吳影,古紹彬,2,3*,吳昊天,周艷林,2,趙麗娜,2,李欣,2,李璇,3,郭金英,3
1(河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,河南 洛陽,471023) 2(河南省食品微生物工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽,471023) 3(食品加工與安全國家級實驗教學(xué)示范中心,河南 洛陽,471023)
益生菌是一種無侵襲性、無致病性的革蘭氏陽性細(xì)菌,與病原體和毒素競爭,黏附于腸上皮細(xì)胞,促進(jìn)腸上皮細(xì)胞存活,增強屏障功能,并與免疫系統(tǒng)細(xì)胞(如樹突狀細(xì)胞)直接相互作用,從而調(diào)節(jié)機體免疫功能[1]。研究發(fā)現(xiàn),植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum299v)能增加黏蛋白Muc2 的表達(dá)量,并抑制致病菌黏附[2]。益生型大腸桿菌 Nissle 1917(EscherichiacoliNissle 1917)在治療潰瘍性結(jié)腸炎方面效果顯著,可通過Toll樣受體(Toll like receptor,TLR) TLR-2識別系統(tǒng)減少促炎細(xì)胞因子IL-2、IFN-γ 和 TNF-α的表達(dá),及提高IL-10、IL-8和IL-1β的分泌量[3]。
然而,林顯華等[4]研究枯草芽胞桿菌B7對肉雞生長性能及免疫性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著枯草芽胞桿菌B7添加量的增加,肉雞的生長性能有所增加,但差異不明顯,且高劑量組并未起到促進(jìn)作用。WEI等[5]研究益生菌LFB112對肉雞生長性能的影響時發(fā)現(xiàn),隨著益生菌劑量的提高,肉雞日增重提高,但高劑量組肉雞日增重減少。WANG等[6]將乳酸菌按照高低劑量飼喂被產(chǎn)氣莢膜梭菌感染肉雞時,觀察到低劑量更能改善肉雞的脂肪代謝、肉品質(zhì)和腸道滲透性。上述報道顯示高劑量益生菌喂養(yǎng)組未展現(xiàn)出更好的養(yǎng)殖促進(jìn)效果。RAO等[7]發(fā)現(xiàn)腦模糊患者(長期使用益生菌)的小腸內(nèi)有大量細(xì)菌繁殖,以及細(xì)菌發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生的D-乳酸,其對腦細(xì)胞具有暫時毒性,干擾認(rèn)知、思維和時間感。當(dāng)患者停止服用益生菌一段時間后,癥狀得以改善。2018年,ZMORA等發(fā)表在Cell雜志的研究顯示,益生菌在某些情況下對人體的益處很大,例如:患有腸胃炎或胃病的人以及當(dāng)患者服用抗生素后,可食用益生菌來恢復(fù)腸道菌群[8]。但益生菌不可能對每個人產(chǎn)生相同效果,一刀切必需補充益生菌的觀念值得探討。
腸道菌群失調(diào)會影響機體健康,甚至導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生,腸道菌群平衡狀態(tài)對維持機體健康十分關(guān)鍵,但益生菌的使用需根據(jù)個體特點及特殊需求選擇和確定使用劑量。目前,對單一菌株或簡單復(fù)合菌株的腸道調(diào)節(jié)作用研究報道較多,但很少關(guān)注益生菌使用劑量方面的研究。本研究考察了不同劑量復(fù)合益生菌對小鼠生理生長特性、血清生化指標(biāo)、肝腎結(jié)構(gòu)以及腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響。
1.1.1 菌種
