自1996年聯合逆轉錄病毒療法（cART）問世，顯著降低了HIV感染者的發病率和死亡率。然而，臨床發現部分接受cART治療的患者僅出現成功病毒學應答（CD4T細胞不完全恢復），這類患者的非艾滋病發病率和死亡率仍高于非感染者。此外，大量研究表明，HIV感染者中菌群移位是引起炎癥的重要原因，其原因在于HIV感染早期胃腸道免疫細胞損耗、腸道上皮損傷、通透性增加，導致微生物及其產物進入血循環。重要的是，有細菌入血引起的持續炎癥與HIV臨床預后和非AIDS并發癥發生相關。
2021年7月，來自美國國立衛生研究院的Daniel C. Douek團隊在CELL上在線發表了題為“Translocated microbiome composition determines immunological outcome in treated HIV infection”的研究論文，作者通過系統生物學策略揭示了cART治療期間，HIV患者血液中細菌組分與細胞因子及免疫細胞亞群的動態變化，以及彼此間互作關系。本次研究從菌群移位角度闡明了HIV患者治療中免疫重建機制，為HIV治療改善帶來新思路。 【研究材料】 篩選隊列：11名HIV患者cART治療不同時間點血漿、分化的免疫細胞 驗證隊列：98名受試者血漿樣本（3個獨立隊列） 【技術方法】 血漿微生物核酸測序、轉錄組學、代謝組學、免疫因子檢測 ?? 步驟1：表型檢測：檢測cART治療不同時間點患者血漿免疫細胞及細胞因子變化情況 ?? 步驟2：移位菌群測定：血漿微生物核酸序列分析揭示不同時間點移位菌群變化規律 ?? 步驟3：相關性分析：尋找移位菌群（門和屬水平）與血漿細胞因子及免疫細胞間的關系 ?? 步驟4：機制探究：移位菌群如何介導免疫細胞特異性炎癥反應應答 ?? 步驟5：獨立隊列驗證：3個獨立隊列驗證移位菌群與細胞因子及CD4 T細胞重建間的關系 1. 監測HIV感染者cART治療不同時間點血漿細胞因子/趨化因子動態變化 作者首先檢測了HIV感染者治療前多種血漿細胞因子和趨化因子（后統稱細胞因子）水平，發現其均表現出明顯的炎癥失調模式。接著，作者動態監測cART治療不同時間的細胞因子水平，發現其呈現高度動態模式。在治療的24個月中，不同細胞因子在不同時間點出現明顯的增減。PCA分析表明治療后細胞因子在特定時間點存在明顯差異，其特征是兩組不同的細胞因子群。此外，作者還發現臨床轉歸的關鍵指標CD4 T細胞重建（CD4/CD8細胞比率反映）與細胞因子表達特征相關。 圖1 血漿細胞因子表達、彼此相關性及與CD4 T細胞重建間相關性分析 ? 2. 變形桿菌為主的循環微生物多樣性變化與cART治療中炎癥增加相關（門水平） 作者對cART治療啟動后0、3、4、9、12、24個月的血漿中游離的DNA和RN**段進行鳥槍法深度測序，以便篩選出可能被免疫細胞識別的宿主微生物組分。結果顯示，與細胞因子譜相似，菌群α多樣性和β多樣性在特定時間點出現變化，且很大程度上源于變形菌門、放線菌門、擬桿菌門和厚壁菌門相對豐度的變化。其中，變性桿菌的相對豐度在0、3、9和12個月時較高，4和24個月時顯著降低，與cART治療中炎癥增加相關。 圖2 血漿微生物多樣性動態變化分析 ? 3. 沙雷氏菌屬驅動先天性和Th17細胞因子反應，對抗其他屬驅動Th1/Th2反應的影響（屬水平） 為進一步確定cART 治療啟動后導致全身炎癥波動的細菌，作者對變性桿菌、放線桿菌、擬桿菌和厚壁菌進行重點分析（屬水平）。結果顯示，變性菌門內腸桿菌科的沙雷氏菌屬在各個時間點豐度最高，其次是變形桿菌門假單胞菌科的假單胞菌。其中，不同時間點沙雷氏菌豐度增加以及其與其他菌屬的高比率與血漿中多數促炎和Th17細胞因子的增加及Th1/Th2細胞因子減少相關（假單胞菌及其他菌屬相反）。