2021年7月，来自美国国立卫生研究院的Daniel C. Douek团队在CELL上在线发表了题为“Translocated microbiome composition determines immunological outcome in treated HIV infection”的研究论文，作者通过系统生物学策略揭示了cART治疗期间，HIV患者血液中细菌组分与细胞因子及免疫细胞亚群的动态变化，以及彼此间互作关系。本次研究从菌群移位角度阐明了HIV患者治疗中免疫重建机制，为HIV治疗改善带来新思路。
【研究材料】
筛选队列：11名HIV患者cART治疗不同时间点血浆、分化的免疫细胞
验证队列：98名受试者血浆样本（3个独立队列）
【技术方法】
血浆微生物核酸测序、转录组学、代谢组学、免疫因子检测
实验路线图
步骤1：表型检测：检测cART治疗不同时间点患者血浆免疫细胞及细胞因子变化情况
步骤2：移位菌群测定：血浆微生物核酸序列分析揭示不同时间点移位菌群变化规律
步骤3：相关性分析：寻找移位菌群（门和属水平）与血浆细胞因子及免疫细胞间的关系
步骤4：机制探究：移位菌群如何介导免疫细胞特异性炎症反应应答
步骤5：独立队列验证：3个独立队列验证移位菌群与细胞因子及CD4 T细胞重建间的关系
研究结果
1. 监测HIV感染者cART治疗不同时间点血浆细胞因子/趋化因子动态变化
作者首先检测了HIV感染者治疗前多种血浆细胞因子和趋化因子（后统称细胞因子）水平，发现其均表现出明显的炎症失调模式。接着，作者动态监测cART治疗不同时间的细胞因子水平，发现其呈现高度动态模式。在治疗的24个月中，不同细胞因子在不同时间点出现明显的增减。PCA分析表明治疗后细胞因子在特定时间点存在明显差异，其特征是两组不同的细胞因子群。此外，作者还发现临床转归的关键指标CD4 T细胞重建（CD4/CD8细胞比率反映）与细胞因子表达特征相关。
图1 血浆细胞因子表达、彼此相关性及与CD4 T细胞重建间相关性分析
2. 变形杆菌为主的循环微生物多样性变化与cART治疗中炎症增加相关（门水平）
作者对cART治疗启动后0、3、4、9、12、24个月的血浆中游离的DNA和RNA片段进行鸟枪法深度测序，以便筛选出可能被免疫细胞识别的宿主微生物组分。结果显示，与细胞因子谱相似，菌群α多样性和β多样性在特定时间点出现变化，且很大程度上源于变形菌门、放线菌门、拟杆菌门和厚壁菌门相对丰度的变化。其中，变性杆菌的相对丰度在0、3、9和12个月时较高，4和24个月时显著降低，与cART治疗中炎症增加相关。
图2 血浆微生物多样性动态变化分析
3. 沙雷氏菌属驱动先天性和Th17细胞因子反应，对抗其他属驱动Th1/Th2反应的影响（属水平）
为进一步确定cART 治疗启动后导致全身炎症波动的细菌，作者对变性杆菌、放线杆菌、拟杆菌和厚壁菌进行重点分析（属水平）。结果显示，变性菌门内肠杆菌科的沙雷氏菌属在各个时间点丰度最高，其次是变形杆菌门假单胞菌科的假单胞菌。其中，不同时间点沙雷氏菌丰度增加以及其与其他菌属的高比率与血浆中多数促炎和Th17细胞因子的增加及Th1/Th2细胞因子减少相关（假单胞菌及其他菌属相反）。此外，作者利用不同菌属碎片体外刺激健康供体外周血单核细胞并检测其细胞因子变化，发现沙雷氏菌刺激后细胞因子变化与上述结果一致。
图3 优势种沙雷氏杆菌的相对丰度与较高的炎症程度相关
4. 转录组学与代谢组学联合分析发现沙雷氏菌丰度与免疫细胞内糖酵解和线粒体功能改变相关
为探究血浆微生物是否介导免疫细胞分化程序、从而引起细胞因子变化，作者对不同时间点受试者血浆分选的单核细胞、髓系细胞、树突状细胞和T细胞进行转录组学分析。结果显示，Th17、Th1、Th2和单核细胞特异性炎症应答的转录程序与血浆微生物丰度变化相关；T细胞稳态增加和促炎反应下降共同作用，促使cART治疗24个月CD4/CD8 T细胞比率升高。进一步分析显示，cART启动3-12个月，单核细胞内糖酵解和缺氧相关基因上调，线粒体功能相关途径发生下调（与沙雷氏菌高利率相关）；24个月时糖酵解和低氧相关基因表达减少、线粒体功能相关基因表达升高（与沙雷氏菌低比率相关）。为证实上述发现，作者对cART治疗受试者血浆进行代谢组学检测，并结合转录组和血清学进行综合分析，发现较高的沙雷氏菌比率与高浓度的血浆乳酸和丙酮酸相关，而后者又与糖酵解和缺氧相关基因通路的上调相关。
图4 沙雷氏菌丰度变化与炎症激活的相关性分析
5. 多组学网络描绘cART治疗中的变化特征
为确定cART治疗启动后CD4 T细胞重建的关键驱动因素，作者构建了一个多组学网络，发现血浆细胞因子、代谢物、基因表达谱和血浆微生物之间存在显著正相关。模型分析显示，在cART治疗的第一年，较高的沙雷氏菌比率与较高的血浆促炎因子（17种）水平相关，与同时期CD4/CD8 T细胞比率增加直接相关；而在第二年，减少的沙门氏菌比率有助于更大的CD4 T细胞重建。以上数据共同表明沙门氏菌比率减少、T细胞稳态回复和Th17反应的变化共同促进了第二年cART治疗期间更高的CD4/CD8 T细胞比率。
图5 cART治疗期间血浆多组学网络特征（相关性弦图）
6. 独立队列中CD4/CD8 T细胞比率与炎症和细菌多样性相关
为验证该研究的主要发现，作者评估了另外三个独立队列共98名参与者的CD4 T下拨计数、CD4/CD8 T细胞比率、血浆微生物组成和血浆细胞因子水平：
虽然血浆细胞因子和移位的菌群之间的确切关系在各个队列中不同，但是以上结果足以证实最初乌干达纵向队列的发现，即特定的微生物移位（菌群多样性和组成）可影响全身炎症，进而影响cART治疗后HIV感染者CD4 T细胞重建。
图6 独立队列验证CD4/CD8比率与移位微生物种类和血浆细胞因子间相关性
本研究利用系统生物学策略，揭示了HIV感染者在cART 治疗期间，血浆移位的菌群及产物与宿主间互作，进而影响免疫细胞水平及细胞因子分泌，最终决定了T细胞重建和全身性炎症状态，最终影响HIV治疗的远期预后。该研究为HIV治疗提供了新的思路，有助于改进现有治疗策略，从而降低HIV感染者发病率和非AIDS死亡率。