FSHW | 鼠李糖乳桿菌MP108通過增強(qiáng)腸道屏障、抑制炎癥和調(diào)節(jié)腸道菌物群減輕小鼠潰瘍性結(jié)腸炎

本文系Food Science and Human Wellness原創(chuàng)編譯，歡迎分享，轉(zhuǎn)載請授權(quán)。

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Introduction

炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease，IBD）涵蓋了一系列涉及胃腸系統(tǒng)的持續(xù)性炎癥性疾病，其特征為長期的間歇性緩解和發(fā)作。雖然IBD在西方國家的發(fā)病率趨于平穩(wěn)，但仍超過0.3%，而在新興工業(yè)化國家的發(fā)病率較低但迅速上升，這表明IBD已成為一種真正的全球性疾病。IBD的常見癥狀包括持續(xù)性腹瀉、頻繁的腹痛、直腸出血和疲勞，這些癥狀嚴(yán)重降低了患者的生活質(zhì)量。此外，多種腸外炎癥如皮膚、眼睛和關(guān)節(jié)，以及繼發(fā)性并發(fā)癥如狹窄、膿腫和與潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）相關(guān)結(jié)腸癌，會進(jìn)一步惡化了IBD患者的生活質(zhì)量。IBD包括兩種亞型，UC和克羅恩?。–rohn’s disease，CD）。UC僅限于結(jié)腸，炎癥主要存在于黏膜和黏膜下層，而CD則可影響消化道的任何部分，其特征為斑片狀、透壁性炎癥。通常，UC的發(fā)病率高于CD。盡管目前有一些治療UC的方法，但存在療效有限、副作用嚴(yán)重以及費用高等缺點，因此，迫切需要開發(fā)有效的替代治療方法。

盡管UC的病因尚未完全闡明，但可能涉及遺傳易感性、免疫反應(yīng)紊亂、上皮屏障受損以及腸道菌群失調(diào)。因此，目前正在開發(fā)多種針對UC的新型療法，并取得了令人鼓舞的進(jìn)展，包括免疫細(xì)胞的“交通控制”、免疫信號阻斷、上皮屏障修復(fù)以及補(bǔ)充有益微生物。其中，益生菌因其開發(fā)和生產(chǎn)成本低而受到研究人員的優(yōu)先關(guān)注。食品級微生物鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）是潛在的益生菌候選物之一。例如，L. rhamnosus OLL2838可改善UC小鼠的腸道屏障功能障礙，而L. rhamnosus SHA113則能夠重塑UC小鼠的腸道菌群結(jié)構(gòu)和組成。

L. rhamnosus MP108分離自中國臺灣省一名嬰兒的糞便，毒理學(xué)研究表明其是安全的。此外，先前的研究顯示，L. rhamnosus MP108能夠有效緩解特應(yīng)性皮炎。然而，尚不清楚L. rhamnosus MP108是否能夠緩解UC。

江南大學(xué)食品學(xué)院李慧臻博士和楊波研究員等以UC小鼠為研究對象，評估了L. rhamnosus MP108對小鼠UC的緩解作用，并在多維度探討了其潛在機(jī)制，發(fā)現(xiàn)L. rhamnosus MP108可能通過增強(qiáng)腸道屏障、抑制炎癥和調(diào)節(jié)腸道微生物群緩解小鼠潰瘍性結(jié)腸炎，這為乳酸菌（lactic acid bacteria，LAB）緩解UC的機(jī)制提供了有價值的見解。

圖1 圖解摘要

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Results and Discussion

L. rhamnosusMP108緩解了UC癥狀

通過體重、DAI和結(jié)腸長度來研究L. rhamnosus MP108對UC癥狀的作用。與對照組相比，DSS導(dǎo)致小鼠體重顯著降低、結(jié)腸顯著縮短和疾病活動指數(shù)（disease activity index ，DAI）顯著升高（圖2）。然而，灌胃美沙拉嗪和L. rhamnosus MP108可顯著抑制DSS引起的體重下降、DAI升高和結(jié)腸縮短。

