不同擬桿菌的定殖對偽無菌小鼠血清生化指標和短鏈脂肪酸的影響

鄭志天，程教擘，鐘亞東，陳蘇明，黃同文，孫永敢，胡婕倫

（南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，中加食品科學技術聯合實驗室（南昌），江西 南昌 330047）

腸道菌群是指所有寄居在人體腸道內的微生物群落，近年來的研究逐漸揭示了腸道菌群的結構組成以及腸道菌群失衡對宿主整體健康的影響[1-3]。在輔助宿主消化及營養(yǎng)吸收、維持腸道發(fā)育和預防疾病等方面腸道菌群起著至關重要的作用[4-8]，這促使人們探索針對腸道菌群的干預措施，其中選擇性增加有益于人類健康的腸道微生物是一個新的研究熱點。目前改善腸道菌群主要分為兩個途徑，一是直接通過進食或灌腸移殖的方式增加腸道益生菌，二是通過攝入不可消化的膳食纖維等益生元選擇性刺激少數有益菌調節(jié)腸道菌群從而改善宿主健康[9-12]。腸道菌群數量龐大、種類豐富，與宿主的交互關系錯綜復雜。對具體腸道菌特性的研究，有助于達成腸道菌群干預措施效益最優(yōu)化的目的。

腸道菌群主要由擬桿菌門和厚壁菌門組成，占腸道菌群總量的90%以上[13]。擬桿菌可賦予宿主多種益處，其中包括發(fā)酵宿主不易消化的多糖以提供能量。擬桿菌屬是已知腸道菌群中多糖利用位點最多的一類菌，它們中約有20%基因組用于多種多糖的轉運和分解以及這些過程的調控[14]，其能發(fā)酵難消化的大分子碳水化合物為宿主提供能量并轉化為短鏈脂肪酸。短鏈脂肪酸在腸道內不僅可作為腸黏膜細胞的主要能量來源和營養(yǎng)物質，還可以減少促炎因子的生成，降低結腸炎癥的發(fā)生，這直接影響了腸道微生物生態(tài)和整體腸道健康[15-16]。擬桿菌這種優(yōu)勢菌可通過自身的定殖直接抑制其他有害菌群的腸道黏附和生長，并且在宿主腸道菌群失調時重新引入該菌可以盡快促使腸道微生態(tài)恢復至平衡狀態(tài)[17]。無菌小鼠是用于研究特定腸道微生物代謝及其與宿主相互作用的經典媒介[18]，然而其價格昂貴，難以普及以應對日益增加的腸道菌群相關研究。此外，無菌小鼠淋巴系統發(fā)育不成熟，在免疫等方面與常規(guī)小鼠差異較大[19-20]。通過灌胃廣譜抗生素混合物剔除絕大多數腸道菌群的方法建立偽無菌小鼠動物模型，該模型小鼠生理變化與正常小鼠基本無顯著性差異，且其研究結果往往與無菌小鼠動物模型保持一致[21-22]。因此，開發(fā)這種易獲得、低成本、免疫系統發(fā)育更完善的無菌小鼠替代模型對于腸道菌群研究有著重要意義。本研究通過灌胃混合廣譜抗生素建立偽無菌小鼠模型，將多種耐酸腸道擬桿菌分別定殖于偽無菌小鼠腸道中，構建簡化的腸道菌群結構模型，使單一擬桿菌株成為小鼠體內的主要優(yōu)勢菌，以便觀察其對小鼠健康及代謝的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

Bacteroides koreensis YS-aM39、Bacteroides thetaiotaomicron JCM 5827、Bacteroides ovatus JCM 5824、Bacteroides xylanisolvens XB1A、Bacteroides salyersiae JCM 12988、Bacteroides vulgatus ATCC 8482：由南昌大學中加食品科學技術聯合實驗室從健康人體糞便中篩選所得；鹽酸萬古霉素（美國藥典級別）、硫酸新霉素（美國藥典級別）、氨芐青霉素（純度96%）、甲硝唑（純度≥99%）：北京索萊寶科技有限公司；腦心浸液肉湯（brain heart infusion broth，BHI）固體培養(yǎng)基、BHI液體培養(yǎng)基：青島高科技工業(yè)園海博生物技術有限公司；糞便基因組DNA提取試劑盒、熒光定量預混試劑盒：天根生化科技有限公司；乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸、2-乙基丁酸（純度均≥99.5%，分析純）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；實驗室用水為超純水。

