肠道共生菌代谢物有助于抗感染

肠道微生物群提供对病原体的定殖抗性，限制病原体的扩张和传播。肠道共生菌群可通过间接和直接机制介导对细菌病原菌的定植抗性，间接机制主要是通过参与和激活抗菌宿主免疫途径，改变上皮和免疫细胞功能来促进抗病原体免疫，直接机制主要是共生微生物通过直接的微生物相互作用限制肠道病原体的定植和扩张。

肠道微生物群控制沙门氏菌的扩张和粪便排出

选择129X1/SvJ（129）和C57BL/6 nramp1^+/+（B6N）两种同系小鼠评估肠道沙门氏菌感染动力学，感染21天后，两种小鼠肝脏、脾脏、肠系膜淋巴结、小肠处定植的细菌量具有相似的水平，但在盲肠和结肠处，129小鼠的鼠伤寒沙门氏菌定植量明显高于B6N小鼠，且从感染后7天开始，129小鼠粪便中鼠伤寒沙门菌的含量显著高于B6N小鼠。为了探究其原因，用B6N小鼠的粪便替换了129小鼠的肠道微生物，发现粪菌移植（FMT）后的129小鼠对鼠伤寒沙门氏菌产生了定植抗性。

鼠伤寒沙门氏菌定植抗性机制探究

为了深入了解两种不同品系的小鼠定植抗性差异的机制，使用16S rRNA测序分析了肠道细菌群落的变化，群落组成的分析揭示了B6N小鼠肠道中有丰富的拟杆菌属。体外实验证实来自人类以及B6N小鼠的拟杆菌属的分离株限制了鼠伤寒沙门氏菌的生长，并且这种生长限制是拟杆菌属特有的，因为其他菌属如普雷沃氏菌属、梭菌属等不限制鼠伤寒沙门氏菌的生长。在肠道中，拟杆菌属会将复合糖发酵成许多副产物，包括短链脂肪酸（SCFAs）等。通过测量B6N和129小鼠粪便中SCFAs的含量，发现甲酸盐、乙酸盐和丁酸盐在两种小鼠体内的含量是相似的，唯独丙酸盐的含量，B6N小鼠是129小鼠的3倍多。

为了进一步验证丙酸盐是否是抑制鼠伤寒沙门氏菌生长的必要条件，利用先前确定的Bt缺失株（不能产生丙酸盐）和WT Bt野生型菌株（能正常产生丙酸盐）做试验，结果发现鼠伤寒沙门氏菌的生长不受缺失株的限制，而野生型菌株能良好的限制鼠伤寒沙门氏菌的生长。这些结果表明拟杆菌属产生的丙酸盐对于限制鼠伤寒沙门氏菌的生长是必需的。

丙酸盐调节鼠伤寒沙门氏菌定植抗性的具体机制

以往的研究表明丙酸盐可以通过抑制三型分泌系统（T3SS）的表达从而减弱沙门氏菌的毒力，因此猜测丙酸盐可能通过该机制来调节对鼠伤寒沙门氏菌的定植抗性。通过对129小数和用抗生素预处理的C57小数注射1:1混合的野生型菌株和T3SS缺失株（△orgA），结果表明鼠伤寒沙门氏菌在129小鼠体内的早期定植并不是由T3SS决定的。为了探究丙酸盐是通过激活宿主免疫的间接机制还是直接限制病原菌定植的直接机制，通过测定小鼠的各项免疫指标，发现实验组与对照组没有区别。进一步探究发现当丙酸盐浓度较高时，能通过降低细胞内的pH值，并延长细胞第一次分裂的时间，使得鼠伤寒沙门氏菌不能启动正常的细胞功能，从而对鼠伤寒沙门氏菌的定植具有直接的抑制作用，进一步抑制鼠伤寒沙门氏菌的生长。

图1 肠道共生菌拮抗沙门氏菌定植扩张的机制图^[1]

关键发现

（1）宿主菌群的组成控制肠道沙门氏菌感染；

（2）拟杆菌属产生的丙酸盐介导对沙门氏菌的定植抗性；

（3）丙酸盐通过破坏细胞内pH稳态限制沙门氏菌的生长。

结论

肠道共生菌属拟杆菌属细菌产生丙酸盐这一短链脂肪酸，通过扰乱鼠伤寒沙门氏菌的细胞内酸碱平衡来阻碍其生长，产生抵御该致病菌感染的定植抗性。这些结果表明或许可以通过改变肠道微生物环境来控制某些病原菌，从而替代使用抗生素进行治疗。

参考文献：

[1] Jacobson, A. et al. A Gut Commensal-Produced Metabolite Mediates Colonization Resistance to Salmonella Infection. Cell Host & Microbe. 2018, 24(2): 296-307.e7. doi: 10.1016/j.chom.2018.07.002.