抗生素挽救了无数人和动物的生命,但抗生素也有导致神经系统、胃肠道、造血系统等不适的副作用。抗生素无法区分真正的病原体,在杀灭致病菌的同时也会对有益菌造成不可逆转的破坏,因此会干扰人体原有的微生物群组成。
肠道菌群能够参与免疫系统的发育和调节、影响消化功能和组织致病菌感染。因此,调控微生物群是一种潜力巨大的改善疾病的治疗策略之一。益生菌能够改善肠道生态失调、加强肠道黏膜屏障、维护消化系统健康和调节免疫系统,从而缓解肠道疾病。
海南大学食品科学与工程学院的陈琳、李敖、张家超*等探究FMT和副干酪乳酪杆菌HNU502缓解抗生素副作用的效果,挖掘其潜在机制。
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小鼠结肠组织的病理组织学变化
小鼠结肠的苏木精-伊红染色结果如图2所示,Con组小鼠的结肠形态结构正常,肠腺数量丰富,隐窝结构清晰可见,黏膜各层结构完整。而相比Con组,Mod组小鼠结肠隐窝较深,结构较松散,上皮细胞间杯状细胞大量减少(图中蓝色箭头),黏膜层可见小灶性糜烂,少量淋巴细胞浸润(黑色箭头)。经过FMT和HNU502治疗后,小鼠结肠黏膜层结构完整,杯状细胞数量增多并大量分布,未见淋巴细胞浸润。综上,FMT和HNU502治疗可修复小鼠结肠黏膜结构。
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小鼠肠道黏膜屏障相关蛋白的变化
为了进一步评估小鼠结肠黏膜屏障功能,本实验分析了结肠ZO-1和MUC-2的表达情况。如图3所示,相比于Con组,Mod组小鼠结肠MUC-2表达量降低,而FMT组和Tre组小鼠结肠MUC-2表达量高于Mod组。同样,FMT组和Tre组小鼠肠道ZO-1表达量接近Con组,高于Mod组。进一步定量分析ZO-1和MUC-2的面密度,结果发现,FMT组和Tre组ZO-1和MUC-2的面密度显著高于Mod组。结果表明FMT和HNU502治疗可以上调小鼠结肠ZO-1和MUC-2的表达,增强肠道黏膜屏障功能。
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FMT和HNU502对小鼠免疫细胞因子和BUN的影响
为探究FMT和HNU502对小鼠机体免疫平衡的改善效果,定量测定分析了小鼠血清中促炎细胞因子(如IL-1β、IL-6、TNF-α)和抑炎细胞因子IL-10的水平。如图4所示,相比于Con组,Mod组小鼠血清中IL-1β、IL-6、TNF-α水平显著升高。而FMT组和Tre组IL-1β、IL-6、TNF-α水平较Mod组显著降低,总体与Con组没有显著差异。抑炎细胞因子IL-10水平在各组间均未出现显著差异。综上,FMT和HNU502治疗能够维护小鼠机体免疫平衡,改善头孢噻肟导致的免疫系统紊乱。
BUN是机体代谢产生的废物之一,正常由肾脏滤过后排出体外,若血清中BUN水平过高,表明肾脏负担过重,功能下降。对小鼠血清BUN水平定量分析发现,Mod组小鼠血清BUN水平显著高于Con组,平均达到24.08 pg/mg。FMT组和Tre组小鼠血清BUN较Mod组显著降低,FMT组降至18.61 pg/mg,Tre组降至19.36 pg/mg。综上,FMT和HNU502减轻了使用头孢噻肟后的肾脏负担。
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FMT和HNU502对小鼠肠道菌群的影响
肠道菌群多样性由α多样性和β多样性组成。由图5可知,Mod组小鼠Shannon指数显著低于Con组,而与Tre组没有显著差异。FMT处理后,小鼠的肠道菌群Shannon指数较Mod组显著升高。同时,主坐标分析(PCoA)结果显示,Mod组、Con组和Tre组样本点明显分离,FMT组与Con组样本点距离较近,表明FMT有助于恢复原本的肠道菌群结构,HNU502治疗更有助于重建使用头孢噻肟后肠道菌群的平衡。
如图6所示,相比Con组,Mod组小鼠肠道中鸟肠球菌(Enterococcus avium)丰度显著增加。FMT组和Tre组小鼠肠道中颤螺菌CU971(Oscillibacter sp.CU971)和肠杆菌P55(Enterorhabdus sp. P55)的丰度较Mod组显著升高。此外,相比于Mod组,FMT组小鼠肠道中Enterococcus avium丰度显著降低。而Tre组中Lacticaseibacillus paracasei和Adlercreutzia muris的丰度较Mod组显著增加。结果表明FMT和HNU502治疗能优化肠道菌群结构和组成,缓解使用头孢噻肟引起的紊乱。
