ISME J?| 黃術(shù)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)揭示益生菌抵御沙門氏菌腸道感染的新機(jī)制

腸道致病菌感染是全球公共衛(wèi)生領(lǐng)域的重大威脅之一。它不僅會(huì)破壞腸道菌群平衡、誘發(fā)炎癥反應(yīng)，還會(huì)損傷腸上皮屏障，促使病原體和毒素轉(zhuǎn)移到血液中，引發(fā)全身性感染，甚至導(dǎo)致高死亡率。 腸道內(nèi)的共生菌（如益生菌）在抵抗病原體 定 殖 方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，以往研究多聚焦于微生物之間的 “ 相互廝殺 ” ，對(duì)于益生菌是否能夠主動(dòng)調(diào)控宿主腸道上皮環(huán)境，從而構(gòu)建起抵御外敵的物理屏障，仍缺乏深入的探討。

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 、 合成生物學(xué)研究所合成生物進(jìn)化研究中心黃術(shù)強(qiáng)團(tuán)隊(duì) 與寧波諾丁漢大學(xué)石泳團(tuán)隊(duì)合作， 在國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)期刊The ISME Journal上發(fā)表了題為Cellular membrane proteinMipAfromE.coliNissle1917 protects againstSalmonellainfection的研究成果。

文章上線截圖

文章鏈接： https://academic.oup.com/ismej/advance-article/doi/10.1093/ismejo/wrag054/8519314

研究團(tuán)隊(duì) 設(shè)計(jì)并制備了一種模擬腸道隱窩結(jié)構(gòu)的微流控芯片裝置，通過(guò) 結(jié)合 仿生腸道芯片 與 體內(nèi)小鼠模型， 研究 發(fā)現(xiàn)益生菌大腸桿菌 Nissle 1917 （ E cN ） 的保護(hù)效應(yīng)高度依賴于其在腸道內(nèi)的預(yù)定 殖 。研究闡明 ， 其外膜蛋白 MipA 能夠誘導(dǎo)宿主 腸 上皮細(xì)胞整合素連接激酶 （ ILK ）的 表達(dá)上調(diào)，從而增強(qiáng)細(xì)胞間緊密連接的完整性，有效限制 沙門氏菌 的感染。該研究不僅刷新了對(duì)益生菌 “ 定 殖 抗 性 ” 的認(rèn)知 ，還揭 示了由特定益生菌蛋白觸發(fā)的上皮防御機(jī)制，更為開(kāi)發(fā)針對(duì)腸道感染的預(yù)防新策略提供了理論依據(jù)。

“先下手為強(qiáng)”—— 小鼠 病原菌感染實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)益生菌“預(yù)防優(yōu)于治療”

為探究益生菌的最佳干預(yù)時(shí)機(jī)， 研究團(tuán)隊(duì)在小鼠 病原菌感染實(shí)驗(yàn)中 比 較 了預(yù)防（感染前給藥）、競(jìng)爭(zhēng)（同時(shí)給藥）和治療 （ 感染后給藥 ） 三種干預(yù)策略。結(jié)果 顯示 ， EcN 的保護(hù)作用具有嚴(yán)格的預(yù)定殖依賴性。 與純感染組相比， 預(yù)防性給藥 的 小鼠體重 下 降顯著減輕，腸道病原菌載量降低約 100 倍，腸道黏膜結(jié)構(gòu)及上皮緊密連接的完整性 也得以 有效維持。相比之下，競(jìng)爭(zhēng)和治療策略的保護(hù)效果則大幅受限。 這表明， EcN 的保護(hù)作用并非簡(jiǎn)單的細(xì)菌與細(xì)菌即時(shí)拮抗，而在于其能夠在感染前優(yōu)先定殖，從而發(fā)揮保護(hù) 作用 。

“動(dòng)態(tài)模擬”—— 仿生腸道芯片重現(xiàn)復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下的微生態(tài)互作

