副干酪乳桿菌緩解由洛哌丁胺誘導的小鼠便秘的差異

楊樹榮，朱慧越，烏翛冰，孫姍姍，司倩，張秋香，王琳琳，王剛，趙建新，張灝，陳衛(wèi)

(江南大學 食品學院，江蘇 無錫，214122)

便秘是一種癥狀，而非是一種疾病的名稱[1]。當今社會生活節(jié)奏越來越快，改變了人們的飲食習慣。不僅如此，社會壓力也日益增大，使得許多人受到了便秘的困擾。便秘的成因復雜，目前用于緩解便秘的瀉劑都有一定的副作用，不能長期使用。目前大量的研究發(fā)現(xiàn)具有便秘癥狀的人和正常人的腸道菌群存在著差異[2-3]，因此，我們可以嘗試從腸道菌群入手，通過用益生菌干預腸道菌群，改善腸道微環(huán)境，從而緩解便秘相關(guān)癥狀。

近年來，人們對益生菌領(lǐng)域的興趣大大增加，與此同時，利用隨機、雙盲法進行人體試驗，益生菌的益生功能也逐漸被人們所接受。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織定義益生菌為活的微生物，當給予足夠數(shù)量的益生菌時，對宿主的健康有益[4]。人類腸道中最常見的2個屬是乳桿菌屬和雙歧桿菌屬。

副干酪乳桿菌LC2、LC3、LC38、FJSWX33-L2是分離自健康人腸道的4株不同遺傳背景的菌株。本試驗通過對由洛哌丁胺造成便秘小鼠模型，研究這4株副干酪乳桿菌的緩解便秘的能力，并比較這4株菌在緩解便秘途徑可能存在的差異，以期為益生菌緩解便秘的研究評價提供參考依據(jù)，為益生菌生物活性的開發(fā)和利用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗菌株

副干酪乳桿菌LC2、LC3、LC38、FJSWX33-L2，江南大學食品生物技術(shù)中心菌種保藏庫。

1.2 實驗材料

鹽酸洛哌丁胺膠囊，西安楊森制藥有限公司；活性炭粉，生工生物工程(上海)股份有限公司；小鼠胃動素(MTL)、小鼠5-羥色胺(5-HT)、小鼠酪酪肽(PYY)ELISA試劑盒，南京森貝伽生物科技有限公司；小鼠神經(jīng)營養(yǎng)因子-3(NT-3)、上海酶聯(lián)生物科技有限公司；阿拉伯樹膠粉、乙酸、丙酸、異丁酸、戊酸，國藥集團化學試劑公司。

墨汁配制方法：稱取阿拉伯膠100 g，量取水800 mL，將兩者混合均勻，加熱煮沸至溶液透明，再加入活性炭50 g，煮沸3次。待溶液冷卻后，用水稀釋定容至1 000 mL，4℃保存。

1.3 儀器與設(shè)備

PB300-N電子天平，Mettler Toledo;真空冷凍干燥機，美國LABCONCO公司；GC-MS、Milli-Q水凈化系統(tǒng)，密理博(中國)有限公司；Multiscan Go多功能酶標儀，美國Thermo公司。

1.4 實驗方法

1.4.1 動物實驗設(shè)計

6周齡雄性SPF級BALB/c小鼠，購自上海斯萊克公司。動物實驗方案經(jīng)江南大學倫理委員會批準(JN.No20180115b1920520)，并按照歐盟指導方針(2010/63/EU)執(zhí)行。飼養(yǎng)環(huán)境保持在(23±2)℃，相對濕度(50±10)%，12 h光照12 h黑夜交替。36只小鼠隨機分成空白組、模型組、LC2組、LC3組、LC38組、FJSWX33-L2組，每組6只。小鼠適應(yīng)7 d后開始灌胃，從第8天到第25天空白組灌胃0.2 mL 3%蔗糖溶液、模型組灌胃0.2 mL 3%蔗糖溶液、其余4組灌菌組灌胃相應(yīng)的用0.2 mL 3%蔗糖溶液重懸的菌懸液(5×109CFU/mL)。從第26天到第30天，首先模型組、灌菌組灌胃0.2mL 3%蔗糖溶液重懸的鹽酸洛哌丁胺懸液(10 mg/kg b.w)，空白組灌胃0.2 mL 3%蔗糖溶液，1 h后，空白組、模型組灌胃0.2mL 3%蔗糖溶液，灌菌組灌胃相應(yīng)的用0.2 mL 3%蔗糖溶液重懸的菌懸液(5×109CFU/mL)。

