杆菌菌E6组,10条/组。正常组加入斑马鱼养殖水,其余每组均加入200 μg/mL酒石酸长春瑞滨,5 mL/孔,28 ℃孵育,每24 h后更换新溶液,孵育72 h后弃上述溶液。正常组加入斑马鱼养殖水;模型组加入200 μg/mL酒石酸长春瑞滨;1×104 CFU/mL副干酪乳酪杆菌E6组加入终浓度为200 μg/mL酒石酸长春瑞滨和1×104 CFU/mL副干酪乳酪杆菌E6;1×105 CFU/mL副干酪乳酪杆菌E6组加入终浓度为200 μg/mL酒石酸长春瑞滨和1×105 CFU/mL副干酪乳酪杆菌E6;1×106 CFU/mL副干酪乳酪杆菌E6组加入终浓度为200 μg/mL酒石酸长春瑞滨和1×106 CFU/mL副干酪乳酪杆菌E6,5 mL/孔,28 ℃孵育,24 h/次后更换新溶液,孵育72 h后,置于荧光显微镜下观察并拍照,计算斑马鱼CHT处巨噬细胞和中性粒细胞的数量,以及T细胞的荧光强度。
1.5 副干酪乳酪杆菌E6对斑马鱼体内免疫基因IL-12和IFN-γ的影响
利用实时定量聚合酶链反应(RT-qPCR)研究免疫相关分子的mRNA表达。收集1.4方法中斑马鱼样本,用Trizol提取总RNA,然后采用LightCycler®96荧光定量PCR仪扩增cDNA。RT-PCR扩增程序为95 ℃预变性5 min, 95 ℃变性10 s, 55 ℃退火30 s,共45个循环。以β-actin作为内参基因,通过2
-ΔΔCt计算目标基因IL-12和IFN-γ的表达。基因引物由上苏州金唯智生物科技有限公司合成,引物序列见
表1。
1.6 检测副干酪乳酪杆菌E6发酵上清液的短链脂肪酸
将副干酪乳酪杆菌E6接种在MRS肉汤中,37 ℃培养24 h后,离心(13 000 r/min×5 min),取60 μL上清液至96孔板内(标准曲线同步操作),加入60 μL 200 mmol/L 3-硝基苯肼盐酸盐(75%乙腈水溶液溶解,V/V)和60 μL 96 mmol/L N-(3-二甲氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐(50%甲醇水溶液溶解,V/V),用封板膜密封后在40 ℃下衍生化30 min。衍生完成后,置于-20 ℃冷却20 min,再加入10 μL内标(L-2-氯苯丙氨酸,0.3 mg/mL,甲醇配制)和700 μL二氯甲烷,震荡萃取10 min,离心后吸取700 μL下层液体至另一块96孔板内,氮气吹干,使用10%乙腈(0.1%甲酸水溶液溶解,V/V)复溶,涡旋震荡1 min,离心15 min(13 000 r/min)后,取200 μL上清置于LC-MS进样小瓶中,运用LC-MS/MS检测发酵液中短链脂肪酸乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、2-甲基丁酸、异戊酸、戊酸、2,2-二甲基丁酸、2-乙基丁酸、3,3-二甲基丁酸、2-甲基戊酸、3-甲基戊酸、4-甲基戊酸、己酸的浓度。液相条件:柱温40 ℃,上样量1 μL,流速0.30 mL/min;正离子模式;流动相A:甲酸:水(1∶1000,V/V);流动相B:异丙醇:水(40∶60,V/V)。质谱条件:岛津LCMS-8050三重四级杆质谱仪在控制软件(LabSolutions)控制下基于Targeted MS/MS模式,进行一级、二级质谱数据采集,质量扫描范围m/z(100~1000)。采用正离子模式采集;ESI离子源参数设置如下:雾化气流量3 L/min,加热气流量10 L/min,接口温度300 ℃,离子源脱溶剂温度250 ℃,加热块温度400 ℃,干燥气流量10 L/min。
1.7 检测副干酪乳酪杆菌E6在斑马鱼体内的短链脂肪酸