圖2 L. rhamnosus MP108改善小鼠的UC癥狀

L. rhamnosusMP108減輕了結(jié)腸的組織病理學(xué)損傷

采用H&E染色觀察結(jié)腸組織病理學(xué)變化。對照組小鼠結(jié)腸未見明顯組織病理學(xué)異常。DSS組小鼠結(jié)腸出現(xiàn)大面積潰瘍、黏膜上皮脫落、腸腺消失和炎癥細(xì)胞浸潤，導(dǎo)致DSS組的組織病理學(xué)評分顯著高于對照組（圖3）。同時，補(bǔ)充L. rhamnosus MP108可減輕DSS引起的組織病理學(xué)損傷，并顯著降低組織病理學(xué)評分，與美沙拉嗪組類似。

圖3 L. rhamnosus MP108減輕結(jié)腸的組織病理學(xué)異常

L. rhamnosusMP108防止了黏膜屏障受損

通過結(jié)腸切片的阿利新藍(lán)染色和PAS染色以及結(jié)腸中的MUC2蛋白水平分析結(jié)腸黏膜屏障。與對照組相比，DSS導(dǎo)致小鼠結(jié)腸黏液減少、杯狀細(xì)胞丟失和MUC2蛋白水平急劇降低；然而，美沙拉嗪和L. rhamnosus MP108干預(yù)顯著抑制了上述不良變化（圖4A-F）。通過測定血清 D-乳酸水平分析腸道通透性。有趣的是，美沙拉嗪和L. rhamnosus MP108干預(yù)顯著抑制了DSS誘導(dǎo)的血清中D-乳酸水平升高（圖4G）。對結(jié)腸切片進(jìn)行TUNEL染色，以確定腸上皮細(xì)胞的凋亡情況。與對照組相比，DSS暴露小鼠的結(jié)腸上皮細(xì)胞凋亡增加，而美沙拉嗪或L. rhamnosus MP108干預(yù)可抑制這種凋亡（圖5A）。利用結(jié)腸切片的透射電子顯微鏡圖像揭示結(jié)腸上皮的超微結(jié)構(gòu)。正常小鼠具有排列整齊的微絨毛 (microvilli，Mv)，以及結(jié)構(gòu)完整的緊密連接（tight junction，TJ）、黏附連接（adherens junction，AJ）和橋粒（desmosome，De）（圖5B）。DSS暴露的小鼠表現(xiàn)出Mv腫脹和排列紊亂，以及TJ、AJ和De模糊的結(jié)構(gòu)。幸運的是，灌胃美沙拉嗪或L. rhamnosus MP108可顯著阻止這些變化?？傊辔窵. rhamnosus MP108可保護(hù)DSS暴露小鼠的結(jié)腸黏膜屏障。

圖4 L. rhamnosusMP108改善受損的黏膜屏障

圖5 L. rhamnosusMP108抑制結(jié)腸上皮細(xì)胞凋亡和結(jié)腸上皮結(jié)構(gòu)破壞

L. rhamnosusMP108提高了結(jié)腸TJ蛋白的表達(dá)

為了分析結(jié)腸中的TJ蛋白，作者對ZO-1、Occludin和Claudin-1進(jìn)行了免疫組織化學(xué)（immunohistochemical，IHC）染色和ELISA測定。與對照組相比，DSS暴露小鼠的結(jié)腸中ZO-1、Occludin和Claudin-1的蛋白質(zhì)水平顯著降低，值得注意的是，灌胃美沙拉嗪或L. rhamnosus MP108顯著提高了DSS暴露小鼠結(jié)腸中這3 種蛋白質(zhì)的水平（圖6）。

圖6 L. rhamnosusMP108增加結(jié)腸中緊密連接蛋白的表達(dá)