1.2 儀器與設備

電子分析天平（XS205）、pH 計（FE28）：上海梅特勒-托利多儀器公司；臺式高速冷凍離心機（Sorvall ST16R）、超微量分光光度計（NanoDrop2000）、實時熒光定量聚合酶鏈式反應（real-time quantitative polymerase chain reaction，qPCR）擴增儀（ABI 7900HT）：賽默飛世爾科技公司；PCR熱循環(huán)儀（T100TM）：伯樂生命醫(yī)學產品有限公司；立式壓力蒸汽滅菌器（YXQ-100SII）：上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；比濁儀：上海德記行科技發(fā)展有限公司；厭氧手套箱（COY-8300600）：美國 COY公司；生物安全柜（BSC-1304IIA2）：蘇州安泰空氣技術有限公司；自動菌落成像分析系統（FLASH&GO）：西班牙IUL公司；氣相色譜儀（7890B）：安捷倫科技（中國）有限公司；全自動生化分析儀（AU480）：貝克曼庫爾特商貿（中國）有限公司。

1.3 實驗動物

BALB/c 5周齡小鼠[雄性，無特定病原體（specific pathogen free，SPF）級小鼠，體重為（20±2）g，許可證號SCXK（京）2016-0006]、滅菌動物飼料、滅菌墊料：北京維通利華實驗動物技術有限公司。

1.4 實驗方法

1.4.1 菌株鑒定

實驗所用擬桿菌均為健康人體糞便通過BHI擬桿菌選擇性培養(yǎng)基篩選獲得，為確保實驗的準確性，在動物實驗前對-80℃保存的擬桿菌進行菌株鑒定。

采用上游引物27F 5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3'、下游引物 1492R 5'-GGTTACCTTGTTACGACTT-3'[23]進行菌株全長16S rDNA序列PCR擴增，PCR擴增產物進行1%瓊脂糖凝膠電泳檢測，將瓊脂糖凝膠目的片段回收后對其16S rDNA進行全長測序。最后將拼接好的16S rDNA全長序列在美國國家生物技術信息中心（National Center for Biotechnology Information，NCBI）生物大分子序列比對搜索工具（basic local alignment search tool，Blast）核酸數據庫進行序列的同源性比較。

1.4.2 擬桿菌耐酸能力測定

用鹽酸制備pH值為3.0的BHI液體培養(yǎng)基，采用比濁儀校正活化的接種菌液初始菌濃度，使其濃度達到0.5麥氏比濁標準，取100 μL菌液接種于5 mL培養(yǎng)基中，置于37℃厭氧培養(yǎng)箱，于0、4 h進行活菌平板計數，平行實驗3次[24]。

1.4.3 混合抗生素誘導的偽無菌小鼠模型的建立

小鼠適應性飼養(yǎng)7d，按各組間平均體重無顯著差異重新分組，每組小鼠共10只。為滅活SPF小鼠腸道菌群，每隔12h用萬古霉素（50mg/kg）、新霉素（100mg/kg）和甲硝唑（100 mg/kg）的混合溶液對小鼠灌胃1次，灌胃體積10 mL/kg；并在飲用水中加入氨芐青霉素（1 mg/mL）[20，25]。持續(xù)干預 7 d，每天采集小鼠糞便并監(jiān)測體重變化。

1.4.4 偽無菌小鼠模型有效性的檢驗

1.4.4.1 稀釋涂布計數

將抗生素處理前和處理后小鼠糞便加入適量滅菌水均質成懸浮液，10倍等梯度稀釋涂布于BHI固體培養(yǎng)基，厭氧手套箱37℃培養(yǎng)48 h，利用自動菌落成像分析系統平板計數，將小鼠糞便活菌總數檢測限設定為1 CFU/mg定義為成功耗竭可培養(yǎng)腸道微生物[20]。