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FMT和HNU502对小鼠肠道菌群代谢功能的影响
如图7所示,相比于Con组,Mod组小鼠肠道菌群代谢通路中L-组氨酸降解III、精氨酸和多胺生物合成超级途径、TCA循环II(植物和真菌)和嘧啶脱氧核苷酸从头生物合成III等下调。而上述代谢途径在FMT组和Tre组中相较Mod组显著上调,表明FMT和HNU502治疗能够在一定程度上缓解使用头孢噻肟导致的代谢紊乱。
对差异毒力因子(VFs)进行分析,结果表明Mod组比Con组富集了更多的VFs,包括tapM、HP_RS07005、pilM(VF0082)和iroE等(图8a)。与Mod组相比,FMT组中pxB(VF0044)、lpxB(VF0367)、kpsD和flgJ显著下调(图8b)。同时,Tre组内lpxB(VF0044)、kpsD和lpxB(VF0367)等丰度较Mod组显著下调(图8c)。这表明FMT和HNU502治疗能一定程度上减少使用头孢噻肟后肠道菌群VFs的富集。
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小鼠肠道短链脂肪酸含量变化
GC测定结果如图9所示,Mod组中丁酸、戊酸和异戊酸含量明显低于Con组,依次降低至4.70、0.30 μmol/g和1.98 μmol/g。经FMT治疗后,小鼠血清中的异丁酸、戊酸和异戊酸水平极显著高于Mod组,依次升高至1.31、0.8 μmol/g和3.72 μmol/g。Tre组中的丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸的水平相比Mod组显著升高,依次升高至1.73、8.83、1.42、0.82 μmol/g和3.25 μmol/g,与Con组没有显著差异。以上结果表明FMT和HNU502治疗能一定程度上缓解使用头孢噻肟造成的短链脂肪酸代谢紊乱。
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FMT和HNU502治疗缓解抗生素副作用的潜在机制
基于Spearman相关性系数构建相关性网络,挖掘FMT和HNU502治疗缓解抗生素副作用的机制。如图10所示,在FMT组中显著增加的Oscillibacter sp. CU971和Enterorhabdus sp. P55与丙酸、异丁酸、戊酸和异戊酸呈正相关,与除lpxC外的VFs呈负相关。而E. avium与异丁酸、戊酸和异戊酸呈负相关。丁酸、戊酸和异戊酸与促炎细胞因子IL-6、TNF-α和小鼠血清BUN呈负相关,而与ZO-1、MUC-2呈正相关。同时,在Tre组中HNU502与Oscillibacter sp. CU971和Enterorhabdus sp. P55呈正相关,而与Lachnospiraceae bacterium A2和Anaerotruncus sp.1XD42 93呈负相关。其中,Enterorhabdus sp. P55与所有的VFs呈负相关,与异丁酸呈正相关。Oscillibacter sp.CU971与除speB和lpxk外的VFs都呈负相关,与丙酸呈正相关。Anaerotruncus sp. 1XD42 93与除flgJ和speB外的VFs呈正相关,与丙酸和丁酸呈负相关。丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸与IL-6、TNF-α和BUN呈负相关,而与ZO-1和MUC-2呈正相关。
综上,如图11所示,FMT和HNU502治疗通过调节肠道菌群结构增加了产生SCFAs的菌群数量,从而提高了SCFAs的水平,进一步调控免疫细胞因子与BUN,减轻肾脏负担,提高ZO-1和MUC-2的表达量从而维护肠道黏膜屏障,进而缓解抗生素的副作用。
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目前,FMT和乳杆菌缓解抗生素副作用的机制尚不明确,本研究使用常见的抗生素头孢克肟建立小鼠肠道菌群紊乱模型,并探究FMT和副干酪乳酪杆菌HNU502对抗生素副作用的治疗效果及其作用机理,旨在为治疗使用抗生素后的肠道菌群紊乱提供新思路。
