《Applied and Environmental Microbiology》：Comparable efficacy and mechanisms of sterile soil ingestion versus low hygiene exposure in DSS-induced colitis
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本文首次系统比较了无菌土壤摄入与低卫生环境暴露对溃疡性结肠炎模型小鼠的治疗效果，揭示了二者在重塑肠道菌群结构、提升短链脂肪酸（SCFAs）水平、修复肠黏膜屏障、调控免疫平衡等方面具有高度相似且等效的保护作用。研究为现代城市生活方式下，通过安全可控的土壤干预替代难以获得的环境暴露以恢复肠道生态健康，提供了重要的转化应用依据。
引言：溃疡性结肠炎（UC）作为一种重要的炎症性肠病亚型，其发病率与现代生活方式、环境卫生变迁密切相关。研究表明，过度卫生的城市化进程减少了人类对土壤和环境微生物的接触，这可能与包括UC在内的免疫相关疾病发病率上升有关。低卫生环境暴露已被证实可通过重塑肠道菌群、增强免疫调节功能来改善哮喘、湿疹等疾病。与此同时，在许多文化和地区，食土习俗作为一种传统长期存在，兼具营养和药用目的。土壤，特别是无菌土壤，被确定为低卫生环境中塑造微生物群落的关键因素。但无菌土壤摄入是否能产生与低卫生环境暴露相当的效应，以及哪种干预效果更佳，此前仍不明确。本研究旨在系统比较无菌土壤摄入与低卫生环境暴露在葡聚糖硫酸钠诱导的小鼠慢性溃疡性结肠炎模型中的干预效果与潜在机制。
结果：
无菌土壤摄入与低卫生环境暴露缓解UC症状
研究建立了不同卫生等级的小鼠饲养环境，包括无特定病原体条件、低卫生环境以及模拟现代人类居住条件的常规动物设施环境。DSS诱导的UC小鼠表现出显著的体重下降、腹泻、便血、结肠缩短和疾病活动指数评分升高。组织病理学分析显示结肠隐窝结构破坏、杯状细胞丢失、上皮脱落和明显炎症细胞浸润。而低卫生环境暴露和无菌土壤补充干预均能有效减轻这些临床症状，并使受损的结肠组织结构更接近正常，炎症损伤显著减少。
UC诱导的肠道菌群失调
UC小鼠表现出严重的肠道菌群失调。DSS处理显著降低了Shannon指数、Pielou_J指数和Simpson指数，表明微生物群落多样性和均匀性下降。基于未加权UniFrac距离和Bray-Curtis距离的主坐标分析显示对照组与模型组间存在清晰的聚类分离。在门水平，UC小鼠疣微菌门丰度显著增加，脱硫杆菌门丰度显著减少。差异丰度热图显示，DSS处理显著降低了大多数关键细菌属和物种的丰度。线性判别分析效应大小分析鉴定出对照组特征菌属为毛螺菌科未分类菌属和杜博西菌属，而模型组显著富集阿克曼菌属。更重要的是，UC小鼠的微生物互作网络显著简化，节点数量、连接数量以及度中心性和中介中心性等拓扑参数均显著下降，表明肠道菌群稳定性和复杂性严重受损。
土壤摄入与LHE暴露对肠道菌群的可比性影响
对UC小鼠肠道菌群的系统分析发现，土壤摄入组的Shannon指数相对于模型组有部分恢复，而低卫生暴露组仍与对照组有显著差异。基于未加权UniFrac距离和Bray-Curtis距离的主坐标分析显示，土壤组和低卫生暴露组形成了独立的、有大量重叠的簇，并与对照组和模型组明显分离。进一步的距离比较分析表明，土壤组与低卫生暴露组之间的微生物群落距离最短，表明这两组间的肠道菌群结构高度相似。基于未加权UniFrac距离矩阵的UPGMA聚类分析进一步验证了这一发现，土壤组和低卫生暴露组的样本紧密聚类在一起。在门水平上，与模型组相比，土壤组和低卫生暴露组均显著增加了粘球菌门的丰度。在主要菌门下的属水平组成也发生了显著变化。对排名前200的操作分类单元的聚类热图显示，土壤和低卫生暴露干预下的操作分类单元谱高度相似，但与对照组和模型组有显著差异。韦恩图分析鉴定了土壤组特有的155个操作分类单元和低卫生暴露组特有的103个操作分类单元。差异属和物种的热图分析显示，两组干预对特定细菌类群丰度的改变模式也表现出高度一致性，均有效恢复了部分流失的细菌类群。LEfSe分析鉴定出低卫生暴露组显著富集HT002菌属，土壤组显著富集Ileibacterium属。总之，无菌土壤摄入能显著改变UC小鼠的肠道菌群，并诱导出与低卫生环境暴露高度相似的菌群结构。
无菌土壤摄入与低卫生环境暴露缓解结肠炎小鼠炎症
肠道上皮屏障的完整性对维持宿主健康至关重要。UC小鼠的紧密连接蛋白ZO-1和Claudin 2的表达相比对照组下调，表明DSS诱导了肠黏膜屏障损伤。土壤摄入则部分恢复了ZO-1、Claudin 1和Claudin 2的水平，显示出其对肠道屏障的保护和修复作用。进一步的炎症因子分析显示，促炎细胞因子包括IL-1β、IL-4、IL-6、TNF-α和IL-17A在UC小鼠中表达上调，而低卫生环境暴露和土壤干预均有效抑制了这些细胞因子的异常高表达，其水平趋于接近对照组。此外，抗炎细胞因子IL-10和IFN-γ在土壤组和低卫生暴露组中表达上调，表明UC小鼠的免疫平衡向抗炎信号方向转变。IFN-γ/IL-4比值作为免疫平衡指标，也在干预后得到改善。