1.4.4.2 實時熒光定量聚合酶鏈式反應

由于大多數腸道微生物不可培養(yǎng)[26]，還需通過16S rDNA基因qPCR估算糞便中細菌DNA的含量。使用糞便基因組DNA提取試劑盒提取抗生素處理前和處理后小鼠糞便中的DNA；按照Jimeno等[27]的方法進行qPCR質粒標準品的制作和獲得標準品的循環(huán)數閥值（cycle threshold value，CT值），通過繪制標準品的CT值與質粒拷貝數的對數作圖，生成標準曲線；按照實時熒光定量PCR試劑盒說明采用熒光染料法在ABI 7900HT擴增儀上得到糞便樣品的CT值，通過標準曲線計算糞便樣品的16S rDNA拷貝數。

1.4.5 菌株移植

挑選4株耐酸性較強的擬桿菌進行活化并富集，菌液6 000 r/min離心10 min后棄去上清液，再用少量滅菌生理鹽水重懸進行濃縮，使菌液濃度達到109CFU/mL～1010CFU/mL，新鮮菌液灌胃給小鼠（10 mL/kg）。對照組灌胃滅菌生理鹽水。

擬桿菌定殖組分為B.koreensis組（Bacteroides koreensis YS-aM39定殖組）、B.thetaiotaomicron組（Bacteroides thetaiotaomicron JCM 5827定殖組）、B.salyersiae組（Bacteroides salyersiae JCM 12988定殖組）、B.vulgatus組（Bacteroides vulgatus ATCC 8482定殖組）?？股靥幚硪恢芎?，開始進行擬桿菌定殖，每天灌胃1次，共5 d。收集灌胃5 d后的小鼠糞便，稀釋涂布于BHI固體培養(yǎng)基上，37℃厭氧手套箱培養(yǎng)48 h，挑選形態(tài)一致且占平板絕大多數的菌落進行菌株鑒定，檢驗菌株是否定殖成功。

1.4.6 體重和臟器指數測定

小鼠每天稱重，處死后取主要臟器（脾臟、腎臟、肝臟、心臟、胸腺）并用生理鹽水清洗，濾紙吸干水分后稱量并記錄臟器質量，用于計算臟器指數。

臟器指數/（mg/g）=臟器質量（mg）/小鼠體重（g）

1.4.7 血清生化指標測定

小鼠取血后，放置0.5h凝血后離心（4℃，3000r/min，15 min），分離血清置于-80℃冰箱保存。取80 μL小鼠血清加入160 μL生理鹽水進行稀釋，利用全自動血清生化儀測定谷丙轉氨酶、膽固醇、甘油三酯、谷草轉氨酶、血清總蛋白、低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、血清白蛋白、尿酸、尿素、血糖含量。

1.4.8 盲腸內容物短鏈脂肪酸含量測定

稱取100 mg左右的小鼠糞便加入0.6 mL飽和磷酸鹽緩沖生理鹽水（pH7.3）和1 mmol/L內標（2-乙基丁酸）20 μL 勻漿，4℃，14 000 r/min，15 min離心取上清液過膜（0.22 μm 水系濾頭），取 200 μL上清液，加入0.1 mL 50%（體積分數）硫酸溶液，加400 μL乙醚，渦旋后靜置2 min，取上清液測定[28]。根據短鏈脂肪酸（乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸）標準品的標準曲線計算出糞便中短鏈脂肪酸的含量。

1.5 數據處理

實驗數據均采用OriginPro 2021統計軟件進行分析處理，數據用平均值±標準差表示，多樣本均數比較采用單因素方差分析，事后多重比較采用Tukey法，P＜0.05為有顯著差異；將對照組與擬桿菌定殖組、擬桿菌定殖組間的6種短鏈脂肪酸成分含量利用協方差矩陣標準化后進行主成分分析（principal components analysis，PCA）。

2 結果與分析

2.1 菌株鑒定結果

實驗所分離得到的6株擬桿菌16S rDNA全長序列比對結果如表1所示。

表1 6株菌株16S rDNA序列比對結果Table 1 16S rDNA sequence alignment results of six Bacteroides

