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益生菌与粪便移植对抗生素后肠道黏膜微生物群的不同影响

作者:Zamir Halpern, Eran Segal, Eran Elinav来源:Cell

广州美格生物在微生物研究领域有着丰富的经验。咨询热线:18027152056


益生菌被广泛用于预防抗生素相关的失调和不良反应。然而,在使用抗生素后,益生菌对重建肠道粘膜宿主微生物生态的影响仍然难以捉摸。

我们深入地研究了在使用抗生素后,多菌株益生菌或自体粪便微生物移植FMT(简称粪便移植)对小鼠和人粘膜微生物生态重建的影响。

与体内稳态相反,抗生素扰动增强了益生菌在人体粘膜中的定植,但仅轻微改善小鼠的定植。

与抗生素后自发恢复相比,益生菌导致了显著延迟和持续不完全的原生排便和粘膜微生物群重建、以及宿主转录本恢复到稳态构型,而FMT可以在数天内诱导快速和几乎完全恢复。

在体外,乳酸杆菌分泌的可溶性因子有助于益生菌诱导的微生物抑制。

概括的说,抗生素后益生菌的潜在益处可能被受损的肠道粘膜恢复所抵消。

这表明需要开发一种FMT或个性化益生菌方法来实现粘膜保护,而不损害受抗生素干扰的宿主中的微生物重新克隆。

我们探讨了使用抗生素后,益生菌对小鼠和人的肠道腔、粘膜和粪便微生物组成和功能以及GI转录组的影响。

我们采用用广谱抗生素对小鼠和一群人类志愿者进行治疗,然后补充益生菌,进行自体粪便微生物移植FMT,或者让其随时间自然恢复。

我们发现,抗生素后益生菌肠道粘膜定植在小鼠和人类之间有显著的差异。

与稳态条件相比,在抗生素治疗下,“与人类相容的”益生菌方案在小鼠的定植上仅有轻微改善,而人类在此情况下表现出显著的定植改善。

重要的是,相对于自发重构或FMT, 抗生素后益生菌补充显著延迟了原生粪便和粘膜微生物(在小鼠和人中)的重建程度、以及肠道转录本向稳态构型(在人中)的逆转。

相比之下,在小鼠和人中,服用抗生素后, FMT实现了快速且接近完全的肠道粘膜微生物组再克隆,这与人类肠道转录组向其抗生素前构型的逆转有关。

小鼠实验设计

在小鼠中,我们用环丙沙星和甲硝唑的广谱抗生素方案给成年雄性野生型C57BL/6小鼠饮用水2周。在接触了2周抗生素后,解刨一组小鼠,评估抗生素对肠道粘膜微生物组构型的直接影响。

其余动物(n=30)分为三个抗生素后干预组。

在第一组“益生菌组”中,每天口腔灌胃含11个活性菌株的指定商业益生菌产品,4周。

第二组“FMT组”,每只小鼠在抗生素停止后的第二天,接受抗生素前的自身粪便微生物的口服灌胃。

第三组“自发性组”,在抗生素治疗之后仍然没有得到治疗,以评估在这种情况下,本身肠道微生物群的自发恢复。

另外一组“对照组”小鼠没有接受抗生素或任何其他治疗,并在整个研究期间进行跟踪。

通过16S rDNA和敏感物种特异性qPCR分析,抗生素治疗轻度增强小鼠肠道益生菌肠道定植。

结果表明,小鼠胃肠道内腔对益生菌的耐药性是由宿主微生物引起的。这种耐药性通过抗生素部分缓解。益生菌延迟而FMT改善原生小鼠微生物群的抗生素后重建。预期地,抗生素治疗导致粪便α多样性的急剧减少和粪便细菌群落结构的普遍破坏。

在三种抗生素后干预措施中,FMT在恢复粪便细菌丰富度方面最有效。

重要的是,在所有测试时间点,与自发恢复相比,益生菌显著延迟了恢复到基线微生物丰富度(图2A)。FMT在抗生素治疗后第28天恢复到基线(p=0.83;图2B),益生菌和自发恢复组在抗生素停止后的4周内均未能完全恢复到基线,而益生菌组的微生物具有最慢的恢复速度。

