撰文：huacishu
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本文作者解析了结肠来源的免疫细胞对稳态循环的贡献的全局图，以及肠道或目的器官中的炎症或肿瘤如何改变这一图谱。这项工作表明，从肠道迁移的免疫细胞类型携带着对其起源的表型记忆，并代表其目的器官中的特定亚群，对不同的炎症部位或肿瘤具有细胞特异性偏好，这可能为肠道微生物群扰动的影响提供解释。
哈佛大学医学院Christophe Benoist教授课题组在国际知名期刊Sci Immunol在线发表题为“A dynamic atlas of immunocyte migration from
the gut”的论文。
肠道微生物群中的生物失调可能通过驱动紊乱的肠道免疫细胞迁移到肠外组织影响几种系统性疾病。结合Kaede（一种光激活荧光蛋白质）光转换小鼠和单细胞基因组学，作者在几种肠道和肠外炎症模型中生成了结肠迁移轨迹的详细地图。所有谱系均以S1P依赖的方式从结肠迁移。B淋巴细胞代表了最大的迁移队伍，其携带了肠道印迹的转录组特征。T细胞迁移包括不同组的RORγ 和IEL样CD160 亚群。除了树突细胞扩散到淋巴结外，肠道炎症减少了迁移。结肠迁移细胞差异分布在肠外炎症模型的不同部位（银屑病样皮肤、关节炎滑膜和肿瘤）。因此，源自肠道并受微生物群影响的特定细胞轨迹可能以多种方式塑造外周免疫。
1、肠道免疫细胞具有较高的迁移率和周转率
为了更好地了解肠道免疫细胞的周转，作者跟踪了光脉冲后不同时间下结肠中残留的光转换细胞的比例（图1A-C）。尽管存在小鼠间的变异，所有谱系都进行了类似的光转换。这种转变反映了结肠免疫细胞的输出，但也可能包括细胞死亡和增殖。标记的单核吞噬细胞（MNPs）和T细胞最快的下降发生在前12至24小时，随后是较慢的衰变阶段，3天后仍有20%至40%的光转换群体存在（图1A-B）。相比之下，B细胞数量下降得更快，符合单相指数衰减，3天后只剩下很少的红色标记细胞。尽管程度较慢，结肠上皮内淋巴细胞（IEL）也显示出周转，CD8aa IEL群体特别稳定（图1C）。
图1. 结肠免疫细胞在稳定状态下的周转
接下来，作者询探讨了这种快速周转背后的机制。T细胞从结肠的迁移依赖于鞘氨醇-1-磷酸（S1P）。在下行结肠光转化之前，用S1P受体（S1PR）拮抗剂FTY720预处理Kaede小鼠，完全抑制了24小时后测量的免疫细胞更新。这种抑制不仅对T细胞，对CD11c 树突状细胞（DC）和B细胞亦是如此（图1D）。因此，标记的细胞的更新是由迁移引起的（与细胞死亡或分裂相反），而S1P是这一现象的主要机制控制器。
鉴于这种从结肠的广泛的周转，接下来研究了向局部引流淋巴结（LNs）的迁移（图1E）。肠系膜淋巴（mLN）和尾部淋巴（caLNs）是肠道组织直接淋巴引流的部位，也是DC通过从肠道运送微生物和食物抗原给T细胞的主要部位。肠道的引流是分区域的，远端结肠主要引流到caLN和少数mLN（图1E）。当在Kaede小鼠的结肠光转化后1天研究mLN链中的单个LNs时，发现最近结肠来源的MNPs，CD11b CD11c DCs，优先积聚在caLN中（图1F）。caLN中标记的免疫细胞（DC和淋巴细胞）的百分比高于脾脏或皮下LN，这与淋巴引流的经典模型一致，并表明mLN是免疫细胞从结肠迁移的管道。
2、迁移免疫细胞在稳定状态下将结肠与全系统连接起来
作者检查了淋巴组织和非淋巴组织，寻找这种迁移的目的地。在结肠中光转换24小时后，在几乎所有检查的组织中都检测到标记的红色CD45 细胞，其出现频率远低于结肠中的频率。因为结肠来源的细胞被局部组织驻留细胞稀释（图2A-B）。对小鼠进行灌注以从所分析的组织中排除大多数循环细胞，光转化后24小时存在于脾脏和淋巴结中的结肠衍生免疫细胞不位于脉管系统内。