挑选发育正常3 dpf野生型AB系斑马鱼置于6孔板中,每孔25尾。实验设置正常组(斑马鱼养殖水)、副干酪乳酪杆菌E6(1×106 CFU/mL)组,每组3个复孔,每孔5 mL。置于28 ℃生化培养箱中孵育,每天更换1次新鲜溶液,分别孵育3、6、9 d后,每孔挑选20尾斑马鱼,用斑马鱼洗涤3次,将20尾斑马鱼放入1.5 mL EP管中,400 μL提取液(甲醇:乙腈:水=2∶2∶1, V∶V∶V);加入两个小钢珠,在-80 ℃冰箱中放置5 min后,放入研磨机中研磨(60 Hz,2 min);冰水浴中超声提取10 min,-20 ℃静置30 min;低温离心15 min(13 000 r/min,4 ℃),取上清液。运用LC-MS/MS检测提取液中短链脂肪酸乙酸、丙酸、丁酸的浓度。具体检测步骤同上述方法1.6。
1.8 短链脂肪酸对斑马鱼CHT处巨噬细胞、中性粒细胞和T细胞生成的影响
挑选发育正常2 dpf Tg(mpeg-EGFP)、Tg(mpx-EGFP)、Tg:rag2-DsRed转基因斑马鱼置于6孔细胞培养板中,每孔10条鱼。实验设置正常组、模型组(酒石酸长春瑞滨)、乙酸钠组、丙酸钠组、丁酸钠组,10条/组。正常组加入斑马鱼养殖水,其余每组均加入200 μg/mL酒石酸长春瑞滨,5 mL/孔,28 ℃孵育,24 h/次后更换新溶液,孵育72 h后弃上述溶液。正常组加入斑马鱼养殖水;乙酸钠组加入终浓度为200 μg/mL酒石酸长春瑞滨和100 μmol/L乙酸钠;丙酸钠组加入终浓度为200 μg/mL酒石酸长春瑞滨和400 μmol/L丙酸钠;丁酸钠组加入终浓度为200 μg/mL酒石酸长春瑞滨和1600 μmol/L丁酸钠,5 mL/孔,28 ℃孵育,每24 h后更换新溶液,孵育72 h后,置于荧光显微镜下观察并拍照,计算斑马鱼CHT处巨噬细胞和中性粒细胞的数量,以及T细胞的荧光强度。
1.9 统计学分析
用GraphPad Prism 8软件统计处理数据,数据以均数±标准差表示。多组间比较采用单因素方差分析和Dunnett's t检验,两独立样本比较采用t检验,以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 副干酪乳酪杆菌E6在斑马鱼肠道定植
与正常相比,斑马鱼肠球、中肠和后肠部位均清晰可见FITC标记副干酪乳酪杆菌E6的绿色荧光(
图1)。
2.2 副干酪乳酪杆菌E6对斑马鱼CHT处巨噬细胞、中性粒细胞和T细胞生成的影响
与正常组相比,长春瑞滨(模型组)抑制斑马鱼CHT处巨噬细胞和中性粒细胞的形成(
P<0.001,
图2A、B)。与模型组相比,副干酪乳酪杆菌E6组中斑马鱼CHT处巨噬细胞和中性粒细胞的数量增加(
P<0.05)。与正常组相比,长春瑞滨降低斑马鱼胸腺T细胞的荧光强度(
P<0.001,图3)。与模型组相比,副干酪乳酪杆菌E6组斑马鱼胸腺T细胞的荧光强度增加(
P<0.05,图3)。
2.3 副干酪乳酪杆菌E6对斑马鱼体内免疫基因IL-12和IFN-γ的影响
RT-qPCR结果显示,与正常组相比,长春瑞滨(模型组)斑马鱼体内免疫相关基因IL-12、IFN-γ mRNA表达量降低(
P<0.001,
图4)。当与长春瑞滨联合使用时,副干酪乳酪杆菌E6组斑马鱼体内IL-12、IFN-γ mRNA表达升高(
P<0.01,
图4)。
2.4 副干酪乳酪杆菌E6发酵上清液的短链脂肪酸含量
代谢组学分析结果显示,与MRS培养基相比,副干酪乳酪杆菌E6发酵上清液中乙酸、丙酸、丁酸增加(
P<0.001,
表2)。
2.5 副干酪乳酪杆菌E6在斑马鱼体内的短链脂肪酸含量
与正常组相比,副干酪乳酪杆菌E6分别处理斑马鱼3、6、9 d后,斑马鱼体内的SCFAs乙酸、丙酸、丁酸的含量均增加(
