鼠李糖乳桿菌對(duì)頭孢曲松引起的幼年期腸道菌群及生長(zhǎng)發(fā)育異常的改善效果研究

郭佳汶 程如越 張瑜杰 周瑋忻 王柯 陳書巧 彭天宇 李鳴 何方

(四川大學(xué)華西公共衛(wèi)生學(xué)院營(yíng)養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)及毒理學(xué)系，成都 610041)

人體腸道棲息著數(shù)量龐大，種類繁多的微生物，其與人體高度共生，構(gòu)成了復(fù)雜的腸道微生態(tài)系統(tǒng)。腸道菌群的穩(wěn)態(tài)與人體健康息息相關(guān)。近年來，由于抗生素的預(yù)防和治療作用，兒童抗生素暴露率越來越高，抗生素在殺滅病原菌的同時(shí)也會(huì)部分殺滅一些腸道共生有益菌，從而導(dǎo)致腸道菌群的紊亂。大量研究提示了腸道菌群紊亂與疾病之間有著密切的關(guān)系。潰瘍性結(jié)腸炎是一種慢性結(jié)腸炎癥，腸道菌群紊亂被認(rèn)為是影響其進(jìn)展的重要因素[1]。傅玲琳等[2]從分子及細(xì)胞水平出發(fā)，闡述了腸道微生物與食物過敏之間的聯(lián)系。近年來，兒童哮喘發(fā)病率增高也普遍認(rèn)為與腸道菌群失衡有關(guān)[3]。本課題組的前期研究也表明頭孢曲松可以引起初生小鼠的腸道菌群紊亂，導(dǎo)致受試小鼠的腸道組織發(fā)育缺損[4]，影響受試小鼠的免疫系統(tǒng)發(fā)育，從而引起小鼠成年后表現(xiàn)出對(duì)食物蛋白的易感性。因此，研究改善人類生命早期的腸道菌群失調(diào)的方法將成為重要趨勢(shì)。

益生菌是指能改善腸道微生物平衡，當(dāng)攝入足夠數(shù)量時(shí)，對(duì)宿主有積極的健康功效的一類微生物的總稱[5]。研究表明，益生菌具有抑制病原菌促進(jìn)腸道健康[6]、提高人體免疫力[7]、降低血清膽固醇[8]等功能。目前國(guó)際上常用的益生菌主要來自乳酸桿菌和雙歧桿菌，其中LGG菌代表的鼠李糖乳桿菌備受關(guān)注。已有研究指出鼠李糖乳桿菌具有調(diào)節(jié)腸道微生物菌群平衡，參與機(jī)體免疫穩(wěn)態(tài)，宿主營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝的生物學(xué)功能[9-10]，但其對(duì)腸道菌群平衡的具體作用還有待深入研究。

本研究將用頭孢曲松和鼠李糖乳桿菌投用幼鼠、詳細(xì)地分析頭孢曲松引起的小鼠幼年期腸道菌群失調(diào)、腸管上皮細(xì)胞組織及機(jī)體損傷、同時(shí)深入地探索鼠李糖乳桿菌的改善效果。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

36只四周齡大的SPF級(jí)Balb/c小鼠，購(gòu)買于四川省人民醫(yī)院(四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所。飼養(yǎng)于四川大學(xué)華西公共衛(wèi)生學(xué)院動(dòng)物中心IVC系統(tǒng)中。室溫(23±1)℃，濕度50%～70%，自由飲食，12h晝夜節(jié)律。

1.2 試劑與材料

頭孢曲松(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；無水乙醇(成都金山化學(xué)試劑有限公司)；糞便細(xì)菌DNA提取試劑盒(北京天根生化科技北京有限公司)；鼠李糖乳桿菌GG菌株(Lactobacillus rhamnosus,GG)來自于丹麥科漢森；二代測(cè)序由北京諾禾致源科技股份有限公司完成。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程及分組

