肠道益生菌Lactobacillus reuteri MLR1103通过抑制NLRP3炎性小体活化减轻PM2.5诱导的肺损伤

《Journal of Functional Foods》：Intestinal probiotic Lactobacillus reuteri MLR1103 alleviates PM2.5-induced lung injury through inhibiting NLRP3 inflammasome activation

PM2.5是威胁全球公共健康的重要环境污染物。为解决其诱导的肺部炎症与损伤问题，研究人员基于“肠-肺轴”理论，探究了人源益生菌株Lactobacillus reuteri MLR1103的保护作用。研究发现，该菌株能通过其发酵产物抑制NLRP3炎性小体通路活化，从而有效减轻PM2.5暴露导致的肺泡结构破坏、细胞凋亡和炎症因子释放。这一结果为通过益生菌干预防治空气污染相关肺损伤提供了新的策略和见解。

　　

空气污染，特别是直径小于2.5微米的细颗粒物（PM_2.5），已成为全球性的公共卫生危机。据统计，仅在2021年，以PM_2.5为主导的空气污染就导致了近470万例死亡。这些微小的颗粒物可以深入并沉积在人体肺部，打破氧化还原平衡，持续激活免疫反应，导致不可逆的肺功能损伤，诱发肺炎、肺纤维化等严重疾病。因此，如何有效预防和缓解PM₅对肺部的损害，是医学研究领域亟待解决的难题。

近年来，科学家们发现，人体肠道内的数万亿微生物并非“与世隔绝”，它们与远端的肺部存在着千丝万缕的联系，这种跨器官的“对话”被称为“肠-肺轴”。肠道菌群及其代谢产物能够远程调节肺部的免疫稳态，影响多种呼吸系统疾病的发生发展。基于此，通过调节肠道微生物来保护肺部免受外界伤害，成为了一个极具潜力的新思路。那么，能否找到一种源自人体、安全有效的益生菌，通过“肠-肺轴”的桥梁，为我们筑起一道抵御空气污染的“生物屏障”呢？

为了回答这个问题，来自大连医科大学第二附属医院的研究团队开展了一项探索性研究。研究人员从一名健康成年志愿者的肠道中，分离出了一株新的罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）菌株，命名为MLR1103。该菌株已被中国国家卫生健康委员会列入《可用于食品的菌种名单》。研究旨在评估MLR1103是否能减轻PM_2.5暴露引起的肺损伤，并深入探索其潜在的作用机制。这项研究成果发表在《Journal of Functional Foods》期刊上。

为了系统评估MLR1103的保护效果，研究人员综合运用了动物模型、细胞实验和多种分子生物学技术。在动物实验中，他们通过定期气管滴注PM_2.5的方式建立了小鼠肺损伤模型，并预先通过灌胃给予MLR1103进行干预。在细胞层面，研究使用了小鼠肺泡巨噬细胞系（MH-S）和分离的小鼠原代肺细胞，用PM_2.5和MLR1103的发酵产物（LRF）进行处理。关键技术方法包括：通过显微计算机断层扫描（Micro-CT）和病理组织染色评估肺部结构损伤；利用酶联免疫吸附测定（ELISA）和实时荧光定量PCR（qPCR）检测炎症因子水平；通过流式细胞术分析细胞凋亡；采用高效液相色谱（HPLC）和核磁共振（NMR）鉴定LRF中的代谢物成分；利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）定量分析小鼠肺组织中代谢物的含量；通过RNA测序（RNA-seq）进行转录组学分析，筛选差异表达基因和富集通路；最后，运用蛋白质印迹（Western blot）和免疫荧光技术验证关键信号通路蛋白的表达和定位。

3.1. MLR1103治疗减轻了PM_2.5暴露引起的小鼠肺损伤

研究人员首先建立了PM_2.5刺激的小鼠模型，并预先一周用MLR1103进行肠道定植。结果表明，MLR1103成功在小鼠肠道内定植。在两周的实验期内，持续的PM_2.5暴露导致模型组小鼠体重持续下降，死亡率超过30%，而预先定植MLR1103的小鼠则改善了体重增长和生存率。直观显示，PM_2.5暴露导致小鼠肺叶出现明显的出血灶和大量液体积累，而MLR1103预处理则维持了肺部正常的形态和结构。Micro-CT影像和肺组织病理切片（H&E染色）进一步证实，MLR1103能防止PM_2.5暴露诱导的肺泡结构破坏和肺水肿。此外，MLR1103治疗还降低了肺组织中的乳酸脱氢酶（LDH）活性以及多种炎症因子（如iNOS, TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-18）在转录和蛋白水平的表达，表明其能有效减轻肺部炎症。

