解析在克羅恩病中硒缺乏導致T細胞分化紊亂的機制

　　炎癥性腸病 (Inflammatory bowel disease, IBD) 是一種主要累及胃腸道的的慢性非特異性炎癥性疾病，主要包括兩個臨床亞型，即克羅恩病 (Crohn’s disease, CD) 和潰瘍性結腸炎 (Ulcerative colitis, UC)。IBD是西方國家常見的消化系統疾病，近年來在發展中國家的發病率呈快速增長的趨勢，預計到2025年我國IBD患者數目將達到150萬以上【1】。IBD是一種慢性終身性疾病，青少年好發，需要長期治療，有多種不良預后，極大增加社會經濟負擔。

　　IBD是多基因、多因素參與的復雜性疾病，其發病機制尚未完全明確，免疫應答失調被認為是IBD的發病過程中的中心環節，目前的治療靶點90%均為靶向異常的免疫應答【2】。過去的研究多采用不同藥物治療后患者的樣本進行研究，對疾病早期未治療時的CD或UC患者的腸道免疫細胞的特征性功能或表達譜仍缺乏系統性研究，如這兩類腸病中免疫細胞亞群有哪些差異，是否存在新型的病理特異性的亞群，它們特異性的誘導產生機制是什么，這些問題都尚未充分研究。T細胞的功能失衡是IBD重要的致病因素之一【3】。既往研究表明CD和UC患者T細胞應答模式存在差異【4,5】，可能涉及不同的生物學機制，我們對此的認識仍十分有限。

　　新興工業化國家 IBD 發病率的上升可能與城市化進程和飲食結構變化有關【6】，這提示我們腸道局部的代謝改變可能與IBD發病有關。已有研究表明，短鏈脂肪酸、色氨酸和膽汁酸等代謝物參與粘膜免疫穩態和 IBD 的發病【7】。T細胞的分化及功能受到多種因素的調控，包括細胞因子、趨化因子、腸道中的微生物等。最新的研究表明，代謝物質及代謝過程中產生的活性氧 (Reactive Oxygen Species, ROS) 在T細胞的活化、增殖和分化過程中也發揮著重要的作用。硒是人體必需的的一種微量元素，多種硒蛋白如谷胱甘肽過氧化物酶 (Glutathione peroxidase, GPXs)、硫氧還蛋白還原酶(Thioredoxin reductase，TrxRs) 參與了ROS清除及氧化還原代謝過程。一些研究曾報道了IBD病人體內硒水平較健康人降低，且在動物腸炎模型中硒缺乏可加重腸道炎癥【8,9】。然而，硒蛋白如何調控IBD炎癥狀態下的T細胞功能仍有待探索。

　　2021年8月2日，浙江大學生命科學研究院靳津課題組和浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院曹倩課題組合作在Immunity發表題為Multiomic analyses reveal a critical role of selenium in controlling T cell differentiation in Crohn’s disease的文章。該合作團隊首先利用單細胞轉錄組測序和代謝組解析了初診未治療IBD患者的結腸免疫細胞圖譜和代謝微環境特征，發現CD或UC中存在疾病特異性的免疫細胞亞群和代謝物改變。通過體外實驗對代謝物的功能進行篩選，發現了可以調控特定疾病中T細胞亞群分化的代謝物，特別是CD患者結腸中特異性減少的含硒代謝物可以調控CD中獨特的一群Th1-like細胞的分化。體內體外研究證實了補充硒可以有效抑制Th1的分化，促進腸道炎癥的緩解。硒元素主要通過硒蛋白W (Selenoprotein W, SELW) 調控一碳代謝和嘌呤補救途徑介導活性氧 (Reactive Oxygen Species, ROS) 清除，從而影響Th1細胞的分化。