36只四周齡大的小鼠適應(yīng)性喂養(yǎng)3d后被隨機(jī)分為3組，每組12只，分別為實(shí)驗(yàn)組、抗生素組和空白組。實(shí)驗(yàn)共計(jì)4周。實(shí)驗(yàn)組第一周每天灌胃頭孢曲松(40mg/d/只)和鼠李糖乳桿菌懸液(109CFU/只)，之后停止干預(yù)繼續(xù)喂養(yǎng)至實(shí)驗(yàn)結(jié)束?？股亟M為陽(yáng)性對(duì)照組，第一周每天灌胃頭孢曲松(40mg/d/只)，之后停止干預(yù)。空白組第一周每天灌胃生理鹽水，之后停止干預(yù)。從實(shí)驗(yàn)第一天開始，每3天測(cè)一次體重，記錄體重增長(zhǎng)情況。每周采集小鼠糞便，提取小鼠糞便細(xì)菌DNA，qPCR分析糞便總菌群濃度變化。二代測(cè)序分析小鼠第一周和第四周糞便菌群結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谔幩佬∈蠛螅容^各組臟器系數(shù)以及對(duì)各組進(jìn)行腸道病理學(xué)檢測(cè)。

1.4 組織病理學(xué)檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)?zāi)┨幩佬∈蠛螅悦つc為界收集小鼠結(jié)腸及回腸各約1cm，10%甲醛固定后做組織切片。HE染色觀察回腸及結(jié)腸結(jié)構(gòu)。每組內(nèi)每張切片挑選100倍視野進(jìn)行拍照。拍照時(shí)盡量讓組織充滿整個(gè)視野，保證每張照片的背景光一致。應(yīng)用Image-Pro Plus 6.0軟件以右下角100倍標(biāo)尺為標(biāo)準(zhǔn)，每張切片選取5根完整的絨毛，分別測(cè)量絨毛高度(mm)、腸腺深度(mm)，并作統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

1.5 糞便DNA提取及細(xì)菌定量

每周收集小鼠糞便，共計(jì)4次，-80℃凍存。嚴(yán)格遵照糞便基因組DNA提取試劑盒操作步驟提取糞便DNA。qPCR測(cè)定小鼠糞便細(xì)菌總量。qPCR反應(yīng)條件如下：95℃預(yù)熱1min，94℃解鏈20s，55℃退火20s，72℃延伸50s，共40個(gè)循環(huán)。根據(jù)大腸埃希菌標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算糞便樣品的細(xì)菌濃度，具體實(shí)驗(yàn)方法參考之前的研究[11]。

1.6 二代測(cè)序

瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)待測(cè)序DNA的純度和濃度，并進(jìn)行文庫(kù)構(gòu)建，使用HiSeq進(jìn)行上機(jī)測(cè)序，之后基于有效數(shù)據(jù)進(jìn)行OTUs聚類和物種分類分析。具體實(shí)驗(yàn)方法參考之前的研究，并做部分修改[4]。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用GraphPad Prism 7.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料用(均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差)(±s)表示，組間均數(shù)比較符合正態(tài)用方差分析；不符合正態(tài)采用wilcoxon秩和檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 3組小鼠體重變化

每3d測(cè)量1次體重，見圖1。投用抗生素后，與空白組相比，實(shí)驗(yàn)組和抗生素組小鼠體重增長(zhǎng)均減緩，第3、6、9天實(shí)驗(yàn)組和抗生素組體重均低于空白組(P＜0.05)。實(shí)驗(yàn)組于12d體重與空白組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，抗生素組于21d體重與空白組相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。實(shí)驗(yàn)組體重恢復(fù)比抗生素組快。

2.2 3組臟器系數(shù)比較

實(shí)驗(yàn)?zāi)┨幩佬∈蠛笥?jì)算每只小鼠的肝臟臟器系數(shù)，由圖2可知，抗生素組低于空白組和實(shí)驗(yàn)組(P＜0.01)(圖2)。

2.3 腸組織病理檢測(cè)