益生菌与粪便移植对抗生素后肠道黏膜微生物群的不同影响

图二


人体实验设计

我们着手确定11株益生菌或FMT如何影响抗生素后人腔和粘膜相关微生物的重建。

为此目的,我们对21名不服用益生菌的健康志愿者进行了前瞻性纵向干预研究(STAR方法),他们接受了为期7天的标准剂量的环丙沙星和甲硝唑口服广谱抗生素治疗(图3A)。抗生素治疗后,7名参与者被跟踪观察等待自发微生物群重建,6名参与者接受FMT(STAR方法),8名参与者接受上述11株益生菌制剂,每天两次给药,疗程为4周(图3A)。在21名参与者中进行两次内镜检查。在长达一周的抗生素疗程结束后,进行第一次结肠镜检查和深层内镜检查,从而确定整个胃肠道抗生素后细菌失活的特征。3周后(第21天)进行第二次结肠镜检查和深层内镜检查,以评估三个治疗臂中每个治疗臂的肠粘膜和肠腔重建程度(图3A)。多个粪便样本收集,如图3A所示的间隔,从抗生素停用起,至多6个月。总共收集了337个管腔,702个粘膜,557个粪便样本,以及362个区域活组织检查。

益生菌与粪便移植对抗生素后肠道黏膜微生物群的不同影响

图三


粪便16S rDNA分析表明,所有与益生菌相关的属在补充益生菌之前均在粪便中发现,而乳酸杆菌、乳球菌和链球菌在抗生素治疗后在RA中显著扩增。

所有四个益生菌属在益生菌补充期间与基线相比仍然显著升高,尽管没有进一步升高到抗生素后水平。在停止益生菌处理之后,与基线相比,没有一个属保持显著升高。

粪便物种特异性qPCR,一种最敏感的方法,显示当将11种益生菌放在一起考虑时,在益生菌施用期间粪便显著膨胀,当在食用期间单独分析时,11种益生菌中有7种从基线显著升高。

甚至在益生菌停止使用5个月后,补充益生菌的组的粪便中几种益生菌种类仍高于基线。


益生菌延缓、而FMT改善人粪便微生物群落的抗生素后重组


我们评估了三种抗生素后治疗方法对人类粪便微生物群重建的贡献。

我们首先利用基于粪便MetaPhlAn2物种的分析,来计算抗生素治疗期间或重建期间收集的粪便与基准粪便微生物组配置的粪便之间的Bray-Curtis差异指数。

值得注意的是,在抗生素治疗期间,各组与基线的差异增加了两倍多,反映了抗生素对粪便微生物群结构的巨大影响。

FMT治疗的个体最快恢复到基线构型,与基线相比,粪便成分差异在AFMT后1天消失(图4B)。

在自发性恢复组中,与基线相比,大便成分差异在抗生素停止后21天内显著降低(图4B)。

益生菌与粪便移植对抗生素后肠道黏膜微生物群的不同影响

图四

相比之下,在干预期结束时(第28天),消耗益生菌的个体没有恢复到它们的基准粪便微生物群配置,并且甚至在益生菌停止后5个月仍维持了生物失调,直到第180天收集的所有粪便样本与基准的差异仍然显著。


益生菌分泌分子对体外培养的人微粒体的抑制作用

这种抑制作用不仅仅由于益生菌的产酸作用,因为益生菌滤液具有与相对酸化的、非细菌暴露的培养基相加的抑制作用。

我们的结论是:

益生菌、粪便移植T对肠道微生物的不同影响

1. 益生菌对抗生素后肠道黏膜微生物群重构损伤

2. 自体粪便微生物移植则可以改善

3. 抗生素对小鼠肠道粘膜益生菌定居有轻度增强作用.

4. 抗生素对人类肠道粘膜益生菌的定居作用显著增强.

5. 使用抗生素后,益生菌延缓肠道微生物群和转录组的重建.

6. 粪便微生物移植FMT恢复粘膜微生物群和肠道转录组重建.



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参考文献

Post-Antibiotic Gut Mucosal Microbiome Reconstitution Is Impaired by Probiotics and Improved by Autologous FMT

Jotham Suez, Niv Zmora,Gili Zilberman-Schapira, ..., Zamir Halpern, Eran Segal, Eran Elinav




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