FSHW | 长双歧杆菌NSP001缓解结肠炎：不同肠道菌群背景的影响

Introduction

炎症性肠病（IBD）是一种慢性特发性疾病，主要包括溃疡性结肠炎和克罗恩病。在过去的几十年里，随着工业化的发展，人们频繁摄入加工食品、过量使用抗生素，使得IBD已经成为一个全球性的健康问题。IBD的发病机制尚不清楚，临床中广泛应用的药物易引起过敏反应、肝损伤等副作用，尚未有理想的治疗方法。

长双歧杆菌(Bifidobacterium longum)是定植于人体肠道的优势菌种，已获批准在日常饮食中添加。大量证据表明，双歧杆菌粘附肠上皮细胞，形成优势的生态位，从而防止致病菌定植和入侵，进一步改善肠道疾病、肿瘤发生、免疫系统和衰老。此外，IBD患者肠道中双歧杆菌的相对丰度明显低于健康人群。因此，双歧杆菌可能是溃疡性结肠炎有效的治疗或辅助治疗手段。

肠道菌群可与与宿主相互作用，在宿主免疫系统和代谢中发挥重要作用，因而菌群紊乱可能引发和促进疾病的发展。值得注意的是，因人类和动物肠道菌群的差异，可能导致基于传统动物实验获得的疾病分析和膳食干预结果的不准确性。因此，本研究分别建立了人源及鼠源肠道菌群定植背景，并构建DSS诱导的结肠炎模型，研究了长双歧杆菌NSP001对小鼠器官损伤、肠道屏障损伤、炎症因子的产生、氧化应激水平和肠道菌群代谢物，全面探索长双歧杆菌NSP001的益生功能及其相关机制。

Results and discussion

长双歧杆菌NSP001对结肠炎小鼠表征指标的缓解作用

实验结果表明，长双歧杆菌NSP001能够显著改善鼠源菌群（BD组）及人源菌群（AFBD组）小鼠的体重减轻、结肠萎缩及疾病活动指数（DAI）异常。

图1  DSS治疗期间（第22-28天）小鼠的体重变化

 

长双歧杆菌NSP001对结肠炎小鼠肠道屏障的保护作用

实验通过测定小鼠血液样本中FITC-Dextran的浓度以及结肠中紧密连接蛋白水平评估长双歧杆菌NSP001对结肠炎小鼠肠道屏障功能的影响。连续7天的含3% DSS的饮用水将小鼠血清中FITC-Dextran含量从正常组的81.30 ng/mL升高至模型组的650.21 ng/mL（P<0.001），而经长双歧杆菌NSP001干预后，使得鼠源菌群（BD组）及人源菌群（AFBD组）小鼠血清中FITC含量降低至接近正常小鼠水平，并且，缓解结肠炎症细胞浸润，恢复整齐绒毛和清晰的隐窝结构。然而，长双歧杆菌NSP001仅在人源菌群（AFBD组）环境下显著恢复了结肠中紧密连接蛋白ZO-1的水平。

 

（A） 右旋糖酐FITC血清浓度；（B） 结肠ZO-1浓度

图2  长双歧杆菌NSP001对具有天然或人源化肠道微生物群的DSS诱导小鼠肠道屏障的影响

长双歧杆菌NSP001对结肠炎小鼠炎症因子及氧化应激水平的调节作用

促炎因子TNF-α、IL-6和抗炎因子TGF-β可直接揭示小鼠结肠病变程度。连续7天的含3%DSS的饮用水显著升高了小鼠结肠中TNF-α和IL-6的含量，并降低TGF-β水平。经长双歧杆菌NSP001干预后，鼠源菌群（BD组）及人源菌群（AFBD组）小鼠结肠中TNF-α和IL-6均显著降低至接近正常组小鼠水平，人源菌群（AFBD组）小鼠TGF-β水平略有增加。

同时，模型组小鼠结肠中MPO及iNOS水平均显著增加，长双歧杆菌NSP001能够显著降低人源菌群（AFBD组）小鼠结肠MPO及iNOS水平，降低鼠源菌群（BD组）小鼠结肠MPO水平，而对鼠源菌群（BD组）小鼠结肠iNOS水平的下调作用无显著性。

 

（A） MPO；（B） iNOS

图3  长双歧杆菌NSP001对具有天然或人源化肠道微生物群的DSS诱导小鼠结肠组织中氧化应激相关指标的影响

长双歧杆菌NSP001对结肠炎小鼠代谢组的调节作用

相比正常组小鼠，模型组小鼠血清中代谢物组成发生了明显的变化，其中与结肠炎相关结肠癌发生发展密切关联的磷酸酯代谢通路中的磷脂酰丝氨酸（PE）显著上调。不仅如此，与机体能量代谢相关的TCA循环中关键代谢物柠檬酸及与神经传导相关的关键代谢物7-二甲基黄嘌呤的信号强度明显下降。长双歧杆菌NSP001干预可上调人源菌群（AFBD组）小鼠血清中柠檬酸的信号强度，通过SMPDB数据库比对分析，推测小鼠的TCA循环通路信号得到了明显的上调。鼠源菌群（BD组）小鼠血清中7-二甲基黄嘌呤的信号强度经长双歧杆菌NSP001干预后上升，推测小鼠的咖啡因代谢通路信号得到了明显的上调。以上结果表明，长双歧杆菌NSP001在鼠源及人源肠道菌群环境下从不同信号通路预防或恢复肠炎伴随的代谢紊乱。