L. rhamnosusMP108減輕了結(jié)腸炎癥反應(yīng)

為了評估結(jié)腸炎癥，使用ELISA檢測結(jié)腸細(xì)胞因子和髓過氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）水平。與正常小鼠相比，DSS導(dǎo)致結(jié)腸中TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8和IL-17的水平顯著增加，IL-10和TGF-β的水平顯著下降，而灌胃美沙拉嗪或L. rhamnosus MP108可顯著抑制這些變化，但I(xiàn)L-17除外（圖7A-G）。一致地，補(bǔ)充美沙拉嗪或L. rhamnosus MP108顯著抑制DSS引起的結(jié)腸中MPO水平升高（圖7H）。因此，這些結(jié)果表明，灌胃L. rhamnosus MP108可減輕DSS暴露小鼠的結(jié)腸炎癥。

圖7 L. rhamnosusMP108減輕結(jié)腸炎癥

L. rhamnosusMP108調(diào)節(jié)了被DSS破壞的腸道菌群

對于腸道菌群分析，對小鼠糞便進(jìn)行了16S rDNA擴(kuò)增子測序。四組共有74 個ASV，對照組和DSS組僅共有1 個ASV，而對照組和美沙拉嗪組共有7 個ASV，對照組和MP108組共有4 個ASV（圖8A）。此外，對照組的獨有ASV數(shù)量最多（28 個），其次是美沙拉嗪組（9 個）、MP108組（8 個）和DSS組（1 個）。

α-多樣性以Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)表示。DSS組的Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)顯著低于對照組（圖8B-C）。然而，與DSS組相比，美沙拉嗪干預(yù)顯著提高了Chao1指數(shù)，而MP108干預(yù)顯著提高了 Chao1 指數(shù)和 Shannon 指數(shù)。

采用Bray-Curtis距離進(jìn)行PCoA分析，且采用加權(quán)Unifrac距離進(jìn)行聚類分析，以探究β-多樣性。PCoA 圖和聚類熱圖顯示，與DSS組相比，美沙拉嗪組和MP108組更接近對照組。總之，L. rhamnosus MP108灌胃可改善DSS暴露小鼠的腸道菌群結(jié)構(gòu)，使其與對照組相似。

圖8 L. rhamnosusMP108調(diào)節(jié)腸道微生物結(jié)構(gòu)

確定不同分類學(xué)水平細(xì)菌分類群的相對豐度，以分析腸道微生物群落的組成。在門水平上，相比于對照組，DSS組的厚壁菌門（P < 0.05）、擬桿菌門和疣微菌門的相對豐度降低，而變形菌門的相對豐度顯著升高（圖 9A-E）。值得注意的是，與DSS組相比，灌胃美沙拉嗪增加了擬桿菌門和疣微菌門的相對豐度（P < 0.05），降低了變形菌門的相對豐度，而灌胃L. rhamnosus MP108增加了厚壁菌門、擬桿菌門和疣微菌門的相對豐度，并顯著降低了變形菌門的相對豐度。在屬水平上，與對照組相比，DSS暴露導(dǎo)致Lactobacillus (P < 0.01)、 Ruminococcaceae UCG-010 (P < 0.01)、Ruminococcaceae UCG-014 (P < 0.01)和Alistipes的相對豐度降低，而Parabacteroides、Oscillibacter、Acetatifactor (P < 0.01)和Escherichia-Shigella (P < 0.01)的相對豐度增加 (圖 9F-G)。但與DSS組相比，美沙拉嗪組中Ruminococcaceae UCG-014、Parabacteroides和Akkermansia (P < 0.05)的相對豐度增加，而Oscillibacter、Acetatifactor (P < 0.01)和Escherichia-Shigella的相對豐度減少；MP108組中Ruminococcaceae UCG-010、Ruminococcaceae UCG-014 (P < 0.01)、Alistipes (P < 0.05)、Parabacteroides和Akkermansia的相對豐度升高，而Oscillibacter、Acetatifactor (P < 0.05)和Escherichia-Shigella (P < 0.01)的相對豐度降低。

