人类粪便来源丁酸球菌DSM 34943的安全性评价及其在代谢健康中的潜力研究

本研究针对新一代益生菌候选株Butyricicoccus faecihominis DSM 34943，开展了全面的安全性评价及代谢健康功效探索。研究人员通过基因组学分析、体外特性表征及大鼠28天/90天亚慢性毒性试验，证实该菌株无毒性、不携带毒力基因且对抗生素敏感。在饮食诱导肥胖（DIO）小鼠模型中，补充该菌株显著改善了胰岛素敏感性、瘦素、抵抗素及胆固醇水平。结果表明，B. faecihominis DSM 34943具有作为安全且有益于代谢健康的新一代益生菌的潜力。

　　

在人体庞大的肠道微生态系统中，存在着数以万亿计的微生物，它们与我们的健康息息相关。其中，有一类能够产生丁酸（butyrate）的细菌近年来备受关注。丁酸是结肠细胞的主要能量来源，不仅在维持肠道健康方面扮演着关键角色，还与全身性的代谢健康，如胰岛素敏感性和血脂调节，有着密切的联系。然而，在现代生活方式下，如高脂饮食等因素，常常导致肠道菌群失调，其中就包括丁酸产生菌的减少，这与2型糖尿病等代谢性疾病的发生发展相关联。因此，寻找能够安全、有效地补充丁酸产生菌，从而改善代谢健康的新一代益生菌（next-generation probiotic），成为了一个重要的研究方向。

Butyricicoccus faecihominis（人类粪便丁酸球菌）就是这样一种能够产生丁酸的肠道共生菌。它于2016年首次被报道从健康成人粪便中分离出来。近期研究发现，在2型糖尿病患者和晚期肾病患者中，肠道内Butyricicoccus属细菌的水平显著降低，提示其可能与代谢健康存在负相关。因此，从健康人体内分离出的B. faecihominis菌株，是否能够作为一种安全有效的益生菌，用于改善代谢健康，是一个值得深入探究的科学问题。

然而，将一种新的细菌菌株开发为益生菌，首要且最关键的一步是进行全面的安全性评估。这包括了解其基因特征是否携带耐药性或毒力基因，评估其在体外条件下的生物学特性（如对抗生素的敏感性、是否溶血、能否耐受胃酸和胆汁等），以及最重要的——通过动物实验验证其长期使用的安全性。尽管同属的另一个物种（B. pullicaecorum）的安全性已在动物和人体中得到证实，但针对B. faecihominis菌株的系统性安全评价，尤其是符合国际规范（如OECD指南）的亚慢性毒性研究，此前尚未见报道。

为此，研究人员在《Toxicology Reports》上发表了一项研究，对一株新分离的B. faecihominis DSM 34943进行了从基因组到动物水平的全面安全性评价，并初步探索了其在代谢健康方面的潜在益处。本研究旨在回答两个核心问题：第一，B. faecihominis DSM 34943是否具备作为益生菌的安全基础？第二，它是否具有改善代谢健康的潜力？

为了回答这些问题，研究人员综合运用了多种关键技术方法。在安全性评估方面，首先进行了基因组测序（结合PacBio SMRT和Illumina MiSeq技术）和生物信息学分析，筛查抗生素耐药基因和毒力因子；采用体外实验评估了菌株的溶血活性、D-/L-乳酸产量、对模拟胃酸（pH 3.5）和胆汁（0.3% Oxgall）的耐受性；并通过肉汤微量稀释法测定了其对多种临床相关抗生素的最低抑菌浓度（MIC）。核心的体内安全性评价则是一项结合了28天和90天暴露期的良好实验室规范（GLP）原则的大鼠重复剂量毒性研究，该研究设计了限剂量组（2000 mg/kg体重/天，相当于1.97 × 10¹¹ CFU/kg/天）和溶剂对照组，系统监测了动物的临床表现、体重、摄食量、血液学、临床生化、尿液分析、器官重量和组织病理学变化，并特别分析了细菌向肠外组织（血液、肝脏、肠系膜淋巴结）的易位（translocation）情况以及在粪便中的定植（engraftment）能力。在功效探索方面，研究利用饮食诱导肥胖（DIO）小鼠模型，通过口服灌胃给予B. faecihominis DSM 34943（10⁹ CFU/天），评估了其对体重、体成分（qNMR）、胰岛素耐受性（ITT）、血清脂质（胆固醇、LDL）及肝脏功能标志物（ALT）等代谢指标的影响。

