Nature：西兰花等蔬菜中的这种天然分子能够改善肺部感染

撰文丨协和小卒

来源丨丁香学术

宿主对屏障表面感染的反应往往是通过免疫细胞的行为和功能来研究的。直到最近，有不少研究才开始阐明非免疫细胞在遭遇病原体后在组织免疫协调中的作用，这些非免疫细胞包括肺内皮细胞。在应对肺部刺激时，肺内皮增生，调节促炎细胞因子的产生，并通过分泌血管分泌因子促进上皮细胞的恢复。

芳香烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor，AHR）是一种配体激活的转录因子，广泛表达于屏障位点和免疫系统中，能够对生理和环境刺激作出反应。天然 AHR 配体主要来源于饮食中的吲哚和色氨酸代谢，我们日常所食的西兰花、花椰菜等十字花科蔬菜中均含有这种物质。

AHR 被激活后，会诱导一系列靶基因，这些靶基因通过氧化促进 AHR 配体的代谢清除。AHR 的作用在胃肠道中表现得最为明显，大量的微生物源和膳食源配体激活组织内的免疫细胞和上皮细胞，以促进屏障保护。在肺中，AHR 负调控 I 型干扰素（IFNs）的产生，促进气道上皮细胞的多毛细胞发生，并有助于细菌感应。然而，AHR 在肺屏障防御中的作用尚不清楚。

2023 年 8 月 16 日，弗朗西斯·克里克研究所等单位的研究人员在Nature期刊发表了题为：Endothelial AHR activity prevents lung barrier disruption in viral infection 的研究论文，该研究发现，十字花科蔬菜中的天然分子芳香烃受体（AHR）有助于维持肺部的健康屏障并缓解感染。

AHR 在肺内皮细胞中高度活跃，可防止流感诱导的肺血管渗漏，而内皮细胞 AHR 的丧失则可加重肺损伤，促进红细胞和白细胞向肺泡空气腔的浸润。此外，当内皮细胞 AHR 缺失时，屏障保护受损，宿主对继发性细菌感染的易感性增加。

总的来说，他们的发现证明了内皮功能在肺屏障免疫中的重要性，并确定了一个影响病毒病原体接触后肺损伤的肠-肺轴，将饮食组成和摄入量与宿主适应性和疾病结局联系了起来。

AHR 信号在肺血管系统中的作用

研究人员在小鼠身上进行了一系列实验，以显示 AHR 如何影响肺屏障。他们发现 AHR 在所有测量的肺细胞类型中均有表达，但主要在 CD31+ 的肺内皮细胞、II 型肺泡细胞和气道上皮细胞中高表达。此外，内皮细胞相对于免疫细胞和上皮细胞具有较高水平的 AHR 表达，免疫荧光检测也证实了内皮细胞内的 AHR 表达。

为了检测 AHR 在成熟肺中的活性转录，他们分离了不同的肺细胞群，并通过定量 PCR 检测 AHR 和靶基因的表达。结果表明，相对于肺上皮细胞和免疫细胞，分离的 CD31+ 肺内皮细胞内 Ahr 和 Cyp1a1 的表达显著增加。此外，在大血管和肺泡毛细血管网的内皮细胞中也都有 AHR 信号。

AHR 保护肺部屏障

为了了解内皮细胞中 AHR 信号通路的扩增是否影响肺屏障功能，他们用甲型流感病毒（X31）感染野生型小鼠和 Cyp1-/- 小鼠，并评估肺损伤。Cyp1 介导的配体代谢是抑制 AHR 信号传导的重要负反馈机制。结果发现，Cyp1-/- 小鼠对感染引起的肺屏障渗漏具有更强的耐药性。与野生型对照组相比，这些小鼠的总细胞和红细胞数量减少，肺空腔内免疫细胞浸润减少，这也与其肺损伤标志物减少的结果一致。在没有改变病毒负荷的情况下，Cyp1-/- 小鼠的肺保护作用增强，Cyp1-/- 小鼠肺损伤的减少与感染后发病率的降低和生存期的增加也相一致。

为了了解增强的 AHR 信号是否促进了对其他呼吸道病原体的保护，他们用一种抗原上不同的流感病毒变体 Cal09（H1N1）感染野生型小鼠和 Cyp1-/- 小鼠。结果表明，Cyp1-/- 小鼠临床评分较低，生存率提高。

因此，这些数据强调了消除 AHR 负反馈调节在促进肺屏障完整性方面的保护作用，从而降低了多种呼吸道病原体感染后的疾病严重程度。此外，他们还发现内皮特异性 AHR 活性是作为肺屏障保护的宿主机制，能够防止病毒感染后血管渗漏。

apelin-APLNR 信号轴是 AHR 依赖的肺保护机制

为了从机制上理解内皮特异性 AHR 活性如何介导肺保护，他们对从未感染和流感病毒感染的野生型小鼠和内皮特异性敲除 Ahr 小鼠（ECΔAhr）分离得到的肺内皮细胞进行了转录组测序分析。结果发现，未受感染小鼠的内皮细胞聚集在一起，不受基因型的影响；然而，在流感病毒感染后，由于表达谱的显著差异，内皮细胞样本根据基因型分别聚集在一起，这表明保护性 AHR 信号通路在肺激发后变得明显。通过对差异表达基因进行通路富集分析，发现在没有内皮 AHR 的情况下，细胞应激反应、代谢和细胞死亡显著被破坏。