本研究发现,使用小鼠健康时期粪便进行FMT能够通过增加肠道微生物群的α多样性、优化肠道微生物群结构的方式从而恢复其原本的结构和数量。经过FMT的抗生素小鼠肠道中潜在致病菌Enterococcus avium显著减少,并且有益菌Oscillibacter sp. CU971和Enterorhabdus sp. P55的丰度显著升高。
病理学分析结果表明,未接受治疗的抗生素小鼠结肠黏膜受到破坏、杯状细胞大量减少,而接受FMT和HNU502治疗的小鼠结肠形态结构正常。同时,接受FMT和HNU502治疗也显著增加了MUC-2和ZO-1的水平。MUC-2是黏液层的重要组成部分,能够保护肠道黏膜免受化学或物理损伤,促进肠道生态平衡。ZO-1能够促进肠道细胞的紧密连接,对于保证肠道组织结构稳定和功能至关重要。这表明FMT和HNU502治疗都具有修复肠道黏膜屏障的作用。炎症分析结果表明接受FMT和HNU502干预的小鼠促炎细胞因子(TNF-α、IL-1β和IL-6)和BUN水平显著降低,从而缓解了炎症反应并且减轻了头孢噻肟带来的肾脏负担。
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结 论
肠道健康与肠道微生物越来越成为人们关注的焦点,抗生素的广泛对全世界范围产生了影响,如何缓解其副作用是当下研究热点。本研究将益生菌和FMT对头孢噻肟副作用的缓解效果进行比较,从调节肠道微生态、修复肠道黏膜屏障、调节免疫反应等方面阐述了潜在作用机制。本研究聚焦于FMT和副干酪乳酪杆菌HNU502缓解头孢噻肟副作用的效果,从调节肠道微生态、修复肠道黏膜屏障、调节免疫反应等方面阐述了其潜在作用机制。FMT和HNU502能够优化肠道菌群结构与组成,降低VFs丰度,改善紊乱的代谢途径,维护肠道稳态;增加MUC-2和ZO-1的水平,减少杯状细胞丢失,巩固肠道黏膜屏障;降低IL-6、IL-1β、TNF-α和BUN的水平,减轻机体炎症反应。FMT成本高昂、时间线长久,且不易被人们接受,作为FMT的优化方案,益生菌HNU502治疗操作简单、成本低,且易于为人们接受。这为防治抗生素副作用提供了一种可能的治疗方案,也为临床上安全使用抗生素、FMT和益生菌提供了参考。未来,可以深入挖掘肠道微生物群中与缓解抗生素副作用相关的菌株,并进一步进行临床验证,从而明确微生物群与抗生素副作用之间的关系。
作者介绍:
张家超教授
博士生导师,热带多糖资源利用教育部工程中心副主任,海南省食品营养与功能食品重点实验室副主任、食品科学技术学会青委会委员,中国食品科学技术学会益生菌分会理事。获国家优秀青年科学基金资助,入选海南省“南海名家”资助计划和海南自由贸易港高层次人才。主要从事热带益生菌资源开发利用相关研究。近年来承担国家重点研发计划子课题1 项、国家自然科学基金3 项和省部级项目9 项;以第一/通信作者发表SCI论文70余篇,代表作刊发在包括
Cell Host & Microbe、Microbiome、ISMEJ
Engineering等国际高水平期刊;授权国家发明专利9 项;荣获国家科技进步二等奖、海南省自然科学一等奖、海南省自然科学二等奖、第十届海南省青年科技奖。
本文《副干酪乳酪杆菌HNU502和粪菌移植缓解抗生素副作用的机制》来源于《食品科学》2025年46卷第3期1-10页,作者:陈 琳,李 敖,黎嘉和,张 增,张家超。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240329-218。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习编辑:李雄;责任编辑:张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战,促进产学研用各界的交流合作,由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心(动物替代蛋白)及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办,西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、四川轻化工大学食品与酿酒工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所(四川省农业科学院食物与营养健康研究所)、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。
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