肠道菌群失调与猪链球菌致肺部感染肠-肺轴的互作

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猪链球菌(Streptococcus suis)是威胁全球生猪养殖业的重要人畜共患病原菌。感染病猪时,首先定植于呼吸道,诱发呼吸道疾病的发生,导致肺部感染的同时也往往伴随消化道的症状。肠道中含有数量庞大的微生物,与宿主的消化吸收、营养代谢、免疫调节等紧密联系,菌群之间相互平衡、相互协调构成肠道微生态平衡。肠道菌群不仅影响局部黏膜免疫应答,同时也参与调控远端组织器官的免疫状态,即“肠-肺”轴。但猪链球菌在致肺部感染过程中如何影响肠道,及肠道菌群紊乱在猪链球菌致肺部感染疾病发生发展中的作用尚不明确。因此,本试验选用BALB/c小鼠为试验动物,通过构建猪链球菌致小鼠肺部感染模型和肠道菌群失调模型,采用H&E染色、q RT-PCR、Western Blot以及ELISA等方法研究猪链球菌致肺部感染中对肠道的影响以及肠道菌群失调在猪链球菌致小鼠肺部感染发生发展的作用,并通过肠道失调菌群与小鼠肺泡巨噬细胞的共培养,探究其对肺泡巨噬细胞活性的影响。具体研究结果如下:1.猪链球菌致肺部感染对肠道的影响本试验首先通过滴鼻方式给予小鼠猪链球菌2型,在成功构建肺部感染模型的基础上研究其对小鼠肠道及菌群的影响。HE结果显示,与对照组相比,猪链球菌感染组小鼠肺泡壁明显增厚,肺泡隔出血,被膜增厚,小鼠十二指肠、空肠、回肠肠绒毛明显破损,结构不完整;空肠肌层增厚,肠绒毛尖端破损,回肠肠绒毛变短,黏膜下层疏松。q RT-PCR结果显示,猪链球菌感染后,肺、空肠、回肠中IL-2、IL-12、TNF-α水平显著上升(P<0.05),而IL-4水平显著下降(P<0.05),IL-17在空肠中显著下降(P<0.001);十二指肠中IL-2 m RNA水平显著升高(P<0.05),IL-4、IL-12表达水平显著下降(P<0.001),IL-17与TGF-β无明显变化规律。此外,小鼠粪便中大肠杆菌无明显变化,双歧杆菌显著减少(P<0.05),乳酸杆菌含量显著升高(P<0.05)。以上结果表明,猪链球菌致肺部感染后可同时引起肠道组织损伤和炎症的发生,并导致肠道菌群失调。2.肠道菌群失调对猪链球菌感染肺的影响本试验通过在小鼠饮水中添加广谱抗生素(氨苄青霉素1g/L、甲硝唑1g/L、硫酸新霉素1g/L、盐酸万古霉素0.5g/L)成功构建小鼠肠道菌群失调模型,再在此基础上感染猪链球菌。十二指肠、空肠、回肠肠绒毛破损更加严重,形态结构不完整。空肠肠绒毛褶皱,黏膜下层更加疏松。回肠肠绒毛长度明显变短,黏膜层细胞数明显减少。荧光定量PCR结果显示,菌群失调猪链球菌感染组较猪链球菌感染组,肺、空肠、回肠中IL-2、IL-12、TNF-α水平显著下降(P<0.05),IL-4的表达水平显著上升(P<0.05)。而IL-17 m RNA水平在肺和空肠中具有上升的趋势,TGF-β在肺中表达水平显著下降(P<0.05)。HE染色结果显示,与猪链球菌感染组相比,菌群失调猪链球菌感染组小鼠肺部的病理变化加重,肺泡间隔较感染组明显变厚,炎性细胞浸润程度增加,肺泡出血严重。以上结果表明,肠道菌群参与肠道和肺部免疫调控,肠道菌群失调后感染猪链球菌主要通过改变Th1/Th2细胞平衡,加重肺部感染的损伤程度。3.肠道菌群失调与猪链球菌致肺部感染之间的作用途径前面结果阐明了猪链球菌引起肺感染后通过“肠-肺”轴使肺部感染与肠道之间建立联系,为了明确“肠-肺”轴之间的互作关系,利用Western Blot方法对肺和肠道中Th1、Th2表面特异受体CXCR3、CXCR4进行了检测。结果显示,猪链球菌感染后,肺、空肠、回肠中CXCR3显著上调(P<0.05),CXCR4显著降低(P<0.01),而在菌群失调后再感染猪链球菌,与猪链球菌组相比,肺、空肠、回肠中CXCR3显著下降(P<0.05),CXCR4显著升高(P<0.01)。此外,在体液通路方面,ELISA技术检测了血清特异表达因子,结果显示,与空白对照组相比,猪链球菌感染组IFN-γ、IL-17的水平明显升高(P<0.001),IL-4、TGF-β水平显著下调(P<0.001);与猪链球菌感染组相比,菌群失调后猪链球菌感染组IL-4、TGF-β、IL-17水平都显著上调(P<0.05);免疫通路方面,猪链球菌感染后,脾小梁增厚,STAT1m RNA水平显著升高(P<0.01),GATA3、Foxp3、RORγT m RNA水平无差异性,但GATA3和Foxp3具有下降的趋势,RORγT具有上升的趋势,而与猪链球菌感染组相比,菌群失调猪链球菌感染组脾小结数量明显增多,脾小梁增厚,界限明显,STAT1 m RNA显著下降(P<0.05),GATA3、RORγT显著升高(P<0.001),Foxp3m RNA水平没有明显变化。综合以上结果表明猪链球菌致小鼠肺部感染促进肺、空肠、回肠Th1细胞介导的细胞免疫反应,抑制Th2细胞介导的体液免疫应答反应,而肠道菌群失调后感染猪链球菌主要通过改变Th1/Th2细胞平衡,加重肺部感染的损伤程度,且在肠道菌群与猪链球菌致肺部感染之间通过体液通路上的血液和免疫通路中的脾建立“肠-肺”轴的沟通联系。4.肠道失调菌群对肺泡巨噬细胞活性的影响猪链球菌感染后导致肠道菌群失调,且乳酸菌属水平显著上升,本试验选取乳酸菌属中的布氏乳杆菌、戊糖乳杆菌、植物乳杆菌与分离、纯化后的小鼠原代肺泡巨噬细胞共培养,用CCK-8检测细胞活性,结果显示,布氏乳杆菌、戊糖乳杆菌、植物乳杆菌在体外分别与对照组、猪链球菌感染组以及菌群失调猪链球菌感染组的小鼠原代肺泡巨噬细胞互作时,均显著促进细胞活性(P<0.05),并具有剂量与时间依赖性,其中,与10~9CFU/m L的布氏乳杆菌、戊糖乳杆菌作用3小时,与猪链球菌感染组相比,肠菌群失调猪链球菌感染组肺泡巨噬细胞活性显著下降(P<0.05)。以上结果说明,肠道菌群中布氏乳酸杆菌、戊糖乳酸杆菌、植物乳酸杆菌可提高肺泡巨噬细胞活性,增强对病原菌的清除能力,且有时间与剂量依赖性。其中,布氏乳酸杆菌、戊糖乳酸杆菌对肺泡巨噬细胞活性促进效果更加明显。此外,肠道菌群失调会长期影响肺泡巨噬细胞活性。
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