对乙酰氨基酚对益生乳酸菌生长动力学和代谢产物产生的影响

《Biotechnology Letters》：Impact of acetaminophen on the growth kinetics and metabolite production of probiotic lactic acid bacteria

　　

人类肠道微生物群中的细菌相互作用是动态的，且与宿主健康密切相关。这些相互作用具有时间依赖性，并可通过益生菌通过代谢产物产生、环境修饰（如pH变化）和生态位占据来调节。然而，常用的人类靶向药物可能改变这些微生物动态。本研究评估了对乙酰氨基酚（acetaminophen，一种广泛使用的非处方药）对合成肠道微生物群落中益生乳酸菌生长动态的影响。研究人员分析了乳酸乳球菌乳亚种（Lactococcus lactis subsp. lactis）在单培养和与共生菌丁酸梭菌（Clostridium butyricum）共培养中的生长，使用2 mL批次微生物反应器。监测生物量积累直至稳定期，并通过液相色谱-质谱联用（LC–MS）定量对乙酰氨基酚和乳酸（lactic acid）浓度。生长动力学通过四个参数表征：承载能力（carrying capacity）、生物量积累（AUC，area under the curve）、最大生长速率（μ_max）和延迟期时长（lag phase duration），这些参数通过耦合4Z Gompertz模型和指数增长模型的回归分析估计。共培养比单培养表现出更高的生物量积累和承载能力，表明物种间存在互惠关系。最小有效浓度（MEC，minimum effective concentration）实验确定66.1 mM对乙酰氨基酚为后续实验浓度。对乙酰氨基酚对L. lactis在单培养和共培养中的所有生物量相关动力学参数产生负面影响，而C. butyricum在单培养中生长未受影响。LC–MS分析提示药物内化但无代谢降解。乳酸产量达到饱和浓度17.8 mM，表明尽管生物量减少，与代谢物相关的益生菌活性可能保持稳定。

**论文解读：对乙酰氨基酚对益生乳酸菌生长动力学与代谢产物影响的研究**

**一、研究背景与问题**

人类肠道微生物群由数万亿细菌组成，通过代谢和免疫协作与宿主形成共生关系，对健康至关重要。当这种平衡状态（eubiosis）被打破时，可导致菌群失调（dysbiosis），与肥胖、糖尿病等疾病相关。药物是引发菌群失调的重要因素之一，除抗生素外，其他人类靶向药物的潜在影响常被忽视。Maier等（2018）研究表明，203种人类靶向药物对至少一种代表性肠道菌群具有抗共生活性，这可能解释了许多药物的胃肠道副作用。对乙酰氨基酚（acetaminophen）作为一种非阿片类镇痛药，拥有超过17万例副作用报告，其中16%与胃肠道相关，且仍是最常用的解热镇痛药。益生菌（probiotics）被评估为恢复或保护肠道微生物群平衡的治疗策略，但益生菌与药物之间的相互作用涉及复杂的肠道微生态系统，具有时间尺度变化、高度复杂性和交叉喂养相互作用，难以分析。合成群落（SynComs，Synthetic Communities）作为一种高效替代方案，通过构建可控、可重复组成的体外系统，便于高通量研究肠道微生物群动态，并允许分离定义最小合成群落（minimum SynCom）的成对相互作用，这对于建模和理解微生物群落稳定性与恢复力至关重要。本研究旨在评估对乙酰氨基酚对益生乳酸菌生长动力学的影响，并探讨其与共生菌共培养时的相互作用变化。

**二、研究内容与结论**

研究人员选用益生乳酸菌乳酸乳球菌乳亚种（Lactococcus lactis subsp. lactis）和常见肠道共生菌丁酸梭菌（Clostridium butyricum）构建最小合成群落，在2 mL批次微生物反应器中开展单培养和共培养实验。通过监测生物量积累、定量对乙酰氨基酚和乳酸浓度，结合4Z Gompertz模型与指数增长模型的回归分析，提取承载能力、生物量积累（AUC）、最大生长速率（μ_max）和延迟期时长四个关键动力学参数。研究发现，共培养较单培养具有更高的生物量积累和承载能力，表明两物种间存在互惠关系。最小有效浓度（MEC）实验确定66.1 mM对乙酰氨基酚为后续实验干预浓度。对乙酰氨基酚处理显著负面影响L. lactis在单培养和共培养中的所有生物量相关动力学参数（承载能力下降34.6%，AUC下降43.1%，μ_max下降55.4%），而C. butyricum在单培养中仅μ_max受轻微负面影响（-17.2%），承载能力和AUC几乎不受影响（+7.5%和+3.3%）。LC–MS分析提示药物被细菌内化但未发生代谢降解。乳酸产量在12小时达到饱和浓度约17.8 mM，且处理组与对照组无显著差异，表明尽管生物量减少，与代谢物相关的益生菌活性可能保持稳定。