如表1所示，6種擬桿菌的16S rDNA全長序列在NCBI核酸數據庫中比對后，序列覆蓋度均為99%，序列同源性都在99%以上，可以認定為同一種菌。

2.2 6株擬桿菌耐酸能力

觀察6株擬桿菌在pH3.0的環(huán)境下存活4 h的情況，結果如表2所示。

表2 6株擬桿菌在pH3.0處理條件下培養(yǎng)4 h的活菌存活率Table 2 Survival rate of viable bacteria of six species of Bacteroides cultured under pH3.0 treatment for 4 h

人體胃液中胃酸的主要成分為鹽酸，其pH值通常為3.0左右，只有具有良好耐酸能力的菌群可以通過胃酸屏障，以活菌形式到達腸道并發(fā)揮作用。如表2所示，Bacteroides koreensis YS-aM39存活率最高，Bacteroides vulgatus ATCC 8482、Bacteroides thetaiotaomicron JCM 5827和Bacteroides salyersiae JCM 12988存活率次之，這4種菌在酸性條件下培養(yǎng)4 h活菌存活率仍維持在10%以上，說明這4種擬桿菌具有相對較好的耐酸能力；而Bacteroides xylanisolvens XB1A、Bacteroides ovatus JCM 5824存活率較低，其中Bacteroides ovatus JCM 5824存活率不足1%，說明該菌株的耐酸能力差。

綜合考慮這6種擬桿菌的耐酸能力及各菌株的特性，將 Bacteroides koreensis YS-aM39、Bacteroides thetaiotaomicron JCM 5827、Bacteroides salyersiae JCM 12988和Bacteroides vulgatus ATCC 8482作為擬桿菌定殖菌株。

2.3 偽無菌小鼠糞便涂布計數及實時熒光定量PCR

2.3.1 涂布計數

抗生素處理前后小鼠糞便活菌計數如表3所示。

表3 抗生素處理前后小鼠糞便活菌計數Table 3 Count of viable bacteria in mice feces before and after antibiotic treatment

由表3可知，抗生素處理前小鼠糞便中可培養(yǎng)活菌總數為（4.09±1.38）×105CFU/mg，而抗生素處理 7 d后，糞便中活菌總數極顯著性減少（P＜0.01），可培養(yǎng)活菌基本無檢出，但還未符合糞便活菌總數檢出限標準1 CFU/mg，實驗結果能在一定程度上說明混合抗生素處理建立偽無菌小鼠模型是可行的。

2.3.2 糞便DNA實時熒光定量

抗生素處理前后小鼠糞便中菌群總16S rDNA拷貝數如表4所示。

由表4可知，抗生素處理前后小鼠糞便菌群總16S rDNA拷貝數極顯著性減少（P＜0.01），下降了3個數量級，這相當于減少了糞便中99.9%以上的細菌，且與Olson等[25]所建立的偽無菌小鼠模型DNA含量僅降低400倍相比具有更好的效果。本實驗結果更有力地證明了混合抗生素處理建立偽無菌小鼠模型的可行性。

表4 抗生素處理前后小鼠糞便中菌群總16S rDNA拷貝數Table 4 Total 16S rDNA copy number of mice feces microbiota before and after antibiotic treatment

2.4 菌株定殖結果

菌株移植后收集各組小鼠糞便稀釋涂布于BHI培養(yǎng)基上，挑選形態(tài)一致且占平板絕大多數的菌落進行菌株鑒定，16S rDNA全長序列比對結果如表5所示。

表5 4株擬桿菌移植后小鼠糞便中主要菌種的序列比對結果Table 5 Sequence alignment results of main bacterial species in mice feces after transplantation of four Bacteroides

一般認為16S rDNA序列同源性大于99%的定義為同種細菌，同源性介于95%～99%的界定為同屬的細菌[29]。如表5所示可知，B.thetaiotaomicron組和B.vulgatus組小鼠糞便主要菌株鑒定結果與其所移植菌Bacteroides thetaiotaomicron JCM 5827和Bacteroides vulgatus ATCC 8482序列覆蓋度達到100%，而且序列同源性也大于99%，實驗結果有力地證明了B.thetaiotaomicron組和B.vulgatus組菌株在小鼠體內成功定殖。B.koreensis組序列覆蓋度為100%，序列同源性為96.53%（＜99%）；B.salyersiae組則是序列覆蓋度94%（＜98%）和序列同源性 95.22%（＜99%）都較低，說明B.koreensis組和B.salyersiae組灌胃活菌未能成為小鼠腸道中的優(yōu)勢菌，菌株定殖結果相對較差。

