粪菌移植改变肠道菌群及宿主免疫应答预防小鼠溃疡性结肠炎的作用和机制

The dysbiosis of gut microbiota and intestinal immune system disorders are associated with the development of inflammatory bowel disease. Clinical case studies suggest that fecal microbiota transplantation (FMT) induces remission in patients with active ulcerative colitis (UC), and at the same time increases short chain fatty acids (SCFAs)-producing bacteria. However, the molecular mechanism of FMT in alleviating UC is unclear. We speculate that FMT can change gut microbiota composition and SCFAs metabolism, regulate host intestinal immune response, and then alleviate UC. Therefore, we will use chronic colitis mouse model induced by dextran sulfate sodium to study the preventive effects on UC of FMT with (1) clinically effective human flora associated transplant, (2) fecal transplant with enrichment of SCFAs-producing bacteria in vitro, and (3) artificial bacterioflora which consists of the SCFAs-producing strains isolated from healthy human feces, apply metagenomics methods to analyze how FMT changes gut microbial composition and functional genes, perform gene expression profile analysis and quantitative PCR to study the regulative effects of FMT in intestinal immune system, and adopt gas chromatography to detect SCFAs changes by FMT. This project aims to identify the microbial and molecular biomarkers associated with improvement of colitis through FMT, explore the potential molecular mechanism by which gut microbiota changed by FMT regulates host intestinal inflammation, and provide theoretical basis for raising the efficiency of FMT treatment of UC.

肠道菌群结构失调和肠道免疫系统紊乱是炎症性肠病的病因。临床研究表明，粪菌移植减轻溃疡性结肠炎症状，同时提高短链脂肪酸产生菌含量，但其减轻结肠炎的分子机制尚不清楚。我们推测粪菌移植可改变肠道菌群组成和短链脂肪酸代谢、调节宿主肠道免疫应答，进而减轻溃疡性结肠炎。为此，本研究应用葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎小鼠模型研究（1）具有临床治疗效果的人源粪菌移植物、（2）体外富集短链脂肪酸产生菌的粪菌移植物、（3）从健康人粪便分离的短链脂肪酸产生菌混合制成的人工菌群对结肠炎的预防作用，运用元基因组学方法研究粪菌移植对肠道菌群组成和功能基因的改变，利用基因表达谱和定量PCR分析粪菌移植对肠道免疫系统的调节，采用气相色谱检测短链脂肪酸的变化。本研究旨在鉴定与粪菌移植改善结肠炎相关的微生物/分子作用靶点，探索粪菌移植重塑肠道细菌、调节宿主肠道炎症的潜在分子机制，为提高粪菌移植治疗溃疡性结肠炎的有效率提供理论依据。

临床研究表明，粪菌移植可以减轻结肠炎，但是效果不稳定，同时其机制尚不清楚。因此，本研究应用葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎小鼠模型，研究了粪菌移植以及从健康供体肠道中分离的特定细菌对结肠炎的减轻作用及机制。我们发现，在表型水平上，粪菌移植、单株细菌和混合菌株都可以减轻结肠炎。在病理学水平上，这5株细菌不仅能够减轻结肠淋巴细胞、巨噬细胞浸润和炎症因子的表达水平，还能提高紧密连接蛋白的表达水平进而修复肠屏障功能。并且，这5株细菌都调节了肠道菌群的组成，提高了Akkermansia muciniphila等保护肠屏障功能的细菌的丰度，降低了Bilophia，Desulfovibrio等破坏肠屏障功能的细菌的丰度。但是用抗生素敲降固有肠道菌群后，这5株细菌都不能减轻结肠炎和修复肠屏障功能，说明了固有肠道菌群是细菌减轻结肠炎的重要因素。我们进一步发现，固有肠道菌群产生的乙酸相对含量和结肠上的乙酸受体GPR43在细菌组提高，提示这5株细菌可能通过提高肠道菌群代谢物乙酸来发挥作用。此外，我们还利用无菌动物模型，验证了性别对粪菌移植后菌群定植的影响，雄性受体中定植了更多的抗炎细菌，雌性受体中定植了更多的丁酸盐产生菌和机会致病菌。另外，我们还鉴定出健康个体核心肠道细菌包括碳水化合物、氨基酸代谢细菌、免疫调节细菌和乳酸杆菌、双歧杆菌等常见潜在益生菌，这些关键核心细菌都有可能是粪菌移植发挥作用的靶点。这些结果为粪菌移植治疗结肠炎的临床应用提供了实验基础。项目研究成果在Scientific Reports和Frontiers in Microbiology期刊上发表论文2篇。