　　圖1 工作模型

　　首先，為了分析比較初診未治療時CD和UC患者腸道免疫應答模式的差異，作者收集了健康人 (n=3)，CD(n=6)，UC(n=6) 患者的結腸活檢組織，消化分選CD45陽性免疫細胞進行單細胞轉錄組測序，經數據分析后共獲得36個免疫細胞亞群。作者發現CD患者結腸中存在一群獨特的類似Th1 (Th1-like) 的細胞，而UC患者中存在一群Th17樣細胞 (Th17-like)。先天免疫細胞來源的細胞因子可以調控T細胞的分化，為了闡明兩類疾病中產生這兩群獨特細胞亞群的機制，作者首先比較了兩類疾病中的先天免疫細胞的應答模式，然而調控Th1分化或Th17分化的細胞因子在這兩類疾病的先天免疫細胞中的表達沒有顯著的差異。有意思的是，作者發現這兩個T細胞亞群的存在多個代謝酶表達差異，提示兩者代謝模式不同代謝微環境可能在塑造兩類疾病T細胞免疫應答過程中發揮著重要的作用。因此，該研究團隊進一步對健康志愿者、活動期CD和UC患者結腸組織進行非靶向代謝組檢測，分別鑒定出了92種和275種在CD和UC中特異性變化的代謝物。為了進一步明確這些代謝物是否調控T細胞的分化，作者進行了體外功能篩選實驗，鑒定出了一些可以調控特定疾病亞型中T細胞亞群分化的代謝物。

　　值得注意的是，一種含硒代謝物在CD病人的結腸組織中特異性下調，而且CD患者血清中硒水平也與疾病的活動度呈負相關。體外分化實驗顯示，補充硒可以明顯抑制Th1的分化，而不影響Th17的極化。為了闡明硒調控T細胞分化的機制，作者進一步通過轉錄組、代謝組、代謝流、流式等技術對補硒處理的Th1細胞和對照組Th1細胞進行了分析，發現調控Th1分化的關鍵轉錄因子未受明顯影響，而硒處理后Th1細胞中嘌呤合成補救途徑中的關鍵酶及代謝中間產物顯著升高，一碳代謝葉酸循環中的關鍵酶及代謝物顯著下調。T細胞的激活需要合成大量的嘌呤用于核酸合成、細胞信號傳導和代謝調節【10】，嘌呤主要通過兩種途徑產生：從頭合成和補救途徑。該研究顯示在Th1分化過程中，硒處理可以抑制一碳代謝導致嘌呤從頭合成減少，補救途徑代償性上調。T細胞的活化和分化過程同時伴隨著ROS的產生，細胞內ROS水平受到抗氧化酶和其他分子的嚴格調控。深入的機制研究顯示，在Th1細胞中，硒主要通過硒蛋白W (Selenoprotein W, SELW) 調控一碳代謝和嘌呤補救途徑介導細胞質中的活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS) 清除，從而影響NF-κB信號通路的活化，抑制IFN-γ的產生。在缺硒小鼠中建立T細胞過繼轉移腸炎模型，補充硒制劑后可以顯著減輕腸炎癥狀，減少結腸固有層中的Th1細胞。臨床研究也顯示補充硒可以促進缺硒克羅恩病患者癥狀的改善和結腸黏膜的愈合。

　　該研究系統解析了初診CD和UC的腸道免疫細胞組成及代謝改變，闡明了CD結腸中獨特的代謝改變塑造局部黏膜免疫應答模式的機制。補充硒制劑有望通過抑制Th1細胞分化來促進CD腸道炎癥的緩解。這項工作為深入研究IBD免疫-代謝機制提供了一種新思路，對于全面理解CD和UC的發病機制差異、開發靶向特定疾病的治療策略有重要的科學意義和臨床價值。

　　浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院消化內科雙聘教授、浙江大學生命科學研究院資深研究員靳津教授和浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院消化內科主任、炎癥性腸病中心曹倩教授是本文的共同通訊作者，博士研究生黃靈潔、毛信韜和東南大學副研究員李異媛為本文的共同第一作者。

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