FSHW | 有氧呼吸的乳酸乳球菌對沙門氏菌感染的影響

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Introduction

鼠傷寒沙門氏菌（S. Typhimurium）是引起全球食源性疾病的最常見致病菌之一，非傷寒沙門氏菌病在人類中造成的疾病負擔每年高達1.295億例,導致全球每年10萬～100萬人死亡,這其中就包括由S. Typhimurium引起的感染。S. Typhimurium能夠引起不同宿主從自限性胃腸炎到全身性感染的不同疾病，如腹瀉、腸炎、菌血癥和傷寒等；其可以利用腸道菌群產生的營養物質促進自身生長，通過引起炎癥，改變腸道菌群組成，從而為自身提供競爭優勢。目前，臨床上主要使用抗生素治療沙門氏菌感染，但它們的使用可能導致耐藥性和慢性腹瀉。

乳酸菌是一種益生菌，可以通過競爭定植位點，分泌細菌素、有機酸、短鏈脂肪酸和過氧化氫等抑菌物質，穩定腸屏障，調節腸道菌群平衡，激活宿主免疫等方式，在腸道內發揮抑菌作用，已有研究表明益生菌可以通過競爭氧氣抗沙門氏菌定植。乳酸乳球菌是乳酸菌的典型菌種之一，當外源添加血紅素時，乳酸乳球菌能夠進行有氧呼吸代謝，調節腸道菌群，發揮其抑菌作用，但其如何利用有氧呼吸調控宿主腸道氧氣，從而調節腸道菌群，預防和緩解S. Typhimurium感染的機制尚不明確。

故本文作者以S. Typhimurium為研究對象，有氧呼吸乳酸乳球菌乳亞種（Lactococcus lactis subsp. lactis，L. lactis）KLDS 4.0325為干預物質，探究其預防和緩解S. Typhimurium感染的作用和可能機制。為開發具有預防和緩解鼠傷寒沙門氏菌感染能力的益生菌制劑提供理論依據。

圖1L. lactisKLDS 4.0325緩解S. Typhimurium感染機制圖

Result and Discussion

L. lactisKLDS 4.0325血紅素攝取及糖代謝相關基因的表達

L. lactis KLDS 4.0325血紅素攝取相關基因hrltR和乳酸脫氫酶基因ldh表達水平、小鼠結腸缺氧情況、缺氧相關基因Hif1α、Tff3表達水平如圖2所示，其中40325H組（L. lactis KLDS 4.0325 + 血紅素）hrltR基因表達水平顯著高于40325C組（L. lactis KLDS 4.0325 + PBS）、40325H組ldh基因表達水平顯著低于40325C組，主要因為L. lactis KLDS 4.0325能夠攝取血紅素，并且糖代謝途徑也將從同型乳酸發酵轉變為異型發酵，乳酸含量減少。而圖2B-C得知，小鼠結腸組織中，40325H組的缺氧光密度值（MOD）、Hif1α、Tff水平顯著高于另外兩組，這是由于L. lactis KLDS 4.0325經歷有氧呼吸代謝，導致宿主腸道細胞缺氧、從而使Hif1α上調，進而誘導下游靶基因Tff3上調。以上說明了在血紅素存在的情況下，L. lactis KLDS 4.0325能夠進行有氧呼吸代謝。

圖2L. lactisKLDS 4.0325有氧呼吸需求

有氧呼吸L. lactisKLDS 4.0325緩解S. Typhimurium導致的小鼠結腸炎

小鼠結腸屏障功能相關基因、蛋白的表達水平、結腸細胞因子、血清細胞因子表達水平如圖3所示，其中40325H組的ZO-1基因和蛋白表達水平顯著高于M組（S. Typhimurium感染模型組），與對照組和40325H組水平相似；而40325H組的Occludin、Muc2基因和蛋白水平顯著低于M組，說明有氧呼吸L. lactis KLDS 4.0325通過上調ZO-1表達水平維持小鼠的腸道屏障，下調Occludin、Muc2水平來減少S. Typhimurium在小鼠腸道內的定殖，從而緩解小鼠由S. Typhimurium感染引起的結腸炎。由圖2C-E知，小鼠結腸40325H組的TNF-α（腫瘤壞死因子α）、IFN-γ（干擾素γ）、IL-1β（白細胞介素-1β）含量顯著低于M組，而IL-10、sIgA（分泌型免疫球蛋白A）含量高于M組，恢復至與C組（對照組）水平相似；小鼠血清中40325H組的LPS（脂多糖）、CRP（C-反應蛋白）、TNF-α、IL-1β含量顯著低于M組，與C組相似，而IL-10水平顯著高于M組，說明S. Typhimurium感染能改變小鼠結腸和血清中細胞因子的水平并導致全身性炎癥，但有氧呼吸L. lactis KLDS 4.0325可以通過下調或上調相關細胞因子從而緩解S. Typhimurium導致的炎癥。