3.2. MLR1103发酵产物在体外减轻了PM_2.5诱导的炎症

由于肺部免疫反应主要由巨噬细胞介导，研究在肺泡巨噬细胞MH-S中进行了验证。PM_2.5处理以剂量依赖的方式抑制了MH-S细胞增殖，并显著增加了IL-6、TNF-α和IL-1β等炎症介质的分泌。而MLR1103的发酵产物LRF则提高了PM_2.5暴露下巨噬细胞的活力，抑制了炎症介质的分泌，并有效阻断了肺泡巨噬细胞的凋亡。

3.3. LRF的成分表征及代谢物在小鼠肺部的积累

为了阐明LRF发挥作用的物质基础，研究人员通过HPLC和NMR从中分离鉴定了6种化合物，包括3种环二肽和3种酚酸衍生物。随后，利用LC-MS/MS检测发现，其中4种代谢物（环二肽cyclo(L-4-Hyp-L-Leu)、cyclo(L-4-Hyp-L-Phe)、cyclo(L-Pro-L-Leu)和3-苯基乳酸）在经MLR1103定植的小鼠肺组织中可被检测到，且部分含量显著高于未处理组。这一发现支持了MLR1103在肠道中产生的活性代谢物可以被吸收并转运至肺部发挥作用的假说。

3.4. 转录组学分析揭示MLR1103减轻肺损伤的分子机制

为了深入探究机制，研究人员对PM_2.5刺激的肺泡巨噬细胞进行了RNA-seq分析。结果显示，LRF处理显著改变了炎症相关基因的表达。差异表达基因的功能富集分析表明，LRF的抗炎特性与调节PM_2.5触发的过度免疫反应有关，其中NOD样受体（NLRs）信号通路是关键通路之一。

3.5. MLR1103及其发酵产物通过抑制NLRP3炎性小体来减轻炎症

基于转录组学线索，研究聚焦于NLRP3炎性小体通路。NLRP3炎性小体由NLRP3、ASC和Pro-caspase-1在NEK7蛋白的辅助下组装而成，其激活是PM_2.5诱导肺损伤的关键环节。研究发现，PM_2.5暴露会上调肺泡巨噬细胞中NEK7、Pro-caspase-1、NLRP3和ASC的表达，并增加其效应分子caspase-1、IL-1β和IL-18的水平，表明NLRP3炎性小体被激活。而LRF处理能逆转这些蛋白的上调，抑制caspase-1的活性，并在免疫荧光共定位分析中观察到LRF破坏了NLRP3炎性小体的组装。在原代小鼠肺细胞中，LRF也显示出类似的保护作用，能防止PM_2.5诱导的细胞凋亡，并抑制NLRP3通路相关因子的表达。

最后，在动物组织水平上得到验证：MLR1103治疗同样抑制了PM_2.5暴露引起的小鼠肺组织中NLRP3炎性小体相关蛋白的上调，并阻止了炎性小体组分的共定位。

研究结论与意义

本研究得出结论：源自健康人体肠道的益生菌罗伊氏乳杆菌MLR1103，能够有效减轻PM_2.5诱导的小鼠肺损伤和炎症。其保护作用是通过“肠-肺轴”实现的：MLR1103在肠道定植后，其产生的特定代谢物（如环二肽和3-苯基乳酸）被吸收并转运至肺部。这些代谢物通过下调NEK7及NLRP3炎性小体组分（Pro-caspase-1、ASC和NLRP3）的表达，抑制NLRP3炎性小体的组装与活化，进而减少下游效应分子caspase-1、IL-1β和IL-18的分泌，最终缓解肺部炎症和细胞损伤。

这项研究具有重要的科学意义和应用价值。首先，它从机制上阐明了特定益生菌株如何通过“肠-肺轴”远程调控肺部炎症，为理解微生物-宿主互作提供了新证据。其次，研究将PM_2.5的毒理机制与NLRP3这一经典炎症通路紧密联系，深化了对空气污染物致病机理的认识。最重要的是，该研究为防治空气污染相关呼吸系统疾病提供了全新的、基于功能性食品的预防策略。MLR1103作为一种已被批准可用于食品的益生菌，具有良好的安全性，有望开发为适用于PM_2.5高暴露风险人群（如特定职业或污染严重地区的居民）的日常膳食补充剂，为保护公众呼吸健康开辟了一条创新路径。当然，研究也指出其局限性，如目前采用的是预防性给药模型，未来需要进一步评估其对已发生损伤的治疗效果，并对LRF中鉴定的单个代谢物进行更深入的药效学验证。