第四周3組回腸絨毛細(xì)長(zhǎng)排列整齊，結(jié)腸隱窩明顯(圖3)。抗生素組回腸腸腺深度低于空白組(P＜0.05)，而實(shí)驗(yàn)組與抗生素組和空白組均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(圖4)。

2.4 糞便細(xì)菌濃度分析

圖1 3組小鼠隨年齡增長(zhǎng)的體重變化Fig.1 Body weight of mice in three groups

圖2 3組肝臟臟器系數(shù)比較 Fig.2 Liver index of mice in three groups

投用抗生素后，實(shí)驗(yàn)組和抗生素組第一周和第二周糞便細(xì)菌濃度均顯著低于空白組(P＜0.05)。第四周實(shí)驗(yàn)組糞便細(xì)菌濃度低于抗生素組和空白組(P＜0.05)(表1)。

2.5 腸道菌群多樣性分析

圖3 3組回腸及結(jié)腸的病理組織切片(蘇木精-伊紅染色，×100)Fig.3 Intestinal tissues morphologic development of mice in three groups

圖4 3組回腸及結(jié)腸絨毛長(zhǎng)度、腸腺深度 Fig.4 The depth of crypt in ileum of mice in three groups

等級(jí)聚類曲線(rank abundance)以O(shè)TUs的排序編號(hào)為橫坐標(biāo)，OTUs中的相對(duì)豐度為縱坐標(biāo)。曲線在橫軸上的跨度越大，其物種豐富度越高，垂直方向曲線越平滑表示樣本的物種分布越均勻。由圖5可知，第一周投用抗生素后，實(shí)驗(yàn)組和空白組的物種豐富度和均勻度相似，而抗生素組物種豐富度大于實(shí)驗(yàn)組和空白組。停止抗生素干預(yù)，第四周3組曲線走向一致，物種豐富度和均勻度相似。

Alpha多樣性通常用于分析各組內(nèi)微生物群落多樣性，是反映豐富度和均勻度的綜合指標(biāo)。Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)都是用來估算樣品中微生物多樣性指數(shù)之一。其值越大，說明群落多樣性越高?？股赝队靡恢芎螅瑢?shí)驗(yàn)組和抗生素組的Shannon指數(shù)，Simpson指數(shù)均顯著降低(P＜0.05)(表2)。相較于抗生素組，實(shí)驗(yàn)組的Shannon指數(shù)，Simpson指數(shù)有增高趨勢(shì)。第一周實(shí)驗(yàn)組和抗生素組的Shannon指數(shù)及Simpson指數(shù)顯著降低表明，抗生素的投用降低了受試小鼠腸道菌群多樣性，引起了腸道菌群紊亂。停止干預(yù)3周后，抗生素組的Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)均顯著地高于空白組和實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)組的Simpson指數(shù)與空白組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明抗生素造成的腸道菌群紊亂在抗生素停用3周內(nèi)無法完全得到自然恢復(fù)、同時(shí)使用鼠李糖乳桿菌有利于紊亂的腸道菌群恢復(fù)到正常水平。3組樣品的goods_coverage均在0.99以上，表明樣品測(cè)序深度足夠，覆蓋率高。

表1 糞便細(xì)菌濃度 (log10 CFU/g)Tab.1 Fecal bacteria concentration of mice in three groups

圖5 3組等級(jí)聚類曲線比較 Fig.5 Rank abundance of three groups

表2 各組糞便樣品群落多樣性比較Tab.2 Fecal bacteria diversity analysis of three groups

2.6 小鼠腸道菌群組成分析

Venn圖是根據(jù)OTUs聚類分析結(jié)果制成，可用于分析不同組間共有及特有的OTUs。由圖6可知，第一周抗生素干預(yù)后，3組共有物種有221種，其中空白組和實(shí)驗(yàn)組的特有物種分別為59種和69種，而抗生素組有680種特有物種?？股亟M特有物種顯著高于空白組和實(shí)驗(yàn)組，表明單獨(dú)使用抗生素后原本優(yōu)勢(shì)菌群可能受到抑制，使某些原本處于抑制狀態(tài)的菌種(多數(shù)為條件致病菌)異常生長(zhǎng)。停止干預(yù)3周后，3組共有物種增加到283種，此時(shí)空白組有152種特有物種，而實(shí)驗(yàn)組和抗生素組分別有60種和79種。

