《Journal of Future Foods》：Lactiplantibacillus plantarum BFS1243 alleviates sarcopenic microbiota-induced muscle dysfunction by modulating gut microbial networks and SCFA metabolism in humanized mice
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鉴于累积的证据表明肠道微生物群与肌少症相关，人-鼠粪菌移植（FMT）为研究肌少症相关微生物群引起的肌肉功能障碍和评估靶向微生物群的干预措施提供了一个有用的模型。本研究采用人源化粪菌移植模型，评估植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantar
鉴于累积的证据表明肠道微生物群与肌少症相关，人-鼠粪菌移植（FMT）为研究肌少症相关微生物群引起的肌肉功能障碍和评估靶向微生物群的干预措施提供了一个有用的模型。本研究采用人源化粪菌移植模型，评估植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）BFS1243在定植了来自肌少症老年男性粪便微生物群的小鼠中的治疗潜力。与接受健康老年男性粪便微生物群的小鼠（HM组）相比，定植了肌少症微生物群的小鼠（SM组）表现出肌肉质量指数降低、肌纤维横截面积减小、握力受损和身体耐力下降。给予植物乳杆菌BFS1243可缓解这些肌肉缺陷，并减轻全身性炎症，表现为SM组小鼠血清中肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和前列腺素E2（PGE2）水平降低，以及鸢尾素（irisin）水平恢复。进一步分析表明，BFS1243并未引起肠道微生物群多样性的整体改变，但调节了特定微生物分类群并重组了微生物共现网络，其特征是从以Eisenbergiella为中心的网络向以Blautia为中心的结构转变。这些微生物变化伴随着微生物代谢产物的选择性改变，特别是总短链脂肪酸（SCFAs）增加、丙酰肉碱（propionylcarnitine）升高，以及色氨酸相关代谢物（包括5-羟色胺和烟酸）的适度变化。同时，BFS1243给药与结肠Toll样受体4/核因子κB（TLR4/NF-κB）信号减弱、紧密连接蛋白表达改善的趋势以及全身性炎症减轻相关。总体而言，这些发现表明植物乳杆菌BFS1243至少部分通过调节微生物生态网络和SCFA相关代谢产物来改善肌少症微生物群诱导的肌肉功能障碍。本研究支持BFS1243作为肌少症微生物群靶向管理的潜在益生菌候选菌株。
**论文解读：植物乳杆菌BFS1243通过调节肠道微生物网络和SCFA代谢缓解肌少症微生物群诱导的肌肉功能障碍**
**1. 研究背景**
随着全球人口老龄化加速，肌少症（sarcopenia），一种以骨骼肌质量和功能加速丧失为特征的进行性骨骼肌疾病，日益受到关注。肌少症与跌倒、衰弱、死亡等不良结局以及胰岛素抵抗和全身性炎症密切相关，给公共卫生带来沉重负担。然而，目前尚无获批的特效药物，主要干预措施仅限于运动和蛋白质补充。因此，识别合适的靶点以延缓骨骼肌衰老并改善运动功能，对于老年人群，特别是行动受限者至关重要。
近年来，肠道微生物群在调节内分泌、神经和免疫系统中的潜在作用，及其对肌少症的影响受到越来越多的关注。大量的病例对照研究已探索了肠道微生物群与肌少症之间的关联，并描述了肌少症人群中的菌群失调。与健康老年人相比，肌少症老年人的肠道微生物群多样性、丰富度和均匀度均较低，且存在特定菌群（如变形菌门和拟杆菌门丰度升高，厚壁菌门丰度降低）和代谢物（如短链脂肪酸（SCFAs）、色氨酸代谢物、支链氨基酸（BCAAs））的显著改变。然而，这些肠道菌群的改变究竟是肌少症进展的结果，还是先于并促进其发生，尚不明确。为了探究因果关系，研究人员利用粪菌移植（FMT）模型，将肌少症或健康老年人的粪便微生物群移植到小鼠体内，发现肌少症患者的粪便样本可导致抗生素处理后的受体小鼠肌肉质量和功能受损。这表明，FMT模型是研究肠道微生物群与肌少症因果关系及探索靶向肠道生态系统治疗策略的可靠方法。
鉴于SCFAs（特别是丙酸和丁酸）以及色氨酸代谢物的耗竭是肌少症肠道微生物群的一个标志，靶向这些代谢通路代表了有前景的治疗策略。植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）菌株以其调节SCFA生物合成和色氨酸代谢的能力而闻名。研究人员此前从开菲尔粒中分离出一株新菌株L. plantarum BFS1243，其基因组分析显示具有丁酸和丙酸代谢的遗传能力，并对衰弱具有保护作用。基于此，研究人员假设BFS1243可通过重塑肠道微生物群并恢复特定代谢缺陷来缓解肌少症。该研究旨在通过人鼠FMT模型，评估BFS1243对肌少症微生物群诱导的肌肉功能障碍的治疗潜力，并探索相关的肠道微生物群、微生物代谢物和宿主炎症反应的变化。