1.4.2 檢測指標及方法

1.4.2.1 小鼠糞便含水量的測定

在第29天，灌胃結(jié)束后，將小鼠單只放入墊有吸水紙的籠盒中，收集糞便，稱重即為濕重，凍干后，即為干重，按照公式(1)計算糞便含水量：

(1)

1.4.2.2 小鼠首粒黑便時間測定

第30天，空白組給予0.2 mL 3%蔗糖溶液、模型組和灌菌組均給予0.2 mL鹽酸洛哌丁胺溶液(10 mg/kg b.w)，1 h后，各組菌灌胃墨汁，從灌胃墨汁開始，記錄每一只小鼠排首粒黑便的時間。

1.4.2.3 小鼠小腸推進率測定

第30天，各組小鼠禁食不禁水過夜。第31天上午8點空白組給予0.2 mL 3%蔗糖溶液、模型組和灌菌組均給予0.2 mL鹽酸洛哌丁胺溶液(10 mg/kg b.w)，30 min后，空白組和模型組灌胃墨汁，4組灌菌組灌胃含有各自灌胃內(nèi)容物的墨汁，30 min后處死小鼠，打開腹腔，剪取上端自幽門，下端至盲腸，測量小腸全長為“小腸總長度”，從幽門到墨汁前沿為“墨汁推進長度”，按照公式(2)計算小腸推進率:

(2)

1.4.2.4 小鼠血清、結(jié)腸組織勻漿中胃腸調(diào)節(jié)肽、神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)營養(yǎng)因子檢測

將收集到的小鼠血液靜置2 h，3 000×g離心15 min后獲得血清，參照相應(yīng)試劑盒說明書進行實驗，根據(jù)標準曲線計算中血清中胃動素(motilin，MTL)、酪酪肽(peptide tyrosine tyrosine，PYY)的濃度。

用預冷的PBS沖洗結(jié)腸組織，去除殘留血液，剔除周圍脂肪組織，稱重后將其剪碎。將剪碎的組織與對應(yīng)體積的PBS按照1∶9(g∶mL)在組織破碎儀上進行破碎，最后5 000×g離心10 min，取上清檢測5-HT、NT-3的濃度。具體操作參照相應(yīng)試劑盒說明書。

1.4.2.5 小鼠結(jié)腸組織Aqp4基因和c-kit基因表達量的測定

采用實時熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)(quantitative real-time polymerase china reaction，qRT-PCR)來測定相關(guān)蛋白的表達量。取超低溫冰箱凍存新鮮結(jié)腸組織，按說明書用Trizol法提取總RNA，1 μg總RNA經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄合成30 μL cDNA，基因引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。Aqp4基因、c-kit基因、m-Gapdh基因引物序列如表1所示。

表1 Aqp4基因、c-kit基因、m-Gapdh基因引物序列

以逆轉(zhuǎn)錄得到的cDNA為模板，進行實時熒光定量聚合酶鏈式反應(yīng)，反應(yīng)體系共10 μL。反應(yīng)條件為：95℃、2 min，95℃、30 s，59℃、30 s，72℃、20 s,共38個循環(huán)。以m-Gapdh基因為內(nèi)參，CFX96Manager軟件分析結(jié)果。

