肠道菌群紊乱通过内毒素血症破坏宿主抗炎酶诱导乳腺炎发生

Gut dysbiosis induces the development of mastitis through a reduction in host anti-infammatory enzyme activity by endotoxemia

期刊：Microbiome, [IF 16.837]

DOI：10.1186/s40168-022-01402-z

原文链接：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-022-01402-z

第一作者：Caijun Zhao (赵才军)；Xiaoyu Hu（胡晓宇）

通讯作者：Yunhe Fu (付云贺)

合作作者：, Lijuan Bao（包丽娟）；Keyi Wu（吴可祎）；Yihong Zhao（赵艺鸿）；Kaihe Xiang（项开合）；Shuang Li（李爽）；Ying Wang（王莹）；Min Qiu（邱敏）；Lianjun Feng（冯炼君）；Xiangyue Meng（孟祥玥）；Naisheng Zhang（张乃生）

主要单位：

吉林大学动物医学学院 (Department of Clinical Veterinary Medicine, College of Veterinary Medicine, Jilin University, Changchun 130062, Jilin Province, China)

四川大学华西医院 (Department of Breast Center, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu, 610041, Sichuan Province, China)

- 摘  要 -

背景：

越来越多的实验证据表明，肠道菌群在乳腺炎的发病过程中起着重要作用，并且临床研究发现，乳腺炎的发生与瘤胃菌群失调有关。然而，瘤胃菌群参与乳腺炎发展的潜在机制仍不清楚。

结果：

在本研究中，我们发现乳腺炎奶牛发生显著的系统性炎症和瘤胃菌群紊乱，特别是瘤胃中变形菌群富集。将乳腺炎奶牛瘤胃微生物(M-RMT)移植给小鼠可诱导小鼠乳腺炎发生，同时增加乳腺TLR4-cGAS-STING-NF-κB/NLRP3通路的激活。M-RMT诱导粘膜炎症和破坏肠屏障完整性，导致内毒素血症和系统性炎症。此外，M-RMT诱导小鼠肠道菌群紊乱，增加变形菌门丰度，并呈现与乳腺炎奶牛瘤胃类似的细菌功能。肠道菌群紊乱与小鼠炎症指标和血清脂多糖(LPS)水平相关。持续低度LPS处理可模拟肠道菌群紊乱引起的内毒素血症，并在小鼠中引起严重的乳腺炎。机制上，肠道菌群紊乱引起的LPS通过激活神经氨酸酶(Neu)降低宿主碱性磷酸酶活性，从而促进低度LPS暴露和大肠杆菌诱导的小鼠乳腺炎。而补充犊牛肠道碱性磷酸酶或Neu抑制剂扎那米韦可缓解小鼠持续低度LPS暴露和大肠杆菌诱导的乳腺炎。

结论：

我们的研究结果表明，瘤胃生物紊乱引起的持续低度内毒素血症可引起乳腺炎，并通过损害宿主抗炎酶加剧病原体诱导的乳腺炎，表明调节瘤胃或肠道菌群紊乱以防止内毒素血症和系统性炎症或有助于乳腺炎的防治。

- 引  言 -

乳腺炎是影响乳制品行业最重要的疾病之一，其降低乳产量和乳品质，从而在全球范围内每年造成巨大的经济损失。传统观点认为病原体的入侵，特别是细菌是乳腺炎的主要致病原因。然而，在一些乳腺炎病例中并没有发现病原性感染，而抗生素治疗不仅对乳腺炎防治效果有限，而且可使乳腺炎向慢性发展。临床实践中，乳腺炎常继发或伴发于胃肠道疾病，如亚急性瘤胃酸中毒(SARA)，其发生往往与高谷物饲粮(HGD)摄入量增加有关。我们之前的研究发现，长期HGD饲喂诱导SARA可以增加乳中体细胞计数(SCC)，促进乳腺损伤和乳腺炎发生，表明其他因素调节乳腺炎发生。

越来越多的研究表明，肠道菌群参与多种宿主功能，包括食物消化、营养吸收、屏障完整性维护以及免疫和代谢调节。肠道菌群紊乱被报道与人类和动物的疾病过程有关，包括炎症性肠病、代谢综合征、癌症、自闭症谱系障碍和感染等。我们之前的研究结果表明，抗生素引起的肠道菌群紊乱有助于乳腺炎的发生和发展，而移植健康小鼠的粪便微生物群 (FMT)可改善小鼠乳腺炎。此外，小鼠补充色氨酸可通过肠道菌群依赖的方式改善大肠杆菌(E. coli)诱导的乳腺炎。反刍动物肠道菌群的组成和功能具有空间特异性。奶牛的瘤胃菌群移植(RMT)到抗生素处理过的小鼠发现，奶牛的瘤胃菌群分布与小鼠的结肠菌群相似。由HGD诱导的SARA引起的瘤胃炎症也可以通过RMT引起小鼠结肠炎。这说明位于反刍动物瘤胃菌群或最能代表奶牛胃肠道菌群的特征。然而，瘤胃菌群是否以及如何参与乳腺炎的发病机制尚不清楚。