**2. 主要技术方法**
本研究使用了以下关键技术方法：
- **人源化粪菌移植（FMT）模型建立**：依据AWGS 2019共识，招募1名健康老年男性（HE）和3名患有肌少症的老年男性（SE）作为粪便供体。将肌少症供体样本混合，健康供体样本单独处理，制备粪菌移植悬液。将悬液通过口服灌胃方式移植给无菌（germ-free, GF）C57BL/6J小鼠（雄性，18-20周龄，购自中山大学附属第一医院实验动物中心）。
- **肌肉功能与形态学评估**：通过前肢握力测试、强迫游泳测试和悬挂线测试评估肌肉功能；通过苏木精-伊红（H&E）染色和Image Pro Plus软件分析腓肠肌和胫骨前肌的肌纤维横截面积（CSA）。
- **肠道屏障完整性及全身性炎症评估**：通过免疫组化（IHC）染色检测结肠中紧密连接蛋白（ZO-1、occludin）及炎症相关蛋白（TLR-4、NF-κB p65）的表达；通过酶联免疫吸附测定（ELISA）检测血清中炎症因子（IL-10、TNF-α、PGE2、CRP）和肌因子鸢尾素（irisin）的水平。
- **16S rRNA基因测序与生物信息学分析**：对粪便样本进行PacBio 16S rRNA基因（V1-V9区域）测序，利用UPARSE、SILVA数据库等进行操作分类单元（OTU）聚类和物种注释，并进行α/β多样性分析、LEfSe差异分析、Spearman相关性共现网络分析及PICRUSt2功能预测。
- **粪便代谢物分析**：采用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）系统对粪便代谢物进行靶向和非靶向分析，并通过PLS-DA、OPLS-DA等多元统计方法鉴定差异代谢物及富集通路。
**3. 研究结果**
**3.1. 植物乳杆菌BFS1243改善肌少症微生物群移植诱导的肌肉功能障碍**
为验证健康与肌少症供体的肠道微生物群能否在GF小鼠模型中复制肌少症相关表型，研究人员进行了FMT。结果显示，与接受健康菌群的小鼠（HM组）相比，接受肌少症菌群的小鼠（SM组）胫骨前肌指数显著降低，腓肠肌肌纤维CSA呈下降趋势，并表现出握力下降、游泳和悬挂时间缩短等肌肉功能受损。给予BFS1243后（SML组），虽未显著改善腓肠肌指数和CSA，但显著恢复了胫骨前肌指数，并显著逆转了握力、游泳和悬挂时间等肌肉功能缺陷。这表明BFS1243能有效改善肌少症微生物群诱导的肌肉功能障碍并部分恢复肌肉质量。
**3.2. 植物乳杆菌BFS1243调节结肠TLR4/NF-κB信号并减轻全身性炎症**
通过结肠组织学及免疫组化分析发现，SM组结肠紧密连接蛋白ZO-1表达显著降低，而NF-κB p65和TLR4水平升高，提示肌少症微生物群诱导了肠道屏障功能受损和炎症加剧。BFS1243给药后，促炎标志物TLR4和NF-κB p65的表达被显著抑制，而ZO-1和occludin水平虽有升高趋势但未达统计学意义，表明BFS1243主要缓解了模型中的黏膜炎症。对全身性炎症的评估显示，SM组小鼠血清促炎因子TNF-α、CRP和PGE2浓度显著升高，抗炎因子IL-10和肌因子irisin浓度降低，脾脏指数下降。BFS1243给药显著降低了TNF-α和PGE2水平，恢复了脾脏指数和irisin水平。这表明BFS1243通过调节结肠炎症通路和全身性炎症状态来减轻肌少症相关病理变化。
**3.3. 植物乳杆菌BFS1243调节肌少症相关的肠道微生物群组成**
虽然BFS1243未显著改变SM组小鼠的α多样性（Shannon和Simpson指数），但β多样性分析（PCA图）显示SML组菌群有向HM组靠近的趋势。在菌群组成上，BFS1243在多个分类水平上进行了调节，部分逆转了SM组中厚壁菌门/拟杆菌门（F/B）比值降低及疣微菌门（Verrucomicrobia）丰度升高的现象。LEfSe分析进一步鉴定出SM组富集的生物标志物（如Eisenbergiella、Akkermansia、Parabacteroides等），而SML组则具有独特的标志物，如Bacteroides intestinalis和Enterocloster bolteae。