LEfSe分析用于篩選各組中顯著富集的細(xì)菌分類群。對照組、DSS組、美沙拉嗪和MP108組分別有12、8、4和8 個顯著富集的細(xì)菌分類群（圖9H-I），例如，Lactobacillus、Ruminococcaceae UCG-014、Ruminococcaceae UCG-010、Gordonibacter、Angelakisella、Rikenella、[Eubacterium]_ruminantium group和[Eubacterium]_coprostanoligenes_group在對照組中顯著富集；變形菌門、Escherichia-Shigella、Clostridium sensu_stricto_1和Anaeroplasma在DSS組中顯著富集； Rikenellaceae_RC9_gut_group、Romboutsia和Erysipelatoclostridium在美沙拉嗪組中顯著富集；Odoribacter和Parabacteroides在MP108組中顯著富集。接下來，進(jìn)行隨機(jī)森林分析以進(jìn)一步識別生物標(biāo)志物（基于Mean Decrease Accuracy的前20 個細(xì)菌屬）。對照組有8 種生物標(biāo)志物，包括Candidatus Saccharimonas、Roseburia、Rikenella、Lactobacillus、[Eubacterium]_xylanophilum group、Ruminococcaceae_UCG-014、Gordonibacter和[Eubacterium]_ruminantium_group；DSS組有5 種生物標(biāo)志物，包括Escherichia-Shigella、Clostridium_sensu_stricto 1、Anaeroplasma、Faecalibaculum和Acetatifactor；美沙拉嗪組有5種生物標(biāo)志物，包括Romboutsia、Rikenellaceae RC9 gut group、Anaerovorax、Akkermansia和Erysipelatoclostridium；MP108組有2 種生物標(biāo)志物，包括Parabacteroides和Odoribacter（圖9J）。隨機(jī)森林分析確定的多種生物標(biāo)志物L(fēng)EfSe分析的結(jié)果一致?？傊?，L. rhamnosus MP108的干預(yù)改變了DSS暴露小鼠的腸道微生物群組成。

圖9 L. rhamnosusMP108調(diào)節(jié)腸道微生物組成

接下來，探索了細(xì)菌屬之間的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模式。與對照組（84 條邊）、美沙拉嗪組（75 條邊）和MP108組（160 條邊）相比，DSS組（44 條邊）的相關(guān)邊數(shù)最少（圖10A-D）。然而，DSS組（77.27%）的正相關(guān)率高于對照組（75.00%）、美沙拉嗪組（62.67%）和MP108組（61.25%）。這些結(jié)果表明，L. rhamnosus MP108 干預(yù)調(diào)節(jié)了細(xì)菌屬之間的相互作用關(guān)系。隨后，分析了差異細(xì)菌屬與UC相關(guān)指標(biāo)之間的相關(guān)性。Ruminococcaceae UCG-010與乙酸、杯狀細(xì)胞數(shù)、MUC2和ZO-1呈顯著正相關(guān)，與DAI、組織病理學(xué)評分、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-17和MPO呈顯著負(fù)相關(guān)（圖10E）；Ruminococcaceae_UCG-014與杯狀細(xì)胞數(shù)、MUC2、ZO-1、Claudin-1和TGF-β呈顯著正相關(guān)，與DAI、組織病理學(xué)評分、D-乳酸、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8和IL-17呈顯著負(fù)相關(guān)。Alistipes與丁酸呈顯著正相關(guān)，與IL-8呈顯著負(fù)相關(guān)；Akkermansia與TNF-α呈顯著負(fù)相關(guān)；Oscillibacter與DAI、D-乳酸和TNF-α呈顯著正相關(guān)；Acetatifactor與DAI、組織病理學(xué)評分、D-乳酸、TNF-α、IL-1β、IL-6和MPO呈顯著正相關(guān)，與丁酸、杯狀細(xì)胞數(shù)、MUC2、ZO-1、Occludin、Claudin-1、IL-10和TGF-β呈顯著負(fù)相關(guān)。Escherichia-Shigella與DAI、組織病理學(xué)評分、D-乳酸、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8和MPO呈顯著正相關(guān)，與乙酸、丁酸、結(jié)腸長度、杯狀細(xì)胞數(shù)量、MUC2、ZO-1、Occludin、Claudin-1、IL-10和TGF-β呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖10 腸道菌群在屬水平的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模式以及差異細(xì)菌屬與UC相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)性