值得注意的是，胸腺和皮肤这两个部位没有检测到迁移细胞（图2A）。皮肤中没有标记的CD45 细胞，这支持了肠道和皮肤免疫系统在正常条件下被分开的概念，尽管两者都是携带微生物的屏障组织。在胸腺通过迁移性DC与肠道相连的情况下，任何结肠来源的群体都可能被大量胸腺细胞稀释，因此可能存在标记的细胞，但低于检测水平。相比之下，结肠来源的免疫细胞向小肠、肺、肝和肾的迁移与向淋巴器官的迁移相当。
图2. 结肠的免疫细胞迁移到淋巴组织和非淋巴组织中
流式细胞术显示在脾脏和骨髓中，B细胞是最主要的迁移群体。这种过度表达在LN中不太明显，因为结肠来源的T细胞更普遍。作为整个谱系的一部分，迁移的细胞占总种群的0.2%至0.8%，这表明结肠来源的细胞对淋巴器官中的每个谱系都有贡献（图2C）。
在非免疫器官中，B细胞再次成为CD45 迁移的主要群体，与淋巴器官中一样（图2D）。T细胞也存在，结肠来源的Treg对局部生态位的数量贡献大于脾脏。MNP通常迁移到非免疫组织的数量比迁移到淋巴结和脾脏的数量更多，而淋巴细胞的迁移数量则相反（图2E）。在淋巴细胞中，γδT细胞和Tregs在迁移偏好上更接近MNPs。因此，免疫细胞从结肠广泛迁移到淋巴组织和非淋巴组织。
3、结肠来源的B细胞在脾脏中产生不同的转录组
为了以广泛而公正的方式比较结肠来源与局部群体，作者在结肠光转换后的不同时间点对Kaede小鼠的总CD45 脾细胞进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）（图3A）。在统一流形逼近与投影（UMAP）上的降维和投影揭示了脾脏中预期的所有免疫谱系（图3B），其可通过原型标记基因进行鉴定，并在常住和迁移群体中均有代表性（图3B）。
图3. 结肠源性B细胞的转录组
与流式细胞术数据一致，B细胞构成了迁移群体的很大一部分。为了更精细地考察这些迁移细胞的表型，作者将它们单独隔离，从而解析了七种不同的B细胞类型（图3C）。这些亚群包括独特的边缘区（MZ）B细胞，成熟的IgMhi B细胞，具有高表达干扰素（IFN）特征基因（ISG）的小B细胞群，以及大量幼稚的卵泡B细胞。新到达的结肠来源的B细胞在IgMhi成熟组中明显缺失，并且与主要MZ亚群不同（图3D）。
为了鉴定肠道印迹的基因表达程序，在迁移（红色）和局部（绿色）脾脏B细胞之间进行了差异表达基因（DEG）分析。在四个最具代表性的聚类中的每一个聚类中确定了DEG，在每个聚类中选择迁移和驻留B细胞之间表达显著不同的基因。由此产生的355个DEG组区分了结肠来源的B细胞（图3E）。一些在所有时间点都保持差异（模块1）（图3E），包括编码主要肠道归巢整合素、整合素β-7（ITGB7）的基因，以及编码乳糜微粒载脂蛋白ApoE或溶血磷脂酰丝氨酸受体Gpr174的转录物（图3F）。因此，存在具有肠道印迹特征的肠道来源的B细胞的循环群体，其在离开结肠3天后仍然是可区分的。
4、肠道外存在多种结肠来源的T细胞
当我们关注迁移性T细胞时，结果是不同的。重新聚类解决了CD4 和CD8 T细胞的预期群体（幼稚和效应细胞）以及更独特的亚群（如FoxP3 Treg、ISG-T等）（图4A）。尽管许多结肠来源的细胞对应于幼稚的CD4 和CD8 T细胞组，但Kaede-green和Kaede-red T细胞的比较揭示了几种激活/记忆群体，这些群体区分了脾脏固有细胞和结肠来源的细胞（图4A-C）。
图4. 脾脏中发现了不同的结肠来源的迁移性T细胞群
