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

点击翻译按钮获取中文摘要

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.