在稳态条件下，内皮特异性 Ahr 缺失对肺上皮细胞基因表达几乎没有影响；然而，在感染后，他们发现 ECΔAhr 小鼠上皮细胞的转录谱普遍受到破坏。通路分析显示，ECΔAhr 上皮细胞的增殖和细胞信号通路出现了明显的失调，这表明病毒感染后，肺内皮和上皮细胞之间存在着广泛的 Ahr 驱动的串扰。基因集富集分析也证实了细胞应激谱（DNA 修复、缺氧、氧化磷酸化、p53 和活性氧物种）的富集。ECΔAhr内皮细胞中存在屏障破坏和血管渗漏和炎症信号通路的富集，受损上皮细胞中也存在异常的有丝分裂。

在 ECΔAhr 内皮细胞中，最明显被破坏的是 apelin （由 Apln 编码） 信号通路。Apelin 是内皮细胞产生的一种血管活性内源性肽，通过 apelin 受体 （APLNR） 参与调节血管功能。通过 qPCR，他们也证实了 ECΔAhr 内皮细胞中 apelin 和 APLNR 表达的破坏。

为了测试 apelin 治疗是否能减轻流感诱导的肺血管渗漏，他们给感染的野生型小鼠和 ECΔAhr 小鼠注射外源性 apelin。在感染流感病毒的野生型小鼠中，apelin 治疗显著减少了肺损伤和血管渗漏，但在 ECΔAhr 小鼠中没有这种现象，这可能是由于其血管 APLNR 表达显著下降。因此，这些发现确定了 apelin-APLNR 信号轴是 AHR 依赖的肺保护机制，它可以防止流感诱导的肺损伤后的内皮应激和血管渗漏。

肠-肺轴决定肺病理

接下来，他们尝试了解是什么信号引起感染导致的肺内皮细胞 AHR 活性下降。膳食代谢物是天然 AHR 配体的丰富来源。因此，他们推测感染后肺部 AHR 信号通路的抑制是否由饮食摄入或代谢的改变引起。为了验证这一点，他们通过膳食补充吲哚-3-甲醇（I3C） 来增加 AHR 配体的摄入量，并将这种饮食与喂食缺乏膳食吲哚的纯化对照饮食的小鼠进行比较。小鼠饲喂富含 I3C 的饮食后，AHR 信号在所有肺细胞亚群中均显著增加，主要是在肺内皮细胞中。

但值得注意的是，流感病毒感染反过来抑制了由富含 AHR 配体的 I3C 饮食诱导的 AHR 信号通路。

此外，与喂食标准动物饲料的小鼠相比，喂食纯化对照饲料的小鼠肺内皮中的 AHR 信号通路降低。这一结果强调了天然膳食配体对肺 AHR 活性的贡献。流感感染后肺内皮细胞中 Apln 的表达也降低，不过这可以通过补充 AHR 配体的饮食恢复。

总之，这些研究结果表明，内皮细胞中 AHR 的保护活性受饮食摄入的调节，而饮食摄入又可被感染状态所改变。此外，他们还发现天然饮食中的 AHR 配体在肺血管系统中诱导保护性的 AHR 信号通路，最终促进宿主对呼吸道病毒病原体的防御。

综上所述， 该研究发现西兰花或花椰菜等十字花科蔬菜中的天然分子 AHR 有助于维持肺部的健康屏障并缓解感染。

当小鼠感染流感病毒时，在肺部的空气空间中发现了血液，表明肺部屏障受损，发生血管泄漏。而 AHR 能够防止屏障渗漏，当 AHR 过度激活时，可以观察到肺腔中的血液减少；当 AHR 被阻止在感染小鼠的肺内皮细胞中表达时，肺腔中观察到更多的血液和免疫细胞，即肺部免疫屏障受到更大损害。

研究人员还表明，流感感染会导致保护性肺部 AHR 活性降低，食用富含 AHR 配体饮食对小鼠来说是更有益的：这些小鼠在感染期间比对照饮食的小鼠具有更好的屏障完整性和更少的肺损伤。这些结果表明，AHR 对受感染影响的肺屏障具有保护作用，并且可以通过正确的饮食来改善。

总之，该研究表明肠道内皮 AHR 在预防肠道感染方面很重要，这为饮食和肠道内皮状态之间提供了另一个联系。论文通讯作者Andreas Wack教授表示， 现在我们已经证明 AHR 对于肺部维持一个强大的屏障非常重要。人们在生病时可能不太能够保持良好的饮食，所以不会从蔬菜中摄取使这个系统工作的分子。无论如何，以后多吃十字花科蔬菜肯定没坏处，在生病时继续吃它们更为重要！

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06287-y