此外，作者利用不同菌屬碎片體外刺激健康供體外周血單核細胞并檢測其細胞因子變化，發現沙雷氏菌刺激后細胞因子變化與上述結果一致。 圖3 優勢種沙雷氏桿菌的相對豐度與較高的炎癥程度相關 ? 4. 轉錄組學與代謝組學聯合分析發現沙雷氏菌豐度與免疫細胞內糖酵解和線粒體功能改變相關 為探究血漿微生物是否介導免疫細胞分化程序、從而引起細胞因子變化，作者對不同時間點受試者血漿分選的單核細胞、髓系細胞、樹突狀細胞和T細胞進行轉錄組學分析。結果顯示，Th17、Th1、Th2和單核細胞特異性炎癥應答的轉錄程序與血漿微生物豐度變化相關；T細胞穩態增加和促炎反應下降共同作用，促使cART治療24個月CD4/CD8 T細胞比率升高。進一步分析顯示，cART啟動3-12個月，單核細胞內糖酵解和缺氧相關基因上調，線粒體功能相關途徑發生下調（與沙雷氏菌高利率相關）；24個月時糖酵解和低氧相關基因表達減少、線粒體功能相關基因表達升高（與沙雷氏菌低比率相關）。為證實上述發現，作者對cART治療受試者血漿進行代謝組學檢測，并結合轉錄組和血清學進行綜合分析，發現較高的沙雷氏菌比率與高濃度的血漿乳酸和丙酮酸相關，而后者又與糖酵解和缺氧相關基因通路的上調相關。 ? 5. 多組學網絡描繪cART治療中的變化特征 為確定cART治療啟動后CD4 T細胞重建的關鍵驅動因素，作者構建了一個多組學網絡，發現血漿細胞因子、代謝物、基因表達譜和血漿微生物之間存在顯著正相關。模型分析顯示，在cART治療的第一年，較高的沙雷氏菌比率與較高的血漿促炎因子（17種）水平相關，與同時期CD4/CD8 T細胞比率增加直接相關；而在第二年，減少的沙門氏菌比率有助于更大的CD4 T細胞重建。以上數據共同表明沙門氏菌比率減少、T細胞穩態回復和Th17反應的變化共同促進了第二年cART治療期間更高的CD4/CD8 T細胞比率。 圖5 cART治療期間血漿多組學網絡特征（相關性弦圖） ? 6. 獨立隊列中CD4/CD8 T細胞比率與炎癥和細菌多樣性相關 為驗證該研究的主要發現，作者評估了另外三個獨立隊列共98名參與者的CD4 T下撥計數、CD4/CD8 T細胞比率、血漿微生物組成和血漿細胞因子水平： ?? 克利夫蘭隊列：CD4/CD8比率與變形桿菌屬和較高的血漿細胞因子（IL7、IL8、IL29、IP10、TGF-β）相關； ?? 蒙特利爾隊列：較低的CD4/CD8比率與假單胞桿菌豐度和較高的血漿因子（GM-CSF、IL7、IL8、IL9、IL18、IP-10、MIP-1α、SDF-1α、TNF、TGF-β）相關； ?? 烏干達隊列：較高的CD4/CD8比率放線菌屬和血漿IL33水平高度相關。 雖然血漿細胞因子和移位的菌群之間的確切關系在各個隊列中不同，但是以上結果足以證實最初烏干達縱向隊列的發現，即特定的微生物移位（菌群多樣性和組成）可影響全身炎癥，進而影響cART治療后HIV感染者CD4 T細胞重建。 圖6? 獨立隊列驗證CD4/CD8比率與移位微生物種類和血漿細胞因子間相關性
實驗路線圖
研究結果
圖4 沙雷氏菌豐度變化與炎癥激活的相關性分析
小編小結
本研究利用系統生物學策略，揭示了HIV感染者在cART 治療期間，血漿移位的菌群及產物與宿主間互作，進而影響免疫細胞水平及細胞因子分泌，最終決定了T細胞重建和全身性炎癥狀態，最終影響HIV治療的遠期預后。該研究為HIV治療提供了新的思路，有助于改進現有治療策略，從而降低HIV感染者發病率和非AIDS死亡率。
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