圖6 各組小鼠糞便樣品Venn圖Fig.6 Venn graph of three groups

圖7 門水平上的物種相對(duì)豐度柱形圖Fig.7 OUT relative abundance of three groups at the phylum level

觀察3組門水平上的群落結(jié)構(gòu)組成情況(圖7)。第一周，空白組主要為厚壁菌門(37.78%)和擬桿菌門(60.75%)。而實(shí)驗(yàn)組和抗生素組主要為厚壁菌門。停止干預(yù)3周后，空白組依舊以厚壁菌門(45.58%)和擬桿菌門(53.54%)為主。此時(shí)實(shí)驗(yàn)組和抗生素組的厚壁菌門有所減少，實(shí)驗(yàn)組腸道中以厚壁菌門(56.78%)、擬桿菌門(28.83%)和疣微菌門(13.99%)為優(yōu)勢(shì)菌；抗生素組菌群相對(duì)豐度依次為厚壁菌門(63.38%)、擬桿菌門(22.57%)和疣微菌門(13.53%)。組間差異物種分析，門水平上第一周實(shí)驗(yàn)組有3類菌群與空白組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，抗生素組有7類菌群。停止干預(yù)3周后實(shí)驗(yàn)組有2類菌群相對(duì)豐度與空白組存在差異，而抗生素仍有4類菌群。從屬水平上看(圖8)，第一周實(shí)驗(yàn)組Lactobacillus屬的相對(duì)豐度高于抗生素組和空白組，但停止投用鼠李糖乳桿菌懸液后，第四周實(shí)驗(yàn)組Lactobacillus屬相對(duì)豐度明顯減少。組間差異物種分析，第四周抗生素組Parasutterella、Alistipes、Parabacteroides屬的相對(duì)豐度大于空白組，而實(shí)驗(yàn)組與空白組無差異。實(shí)驗(yàn)組Lactobacillus屬相對(duì)豐度顯著小于空白組和抗生素組(P＜0.05)。

主坐標(biāo)分析(PCoA)是通過一系列的特征值和特征向量排序從多維數(shù)據(jù)中提取出最主要的元素和結(jié)構(gòu)。橫坐標(biāo)表示一個(gè)主成分，縱坐標(biāo)表示另一個(gè)主成分，百分比表示主成分對(duì)樣本差異的貢獻(xiàn)值；圖中每個(gè)點(diǎn)表示一個(gè)樣本，同一組的樣本使用同一種顏色表示。樣本距離越接近，表示物種結(jié)構(gòu)越相似，因此群落結(jié)果相似度高的樣本傾向于聚集在一起，群落差異很大的樣本則會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)分開。由圖9可知，第一周的實(shí)驗(yàn)組和空白組以及第四周的3組能聚集在一起，群落結(jié)果相似度高。而第一周的抗生素組樣本與其他組遠(yuǎn)遠(yuǎn)分開，群落差異較大。

3 討論

近年來，人們對(duì)抗生素的副作用日益關(guān)注，尤其是其對(duì)兒童青少年的影響。有研究表明抗生素對(duì)正常成年人腸道菌群的影響是短暫可逆的，但由于生命早期是機(jī)體腸道菌群更替成熟的特殊時(shí)期，抗生素對(duì)兒童青少年的影響更加深遠(yuǎn)更加長(zhǎng)久[12]?？股卦诂F(xiàn)代醫(yī)療中占有舉足輕重的作用，因此尋找改善抗生素引起的腸道菌群失調(diào)的方法至關(guān)重要。本實(shí)驗(yàn)用頭孢曲松持續(xù)灌胃四周齡小鼠一周，造成生命早期腸道細(xì)菌群紊亂模型并使用益生菌干預(yù)，研究益生菌對(duì)菌群紊亂的改善效果。

