哈尔滨医科大学药学院王爽/包红霞团队关于黏蛋白对合成肠道菌群体外动态相互作用的影响研究

肠道微生态对宿主健康至关重要，但在肠道黏液层中，微生物之间如何相互作用，目前尚缺乏深入了解。当前关于肠道微生态的认知，主要来源于基于富营养培养基的体外研究，但此类培养条件难以准确模拟真实的肠道黏膜微环境。本研究发现，当细菌只能利用黏蛋白作为唯一碳源时，不同菌种之间的合作性相互作用占主导地位；但加入单糖后，这种平衡被打破，细菌之间的竞争增加。黏蛋白可以缓解细菌之间的竞争性排斥，促进营养资源利用，提升菌群多样性。

哈尔滨医科大学药学院王爽/包红霞团队的研究证实了肠道黏液层能主动塑造肠道微生物相互作用的模式，从机制层面促进了对肠道微生态系统恢复力的理解。本研究结果也为构建更具生理相关性的体外模型提供了理论支持，这将有助于更好地预测肠道微生态的动态演变规律，有望为基于微生物组的精准医疗开发提供科学依据。相关研究发布于ASM期刊mSphere。

介绍

人体胃肠道中寄生着大量微生物，其种类众多、数量庞大，它们共同构成了肠道微生态，决定着人体健康状态。

肠道微生物主要包括5个细菌门：拟杆菌门（Bacteroidota，旧称Bacteroidetes）、芽孢杆菌门（Bacillota，旧称Firmicutes）、放线菌门（Actinomycetota，旧称Actinobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobiota）和假单胞菌门（Pseudomonadota，旧称Proteobacteria）。

在健康成年人的肠道微生态中，细菌种类通常超过150种，其中大多数隶属于上述细菌门。从胃到直肠，细菌密度沿胃肠道呈现出逐渐升高的梯度变化，大肠段的细菌密度最高（1011个细胞/克粪便）。

营养物质可获得性是影响肠道微生态组成与功能的关键因素。复杂碳水化合物，更确切地说，膳食纤维和宿主黏蛋白中的聚糖，是很多肠道细菌的主要能量来源。黏蛋白是黏液的核心组分，这是一种复杂的大分子糖蛋白，由肠上皮组织中的杯状细胞合成并分泌。大肠黏液层可分为内、外两层，内层致密，几乎无菌，外层疏松，定植着大量肠道微生物。定植于黏液层的微生物统称为黏膜相关细菌。研究表明，黏液层中的细菌类群丰富多样，包括来自拟杆菌属（Bacteroides）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）和梭菌属（Clostridium）的众多细菌；肠杆菌科（Enterobacteriaceae）细菌；以及嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）、普氏栖粪杆菌（Faecalibacterium prausnitzii）等特定菌种。在这些共生菌中，有些细菌可以降解黏液，如嗜黏蛋白阿克曼氏菌，有些细菌则不具有该功能，如大肠埃希氏菌（Escherichia coli）。这一发现提示在结肠黏液层内，细菌之间可能存在竞争或交叉互养相互作用。

黏液层结构完整性关乎宿主的健康状态。既往研究表明，黏液分泌减少或分泌异常可引起肠道炎症。当肠道内饮食营养物质充足时，微生物会减少对黏蛋白的降解；然而，当营养物质缺乏时，肠道微生物将利用黏蛋白作为替代能量来源。这种资源利用模式的转变很可能会改变肠道生态系统的相互作用网络。肠道微生物之间这种竞争、合作相互交织的复杂关系将决定着肠道微生态系统的微生物组成、稳定性及生态位可用性。

图3 双菌共培养实验中的细菌相互作用。

（A）双菌共培养实验设计流程图。

（B）在含黏蛋白的DMM培养基中，不同细菌（菌A和菌B）单独培养（单菌培养）和混合培养（共培养）的时间依赖性生长动态。以不同时间的log10 CFU/mL反映生长情况，按平均值（n＝3）和标准差（误差线）显示。图中不同颜色的曲线分别代表：菌A单菌培养（红色）、菌B单菌培养（绿色）、菌A共培养（黄色）和菌B共培养（蓝色）。星号表示终点分析结果具有统计学意义，结果见图C（非配对双侧Student's t检验；*P＜0.05，**P＜0.01，***P＜0.001，****P＜0.0001）。

（C–F）不同营养条件下两株细菌相互作用三角矩阵图及相互作用模式统计图。用48小时时间点单菌培养的CFU值除以共培养的CFU值，计算出每种菌株的相对丰度（R）。如果CFU比值显著增加（r＞1）或降低（r＜1）（P＜0.05），将相应的细菌相互作用模式记为正（+）或负（−）。如果CFU比值没有明显变化，将相互作用模式记为中性（0，r＝1）。在以下条件下测定了两株细菌的相互作用模式：（C）含0.5%黏蛋白的DMM培养基，（D）含0.5%黏蛋白和0.2%葡萄糖的DMM培养基，（E）BHIS培养基，（F）含0.5%黏蛋白的BHIS培养基。

本研究旨在探讨肠道营养物质可获得性如何影响肠道黏液环境中的微生物相互作用。我们构建了一个由6种黏膜相关细菌组成的合成微生物群落，以代表人体肠道微生态中的主要细菌门，并采用不同营养条件，考察了该合成群落中不同菌种之间的相互作用模式。研究发现，与寡营养条件相比，在富营养条件下，菌种之间的竞争性相互作用更为普遍。在体外和体内实验中，均观察到在加入黏蛋白聚糖后，菌种之间的负相互作用减少，正相互作用增加，从而促进了菌群多样性。本研究揭示了肠道细菌间复杂的动态相互作用，并进一步明确了营养物质可获得性和黏蛋白对肠道菌群结构及稳定性的调控作用。