假鏈狀雙歧桿菌(Bifidobacteriumpseudocatenulatum)、植物乳桿菌(Laobacillusplantarum) HZLp-005、干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei) HZLc-017、凝結(jié)芽胞桿菌(Bacilluscoagulans) CGMCC 9951,實驗室保藏。
1.1.2 實驗動物
40只6周齡SPF級BALB/C小鼠(雌雄各半、清潔級),鄭州伊美諾生物技術(shù)有限公司,SYXK(豫)2017—0005。普通飼料由鄭州伊美諾生物技術(shù)有限公司提供。
1.1.3 主要試劑
無水乙醇、甲醛、二甲苯等,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。
H1850R臺式高速冷凍離心機,湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司;奧林巴斯BX50顯微鏡,瑞戈(上海)實業(yè)有限公司;其他為實驗室常用儀器和設(shè)備。
1.3.1 菌種培養(yǎng)和富集
雙歧桿菌在液體MRS培養(yǎng)基中37 ℃ 培養(yǎng)24 h,植物乳桿菌HZLp-005、干酪乳桿菌HZLc-017在液體MRS培養(yǎng)基中37 ℃培養(yǎng)18 h,凝結(jié)芽胞桿菌CGMCC 9951在液體LB培養(yǎng)基中37 ℃培養(yǎng)16 h,以 3% 接種量連續(xù)活化傳代2~3次。將活化好的種子液4 000 r/min離心10 min,用生理鹽水洗滌2次,并重懸于生理鹽水中。將獲得的雙歧桿菌、植物乳桿菌HZLp-005、干酪乳桿菌HZLc-017和凝結(jié)芽胞桿菌CGMCC 9951按1∶1∶1∶1比例混合配置成濃度為108、109、1010CFU/mL的菌液。
1.3.2 動物實驗
將小鼠隨機分為4組,每組10只,分別為對照組(灌胃生理鹽水)、試驗組(灌胃高、中、低劑量復(fù)合益生菌),每只小鼠下午4點經(jīng)口灌胃0.2 mL復(fù)合菌懸液,對照組小鼠每天灌胃等量生理鹽水,試驗期間各組小鼠均飼喂普通飼料,自由進(jìn)食和飲水。小鼠喂養(yǎng)6周后,禁食12 h,處死前稱重。動物實驗所有操作符合實驗動物管理各項規(guī)定,許可證號:SYXK(豫)2017—0005。動物實驗方案經(jīng)河南科技大學(xué)實驗動物福利與倫理審查批準(zhǔn)。
1.3.3 血清生化指標(biāo)分析
頸椎脫臼法致死小鼠后,主動脈取血,3 000 r/min離心6 min,分離得到小鼠血清并用全自動生化分析儀分析血清生化指標(biāo),其原理及實驗步驟根據(jù)試劑盒所附說明書進(jìn)行。
1.3.4 小腸、肝臟、腎臟組織切片染色
小鼠處死后,立即將小腸上端腸段2~3 cm、肝臟、腎臟組織用10%甲醛溶液固定。將組織切成小塊放入包埋籠中沖洗,按照乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%、80%、95%(1)、95%(2)以及無水酒精進(jìn)行梯度脫水。然后用二甲苯處理2次,進(jìn)行包埋、切片、烤片,蘇木精染色10 min,蒸餾水返藍(lán)5~15 min,伊紅染液細(xì)胞質(zhì)染色,中性樹膠封片,晾干鏡檢。
1.3.5 腸道微生物多樣性測定
小鼠腸道微生物多樣性測定樣品送至美吉生物科技有限公司進(jìn)行測序分析。采用Illumina MiSeq高通量測序平臺測序。根據(jù)OTU分析結(jié)果,使用在線平臺軟件,對樣本進(jìn)行物種注釋和多樣性分析。
利用Origin統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,每個實驗重復(fù)3次,最后用3個獨立實驗以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,各組數(shù)據(jù)間的差異用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行Duncan’s 多重比較分析,當(dāng)P<0.05時視為差異顯著。