LHE与土壤干预诱导的菌群改变与免疫参数的相关性
为了探究低卫生环境暴露或土壤干预诱导的肠道细菌改变与宿主免疫状态之间的潜在关系，研究采用Mantel检验评估了微生物组成与免疫指标之间的关系。基于模型组比较，将差异菌属按变化模式分类。Mantel检验结果显示，在土壤组和低卫生暴露组中共同增加的菌属与IL-1β和Claudin 2有显著相关性。在两组中共同减少的菌属与TNF-α、IL-1β、Claudin 2、IL-4和IL-17A有显著相关性。低卫生暴露组特有的减少菌属与IL-4有显著相关性。然而，土壤组特有的改变菌属与所测量的免疫指标无显著相关性。这些发现表明，低卫生环境暴露和无菌土壤摄入都能通过调节特定细菌类群的丰度显著影响宿主免疫，特别是那些被两种干预共同改变的菌属，与多种炎症细胞因子和肠道屏障指标表现出强相关性。
土壤摄入与LHE暴露增加短链脂肪酸水平
为了探究低卫生环境暴露和土壤摄入对肠道代谢的影响，研究测量了粪便中短链脂肪酸的水平。结果显示，在土壤组和低卫生暴露组中，几种常见的短链脂肪酸浓度谱发生了变化，总体呈现上调趋势。具体而言，与模型组相比，低卫生环境暴露显著增加了乙酸浓度，而土壤干预显著提高了丁酸浓度。进一步的Mantel检验相关性分析显示，异丁酸水平与IFN-γ水平存在显著相关性。这些结果表明，土壤摄入和低卫生环境暴露可以调节肠道短链脂肪酸的产生，并可能通过影响免疫因子参与宿主免疫调节过程。
讨论：
本研究系统比较了低卫生环境暴露与无菌土壤摄入对DSS诱导的UC小鼠肠道菌群和免疫反应的调节作用。两种干预均有效促进了肠道生态系统的恢复，表现为缓解肠道炎症和重塑肠道菌群。值得注意的是，土壤组和低卫生暴露组表现出高度相似的微生物群落模式，且土壤组在多个参数上显示出更优的结果。这些发现确立了无菌土壤摄入作为恢复肠道稳态的有效替代方案，尤其是在城市化社会中难以接触低卫生环境的情况下，其具有实际的转化应用潜力。肠道菌群失调是UC肠道生态系统破坏的标志性表现。本研究中，DSS诱导的结肠损伤伴随肠道菌群多样性的显著降低、组成和结构的改变，以及微生物互作网络的简化，这构成了UC关键的微生物学基础。低卫生环境暴露显著缓解了UC小鼠的肠道炎症，突出了适度环境暴露对免疫调节和肠道健康的积极作用，可能与获得丰富的环境微生物有关，并增加了乙酸浓度。丁酸可促进肠上皮细胞修复再生、增强屏障功能。现代城市生活方式下，开发安全有效的替代策略以恢复肠道菌群多样性和功能具有重要实用价值。本研究和前人工作均支持无菌土壤在调节菌群和减轻炎症中的显著作用，其可增加丁酸水平，下调促炎细胞因子，上调抗炎细胞因子。无菌土壤摄入和低卫生环境暴露在肠道菌群调节上表现出惊人的相似性。主坐标分析和聚类分析均显示两组样本高度重叠、距离最近。两种干预在多个关键菌属和物种上也存在显著重叠。这些相似性暗示无菌土壤摄入可能通过类似于低卫生环境暴露的机制重塑微生物结构和功能，从而发挥抗炎作用。尽管不同来源的土壤可能诱导不同的菌群分类学变化，但它们对微生物功能的影响趋于一致的益处。本研究中观察到的短链脂肪酸谱的升高也支持这一点，表明土壤干预的健康益处主要依赖于功能而非分类学的重塑。土壤可能通过多种机制对肠道菌群产生调节作用。首先，土壤含有丰富多样的矿物质成分，可提供物理保护、必需营养和能量来源。某些矿物具有优异的吸附性能，可在肠道粘液表面构建生物膜微环境，促进特定益生菌的黏附、定植和增殖。此外，尽管实验土壤经过高压灭菌，但灭活细菌的细胞壁成分仍可影响宿主免疫和菌群组成。不同类型的粘土矿物对肠道菌群具有高度特异性的调节作用。本研究所用土壤的主要化学成分为SiO2和Al2O3，并富含钙、锌、镁等元素，这些成分与具有已证实微生物调节特性的蒙脱石和高岭石的主要成分一致。粘土矿物因其表面电荷分布不均、高阳离子交换能力和大比表面积等特性，有助于益生菌黏附和有害物质去除。与低卫生环境暴露相比，无菌土壤在现代城市生活方式下展现出独特的优势，包括通过有效灭菌增强的生物安全性、灵活的给药方式以及材料来源、成分和剂量的标准化可控性。当然，研究也存在一定局限性，包括仅测试了一种特定生态地点的土壤、未考察土壤粒径的影响以及仅使用了单一补充剂量，未来研究需对这些因素进行全面评估。
结论：
综上所述，尽管城市化限制了个体直接接触低卫生环境，但无菌土壤摄入在恢复UC小鼠肠道生态系统方面具有与环境暴露相当的效力，表现为炎症减轻、屏障完整性增强以及肠道菌群的良好重塑。考虑到城市生活的限制，无菌土壤干预代表了一种新颖且实用的促进肠道健康的策略，具有广阔的转化潜力。