另一个由最近结肠起源的细胞主导的群体（图4A中的“Cd160 T”）是表达Cd160的簇，也包括αβ和γδT细胞。这些细胞表达Cd8a多于Cd8b1，这让人想起肠道中的CD8αIEL。这种关系的可能性通过几种其他IEL典型标记的表达而得到加强，如Fcer1g、Il2rb和几个Klr家族成员（图4D）。更广泛的IEL基因标记的表达也在该群体中富集。通过流式细胞术证实，脾脏中存在不同的CD160 T细胞群，以及在Kaede-red细胞中富集的少量CD8αT细胞群。尽管主要的幼稚CD4 和CD8 亚群随着时间的推移而消退，但这种IEL样群体和其他富含结肠衍生细胞的群体在脾脏中保持稳定数天（图4E）。
在肠道T细胞的scRNA-seq数据集中，能识别出那些在脾脏中产生迁移群体的细胞吗？作者生成了盲肠LP T细胞的scRNA-seq数据集（图4F），并使用转移学习算法将脾脏数据中的Kaede-red移植物细胞投影到这些坐标上。有把握被分配的细胞被映射到特定的T细胞亚群（图4F）。除了预期的幼稚CD4 和CD8 群体以及ISG-T细胞外，大多数细胞被映射成两个簇：效应CD4 T细胞（“T4eff”）和IEL样效应群（“IEL样”）（图4D）。
5、先天淋巴细胞也从结肠迁移
先天淋巴细胞（ILCs）通常被认为主要存在于组织中。以前曾报道过一些ILCs通过淋巴管迁移出肠道的例子。为了更仔细地检查这些结肠起源细胞的身份，作者将它们单独隔离。该方法揭示了CD27表达的两个主要的组（图5A）。两个簇都表达Klrb1c（NK1.1）、Ncr1（NKp46）和Tbx21（T-bet），这是NK细胞和1型ILC（ILC1）亚群的特征（图5B）。CD27lo簇表达更高水平的Gzmb和Klrg1，从而更接近NK细胞，而CD27hi簇具有较高的Ccr2和Ctla2a表达。结肠来源的细胞被定位到这两个簇（图5C）。
然而，没有检测到肠道2型（ILC2）和3型ILC（ILC3）群体的典型基因的表达（图5B）。流式细胞术分析证实了近期结肠来源细胞的存在，在NK1.1 NKp46 亚群中比例最高，包括ILC1和NK细胞，与scRNA-seq数据一致。因此，NK/ILC群确实从结肠迁移，尽管没有达到其他一些迁移群体的水平（图5D）。
图5. 脾脏中发现的迁移性ILC/NK群体
6、肠道扰动改变结肠来源群体的系统流量
在详细确定了生理状态下从结肠迁移的细胞的景观后，作者研究了肠道的扰动如何影响这种迁移。用广谱抗生素混合物治疗Kaede小鼠10天（图6A），在抗生素治疗的小鼠中，结肠中标记的免疫细胞向脾脏和淋巴结的迁移显著减少（图6B-C）。尽管这种减少仅在B和γδT细胞中具有统计学意义，但其他谱系也有趋势，因此表明从结肠迁移受到微生物群的影响。
图6. 肠道扰动显著改变系统迁移
然后，作者考察了肠道炎症期间迁移会发生什么变化。使用右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎模型，并在疾病的各个阶段从早期（DSS开始后48小时）到完全消退阶段（停止治疗后2周）对远端结肠进行光转换（图6D）。结肠中标记细胞的周转（在光转化后24小时评估）在炎症高峰期（第7天）大大加速，在恢复后（第20天）大多恢复到基线值（图6E）。这种较高的周转率并不是光转换效率或全身迁移增加的反映，因为从结肠迁移的细胞在脾脏中也减少了（图6F）。DSS给药停止后（第二十天），迁移恢复到基本正常水平。
出乎意料的是，DSS后CD11c MHC-II DC向腹股沟淋巴结（iLNs）的迁移显著增加，在第20天占皮下淋巴结总DC的1%（图6G）。在脾脏或结肠引流淋巴结中没有观察到这种偏向性迁移，其中移行DC的比例与对照小鼠相似（图6G-H）。
7、免疫细胞从结肠迁移到全身炎症部位