由圖1-a所示,低劑量和中劑量組小鼠體重顯著高于對照組,而高劑量組小鼠體重增加不顯著。與WEI等[5]研究結(jié)果一致,過量添加益生菌并未能達(dá)到較好的效果。
C-對照組;L-低劑量組;M-中劑量組;H-高劑量組(下同) a-體重增加量;b-飼料利用效率圖1 復(fù)合益生菌劑量對小鼠體重增加量和飼料 利用率的影響Fig.1 Effects of compound probiotics on weight gain and feed efficiency in mice
圖1-b顯示,低劑量和中劑量組小鼠對飼料利用率顯著高于對照組,WANG等[9]研究也證實高劑量組的小鼠飼料利用率增加但不顯著,與本實驗結(jié)果一致。
血清生化指標(biāo)是機體營養(yǎng)代謝、應(yīng)激和健康狀態(tài)的綜合表征,血清中蛋白質(zhì)含量可以反應(yīng)機體內(nèi)蛋白質(zhì)的代謝水平[10],由表1可知,血清總蛋白、白蛋白與對照組差異不顯著,但都高于對照組,表明益生菌能夠增強蛋白質(zhì)的代謝水平。丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(alanine aminotransferase,ALT)和天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(aspartate aminotransferase,AST)是肝細(xì)胞損害和壞死程度的敏感指標(biāo),測定臟器酶活性變化可分析益生菌干預(yù)劑量對臟器的損害程度。與對照組相比,高、中、低劑量組小鼠的總蛋白(total protein,TP)、甘油三酯(triglyceride,TG)、高密度脂蛋白膽固醇(high-density lipoprotein,HDL-C)含量均未出現(xiàn)明顯變化,各處理組間不存在顯著或極顯著差異,說明益生菌干預(yù)劑量未導(dǎo)致小鼠血液脂代謝的異常。益生菌添加組總膽固醇(total cholesterol,TC)較未添加組均呈降低趨勢,中劑量益生菌可有效降低小鼠血清中AST和ALT,而高劑量干預(yù)組則相反,血清中ALT和AST呈現(xiàn)顯著上升的現(xiàn)象。血清ALT、AST轉(zhuǎn)氨酶活性升高在一定程度上反映了肝細(xì)胞的損害和壞死程度,表明益生菌干預(yù)劑量過高可能會對肝臟有損傷。
表1 復(fù)合益生菌劑量對小鼠血清生化指標(biāo)的影響Table 1 Effect of compound probiotics dosage on serum biochemical parameter in mice
腸黏膜屏障是宿主對入侵的共生細(xì)菌和腸道病原體的第一道防線。由圖2可知,低劑量和中劑量組小鼠的小腸絨毛長度有顯著增加,說明益生菌能夠黏附于腸道上皮細(xì)胞,保護(hù)胃腸道黏膜。郭元晟等[11]發(fā)現(xiàn)發(fā)酵乳酸菌能夠顯著增加肉雞小腸絨毛的長度及隱窩的深度,但高劑量組肉雞的小腸絨毛較短,可能是由于腸道病原體增加,腸上皮細(xì)胞損壞導(dǎo)致的。
a-對照組;b-低劑量組;c-中劑量組;d-高劑量組圖2 復(fù)合益生菌劑量對小鼠小腸絨毛結(jié)構(gòu)的影響Fig.2 Effect of compound probiotics dosage on villus structure of small intestine in mice
腸道屏障損傷會增加腸道通透性,導(dǎo)致細(xì)菌易位和脂多糖的積累,從而引起肝臟發(fā)病[12]。圖3小鼠肝損傷情況表明,對照組、低劑量組和中劑量組的小鼠肝小葉結(jié)構(gòu)清晰,但高劑量組小鼠的肝臟周圍有輕微的纖維化,這可能是有害菌增多,使腸道通透性增加,細(xì)菌易位,最終導(dǎo)致肝纖維化。