1.4.2.6 小鼠糞便中短鏈脂肪酸含量測定

根據(jù)毛丙永[5]的方法利用GC-MS測定小鼠凍干糞便中的短鏈脂肪酸含量。使用Rtx-Wax柱(30 m)，參照文獻設(shè)置載氣、流速、分流比、進樣量、進樣溫度和GC升溫程序，質(zhì)譜分析為全掃描模式。通過外標法制得標準曲線，小鼠糞便經(jīng)過凍干、飽和NaCl浸泡、H2SO4(體積分數(shù)10%)酸化，無水乙醚萃取后，上機檢測，根據(jù)標準曲線計算樣品中各種短鏈脂肪酸的濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 四株副干酪乳桿菌對小鼠腸道運動能力和糞便含水量的影響

便秘主要表現(xiàn)為持續(xù)性排便困難, 排便次數(shù)減少或排便不盡感以及糞便堅硬干結(jié)、含水量減少[6]等。所以我們選用小鼠小腸推進率、小鼠排首粒黑便時間以及糞便含水量這3個指標來直接反應(yīng)小鼠便秘造模情況、乳桿菌緩解便秘情況。

小腸推進率能直接反映小腸的運動能力[7]。鹽酸洛哌丁胺可以作用于腸道平滑肌，抑制腸道平滑肌收縮，抑制腸道蠕動，從而延長食物在小腸的停留時間，這與實際臨床便秘類型中慢傳輸型便秘癥狀十分吻合。由圖1可知，模型組小腸推進率與空白組相比，存在顯著差異(P<0.05)，說明用該劑量(10 mg/kg b.w)洛哌丁胺造模成功。4株副干酪乳桿菌中，LC3、FJSWX33-L2具有良好地緩解由洛哌丁胺造成的小腸蠕動減慢的現(xiàn)象，LC2次之，LC38效果并不十分明顯。

小鼠排首粒黑便時間可以反映食糜在整個腸道轉(zhuǎn)運時間[7]，由圖2可知，空白組和模型組在排首粒黑便時間上具有顯著差異(P<0.05)，說明洛哌丁胺造模成功。4株副干酪乳桿菌中，LC3和FJSWX33-L2能較好縮短小鼠排首粒黑便的時間，LC2次之。有趣的是，LC38雖然在改善小腸推進率方面沒有表現(xiàn)出明顯的效果，但卻顯著縮短了小鼠排首粒黑便的時間，推測副干酪乳桿菌LC38可通過某種特殊機制，在對小腸轉(zhuǎn)運速率無影響的情況下，仍能加快結(jié)腸的轉(zhuǎn)運速率，其具體機制有待進一步研究。

除了以上2個指標，我們還考察了副干酪乳桿菌對小鼠糞便含水量的影響。有文獻指出，用洛哌丁胺造成的小鼠便秘模型，會導致糞便含水量減少的現(xiàn)象[8]，與人類慢傳輸型便秘的癥狀相似。由圖3可知，經(jīng)過洛哌丁胺造模后，小鼠糞便的含水量顯著低于空白組(P<0.05)，這與之前研究結(jié)果吻合[9]。從菌的影響可看出，副干酪乳桿菌LC2和LC38這2株菌均能較好地提高糞便中的含水量，達到潤腸通便的效果。FJSWX33-L2的效果次之，LC3的小鼠糞便含水量與模型組之間沒有差異，可知其雖然可以改善便秘小鼠的腸道運動能力，卻不能通過提高糞便含水量來達到緩解便秘的效果。