最后，使用三种疾病模型探讨了目的器官的炎症如何影响免疫细胞迁移模式（图7A）。炎症发作后或皮下肿瘤形成后，通过结肠镜检查对远端结肠中的细胞进行光标记，并评估其向炎症部位的迁移。通过剩余Kaede-red免疫细胞的百分比测量，结肠输出不受任何这些模型的影响（图7B），免疫细胞从结肠迁移到脾脏也不受影响。
图7. 免疫细胞从结肠迁移到远端病变部位
尽管肠外组织的炎症不会改变结肠外迁移的速率，但进入这些不同的炎症部位确实表现出不同的特征。最近从结肠迁移的总数目在所有三个受影响的组织中大致相等（图7C），但浸润每个组织的细胞的身份截然不同（图7D-G）。在关节液中，结肠来源的Kaede-red细胞主要由B细胞组成（图7D-E）。
相反，MC38肿瘤主要被来自结肠的髓系细胞浸润，CD11c−CD11b F480 巨噬细胞是结肠来源的主要群体。这种过度表达是值得注意的，因为巨噬细胞在其他地方不是主要的迁移群体，并且相对于同一小鼠的脾脏有偏差（图7F）。正如肠道群体的迁移可以通过减少细菌负荷来减少一样（图6B），肿瘤生长过程中的抗生素治疗也减少了结肠来源的免疫细胞进入肿瘤（图7H）。为了深入了解机制，在光转化时用针对CXCR3和CCL2的阻断抗体治疗了荷瘤小鼠，两者都被免疫群体用于浸润MC38肿瘤。这种阻断减少了结肠来源的T细胞群进入肿瘤，但对其在脾脏中的比例没有影响（图7I）。因此，一旦这些免疫细胞离开肠道，它们就会使用与其他循环群体相同的机制向远端组织输送，然后进入它们。
最后，尽管混合免疫细胞被招募到患有迟发型超敏反应的耳朵中，但相对于其他位置，CD4 T常规（Tconv）和γδT细胞的比例过高，几乎没有任何B细胞迁移到发炎的皮肤（图7D-G），表明炎症为结肠来源的免疫细胞创造了新的目的地，根据炎症病变具有不同的细胞类型特异性。
8、结论
本文作者使用了一种方法来获得结肠来源的免疫细胞对稳态循环的贡献的全局图，以及肠道或目的器官中的炎症或肿瘤如何改变这一图谱。这项工作表明，从肠道迁移的免疫细胞类型携带着对其起源的表型记忆，并代表其目的器官中的特定亚群，对不同的炎症部位或肿瘤具有细胞特异性偏好。
总之，可以将肠道视为免疫细胞的来源，这些免疫细胞从肠道向许多器官和组织迁移，以细胞和组织优先的方式运送抗原和传递效应器功能。这种传播受到来源地或目的地炎症的影响，这可能为肠道微生物群扰动的影响提供解释。
教授介绍
Christophe Benoist是哈佛医学院免疫学教授。他的实验室主要贡献是在免疫耐受和反应性领域，开创了基因组工程和系统免疫学方法来理解免疫特异性：MHC-II基因如何被调节，定义T细胞库，以及控制T细胞激活和自身免疫；Aire转录因子在胸腺中异位基因表达中的作用，以及导致Aire缺失的病理机制；FoxP3如何在Treg细胞中以转录调节网络为中心，以及后者如何调节一系列免疫和非免疫现象；微生物如何使免疫系统偏向于促进或保护自身免疫。该实验室创建了几个现在经典的免疫缺陷、糖尿病和关节炎转基因或敲除小鼠模型。Benoist博士是哈佛医学院免疫学委员会、布罗德研究所和Dana Farber/哈佛癌症中心的活跃成员。他还是法国科学院院士，并当选为美国国家科学院院士。
参考文献
Galván-Peña S, Zhu Y, Hanna BS, Mathis D, Benoist C. A dynamic atlas of
immunocyte migration from the gut. Sci Immunol. 2024;9(91):eadi0672.
doi:10.1126/sciimmunol.adi0672
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