（A，B）sPLSDA评分图；（C，D）分层聚类热图；（E，F）阳性和阴性模型的路径分析总结图

图4  长双歧杆菌NSP001对具有天然或人源化肠道微生物群的DSS诱导小鼠盲肠中代谢产物的影响

Conclusion

长双歧杆菌NSP001干预均可在人源及鼠源肠道菌群定植的结肠炎小鼠中降低DAI指数、维持结肠组织形态和组织学、降低肠通透性、下调MPO、TNF-α和IL-6的过度分泌，通过上调乙酸和丙酸调控盲肠微生态，改善传统小鼠和人源小鼠DSS引起的急性结肠炎。而NSP001仅在人源化肠道菌群定植的结肠炎小鼠中，异常的胸腺指数、结肠ZO-1和iNOS水平得到改善。上述结果揭示了肠道微生物组背景可能会影响益生菌或膳食成分干预的效果，强调了在基于啮齿类动物模型的研究潜在治疗策略时纳入不同来源微生物组的必要性。

第一作者简介

陈梦麟，男，理学硕士，毕业于南昌大学食品学院营养与食品卫生学专业，主要研究方向是果胶诱导的肠道优势菌对小鼠结肠炎的影响及其可能存在的潜在机制。参与多项国家自然科学基金项目及横向课题研究，以第一作者在SCI期刊发表论文1篇。

通信作者简介

聂少平，男，教授，博士生导师，现任南昌大学食品学院院长、南昌大学食品科学与技术国家重点实验室成员、中国-加拿大食品科学与技术联合实验室（南昌）中方负责人。享受国务院特殊津贴专家，国家高层次人才特殊支持计划领军人才（2018年），国家自然科学基金杰出青年基金、优秀青年基金项目获得者，科技部中青年科技创新领军人才，教育部新世纪优秀人才，江西省高等学校“井冈学者”特聘教授，江西省主要学术学科带头人。担任Food Frontiers主编，Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre副主编，Journal of Agricultural and Food Chemistry、Current Topics in Nutraceutical Research、Food Science and Human Wellness等杂志编委，中国农业工程学会农产品加工及贮藏工程专业委员会第十届理事会副理事长。聂少平教授主要从事食品复杂碳水化合物（主要为生物活性多糖与膳食纤维）、食品化学与营养学、食品安全与分析等领域的研究工作，在Trends in Food Science & Technology、FEMS Microbiology Reviews、Critical Reviews in Food Science and Nutrition、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Food Hydrocolloids、Food Chemistry、Carbohydrate Polymers、《食品科学》、《中国食品学报》等业内优秀期刊发表论文500多篇，其中SCI收录300多篇，被引7000多次，h-index为51，授权发明专利28件。应邀在Elsevier出版集团和科学出版社合著学术专著2部；参编中文著作7部。相关成果获2016年国家科技进步奖二等奖、2017年中国食品科学技术学会杰出青年奖、2014和2017年度江西省自然科学一等奖、2014和2018年度国家级教学成果奖二等奖、2017年中国食品科学技术学会杰出青年奖。2015年荣获“江西青年五四奖章” 称号 ，2016年被中共江西省委教育工作委员会评为高校优秀共产党员。入选科睿唯安2020年、2019年和2018年度全球“高被引科学家”榜单。

Impact of Bifidobacterium longum NSP001 on DSS-induced colitis in conventional and humanised mice

Menglin Chen, Hong Yao, Huizi Tan, Wenqi Huang, Quanyong Wu, Shaoping Nie^*

State Key Laboratory of Food Science and Technology, China-Canada Joint Laboratory of Food Science and Technology (Nanchang), Nanchang University, Nanchang 330047, China

*Corresponding author.

Abstract

Most scientific investigations regarding inflammatory bowel disease (IBD) pathogenesis or therapeutic strategies use dextran sulfate sodium (DSS)-induced models performed on mice. However, differences between human and animal microbiota may confound the data reproducibility from rodent experiments to clinical trials. In this study, the intervention effects of Bifidobacterium longum NSP001 on DSS-induced colitis were investigated using mice colonized with either native or humanised microbiota. Disorders in disease activity index (DAI), morphology and histology of colon tissue, intestinal permeability, and secretion of MPO, TNF-α and IL-6 were ameliorated by daily intake of live B. longum NSP001 cells in both conventional and humanised colitis mice. But the abnormal thymus index, and colonic production of ZO-1 and iNOS were improved only in colitis mice treated with B. longum NSP001 and humanised microbiome. The accumulation of acetic acid and propionic acid in colon microbiome, and the optimization of primary bile acid biosynthesis and glycerophospholipid metabolism pathways in cecum commensals were likely to explain the beneficial effects of B. longum NSP001. These data revealed that intestinal microbiome baseline would possibly affect the manifestation features of interventions by probiotics or dietary components and highlighted the necessity to include humanised microbiome while investigating potential therapeutic strategies based on rodent models.

Reference:

CHEN M L, YAO H, TAN H Z, et al. Impact of Bifidobacterium longum NSP001 on DSS-induced colitis in conventional and humanised mice[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(4): 1109-1118. DOI:10.1016/j.fshw.2022.10.028.