科研 | Nature : 肠道屏障功能受到依赖于进食的血管活性肠肽神经元-3型固有淋巴样细胞回路调节
编译:莫莫,编辑:小菌菌、江舜尧。
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肠粘膜不仅参与摄取食物营养和菌群代谢物,同时还有重要的屏障功能,防止微生物入侵并抑制对肠腔内容物的炎症反应。肠道是如何协调对食物消耗的生理反映和免疫反应,保持屏障功能的同时优化营养吸收,目前尚不清楚。
本研究中,研究者探究由进食触发的肠道神经元信号如何与由3型固有淋巴样细胞(ILC3)所控制的肠道抗菌和代谢反应相结合。进食会迅速激活表达血管活性肠肽(VIP)的肠道神经元。肠道固有层中,表达血管活性肠肽(VIP)的肠神经元与表达VIP受体2型(VIPR2)的3型天然淋巴细胞(ILC3)细胞簇存在近距离互作。VIPR2的参与可抑制ILC3产生IL-22,而IL-22可由共生菌(如节段性丝状细菌SFB)促进分泌。结果,上皮细胞衍生的抗菌肽减少,但脂质结合蛋白和转运蛋白的表达增加。在进食期间,VIP神经元的激活因此增强了与SFB相关的上皮细胞生长并增加了脂质吸收。我们的研究结果揭示了一个进食和昼夜节律调节的动态肠道神经免疫回路,可促进IL-22介导的先天免疫保护与营养吸收效率之间的平衡。因此,该途径的调节可有效增强对肠病原体的防御以及治疗代谢性疾病。
论文ID
原名:Feeding-dependent VIP neuron–ILC3 circuit regulates the intestinal barrier
译名:依赖于进食的血管活性肠肽神经元-3型固有淋巴样细胞回路,调节肠道屏障功能
期刊:Nature
IF:43.07
发表时间:2020.2.12
通讯作者:Dayi Li & Dan R. Littman
作者单位:美国纽约大学医学院
实验内容
1. ILC3细胞簇与固有层VIP肠神经元存在相互作用
不同亚型的ILC3s存在于肠固有层内,分布在三级淋巴组织中,如隐窝斑(cryptopatches, CPs)和孤立淋巴滤泡(isolated lymphoidfollicles, ILFs)。我们注意到,CCR6+ILC3,包括集中分布在CPs和ILF的淋巴组织诱导(LTi)细胞,选择性表达多种神经递质/神经肽受体以及与轴突引导和神经元分化相关的基因(图1a)。这促使我们评估这些细胞是否与肠神经系统(ENS)的投射有关,ENS控制胃肠功能以应对管腔变化(如食物摄入、微生物、代谢物)。我们观察到回肠CPS/ILFs和结肠淋巴结中的ILC3与固有层神经元(图1B-D)非常接近,固有层神经元的血管活性肠肽(VIP)显阳性,P物质或酪氨酸羟化酶为阴性(图1E、F。这些解剖学上的发现,加上观察到肠道CCR6+ILC3(而不是T细胞)表达VIP受体2型(Vipr2)(图1a),促使我们对VIP肠神经元在CCR6+ILC3调节肠道免疫稳态中的作用进行研究。
2. VIP介导CCR6+ILC3的抑制作用对黏膜屏障功能的调节
为了确定VIP肠神经元是否直接是否影响ILC3的功能(抑制或激活),我们采用了一种化学遗传学方法,使小鼠的VIP+细胞表达的受体仅接受特定药物(DREADD)的激活。VipIRES-CrehM4Difl-stop-fl/+小鼠体内有抑制剂DREADD(hM4Di),在给予DREADD配体氯氮平-N-氧化物(CNO)后,24h内小肠和大肠中IL-22+CCR6+ILC3的频率较高(图2E)。同时,肠上皮细胞(ieIECs)中RegIIIγ mRNA表达增加(图2g)。相反,表达激活剂DREADD (hM3Dq)的小鼠(VipIRES-CrehM3Dqfl-stop-fl/+mice小鼠)在小肠和大肠中的IL-22+CCR6+ILC3较少,经CNO治疗后ieIECs的RegIIIγ mRNA表达较低(图2h-j)。VIP肠神经元激活后,产生细胞因子的T细胞的数量没有差异。这些结果表明,VIP肠神经元通过VIPR2作用于CCR6+ILC3以抑制细胞因子的产生,从而调节肠道免疫稳态。
