蓝藻-益生菌共生体在结肠炎中的抗炎与肠道菌群调节作用研究

学术背景

炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）是一类慢性肠道炎症性疾病，主要包括克罗恩病（Crohn’s Disease, CD）和溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）。IBD的发病机制复杂，涉及肠道黏膜屏障功能障碍、肠道菌群失调以及过度的免疫反应和炎症因子释放。目前，IBD的治疗主要依赖于抗炎药物和免疫抑制剂，如5-氨基水杨酸（5-ASA）、皮质类固醇和肿瘤坏死因子（TNF）拮抗剂。然而，这些治疗方法往往无法从根本上解决IBD的病因，且长期使用可能导致严重的副作用，如机会性感染、恶性肿瘤和肝毒性。

近年来，肠道菌群在IBD发病机制中的作用逐渐被揭示，益生菌疗法作为一种辅助治疗手段显示出一定的潜力。然而，口服益生菌在IBD患者中的生物利用度较低，且容易受到肠道内活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）的损伤，限制了其治疗效果。因此，开发一种能够有效抑制炎症、恢复肠道屏障功能并调节肠道菌群的新型治疗方法成为当前研究的重点。

论文来源

本论文由Jiali Yang、Shaochong Tan等作者共同完成，研究团队来自郑州大学药学院药物分析系、青岛大学脑科学与疾病研究所神经科学系等机构。论文于2024年12月16日发表在《PNAS》（Proceedings of the National Academy of Sciences）期刊上，题为“Cyanobacteria–probiotics symbionts for modulation of intestinal inflammation and microbiome dysregulation in colitis”。

研究流程与结果

1. 研究设计与共生体的构建

研究团队通过仿生矿化技术将蓝藻（Synechocystis sp. PCC6803, SP）与益生菌（Bacillus subtilis, BS）结合，构建了蓝藻-益生菌共生体（ASP@BS）。该共生体的设计基于蓝藻在厌氧条件下通过[NiFe]-氢化酶（[NiFe]-hydrogenase）产生氢气（H2）的能力，而益生菌BS则通过消耗氧气为蓝藻创造局部厌氧环境，从而激活氢化酶，促进H2的产生。H2作为一种强效的抗氧化剂，能够清除肠道内的ROS，减轻炎症反应。

2. 共生体的体外验证

研究首先在体外验证了SP与BS的共生关系。通过共培养实验，研究人员发现SP与BS共培养后，系统中的氧气浓度逐渐降低，8小时后几乎为零。同时，共培养系统产生了8.6 μmol的H2，而单独培养的SP或BS均未产生H2。进一步的实验表明，SP与BS共培养能够显著提高氢化酶的活性，并有效清除羟基自由基（•OH），清除效率达到58.1%。此外，共生体在高氧化应激条件下显著提高了BS的存活率，表明SP对BS具有保护作用。

3. 共生体的制备与表征

为了确保共生体在体内的功能，研究团队通过仿生矿化方法合成了ASP@BS。通过扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察，ASP@BS的粒径约为100 µm，且蓝藻与益生菌在共生体中紧密连接。红外光谱（FTIR）和能量色散X射线光谱（EDS）分析进一步证实了共生体的成功合成。此外，ASP@BS在模拟胃液、胆汁盐和模拟结肠液中的稳定性实验表明，共生体在胃肠道环境中具有较高的耐受性。

4. 共生体的体内抗炎与肠道菌群调节作用

在DSS诱导的小鼠急性结肠炎模型中，ASP@BS表现出显著的抗炎效果。与对照组相比，ASP@BS治疗组小鼠的体重下降幅度较小，结肠长度缩短程度较轻，疾病活动指数（DAI）显著降低。组织学分析显示，ASP@BS治疗组小鼠的结肠结构几乎完整，炎症细胞浸润较少。此外，ASP@BS能够显著降低结肠组织中的ROS水平，减少中性粒细胞浸润，并恢复紧密连接蛋白（ZO-1和Occludin）的表达，表明其能够有效恢复肠道屏障功能。

5. 共生体对肠道菌群的调节作用

通过16S rRNA基因测序，研究人员发现ASP@BS治疗能够显著调节结肠炎小鼠的肠道菌群组成。与对照组相比，ASP@BS治疗组小鼠的肠道菌群多样性增加，有益菌如Akkermansia muciniphila、Muribaculaceae、Lactobacillus murinus和Bifidobacterium的相对丰度显著提高，而潜在有害菌如Enterobacteriaceae和Romboutsia ilealis的相对丰度显著降低。这些结果表明，ASP@BS能够通过调节肠道菌群，恢复肠道微生态平衡。

结论与意义

本研究表明，蓝藻-益生菌共生体（ASP@BS）通过蓝藻与益生菌的协同作用，能够有效抑制炎症、清除ROS、恢复肠道屏障功能并调节肠道菌群，为IBD的治疗提供了一种全新的综合解决方案。与传统的抗炎药物相比，ASP@BS具有更高的生物安全性和治疗效果，且能够避免长期使用药物带来的副作用。此外，ASP@BS的仿生矿化合成方法为其在胃肠道中的稳定性和高效递送提供了保障。

研究亮点

1. 创新性共生体设计：通过仿生矿化技术将蓝藻与益生菌结合，构建了具有协同作用的共生体，显著提高了H2的产生和ROS的清除能力。
2. 多重治疗效果：ASP@BS不仅能够抑制炎症，还能恢复肠道屏障功能和调节肠道菌群，为IBD的治疗提供了全面的解决方案。
3. 高生物安全性：与传统的抗炎药物相比，ASP@BS具有更高的生物安全性，且未观察到明显的毒性反应。
4. 潜在应用价值：ASP@BS的成功开发为其他炎症性疾病的治疗提供了新的思路，具有广泛的应用前景。

其他有价值的信息

本研究的成功得益于多学科的合作，涉及药学、微生物学、材料科学等多个领域。研究团队通过仿生矿化技术成功合成了ASP@BS，并通过多种实验手段验证了其抗炎与肠道菌群调节作用。此外，研究还提供了详细的实验数据和方法，为后续研究提供了重要的参考。

本研究不仅为IBD的治疗提供了新的思路，也为微生物共生体在疾病治疗中的应用开辟了新的方向。