圖1 各組小鼠小腸推進率

圖2 各組小鼠排首粒黑便時間

圖3 各組小鼠糞便含水量

2.2 四株副干酪乳桿菌對小鼠血清中胃腸肽的影響

胃動素是調(diào)節(jié)人類胃腸運動功能的胃腸道肽類激素[10]，具有刺激腸道蠕動的作用。胃動素可以促進小腸分節(jié)運動，從而縮短食糜在小腸中的傳遞時間。ZHAO等[11]利用活性炭對小鼠進行便秘造模，發(fā)現(xiàn)空白組的血清中的MTL含量顯著低于模型組，灌胃干酪乳桿菌后，其血清中MTL水平較模型組有了顯著的上升。由圖4可知，用洛哌丁胺灌胃造模也可降低小鼠血清中MTL的濃度，可以看到副干酪乳桿菌LC3、LC38和FJSWX33-L2可以將血清中的MTL恢復至正常水平，推測其可通過改善胃腸肽的水平實現(xiàn)對便秘的緩解。綜上所述，LC38在小腸推進率方面并沒有顯著差異，所以，對于乳桿菌緩解便秘的途徑可能比較復雜，MTL的水平雖然可以作為乳桿菌緩解便秘的一個表現(xiàn)，但其緩解便秘具體機制也可能是多種途徑綜合的結(jié)果。

酪酪肽是一種胃腸激素，它由腸內(nèi)分泌型L細胞分泌的一種36個氨基酸組成的肽類物質(zhì)[12]。WANG等[13]在小鼠腹腔注射PYY發(fā)現(xiàn)，PYY對清醒小鼠的結(jié)腸推進運動具有抑制作用。有學者發(fā)現(xiàn)，對肥胖患者進行減肥手術(shù)后，同時觀察到腸道菌群改變及血清中PYY含量的改變[14]，所以腸道菌群可能與PYY的分泌有關(guān)，用益生菌干預去影響PYY的產(chǎn)生存在可能性。從現(xiàn)有對便秘的研究來看，較少有報道乳酸菌通過調(diào)節(jié)血清中PYY的濃度實現(xiàn)對結(jié)腸運動的調(diào)節(jié)。圖5顯示模型組和空白組血清中PYY濃度沒有明顯差異，但從模型組的數(shù)據(jù)能夠看出上調(diào)趨勢，可能原因是洛哌丁胺對血清中PYY的濃度影響并不明顯，或者由于造模時間較短，導致模型組血清中PYY的濃度尚未顯著升高。但灌胃副干酪乳桿菌LC2和FJSWX33-L2的小鼠血清中PYY的濃度較模型組而言，發(fā)生了顯著的下調(diào)，LC2和FJSWX33-L2可能通過某種途徑作用于L細胞，調(diào)節(jié)血清中的PYY含量，從而調(diào)節(jié)胃腸道運動，緩解由洛哌丁胺導致的胃腸道運動變緩的癥狀。

圖4 各組小鼠血清中MTL濃度

圖5 各組小鼠血清中PYY濃度

2.3 四株副干酪乳桿菌對小鼠結(jié)腸神經(jīng)遞質(zhì)及神經(jīng)營養(yǎng)因子的影響

5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)是調(diào)節(jié)腸道蠕動的重要介質(zhì), 主要由腸道黏膜的腸嗜鉻細胞產(chǎn)生[15]。5-HT 與胃腸道蠕動有著密切的關(guān)系，有文獻報道5-HT能加速胃腸道蠕動[16]。另外已有證據(jù)表明，新 5-HT受體4激動劑SHR116958可加速胃腸蠕動[17]，且5-HT對于腸道推進的作用可以被5-HT受體拮抗劑所阻斷[18]。這也從側(cè)面印證了5-HT對于腸道蠕動的重要作用。不僅如此，最新研究表明腸嗜鉻細胞釋放5-HT可能與微生物代謝物有關(guān)[19]，這也給用益生菌調(diào)節(jié)體內(nèi)5-HT的含量從而加速腸道蠕動提供了可能。由圖6可知，本文的研究表明，通過對小鼠灌胃洛哌丁胺，模型組與空白組相比，小鼠結(jié)腸中的5-HT含量呈顯著下降趨勢，這表明洛哌丁胺會對腸道中5-HT的含量產(chǎn)生一定的影響。另外，副干酪乳桿菌LC2、LC38、FJSWX33-L2都能不同程度地上調(diào)腸道中5-HT的含量，從而加速腸道的收縮，緩解由洛哌丁胺造成的腸動力減慢現(xiàn)象。這3株菌中，LC2能較好地上調(diào)結(jié)腸中5-HT的濃度，LC38和FJSWX33-L2次之。有文獻表明，短鏈脂肪酸可以影響到5-HT的釋放[20]。而腸道中的短鏈脂肪酸可以由腸道微生物產(chǎn)生，推測副干酪乳桿菌LC2、LC38、FJSWX33-L2緩解便秘的途徑可能是其提高了便秘小鼠腸道中部分脂肪酸的含量，從而刺激腸道釋放5-HT，促進結(jié)腸收縮，加速結(jié)腸運動。

