Effects of Live Combined Bacillus subtilis and Enterococcus faecium on Gut Microbiota Composition in C57BL/6 Mice and in Humans

活的枯草芽孢桿菌和屎腸球菌對 C57BL6 小鼠和人類腸道菌群組成的影響

來源：Frontiers in Cellular and Infection Microbiology  February 2022 | Volume 12 | Article 821662

 

一、摘要概述

 

本研究探索了枯草芽孢桿菌R-179（B. subtilis R-179）與屎腸球菌R-026（E. faecium R-026）聯合制劑（LCBE）對腸道菌群的調節作用及其健康效應：

 

核心發現：LCBE通過降低腸道氧化還原電位（Unisense電極測量）、促進短鏈脂肪酸（SCFA）生成（圖2），顯著改善高脂飲食小鼠的血脂代謝（總膽固醇降低，圖3），并調節腸道菌群組成（厚壁菌門/擬桿菌門比值降低，阿克曼菌屬和雙歧桿菌屬豐度增加，圖4）。

 

 

 

 

 

 

作用機制：

 

LCBE與低聚糖（如GOS）協同促進厭氧益生菌（如雙歧桿菌、丁酸梭菌）增殖（表1）。

 

 

通過降低腸道氧化環境（表2），創造利于有益菌生長的微環境。

 

 

跨物種驗證：人體糞便體外發酵實驗證實LCBE增加乳桿菌和雙歧桿菌豐度，降低大腸桿菌-志賀菌屬（圖5）。

 

 

二、研究目的

 

解決兩大科學問題：

 

機制不明確：LCBE（商品化益生菌組合）對腸道菌群的具體調節機制尚未系統研究。

 

應用場景拓展：探究LCBE能否通過調節菌群改善高脂飲食誘導的代謝紊亂（如高膽固醇血癥）。

 

三、研究思路

 

采用體外-體內-人體驗證三級研究框架：

 

體外實驗：

 

測試LCBE在12種寡糖中的生長曲線（圖1）及SCFA產量（圖2）。

 

 

與厭氧菌（長雙歧桿菌、丁酸梭菌）共培養，評估共生關系（表1）。

 

Unisense電極測量氧化還原電位（表2），分析腸道微環境變化。

 

小鼠模型：

 

高脂飲食誘導高血脂C57BL/6小鼠，給予LCBE±低聚半乳糖（GOS）干預8周。

 

檢測血脂（圖3）、腸道菌群（16S rRNA測序，圖4）。

 

人體驗證：

 

10名健康人糞便體外發酵，分析LCBE對菌群組成的影響（圖5）。

 

四、測量的數據及其研究意義

1. 菌株生長與共生關系（體外）

 

數據來源：圖1（生長曲線）、表1（共培養活菌計數）。

 

關鍵結果：

 

GOS和FOS顯著促進E. faecium和B. subtilis生長（圖1A-B）。

 

LCBE與厭氧菌共培養時，丁酸梭菌活菌數提升4倍（表1）。

 

研究意義：證實LCBE與腸道厭氧益生菌存在共生關系，為聯合應用提供依據。

 

2. 短鏈脂肪酸（SCFA）生成

 

數據來源：圖2（SCFA產量）、表3（人體發酵SCFA）。

 

 

關鍵結果：

 

LCBE+GOS組丁酸產量最高（圖2F），人體發酵中LCBE提升異丁酸濃度（表3）。

 

研究意義：SCFA（尤其丁酸）是腸道屏障功能關鍵能源，直接關聯代謝健康。

 

3. 氧化還原電位變化（核心機制）

 

數據來源：表2（Unisense電極數據）。

 

關鍵結果：

 

LCBE共培養組氧化還原電位降至353.5 mV（vs. 空白組550.5 mV）。

 

研究意義：首次量化LCBE對腸道氧化微環境的調節能力，為益生菌改善缺氧環境提供直接證據。

 

4. 動物模型效果

 

數據來源：圖3（血脂）、圖4（菌群）。

 

關鍵結果：

 

LCBE+GOS顯著降低小鼠總膽固醇（圖3B）。

 

厚壁菌門/擬桿菌門比值從1.8降至0.3，阿克曼菌屬豐度增加（圖4A）。

 

研究意義：證實LCBE通過菌群調節改善高脂飲食誘導的代謝紊亂。

 

5. 人體菌群調節

 

數據來源：圖5（菌群組成）。

 

關鍵結果：

 

LCBE處理組乳桿菌和雙歧桿菌增加，大腸桿菌-志賀菌屬減少（圖5B-C）。

 

研究意義：跨物種驗證LCBE的益生作用，支持其臨床轉化潛力。

 

五、結論

 

機制層面：

 

LCBE通過降低腸道氧化還原電位（表2），創造厭氧環境促進有益菌（雙歧桿菌、阿克曼菌）定植。

 

與GOS協同提升SCFA（尤其丁酸）產量，改善腸道屏障功能。

 

健康效應：

 

顯著降低高脂飲食小鼠血膽固醇（圖3），調節菌群平衡（F/B比值↓）。

 

人體腸道模型中抑制致病菌（大腸桿菌-志賀菌屬），增強益生菌。

 

應用價值：LCBE可作為代謝綜合征（如高血脂）的輔助干預手段。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 測量方法與數據位置

 

技術原理：使用Unisense Ag/AgCl參比電極（方法2.5），在厭氧條件下測量發酵液氧化還原電位（Eh），精度達±1 mV。

 

檢測場景：

 

體外發酵系統：24小時厭氧培養后測量上清液Eh（表2）。

 

校準標準：以飽和醌氫醌緩沖液（pH 4/7）為基準，數據換算至標準氫電極。

 

2. 關鍵結果與機制關聯

 

結果：

 

LCBE共培養組Eh=353.5 mV，顯著低于單菌組（B. subtilis: 439.7 mV; E. faecium: 430.7 mV）。

 

機制關聯：

 

低Eh值（還原環境） 直接促進厭氧益生菌（如雙歧桿菌）生長，抑制好氧致病菌。

 

解釋LCBE提升丁酸梭菌活性的原因（表1）：丁酸梭菌為嚴格厭氧菌，依賴低Eh環境。

 

3. 研究意義

 

技術優勢：

 

實時動態監測：避免傳統培養法的延時誤差，精準反映微環境變化。

 

微創原位檢測：電極可直接插入發酵體系，模擬腸道真實環境。

 

科學價值：

 

首次揭示LCBE通過耗氧降低Eh的機制：B. subtilis消耗游離氧，E. faecium代謝產還原物質。

 

為益生菌制劑優化提供關鍵參數（如Eh<-300 mV為理想厭氧閾值）。

 

臨床啟示：腸道Eh可作為益生菌療效的生物標志物，指導個體化干預。

 

總結：本研究通過Unisense電極等多項技術，闡明LCBE通過調節氧化還原電位重塑腸道微環境，進而促進有益菌增殖、改善代謝健康的作用機制。其跨物種驗證（小鼠-人體）為LCBE的臨床應用提供堅實證據。