腸道菌群衍生的膽汁酸LCA通過(guò)調(diào)控鞭毛促進(jìn)益生菌Escherichia coli Nissle 1917生物膜形成及其致病菌競(jìng)爭(zhēng)能力

《npj Biofilms and Microbiomes》：A microbiota-derived bile acid modulates biofilm formation by the probiotic strain Escherichia coli Nissle 1917

【字體： 大 中 小 】 時(shí)間：2025年12月05日 來(lái)源：npj Biofilms and Microbiomes 9.2

　　

在人類(lèi)腸道這個(gè)充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中，益生菌如何成功定植并發(fā)揮有益作用一直是微生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。作為一款具有百年歷史的益生菌株，Escherichia coli Nissle 1917（EcN）被廣泛用于治療多種胃腸道疾病，但其在實(shí)際應(yīng)用中的效果卻存在個(gè)體差異。這可能源于我們對(duì)EcN在真實(shí)腸道環(huán)境中行為調(diào)控機(jī)制的理解尚不充分。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件與腸道實(shí)際環(huán)境相差甚遠(yuǎn)，而腸道中存在的眾多復(fù)雜因素，如膽汁酸等代謝物，很可能深刻影響EcN的生物學(xué)行為，尤其是其生物膜形成能力。生物膜被認(rèn)為是細(xì)菌在宿主表面穩(wěn)定定植并發(fā)揮益生作用的關(guān)鍵方式，但其在腸道內(nèi)的形成如何受到特定環(huán)境信號(hào)的調(diào)控，仍是一個(gè)待解之謎。

為了回答這些問(wèn)題，發(fā)表在《npj Biofilms and Microbiomes》上的這項(xiàng)研究，深入探究了人類(lèi)結(jié)腸中豐富的膽汁酸對(duì)EcN生物膜形成的影響。研究人員特別關(guān)注了由腸道菌群代謝產(chǎn)生的次級(jí)膽汁酸Lithocholic acid（LCA），發(fā)現(xiàn)其在生理相關(guān)濃度下能特異性地誘導(dǎo)EcN形成一種獨(dú)特的表面覆蓋型生物膜，這種生物膜甚至在源于人類(lèi)結(jié)腸類(lèi)器官的上皮細(xì)胞模型上也能夠形成。機(jī)制研究表明，LCA并非通過(guò)調(diào)節(jié)常見(jiàn)的胞外多糖或菌毛等基質(zhì)成分，而是通過(guò)上調(diào)鞭毛結(jié)構(gòu)蛋白的表達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)這一過(guò)程。鞭毛本身構(gòu)成了生物膜基質(zhì)的重要組成部分，并且其功能（而不僅僅是結(jié)構(gòu)）對(duì)于生物膜的形成至關(guān)重要。進(jìn)一步的功能實(shí)驗(yàn)表明，LCA誘導(dǎo)的生物膜形成能增強(qiáng)EcN在與某些腸道致病菌（如尿道致病性E. coli CFT073）競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的適應(yīng)性。這些發(fā)現(xiàn)揭示了腸道中一種豐富的微生物代謝物如何精確調(diào)控一種重要益生菌的定植相關(guān)行為，為理解益生菌的作用機(jī)制和開(kāi)發(fā)更有效的微生態(tài)干預(yù)策略提供了新的視角。

本研究的關(guān)鍵技術(shù)方法包括：使用模擬結(jié)腸營(yíng)養(yǎng)環(huán)境的YCFA培養(yǎng)基進(jìn)行體外培養(yǎng)；通過(guò)結(jié)晶紫染色定量生物膜形成；利用轉(zhuǎn)座子突變庫(kù)篩選和基因敲除技術(shù)鑒定相關(guān)基因；采用RNA測(cè)序（RNA-seq）和串聯(lián)質(zhì)譜標(biāo)記（TMT）定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析LCA的轉(zhuǎn)錄和翻譯調(diào)控作用；使用共聚焦顯微鏡和掃描電鏡觀察生物膜基質(zhì)結(jié)構(gòu)和鞭毛分布；建立人結(jié)腸類(lèi)器官來(lái)源的上皮單層細(xì)胞模型進(jìn)行細(xì)菌-宿主互作研究。

研究結(jié)果

Lithocholic acid觸發(fā)EcN形成表面覆蓋型生物膜

研究人員在模擬結(jié)腸環(huán)境的YCFA培養(yǎng)基中，測(cè)試了九種人類(lèi)胃腸道中主要的膽汁酸對(duì)EcN生物膜形成的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，次級(jí)膽汁酸LCA在25-100 μM的生理濃度范圍內(nèi)就能顯著促進(jìn)EcN生物膜的形成，而其他膽汁酸在相同濃度下則無(wú)此效應(yīng)。這種生物膜的形成對(duì)氧氣濃度不敏感，表明其可能在不同腸道區(qū)域都能發(fā)生。顯微鏡觀察顯示，LCA并非抑制細(xì)菌的自聚集，而是促使這些聚集物牢固地粘附到表面，并隨著濃度增加，逐漸形成連續(xù)的表面覆蓋層。

LCA誘導(dǎo)的EcN生物膜粘附主要由蛋白質(zhì)介導(dǎo)

