研究背景:流行病学显示,肺癌具有高患病率和高死亡率。放射治疗（Radiotherapy,RT）是癌症患者一线治疗手段,已被广泛应用于胸部肿瘤（肺、食管、乳腺）的临床治疗。虽然放疗是肺癌患者常规诊疗手段,但由于肺泡等对电离辐射具有较强反应,正常组织在放射治疗中多表现出以放射性肺炎和放射性肺纤维化为典型代表的副反应。放射性肺炎作为肺部肿瘤放射治疗后表现较早、常见且顽固的并发症,主要涉及氧化应激和炎症因子释放。放射性肺炎的发生使得放疗计划推迟,放疗剂量改变,造成放疗效果不佳。对于电离辐射所致肺部并发症,临床上尚未有成熟的诊疗方案。粪便菌群移植（Fecal Microbiota Transplantation,FMT）已在临床被用于治疗炎性肠病等肠微生态紊乱疾病。然而包括植管、肠镜、胶囊在内的各种形式的粪菌移植多均伴随不同程度的腹泻、腹痛等副反应。此外,粪菌移植的实施占用较多医疗资源,尚不适用于应对核应急等大规模突发事件。研究发现:肠道微生物群代谢产物（如乙酸、丁酸等）可以经循环系统进入远端器官发挥作用,研究领域涉及与肺、脑和肝等相互形成机制轴。“肠-肺”轴是新近被揭示的一种肠道微生态与非肠器官相互作用的机制,但是肠道微生物群代谢产物与放射性肺损伤的研究尚不多见。研究目的:放射性肺损伤的预防与救治是放射医学领域的难题之一,临床尚缺乏安全有效的治疗技术和药物。本课题拟从肠道微生态中筛选并鉴定具有放射性肺损伤修复作用的肠道菌群代谢产物并阐明其作用机制。研究方法:本研究利用γ射线对小鼠胸局部单次照射15 Gy,以构建急性放射性肺损伤模型。模型建立后应用粪菌移植（FMT）或前列腺素F2α（PGF2α）连续处理10天,并在第21天取肺组织进行检测相应指标。在体内实验中,通过马松染色（Masson）和天狼星红染色观察小鼠肺组织结构变化;采用呼吸代谢笼检测实验小鼠24小时内CO2排出量（VCO2）、O2消耗量（VO2）和呼吸商（RQ）;检测氧化产物丙二醛（MDA）表达水平;利用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）和酶联免疫吸附实验（ELISA）试剂盒对TGF-β、白介素-1、TNF-α和抗氧化酶（SOD）水平等进行检测分析;利用16S rRNA高通量测序和非靶标代谢组检测肠道菌群结构和代谢产物的组成。在体外实验中,使用人源肺细胞（BEAS-2B）和鼠源肺细胞（MLE-12）,利用克隆形成实验分析PGF2α处理对辐照细胞增殖能力的影响;采用Western Blotting、qRT-PCR、ELISA和免疫荧光等实验方法检测炎症因子、MAPK相关信号通路（ERK、p38和JNK）和凋亡蛋白（Caspase-6）的表达变化;对肺细胞进行Annexin V-FITC/PI染色并采用BD流式仪对细胞进行凋亡检测;利用siRNA片段沉默MAPK明确其在PGF2α修复肺细胞放射损伤中的作用。具体分组如下,体内实验:对照组（Con）、全肺照射组（TLI）、FMT组（TLI+FMT）和PGF2α组（TLI+PGF2α）;体外实验:对照组（Con）、照射组（IR）、PGF2α 组（IR+PGF2α）和 siMAPK 组（IR+PGF2α+siMAPK）。研究结果:小鼠胸局部15 Gy照射后进行粪菌移植（FMT）处理,肺部照射组（TLI）小鼠肺泡结构受损、胶原纤维增加,而FMT组小鼠肺泡结构较完整;FMT组小鼠呼吸商（RQ）恢复正常水平;FMT组小鼠肺部炎症因子（IL-6和TNF-α）表达水平降低以及氧化应激产物丙二醛（MDA）水平下降,和抗氧酶（SOD）水平升高。