2.5 4種擬桿菌的定殖對小鼠體重及臟器指數的影響

2.5.1 體重變化

4種擬桿菌的定殖對小鼠體重變化的影響如圖1所示。

圖1 4種擬桿菌的定殖對小鼠體重變化的影響Fig.1 The effect of colonization of four kinds of Bacteroides on the weight change of mice

第1天至第7天為抗生素處理，第8天至第12天為菌種移植，第13天至第21天為觀察期。如圖1所示，抗生素處理期間小鼠體重迅速下降，灌胃菌液之后體重下降速度減緩或維持穩(wěn)定，第11天后體重則開始回升，逐漸恢復至正常的狀態(tài)。小鼠體重下降可能的原因一是抗生素處理的副作用，二是腸道菌的大量減少，缺少腸道菌群的輔助消化，腸道蠕動減緩，能量吸收減少。在解剖抗生素處理小鼠時發(fā)現其盲腸較正常小鼠顯著變大且盲腸內容物多呈液態(tài)，與無菌小鼠具有相似的特征[30]。對照組和擬桿菌定殖組體重變化趨勢基本相同，原因可能是在停止抗生素處理后，即使對照組沒有進行菌種移植，但是SPF級動物房的清潔程度與無菌級有較大差距，在實驗操作中被外部環(huán)境所污染，腸道中有其它菌落的定殖。

2.5.2 臟器指數

4種擬桿菌對小鼠主要臟器指數的影響如表6所示。

表6 4種擬桿菌對小鼠主要臟器指數的影響Table 6 Effects of four Bacteroides on the main organ indexes of mice mg/g

如表6所示，除了肝臟指數擬桿菌定殖組B.salyersiae與對照組具有顯著性差異（P＜0.05）外，其他各組之間肝臟指數、心臟指數、腎臟指數、胸腺指數和脾臟指數均無顯著性差異（P＞0.05），說明不同擬桿菌的定殖對主要臟器無顯著性影響。

2.6 4種擬桿菌的定殖對小鼠血清生化指標的影響

4種擬桿菌定殖對小鼠血清生化指標的影響如表7所示。

表7 4種擬桿菌定殖對小鼠血清生化指標的影響Table 7 Effects of four Bacteroides colonization on serum biochemical indexes in mice

動物的血清生化指標，在一定程度上可以反映機體的整體代謝狀況，從生化指標的異常變化可以推斷出某一組織或器官的功能狀況發(fā)生了改變。由表7可知，各組膽固醇、甘油三酯、高密度脂蛋白、血糖含量及谷丙轉氨酶、谷草轉氨酶活性無顯著差異（P＞0.05），與對照組、B.koreensis組相比，B.thetaiotaomicron、B.salyersiae、B.vulgatus組小鼠血清總蛋白含量顯著升高（P＜0.05）；與對照組、B.koreensis組相比，B.salyersiae、B.vulgatus組小鼠血清白蛋白含量顯著升高；與B.koreensis組相比，B.salyersiae、B.vulgatus組小鼠血清低密度脂蛋白含量顯著升高（P＜0.05）。此外，B.salyersiae組尿酸含量顯著低于B.vulgatus組，尿素含量顯著高于 B.thetaiotaomicron組（P＜0.05）。

對照組和擬桿菌定殖組B.koreensis較其它擬桿菌定殖組血清總蛋白和血清白蛋白含量稍低，血清總蛋白和白蛋白檢測是反映營養(yǎng)狀況和肝臟功能的關鍵指標[31-33]。對照組出現該情況的原因可能是與腸道菌群的缺失致使小鼠營養(yǎng)吸收障礙和肝臟疾病等有關[34-36]，而B.koreensis組出現此情況表明B.koreensis組所定殖的Bacteroides koreensis YS-aM39對小鼠營養(yǎng)吸收和肝臟功能改善作用有限；有研究發(fā)現無菌小鼠的尿酸水平顯著高于正常小鼠與菌群移植小鼠[37]。高尿酸水平與痛風高度關聯。B.salyersiae組尿酸含量低于其他實驗組說明Bacteroides salyersiae ATCC 8482的定殖可能對高尿酸人群具有一定的積極作用。

