导读：

2024年3月29日，浙江大学第一附属医院钱鹏旭团队在Cell Discovery（IF=33.5分）杂志发表的题为“Microplastics dampen the self-renewal of hematopoietic stem cells by disrupting the gut microbiota-hypoxanthine-Wnt axis”的研究论文。该研究探究了微塑料在造血干细胞中的有害作用和机制，提供了预防微塑料造血损伤的潜在策略，并为临床实践中选择合适的造血干细胞移植供体提供了依据。


01研究背景

造血干细胞（HSCs）是维持血液系统稳定的关键因素，其自我更新能力对于血液细胞的日常产生至关重要。最近的研究表明，环境中无处不在的微塑料（MPs）颗粒不仅存在于人体内，甚至能够进入骨髓，影响造血系统。一些研究认为，MPs可以破坏肠道微生物群、代谢和炎症的稳态，最终诱导造血损伤。然而，微塑料如何影响HSCs的具体机制及其在HSC移植中的临床相关性尚未完全阐明。基于上述背景，作者建立了长期摄入MPs的小鼠模型，探究了MPs如何通过破坏肠道微生物群平衡和次黄嘌呤-Wnt信号轴来损害造血系统。


02结果

为了评估MPs对造血系统的影响，作者建立了短期（1周）和长期（5周）两种不同剂量的微塑料摄入小鼠模型，发现只有长期灌胃组的小鼠外周血中白细胞、粒细胞、淋巴细胞和单核细胞数量明显减少。此外，作者还发现长期摄入MPs显著减少了具有最高自我更新潜能的长期HSCs（LT-HSCs）的数量，使其凋亡率显著增加，并从G0期转向G1期（Fig. 1）。

长期摄入微塑料损害造血系统 

Fig.1 长期摄入微塑料损害造血系统


受损的造血干细胞的一个显著特征是重建能力的下降。作者为了测试HSCs的重建能力，使用限制定量稀释和竞争性再殖试验（LDA），以及初次和二次移植实验，发现长期摄入MPs会破坏HSCs的重建能力（Fig. 2）。

长期摄入MPs破坏HSCs的重建能力

Fig.2  长期摄入MPs破坏HSCs的重建能力


鉴于MPs主要沉积在肠道组织中，因此作者猜测MPs可能通过肠道系统来影响造血功能。作者通过HE染色、透射电子显微镜（TEM）、FITC-葡聚糖渗漏试验发现MPs改变了肠道结构和渗透性。通过16S rDNA测序和粪菌移植实验，作者发现MPs通过破坏小鼠肠道结构和通透性以及菌群稳态失衡使造血干细胞恶化（Fig. 3）。

MPs通过破坏肠道结构、渗透性和微生物群来损害HSCs

Fig. 3 MPs通过破坏肠道结构、渗透性和微生物群来损害HSCs


接下来，作者通过线性判别分析、火山图发现理研菌科是MPs处理小鼠肠道菌群中减少最多和最具代表性的细菌，并通过非靶向代谢组学分析发现长期摄入MPs小鼠的粪便中次黄嘌呤显著减少，理研菌科或次黄嘌呤可能对造血系统具有保护作用。为了验证这一假设，作者给各组小鼠补充理研菌科或次黄嘌呤，发现其可以改善MPs对小鼠造血干细胞的不良影响（Fig. 4）。

理研菌科和次黄嘌呤介导MPs引起HSCs缺陷

Fig. 4 理研菌科和次黄嘌呤介导MPs引起HSCs缺陷


为了进一步探究长期灌胃MPs后导致HSCs功能受损的潜在机制，作者从小鼠中分离出LT-HSCs并进行了RNA测序、KEGG分析以及GSEA分析，结果表明长期摄入MPs小鼠的LT-HSCs中黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶（HPRT）和Wnt信号通路下调。接着，作者使用RT-qPCR和酶联免疫吸附测定验证了长期摄入MPs小鼠的LT-HSCs中Wnt信号通路相关基因的表达下调，并在体外实验中发现使用WNT10A干预可以显著缓解了MPs诱导的HSCs缺陷（Fig. 5）。

长期摄入MPs使HSCs中的HPRT-Wnt信号失活

Fig. 5 长期摄入MPs使HSCs中的HPRT-Wnt信号失活


最后，作者进行双盲临床研究验证MPs、微生物群和代谢物之间的关系，使用激光直接红外成像技术、16S rDNA、随机森林分析、皮尔逊相关性分析等发现，小鼠体内MPs、理研菌科和次黄嘌呤之间的联系在造血干细胞移植的人类供体中也同样存在，并且与移植成功率相关（Fig. 6）。

健康捐赠者供体的MPs和肠道微生物群与HSCT患者植入失败相关

Fig. 6 健康捐赠者供体的MPs和肠道微生物群与HSCT患者植入失败相关


03供稿者短评

在本项研究中，作者通过构建微塑料摄入小鼠模型，证明长期摄入MPs对HSCs的数目与功能都造成了严重的损害。通过16S rDNA、代谢组和转录组测序，揭示了MPs通过破坏小鼠肠道结构和通透性，改变肠道菌群以及理研菌科和次黄嘌呤的丰度，最终使骨髓HSCs中的HPRT -Wnt信号通路失活。该项研究为预防MPs对造血系统的损害提供了潜在策略，并为临床实践中选择合适的造血干细胞供体提供了基础依据。

本研究还存在一些局限性。其一，MPs根据尺寸可分为0.5μm（MP1）和5μm（MP2），已有研究发现MP2相比于MP1毒性更大，而本文选择的MPs均为MP1型，加入MP2型MPs造模可能会更加严谨；其二，本研究仅描述了人体内MPs的摄入量，并未明确写出小鼠造模MPs浓度的可靠来源。其三，本文进行临床验证时仅使用了14例不同疾病的患者受体，样本数量少，且受体之间差异性较大，增加样本数量以及使用相同疾病受体可能更具有说服力。



来源：V言微语公众号