Effects of Live Combined Bacillus subtilis and Enterococcus faecium on Gut Microbiota Composition in C57BL/6 Mice and in Humans

活的枯草芽孢桿菌和屎腸球菌對(duì) C57BL6 小鼠和人類(lèi)腸道菌群組成的影響

來(lái)源：Frontiers in Cellular and Infection Microbiology  February 2022 | Volume 12 | Article 821662

 

一、摘要概述

 

本研究探索了枯草芽孢桿菌R-179（B. subtilis R-179）與屎腸球菌R-026（E. faecium R-026）聯(lián)合制劑（LCBE）對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)作用及其健康效應(yīng)：

 

核心發(fā)現(xiàn)：LCBE通過(guò)降低腸道氧化還原電位（Unisense電極測(cè)量）、促進(jìn)短鏈脂肪酸（SCFA）生成（圖2），顯著改善高脂飲食小鼠的血脂代謝（總膽固醇降低，圖3），并調(diào)節(jié)腸道菌群組成（厚壁菌門(mén)/擬桿菌門(mén)比值降低，阿克曼菌屬和雙歧桿菌屬豐度增加，圖4）。

 

 

 

 

 

 

作用機(jī)制：

 

LCBE與低聚糖（如GOS）協(xié)同促進(jìn)厭氧益生菌（如雙歧桿菌、丁酸梭菌）增殖（表1）。

 

 

通過(guò)降低腸道氧化環(huán)境（表2），創(chuàng)造利于有益菌生長(zhǎng)的微環(huán)境。

 

 

跨物種驗(yàn)證：人體糞便體外發(fā)酵實(shí)驗(yàn)證實(shí)LCBE增加乳桿菌和雙歧桿菌豐度，降低大腸桿菌-志賀菌屬（圖5）。

 

 

二、研究目的

 

解決兩大科學(xué)問(wèn)題：

 

機(jī)制不明確：LCBE（商品化益生菌組合）對(duì)腸道菌群的具體調(diào)節(jié)機(jī)制尚未系統(tǒng)研究。

 

應(yīng)用場(chǎng)景拓展：探究LCBE能否通過(guò)調(diào)節(jié)菌群改善高脂飲食誘導(dǎo)的代謝紊亂（如高膽固醇血癥）。

 

三、研究思路

 

采用體外-體內(nèi)-人體驗(yàn)證三級(jí)研究框架：

 

體外實(shí)驗(yàn)：

 

測(cè)試LCBE在12種寡糖中的生長(zhǎng)曲線（圖1）及SCFA產(chǎn)量（圖2）。

 

 

與厭氧菌（長(zhǎng)雙歧桿菌、丁酸梭菌）共培養(yǎng)，評(píng)估共生關(guān)系（表1）。

 

Unisense電極測(cè)量氧化還原電位（表2），分析腸道微環(huán)境變化。

 

小鼠模型：

 

高脂飲食誘導(dǎo)高血脂C57BL/6小鼠，給予LCBE±低聚半乳糖（GOS）干預(yù)8周。

 

檢測(cè)血脂（圖3）、腸道菌群（16S rRNA測(cè)序，圖4）。

 

人體驗(yàn)證：

 

10名健康人糞便體外發(fā)酵，分析LCBE對(duì)菌群組成的影響（圖5）。

 

四、測(cè)量的數(shù)據(jù)及其研究意義

1. 菌株生長(zhǎng)與共生關(guān)系（體外）

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖1（生長(zhǎng)曲線）、表1（共培養(yǎng)活菌計(jì)數(shù)）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

GOS和FOS顯著促進(jìn)E. faecium和B. subtilis生長(zhǎng)（圖1A-B）。

 

LCBE與厭氧菌共培養(yǎng)時(shí)，丁酸梭菌活菌數(shù)提升4倍（表1）。

 

研究意義：證實(shí)LCBE與腸道厭氧益生菌存在共生關(guān)系，為聯(lián)合應(yīng)用提供依據(jù)。

 

2. 短鏈脂肪酸（SCFA）生成

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2（SCFA產(chǎn)量）、表3（人體發(fā)酵SCFA）。

 

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

LCBE+GOS組丁酸產(chǎn)量最高（圖2F），人體發(fā)酵中LCBE提升異丁酸濃度（表3）。

 

研究意義：SCFA（尤其丁酸）是腸道屏障功能關(guān)鍵能源，直接關(guān)聯(lián)代謝健康。

 

3. 氧化還原電位變化（核心機(jī)制）

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：表2（Unisense電極數(shù)據(jù)）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

