图 摘

标题：Bacteroides thetaiotaomicron: A symbiotic ally against diarrhea along with modulation of gut microbial networks via tryptophan metabolism and AHR-Nrf2 signaling / Bacteroides thetaiotaomicron：通过色氨酸代谢和AHR-Nrf2信号调节肠道微生物网络一起对抗腹泻的共生盟友

期刊：JOURNAL OF ADVANCED RESEARCH (高级研究杂志)

Online：2025.04.13

IF：11.4

腹泻是婴幼儿和幼年动物的主要健康威胁之一，尤其在断奶仔猪中，由于营养、生理和心理等多因素的应激，常导致肠道形态、功能及微生物群落结构的变化，进而引发腹泻。B. thetaiotaomicron作为一种重要的肠道共生菌，已被证实对肠道健康具有积极影响，但其在缓解腹泻中的具体作用机制尚不清楚。本研究通过构建断奶仔猪的应激性腹泻模型，探究了B. thetaiotaomicron对肠道微生物群落结构、代谢产物以及宿主肠道屏障和免疫功能的影响，旨在揭示其在肠道健康中的作用机制，为开发新的腹泻防治策略提供理论依据。

1. B. thetaiotaomicron在缓解腹泻中的作用机制

创新点：通过构建应激性腹泻模型，研究发现B. thetaiotaomicron不仅能显著降低腹泻率，还能改善肠道屏障功能和免疫反应。

关键发现：B. thetaiotaomicron通过调节肠道微生物群落结构和代谢物谱，特别是色氨酸代谢途径中的吲哚及其衍生物，显著增强了肠道屏障功能，降低了炎症反应，并减少了细胞凋亡。这些发现为理解B. thetaiotaomicron在肠道健康中的作用提供了新的理论基础。

2. 微生物代谢物的抗菌和抗炎功能

创新点：研究通过体外实验验证这些代谢物不仅能抑制多种病原菌的生长，还能通过破坏病原菌细胞膜来增强宿主的肠道屏障功能。

关键发现：B. thetaiotaomicron代谢物在TNF-α诱导的Caco-2细胞炎症模型中表现出显著的抗炎和抗凋亡效果。特别是吲哚及其衍生物，通过激活AHR-Nrf-2信号通路，显著增强了紧密连接蛋白和黏蛋白的表达，降低了促炎细胞因子的表达，并减少了细胞凋亡。这些结果为开发基于微生物代谢物的新型肠道健康干预策略提供了重要依据。

3. 微生物生态网络的调控作用

创新点：本研究通过微生物生态网络分析，揭示了B. thetaiotaomicron对肠道微生物群落结构和功能的调控作用。研究发现，B. thetaiotaomicron灌胃显著改变了结肠微生物群落的组成和网络结构，增加了网络的模块化和稳定性。

关键发现：B. thetaiotaomicron灌胃组中，Bacteroides属的丰度显著增加，并与生长性能和腹泻率呈显著相关性。此外，微生物网络分析显示，B. thetaiotaomicron灌胃增加了网络的模块化，增强了微生物群落的稳定性，表明B. thetaiotaomicron通过调节微生物生态网络来维持肠道健康。这些发现为理解肠道微生物群落的生态功能及其对宿主健康的影响提供了新的视角。

图1. B. thetaiotaomicron 灌胃对断奶仔猪应激性腹泻的影响

A：动物试验示意图。B：整个实验期间断奶仔猪的腹泻率。C：实验第0、14、28天断奶仔猪的体重。D：断奶仔猪粪便中Bacteroides属的数量变化。E：断奶仔猪血清中LPS的水平。F-G：空肠、结肠黏膜屏障相关基因的相对表达。H：结肠中免疫相关基因的相对表达。I：两组肠系膜淋巴结（MLN）的典型流式细胞术图谱。每个象限分别为：UL（左上），CD3+CD4-CD8+；UR（右上），CD3+CD4+CD8+；LR（右下），CD3+CD4+CD8-；LL（左下），CD3+CD4-CD8-。J：MLN中CD4+和CD8+ T淋巴细胞亚群的比例。K：MLN中CD4+/CD8+ T淋巴细胞比例。L-M：胸腺、脾脏中调节CD4+T细胞分化及相关炎症因子的关键基因的相对表达。N：MLN中调节CD4+T细胞分化及相关炎症因子的关键基因的相对表达。

图2. B. thetaiotaomicron 灌胃对断奶仔猪结肠微生物群落和功能的影响：与生长性能、腹泻发病率的关联以及对结肠微生物生态网络的影响

A：通过Welch's t检验确定的两组猪结肠中差异微生物分类单元。B：差异微生物分类单元（LEfse）与表型之间的相关性热图。相关性分析采用Spearman方法。红色表示正相关，蓝色表示负相关，颜色的强度反映了相关性的强弱。C：差异KEGG代谢途径的点状热图。D：差异KEGG代谢途径与表型之间的相关性热图。E 和 F：模块结构可视化。每个节点代表一个操作分类单元（OTU）。不同颜色表示不同的模块。微生物群落的共现网络使用Gephi进行可视化。G：微生物群落的经验MENs及其相关随机MENs的主要拓扑属性。Sigma (σ) = C/Cr / L/Lr，其中C和L分别是平均聚类系数和平均路径距离。Cr和Lr分别是等效随机图的平均聚类系数和平均路径距离。如果σ > 1，则网络通常被分类为小世界网络。H：两组之间关键随机网络属性的比较。

