作者：万文，南京农业大学硕士在读，主要研究铁载体介导植物与根际微生物的互作关系。
本期的精选周刊为您介绍通过特异性铁载体抗体营养免疫策略来抑制病原菌的感染。原文2016年发表在《Proc Natl Acad Sci U S A》。
导读
本文讲述了，当今抗生素的滥用导致了抗药菌株的出现，病原菌的入侵与感染已经威胁到人类的健康，作者提出利用铁载体作为一种新型的治疗手段，来抵御病原菌的入侵与感染。作者选用了小鼠作为生物模型，当病原菌入侵时，宿主营养免疫被激活，病原菌缺乏生长所需营养，其中包括了铁资源，因而通过分泌铁载体来获得铁保障自身生长，本文从这一过程入手，让病原菌分泌的铁载体无法使用，致使病原菌缺铁生长受阻。
1、CTB-Ent含铁载体的免疫共轭体可以引起黏膜抗体反应
为了诱导铁载体抗体的响应，本文选择CTB作为免疫原性载体蛋白， CTB-Ent共轭体免疫小鼠可以导致肠道粘膜（沙门氏菌感染的主要部位）产生抗铁载体抗体。作者设计并制备含有天然Ent结构的CTB-Ent共轭物。在第0天免疫小鼠，接着在第14天通过鼻内分别施用相同剂量的CTB和CTB-Ent加强免疫，为了确定用CTB-Ent共轭体的小鼠是否能够产生针对Ent特异性的抗体反应，试验设计每周收集小鼠血液、粪便样本来检测其中抗体的产生及浓度（图1 B）。与预期结果相似，两种处理下小鼠产生的抗体量相等，但只有用CTB-Ent免疫的小鼠才能形成Ent特异性抗体（图1 C，D），在免疫21天后，粪便中抗体量显著增加（图1 E）。利用相同的方法测试CTB-Ent可否针对GlcEnt产生特异性抗体，GlcEnt是某些肠道致病菌通过生物结合的方式合成的一种特殊的铁载体，是Ent的衍生物，用来躲避LCN2，避免宿主的捕获，与Ent有着相似的结构特征（图1 A）。结果发现，两种处理下都检测出了抗体的产生，但只有用CTB-Ent免疫的处理才会产生针对GlcEnt特异性的抗体（图1 F，G），这些结果都表明，本文提及的免疫策略产生了特异性识别Ent和GlcEnt的抗体，这与CTB可以增强粘膜免疫的功能结论一致。
图1 CTB-Ent进行鼻内免疫诱导肠道粘膜中产生抗体
（A）Ent和GlcEnt的化学结构，以及描绘了CTB-Ent共轭体的模型；（B）说明和时间免疫方案的路线；（C-G）在指定的时间过程中，使用内部ELISA对来自用CTB和CTB-Ent免疫的小鼠的粪便样品进行抗体定量。
2、CTB-Ent含铁载体的免疫共轭体可减少病原菌在肠道的定殖
确定CTB-Ent共轭体的作用后，本文继续研究了Ent、GlcEnt抗体的产生能否限制肠道病原菌沙门氏菌的定殖以及传播。实验选用了沙门氏杆菌感染肠炎的小鼠作为生物模型，分别用CTB和CTB-Ent进行免疫。在免疫的第1天和第2天，小鼠肠道炎症程度和限铁程度都还较轻，在两种处理下观察到沙门氏菌的定殖（图2 A）。但到第3天，使用CTB-Ent免疫处理的小鼠粪便中病原菌数量显著减少，尤其是在感染第4天时，小鼠肠道沙门氏菌数量显著降低（图2 A），这些时间点与炎症和限铁程度相对应。在具有最高抗体量的小鼠体内，沙门氏菌定殖程度较低，其数量降低了2*104倍（图2 B），这些数据都表明本文提出的免疫策略可以成功抑制沙门氏菌在肠道中的生长。为确保本文提出的免疫策略与小鼠的饲养条件与肠道菌群特征无关，作者饲养并免疫了其他两个品系的小鼠，结果都显示，用CTB-Ent处理的小鼠肠道沙门氏菌数量减少，表明本文提出的免疫策略可以在不同品系的小鼠中重现。