利用PICRUSt2預(yù)測了DSS和MP108組的腸道菌群功能。PCA揭示了DSS和MP108組腸道菌群功能的差異（圖11A）。具體來說，在KEGG 1級通路中，與DSS組相比，L. rhamnosus MP108干預(yù)顯著提高了與遺傳信息處理以及生物體系統(tǒng)和代謝有關(guān)的基因比例，但顯著降低了與環(huán)境信息處理和人類疾病有關(guān)的基因比例（圖11B）。在KEGG 2級通路中，MP108組輔因子和維生素代謝、能量代謝、核苷酸代謝、免疫系統(tǒng)、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝、復(fù)制和修復(fù)以及萜類和聚酮化合物代謝等基因含量顯著高于DSS組，而傳染病、細(xì)胞過程和信號傳導(dǎo)以及神經(jīng)退行性疾病等基因含量顯著降低（圖11C）。KEGG 3級通路分析顯示，與DSS組相比，MP108組的氨基糖和核苷酸糖代謝、精氨酸和脯氨酸代謝、半胱氨酸和蛋氨酸代謝、脂肪酸生物合成、PPAR信號通路、初級膽汁酸生物合成、次級膽汁酸生物合成、鞘脂代謝以及硫胺素代謝相關(guān)基因的相對豐度顯著升高，而與細(xì)菌侵襲上皮細(xì)胞、脂多糖生物合成、脂多糖生物合成蛋白和致病性大腸桿菌感染相關(guān)的基因的相對豐度顯著降低（圖11D）。總之，這些結(jié)果表明L. rhamnosus MP108治療改善了UC小鼠的腸道菌群功能。

圖11 L. rhamnosusMP108改變腸道微生物群的功能

L. rhamnosusMP108增加了腸道中SCFA的含量

用GC-MS對盲腸SCFAs含量進(jìn)行定量分析。與對照組相比，DSS暴露顯著降低了乙酸和丁酸的含量（圖12）。重要的是，與DSS組相比，美沙拉嗪組的丁酸和戊酸水平顯著升高，而MP108組的乙酸和丁酸水平顯著升高。

圖12 L. rhamnosusMP108增加腸道中的SCFAs含量

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Conclusion

L. rhamnosusMP108可緩解DSS誘發(fā)的小鼠UC，其機(jī)制可能是通過增加MUC2的產(chǎn)生、抑制上皮細(xì)胞凋亡和防止細(xì)胞間連接破壞來增強(qiáng)腸道上皮屏障，維持促炎和抗炎細(xì)胞因子的平衡來抑制炎癥以及調(diào)節(jié)腸道微生物群及其代謝物來促進(jìn)腸道生態(tài)平衡。這項研究為揭示益生菌緩解UC的復(fù)雜機(jī)制提供了寶貴的線索，并為開發(fā)新的UC療法或補(bǔ)充現(xiàn)有療法提供了參考。

第一作者簡介

李慧臻，男，江南大學(xué)食品學(xué)院博士研究生，主要研究方向為益生菌資源挖掘與功能機(jī)制解析，以及腸道微生物與健康調(diào)控，以第一作者在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文8 篇，現(xiàn)為International Journal of Biological Macromolecules、Food Research International、Food Bioscience、Journal of Functional Foods和Biochemical and Biophysical Research Communications等多個SCI期刊審稿人。

