共生菌驱动的血清素生成调控合成及病毒载体的体内递送

基本信息

英文标题：Commensal-driven serotonin production modulates in vivo delivery of synthetic and viral vectors

中文标题：共生菌驱动的血清素生成调控合成及病毒载体的体内递送

发表期刊：《Science》

影响因子：45.8

作者单位：

中国科学技术大学等

作者信息：

Qin Wang, Ziqi Chen, Guorong Zhang, Yucai Wang 等

研究背景

研究背景：

1.临床/生物学问题

体内递送系统(IDS)在基因治疗、mRNA疗法和肿瘤靶向治疗中至关重要，但其在体内易被肝脏单核-吞噬系统(MPS)快速清除，导致靶组织递送效率极低(<5%)。

2.现有研究的局限性

现有策略主要集中于IDS的材料优化(如PEG修饰)或巨噬细胞饱和/阻断，但效果有限，且忽视了调控MPS活性的内源性生物学通路。

3.研究切入点与创新点

本研究首次揭示肠-肝免疫轴通过共生菌驱动的血清素生成，维持肝脏Kupffer细胞(KCs)的高吞噬活性，从而限制IDS的递送效率。通过短暂抑制血清素信号通路(饮食或药物)，可显著提升IDS的体内递送效率。

研究方法

1.动物模型构建

使用SPF小鼠、无菌(GF)小鼠、抗生素处理(ABX)小鼠。

建立MC38结肠癌、4T1乳腺癌、B16F10黑色素瘤等皮下及原位肿瘤模型。

2.递送系统与治疗

合成载体：脂质体(Doxil)、脂质纳米颗粒(LNPs)、聚合物纳米颗粒、白蛋白纳米颗粒(Abraxane)、金纳米颗粒。

病毒载体：腺病毒(ADV)、腺相关病毒(AAV)、慢病毒(LV)。

治疗模式：化疗、溶瘤病毒治疗、mRNA蛋白替代疗法(mPTEN@LNPs)、基因编辑(Cre mRNA/LNPs、Cre-AAV)。

3.细胞与分子实验

原代Kupffer细胞分离与培养。

流式细胞术检测免疫细胞亚群及吞噬活性。

免疫荧光、免疫组化、Western blot、ELISA。

肝内活体显微成像(IVM)、透射/扫描电镜(TEM/SEM)。

16S rRNA测序分析菌群组成。

4.基因敲除与干预模型

细胞特异性敲除Tlr4或Myd88(内皮细胞、髓系细胞、肝细胞、B细胞、肠上皮细胞)。

HTR2c/HTR7受体敲除小鼠。

药物干预：血清素受体激动剂/拮抗剂、ERK抑制剂。

饮食干预：色氨酸(Trp)缺乏饮食。

5.临床相关性分析

检测人血清及肝组织中血清素水平与Kupffer细胞活性的关系。

实验结果

图1 | 肠道菌群耗竭增强IDS-based治疗的抗肿瘤疗效与递送效率

a. 实验设计：使用广谱抗生素(ABX)或无菌(GF)小鼠，评估多种IDS在肿瘤模型中的递送与疗效。

b-c. ABX或GF小鼠中，Doxil对MC38肿瘤的生长抑制更显著，生存率提高(25%无瘤生存至150天)。

d-f. GF小鼠同样显示Doxil疗效增强，排除抗生素直接影响。

g-i. 原位4T1乳腺癌模型中，脂质体米托蒽醌(Lipo MXT)在ABX小鼠中显著抑制肿瘤生长并延长生存。

j-l. B16F10黑色素瘤模型中，溶瘤腺病毒(OA)在ABX小鼠中实现~76%肿瘤消退，而SPF对照仅~28%。

m-n. 荧光成像显示，ABX处理使Doxil在肿瘤中的累积量提高约2倍。

o-q. mPTEN@LNPs(PTEN mRNA)在ABX小鼠中抗肿瘤疗效提升近3倍，中位生存期翻倍。

r. mLuc@LNPs递送后，ABX小鼠肿瘤中荧光素酶表达提高5.6倍。

s-t. 活体显微成像显示ABX小鼠循环中纳米颗粒浓度更高，半衰期延长。

图2 | 肠道菌群通过肠上皮细胞TLR4-MyD88信号调控Kupffer细胞吞噬活性

a-c. ABX处理显著降低Kupffer细胞(KCs)对合成及病毒载体的摄取，且门静脉周围KC(PT-KC)较中央静脉KC(CV-KC)受影响更大。

d-f. 仅在肠上皮细胞(IEC)中敲除Tlr4或Myd88(Vil1Cre-Tlr4fl/fl、Vil1Cre-Myd88fl/fl)可显著降低KC对纳米颗粒的摄取，效果与全身敲除相当。