虽然尚不清楚肠道菌群紊乱如何介导远端器官的疾病发展，但肠道菌群紊乱诱导的肠道炎症或是调节疾病发展的第一步。有研究表明，由肠道失调引起的肠道炎症增加，可以通过促进肠道氧含量的增加，在小鼠中促进兼性厌氧菌，特别是肠杆菌科细菌生长，后者反过来促进菌群紊乱。肠杆菌科通过增加细菌毒素的释放，如脂多糖(LPS)进一步促进肠道炎症，这些因素协同诱导肠道屏障的破坏，并允许有害代谢物进入血液，随后引起系统性炎症反应。然而，瘤胃菌群紊乱导致的LPS水平升高是否与乳腺炎的发生有关，以及低度LPS如何引起乳腺炎尚不清楚。

宿主具有复杂的降解有毒物质的机制，如碱性磷酸酶(ALP)通过去磷酸化介导的LPS解毒。相反，包括LPS在内的病原体毒力因子通过重塑宿主信号转导来抑制宿主抗炎酶的产生。因此，我们认为瘤胃菌群紊乱诱导的低度LPS通过降低宿主抗炎酶活性促进乳腺炎的发生。在本研究中，我们发现乳腺炎奶牛发生显著瘤胃菌群紊乱和系统性炎症增加，以及血清ALP水平降低。牛血清ALP降低与LPS水平升高相关。M-RMT通过LPS介导的TLR4-cGAS-STING-NF-κB/NLRP3信号激活诱导乳腺炎。低度LPS暴露通过TLR4 -神经氨酸酶(Neu)-ALP途径降低宿主ALP活性，从而诱导乳腺炎，并进一步恶化大肠杆菌诱导乳腺炎的严重性。我们的研究结果强调了瘤胃菌群紊乱引起的低度内毒素血症在乳腺炎发病中的重要作用，并为靶向肠道或瘤胃菌群紊乱防治乳腺炎提供理论参考。

- 研究进展 -

① 乳腺炎奶牛发生系统性炎症和瘤胃菌群紊乱

Cows with mastitis have changed ruminal microbiota profles and increased systemic infammatory responses

通过对健康奶牛和乳腺炎奶牛进行血清细胞因子检测发现，乳腺炎奶牛血清TNF-α和IL-1β水平增加，并伴随血清LPS水平增加和ALP水平降低 (图1A-D)。对奶牛瘤胃微生物进行16S rRNA测序发现，乳腺炎奶牛瘤胃菌群发生显著紊乱，表现为变形菌门增加，而增加的细菌种属与乳中体细胞数、血清细胞因子和LPS水平呈正相关(图1E-J)。

图1 健康奶牛和乳腺炎奶牛瘤胃菌群变化。

② 移植乳腺炎奶牛瘤胃微生物

诱导小鼠乳腺炎和系统性炎症

RMT from cows with mastitis (M‑RMT) to mice induces mastitis，systemic immune imbalance and gut barrier leakage

通过将健康奶牛和乳腺炎奶牛瘤胃微生物移植给小鼠发现，与对照和H-RMT小鼠相比，M-RMT诱导小鼠乳腺组织损伤(图2A-C)，乳腺炎性细胞因子水平和MPO活力增加(图2D-F)，并降低乳腺紧密连接蛋白ZO-1，Occludin和Claudin-3表达(图2G-H)，而与对照小鼠相比，H-RMT对小鼠乳腺组织无显著影响。

图2 移植乳腺炎奶牛瘤胃微生物诱导小鼠乳腺炎症。

通过对回肠、结肠和肝脏进行检测发现，与对照和H-RMT小鼠相比，M-RMT诱导小鼠回肠、结肠和肝脏组织损伤和炎症反应(图3A-B)，增加结肠炎性基因表达（图3C）、粪便LCN2水平和血清炎性细胞因子和LPS水平(图3D-G)，并降低肠道粘蛋白水平、结肠紧密连接蛋白ZO-1，Occludin和Claudin-3表达(图3H-L)，而与对照小鼠相比，H-RMT对小鼠乳腺组织无显著影响(图3A-L)。

图3 M-RMT诱导小鼠肠道炎症和系统性炎症，破坏肠道屏障。

图4 M-RMT诱导小鼠肠道菌群紊乱

③ 瘤胃菌群紊乱诱导的内毒素血症通过

促进ALP唾液酸化促进乳腺发生和易感性增强

Low‑grade systemic endotoxemia facilitates mastitis through reducing ALP activity by the TLR4‑neuraminidase (Neu)‑ALP pathway

通过进一步获取不同通过对血清LPS和ALP进行关联分析发现，血清LPS与ALP丰度呈负相关。反复LPS暴露诱导严重乳腺炎症，而补充cAIP可缓解LPS诱导的乳腺炎(图5)。

