基于菊粉凝胶的口服免疫疗法重塑小肠微生物组并抑制食物过敏

作者及发表信息
本研究由Kai Han和Fang Xie等来自美国密歇根大学（University of Michigan）的团队主导，合作单位包括大阪大学（Osaka University）和德克萨斯大学MD安德森癌症中心（University of Texas M.D. Anderson Cancer Center）等。研究成果于2024年10月发表在Nature Materials期刊（Volume 23, Pages 1444–1455），论文标题为“Inulin-gel-based oral immunotherapy remodels the small intestinal microbiome and suppresses food allergy”。

学术背景
食物过敏已成为全球公共卫生问题，尤其在工业化国家。传统口服免疫疗法（Oral Immunotherapy, OIT）如美国FDA批准的Palforzia（花生过敏治疗药物）虽能缓解症状，但存在不良反应（10-20%患者因胃肠道事件停药）和长期脱敏失败等问题。研究表明，肠道菌群失调（dysbiosis）与食物过敏密切相关，但现有研究多聚焦于粪便微生物组（faecal microbiome），而忽略小肠（尤其是回肠）微生物组的关键作用。本研究旨在开发一种基于菊粉凝胶（inulin gel）的新型OIT平台，通过调控小肠微生物-代谢物-免疫轴，实现长效食物过敏治疗。

研究流程与方法
1. 菊粉凝胶/过敏原的制备与表征
- 将菊粉（DP23）与磷酸盐缓冲液（PBS）混合，加热冷却后与卵清蛋白（OVA）或花生提取物（PE）等过敏原结合，形成凝胶。
- 通过流变学测试证实凝胶的物理强度和黏弹性显著优于游离菊粉混合物（图2f）。

1. 动物模型与治疗设计

   • 使用Balb/c和C3H/HeJ小鼠构建OVA或花生过敏模型，分为PBS对照组、游离OVA组、菊粉/OVA混合组和菊粉凝胶/OVA组。
     
   • OIT方案：小鼠先腹腔致敏（alum/OVA），随后口服给药（20天），最后进行多次过敏原挑战（intragastric challenge）。
     

2. 免疫与微生物组分析

   • 免疫表型：通过流式细胞术（flow cytometry）和单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析小肠固有层（si-LP）和肠系膜淋巴结（mLN）中的免疫细胞亚群。
     
   • 微生物组：16S rRNA测序比较回肠内容物与粪便微生物组的差异，重点关注Eggerthellaceae和Enterorhabdus等菌群。
     
   • 代谢组学：非靶向代谢组学（untargeted metabolomics）检测回肠代谢物，如鸟苷（guanosine）和短链脂肪酸（SCFAs）。
     

3. 机制验证实验

   • 通过抗生素处理小鼠验证微生物组依赖性；
     
   • 体外共培养实验证明鸟苷可促进调节性T细胞（Treg）和Th1细胞分化；
     
   • 抗体阻断实验（anti-IFNγ/IL-10）明确细胞因子的保护作用。
     

主要结果
1. 治疗效果
- 菊粉凝胶/OVA OIT显著降低过敏小鼠的体温下降、腹泻发生率及肥大细胞活化标志物（MMCP-1），保护率达100%（图1c-k）。
- 对比游离菊粉混合物，凝胶组延长了过敏原在回肠的滞留时间（图2g-h），并增强树突状细胞（DCs）对抗原的摄取（图2j-k）。

1. 免疫调控机制

   • 菊粉凝胶诱导Th1型反应（IFNγ↑）和Treg细胞（Foxp3+IL-10+）扩增，同时抑制Th2细胞（GATA3+）和炎症性肥大细胞（图3a-m）。
     
   • 抗生素处理或阻断IL-10/IFNγ会逆转保护效应，证实微生物-免疫轴的依赖性（图5a-b）。
     

2. 微生物与代谢物重塑

   • 回肠（而非粪便）微生物组中，菊粉凝胶恢复Eggerthellaceae和Enterorhabdus的丰度（图5j），其水平与血清OVA特异性IgE负相关（图5k-l）。
     
   • 机器学习（HALLA算法）揭示鸟苷与Eggerthellaceae的强关联性（Extended Data Fig. 7f-g），体外实验证实鸟苷可促进Treg/Th1分化（Extended Data Fig. 7c-e）。
     

3. 广谱适用性

   • 菊粉凝胶在牛奶过敏（casein）和花生过敏（PE）模型中均显示保护作用（图6a-j），且低剂量方案可维持13周的无反应状态（Extended Data Fig. 5）。
     

结论与价值
本研究开发了一种安全、可规模化生产的菊粉凝胶OIT平台，其核心创新点在于：
1. 靶向回肠微生物组：首次揭示回肠（而非结肠）菌群和代谢物（如鸟苷）在食物过敏中的关键作用；
2. 多效免疫调节：通过增强抗原提呈、抑制Th2反应和诱导Treg细胞，实现长效脱敏；
3. 临床转化潜力：菊粉为FDA公认安全（GRAS）成分，且凝胶制备工艺简单，易于临床推广。

研究亮点
- 方法学创新：结合scRNA-seq、微生物-代谢组学关联分析（HALLA算法）和机械流变学测试，多维度解析治疗机制。
- 转化意义：为解决OIT长期疗效不足和不良反应提供了新策略，并为其他过敏性疾病（如哮喘）的微生态干预提供参考。

其他价值
研究还发现高剂量菊粉饮食（26%）可能诱发2型炎症，而低剂量菊粉凝胶（55 mg/天）无此风险（Extended Data Fig. 10），强调了剂量优化的重要性。