Microbiota depletion ameliorates sickle cell induced vaso-occlusive crisis and organ damage

项目摘要： 作为美国最常见的遗传性血液疾病，有70，000 - 100，000名美国人患有 镰状细胞性贫血 镰状细胞病（SCD）是由β-珠蛋白基因突变引起的， 显著变形红细胞（RBC）膜，并促进RBC粘附到其他细胞， 血管闭塞危象（VOC）。 慢性镰状细胞性贫血伴有进行性全身性多发性骨髓瘤， 全身器官功能障碍，每年住院费用超过4.75亿美元。 本实验室 报道，镰状细胞增多症诱导的缺氧、氧化和炎症应激是由老化的中性粒细胞延续的 其与人源化SCD小鼠中的VOC正相关。我们最近的研究表明， SCD小鼠中的微生物群通过抗生素限制了老年中性粒细胞的扩张， VOC的严重程度，并减少器官损伤以及铁超载。此外，羟基脲，唯一的FDA- 一种批准用于SCD的药物，可促进抗镰状胎儿血红蛋白的表达， 在哺乳动物细胞以及细菌中的炎性、抗自由基和金属离子螯合活性。 在本申请中，我们提出了一个为期3年的实验计划，将促进我们对功能的理解， 微生物群在SCD疾病进展中的作用，并将测试微生物群的操纵是否会提供 潜在的新型SCD治疗。在具体目标1中，我们将确定可能 导致中性粒细胞老化和SCD器官损伤。16 S测序数据揭示了微生物群的差异 抗生素治疗和未治疗的SCD小鼠之间的差异，所选微生物群的功能将在 无菌SCD小鼠。在具体目标2中，我们将研究是否通过以下方式降低羟基脲的VOC和器官损伤： 在SCD小鼠中的微生物群操作，其中来自经羟基脲处理的SCD小鼠和对照SCD小鼠的粪便样品 将被移植到无菌的SCD，以评估是否羟基脲诱导的微生物群的变化 有助于其治疗活性。在具体目标3中，我们将研究是否限制铁（通过DFO或低铁饮食）或 益生菌引起的铁代谢变化可改善SCD小鼠的慢性器官损伤。铁相关 微生物群的变化将通过无菌SCD小鼠来验证。这些拟议的研究，侧重于战略， SCD中的微生物群操作，将使我们能够识别有助于SCD的关键微生物物种 病理生理学，并提供潜在的新的成本效益的方法来管理SCD的终身 并发症

Project Summary:       As  the  most  common  inherited  blood  disorder  in  the  United  State,  there  are  70,000-­100,000  Americans  with  sickle  cell  anemia.  Sickle  cell  disease  (SCD)  is  caused  by  a  mutation  in  the  β-­globin  gene,  which  leads  to  significant  deformation  red  blood  cell  (RBC)  membrane  and  promotes  RBC  adhesion  to  other  cells  to  induce  vaso-­occlusive  crises  (VOC).  Chronic  sickle  cell  anemia  is  accompanied  with  progressive  systemic  multi-­ systemic  organ  dysfunction  and  cost  over  $475  million  annually  in  hospital  admission.  Our  laboratory  has  reported  that  sickle  cell-­induced  hypoxic,  oxidant,  and  inflammatory  stress  is  perpetuated  by  aged  neutrophils  which positively correlates with VOC in humanized SCD mice. Our recent work has demonstrated that deletion  of the microbiota in SCD mice by antibiotics restricted aged neutrophil expansion which consequently decreased  VOC severity, and reduced organ damage as well as the iron overload. In addition, hydroxyurea, the only FDA-­ approved  drug  for  SCD  that  promotes  the  anti-­sickling  fetal  hemoglobin  expression,  also  possesses  anti-­ inflammatory, antiradical, and metal-­chelating activities both in mammalian cells as well as in bacteria.   In this application, we propose a 3-­year experimental plan that will advance our understanding in the function of  microbiota  in  SCD  disease  progression  and  will  test  whether  manipulation  of  the  microbiota  will  provide  a  potential novel SCD treatment. In Specific Aim 1, we will identify disease-­modifying microbiota species that may  contribute to neutrophil aging and SCD organ damage. 16S sequencing data has revealed microbiota differences  between antibiotic treatment and untreated SCD mice, and the function of selected microbiota will be verified in  germ-­free SCD mice. In Specific Aim 2, we will examine if hydroxyurea reduces VOC and organ damage through  microbiota manipulations in SCD mice in which fecal samples from hydroxyurea-­treated and control SCD mice  will  be  transplant  to  germ-­free  SCD  to  evaluate  whether  hydroxyurea-­induced  changes  in  the  microbiota  contribute to its therapeutic activity. In Specific Aim 3, we will study if iron restriction (by DFO or low-­iron diet) or  probiotics-­induced changes in iron metabolism can ameliorate chronic organ damage in SCD mice. Iron-­related  changes in microbiota will be verified by germ-­free SCD mice. These proposed studies, focused on strategies of  microbiota  manipulation  in  SCD,  will  allow  us  to  identify  the  key  microbial  species  that  contribute  to  SCD  pathophysiology,  and  provide  potential  novel  cost-­effective  approaches  for  management  of  SCD’s  life-­long  complications.