研究结果

3.1. 体外益生菌特性与菌株安全性

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  3.1.1. 溶血性和D-/L+-乳酸： 研究发现，B. faecihominis DSM 34943在布鲁氏菌血琼脂上培养48小时后不产生溶血圈，基因组中也未发现溶血素相关毒素基因，表明该菌株无溶血活性。同时，其培养上清液中的D-乳酸和L-乳酸含量极低，接近检测限，说明其不产生具有潜在神经毒性的D-乳酸。
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  3.1.2. 酸和胆汁耐受性： 体外挑战实验显示，该菌株对胃酸和胆汁的耐受性较差。与对照培养基相比，其在0.3% Oxgall胆汁盐条件下的存活率为0.04%，而在模拟胃液（pH 3.5）中孵育1小时后，存活率仅为0.01%。这表明若用于口服，该菌株可能需要肠溶包衣保护才能有效到达肠道。
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  3.1.3. 基因组安全性与抗菌素耐药性测试： 基因组分析表明，该菌株与模式菌株B. faecihominis DSM 100989的基因组平均核苷酸一致性（gANI）为95.6%，高于物种界定标准（95%）。筛查发现一个与四环素耐药相关的tet(W)基因，但未检测到已知的毒力因子、溶血素基因、产组胺或酪胺的基因。表型药敏试验显示，该菌株对除氨基糖苷类（庆大霉素、卡那霉素、链霉素，此类抗生素对厌氧菌天然无效）外的多种临床相关抗生素敏感。其对四环素的MIC值（4 μg/mL）虽略高于EFSA的折点（2 μg/mL），但仅相差一个稀释度，属于正常变异范围，不判定为耐药。
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  3.1.4. 饮食诱导肥胖（DIO）小鼠模型的临床前功效： 在DIO模型中，与高脂饮食（HFD）Vehicle对照组相比，补充B. faecihominis DSM 34943显著降低了血清瘦素（leptin）和抵抗素（resistin）水平。胰岛素耐受试验（ITT）显示，该菌株改善了小鼠的胰岛素敏感性。此外，还观察到了血清总胆固醇和低密度脂蛋白（LDL）水平降低的趋势，以及总体脂肪重量和血清丙氨酸氨基转移酶（ALT，肝损伤标志物）水平改善的趋势。

3.2. 大鼠28天和90天重复剂量研究

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  3.2.1. 剂量配方： 在整个研究期间，剂量配方的活菌数稳定，均一性良好，浓度验证符合要求。
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  3.2.2. 动物观察： 研究期间无动物死亡或出现毒性临床症状。功能观察组合（FOB）、握力、足距、运动活动度等神经行为学指标均未发现与处理相关的异常变化。雄性和雌性大鼠的体重、体重增长和食物消耗量与对照组相比均无显著差异，表明长期摄入该菌株不影响动物的正常生长和代谢。
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  3.2.3. 临床病理学： 血液学、凝血、临床化学和尿液分析结果显示，所有参数均在历史对照范围内。虽然个别指标（如雄性大鼠在28天和90天时的血细胞比容、90天时的活化部分凝血活酶时间APTT和ALT）出现了统计学上的显著变化，但这些变化孤立出现，未在两只性别或两个时间点均呈现一致性模式，且均无组织病理学相关性，因此被认为不具有生物学意义，与菌株处理无关。
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  3.2.4. 解剖病理学和组织病理学： 大体解剖未见异常。显微镜下检查所有组织器官，所观察到的病变（如肝脏单核细胞浸润、肾脏慢性进行性肾病、心脏进行性心肌病等）其发生率、严重程度在对照组和处理组之间相似，均为该品系大鼠年龄相关的自发性病变，与B. faecihominis DSM 34943的处理无关。器官绝对重量、器官/体重比和器官/脑重比均无处理相关的显著变化。
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  3.2.5. 易位分析： 对血液、肝脏和肠系膜淋巴结样本进行厌氧培养和16S rRNA基因测序分析。结果显示，对照组和处理组动物均能分离出少量细菌，但两组间各组织样本的细菌检出率无统计学显著差异。从这些组织中鉴定出的细菌种类多样，包括一些常见的环境或肠道菌。尽管有些分离株通过16S V4区序列无法与试验菌株区分开，但这些“疑似”菌株在对照组和处理组中均有分布。这表明观察到的低水平细菌存在是背景现象，而非由高剂量摄入B. faecihominis DSM 34943引起的特异性易位。
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  3.2.6. 体内定植： 通过16S rRNA基因扩增子测序分析大鼠粪便样本发现，与PBS对照组相比，灌胃B. faecihominis DSM 34943的大鼠粪便中该菌株的相对丰度从第8天开始显著增加，并在持续给药的87天研究期内维持在一定水平，表明该菌株能够在连续给药的情况下在大鼠胃肠道中定植。

结论与讨论

本研究对B. faecihominis DSM 34943进行了迄今为止最为全面的安全性评价。结果表明，该菌株在基因组水平上不携带令人担忧的毒力基因，对临床相关抗生素敏感，体外特性安全（无溶血、不产D-乳酸）。最关键的是，在大鼠长达90天的重复剂量毒性研究中，即使以高达2000 mg/kg体重/天（1.97 × 10¹¹ CFU/kg/天）的极限剂量给药，也未产生任何毒性反应。因此，其未观察到不良反应水平（NOEL）被确定为2000 mg/kg体重/天。根据动物实验数据外推至人体，并采用100倍的安全系数，相当于一个70公斤重的成年人每日可安全摄入约1.34 × 10¹¹ CFU。

尽管该菌株在直接暴露时对胃酸和胆汁敏感，提示其在口服制剂中可能需要保护，但一旦到达肠道，它能够成功定植。更重要的是，即使在高剂量定植的情况下，也未发现其能够穿透健康的肠道屏障进入体循环引发感染，这进一步支持了其安全性。

此外，初步的功效研究在DIO小鼠模型中揭示了B. faecihominis DSM 34943在改善代谢健康方面的潜力，包括增强胰岛素敏感性、调节 leptin 和 resistin 水平、改善血脂谱（降低胆固醇）和肝脏功能。这些有益效应可能与其作为丁酸产生菌的特性有关，丁酸可通过多种机制（如激活G蛋白偶联受体、抑制组蛋白去乙酰化酶）发挥抗炎和代谢调节作用。

综上所述，这项研究通过严谨的科学实验提供了强有力的证据，表明从健康人体分离的B. faecihominis DSM 34943具有优异的安全性特征，并显示出作为下一代益生菌用于改善代谢性疾病的巨大潜力。它为后续开展人体临床试验，以验证其在人类健康中的应用价值奠定了坚实的基础。