ISME J?| 黃術強團隊揭示益生菌抵御沙門氏菌腸道感染的新機制

腸道致病菌感染是全球公共衛生領域的重大威脅之一。它不僅會破壞腸道菌群平衡、誘發炎癥反應，還會損傷腸上皮屏障，促使病原體和毒素轉移到血液中，引發全身性感染，甚至導致高死亡率。 腸道內的共生菌（如益生菌）在抵抗病原體 定 殖 方面發揮著關鍵作用。然而，以往研究多聚焦于微生物之間的 “ 相互廝殺 ” ，對于益生菌是否能夠主動調控宿主腸道上皮環境，從而構建起抵御外敵的物理屏障，仍缺乏深入的探討。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室 、 合成生物學研究所合成生物進化研究中心黃術強團隊 與寧波諾丁漢大學石泳團隊合作， 在國際微生物生態學會期刊The ISME Journal上發表了題為Cellular membrane proteinMipAfromE.coliNissle1917 protects againstSalmonellainfection的研究成果。

文章上線截圖

文章鏈接： https://academic.oup.com/ismej/advance-article/doi/10.1093/ismejo/wrag054/8519314

研究團隊 設計并制備了一種模擬腸道隱窩結構的微流控芯片裝置，通過 結合 仿生腸道芯片 與 體內小鼠模型， 研究 發現益生菌大腸桿菌 Nissle 1917 （ E cN ） 的保護效應高度依賴于其在腸道內的預定 殖 。研究闡明 ， 其外膜蛋白 MipA 能夠誘導宿主 腸 上皮細胞整合素連接激酶 （ ILK ）的 表達上調，從而增強細胞間緊密連接的完整性，有效限制 沙門氏菌 的感染。該研究不僅刷新了對益生菌 “ 定 殖 抗 性 ” 的認知 ，還揭 示了由特定益生菌蛋白觸發的上皮防御機制，更為開發針對腸道感染的預防新策略提供了理論依據。

“先下手為強”—— 小鼠 病原菌感染實驗發現益生菌“預防優于治療”

為探究益生菌的最佳干預時機， 研究團隊在小鼠 病原菌感染實驗中 比 較 了預防（感染前給藥）、競爭（同時給藥）和治療 （ 感染后給藥 ） 三種干預策略。結果 顯示 ， EcN 的保護作用具有嚴格的預定殖依賴性。 與純感染組相比， 預防性給藥 的 小鼠體重 下 降顯著減輕，腸道病原菌載量降低約 100 倍，腸道黏膜結構及上皮緊密連接的完整性 也得以 有效維持。相比之下，競爭和治療策略的保護效果則大幅受限。 這表明， EcN 的保護作用并非簡單的細菌與細菌即時拮抗，而在于其能夠在感染前優先定殖，從而發揮保護 作用 。

“動態模擬”—— 仿生腸道芯片重現復雜力學環境下的微生態互作

為了貼近宿主腸道微環境并真實還原病原菌感染過程，研究團隊開發了一套包含隱窩狀微結構的腸道芯片模型。結合 計算流體力學模擬 發現，芯片中的流體流動不僅產生與腸道生理流動相近的剪切應力，在隱窩微結構附近還產生了顯著的法向應力。這種復雜的動態力學環境極大地促進了細菌在隱窩樣生態位中的黏附和定 殖 。在該體外系統中， EcN 的預定 殖 同樣表現出極強的保護力，有效阻止了沙門氏菌引起的細胞焦亡和緊密連接破壞，且這種保護效果隨著 EcN 給藥劑量的增加和預定 殖 時間的延長而顯著提升。該腸道芯片模型成功實現了活體宏觀表型在體外微生理系統中的精準復現，為解析宿主 - 微生物分子通訊提供了關鍵技術平臺。

圖 1 微流控腸道芯片示意圖

“發號施令”—— 揭示益生菌激活宿主防御信號的關鍵開關

為闡明 EcN 預定殖發揮保護作用的具體分子機制 ， 研究團隊對 腸 上皮細胞進行了定量蛋白質組學分析， 發現預防組中與維持上皮頂端 / 基底極性相關的整合素連接激酶（ ILK ）表達呈特異性上調。隨后的藥理學抑制實驗證實， ILK 是介導緊密連接蛋白表達、限制沙門氏菌入侵的關鍵調控節點。

宿主端 ILK 的核心作用被確認后，研究團隊進一步通過蛋白純化和基因敲除等手段鎖定了觸發該防御通路的細菌端“開關”—— EcN 外膜蛋白 MipA 。研究揭示， MipA 不僅是結合宿主整合素的粘附素，更是上調下游 ILK 表達的關鍵效應分子。通過 MipA 與宿主上皮細胞的互作， EcN 能夠主動“指令”宿主上皮細胞加固緊密連接，從而在病原體入侵前筑起一道堅固的物理防線。

圖 2 益生菌調控宿主防御機制示意圖

本研究通過體內動物模型、仿生腸道芯片與定量蛋白質組學等技術，闡明了益生菌調控宿主抵御病原菌入侵的作用機制。研究發現，益生菌并非被動地等待病原菌攻擊后再行修復，而是通過其外膜蛋白 MipA 主動調控宿主上皮細胞的 ILK 表達，從而先發制人地加固細胞間緊密連接，構筑起一道強化的防御屏障。這種主動加固的生態位防御策略，與先前報道的 EcN 在感染后修復已受損屏障的機制有所不同，體現了由益生菌驅動、通過調節宿主來增強其固有防御的生物學過程。

在臨床轉化層面，該研究為開發新型抗感染策略提供了理論參考。鑒于 EcN 的保護效果具有劑量與時間依賴性，這支持了針對高危人群（如流行病暴露人群）進行預防性益生菌干預的可行性。在抗生素耐藥形勢嚴峻的當下，這種通過增強宿主自身屏障防御來對抗感染的策略，提供了一條具有潛力的 替代或 補充路徑。總而言之，這項發現增進了我們對腸道內復雜微生物與宿主互作的理解，也為開發基于宿主防御的感染預防療法奠定了理論與技術基礎。

中國科學院深圳先進技術研究院黃術強研究員和 寧波諾丁漢大學 石泳 教授 為本文共同通訊作者。 中國科學院深圳先進技術研究院 - 寧波諾丁漢大學 聯培 博士生 向云青 為論文的第一作者。中國科學院深圳先進技術研究院 李楠 研究員、天津市第五中心醫院劉曉智教授、中國科學院半導體研究所袁國棟研究員為本工作提供了重要支持。深圳先進院為第一完成單位。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag054

制版人：十一

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