图5 补充cIAP缓解持续低度LPS诱导的乳腺炎

进一步发现LPS促进ALP唾液酸化，而补充唾液酸酸梅抑制剂Zanamivir可缓解LPS诱导的小鼠乳腺炎。此外，与对照和H-RMT小鼠相比，M-RMT恶化大肠杆菌诱导的小鼠乳腺炎，而补充cIAP和Zanamivir可缓解该现象(图6)。

图6 瘤胃菌群紊乱通过破坏ALP诱导乳腺炎并加剧大肠杆菌感染。

- 研究总结与讨论 -

本研究揭示了乳腺炎奶牛瘤胃菌群紊乱和系统炎症增加。通过小鼠RMT模型，我们发现瘤胃菌群紊乱通过诱导小鼠系统性炎症和低度内毒素血症导致乳腺炎发生。低度内毒素血症通过激活Neu损伤宿主ALP，并激活TLR4-cGAS-STING-NF-κB/NLRP3信号引起持续性损伤和乳腺炎。此外，肠道菌群紊乱引起的ALP减少会加重大肠杆菌诱导的小鼠乳腺炎。我们的研究首次证明了瘤胃菌群紊乱所致的低度内毒素血症在乳腺炎发展中的作用，证实了课题组先前提出的“肠源性乳腺炎”这一理论假设，并为通过调节肠道菌群和宿主抗炎酶预防乳腺炎和其他疾病提供理论指导。

参考文献：

Zhao, C.; Hu, X.; Bao, L.; Wu, K.; Zhao, Y.; Xiang, K.; Li, S.; Wang, Y.; Qiu, M.; Feng, L.; Meng, X.; Zhang, N.; Fu, Y., Gut dysbiosis induces the development of mastitis through a reduction in host anti-inflammatory enzyme activity by endotoxemia. Microbiome 2022, 10 (1), 205

- 第一作者 -

吉林大学动物医学学院

赵才军

博士研究生

第一作者：赵才军，吉林大学动物医学学院博士研究生，主要关注肠道菌群与乳腺炎发病机制，肠道菌群与代谢和免疫等。目前以第一作者在Microbiome、Cell Reports、Plos pathogens、Microbiology Spectrum等期刊发表论文7篇。

吉林大学动物医学学院

胡晓宇

副教授

第一作者：胡晓宇,吉林大学动物医学学院副教授。一直从事肠道菌群与奶牛乳腺炎关联性及关联机制方面的研究工作。研究成果以第一作者（含并列）和通讯作者（含并列）在ISME Journal、Microbiome、Microbiology Spectrum、Free Radical Biologyand Medicine、FEMS Microbiology Ecology、中国兽医学报等国内外杂志发表学术论文20余篇；获得博士后科学基金第2批特别资助（站前）、博士后面上项目和国家自然科学基金青年基金羡慕各1项，参与国家自然科学基金面上项目3项；目前担任iMeta青年编委和Frontiers in Veterinary Science编辑。

- 通讯作者 -

吉林大学动物医学学院

付云贺

教授

通讯作者：付云贺，吉林大学动物医学学院教授，博导。吉林大学唐敖庆领军教授，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，国家自然科学基金二审专家。主要研究方向：肠道菌群与奶牛乳腺炎。研究发现肠道菌群紊乱可诱发乳腺炎，提出“肠源性乳腺炎”概念。以第一/通讯作者在ISME journal，Cell reports，Microbiome, Plos pathogens等杂志发表SCI论文60余篇。主持国家自然科学基金等项目13项。目前担任iMeta青年编委和Microbiology Spectrum等期刊编辑。

猜你喜欢

iMeta简介 高引文章 高颜值绘图imageGP 网络分析iNAP
iMeta网页工具 代谢组MetOrigin 美吉云乳酸化预测DeepKla
iMeta综述 肠菌菌群 植物菌群 口腔菌群 蛋白质结构预测

10000+：菌群分析 宝宝与猫狗 梅毒狂想曲 提DNA发Nature

系列教程：微生物组入门 Biostar 微生物组  宏基因组

专业技能：学术图表 高分文章 生信宝典 不可或缺的人

一文读懂：宏基因组 寄生虫益处 进化树 必备技能：提问 搜索  Endnote

扩增子分析：图表解读 分析流程 统计绘图

16S功能预测   PICRUSt  FAPROTAX  Bugbase Tax4Fun

生物科普:  肠道细菌 人体上的生命 生命大跃进  细胞暗战 人体奥秘

写在后面

为鼓励读者交流快速解决科研困难，我们建立了“宏基因组”讨论群，己有国内外6000+ 科研人员加入。请添加主编微信meta-genomics带你入群，务必备注“姓名-单位-研究方向-职称/年级”。高级职称请注明身份，另有海内外微生物PI群供大佬合作交流。技术问题寻求帮助，首先阅读《如何优雅的提问》学习解决问题思路，仍未解决群内讨论，问题不私聊，帮助同行。

点击阅读原文，跳转最新文章目录阅读