普拉梭菌的生物学特性及潜在益生作用

宋乐辉 郭 帅 秦玉莹 朱年华

(江西农业大学动物科学技术学院，南昌330045)

动物肠道内益生菌与宿主生理机能密切相关。饲料添加剂中允许饲用的益生菌主要有双歧杆菌属(Bifidobacterium)、乳杆菌属(Lactobacillus)等。近些年，对下一代益生菌的开发成为研究热点。普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii，F.prausnitzii)是健康成人消化道丰富度最高的微生物之一，约占粪便细菌总数的5%[1]，在猪[2-3]、犊牛[2]、家禽[4]等动物体内都有分布。F.prausnitzii在动物和人类肠道中的相对丰度表明，该菌在影响宿主的生理机能等方面存在巨大的作用。其一些益生作用已经利用体内或体外试验得到证实，具备作为下一代益生菌的发展潜力。然而，F.prausnitzii绝对厌氧，在外界自然条件下2 min就会死亡[5]，这是其无法大规模培养的原因之一。本文综述了F.prausnitzii的生物学特性及潜在益生作用，以期为F.prausnitzii后续研究提供理论参考。

1 F. prausnitzii的来源及生物学特性

1922年，F.prausnitzii首次被发现并归类为梭菌门梭杆菌属(Fusobacterium)，直到1996年随着16S rRNA测序技术的发展，人们才发现它与梭状芽孢杆菌属结构更接近[6-7]。2002年，Duncan等[5]建议将其归属为一个新的菌种粪杆菌属(Faecalibacterium)，并将此菌改名Faecalibacteriumprausnitzii，简称F.prausnitzii，为无芽孢、绝对厌氧、不运动革兰氏阴性杆菌，是目前粪杆菌属唯一成员[1]。F.prausnitzii归属于厚壁菌门(Firmicutes)柔嫩梭菌类群，现代种系遗传学将F.prausnitzii分为Ⅰ型和Ⅱ型，有A2-165、SL3/3、L2/6等多个亚种。在F.prausnitzii糖发酵试验中，低聚果糖、淀粉、菊粉等能作为F.prausnitzii的碳源，而蜜二糖、棉子糖、核糖、木糖等不能被利用；丁酸、甲酸及乳酸是F.prausnitzii发酵葡萄糖的主要代谢物[5]。从牛和猪粪便中分离出F.prausnitzii并对其耐药性的研究发现，所有菌株对环丙沙星、磺胺甲恶唑/甲氧苄啶具有抗性；对头孢吡肟、头孢西丁、四环素、头孢曲松、氨苄青霉素等的耐药性存在差异；没有分离株对氯霉素有抗性；对胆酸的耐受性也存在差异[2]。

2 F. prausnitzii的生长和培养

2.1 F. prausnitzii的体外培养

微生物对肠道的适应程度取决于微生物的数量及分布。F.prausnitzii在胃肠道内生长的适宜pH在5.7～6.7，当pH在3.5～4.5时菌株的生长完全被抑制，说明pH影响F.prausnitzii的生长[8-9]。在体外培养时添加一些益生元可提高F.prausnitzii的丰富度。研究表明，培养基中添加黄素类和半胱氨酸或谷胱甘肽，可以在微氧环境中培养F.prausnitzii；培养基中添加不同碳源对F.prausnitzii的生长存在影响[10]。Murakami等[11]研究发现，在含有酵母提取物、酪蛋白胨和脂肪酸(yeast extract, casitone and fatty acid，YCFA)的培养基中添加海藻酸盐、金合欢胶、抗性玉米淀粉、糊精、异麦芽糖糊精、菊粉、乳果糖、半乳甘露聚糖和2′-褐藻环乳糖，pH为6.5±0.2，厌氧条件下发酵粪便样品24 h，含海藻酸盐粪便样品发酵物中F.prausnitzii的丰富度显著增加。同样，在Kim等[12]研究中发现，F.prausnitzii与双歧杆菌联培时在葡萄糖及低聚果糖中生长最好，表明F.prausnitzii在短链糖及单糖底物(低聚果糖、葡萄糖)中生长效果比在长链糖底物(淀粉、菊糖)中好。