對(duì)生物膜基質(zhì)成分的分析表明，細(xì)胞外DNA（eDNA）含量極少，且DNA酶處理不影響生物膜形成。相反，蛋白質(zhì)酶K處理則嚴(yán)重破壞生物膜，表明蛋白質(zhì)性因子在基質(zhì)粘附中起主要作用。雖然Calcofluor White染色顯示有纖維素存在，但纖維素合成基因bcsA的敲除僅導(dǎo)致生物膜形成輕度減少，說(shuō)明其貢獻(xiàn)次要。

LCA誘導(dǎo)EcN生物膜形成的機(jī)制是多因素的且不同于氣-液界面生物膜

通過(guò)靶向基因敲除和轉(zhuǎn)座子突變篩選，研究發(fā)現(xiàn)鞭毛基因（如fliC）的缺失對(duì)LCA誘導(dǎo)的生物膜形成造成嚴(yán)重缺陷，而其他多種粘附素和基質(zhì)成分基因的敲除則影響較小。值得注意的是，所有影響LCA誘導(dǎo)生物膜的突變也同時(shí)影響了不依賴于LCA的氣-液界面環(huán)狀生物膜的形成和/或細(xì)菌的自聚集行為，表明這些表型之間存在內(nèi)在聯(lián)系。脂多糖（LPS）核心結(jié)構(gòu)相關(guān)基因的突變也以多種方式影響生物膜形成，而莢膜多糖合成基因的突變則導(dǎo)致在無(wú)LCA情況下形成組成型生物膜。

鞭毛組分被LCA上調(diào)并參與生物膜胞外基質(zhì)

RNA-seq和蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在生物膜形成早期（180分鐘），LCA特異性地上調(diào)了鞭毛基因（如flgB）的表達(dá)，并且在蛋白質(zhì)水平上，多個(gè)II類(lèi)鞭毛蛋白也被LCA特異性上調(diào)。免疫熒光染色證實(shí)，鞭毛蛋白（FliC）在LCA誘導(dǎo)的生物膜基質(zhì)中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這表明LCA通過(guò)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后機(jī)制促進(jìn)鞭毛組分的產(chǎn)生，而鞭毛網(wǎng)絡(luò)是生物膜基質(zhì)的關(guān)鍵組成部分。

LCA誘導(dǎo)的生物膜形成影響抗生素耐受性和菌株間競(jìng)爭(zhēng)

LCA誘導(dǎo)形成的生物膜對(duì)高濃度ciprofloxacin（32倍MIC）的耐受性比浮游細(xì)胞高約20倍。在菌株競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)中，LCA能顯著提高EcN在與尿道致病性E. coli CFT073共同定植于表面時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)適應(yīng)性，但對(duì)其他測(cè)試的致病菌（如Salmonella Typhimurium）則無(wú)顯著影響，表明LCA的競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)作用具有菌株特異性。

LCA促進(jìn)EcN在人類(lèi)結(jié)腸上皮單層細(xì)胞上形成生物膜

在功能更接近人體腸道環(huán)境的人結(jié)腸類(lèi)器官來(lái)源的上皮單層細(xì)胞模型上，LCA同樣能顯著增強(qiáng)EcN的粘附并促進(jìn)其形成大面積的生物膜樣結(jié)構(gòu)，而非生物膜誘導(dǎo)型膽汁酸CDCA則無(wú)此效果。這證實(shí)了在無(wú)生命表面上的發(fā)現(xiàn)與在生理相關(guān)模型上的行為具有一致性。

結(jié)論與意義

本研究首次系統(tǒng)地揭示了次級(jí)膽汁酸LCA作為腸道環(huán)境中的關(guān)鍵信號(hào)分子，特異性調(diào)控益生菌EcN生物膜形成的現(xiàn)象及其分子機(jī)制。其重要意義在于：首先，闡明了LCA通過(guò)上調(diào)鞭毛組分表達(dá)這一非經(jīng)典途徑驅(qū)動(dòng)生物膜形成，鞭毛不僅作為運(yùn)動(dòng)器官，更作為基質(zhì)成分直接參與細(xì)菌粘附和生物膜構(gòu)建。其次，發(fā)現(xiàn)LCA的效應(yīng)具有菌株特異性，這為解釋益生菌療效的個(gè)體差異提供了新線索，因?yàn)閭�(gè)體間LCA水平的差異可能直接影響EcN的定植能力。再者，研究強(qiáng)調(diào)了在模擬腸道真實(shí)環(huán)境的條件下（如YCFA培養(yǎng)基、類(lèi)器官模型）進(jìn)行微生物行為研究的重要性，能夠發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)培養(yǎng)基中無(wú)法觀察到的表型。最后，該研究為靶向腸道代謝環(huán)境以增強(qiáng)益生菌療效的精準(zhǔn)微生態(tài)治療策略提供了理論依據(jù)，例如，對(duì)于LCA水平較低的患者（如炎癥性腸病患者），補(bǔ)充LCA或許能改善益生菌的定植和功能。總之，這項(xiàng)工作深化了我們對(duì)腸道微環(huán)境如何塑造益生菌行為的理解，為微生物組研究和應(yīng)用開(kāi)辟了新的方向。