《自然》：科學家首次發現腸道微生物竟然會誘發中風！｜奇點猛科技

藥品中風科普科學奇點網 2017-05-19

近日，《自然》雜誌上刊登了一篇研究，賓夕法尼亞大學醫學院的研究人員發現，腸道微生物竟然會推動腦海綿狀血管瘤（cerebral cavernous malformations，CCM）的發展[1]！

CCM雖然叫做血管瘤，但並不是真正的癌症，事實上，它是一種中樞神經血管畸形。這些畸形的血管血管壁很薄，而且“抱團”在一起形成異常的海綿狀血管團，看起來很像是“實體瘤”。CCM屬於常見的血管畸形，人群發病率約為0.5-1%，佔總中樞神經血管畸形的10-20%[2]。最麻煩的事情在於，CCM會誘發癲癇和中風，而且目前完全沒有藥物能夠阻止它[3]。

腦海綿狀血管瘤示意圖，紫色部分為畸形血管團

其實，直到去年，研究人員才發現了導致CCM的直接原因。這也是由本次新研究的通訊作者Mark Kahn博士的團隊發現的，研究同樣發表在了《自然》雜誌上[4]。他們通過對脊椎動物模型和臨床患者的研究，確定了腦上皮細胞中MEKK3-KLF2/4信號的增加是CCM的直接原因。不過，當時他們還是沒能繼續深究出MEKK3-KLF2/4信號是如何增加的。

Mark Kahn博士

而這次的新研究恰好幫助他們彌補了當年的“遺憾”。為了研究CCM，研究人員利用基因改造技術構建了CCM模式小鼠，然後通過人工選育傳代，通常在第6代時會出現血管畸形，第10代時會出現成熟的畸形血管團。

而一年前，一次偶然的機會，他們發現了件“奇妙的事情”，經過多次傳代，這些“後代小鼠”中出現了攜帶基因缺陷但是能夠抵抗CCM的小鼠，然而在這群小鼠中，仍有一部分小鼠“頑強地”保持著CCM的發展。為什麼會出現這樣的“分歧”呢？通過一點一點的排除，他們發現，問題很可能出在腸道微生物上。

由於在構建模式小鼠時需要腹部注射藥物，有些小鼠會出現感染，導致膿腫，腸道屏障功能變弱，腸道微生物就會從腸道進入血液，而這部分小鼠的血管畸形會持續發展。在反覆試驗了幾次後，Kahn博士意識到，這不是巧合。於是他們對一些腸道微生物進行了測試，最終發現，在給有CCM抵抗的小鼠注射革蘭氏陰性菌（GNB）時，它們會繼續發展CCM。

脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis），腸道中一種十分常見的革蘭氏陰性菌

為什麼只能是革蘭氏陰性菌呢？經過進一步的成分實驗，研究人員發現，革蘭氏陰性菌細胞壁中的一種特有成分——脂多糖（LPS）是導致CCM抵抗小鼠繼續發病的誘因，在注射後，CCM抵抗小鼠腦中畸形血管團的體積迅速發展到原來的數倍！也就是說，進入血液中的革蘭氏陰性菌或者說脂多糖正是推動CCM發展的一隻“幕後黑手”！

注射脂多糖（下）和注射磷酸緩衝液（上）後CCM抵抗小鼠畸形血管團生長情況對比

雖然發現了CCM的發展是和腸道微生物有關係，可是它們和之前發現的信號通路之間又是如何“溝通”的呢？這中間似乎還少了“關鍵一環”。研究人員也對此感到疑惑，於是他們翻閱了過去的大量研究，終於發現這可能和先天性免疫受體TLR4有關係。

在2004年的一項研究中，有研究人員發現，脂多糖要通過TLR4來激活細胞內的信號通路[5]。聯繫到他們自己兩次研究的發現，研究人員於是猜想，或許TLR4正是那個缺少的“關鍵一環”，由腸道微生物推動的TLR4- MEKK3-KLF2/4才是CCM在發展過程中的一個“完整鏈條”。

CCM患者“腸腦交流”示意圖

於是他們對小鼠TLR4基因進行了敲除，發現幾乎能夠完全阻止第10代小鼠CCM的發病！除了TLR4，另一個能與LPS結合，增強TLR4信號通路的輔受體CD14也起到了一定作用，敲除它的編碼基因也可以部分阻止CCM的發展。

除了小鼠外，研究人員還對188例CCM患者進行了磁共振成像（MRI）和單核苷酸多態性（SNPs，由單個核苷酸變異引起的DNA序列多態性，廣泛存在於人類基因組中）檢查。他們發現只有TLR4和CD14兩個基因的兩種單核苷酸多態性與CCM病變血管團數量的增加有關，而攜帶它們的患者與非攜帶者相比，病變的增加量分別高達72%和49%！這說明小鼠體內的機制在人體內同樣適用。

根據這些，研究人員認為，想要治療CCM，可以從兩個方面下手，要麼抑制TLR4受體發揮作用，要麼抑制腸道中的革蘭氏陰性菌。按照這個思路，他們分別設計了幾個實驗。首先是針對TLR4，研究人員選擇了兩種TLR4拮抗劑——TAK-242和LPS-RS，儘管它們起效的機制不同，但是兩者都取得了不錯的“成績”：TAK-242消除了CCM小鼠腦內約80%的畸形血管團，LPS-RS則更勝一籌，消除了90%！

接下來，他們針對腸道微生物進行了一個“代際治療研究”，用同一對兒親本小鼠交配兩次，得到兩群后代，其中一群在每代的時候都給予小鼠媽媽廣譜抗生素治療，直到第10代的時候一起檢測CCM的發展情況。意料之中的，沒有接受治療的小鼠依然發展成了嚴重的CCM，而治療組小鼠腦內的畸形血管則相對減少了96%！

小鼠“代際治療研究”流程圖

研究人員最後指出，儘管可以開發靶向TLR4的藥物，但是他們還是建議其他研究人員重點關注腸道微生物治療這條路，因為如果能夠通過靶向腸道微生物與宿主之間的聯繫以治療此類終身疾病實在是讓人感到非常激動。當然，用在小鼠身上的“簡單粗暴”的抗生素療法是勢必要改進的，對於CCM患者來說，這將會是一個非常好的消息[1]。

參考資料：

[1] Alan T. Tang, Jaesung P. Choi, Jonathan J. Kotzin et al. Endothelial TLR4 and the microbiome drive cerebral cavernous malformations. Nature, doi:10.1038/nature22075（ 2017）.

[2] https://www.sciencedaily.com/releases/2017/05/170510132009.htm

[3] Fischer, A., Zalvide, J., Faurobert, E., Albiges-Rizo, C. & Tournier-Lasserve, E. Cerebral cavernous malformations: from CCM genes to endothelial cell homeostasis. Trends Mol. Med. 19, 302–308 (2013).

[4] Zhou, Z. et al. Cerebral cavernous malformations arise from endothelial gain of MEKK3–KLF2/4 signalling. Nature 532, 122–126 (2016).

[5] Huang, Q. et al. Differential regulation of interleukin 1 receptor and Toll-like receptor signaling by MEKK3. Nat. Immunol. 5, 98–103 (2004).