為了貼近宿主腸道微環(huán)境并真實(shí)還原病原菌感染過(guò)程，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套包含隱窩狀微結(jié)構(gòu)的腸道芯片模型。結(jié)合 計(jì)算流體力學(xué)模擬 發(fā)現(xiàn)，芯片中的流體流動(dòng)不僅產(chǎn)生與腸道生理流動(dòng)相近的剪切應(yīng)力，在隱窩微結(jié)構(gòu)附近還產(chǎn)生了顯著的法向應(yīng)力。這種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)力學(xué)環(huán)境極大地促進(jìn)了細(xì)菌在隱窩樣生態(tài)位中的黏附和定 殖 。在該體外系統(tǒng)中， EcN 的預(yù)定 殖 同樣表現(xiàn)出極強(qiáng)的保護(hù)力，有效阻止了沙門氏菌引起的細(xì)胞焦亡和緊密連接破壞，且這種保護(hù)效果隨著 EcN 給藥劑量的增加和預(yù)定 殖 時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著提升。該腸道芯片模型成功實(shí)現(xiàn)了活體宏觀表型在體外微生理系統(tǒng)中的精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，為解析宿主 - 微生物分子通訊提供了關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)。

圖 1 微流控腸道芯片示意圖

“發(fā)號(hào)施令”—— 揭示益生菌激活宿主防御信號(hào)的關(guān)鍵開(kāi)關(guān)

為闡明 EcN 預(yù)定殖發(fā)揮保護(hù)作用的具體分子機(jī)制 ， 研究團(tuán)隊(duì)對(duì) 腸 上皮細(xì)胞進(jìn)行了定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析， 發(fā)現(xiàn)預(yù)防組中與維持上皮頂端 / 基底極性相關(guān)的整合素連接激酶（ ILK ）表達(dá)呈特異性上調(diào)。隨后的藥理學(xué)抑制實(shí)驗(yàn)證實(shí)， ILK 是介導(dǎo)緊密連接蛋白表達(dá)、限制沙門氏菌入侵的關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點(diǎn)。

宿主端 ILK 的核心作用被確認(rèn)后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)蛋白純化和基因敲除等手段鎖定了觸發(fā)該防御通路的細(xì)菌端“開(kāi)關(guān)”—— EcN 外膜蛋白 MipA 。研究揭示， MipA 不僅是結(jié)合宿主整合素的粘附素，更是上調(diào)下游 ILK 表達(dá)的關(guān)鍵效應(yīng)分子。通過(guò) MipA 與宿主上皮細(xì)胞的互作， EcN 能夠主動(dòng)“指令”宿主上皮細(xì)胞加固緊密連接，從而在病原體入侵前筑起一道堅(jiān)固的物理防線。

圖 2 益生菌調(diào)控宿主防御機(jī)制示意圖

本研究通過(guò)體內(nèi)動(dòng)物模型、仿生腸道芯片與定量蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)，闡明了益生菌調(diào)控宿主抵御病原菌入侵的作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，益生菌并非被動(dòng)地等待病原菌攻擊后再行修復(fù)，而是通過(guò)其外膜蛋白 MipA 主動(dòng)調(diào)控宿主上皮細(xì)胞的 ILK 表達(dá)，從而先發(fā)制人地加固細(xì)胞間緊密連接，構(gòu)筑起一道強(qiáng)化的防御屏障。這種主動(dòng)加固的生態(tài)位防御策略，與先前報(bào)道的 EcN 在感染后修復(fù)已受損屏障的機(jī)制有所不同，體現(xiàn)了由益生菌驅(qū)動(dòng)、通過(guò)調(diào)節(jié)宿主來(lái)增強(qiáng)其固有防御的生物學(xué)過(guò)程。

在臨床轉(zhuǎn)化層面，該研究為開(kāi)發(fā)新型抗感染策略提供了理論參考。鑒于 EcN 的保護(hù)效果具有劑量與時(shí)間依賴性，這支持了針對(duì)高危人群（如流行病暴露人群）進(jìn)行預(yù)防性益生菌干預(yù)的可行性。在抗生素耐藥形勢(shì)嚴(yán)峻的當(dāng)下，這種通過(guò)增強(qiáng)宿主自身屏障防御來(lái)對(duì)抗感染的策略，提供了一條具有潛力的 替代或 補(bǔ)充路徑。總而言之，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)增進(jìn)了我們對(duì)腸道內(nèi)復(fù)雜微生物與宿主互作的理解，也為開(kāi)發(fā)基于宿主防御的感染預(yù)防療法奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院黃術(shù)強(qiáng)研究員和 寧波諾丁漢大學(xué) 石泳 教授 為本文共同通訊作者。 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 - 寧波諾丁漢大學(xué) 聯(lián)培 博士生 向云青 為論文的第一作者。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 李楠 研究員、天津市第五中心醫(yī)院劉曉智教授、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所袁國(guó)棟研究員為本工作提供了重要支持。深圳先進(jìn)院為第一完成單位。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag054

制版人：十一

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