2.2 F. prausnitzii与肠道内菌群的相互影响

F.prausnitzii作为一种共生菌，其他微生物也会影响其生长。F.prausnitzii和双歧杆菌联合培养时的生长效果比单独培养F.prausnitzii时的生长效果好[11-12]。用弯曲杆菌攻毒罗斯鸡，在饲粮中添加酿酒酵母CNCMI-1079能够有效地抑制弯曲杆菌的生长并提高盲肠中F.prausnitzii的丰富度[13]。悉生大鼠模型表明，大肠杆菌及多形拟杆菌提前在肠道定植能创造有利于F.prausnitzii定植的肠道环境[14-16]。Fehlbaum等[17]用体外肠道发酵模型发现，在发酵过程中加入副干酪乳杆菌CNCMI-1518能增加F.prausnitzii的活性和丰富度。体外培养时，嗜酸乳杆菌和双歧乳杆菌培养物上清液对F.prausnitzii的生长有显著促进效果[18]。Duysburgh等[19]进行人胃肠道体外模拟时发现，在模拟胃肠道中加入合生素(芽孢杆菌及益生元混合物)能促进F.prausnitzii的生长。

2.3 饲粮因素(药物、营养素、添加剂)对肠道内F. prausnitzii相对丰度的影响

一些药物的使用也会影响F.prausnitzii在肠道中的丰富度。干扰素-α可以提高神经内分泌肿瘤(NET)患者肠道中F.prausnitzii的丰富度[20]。英夫利昔(infliximab)或大剂量使用皮质醇激素也可提高活动性克罗恩病(Crohn’s disease,CD)患者粪便中F.prausnitzii的丰富度[21]。给Ⅱ型糖尿病(T2DM)患者服用中药葛根芩能缓解患者症状并提高患者体内F.prausnitzii的丰富度[22]。某些基因的缺失也可影响肠道菌群变化。动物试验显示，敲除小鼠的核苷酸结合寡聚化结构域2(NOD2)基因可导致回肠和盲肠中F.prausnitzii的丰富度显著降低[23]。F.prausnitzii的丰富度不仅与上述因素有关，食物成分也会影响F.prausnitzii在后肠道中的丰富度。Tochio等[24]发现，给婴儿和健康成人服用一定量的1-蔗果三糖能提高其肠道内F.prausnitzii的丰富度。受试者被随机分配到高乳制品饮食(HDD)(每天5～6份乳制品)和低乳制品饮食(LDD)(每天≤1份乳制品)6周，每天饮用高乳制品会导致体内F.prausnitzii的丰富度降低[25]。Benno等[26]发现，大量摄入低纤维和肉类食物会降低肠道中F.prausnitzii的丰富度，而食用高纤维及少量摄入肉类会提升肠道中F.prausnitzii的丰富度。在动物体内有相同效果，Heinritz等[27]发现，饲喂高纤维低脂肪饲粮比饲喂高脂肪低纤维饲粮的猪肠道内F.prausnitzii的丰富度更高。Gangadoo等[28]研究发现，在家禽饲粮中添加0.9 mg/kg纳米硒能增加肠道中F.prausnitzii的丰富度，改善肠道健康。Feng等[29]研究发现，猪饲粮中添加L-谷氨酸一钠(味精)及膳食脂肪有利于猪结肠中F.prausnitzii的定植。仔猪断奶时间也会影响F.prausnitzii在肠道中的定植。Massacci等[30]研究发现，与14、21、28日龄断奶仔猪相比，42日龄断奶仔猪肠道内F.prausnitzii的丰富度相对较高。犊牛的代乳产品也会影响F.prausnitzii的定植，犊牛饲喂不同代乳产品，第7天时饲喂含有更多低聚寡糖的代乳产品的犊牛粪便中F.prausnitzii的丰富度更高[31]。