P<0.05,
图5)。
2.6 短链脂肪酸对斑马鱼CHT处巨噬细胞、中性粒细胞和T细胞生成的影响
与模型组相比(
图6),乙酸钠、丙酸钠组斑马鱼CHT处巨噬细胞和中性粒细胞的数量均增加(
P<0.001),而丁酸钠组斑马鱼CHT处巨噬细胞和中性粒细胞的数量均未增加(
P>0.05)。此外,与模型组相比,乙酸钠、丙酸钠组斑马鱼胸腺T细胞的荧光强度均增加(
P<0.01),而丁酸钠组斑马鱼斑马鱼胸腺T细胞的荧光强度未显著增加(
P>0.05,图7)。
3 讨论
益生菌在抗癌治疗期间减轻化疗药物诱导的免疫抑制不良反应的潜力越来越受到关注
[16-18]。先前的研究表明,植物乳杆菌DLPT4通过调节肠道菌群缓解化疗药物环磷酰胺诱导的小鼠免疫抑制
[19]。干酪乳杆菌NCU011054能够改善环磷酰胺诱导的免疫抑制小鼠的肠道免疫功能障碍
[20]。长春瑞滨是一种常用的抗有丝分裂药物,具有广泛的抗癌活性和免疫抑制特性
[1]。在这项研究中,首先在长春瑞滨诱导的免疫功能低下斑马鱼模型中探索了副干酪乳酪杆菌E6在改善化疗性免疫抑制方面的作用。结果表明,副干酪乳酪杆菌E6显著缓解长春瑞滨诱导的斑马鱼CHT处巨噬细胞和中性粒细胞数量的减少,并显著增加斑马鱼体内胸腺T细胞的荧光强度。同时,副干酪乳酪杆菌E6可显著促进斑马鱼免疫低下模型中免疫因子IL-12和IFN-γ基因的表达。上述结果表明副干酪乳酪杆菌E6具有改善长春瑞滨诱导的斑马鱼化疗性免疫抑制的作用。IFN-γ和IL-12是强免疫增强因子,这些细胞因子的上调会进一步抑制肿瘤细胞
[21]。免疫增强剂胸腺肽可有效降低长春瑞滨引起的斑马鱼体内巨噬细胞减少和T细胞抑制,以及提高TNF-α、TNF-β、IFN-γ、GM-CSF mRNA的表达水平,缓解长春瑞滨的免疫抑制作用,这与我们的结果类似
[2]。
最近,乳酸杆菌和双歧杆菌等益生菌已被证明可以生产短链脂肪酸,且短链脂肪酸在多种疾病中发挥着至关重要的作用
[10, 22, 23]。这些短链脂肪酸可以增强肠道内粘蛋白、抗菌蛋白(细菌素和肽)、细胞因子和神经递质(血清素)的产生,以维持肠道微生物群、肠道屏障系统和其他免疫功能
[10, 24-26]。膳食SCFAs通过调节肠道微生物群、增强免疫反应和增加宿主的抗氧化能力来提高抗病能力
[9, 27-29]。口服乙酸盐诱导小鼠感染呼吸道合胞病毒期间IFN-β的产生和肺中干扰素刺激基因的表达增加,增强小鼠的抗病毒免疫力
[30]。尽管SCFAs的免疫调节作用在哺乳动物中得到了广泛研究
[31]。然而,SCFAs在缓解化疗药物诱导的免疫抑制方面的作用受到较少的关注。为了探究副干酪乳酪杆菌E6改善长春瑞滨抑制斑马鱼免疫功能的作用机制,运用LC-MS/MS靶向代谢组学技术分别检测副干酪乳酪杆菌E6发酵上清液和副干酪乳酪杆菌E6在斑马鱼体内代谢物SCFAs的含量,以及验证评价SCFAs乙酸钠、丙酸钠、丁酸钠在改善长春瑞滨化疗性免疫抑制的作用。结果显示,副干酪乳酪杆菌E6培养上清液中代谢物SCFAs乙酸、丙酸、丁酸的含量均增加。副干酪乳酪杆菌E6在斑马鱼体内能够增加SCFAs乙酸、丙酸、丁酸的含量。同时,乙酸钠、丙酸钠能够缓解长春瑞滨诱导斑马鱼CHT处巨噬细胞和中性粒细胞数量的减少,并增加斑马鱼免疫低下模型胸腺T细胞的荧光强度。上述结果表明副干酪乳酪杆菌E6可能通过代谢SCFAs缓解长春瑞滨诱导斑马鱼免疫抑制的作用。
总之,这项研究为副干酪乳酪杆菌E6通过SCFAs改善长春瑞滨诱导的免疫抑制副作用提供了证据。这些结果为将益生菌作为潜在辅助剂以最大限度地减轻与抗肿瘤化学治疗相关的有害影响,尤其是与骨髓毒性和免疫抑制相关的有害影响提供了科学依据。因此,益生菌及其衍生代谢物影响免疫功能的机制值得在未来的研究中进一步探索。