遗传性视网膜变性(IRD)是一组异质性疾病的总称，包括单纯的视网膜变性和具有视网膜变性表型的累及全身多器官的综合征。由包括核基因和线粒体基因在内的至少350个致病基因引起的一组具有高度临床异质性和遗传异质性的视网膜变性性疾病。临床上IRD亚型超过50种，包括单纯的视网膜变性和综合征，多为单基因遗传。
针对以上科学问题，2024年3月14日，为了阐明CRB1相关性视网膜变性的发病机制以及探索新的治疗方法，广州医科大学魏来教授、中山大学张峰/魏泓教授团队通过研究CRB1基因突变对视网膜和肠道屏障功能的影响以及探讨肠道菌群在视网膜变性中的作用，为CRB1相关性视网膜变性的治疗提供新的思路和方法。相关研究成果以“CRB1-associated retinal degeneration is dependent on bacterial translocation from the gut”为题，发表在国际顶级学术期刊《Cell》（IF=64.5）杂志上。
本研究发现CRB1基因突变导致的视网膜色素变性样损伤依赖于肠道微生物入侵，肠道中的细菌可通过被破坏的肠道屏障和眼部血视网膜屏障移行至视网膜，从而诱发视网膜炎症和色素变性样损伤。通过广谱抗生素全身治疗或在下消化道重新引入功能性Crb1表达，成功地预防了眼部疾病的发生和进展。这一工作颠覆了传统上认为人类眼内无菌的认知，将对遗传性视网膜变性疾病的治疗产生巨大的影响。
方案设计
1. 视网膜表型构建和观察分析，转录组测序/ IPA分析发现显著富集基因和通路
图1 Rd8-SPF小鼠的视网膜异常以及相关基因表达谱
2. 宏转录组测序分析发现视网膜病灶内细菌，荧光原位杂交/染色分析鉴定细菌
图2 Rd8-SPF小鼠视网膜病变内细菌的发现、鉴定
3. CRB1表达缺失破坏视网膜外层RPE细胞连接的完整性，导致外血视网膜屏障缺陷促使细菌从脉络膜迁移到视网膜
研究发现CRB1 蛋白在 WT-SPF 小鼠外界膜处集中表达，而在 Rd8-SPF 视网膜中 CRB1 表达水平显著降低，并伴有外膜粘附连接断裂和外核层向外迁移。因此，团队对视网膜组织分离的 RPE 层进行了 CRB1 蛋白的进一步免疫染色。如图所示，CRB1 表达位于 WT-SPF 小鼠 RPE 细胞的顶端连接复合物，并形成一个完全环绕每个 RPE 细胞的带，而在 Rd8-SPF RPE 中其表达显著减少。在Rd8小鼠中，CRB1表达的缺失伴随着RPE细胞之间紧密连接的病变缺陷。
这些数据表明，Rd8的突变损害了视网膜外层RPE细胞之间紧密连接的完整性。Rd8 SPF小鼠中功能受损的外BRB导致病变区域的脉络膜血管和视网膜外层之间的大分子交换，
图3 Rd8-SPF小鼠视网膜RPE层和Bruch膜粘附连接结构的破坏
4. CRB1表达缺失破坏肠道上皮-粘附体连接完整性，导致肠上皮屏障缺陷
图4 Rd8-SPF小鼠表现出结肠上皮屏障结构缺陷和/或促炎因子表达增加
5. 肠上皮屏障缺陷致使肠道通透性增加，从而导致微生物群转移血液循环系统和视网膜