a-對照組;b-低劑量組;c-中劑量組;d-高劑量組圖3 復(fù)合益生菌劑量對小鼠肝臟結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effects of compound probiotics on liver structure of mice
在生理條件下,營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)菌化合物通過門靜脈循環(huán)輸送到肝臟,有助于宿主的體內(nèi)平衡。因此,腸腔(即微生物、消化食物、異種生物)、門靜脈血和肝臟之間的主要邊界是腸屏障。腸道細(xì)菌能夠通過模式識別受體的特殊分子與宿主細(xì)胞相互作用。CANI等[13]發(fā)現(xiàn)血漿脂多糖水平與小腸細(xì)菌過度生長、腸道菌群組成變化和腸道通透性增加有關(guān),代謝性內(nèi)毒素血癥也會引起肝臟脂肪堆積,但缺乏脂多糖受體復(fù)合物CD14/TLR4的小鼠中卻未出現(xiàn)。表明腸道微生物代謝產(chǎn)生的化合物與肝脂肪變性的發(fā)生有直接聯(lián)系。肝硬化患者的腸道細(xì)菌易位增加,血液循環(huán)系統(tǒng)中細(xì)菌DNA濃度也會相應(yīng)增加,說明腸道通透性增加反映了機體病原體的感染情況。
由圖4可知,對照組、低劑量組和中劑量組小鼠的腎組織形態(tài)正常,而高劑量組小鼠的腎小球有輕微萎縮,可能是源于腸道微生物群的改變,增加了炎癥、尿毒癥和血壓水平[14]。由于哺乳動物不能分解尿素,是利用腸道細(xì)菌通過尿素酶將尿素轉(zhuǎn)化為NH3和CO2,經(jīng)過肝臟中的尿素循環(huán),一些氨被轉(zhuǎn)化成尿素,其他則轉(zhuǎn)化為NH4OH并在糞便中排泄[15]。生活方式、飲食模式改變和纖維攝入減少會導(dǎo)致腸道發(fā)育不良,產(chǎn)生過量毒素(如NH3、胺、硫醇、酚類和吲哚)。NH3/NH4OH的形成和腸腔pH值的增加會影響共生菌和病原菌之間的平衡,并導(dǎo)致有害菌增殖[16]。
a-對照組;b-低劑量組;c-中劑量組;d-高劑量組圖4 復(fù)合益生菌劑量對小鼠腎臟結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 Effects of compound probiotics on kidney structure of mice
腸道中病原菌的過度生長會破壞腸道屏障的完整性,進(jìn)而增加細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物向系統(tǒng)循環(huán)的易位,導(dǎo)致慢性腎臟病的進(jìn)展。
圖5結(jié)果表明,各組小鼠腸道菌群中的擬桿菌門和厚壁菌門為優(yōu)勢菌門,但中、低劑量組的乳桿菌科和毛螺菌科均高于對照組,而高劑量組小鼠腸道菌群中的厚壁菌門減少,擬桿菌門和變形菌門增加。BAJAJ等[17]發(fā)現(xiàn)肝硬化患者的腸道菌群中變形菌門在肝硬化患者中較高,如大腸桿菌、肺炎克雷伯菌和假單胞菌造成肝硬化的感染,導(dǎo)致死亡[18];另外,變形菌門中的腸桿菌科、彎曲桿菌科和巴斯德菌科,厚壁菌門中的腸球菌科和鏈球菌科與不良后果有關(guān),而厚壁菌門中法人毛螺菌科可降低不良后果。此外,肝硬化患者腸道也有潛在致病性類群,如最終導(dǎo)致死亡的腸球菌科和鏈球菌科,且腸道的梭狀芽胞桿菌和毛螺菌科也會隨之減少[19]。研究人員發(fā)現(xiàn)瘤胃菌科與腎功能負(fù)相關(guān),與硫酸吲哚酚代謝物呈正相關(guān),毛螺菌科與腎功能正相關(guān)。VAZIRI等[16]發(fā)現(xiàn)在腎臟疾病中的放線菌、厚壁菌門中的亞門梭狀芽胞桿菌和變形菌門大量增加。BAJAJ等[17]發(fā)現(xiàn)腸道失調(diào)與慢性肝病的關(guān)系,毛螺菌科與肝病呈負(fù)相關(guān),葡萄球菌科、腸球菌科、腸桿菌科與肝病呈正相關(guān)。我們的研究結(jié)果與其報道相一致,即高劑量組小鼠的腎臟結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題,從科水平上看,高劑量組的毛螺菌科、乳桿菌科較少,幽門螺桿菌、脫硫弧菌科和脫鐵桿菌門增多,可能