图2 利用CTB-Ent免疫小鼠可减少沙门氏菌肠道定殖和全身传播
（A）鼻内用CTB和CTB-Ent免疫的小鼠的肠道中的沙门氏菌定殖的量；（B）散点图显示感染后第4天用CTB-Ent免疫的个别小鼠中，感染后第4天沙门氏菌在肠道含量与通过ELISA检测到与抗体呈负相关。
3、当肠道中病原菌沙门氏菌数量减少时，乳酸杆菌数量增加
无论是沙门氏菌感染还是其他感染性和非感染性病因引起的肠道炎症，都会导致肠道菌群的改变。发炎肠道中专性厌氧菌（如拟杆菌和芽胞杆菌）的生长受阻，这些细菌约占健康肠道微生物的99％，相比之下，炎症会促进肠杆菌属丰度的增加，在没有肠道炎症的情况下，肠杆菌属通常只占菌群的不到1％。本文在用CTB-Ent免疫的小鼠中观察到沙门氏菌水平较低（图2 A），所以猜测免疫策略可能会对发炎的肠道菌群产生影响，当CTB-Ent免疫抑制沙门氏菌生长时，存在其他的细菌可以在发炎的肠道中生存繁殖。本文观察到CTB和CTB-Ent免疫的小鼠肠道菌群组成没有显着差异（图3 A）。与幼鼠的早期研究一致，作者发现在用CTB和CTB-Ent免疫的小鼠感染沙门氏菌后第4天肠道细菌多样性的显着降低（图3 A）。先前在幼鼠中观察到沙门氏菌在免疫小鼠中占据肠道微生物的50％（图3 B，C），在用CTB-Ent免疫的小鼠中，该值平均下降到15％（图3 B，C）。沙门氏菌感染期间两组小鼠中其他细菌属也受到类似的影响（图3 C）。但是，乳酸杆菌的数量显著增加，表明乳酸杆菌属与肠杆菌属类似可以在发炎环境中生存繁殖，并且有未知的机制帮助乳酸杆菌的生长。虽然减少沙门氏菌定殖没有缓解肠道炎症，但是却可以间接促进有益微生物的生长，从而为宿主提供了更多益处。
图3 沙门氏菌感染前后用CTB和CTB-Ent免疫的小鼠肠道菌群的分析
（A）在感染前和沙门氏菌感染后4天，用CTB和CTB-Ent免疫的小鼠中，通过多样性指数测量的肠道细菌多样性；（B）在感染前和感染沙门氏菌后4天，用IlluminaMiSeq在用CTB和CTB-Ent免疫的小鼠中测量沙门氏菌和乳酸杆菌的相对丰度；（C）在感染前和感染后第4天收集的用CTB和CTB-Ent免疫的小鼠粪便样品中16S rDNA测序结果展示相对丰度。
近年以来，铁载体，以及毒力因子的生物合成和转运机制，引起了人们对靶向新型抗生素的极大兴趣。本文的工作包括了特异性铁载体的铁载体-抗生素共轭体的设计和应用，铁载体生物合成的小分子抑制剂的鉴定以及通过针对铁载体或铁载体的免疫接种来抑制铁载体铁的摄取，从而抑制病原菌的入侵与感染，为铁载体在生物医疗中的应用提供了新思路。论文信息
原名：Siderophore-based immunization strategy to inhibit growth of enteric pathogens
译名：基于铁载体的免疫策略可抑制肠道病原体的生长
期刊：Proc Natl Acad Sci U S A（PNAS）
影响因子：9.580
发表时间：2016.11
通讯作者：Manuela Raffatellu
通讯作者地址：加利福尼亚大学欧文分校医学院微生物学和分子遗传学系