团队的下一个问题是，这些上皮屏障缺陷是否会导致肠道通透性增加，从而导致微生物群转移到Rd8小鼠的外周血液和视网膜组织中。为了解决这一问题，团队使用荧光标记的葡聚糖或细菌进行了肠道通透性测定。与WT小鼠相比，在给予异硫氰酸荧光素（FITC）-葡聚糖（MW 70 kDa）后5小时，在Rd8小鼠的外周血中检测到荧光强度显著增加。在用RFP+大肠杆菌（E.coli）灌胃6小时后，Rd8小鼠也比WT小鼠具有更多的循环红色荧光蛋白（RFP）+细菌/细胞。重要的是，通过胃内给药移植的万古霉素抗体+细菌可以在Rd8小鼠的视网膜病变中检测到，但不能在WT视网膜中检测到。然后，团队评估了Rd8小鼠对右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎的反应。在DSS诱导下，与WT小鼠相比，Rd8小鼠的血液中循环细菌明显更多，结肠长度更短（图5I），体重减轻更多（图5J），存活率更低（图5K），这表明Rd8鼠更容易患慢性结肠炎。
图5 Rd8-SPF小鼠肠上皮屏障缺陷和功能破坏以及肠道通透性增加
6. 细菌感染是视网膜变性的原因，抗生素治疗改善视网膜变性
尽管团队发现视网膜病变内细菌是由外BRB和肠上皮屏障的破坏引起的，但尚不清楚这些细菌是Rd8小鼠视网膜变性的原因还是结果。为了解决视网膜内微生物是否以及在多大程度上导致Rd8相关的视网膜变性，团队在无菌（germ-free，GF）条件下重新衍生了Rd8小鼠，在Rd8-GF小鼠中观察到视网膜外核层中的小胶质细胞浸润显著减少，在这些小鼠中不存在视网膜病变，这表明系统清除微生物可以防止Rd8小鼠的视网膜变性发展。此外，当Rd8-GF小鼠出生后在SPF环境中饲养时（命名为Rd8 GF-SPF小鼠），退化性视网膜表型得到恢复。
图6 Rd8-GF、Rd8-GF-SPF和抗生素治疗的Rd8-SPF小鼠的视网膜表型
7. 腺相关病毒载体系统构建Crb1功能表达，恢复结肠上皮屏障完整性显著改善视网膜表型
团队假设在肠道中补充功能性 Crb1 可能挽救 Rd8 小鼠的眼部表型。使用腺相关病毒 (AAV) 2 病毒载体系统，团队在 Rd8 小鼠的肠上皮细胞顶端表面诱导正常 Crb1 蛋白表达，但在肝脏、脾脏或视网膜等其他组织中没有表达。在这些 Rd8-AAV-Crb1 小鼠中，肠上皮细胞中 CRB1 的表达恢复了结肠上皮屏障中粘附连接的完整性，而 Rd8 相关的结肠微绒毛变化保持不变。尽管外视网膜屏障的结构缺陷没有恢复，但胃肠道通透性、外周血细菌移位和视网膜病变数量均显著降低。
研究意义与展望
【Schizophrenia Bulletin】南京医科大学张向荣团队成果，抗精神病药物所致便秘患者血清代谢谱变化及其与肠道微生物群的关系
【Brain Behav Immun】东南大学张志珺/任庆国团队成果，长期熬夜和睡眠障碍导致认知障碍的“肠-脑轴”机制
【Nat Commun】中国药科大学&南方医科大学发现慢性压力通过Blautia乙酸免疫轴促进乳腺癌进展，补充乙酸盐增强免疫应答
【Nat Commun】陆军军医大学唐波团队多组学分析发现，脆弱拟杆菌抑制 FXR 信号导致肝内胆汁排泄中断造成妊娠胆汁淤积症
【EBioMedicine】柳叶刀子刊首次报道广西医科大学张哲教授团队成果，口腔真菌微生物组与鼻咽癌之间的关联研究结果
【Sci Adv】重型抑郁症肠道菌群联合代谢图谱揭示抑郁症发病机制与进展
【Cell】西湖大学蔡尚团队首次揭示肿瘤胞内菌在癌症转移过程中的作用
【Nature Medicine】聚焦肠道微生物和癌症的关系以及个性化干预方案！
【Annals of neurology】多组学技术联合分析揭示帕金森病肠道生态环境和发病机理
【Nature Genetics】三篇文章共聚焦：人类宿主的遗传变异如何影响肠道微生物组！
Driving innovation for better life