接下来,我们研究VIP肠神经元是否有助于减少肠道致病菌枸橼酸杆菌的感染。如前所述,感染后,结肠近端和盲肠中VIP mRNA表达增加,门静脉VIP含量增加,而外周血VIP不增加。予常规耐受剂量的枸橼酸杆菌(2x109 CFU)灌胃后,虽然肠腔中枸橼酸杆菌的数量仅适量增加(扩展数据图7e),但DREADD介导的VIP肠神经元激活导致细菌向脾脏和肝脏的移位增加(图3a、b)和存活率降低(图3c)。予大剂量枸橼酸杆菌(4x1010 CFU)灌胃,可导致大量细菌移位至肝脏和脾脏,但DREADD介导VIP肠神经元的抑制作用提供了保护,不影响管腔细菌负荷(图3d、e)。用重组小鼠IL-22治疗逆转了READD介导的VIP肠神经元激活的作用。与RORc(t)CreVipr2+/+l小鼠相比,RORc(t)CreVipr2fl/fl小鼠在灌胃大剂量枸橼酸杆菌(4x1010CFU)后表现出更强的保护作用。肠致病菌感染后VIP肠神经元的激活可能导致肠屏障的破坏。
图2 VIPR2依赖性抑制CCR6+和上皮抗菌反应
图3 VIP肠神经元信号削弱粘膜屏障功能
3. 进食促进VIPR2依赖性的抑制肠道CCR6+ILC3
据报道,进食可引起肠内迅速释放VIP。事实上,与光照期比较,在黑暗期取样的小鼠回肠中有更多的VIP,分别对应小鼠进食期和休息期。为了分析食物摄入对肠神经元免疫抑制轴的影响,我们限制食物供应两周,交替12h周期的喂养和禁食,仅在黑暗期或光照期中提供食物(vide方法)。无论小鼠何时处于喂养阶段,与6小时的禁食相比,6小时的食物供应使门静脉中VIP含量更高。与禁食6h相比,进食6h后,IL-22+CCR6+ILC3的数量降低,且与光暗周期无关(图4a、b)。然而,在RORc(t)CreVipr2fl/fl小鼠中,是否进食对IL-22+CCR6+ILC3的数量没有影响(图4c,d)。在混合骨髓嵌合体小鼠中也观察到类似的结果,与食物摄入后依赖VIPR2抑制CCR6+ILC3产生IL-22相一致。在光照阶段(ZT1-ZT7),液体试验饮食(不含盐)经胃给药后6h IL-22+CCR6+ILC3的数量降低进一步支持了这一结论(图4e,f)。此外,DREADD介导对VIP肠神经元的抑制抵消了试验饮食对ILC3的影响(图4e,f)。这些结果提示,通过食物摄入介导的VIPergic信号和VIPR2的激活,肠道CCR6+ILC3功能可得到快速、动态的调节。
4. VIP-ILC3轴促进共生菌的餐后变化
因为IL-22对肠上皮细胞起到调节屏障功能的作用,我们接下来研究食物消耗促进的神经免疫抑制通路是否影响宿主与微生物的相互作用。与喂食12h的小鼠相比,禁食12h小鼠的ieIECs中有IL-22依赖性的RegIIIγmRNA升高(图5a)。同时,食物摄入对回肠上皮相关节段性丝状菌(SFB)的形态有显著影响,且与光周期无关(图5b-c)。与IECs相连的SFB在喂养12h后有长段丝。而在禁食12h小鼠的回肠中,上皮相关的SFB较少,呈短茬状。此外,与禁食12小时小鼠相比,喂食12小时小鼠粪便中的硬壁菌/拟杆菌比值增加,与光周期无关。α-IL-22短期阻断不仅降低了禁食期间小鼠ieIECs的RegIIIγ mRNA表达,在限制食物的情况下也能控制SFB的生长(图5d)。在RORc(t)Cre-Vipr2fl/fl小鼠中,IL-22的产生增加,SFB即使在喂养12h后也未能形成分段的细丝(图5e,f)。与RORc(t)CreVipr2+/+小鼠相比,RORc(t)CreVipr2fl/fl小鼠回肠排泄物中的硬壁菌/拟杆菌比值,以及小排泄颗粒中的硬壁菌/拟杆菌比值有所降低。这些结果表明在进食过程中,VIP肠信号通过调控ILC3来调节共生微生物群。