图3. B. thetaiotaomicron 体外培养基和接受B. thetaiotaomicron灌胃的仔猪结肠内容物的代谢组学分析

A：培养基中代谢物的主成分分析（PCA）。CON：未接种B. thetaiotaomicron的空白培养基，B：B. thetaiotaomicron培养基。Pos：正离子模式，Neg：负离子模式。B：B培养与CON培养的火山图。节点的折叠变化≤0.8333或≥1.2（P值<0.05）用红色标注，其余点用蓝色表示。C：B. thetaiotaomicron培养基中前25种差异代谢物属于特定的KEGG代谢途径。数字：对应途径中注释的代谢物数量。D：两组仔猪结肠内容物中代谢物的PLS-DA。R²X（解释预测变量中的方差），R²Y（解释响应变量中的方差），Q²Y（预测能力）。E：两组不同仔猪结肠内容物中代谢物的火山图。符合折叠变化>1.5且P值<0.05的代谢物用品红色表示，符合折叠变化<0.67且P值<0.05的代谢物用蓝色表示，未显示显著差异的代谢物用黑色表示。F：基于多变量（变量重要性投影，VIP > 1）和单变量（P < 0.05）统计分析，识别出36种具有显著变化的代谢物。G：差异代谢物与结肠免疫和肠道屏障功能相关基因表达之间的相关性热图。H：基于P < 0.05的代谢物与表型之间的相关性网络图，显示正相关（黄色实线）和负相关（灰色虚线）。I：基于差异代谢物，与CON组相比，B组猪结肠内容物中富集的KEGG途径。每个节点的大小代表富集比。富集比计算为命中数/预期命中数，其中命中数=观察到的命中数。

图4. B. thetaiotaomicron提取代谢物对五种常见猪病原菌生长的影响

A-E：B. thetaiotaomicron提取代谢物对产肠毒素大肠杆菌（ETEC）、大肠杆菌CVCC198、鼠伤寒沙门氏菌CVCC2141、鼠伤寒沙门氏菌ATCC14028和产气荚膜梭菌ATCC14028生长的影响。i：每组细菌的生长曲线。CON：阴性对照（基础培养基+病原菌），n=3；PC：阳性对照（基础培养基+病原菌+乙酸乙酯提取物），n=3；B：基础培养基+病原菌+B. thetaiotaomicron提取代谢物。n=6。ii：每组细菌的最大生长速率。iii：每组细菌达到对数生长期的时间。F：ETEC细胞与B. thetaiotaomicron提取代谢物或其他参考物共培养后的膜通透性测定。CON：在传统培养基中生长的ETEC，n=6；B.t提取物：在含有B. thetaiotaomicron提取代谢物的培养基中生长的ETEC，n=6；多粘菌素：在含有多粘菌素的培养基中生长的ETEC，n=6；CTAB：在含有十六烷基三甲基溴化铵的培养基中生长的ETEC，n=6。

图5. B. thetaiotaomicron代谢物对TNF-α诱导的Caco-2细胞肠道屏障、肠道炎症和细胞凋亡的影响

A：实验设计示意图。B-D：各组肠道屏障、炎症、细胞凋亡相关基因的相对表达。E：通过ELISA检测的炎症细胞因子和细胞凋亡相关蛋白的浓度。F：不同组的典型流式细胞术图谱。每个象限分别为：Q1，坏死细胞；Q2，凋亡晚期细胞；Q3，凋亡早期细胞；Q4，正常细胞。G：不同组Caco-2细胞的早期、晚期和总凋亡率。H：各组AHR-Nrf-2信号通路相关基因的相对表达。CON：用PBS处理26小时的Caco-2细胞，n=4；TNF-α：用PBS处理2小时后，再用150 ng/mL TNF-α处理24小时的Caco-2细胞，n=4；B：用1×B. thetaiotaomicron提取代谢物处理2小时后，再用PBS处理24小时的Caco-2细胞，n=4；B + TNF-α：用1×B. thetaiotaomicron提取代谢物处理2小时后，再用150 ng/mL TNF-α处理24小时的Caco-2细胞，n=4。

图6. 吲哚对TNF-α诱导的Caco-2细胞肠道屏障、肠道炎症和细胞凋亡的影响

A：实验设计示意图。B-D：各组肠道屏障、炎症、细胞凋亡相关基因的相对表达。E：通过ELISA检测的炎症细胞因子和细胞凋亡相关蛋白的浓度。F：不同组的典型流式细胞术图谱。每个象限分别为：Q1，坏死细胞；Q2，凋亡晚期细胞；Q3，凋亡早期细胞；Q4，正常细胞。G：不同组Caco-2细胞的早期、晚期和总凋亡率。H：各组AHR-Nrf-2信号通路相关基因的相对表达。CON：用PBS处理26小时的Caco-2细胞，n=4；TNF-α：用PBS处理2小时后，再用150 ng/mL TNF-α处理24小时的Caco-2细胞，n=4；In：用50.0 μM吲哚处理2小时后，再用PBS处理24小时的Caco-2细胞，n=4；In + TNF-α：用50.0 μM吲哚处理2小时后，再用150 ng/mL TNF-α处理24小时的Caco-2细胞，n=4。