圖8 屬水平上的物種相對(duì)豐度柱形圖Fig.8 OUT relative abundance of three groups at the genus level

圖9 3組主坐標(biāo)分析(PCoA) Fig.9 Principal co-ordinates analysis of three groups

研究結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)18d及之前抗生素組的體重低于空白組，表明抗生素對(duì)幼鼠體重增長(zhǎng)有負(fù)面作用。停止干預(yù)后，益生菌組體重恢復(fù)速度快于抗生素組。體重的增長(zhǎng)與機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)攝入有關(guān)，腸道是機(jī)體消化吸收的重要部位。腸黏膜形態(tài)結(jié)構(gòu)的完整性是腸道發(fā)揮功能的基礎(chǔ)保障，絨毛高度、隱窩深度是反映腸黏膜形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性的重要指標(biāo)。比較3組腸道病理形態(tài)，結(jié)果顯示，抗生素組隱窩深度低于空白組，證實(shí)了抗生素對(duì)腸道形態(tài)學(xué)的影響，這與之前的研究一致[4]。而實(shí)驗(yàn)組與空白組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明益生菌的投用能一定程度上逆轉(zhuǎn)抗生素所引起的腸道黏膜結(jié)構(gòu)的改變。肝臟具有代謝解毒的功能，是新陳代謝的重要器官，肝臟臟器系數(shù)比較，抗生素組低于空白組和實(shí)驗(yàn)組，也說明了抗生素對(duì)機(jī)體的損害作用和益生菌的恢復(fù)作用。

腸道微生物和機(jī)體是一種相互依存相互制約的關(guān)系，當(dāng)微生態(tài)處于平衡狀態(tài)時(shí)，腸道內(nèi)正常微生物菌群對(duì)腸道的結(jié)構(gòu)和功能起著至關(guān)重要的作用[13]。本研究中抗生素干預(yù)一周后，抗生素組和實(shí)驗(yàn)組的受試小鼠糞便菌群總量均顯著低于空白組，停止干預(yù)后受試小鼠糞便細(xì)菌濃度迅速增長(zhǎng)?？瞻捉M糞便細(xì)菌濃度從第一周到第四周均數(shù)逐漸降低，第四周糞便細(xì)菌濃度低于第一周，表明隨著年齡的增長(zhǎng)，糞便細(xì)菌濃度有一個(gè)降低的過程。第四周，實(shí)驗(yàn)組受試小鼠糞便細(xì)菌濃度低于空白組和抗生素組，說明鼠李糖乳桿菌樣的益生菌早期干預(yù)可能會(huì)以某種方式影響糞便細(xì)菌的增殖，甚至低于自然恢復(fù)的抗生素組。

等級(jí)聚類曲線能直觀的反映3組糞便細(xì)菌的物種豐富度和均勻度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，抗生素干預(yù)一周后，抗生素組曲線平滑橫軸跨度大，與空白組相比差異較大，表明抗生素對(duì)菌群的紊亂作用；實(shí)驗(yàn)組益生菌干預(yù)后，與空白組曲線走向相似，說明就物種豐富度和均勻度來看，在抗生素紊亂腸道菌群的同時(shí)投用益生菌，有利于腸道菌群的平衡。第四周，3組曲線走向相似，表明即使不使用益生菌干預(yù)，機(jī)體也有一定的自愈能力。但在抗生素紊亂的同時(shí)給與益生菌改善治療有利于機(jī)體腸道菌群及時(shí)恢復(fù)。另外，第4周實(shí)驗(yàn)組的Simpson指數(shù)與空白組無差異，抗生素組Simpson指數(shù)高于空白組和實(shí)驗(yàn)組；Shannon指數(shù)比較，抗生素最高，實(shí)驗(yàn)組次之，空白組最低。這些結(jié)果也表明了抗生素對(duì)菌群的紊亂作用和益生菌對(duì)其的改善效果。研究結(jié)果可以看出相較于空白組第一周抗生素組物種豐富度增高，物種分布更均勻，4周后抗生素組腸道菌群多樣性更高?？股氐氖褂靡鹁憾鄻有蕴岣哂锌赡苁怯捎谕队每股匾种屏藘?yōu)勢(shì)菌群的生長(zhǎng)，使原來被抑制的微量存在的菌種(其中不少屬于條件病原菌)異常生長(zhǎng)，可能會(huì)有害宿主健康，這種變化甚至在抗生素停止使用仍在繼續(xù)。本研究結(jié)果表明抗生素導(dǎo)致腸道菌群的異常不僅表現(xiàn)在抗生素投用期間而且持續(xù)到生命的后期?，F(xiàn)有研究大多把物種分布均勻，豐富度及多樣性增高看作是衡量菌群健康的標(biāo)志，此次結(jié)果也說明今后在研究時(shí)不能僅以菌群豐富度、均勻度或多樣性作為衡量菌群穩(wěn)態(tài)的標(biāo)志，需參考其他信息綜合評(píng)判。