**3.4. 植物乳杆菌BFS1243调节肌少症相关肠道微生物群的共现网络和功能**
菌属水平共现网络分析显示，SM组的网络结构简单，节点和边数少，且以Eisenbergiella为中心枢纽。BFS1243干预后，SML组的网络复杂性部分恢复，节点和边数增加，且转变为以Blautia为中心枢纽的结构。PICRUSt2功能预测发现，与HM组相比，SM组微生物群中丙酸代谢、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成等通路被预测下调。BFS1243干预后，氮代谢上调，RNA聚合酶和赖氨酸生物合成下调，表明BFS1243可能调节了特定代谢模块。
**3.5. 植物乳杆菌BFS1243重塑定植了肌少症微生物群的小鼠肠道代谢谱**
非靶向代谢组学分析显示，SM组粪便中SCFAs、氨基酸和苯丙素类物质丰度降低，而苯环型化合物和肉碱类物质升高。与HM组相比，SM组多种有益代谢物显著耗竭，包括色氨酸代谢物（如5-HT、I3PA、烟酸）、苯丙酸类（如氢化肉桂酸）和SCFAs（如乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸）。BFS1243给药后，SML组代谢谱部分改变，总SCFAs显著增加，丙酰肉碱、γ-氨基丁酸（GABA）等物质升高，而部分羟基苯甲酸、胆酸等降低。代谢通路富集分析表明，BFS1243干预显著调节了牛磺酸和亚牛磺酸代谢、β-丙氨酸代谢、丙酸代谢和丙酮酸代谢等通路。
**3.6. 整合分析揭示关键肠道微生物与代谢谱的强相关性**
Mantel检验和Spearman相关性分析揭示了菌属与代谢物间的显著关联。有益代谢物（如苯丙酸类、色氨酸衍生物、SCFAs）与HM组富集的菌属（如Faecalibacterium、Blautia、Megamonas）呈正相关，而与SM组富集的菌属（如Akkermansia、Eisenbergiella）呈负相关。相反，肉碱类物质则表现出相反的关联模式。这表明在肌少症微生物群中存在功能解耦，特定产物的减少直接与关键代谢物的缺失相关。
**3.7. 鉴定与肌肉表型和炎症相关的潜在生物标志物**
相关性分析显示，SM组富集的菌属（如Parabacteroides、Eisenbergiella、Akkermansia）与促炎因子TNF-α正相关，Eisenbergiella与肌肉力量负相关，而有益菌属Blautia则与肌肉力量正相关。代谢物方面，色氨酸衍生物（5-HT、烟酸、I3PA）和SCFAs（丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸）与肌肉相关表型正相关，与促炎表型负相关。线性回归分析进一步证实了这些关联：肌肉力量与lg(Eisenbergiella)丰度呈显著负相关，与lg(Blautia)丰度、丙酸和5-HT水平呈显著正相关。这些分析将Eisenbergiella、Blautia、5-HT和丙酸鉴定为连接肠道菌群失调与肌少症肌肉功能障碍的潜在关键生物标志物。
**4. 讨论与结论**
**讨论总结**：本研究发现，人鼠FMT模型成功重现了肌少症相关的肌肉质量和功能丧失，并验证了其用于研究“肠-肌轴”的可靠性。多组学分析揭示了与肌少症表型密切相关的差异菌群、代谢物和功能，其中SCFAs及其产生菌（如Blautia）被认为是关键的保护性生物标志物。BFS1243可能通过增强肠道微生物群的SCFA产生能力（如将网络重塑为以Blautia为中心），增加总SCFAs和丙酰肉碱，从而改善肌肉功能。同时，肌少症还伴随色氨酸代谢失调，5-HT和烟酸等代谢物与肌肉力量和炎症相关，但BFS1243对色氨酸代谢的调节作用有限。此外，SM组微生物群中苯丙素类代谢物（如氢化肉桂酸）的耗竭可能削弱了抗氧化防御系统。SM组中炎症相关菌群（如Eisenbergiella）的富集和“肠漏”现象，提示全身性炎症是连接肠道菌群失调与肌肉衰老的重要中介。BFS1243通过重塑肠道微生物网络、抑制TLR4/NF-κB通路、减轻肠道和全身性炎症，最终改善了肌肉表型。该研究存在供体数量少、需进一步验证因果通路等局限性。
**结论翻译**：总之，本研究提供了证据表明植物乳杆菌BFS1243可以减轻定植了肌少症个体粪便微生物群的小鼠的肌肉功能障碍。BFS1243的有益效应与肠道微生物群多样性的广泛重组无关，而是与微生物生态网络和SCFA相关代谢产物的靶向性改变更密切相关。特别是，向以Blautia为中心的微生物网络的转变、总SCFAs和丙酰肉碱的增加，以及炎症相关反应的减轻，共同表明肠道生态系统的功能性重塑可能有助于改善肌肉表型。这些发现支持BFS1243作为肌少症微生物群靶向干预的潜在益生菌候选菌株。需要进一步的研究来确认SCFA相关代谢物、肠道屏障调节和炎症信号在这一过程中的因果作用。
