基于肠-肺轴探讨富氢水缓解哮喘气道炎症的作用和机制

支气管哮喘是一种常见的慢性呼吸道炎症性疾病,对患者的生活质量产生严重影响,甚至危及生命。支气管哮喘的本质是由多种细胞(如嗜酸性粒细胞、淋巴细胞、中性粒细胞、气道上皮细胞、肥大细胞等)和细胞组分参与的气道慢性炎症,其免疫应答机制涉及2型和非2型炎症,大部分患者表现为2型炎症,主要特征是血清炎症因子IL-4、IL-5、IL-13和Ig E的升高。近年来,随着高通量检测技术和生物信息学的发展,人们发现肠和肺之间存在远距离双向调节机制,即“肠-肺轴”。肠道微生物和代谢物在“肠-肺轴”中扮演着重要的角色。“肠-肺轴”的失调与包括哮喘在内的慢性呼吸道疾病发生和发展密切相关,并且已经证明多种中药或中药提取物可以通过调节肠道菌群和代谢物缓解哮喘气道炎症。富氢水是指使用高压溶解、电解水和纳米气泡溶氢等手段生成的含有高浓度氢气的水,具有便携性、易用性和安全性。研究表明,富氢水在肠道炎症性疾病、眼科疾病、脑部疾病、缺血再灌注损伤和慢性呼吸道炎症性疾病中具有抗氧化、抗凋亡和降低炎症因子水平的作用。既往人们认为富氢水通过清除氧自由基和调控信号通路发挥作用,而近期的研究表明,富氢水可以调节肠道菌群结构从而影响菌群相关代谢物的产生,因此我们推测富氢水可能通过肠道菌群和代谢物缓解支气管哮喘气道炎症。

研究目的: 本研究旨在哮喘小鼠动物模型中探索富氢水对气道炎症的影响,探究富氢水对哮喘小鼠肠道菌群和血清代谢物的调节作用,通过体内和体外实验验证富氢水可通过“肠-肺轴”改善哮喘气道炎症,并初步阐明机制。研究方法: 我们采用屋尘螨腹腔注射致敏和气道滴入激发的方法,构建哮喘小鼠模型。通过肺组织病理染色、黏蛋白5AC免疫荧光染色和ELISA法检测血清炎症因子,评估模型的有效性。另一组哮喘小鼠在激发期间接受富氢水灌胃,探讨富氢水对气道炎症的影响。同时,我们还设置了阴性对照组。我们利用16S r RNA扩增子测序分析小鼠肠道菌群,代谢组学检测小鼠血清代谢物,研究哮喘小鼠模型建立和富氢水干预后肠道菌群和血清代谢物的变化情况,并使用生物信息学手段筛选出优势差异肠道菌群和关键代谢物,将它们与哮喘气道炎症指标相关联,探讨富氢水通过“肠-肺轴”缓解哮喘气道炎症的潜在机制。最后,我们在哮喘小鼠体内移植经富氢水灌胃处理后的哮喘小鼠肠道菌群,同时给予另一组哮喘小鼠补充关键代谢物,以验证富氢水能否通过肠道菌群和代谢物缓解哮喘气道炎症。此外,我们还在体外利用IL-13诱导的BEAS-2B细胞损伤模型进行实验,验证代谢物的通路机制。研究结果: 1、富氢水缓解哮喘小鼠气道炎症 C57BL/6小鼠在经屋尘螨腹腔注射和气道滴入激发后,相对于空白对照组小鼠,气道周围出现大量炎症细胞浸润,黏液分泌和杯状细胞化生增多,黏蛋白5AC荧光表达增加,血清炎症因子IL-4、IL-5、IL-13和Ig E的表达水平显著升高,表明哮喘小鼠动物模型成功构建。哮喘小鼠接受富氢水干预后,肺组织病理改善,黏蛋白5AC荧光表达降低,血清炎症因子和Ig E水平下降,表明富氢水缓解哮喘小鼠气道炎症。 2、富氢水调节哮喘小鼠肠道菌群和血清代谢物我们对小鼠肠道菌群检测后发现,哮喘小鼠动物模型构建后,肠道菌群多样性和均匀度显著降低,肠道菌群结构发生改变,副沙门氏菌属(Parasutterella)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)和杜博斯氏菌属(Dubosiella)相对丰度显著降低。富氢水未对菌群的多样性和均匀度产生影响,但升高了双歧杆菌属(Bifidobacterium)和联合乳杆菌属(Ligilactobacillus)相对丰度,并显著富集了双歧杆菌属(Bifidobacterium)。小鼠血清代谢组学检测结果表明,富氢水调节了哮喘小鼠的代谢轮廓。我们通过生物信息学分析发现,富氢水显著提高了哮喘小鼠色氨酸代谢通路代谢物,并进一步筛选出通路中的3-吲哚乙酸(Indole-3-acetic acid,IAA)为关键代谢物。通过进行菌群的相关性分析和查阅文献,双歧杆菌属(Bifidobacterium)可分解代谢色氨酸产生IAA,而IAA可作为配体与芳香烃受体(Aryl hydrocarbon receptor,Ah R)结合,激活Ah R信号通路并影响相关细胞因子的表达。我们通过检测IAA和Ah R相关细胞因子发现,IAA与促炎细胞因子IL-1β、IL-6、IL-17、IL-22、TNF-α呈负相关,与抑炎细胞因子IL-10、INF-γ呈正相关。 3、肠道菌群和关键代谢物参与富氢水缓解哮喘气道炎症的实验验证我们将经富氢水干预后的哮喘小鼠肠道菌群移植到哮喘小鼠体内,发现肺组织病理改善,气道周围黏蛋白5AC荧光表达降低,血清炎症因子和Ig E表达水平下降,表明富氢水对哮喘小鼠气道炎症的保护作用可以通过肠道菌群移植转移。此外,给予哮喘小鼠补充IAA后,同样发现哮喘小鼠肺组织病理改善,气道周围黏蛋白5AC表达减少,血清促炎细胞因子IL-4、IL-13、TSLP显著下降,抑炎细胞因子IL-10显著上升,Western Blot检测结果表明Ah R和下游转录靶标CYP1A1蛋白表达增加,流式细胞学检测提示肺泡灌洗液中Th17/Treg失衡恢复,验证了IAA可能通过激活Ah R信号通路缓解哮喘小鼠气道炎症。在体外实验中,我们利用IL-13诱导人支气管上皮细胞(BEAS-2B)损伤模拟哮喘气道炎症,与IAA共同孵育后,IL-6、IL-8、IL-33、TSLP m RNA表达显著降低,而在此基础上加入Ah R拮抗剂CH-223191后回升,Western Blot检测也显示IAA增加了Ah R和CYP1A1的表达,并可被CH-223191抑制,验证了IAA通过激活Ah R信号通路减轻IL-13诱导的BEAS-2B细胞损伤。
研究结论: 富氢水调节哮喘小鼠肠道菌群结构,富集了双歧杆菌属(Bifidobacterium),升高血清色氨酸代谢物IAA的水平,并通过激活Ah R信号通路,恢复肺泡灌洗液Th17/Treg失衡,缓解哮喘气道炎症。研究意义:本研究揭示了富氢水通过“肠-肺轴”缓解哮喘气道炎症,这项研究为氢医学领域带来了新的研究成果,并为将来研发益生菌和靶向Ah R的药物来减轻哮喘气道炎症提供了新的方法和思路。