最近研究发现IL-22可调节肠道脂质代谢8,至少部分通过控制脂质转运相关基因,我们检验了VIP肠神经元-ILC3-IL-22回路在脂质吸收中的作用。尽管通过光/暗适应有一些昼夜调节的作用,喂食12h的小鼠比禁食12h的小鼠吸收了更多的3H-三烯酮。与喂食小鼠相比,禁食12h的小鼠ieIECs中脂肪酸/脂质摄取和转运相关蛋白(如Fabp2)的mRNAs表达较低(图6a),与RegIIIγ mRNA呈负相关(图5a)。在禁食期用α-IL-22治疗可增加3H-三烯酮的吸收和上皮Fabp2的表达(图6a,b)。
与喂养12小时的小鼠对照组比较,FROP2和CD36 mRNA的表达、3H-三烯酮的吸收和血清甘油三酯的浓度在RORc(t)CreVipr2fl/fl小鼠中显著减少(图6C-E),所以食物摄取对脂质吸收的影响依赖于VIP-ILC3轴。与对照组相比,RORc(t)CreVipr2fl/fl 小鼠的体重也有所减轻。最后,连续灌胃6小时的液体试验饮食导致血清甘油三酯增加,这是由DREADD介导的VIP肠神经元的抑制所阻断的(图6f)。
讨论
这些结果揭示了一个重要的神经免疫回路。该回路中,进食激活的VIP肠神经元拮抗微生物群依赖的CCR6+ILC3功能,从而减少IL-22的产生,提高脂质吸收效率。我们的研究,通过对某些肠病细菌的易感性、上皮相关共生SFB的快速生长以及管腔共生成分的广泛变化,说明肠道吸收营养物质,是以降低IL-22的抗菌作用为代价的。宿主是否从减少的抗微生物活性中获益尚不清楚,尽管它可能使细菌依赖性地产生易被吸收的必需代谢物和维生素。在缺乏VIPR2信号的情况下,ILC3/IL-22的慢性激活是否会影响全身代谢和对肠道病原菌的定植抗性,这将是一个有趣的研究课题。
食物感应和VIP肠神经元激活的机制尚不清楚,可能涉及微生物、营养或机械刺激,作用于外周或通过中枢神经系统。VIP与中枢昼夜节律有关,因为VIPR参与了下丘脑视交叉上核和外周核心生物钟基因的表达;在外周,调节ILC2产生的IL-5和IL-13呈现昼夜变化以及肺、肠粘膜中嗜酸性粒细胞的募集。虽然我们的研究强调了食物摄入在调节VIP-ILC3相互作用中的重要性,但也有光照对脂质吸收的作用,因此我们不能排除中枢或外周生物钟的额外作用。
我们的研究结果还表明,摄食时间的紊乱可以削弱肠道屏障功能引起肠道微生态失调,通过慢性激活VIP肠神经元引起代谢失衡。此外,肠道病原体可能通过这种神经免疫回路,降低肠道屏障功能,促进肠道定植。在这些情况下,VIPR2抑制剂可能是在急性胃肠道感染期间减少脂质吸收或加强屏障的有效治疗手段。
评论
肠粘膜不仅参与摄取食物营养和菌群代谢物,同时还有重要的屏障功能,防止微生物入侵并抑制对肠腔内容物的炎症反应。本研究中发现,进食可迅速激活肠道中表达血管活性肠肽的肠神经元,从而抑制3型固有淋巴细胞产生IL-22,进而增强肠上皮细胞的脂质吸收功能,但同时也减少了抗菌肽分泌,影响肠道屏障功能和菌群组成。本研究揭示了肠道屏障吸收营养和抗微生物防御作用二者之间的博弈,有助于解释为何进食不规律会削弱肠道屏障、促进菌群失调及代谢失衡,同时也为减少脂质吸收和增强肠道屏障功能提供了新的潜在治疗靶点。
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