2.7 4種擬桿菌的定殖對小鼠盲腸內容物短鏈脂肪酸含量的影響

4種擬桿菌的定殖對小鼠盲腸內容物短鏈脂肪酸含量的影響如圖2所示。

如圖2所示，對照組的乙酸含量顯著高于B.koreensis、B.thetaiotaomicron 組（P＜0.01）；而丁酸含量顯著低于 B.koreensis、B.thetaiotaomicron、B.salyersiae、B.vulgatus組（P＜0.05）；異丁酸、戊酸含量顯著性地低于 B.thetaiotaomicron、B.salyersiae、B.vulgatus（P＜0.05）；異戊酸含量顯著低于B.thetaiotaomicron、B.salyersiae組（P＜0.05）。在擬桿菌定殖組 B.koreensis、B.thetaiotaomicron、B.salyersiae、B.vulgatus 中 ，B.salyersiae、B.vulgatus組的乙酸、丙酸和戊酸含量顯著高于B.koreensis組（P＜0.05）；B.thetaiotaomicron 組乙酸、異丁酸、戊酸和異戊酸含量顯著性高于B.koreensis組（P＜0.05）。

圖2 4種擬桿菌的定殖對小鼠盲腸內容物短鏈脂肪酸含量的影響Fig.2 Effects of colonization of four kinds of Bacteroides on the content of short-chain fatty acids in the cecum of mice

對擬桿菌定殖組和對照組、擬桿菌定殖組間的6個短鏈脂肪酸成分含量進行主成分分析，結果如圖3所示。

圖3a和圖3b主成分累計方差解釋率分別為76.4%、74.8%，說明提取出來的兩個因子能夠較好地反映原數據的信息。從圖3a可以看出擬桿菌定殖組和對照組相比，具有較高的丁酸含量和較低的乙酸含量；而從圖3b可以看出，B.koreensis組與B.thetaiotaomicron、B.salyersiae、B.vulgatus組相比，具有較低的乙酸、丙酸和戊酸含量，但是差異較小。短鏈脂肪酸在維持腸道黏膜功能和完整性中發(fā)揮重要作用，尤其丁酸是結腸上皮細胞的重要能量底物，擬桿菌定殖組丁酸均顯著高于對照組，實驗結果說明擬桿菌的定殖對維持小鼠腸道健康具有積極的作用。

圖3 6種短鏈脂肪酸成分含量主成分分析Fig.3 Principal component analysis of six kinds of short-chain fatty acids

3 結論

本研究基于各種腸道菌的特性不同，利用混合抗生素處理建立偽無菌小鼠模型探討不同人源腸道擬桿菌對小鼠的干預作用。結果表明，利用高濃度的混合抗生素處理能殺死小鼠腸道99%的細菌；通過灌胃Bacteroides thetaiotaomicron JCM 5827和Bacteroides vulgatus ATCC 8482能較好地定殖腸道；不同擬桿菌的定殖對偽無菌小鼠的臟器指數無顯著影響；與其他擬桿菌定殖組相比Bacteroides salyersiae ATCC 8482定殖組血清中尿酸含量更低；與模型組相比，擬桿菌的定殖顯著性地增加了小鼠血清總蛋白、血清白蛋白和丁酸的含量，而較低的血清總蛋白、血清白蛋白含量與營養(yǎng)吸收障礙有關，丁酸則在維持黏膜功能和完整性中發(fā)揮重要作用，研究結果說明擬桿菌的定殖可能對改善菌群失調小鼠的營養(yǎng)吸收和維持其腸道健康有積極的作用。

選擇性增加有益于人類健康的腸道微生物是一類新興的健康干預措施，但由于腸道菌群種類豐富、與人體交互關系復雜，均要求研究人員對具體的腸道菌有透徹地了解，這樣才能在腸道菌群干預措施中獲得最佳效益，本研究結果可以為此提供一定的數據和理論支持。