**三、主要关键技术方法**

1. 批次微生物反应器培养系统：使用2 mL密封小瓶，通过注射器去除顶空氧气（溶解氧<0.2%），实现分式重复培养，确保无菌性和采样完整性。
2. 液相色谱-串联质谱（LC–MS/MS）定量分析：采用Acquity UPLC BEH Amide色谱柱，电喷雾电离（ESI）负离子模式检测乳酸，正离子模式检测对乙酰氨基酚，多反应监测（MRM）扫描模式，分别监测89→45 m/z（乳酸）和152→110 m/z（对乙酰氨基酚）过渡离子。
3. 生长动力学回归分析：先使用4参数Zwietering修改Gompertz模型（4Z模型）拟合细菌浓度曲线，提取承载能力（K）和延迟期时长（T_lag）；再基于4Z模型估计数据在指数期范围参数化指数增长模型，计算最大生长速率（μ_max）。
4. 相对影响（RI）计算：通过公式RI = (参数_处理 - 参数_对照)/参数_对照，量化对乙酰氨基酚对各动力学参数的正面或负面影响（延迟期采用反向符号）。

**四、研究结果**

**1. 生长动力学实验（Growth kinetics experiments）**
单培养和共培养的浓度-时间曲线经4Z模型拟合（R2>0.91）。L. lactis单培养和共培养的承载能力分别比C. butyricum单培养高约172%和300%（p<0.05），差异显著。C. butyricum与共培养间的承载能力差异显著（p<0.01）。L. lactis的延迟期最短，但无统计学差异。L. lactis的最大生长速率显著高于C. butyricum（p<0.01），共培养参数介于两者之间。共培养显示出互惠效应，承载能力超过任一单培养，且L. lactis的占优作用可从延迟期和μ_max的相似性推测。

**2. 对乙酰氨基酚最小有效浓度（MEC）测定**
L. lactis在1.0、8.3和66.1 mM对乙酰氨基酚处理下，仅66.1 mM剂量显著降低细菌浓度（AUC 4.61±0.23 AU·h vs 对照5.75±0.15 AU·h，p<0.05）。乳酸产量随药物浓度增加而降低（对照16.2 mM降至66.1 mM时12.8 mM，p=0.03）。上清液中药物回收率在最低剂量为100%，在高剂量约44-48%，且各时间点浓度无显著差异，提示药物内化且无代谢降解。

**3. 对乙酰氨基酚处理下的生长动力学实验**
对乙酰氨基酚处理导致L. lactis单培养承载能力下降34.6%，AUC下降43.1%，μ_max下降55.4%，延迟期增加21.1%。C. butyricum单培养承载能力增加7.5%，AUC增加3.3%，μ_max下降17.2%，延迟期增加38.9%。共培养承载能力下降26.7%，AUC下降29.9%，μ_max下降5.6%，延迟期增加74.9%。统计分析显示，C. butyricum与共培养在承载能力和AUC上差异显著（p<0.01）。共培养仍保持互惠效应，承载能力高于两单培养，且C. butyricum的存在使得μ_max受影响最小。

**4. 对乙酰氨基酚对乳酸产量的影响**
无论培养类型和处理，乳酸产量在12小时均达到17-19 mM饱和浓度，处理组与对照组无显著差异。但在早期（2.5小时），处理组乳酸产量显著降低（p<0.05），与生物量减少相关。对乙酰氨基酚在培养后期浓度略有上升，排除代谢降解，支持药物内化而非代谢的假设。

**五、讨论与结论**

**讨论总结：** 对乙酰氨基酚对乳酸乳球菌（L. lactis）和丁酸梭菌（C. butyricum）的生长动力学影响呈现物种特异性，这与非甾体抗炎药（NSAIDs）对肠道菌群组成影响的报道一致（Maseda和Ricciotti，2020）。共培养中的互惠效应在药物干预下仍部分保持，但L. lactis的负面影响主导了共培养参数变化。乳酸产量达到饱和浓度（17.8 mM）且不受药物影响，表明益生菌与代谢物相关的功能（如酸化环境、调节炎症）可能保持稳定，但生物量减少可能影响其他益生作用（如细胞外囊泡）。药物内化但不被代谢降解的发现，与肠道菌群参与对乙酰氨基酚诱导肝毒性的代谢信号机制相关（Cho等，2023），但具体机制仍需进一步研究。

**研究结论翻译：** 益生乳酸菌（如L. lactis）的生长动态在受到对乙酰氨基酚处理时受到负面影响，这体现在三个生物量相关生长动力学参数（承载能力、生物量积累和最大生长速率）的负相对影响上。与不受对乙酰氨基酚影响的共生菌（如C. butyricum）共培养，显示出L. lactis促进生长并表现出互惠响应，无论是否接受处理，这由共培养动力学参数所证实。对乳酸积累的追踪显示其与生物量积累密切相关；然而，在生长动力学的稳定期，乳酸积累达到饱和，且不受培养类型和处理的影响，表明与乳酸浓度相关的益生菌效应可能不受药物给药影响，这意味着即使与药物联用，该益生菌仍可用于此目的。监测废弃上清液中对乙酰氨基酚浓度排除了代谢降解。结果支持研究人员的结论：该方法学方法允许研究单培养和共培养中药物扰动引起的动力学变化。然而，需要进一步分析以阐明药物发挥作用的途径。