a-門水平;b-科水平圖5 復(fù)合益生菌劑量對小鼠腸道菌群相對豐度Fig.5 Effect of compound probiotics dosage on relative abundance of intestinal flora in mice
是這些有害菌產(chǎn)生的毒素導(dǎo)致了腎臟組織結(jié)構(gòu)變化。WONG等[20]在腎臟疾病患者腸道菌群中發(fā)現(xiàn)了12個科產(chǎn)脲酶,5個科產(chǎn)尿酸酶,4個科產(chǎn)吲哚酶和對甲酚生成酶,都與尿毒癥有關(guān)。兩個具有產(chǎn)丁酸酯酶的微生物被削弱,這表明合成短鏈脂肪酸能力下降,患者的炎癥反應(yīng)可能受損。
為更好理解樣本,我們基于16S rRNA的高通量測序數(shù)據(jù)和同源群數(shù)據(jù)庫(COG),利用PICRUSt 軟件進(jìn)一步對小鼠腸道微生物群的功能特征進(jìn)行了分析。由圖6可見,小鼠腸道微生物主要的COG功能包括:能量生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換、氨基酸轉(zhuǎn)運與代謝、碳水化合物轉(zhuǎn)運與代謝、無機離子轉(zhuǎn)運與代謝、翻譯,核糖體結(jié)構(gòu)和生物起源、轉(zhuǎn)錄、復(fù)制,重組和修復(fù)。與對照組相比,復(fù)合益生菌添加組的腸道微生物代謝功能更旺盛,但高劑量組的代謝功能豐度呈現(xiàn)降低的趨勢。
圖6 復(fù)合益生菌劑量對小鼠微生物功能特征的影響Fig.6 Effect of compound probiotics dosage on microbial function features in mice
由表2可知,添加復(fù)合益生菌增強了腸道微生物的代謝功能,如抗壞血酸和醛酸代謝、次生膽汁酸生物合成、甘油酯新陳代謝、碳水化合物代謝、丙酮酸代謝、磷酸戊糖途徑、糖酵解和糖質(zhì)新生、淀粉和蔗糖的代謝、戊糖和葡萄糖醛酸鹽的相互轉(zhuǎn)化、組氨酸代謝、色氨酸代謝等。其中,組氨酸分解代謝可以產(chǎn)生組胺,組胺能夠抑制抗炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-1和IL-12的產(chǎn)生,同時防止腸道細(xì)菌易位[21]。色氨酸分解代謝產(chǎn)生色胺和吲哚類物質(zhì),色胺是一種神經(jīng)遞質(zhì),在調(diào)節(jié)腸道運動和免疫功能方面發(fā)揮作用;另一方面,吲哚是色氨酸的一種主要代謝產(chǎn)物,由擬桿菌和腸桿菌科產(chǎn)生[22],在宿主防御中發(fā)揮重要作用。然而,吲哚過量時,在肝臟中,被硫酸化為吲哚?;蛩猁},這是一種與慢性腎病相關(guān)的尿毒癥毒素[23]。隨著益生菌劑量的增加,代謝功能降低,且與炎癥相關(guān)的脂多糖生物合成、甾類激素生物合成、花生四烯酸代謝代謝通路豐度增加。GILL等[24]也研究發(fā)現(xiàn)炎癥相關(guān)通路,如脂多糖合成、類固醇合成、生物素代謝等與腸道菌群顯著相關(guān),表2中高劑量組中氮代謝要高于其他組,與腎臟病理學(xué)檢查結(jié)果一致。高劑量組的維生素B6的新陳代謝、甜菜堿生物合成和N-聚糖生物合成代謝功能增強,表明益生菌含量過高,并沒有完全破壞其他的微生物代謝功能。RAO等[7]認(rèn)為益生菌不應(yīng)該被當(dāng)作營養(yǎng)食品補充劑,飲食正常、身體健康的人群不需要額外補充益生菌;如果飲食不規(guī)律,且經(jīng)常吃不健康的食物,適時適量補充益生菌確實可改善腸道菌群。
