2025年1月，首都儿科研究所的袁静教授团队在Cell Reports Medicine（IF=14.3）上发表了题为"High-alcohol-producing Klebsiella pneumoniae aggravates lung injury by affecting neutrophils and the airway epithelium"的研究文章。该研究揭示了高酒精代谢肺炎克雷伯菌（HiAlc Kpn）通过影响中性粒细胞和气道上皮细胞，导致中性粒细胞凋亡并诱导肺纤维化和活性氧（ROS）的产生，加重肺损伤的机制。

APExBIO荣幸地为该项研究提供了非靶代谢组学检测服务，帮助揭示了HiAlc Kpn感染后肺组织中的代谢物变化。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101886

图1

1.研究背景

肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae, Kpn）是一种常见的病原体，主要定植于上呼吸道和肠道。过量酒精摄入会减少多形核中性粒细胞的生成和细菌清除，并影响肺泡巨噬细胞的功能，进而导致肺损伤和宿主抗炎能力的降低。

近年来，研究发现某些Kpn菌株能够通过2,3-丁二醇发酵途径产生高浓度的内源性酒精，进而引发内源性酒精性脂肪肝等疾病。本文希望发现内源性酒精产生与HiAlc Kpn引起的肺损伤之间是否存在联系，并深入研究HiAlc Kpn在酒精代谢影响肺损伤、肺炎发病机制中的具体作用。

2.研究思路

本研究首先从临床肺炎患者的呼吸道样本中分离出多个Kpn菌株，检测其酒精产生能力并以此能力分类，同时区分其不同的基因型及耐药性（图2）。

图2

随后，通过建立持续感染肺炎克雷伯菌的小鼠模型，研究HiAlc Kpn在肺损伤中的作用机制，重点关注其对中性粒细胞和气道上皮细胞的影响。研究团队通过基因组、单细胞转录组、非靶代谢组、蛋白芯片、ELISA、WB、免疫组化、TUNEL测定、及多种菌株酒精/酶活/中性粒细胞/Seahorse检测等方法，揭示了HiAlc Kpn通过酒精代谢影响中性粒细胞的吞噬功能，并导致肺氧化损伤的分子机制。

3.研究结果

3.1 HiAlc Kpn在临床肺炎患者中的普遍性及酒精生产能力

研究团队从肺炎患者的痰液和支气管肺泡灌洗液（BALF）中分离出68株Kpn菌株，发现其中91.2%的菌株能够产生过量的乙醇。根据酒精生产能力，这些菌株被分为高酒精生产型（HiAlc Kpn）、中酒精生产型（MedAlc Kpn）和低酒精生产型（LowAlc Kpn）。进一步分析发现，HiAlc Kpn菌株的毒力显著高于LowAlc Kpn菌株，且HiAlc Kpn感染患者的血液中性粒细胞数量显著降低（图3）。

图3

3.2 HiAlc Kpn在小鼠肺损伤模型中的酒精产生情况

为了验证HiAlc Kpn在体内的酒精代谢能力，研究团队利用CRISPR-Cas9系统敲除了HiAlc Kpn菌株中的酒精脱氢酶基因（adh），发现敲除后的菌株酒精生产能力显著降低（图4，A-C）。

随后，通过建立小鼠急性肺损伤（HDAI）和慢性肺纤维化（LDPI）模型，根据模型间滴注HiAlc Kpn的代谢物成分对比，结合上调的核心物质磷酸酶D（一种催化乙醇转化为PE的蛋白），研究团队发现HiAlc Kpn菌株能够在肺组织中产生乙醇，并通过非氧化代谢途径生成磷脂酰乙醇胺（PE），进一步证实了HiAlc Kpn在肺组织中的酒精代谢能力（图4，D-J）。

图4

3.3 HiAlc Kpn通过驱动中性粒细胞G0和G1亚型在急性肺损伤中的作用

通过急性肺损伤模型及噬菌体处理组的对比，研究发现HiAlc Kpn通过调节中性粒细胞亚型的募集和功能，显著影响了肺部的免疫反应和病理变化。

HiAlc Kpn感染后，肺部的中性粒细胞被分为两个主要亚型：G0和G1。G0亚型主要表达与颗粒相关的基因（如IHTn、Saa3、Prdx1、Cd63和Corl2），并表现出较高的颗粒特异性基因表达水平。这些细胞在感染早期被大量募集到肺部，参与对病原体的早期免疫反应；G1亚型则表现出与炎症反应和吞噬功能相关的基因表达（如Iftm6、Lrg1、Ngp、Iftm1和Retnlg），并在感染后期发挥重要作用（图5）。

图5

通过单细胞RNA测序和发育轨迹分析，发现G0亚型在感染早期占主导地位，而G1亚型则在感染后期逐渐增多。表明乙醇的产生可能抑制了G1亚型的吞噬功能（图6，A-C）。此外，HiAlc Kpn通过抑制嘧啶代谢相关基因（如Aicda、Cidador 1和Upp1）的表达，使得G1亚型的中性粒细胞凋亡，削弱了宿主的免疫清除能力（图6，I-J）。

图6

研究结果表明，HiAlc Kpn通过调节中性粒细胞亚型的募集和功能，影响了肺部的免疫反应，并加剧了肺损伤。乙醇的产生不仅抑制了中性粒细胞的吞噬功能，还通过诱导细胞凋亡和氧化应激，进一步加重了肺部的病理损伤（图6J、6K）。

3.4 HiAlc Kpn诱导的肺纤维化和氧化损伤

在慢性肺损伤模型中，HiAlc Kpn感染导致小鼠肺组织中出现明显的纤维化病变，并伴有氧化损伤，主要表现为中性粒细胞、巨噬细胞和成纤维细胞的浸润、肺重量、羟脯氨酸浓度、BALF细胞数、纤维化因子IL-1α和IL-1β的升高（图7，A-E）。

通过转录组分析，研究团队发现HiAlc Kpn感染后，肺组织中的氧化应激相关代谢通路显著富集。同时，HiAlc Kpn感染还导致肺组织中过氧化氢（H2O2）浓度升高，而过氧化物酶/过氧化氢酶活性降低，由此确认了HiAlc Kpn与肺组织损伤的关联：HiAlc Kpn通过产生内源性乙醇和活性氧（ROS）导致氧化损伤，抑制抗氧化基因如Gpx4和Nrf2的表达（图7I, 6J）。

图7

总结

本研究揭示了高酒精代谢肺炎克雷伯菌（HiAlc Kpn）通过其酒精代谢能力，影响中性粒细胞和气道上皮细胞，进而加重肺损伤的分子机制。研究团队通过多组学及各类详细的分子生物学及病理研究，发现HiAlc Kpn的酒精产生能力与呼吸道疾病的严重程度密切相关：其通过抑制嘧啶代谢导致中性粒细胞凋亡，并通过氧化代谢产生ROS，导致肺氧化损伤。这些发现为HiAlc Kpn相关肺炎的治疗提供了新的思路和潜在靶点。

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