3 F. prausnitzii在动物肠道内的作用

3.1 产丁酸作用

短链脂肪酸(SCFA)即挥发性脂肪酸(VFA)，是指碳原子数在6个及以下的有机脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸、丁酸等。人和动物结肠的主要功能之一是产生SCFA，为结肠黏膜上皮细胞提供70%的能量，而F.prausnitzii是胃肠道中主要的产丁酸盐微生物之一[32]。研究表明，在人和小鼠后肠段中SCFA是主要的代谢产物(主要成分为乙酸、丙酸、丁酸)[33]，并作为主要能量来源为结肠供能[34]。Murakami等[11]发现，在YCFA培养基中加入海藻酸盐发酵培养24 h时，发酵培养物中F.prausnitzii的相对丰度与丁酸浓度均呈显著正相关。Myint等[35]研究表明，饲粮中添加5.6%的大豆壳粉能提高柴犬肠道中F.prausnitzii的丰富度并提高体内丁酸的浓度。研究表明，健康人正常饮食时体内F.prausnitzii的丰富度和丁酸盐的浓度显著正相关，但食用无纤维饲粮或者纤维补充剂时二者不存在显著关系[36]。苹果果胶发酵试验发现，F.prausnitzii和多形拟杆菌对苹果果胶的利用存在竞争关系[8]，且二者共发酵时比F.prausnitzii单独发酵时产生更多的丁酸[14]，表明F.prausnitzii能够利用多形拟杆菌的代谢产物合成丁酸。

SCFA除了提供能量外，在抑制肠道沙门氏菌、增强肠道免疫等[37-38]方面也有明显作用。鉴于F.prausnitzii是肠道内主要产丁酸盐的微生物之一，丁酸展现出的益生作用F.prausnitzii同样具备。但因对F.prausnitzii的报道较少，其具体的作用效果有待后续研究。

3.2 F. prausnitzii的抗炎作用及机制

虽然现阶段关于F.prausnitzii的研究较少，但通过体内、外试验发现F.prausnitzii具有显著抗炎作用。Zhang等[39]在体外共培肠道上皮细胞及厌氧细菌时发现，F.prausnitzii能降低Toll样受体3(TLR3)、Toll样受体4(TLR4)的表达并抑制核因子-κB(NF-κB)途径，从而对结肠上皮细胞发挥抗炎作用，丁酸对这一效果有促进作用。有研究发现，F.prausnitzii能够促进人外周血单核细胞产生白细胞介素-10(IL-10)，其培养物上清液能够抑制肿瘤坏死因子-α(TNF-α)诱导的HT-29细胞分泌白细胞介素-8(IL-8)[40]。Alameddine等[41]报道，F.prausnitzii促进人树突细胞中产生IL-10的T细胞的增殖，导致IL-10和白细胞介素-27(IL-27)的表达增加，降低白细胞介素-6(IL-6)和TNF-α的表达。用CaCo-2细胞模型进行研究发现，F.prausnitzii及其胞外小泡(EVs)能降低模型中白细胞介素-17(IL-17)、IL-6的分泌并提高白细胞介素-4(IL-4)的水平，且EVs的效果比F.prausnitzii更明显[42]。Huang等[43]研究发现，F.prausnitziiA2-165上清液能保护及治疗葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的结肠炎小鼠，认为F.prausnitzii上清液是通过抑制Th17细胞分泌IL-17A同时降低IL-6改善结肠炎，还可以提高IL-4的分泌预防结肠炎。Zhang等[44]也证明，F.prausnitzii产生丁酸抑制T细胞中组蛋白去乙酰化酶3(HDAC3)和c-Myc基因的表达，从而降低Th17细胞分化，达到缓解DSS诱导的小鼠结肠炎症状。Kawade等[45]的试验发现，给DSS模型小鼠饲喂活F.prausnitzii能缓解小鼠肠道炎症且与对照组相比该组小鼠TNF-α、γ-干扰素(IFN-γ)和IL-10的表达量显著降低。Rossi等[46]通过试验发现，F.prausnitziiA2-165能通过增加IL-10的含量，进而提高小鼠T细胞活性并降低IFN-γ+T细胞比例。研究发现，F.prausnitzii能促进结肠紧密连接蛋白表达，改善肠道通透性，缓解2，4-二硝基苯磺酸(DNBS)诱导的小鼠结肠炎症[47]。

