模拟鸡舍PM2.5暴露揭示微生物丙酸盐通过肠-肺轴机制防御肺炎

《Applied and Environmental Microbiology》：Simulated poultry-house PM2.5 exposure reveals a gut–lung axis mechanism of microbial propionate in protecting against pneumonia

本研究通过模拟鸡舍PM2.5暴露，揭示了肠道微生物代谢产物丙酸盐通过调节肠-肺轴（gut-lung axis）抑制肺炎的新机制。研究发现PM2.5不仅直接诱发肺部炎症（NF-κB信号激活、促炎细胞因子升高），还导致肠道菌群失调（短链脂肪酸SCFA产生菌减少），而口服Bacteroides uniformis或饲喂丙酸钠（0.4%）可通过恢复SCFA水平、抑制抗原呈递细胞（APC）活化和Th1极化（T-bet/IFN-γ下调）缓解肺损伤。该工作为空气污染环境下基于微生物-代谢物干预的畜禽呼吸道保护提供了新策略。

　　

PM暴露对鸡舍环境肉鸡肺组织形态及肺损伤评分的影响

通过连续7天暴露于富含PM_2.5的总悬浮颗粒物（2 mg/m3，2小时/天），肉鸡肺组织出现显著的病理改变。苏木精-伊红（H&E）染色显示，PM暴露组肺小叶六边形结构破坏，肺泡间隔变薄或消失，并伴有炎性细胞浸润增加。肺损伤评分定量分析表明，PM组评分显著高于对照组（P < 0.01）。在基因表达水平上，PM组肺组织中白细胞介素IL-1β、IL-2、IL-6、IL-8和IL-10的mRNA表达量显著上调，其中IL-2、IL-6和IL-8呈现高度显著升高（P < 0.01），提示PM_2.5引发了急性肺部炎症反应。

PM暴露对肉鸡盲肠微生物群多样性的影响

通过16S rDNA测序分析盲肠微生物群落，稀疏曲线表明测序深度足够。α多样性分析显示，PM暴露显著提高了盲肠微生物的Sobs、ACE和Chao1指数（P < 0.05）。β多样性分析（主坐标分析PCoA）表明PM组与对照组群落结构明显分离。在门水平上，PM组放线菌门（Actinobacteriota）相对丰度增加，而拟杆菌门（Bacteroidetes）和变形菌门（Proteobacteria）丰度降低。属水平上，PM组Alistipes丰度显著升高（P < 0.05），而Parabacteroides和Bacteroides丰度显著降低。线性判别分析（LDA）进一步确认Parabacteroides和Bacteroides是对照组差异贡献最大的菌属（LDA > 4）。

B. uniformis对PM暴露肉鸡肺组织形态的调节作用

口服B. uniformis（10? CFU/mL）干预可部分缓解PM引起的肺组织损伤。H&E染色显示，PM+B.U组肺泡间隔破坏和肺小叶结构不完整的情况得到改善，炎性细胞浸润减少。肺损伤评分在PM+B.U组显著低于PM组（P < 0.05）。炎症因子表达分析表明，B. uniformis干预显著降低了PM诱导的IL-1β、IL-2、IL-6和IL-8 mRNA表达上调（P < 0.05），同时NF-κB mRNA表达也受到抑制。

B. uniformis对PM暴露肉鸡肺免疫功能的调控

T细胞分化标志物基因表达分析显示，PM组肺组织中Th1特异性转录因子T-bet和Th17相关转录因子RORγt的mRNA表达显著升高（P < 0.05）。B. uniformis干预显著降低了T-bet表达，使其恢复至对照组水平，但RORγt仍高于对照组。抗原呈递细胞（APC）相关基因中，PM组CCL4和CD11C表达显著上升，而PM+B.U组与对照组无显著差异。树突状细胞（DC）活化与成熟相关基因方面，PM组CD40、CCR7和DC-LAMP表达上调，而B. uniformis干预使CCR7和DC-LAMP表达恢复至对照水平。蛋白水平检测发现，PM组肺组织Th1型细胞因子IFN-γ和IL-18含量显著升高，PM+B.U组IFN-γ水平显著低于PM组（P < 0.05）。

B. uniformis对PM暴露肉鸡空肠的影响

空肠组织炎症因子和屏障功能基因表达分析表明，PM组空肠IL-1β、IL-6和IL-17A mRNA表达显著升高（P < 0.05）。B. uniformis干预后，IL-1β和IL-17A仍高于对照组，但IL-6无组间差异。屏障基因MUC1在PM和PM+B.U组均显著上调，而Claudin-1仅在PM组显著升高。盲肠短链脂肪酸（SCFA）气相色谱分析显示，PM+B.U组乙酸和异戊酸浓度显著高于对照组（P < 0.05），丙酸浓度在PM组显著降低而在PM+B.U组恢复至对照水平。相关性分析表明，盲肠丙酸浓度与肺组织IFN-γ、IL-12、IL-18、CCL4、DC-LAMP、CCR7、MHC-IIβ和CD11C表达呈显著负相关（P < 0.01），与CCR6表达呈正相关（P < 0.01）。

日粮添加丙酸钠对PM暴露肉鸡肺部炎症的缓解效应

在饲料中添加不同剂量（0.1%、0.2%、0.4%）的丙酸钠（Sodium Propionate, SP），发现0.4% SP可显著改善PM引起的肺组织损伤。H&E染色显示PM+0.4%SP组肺泡间隔和肺小叶结构部分恢复，肺损伤评分显著低于PM组（P < 0.05）。肺组织炎症因子检测表明，0.4% SP干预显著降低了PM诱导的IFN-γ、IL-12和IL-18蛋白水平升高（P < 0.05），同时IL-1β和IL-6 mRNA表达也受到抑制。

丙酸钠对PM暴露肉鸡肺免疫功能的调节

0.4% SP干预显著降低了PM组T-bet mRNA表达（P < 0.05），使其恢复至对照水平，但对RORγt无显著影响。APC活性方面，PM组CD40、CCL4、CCL5和CD11C表达上调，而0.4% SP干预使CD40和CCL4表达显著下降。DC成熟标志物中，PM组CCR6和CCR7表达升高，0.4% SP干预使其显著降低（P < 0.05），DC-LAMP表达在SP组甚至低于对照组和PM组。这些结果说明丙酸盐主要通过抑制DC活化和Th1极化减轻肺部炎症，但未像B. uniformis那样促进Treg（FoxP3）反应。

讨论与结论

本研究系统阐明了PM_2.5通过肠-肺轴加剧肉鸡肺部炎症的机制：PM_2.5直接激活肺内NF-κB通路引发炎症，同时导致肠道菌群失调（SCFA产生菌减少），而肠道菌群紊乱又进一步放大肺免疫损伤。B. uniformis或其代谢产物丙酸盐可通过恢复SCFA水平、抑制APC过度活化和Th1极化，重新校准肠-肺免疫平衡。该研究为畜禽养殖中空气污染相关的呼吸道疾病防治提供了微生物和代谢物靶向干预新思路。