The ISME Journal |?深圳先進院揭示益生菌抵御沙門氏菌腸道感染的新機制
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。它不僅會破壞腸道菌群平衡、誘發(fā)炎癥反應,還會損傷腸上皮屏障,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”,對于益生菌是否能夠主動調(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,中國科學院深圳先進技術(shù)研究院定量合成生物學全國重點實驗室、合成生物學研究所合成生物進化研究中心黃術(shù)強團隊與寧波諾丁漢大學石泳團隊合作,在國際微生物生態(tài)學會期刊The ISME Journal上發(fā)表了題為“Cellular membrane protein MipA from E.coli Nissle 1917 protects against Salmonella infection”的研究成果。
研究團隊設(shè)計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(EcN)的保護效應高度依賴于其在腸道內(nèi)的預定殖。研究闡明,其外膜蛋白MipA能夠誘導宿主腸上皮細胞整合素連接激酶(ILK)的表達上調(diào),從而增強細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益生菌“定殖抗性”的認知,還揭示了由特定益生菌蛋白觸發(fā)的上皮防御機制,更為開發(fā)針對腸道感染的預防新策略提供了理論依據(jù)。
“先下手為強”——小鼠病原菌感染實驗發(fā)現(xiàn)益生菌“預防優(yōu)于治療”
為探究益生菌的最佳干預時機,研究團隊在小鼠病原菌感染實驗中比較了預防(感染前給藥)、競爭(同時給藥)和治療(感染后給藥)三種干預策略。結(jié)果顯示,EcN的保護作用具有嚴格的預定殖依賴性。與純感染組相比,預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,競爭和治療策略的保護效果則大幅受限。這表明,EcN的保護作用并非簡單的細菌與細菌即時拮抗,而在于其能夠在感染前優(yōu)先定殖,從而發(fā)揮保護作用。
“動態(tài)模擬”—— 仿生腸道芯片重現(xiàn)復雜力學環(huán)境下的微生態(tài)互作
為了貼近宿主腸道微環(huán)境并真實還原病原菌感染過程,研究團隊開發(fā)了一套包含隱窩狀微結(jié)構(gòu)的腸道芯片模型。結(jié)合計算流體力學模擬發(fā)現(xiàn),芯片中的流體流動不僅產(chǎn)生與腸道生理流動相近的剪切應力,在隱窩微結(jié)構(gòu)附近還產(chǎn)生了顯著的法向應力。這種復雜的動態(tài)力學環(huán)境極大地促進了細菌在隱窩樣生態(tài)位中的黏附和定殖。在該體外系統(tǒng)中,EcN的預定殖同樣表現(xiàn)出極強的保護力,有效阻止了沙門氏菌引起的細胞焦亡和緊密連接破壞,且這種保護效果隨著EcN給藥劑量的增加和預定殖時間的延長而顯著提升。該腸道芯片模型成功實現(xiàn)了活體宏觀表型在體外微生理系統(tǒng)中的精準復現(xiàn),為解析宿主-微生物分子通訊提供了關(guān)鍵技術(shù)平臺。
“發(fā)號施令”—— 揭示益生菌激活宿主防御信號的關(guān)鍵開關(guān)
為闡明EcN預定殖發(fā)揮保護作用的具體分子機制,研究團隊對腸上皮細胞進行了定量蛋白質(zhì)組學分析,發(fā)現(xiàn)預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)表達呈特異性上調(diào)。隨后的藥理學抑制實驗證實,ILK是介導緊密連接蛋白表達、限制沙門氏菌入侵的關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點。
宿主端ILK的核心作用被確認后,研究團隊進一步通過蛋白純化和基因敲除等手段鎖定了觸發(fā)該防御通路的細菌端“開關(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表達的關(guān)鍵效應分子。通過MipA與宿主上皮細胞的互作,EcN能夠主動“指令”宿主上皮細胞加固緊密連接,從而在病原體入侵前筑起一道堅固的物理防線。
本研究通過體內(nèi)動物模型、仿生腸道芯片與定量蛋白質(zhì)組學等技術(shù),闡明了益生菌調(diào)控宿主抵御病原菌入侵的作用機制。研究發(fā)現(xiàn),益生菌并非被動地等待病原菌攻擊后再行修復,而是通過其外膜蛋白MipA主動調(diào)控宿主上皮細胞的ILK表達,從而先發(fā)制人地加固細胞間緊密連接,構(gòu)筑起一道強化的防御屏障。這種主動加固的生態(tài)位防御策略,與先前報道的EcN在感染后修復已受損屏障的機制有所不同,體現(xiàn)了由益生菌驅(qū)動、通過調(diào)節(jié)宿主來增強其固有防御的生物學過程。
在臨床轉(zhuǎn)化層面,該研究為開發(fā)新型抗感染策略提供了理論參考。鑒于EcN的保護效果具有劑量與時間依賴性,這支持了針對高危人群(如流行病暴露人群)進行預防性益生菌干預的可行性。在抗生素耐藥形勢嚴峻的當下,這種通過增強宿主自身屏障防御來對抗感染的策略,提供了一條具有潛力的替代或補充路徑??偠灾@項發(fā)現(xiàn)增進了我們對腸道內(nèi)復雜微生物與宿主互作的理解,也為開發(fā)基于宿主防御的感染預防療法奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。
中國科學院深圳先進技術(shù)研究院黃術(shù)強研究員和寧波諾丁漢大學石泳教授為本文共同通訊作者。中國科學院深圳先進技術(shù)研究院-寧波諾丁漢大學聯(lián)培博士生向云青為論文的第一作者。中國科學院深圳先進技術(shù)研究院李楠研究員、天津市第五中心醫(yī)院劉曉智教授、中國科學院半導體研究所袁國棟研究員為本工作提供了重要支持。深圳先進院為第一完成單位。該項研究得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等項目的資助,并獲得深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施和深圳合成生物學創(chuàng)新研究院提供的支持。

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圖1?微流控腸道芯片示意圖

圖2?益生菌調(diào)控宿主防御機制示意圖
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