通信作者簡介

楊波，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，無錫市預(yù)防醫(yī)學(xué)會食品營養(yǎng)專業(yè)委員會副主任委員，江南大學(xué)母嬰微生態(tài)與健康國際聯(lián)合實驗室負(fù)責(zé)人，食品生物技術(shù)中心-母嬰童營養(yǎng)健康與乳品創(chuàng)新研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人。主要圍繞母嬰童微生態(tài)與健康調(diào)控、母嬰童營養(yǎng)需求與特征解析、母嬰童人群功能性食品、乳品營養(yǎng)與技術(shù)創(chuàng)新、母嬰源益生菌及其活性代謝物的功能及應(yīng)用展開。主持國家自然科學(xué)基金項目2項、國家十四五重點研發(fā)計劃子課題1 項，參與國家自然基金重點項目等國家級項目5 項，主持產(chǎn)業(yè)化項目10余項。以第一/通信作者在Trends Microbiol、Trends Food Sci Tech、Prog Lipid Res、GutMicrobes、Crit Rev Food Sci、JAgric Food Chem、Food Funct和Appl Environ Microb等期刊發(fā)表SCI論文70余篇，獲中國授權(quán)發(fā)明專利66余項。獲教育部高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎等省部級獎勵3 項。擔(dān)任《Frontiers in Microbiology》副編輯、《Microbiome Research Reports》青年編輯、《Annual Review of Food Science and Technology》客座編委和《iMeta》青年編委等職務(wù)。參與《乳酸菌科學(xué)與技術(shù)》（科學(xué)出版社）、《Lactic Acid Bacteria: Bioengineering and Industrial Applications》（Springer出版社）、《Bifidobacteria: Methods and Protocols》（Humana出版社）、《嬰幼兒腸道菌群和益生菌新進(jìn)展》（人民衛(wèi)生出版社）等中英文專著的編寫。

Lactobacillus rhamnosus MP108 alleviates ulcerative colitis in mice by enhancing the intestinal barrier, inhibiting inflammation, and modulating gut microbiota

Huizhen Lia,b, Yang Chena,b, Huiting Fanga,b, Xinmei Guoc, Xuecong Liuc, Jianxin Zhaoa,b, Wei Chena,b,d, Bo Yanga,b,e,*

a State Key Laboratory of Food Science and Resources, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

b School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

c Jinqiao Biotechnology Co., Ltd., Huai’an 223005, China

d National Engineering Research Center for Functional Food, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

e International Joint Research Laboratory for Maternal-Infant Microbiota and Health, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

*Corresponding authors.

Abstract

Ulcerative colitis (UC) is a long-term inflammatory disorder that has evolved into a worldwide challenge. The development of new therapies against UC is imperative as all current therapies for UC are flawed in some way. Thus, the present study aimed to assess the palliative effects of Lactobacillus rhamnosus MP108 on UC in mice and to explore its potential mechanisms. The results showed that L. rhamnosus MP108 ameliorated the symptoms of UC, including preventing body weight loss, disease activity index (DAI) elevation, and colon shortening, and attenuated colonic pathological damage. L. rhamnosus MP108 dramatically increased the number of goblet cells, MUC2 level, and tight junction protein level in the colon and remarkably inhibited epithelial cell apoptosis, thereby strengthening the intestinal barrier. L. rhamnosus MP108 pronouncedly diminished pro-inflammatory cytokine levels and strikingly augmented anti-inflammatory cytokine levels, in turn suppressing inflammation. Furthermore, L. rhamnosus MP108 conspicuously boosted the proportion of short-chain fatty acids (SCFAs) producers in gut microbiota, contributing to increased levels of acetate and butyrate. Therefore, L. rhamnosus MP108 might alleviate UC via improving the intestinal barrier, inhibiting inflammation, and modulating intestinal microbiota.

Reference:

LI H Z, CHEN Y, FANG H T, et al. Lactobacillus rhamnosus MP108 alleviates ulcerative colitis in mice by enhancing the intestinal barrier, inhibiting inflammation, and modulating gut microbiota[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(6): 9250139. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250139.

文章編譯由作者提供

編輯：王佳紅；責(zé)任編輯：孫勇

封面圖片：圖蟲創(chuàng)意

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