LCBE共培養(yǎng)組氧化還原電位降至353.5 mV（vs. 空白組550.5 mV）。

 

研究意義：首次量化LCBE對(duì)腸道氧化微環(huán)境的調(diào)節(jié)能力，為益生菌改善缺氧環(huán)境提供直接證據(jù)。

 

4. 動(dòng)物模型效果

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖3（血脂）、圖4（菌群）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

LCBE+GOS顯著降低小鼠總膽固醇（圖3B）。

 

厚壁菌門(mén)/擬桿菌門(mén)比值從1.8降至0.3，阿克曼菌屬豐度增加（圖4A）。

 

研究意義：證實(shí)LCBE通過(guò)菌群調(diào)節(jié)改善高脂飲食誘導(dǎo)的代謝紊亂。

 

5. 人體菌群調(diào)節(jié)

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖5（菌群組成）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

LCBE處理組乳桿菌和雙歧桿菌增加，大腸桿菌-志賀菌屬減少（圖5B-C）。

 

研究意義：跨物種驗(yàn)證LCBE的益生作用，支持其臨床轉(zhuǎn)化潛力。

 

五、結(jié)論

 

機(jī)制層面：

 

LCBE通過(guò)降低腸道氧化還原電位（表2），創(chuàng)造厭氧環(huán)境促進(jìn)有益菌（雙歧桿菌、阿克曼菌）定植。

 

與GOS協(xié)同提升SCFA（尤其丁酸）產(chǎn)量，改善腸道屏障功能。

 

健康效應(yīng)：

 

顯著降低高脂飲食小鼠血膽固醇（圖3），調(diào)節(jié)菌群平衡（F/B比值↓）。

 

人體腸道模型中抑制致病菌（大腸桿菌-志賀菌屬），增強(qiáng)益生菌。

 

應(yīng)用價(jià)值：LCBE可作為代謝綜合征（如高血脂）的輔助干預(yù)手段。

 

六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

1. 測(cè)量方法與數(shù)據(jù)位置

 

技術(shù)原理：使用Unisense Ag/AgCl參比電極（方法2.5），在厭氧條件下測(cè)量發(fā)酵液氧化還原電位（Eh），精度達(dá)±1 mV。

 

檢測(cè)場(chǎng)景：

 

體外發(fā)酵系統(tǒng)：24小時(shí)厭氧培養(yǎng)后測(cè)量上清液Eh（表2）。

 

校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)：以飽和醌氫醌緩沖液（pH 4/7）為基準(zhǔn)，數(shù)據(jù)換算至標(biāo)準(zhǔn)氫電極。

 

2. 關(guān)鍵結(jié)果與機(jī)制關(guān)聯(lián)

 

結(jié)果：

 

LCBE共培養(yǎng)組Eh=353.5 mV，顯著低于單菌組（B. subtilis: 439.7 mV; E. faecium: 430.7 mV）。

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)：

 

低Eh值（還原環(huán)境） 直接促進(jìn)厭氧益生菌（如雙歧桿菌）生長(zhǎng)，抑制好氧致病菌。

 

解釋LCBE提升丁酸梭菌活性的原因（表1）：丁酸梭菌為嚴(yán)格厭氧菌，依賴低Eh環(huán)境。

 

3. 研究意義

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

 

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：避免傳統(tǒng)培養(yǎng)法的延時(shí)誤差，精準(zhǔn)反映微環(huán)境變化。

 

微創(chuàng)原位檢測(cè)：電極可直接插入發(fā)酵體系，模擬腸道真實(shí)環(huán)境。

 

科學(xué)價(jià)值：

 

首次揭示LCBE通過(guò)耗氧降低Eh的機(jī)制：B. subtilis消耗游離氧，E. faecium代謝產(chǎn)還原物質(zhì)。

 

為益生菌制劑優(yōu)化提供關(guān)鍵參數(shù)（如Eh<-300 mV為理想?yún)捬蹰撝担?

 

臨床啟示：腸道Eh可作為益生菌療效的生物標(biāo)志物，指導(dǎo)個(gè)體化干預(yù)。

 

總結(jié)：本研究通過(guò)Unisense電極等多項(xiàng)技術(shù)，闡明LCBE通過(guò)調(diào)節(jié)氧化還原電位重塑腸道微環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)有益菌增殖、改善代謝健康的作用機(jī)制。其跨物種驗(yàn)證（小鼠-人體）為L(zhǎng)CBE的臨床應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)證據(jù)。