Akkermansia muciniphila作为益生菌在体外合成微生物群落中的定植研究

《Microbial Ecology》：Probiotic Engraftment of Akkermansia muciniphila in an In Vitro Synthetic Microbial Community

本研究针对下一代益生菌Akkermansia muciniphila在肠道微生物群中的定植能力问题，通过构建体外粘蛋白降解合成群落模型，发现A. muciniphila能够成功定植于已稳定的粘膜微生物群落，且不引起群落结构和功能的显著改变。该研究为A. muciniphila作为益生菌的安全应用提供了重要理论依据，表明其可在发挥宿主有益作用的同时维持肠道微生态稳定。

　　

在人类肠道微生物研究领域，Akkermansia muciniphila作为一种专性粘蛋白降解菌，近年来因其与宿主健康的密切关联而备受关注。这种寄生在肠道粘膜层的细菌被证明能够促进粘液生成、增强肠道屏障功能、改善代谢健康并调节免疫反应，因此被提议作为下一代益生菌。然而，当我们将外源性益生菌引入人体时，一个关键问题随之产生：这些"外来者"能否在已经建立稳定生态的肠道微生物群中成功定居？它们会像"入侵物种"一样扰乱原有的生态平衡，还是能够和谐融入现有群落？这正是玛丽斯·伯克豪特（Maryse D. Berkhout）及其团队在《Microbial Ecology》上发表的最新研究试图解答的核心问题。

为了探究A. muciniphila的定植潜力，研究人员设计了一个精巧的体外实验系统——粘蛋白降解合成群落（MDSC）。这个人工构建的微生物社区模拟了人类肠道粘膜层的微环境，包含6种粘蛋白糖降解菌和8种交叉喂养菌，共计14种人类肠道中常见的粘膜微生物。特别值得注意的是，研究团队首先在连续培养的生物反应器中建立了一个不含A. muciniphila的稳定群落，待其成熟后，再引入A. muciniphila，以此模拟益生菌介入已建立肠道菌群的现实情况。

研究采用的主要技术方法包括：使用DASGIP平行生物反应器系统进行连续厌氧培养；通过16S rRNA基因扩增子测序和qPCR（定量聚合酶链反应）分析微生物群落组成；利用高效液相色谱（HPLC）检测代谢产物；采用PGC-LC-MS/MS（多孔石墨化碳液相色谱-串联质谱）进行粘蛋白O-糖链分析；并通过nLC-MS/MS（纳升液相色谱-串联质谱）进行宏蛋白质组学分析。

A. muciniphila在已建立的粘蛋白降解合成群落中成功定植

实验结果显示，即使在没有A. muciniphila的情况下，MDSC群落依然能够完全降解猪胃粘蛋白（PGM）中的O-糖链，这主要归功于其他粘蛋白降解菌的存在。当在t=96小时将A. muciniphila以0.1%的体积比接入系统后，这种专性粘蛋白降解菌成功地在合成粘膜群落中定植，并在剩余的120小时实验期间（涵盖5个24小时周期）持续存在。然而，与从实验开始就包含A. muciniphila的群落相比，后期接入的A. muciniphila的相对丰度要低得多（平均相对丰度为0.06），这表明在已建立的群落中定植面临更大的竞争压力。

A. muciniphila在粘蛋白降解群落中的功能整合

通过宏蛋白质组学分析，研究人员在实验终点（t=216小时）检测到了11种与粘蛋白O-糖链降解相关的A. muciniphila蛋白质，包括7种糖苷水解酶（GHs）、2种硫酸酯酶和2种肽酶。与早期引入A. muciniphila的研究相比，检测到的粘蛋白降解相关蛋白质数量较少，这与其较低的相对丰度相一致。这些蛋白质包括GH29和GH95岩藻糖苷酶、GH2β-半乳糖苷酶、GH20β-N-乙酰己糖胺酶、GH89α-N-乙酰葡萄糖胺酶等关键酶类，它们在A. muciniphila的粘膜生态位占领中可能发挥着核心作用。

A. muciniphila添加对群落粘蛋白糖链降解酶的轻微影响

引人注目的是，A. muciniphila的引入并未改变群落的代谢特征。无论是在添加前（t=72小时）还是添加后（t=216小时），MDSC都能完全降解PGM中的粘蛋白O-糖链，代谢产物谱也保持稳定，主要短链脂肪酸（SCFAs）包括乙酸、丙酸和丁酸。

在酶表达层面，群落对A. muciniphila的引入表现出惊人的稳定性。肽酶、岩藻糖苷酶、半乳糖苷酶和硫酸酯酶的表达均保持稳定，但唾液酸酶（sialidase）的表达在A. muciniphila添加后显著富集。进一步分析发现，这种变化主要归因于多能糖降解菌Bacteroides thetaiotaomicron（B. thetaiotaomicron）的相对丰度增加和蛋白质表达上调。

研究发现，A. muciniphila的引入虽然未引起群落结构的剧烈变化，但导致B. caccae和B. thetaiotaomicron之间的比例发生了明显转变。B. caccae的相对丰度从添加前的0.35降至0.17，而B. thetaiotaomicron则从0.20升至0.44，成为优势菌种。B. thetaiotaomicron上调了多种碳水化合物活性酶（CAZymes），包括GH33α-唾液酸酶、GH20β-N-乙酰己糖胺酶、GH2β-半乳糖苷酶等，这表明两种细菌之间可能存在某种生态学关系。

这项研究的重要发现在于，即使在一个已经具备完整粘蛋白降解能力的微生物群落中，A. muciniphila仍然能够找到自己的生态位并成功定植。更重要的是，这种定植过程没有引起群落功能的显著紊乱，表明A. muciniphila作为一种原生肠道细菌，具有与现有微生物群落和谐共处的能力。这为将A. muciniphila开发为益生菌提供了重要的安全性和可行性证据。

然而，研究者也谨慎指出，体外实验系统无法完全模拟人体肠道的复杂环境。饮食因素、宿主免疫系统、肠道通过过程以及管腔微生物群落的影响都可能是影响A. muciniphila定植的关键变量。此外，研究中使用的猪胃粘蛋白与人类肠道粘蛋白在糖基化和蛋白质结构上存在差异，这可能对细菌的生长和群落组成产生影响。

该研究的创新之处在于通过精心设计的合成群落模型，首次系统评估了A. muciniphila在已建立粘膜微生物群落中的定植能力。研究结果暗示，A. muciniphila作为益生菌应用时，可能能够在发挥其促进宿主健康作用的同时，最小化对现有肠道菌群的干扰。然而，要将这些发现转化为临床应用，还需要进一步的体内研究来验证A. muciniphila在真实人体环境中的定植能力、对宿主微生物组的影响以及长期健康效益。

这项研究不仅增进了我们对益生菌与宿主微生物组互作机制的理解，也为未来开发更有效、更安全的微生物干预策略提供了重要见解。随着对肠道微生物生态认识的不断深入，像A. muciniphila这样具有特定生态功能的细菌，有望成为精准调控肠道健康的新一代工具。