尽管F.prausnitzii有显著的抗炎效果，但其产生抗炎作用的具体物质及作用机理并不完全清楚。有研究认为，F.prausnitzii代谢产物丁酸在抗炎过程中起主要作用，也有研究持不同意见。2016年，Quévrain等[48]在F.prausnitzii上清液中发现一种具有抗炎效果的蛋白质，将其称为微生物抗炎分子(microbial anti-inflammatory molecule,MAM)，并发现MAM通过抑制NF-κB信号通路缓解DNBS诱导的小鼠炎症，不同菌株来源的MAM具有的抗炎活性不同[49]。这一抗炎蛋白被证实具有抑制NF-κB信号通路活性的作用[50]。Xu等[51]研究发现，F.prausnitzii分泌的MAM能够通过调节肠道紧密连接蛋白的表达，改善T2DM小鼠模型的肠道功能。另外，Miquel等[15]在F.prausnitzii治疗2,4,6-三硝基苯磺酸(TNBS)诱导的小鼠模型炎症时发现，F.prausnitzii通过多种代谢物质发挥抗炎作用，其中水杨酸最为显著。F.prausnitzii发挥抗炎作用是一个极其复杂的过程，且该类报道有限尚未形成定论，有待后续研究。

3.3 F. prausnitzii对宿主的其他作用

腹泻是对犊牛危害最严重的疾病之一，病情严重会造成犊牛的死亡和经济损失。抗生素能够有效地预防治疗犊牛腹泻，但使用抗生素成本高、危害大，因此寻找新的腹泻预防和治疗方法尤为重要。Oikonomou等[52]用16S rRNA测序方法对出生犊牛到7周龄犊牛粪便微生物进行检测发现，F.prausnitzii和犊牛腹泻率及犊牛增重相关，尤其在第1周龄时，F.prausnitzii的丰富度越高，犊牛增重越快，腹泻率越低。同样，Foditsch等[53]给断奶犊牛口服F.prausnitzii后发现，口服F.prausnitzii的试验组犊牛腹泻率及致死率与对照组相比降低且促进了犊牛增重；在试验过程中犊牛未出现不良反应，因此认为F.prausnitzii能作为潜在益生菌开发利用。虽然相关研究表明F.prausnitzii和犊牛腹泻相关，但该过程复杂，具体的作用机制并未探索完全，有待进一步研究。

3.4 F. prausnitzii与人类和动物疾病

F.prausnitzii除具有以上潜在益生作用外，它与一些人类和动物疾病也紧密相关。研究发现，成年CD患者的粪便和回肠黏膜中F.prausnitzii的丰富度显著低于健康人群，活动期CD患者肠道内F.prausnitzii的丰富度显著低于缓解期CD患者[54]。除与CD有关外，有研究者发现，结直肠癌(colorectal cancer,CRC)患者肠道内F.prausnitzii的丰富度降低，这一现象与患者体内DP8α T细胞活性降低有关[55]。F.prausnitzii还与过敏性哮喘相关。Hu等[56]发现，饲喂活的或死亡的F.prausnitzii能够缓解屋螨尘(HDM)诱导的小鼠的症状并提高免疫表达，促进SCFA的产生及改善肠道菌群失调情况；同时，还证明F.prausnitzii作为一种益生菌在预防过敏性哮喘病中具有潜在的作用。F.prausnitzii对不可预测的慢性轻度应激(CUMS)诱导的小鼠抑郁及焦虑症具有显著的治疗、预防作用，并能防止小鼠全身股骨、胫骨的骨密度降低[57]。F.prausnitzii在人和动物疾病方面都有显著的预防、治疗效果，尤其是在人肠道疾病方面。因此，F.prausnitzii具备作为益生菌利用的潜力。

4 小结与展望

综上所述，基于现阶段研究结果，F.prausnitzii在提高机体免疫能力等方面具有一定的作用。然而F.prausnitzii具备作为益生菌饲料添加剂发展潜力的同时，尚有诸多问题有待解决，例如：1)F.prausnitzii是绝对厌氧的共生菌，因此，F.prausnitzii大规模培养问题及添加方式有待解决；2)F.prausnitzii在畜禽生产中的应用研究较少，在生产中如何合理的添加有待于深入研究；3)关于F.prausnitzii对宿主的益生作用机制及生产中应用的安全性缺乏大量试验报道，有待于进一步研究。以上问题的解决有利于F.prausnitzii在养殖生产中的应用。