圖3 有氧呼吸L. lactisKLDS 4.0325緩解S.Typhimurium導致的小鼠結腸炎

有氧呼吸L. lactisKLDS 4.0325影響小鼠自噬和NF-κB通路緩解S. Typhimurium導致的炎癥

小鼠自噬功能相關基因和蛋白、NF-κB通路相關基因和蛋白表達水平如圖4所示，40325H組自噬相關基因和蛋白LC3-α（微管相關蛋白輕鏈3）表達水平顯著高于M組，NF-κB通路相關基因和蛋白p65表達水平顯著低于M組，這是因為有氧呼吸L. lactis KLDS 4.0325激活自噬從而減少S. Typhimurium的腸道載量，并抑制NF-κB信號通路從而緩解腸道炎癥。

圖4 小鼠自噬及NF-κB通路相關基因和蛋白表達水平

有氧呼吸L. lactisKLDS 4.0325改善S. Typhimurium感染小鼠的腸道菌群結構

小鼠腸道菌群在門、屬水平上的變化以及M組和H組間的腸道菌群LEfSe分析如圖5所示，在門水平上，H組與N組（無處理小鼠）最為接近，其中厚壁菌門、擬桿菌門為小鼠腸道菌群的主要成分。LEfSe結果顯示，相比于H組，M組小鼠腸道菌群中變形菌門豐度顯著提高，包括腸桿菌屬、埃希氏-志賀氏菌屬和棲水菌屬等（LDA>2）；而與M組相比，H組小鼠腸道菌群中厚壁菌門豐度顯著提高，包括[Eubacterium]_coprostanoligenes_group屬、[Eubacterium]_xylanophilum_group屬和Lachnospiraceae_UCG-006屬等。上述結果表明，有氧呼吸L. lactis KLDS 4.0325可優化腸道菌群的物種組成，提高厚壁菌門中有益厭氧菌的豐度，下調有害變形菌門中兼性厭氧細菌的豐度，從而改善S. Typhimurium感染宿主的腸道菌群結構。

圖5 小鼠腸道菌群變化

Conclusion

有氧呼吸L.lactis KLDS 4.0325可預防小鼠S. Typhimurium感染。它能通過有氧呼吸代謝降低腸道內的氧含量，調整腸道菌群結構，下調有害微生物的數量，上調有益微生物的數量，引起腸道上皮細胞自噬，清除S. Typhimurium；抑制NF-κB通路，調節細胞因子降低腸道炎癥水平；增加腸道菌群的膽汁酸合成，降低病原體移動、毒力蛋白分泌、鞭毛組裝和LPS合成等途徑功能基因的豐度，以減輕S. Typhimurium引起的全身感染。機制圖見圖1。

第一作者

張鈺龍，男，現為東北農業大學食品學院工學碩士，主要研究方向為食品微生物、益生菌及后生元。以第一作者發表SCI論文2篇。

通信作者

劉飛，男，東北農業大學食品學院教授，主持各類科研項目10余項，包括國家自然科學基金面上項目、國家自然科學青年基金、國家重點研發計劃子課題、國家教育部課題、江蘇省“企業博士集聚計劃”、黑龍江省省屬高等學校基本科研業務費科研項目及與內蒙古乳業技術研究院有限公司等企業橫向合作課題。近五年以第一作者和通訊作者發表科研論文24篇，其中SCI收錄17篇，EI收錄2篇。獲得授權發明專利4項，獲得黑龍江省科學技術獎三等獎1項、黑龍江省高校科學技術獎二等獎1項。

Aerobic respiration Lactococcus lactis ameliorate Salmonella induced infection and intestinal dysfunctions by oxygen-scavenging and maintaining immune balance and regulating intestinal microbiota

Yulong Zhanga,1, Han Yanga,1, Zhiliang Chenga, Hui Haa, Fei Liua,*, Yuehua Jiaob,*

a Key Laboratory of Dairy Science, Ministry of Education, Food College, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China

b Center of Drug Safety Evaluation, Heilongjiang University of Chinese Medicine, Harbin 150040, China

1 Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

Salmonella grows better under aerobic conditions as a facultative anaerobic foodborne pathogenic bacteria. The oxygen-scavenging activity of Lactococcus lactis in the intestinal tract is a promising strategy for preventing Salmonella infection. In this study, the aerobic respiration requirement and preventive mechanism of L. lactis subsp. lactis KLDS 4.0325 in murine models infected by Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium (S. Typhimurium) SL1344 were investigated. Results indicate that L. lactis KLDS 4.0325 is capable of aerobic respiratory metabolism in the host intestine when exogenous heme exists, and decrease intestinal oxygen concentration, which in turn trigger autophagy of intestinal cells to reduce S. Typhimurium load, improve gut microbiota composition, alleviate intestinal barrier injury and inflammation response. These results suggest that aerobic respiration L. lactis KLDS 4.0325 can prevent S. Typhimurium infection in a new way in which by restoring intestinal cell hypoxia, maintaining immune balance and regulating intestinal flora.

Reference:

ZHANG Y L, YANG H, CHENG Z L, et al. Aerobic respiration Lactococcus lactis ameliorate Salmonella induced infection and intestinal dysfunctions by oxygen-scavenging and maintaining immune balance and regulating intestinal microbiota[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(6): 9250143. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250143.

本文編譯內容由作者提供

編輯：梁安琪；責任編輯：孫勇

封面圖片：攝圖網