16S rRNA高通量测序显示,胸部局部照射后小鼠肠道菌群Observed species、Chao1、ACE和Shannon指数升高,说明肺部照射增加了小鼠肠道菌群的α-多样性;而FMT处理后上述指数均下降至正常组水平,证实FMT能够抑制胸部局部照射导致小鼠肠道菌群丰度的增加。加权Unifrac分析显示照射组和FMT组小鼠肺部照射增加肠道菌群β-多样性;在未加权Unifrac分析中,胸部局部辐射暴露导致β-多样性下降,而FMT处理抑制其下降。主成分分析（PCA）和加权/未加权的主坐标分析（PCoA）显示三组之间肠道菌群结构的差异。同时,我们使用非靶标代谢组检测（LC-MS/MS）分析肠道微生物代谢物组成的变化。火山图显示,胸部局部照射后小鼠肠道菌群代谢产物组成结构发生改变,FMT处理后肠道菌群代谢产物谱发生重构。在这些变化的代谢产物中我们发现肠道菌群衍生的前列腺素F2α（PGF2α）水平在胸部局部辐照后下降,而在FMT组中其水平回升。我们使用实验小鼠对PGF2α修复放射性肺损伤的功能进行进一步的验证。结果显示口服途径补充PGF2α后其水平在给药小鼠粪便、外周血和肺组织中均升高;口服PGF2α可防止电离辐射引起的肺泡结构损伤和胶原蛋白积累,改善胸部照射后小鼠呼吸功能（肺系数降低、RQ值升高）和肺组织中炎症因子的释放减少（IL-1、TGF-β1）。我们利用体外实验进一步探究PGF2α放射修复的机制,克隆形成实验检测显示PGF2α以剂量依赖方式促进辐射暴露BEAS-2B细胞的增殖,其中4μM的PGF2α作用效果较为合适,以此浓度用于下一步实验。流式细胞术显示电离辐射增加凋亡肺细胞的数量（从4.8%到11.4%）;PGF2α处理后凋亡肺细胞的数量减少（从11.4%到4.6%）,免疫印迹验证PGF2α下调凋亡蛋白Caspase-6的表达。与照射组相比,PGF2α处理组肺细胞中炎症因子（TGF-β1、IL-1和TNF-α）mRNA减少;而F-前列腺素受体（FP）表达增加。进一步利用qRT-PCR和Western Blotting检测下游信号通路发现,PGF2α处理组PI3K/Akt表达下降,而MAPK/ERK及其下游基因NF-κB的表达升高。细胞免疫荧光进一步显示PGF2α处理促进NF-κB在细胞核中积累。为了进一步验证MAPK/NF-κB信号通路在PGF2α介导的肺细胞辐射保护中的关键作用,我们分别在BEAS-2B和MLE-12细胞中转染siMAPK片段敲降MAPK。结果显示沉默MAPK后PGF2α处理不能够减少辐照后凋亡肺细胞数量,qRT-PCR、Western Blotting和免疫荧光检测发现沉默MAPK后肺细胞系中JNK、p38、ERK和NF-κB的水平下降,且NF-κB在细胞核的积累减少。结论:总的来说,我们的实验结果证实:粪菌移植能够改善放射性肺损伤;粪菌移植重塑胸部局部照射后肠道菌群的组成结构多样性和代谢产物谱;肠道微生物代谢产物PGF2α改善小鼠放射性肺损伤;PGF2α激活FP/MAPK/NF-κB信号通路,抑制辐射诱导的肺细胞凋亡;siRNA敲降MAPK削弱PGF2α对辐照肺细胞的保护作用。我们的研究证实了肠道微生态通过“肠-肺”轴修复放射性肺损伤的作用并揭示了其分子机制,为临床放射性肺损伤的康复提供了基于肠道微生态的新思路和新方法,为临床应用肠道菌群代谢产物PGF2α修复放射性肺损伤提供了必要的理论和实验基础。