腸道菌群組成分析，在分類學(xué)門水平上無論是第一周還是第四周，實(shí)驗(yàn)組與空白組的差異均小于抗生素組與空白組的。屬水平上，第四周抗生素組Parasutterella、Alistipes、Parabacteroides的相對(duì)豐度大于空白組，而實(shí)驗(yàn)組與空白組無差異。Chen等[14]認(rèn)為Parasutterella的豐度與腸易激綜合征(irritable bowel syndrome, IBS)呈正相關(guān)關(guān)系；而Alistipes豐度與IBS患者腹部疼痛次數(shù)相關(guān)[15]，并且與體重、血脂水平呈正相關(guān)[16]。Parabacteroides作為條件致病菌具有一定的耐藥性與多種感染性疾病有關(guān)[17]。投用鼠李糖乳桿菌GG株菌懸液后，第一周Lactobacillus作為實(shí)驗(yàn)組的優(yōu)勢(shì)菌群，相對(duì)豐度明顯高于抗生素組和空白組，然而停止干預(yù)后第四周實(shí)驗(yàn)組Lactobacillus的相對(duì)豐度低于空白組和實(shí)驗(yàn)組，表明在抗生素紊亂腸道菌群的同時(shí)投用益生菌，可能會(huì)干擾益生菌的定植，使Lactobacillus的相對(duì)豐度甚至不如自然恢復(fù)的抗生素組。但益生菌的投用對(duì)菌群多樣性有所改善，說明單獨(dú)投用一種菌可能并不能使這種菌成為優(yōu)勢(shì)菌，而是通過某種方式改善了菌群結(jié)構(gòu)，其改善機(jī)制可能還需要進(jìn)一步的研究。

主坐標(biāo)分析比較3組微生物群落構(gòu)成，以期發(fā)現(xiàn)不同組間的差異。結(jié)果顯示第一周抗生素組聚類不如實(shí)驗(yàn)組，說明在抗生素干預(yù)的同時(shí)使用益生菌干預(yù)能幫助宿主迅速建立正常的菌落結(jié)構(gòu)，有效改善抗生素誘導(dǎo)的腸道菌群紊亂。盡管4周后3組群落結(jié)果相似度高，表明不使用益生菌機(jī)體腸道菌群自行也能恢復(fù)，但菌群群落結(jié)構(gòu)恢復(fù)不如實(shí)驗(yàn)組及時(shí)。

綜上，本研究證明生命早期投用抗生素能顯著影響體重及腸道組織發(fā)育，抗生素引起的菌群紊亂可能是機(jī)制之一。在抗生素干預(yù)的同時(shí)投用益生菌能有效抑制某些菌群的生長(zhǎng)，使腸道菌群結(jié)構(gòu)盡量保持穩(wěn)定，在一定程度上改善抗生素對(duì)機(jī)體的損傷作用。