表2 微生物功能特征的豐度值Table 2 Abundance value of microbial functional features
腸道微生態(tài)在維持宿主健康和體內(nèi)平衡的調(diào)節(jié)中起著重要作用,越來越多證據(jù)表明,微生物群組成和結(jié)構(gòu)的變化可影響人類健康和疾病。腸道菌群影響多種病理生理過程,在正常生理和疾病方面,肝臟和腸道之間存在緊密的相互作用,腸肝軸參與了各種肝臟疾病,從非酒精性脂肪肝疾病,酒精性脂肪性肝炎到肝纖維化以及肝細(xì)胞癌。腸肝軸已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點。SCHNEIDER等[25]探討了腸道菌群失調(diào)在急性肝損傷中的作用,Nlrp6小鼠的共生菌群誘導(dǎo)肝臟單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞出現(xiàn)Ly6Chi表型,并加劇急性肝損傷,且該表型可通過糞便菌群轉(zhuǎn)移至WT小鼠。此外,NatureMedicine期刊發(fā)表的一項研究顯示,通過對肝衰竭小鼠模型單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)進(jìn)行分析,全方位揭示了腸道菌群在急性肝衰竭中的作用,發(fā)現(xiàn)腸道菌群介導(dǎo)了星狀細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、Kupffer細(xì)胞的myc-依賴性激活過程[26]。TRANAH等[27]指出,患者的腸道菌群失調(diào)(多樣性降低、定殖抗性丟失、致病菌擴增)、腸道屏障被破壞,促進(jìn)致病菌及PAMP(病原相關(guān)分子模式)的易位,從而惡化肝臟炎癥。這些研究證實,腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變在肝臟損傷和疾病發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。本研究通過對組織病理學(xué)的觀察、腸道菌群豐度以及微生物群的功能特征的研究,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致腸道和臟器不同程度損傷的原因可能是微生物有害代謝產(chǎn)物造成的。
本文研究了不同劑量復(fù)合益生菌對小鼠生理、生長代謝特性和腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,適量的益生菌能夠顯著提高小鼠的體重及飼料利用率,增加腸道有益菌,增強腸道微生物的代謝功能(抗壞血酸和醛酸代謝、次生膽汁酸生物合成、甘油酯新陳代謝、碳水化合物代謝、丙酮酸代謝、磷酸戊糖途徑、糖酵解和糖質(zhì)新生、淀粉和蔗糖的代謝、戊糖和葡萄糖醛酸鹽的相互轉(zhuǎn)化、組氨酸代謝、色氨酸代謝)。通過組織病理學(xué)發(fā)現(xiàn),益生菌使用過量可能會對小鼠的臟器產(chǎn)生負(fù)面影響;腸道菌群結(jié)構(gòu)和代謝功能分析表明,過量使用益生菌可能會使小鼠腸道有害菌增加,維生素B6的新陳代謝、甜菜堿生物合成和N-聚糖生物合成的代謝功能增強,且與炎癥相關(guān)的脂多糖生物合成、甾類激素生物合成、花生四烯酸代謝代謝通路豐度增加。
綜上所述,益生菌過量使用可能會給健康帶來一定的風(fēng)險。補充益生菌應(yīng)根據(jù)個體特性及特殊需求量身定制,不要過量補充,并應(yīng)根據(jù)機體狀況選擇適宜種類的益生菌。