g. 形态学热图显示Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠KC形态发生显著改变(体积减小、伪足减少)。

h. PCA分析显示，仅IEC敲除Myd88的小鼠KC形态聚类发生显著偏移。

i-j. 条件性敲除IEC的Myd88可延长纳米颗粒循环时间并增强肿瘤递送。

k-l. Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠中Doxil抗肿瘤疗效显著增强，生存期延长。

图3 | 肠上皮细胞来源的血清素介导菌群信号激活Kupffer细胞

a. 筛选35种IEC来源代谢物，发现仅血清素可显著增强KC吞噬活性。

b. ABX处理或Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠门静脉血中血清素浓度显著降低。

c-d. 免疫组化显示Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠肝脏中血清素信号强度下降。

e. 补充血清素可恢复Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠KC的吞噬活性与形态。

f. 血清素合成通路示意图(色氨酸→5-HTP→血清素→5-HIAA)。

g. 仅补充血清素可恢复KC摄取，色氨酸、5-HTP无效。

h-i. TPH1(血清素合成限速酶)全身敲除小鼠KC吞噬活性显著降低。

j. 肠道中ATB0+(色氨酸转运体)、TPH1表达在Myd886敲除后下降，而SERT(再摄取转运体)和MAO-A(降解酶)表达上升。

k. 机制总结：肠道菌群通过IEC中MyD88信号调控色氨酸吸收、血清素合成与降解。

图4 | 血清素通过KC上的HTR2c/HTR7-ERK信号通路激活吞噬功能

a-b. 使用HTR2或HTR7激动剂可恢复Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠KC吞噬活性。

c-d. HTR2c或HTR7敲除小鼠KC吞噬活性显著下降，而HTR2a/b敲除无影响。

e. 血清素处理原代KC可迅速诱导ERK磷酸化。

f-g. ERK抑制剂完全阻断血清素诱导的KC形态与吞噬活性恢复。

h-i. 扫描电镜显示血清素诱导KC伪足数量与长度增加，ERK抑制剂可阻断。

j-k. 血清素诱导F-actin重排，ERK抑制剂阻断此效应。

l-m. RNA-seq显示血清素上调KC中吞噬相关基因及髓系细胞活化通路。

n. 机制总结：血清素→HTR2c/HTR7→ERK→细胞骨架重塑+吞噬受体↑→KC高吞噬活性。

图5 | 靶向血清素信号通路可广泛提升IDS递送效率与治疗效果

a-b. 使用HTR2c/7拮抗剂可降低KC吞噬活性并延长纳米颗粒循环时间。

c-e. 拮抗剂预处理可增强Doxil、mPTEN@LNPs、OA等多种IDS的抗肿瘤疗效。

f-g. 色氨酸缺乏饮食(Trp-free diet)显著降低血清血清素浓度，并增强IDS递送效率。

h-i. Trp缺乏饮食在MC38、4T1、B16F10等多种模型中增强化疗、蛋白替代及溶瘤病毒的疗效。

j. 恢复血清素水平可逆转Trp缺乏带来的治疗增益。

k. 血清浓度与溶瘤病毒治疗效果呈负相关，提示其可作为预测生物标志物。

研究结论

本研究首次揭示共生菌驱动的肠-肝免疫轴是调控IDS体内递送效率的关键机制。肠道菌群通过肠上皮细胞TLR4-MyD88信号，诱导血清素生成;血清素通过作用于肝脏Kupffer细胞上的HTR2c/HTR7受体，激活ERK信号通路，促进细胞骨架重塑和吞噬相关基因表达，从而维持KCs的高吞噬活性，加速IDS的肝脏清除。短暂抑制血清素信号(饮食色氨酸缺乏或HTR2c/7拮抗剂)可显著降低肝脏清除，提升IDS在肿瘤等组织的递送效率，增强化疗、基因治疗、溶瘤病毒治疗等多种模式的疗效。

文献意义:

1.新机制：首次揭示共生菌驱动的血清素生成作为“肠-肝免疫轴”的关键信使，调控肝脏Kupffer细胞的稳态吞噬活性。

2.新策略：提出通过饮食或药物短暂抑制血清素信号，作为一种普适、可逆、安全的策略，以提升各类IDS的递送效率。

3.临床转化潜力：血清素浓度可作为预测IDS治疗响应的生物标志物;色氨酸缺乏饮食或已上市的血清素受体拮抗剂具有快速临床转化前景。

4.广泛适用性：该策略适用于合成载体(脂质体、LNP、聚合物)及病毒载体(AAV、ADV、LV)，涵盖化疗、基因编辑、mRNA疗法、溶瘤病毒等多种治疗模式。