有研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)營養(yǎng)因子3(neurotrophin-3，NT-3)可促進腸道的蠕動，可用于便秘的治療。PARKMAN等[21]通過對107例便秘患者注射NT-3，發(fā)現(xiàn)NT-3可促進腸道運動，自發(fā)、完全排便和總排便次數(shù)明顯增加。COULIE等[22]的研究也有相同結(jié)果。但是目前對于乳酸菌是否可以通過提高結(jié)腸中NT-3的含量來緩解便秘還鮮有報道。在本研究中，由圖7可知，空白組小鼠和模型組小鼠在結(jié)腸NT-3濃度方面存在顯著差異，說明由洛哌丁胺造成的便秘小鼠的結(jié)腸中，NT-3濃度呈下降趨勢。4株副干酪乳桿菌中，能顯著提高結(jié)腸中NT-3濃度的只有LC2。因此，乳酸菌可能存在具有能提高便秘小鼠結(jié)腸中NT-3含量的能力，但是具有明顯的菌株差異性。

圖6 各組小鼠結(jié)腸中5-HT濃度

圖7 各組小鼠結(jié)腸中NT-3濃度

2.4 四株副干酪乳桿菌對c-kit基因和Aqp4基因轉(zhuǎn)錄水平的影響

在人的消化系統(tǒng)中，存在著一種Cajal間質(zhì)細胞(intestitial cells of Cajal，ICC)，ICC相當于心臟的起搏細胞，它是胃腸道的電的起搏細胞[23]，它能產(chǎn)生一種促進腸道蠕動的慢波。包云光等[24]給SD大鼠飼喂復方苯乙哌啶后，觀察到大鼠產(chǎn)生便秘癥狀的同時伴隨著遠端結(jié)腸黏膜ICC數(shù)量減少。而c-kit受體在ICC發(fā)育過程中具有十分重要的作用[25]，所以可以通過檢測腸道中c-kit蛋白的表達量來反映腸道中Cajal細胞的數(shù)量。已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌NCU116可通過提高胃腸道ICC的c-kit基因表達，從而促進結(jié)腸的蠕動，緩解便秘癥狀[26]。由圖8可知，便秘小鼠和空白小鼠相比，c-kit的轉(zhuǎn)錄水平顯著下降，這說明有洛哌丁胺造成的便秘小鼠結(jié)腸中Cajal細胞數(shù)量下降，導致腸動力減小，產(chǎn)生便秘的癥狀。在這4株副干酪乳桿菌中，我們發(fā)現(xiàn)LC2、LC3能顯著提高c-kit的轉(zhuǎn)錄水平至正常水平，但是LC38、FJSWX33-L2未能顯著提高c-kit的轉(zhuǎn)錄水平，這提示我們，LC2和LC3通過提高便秘小鼠結(jié)腸中ICC的數(shù)量緩解便秘癥狀。而這種機制在乳酸菌上并不是普遍存在的，具有顯著的菌株差異性。LC38、FJSWX33-L2并不能通過這一途徑實現(xiàn)便秘的緩解。

水通道蛋白(aquaporin)是一種細胞膜上的蛋白質(zhì)，可控制水在細胞的進出。水通道蛋白有許多的亞家族，其中Aqp4基因在小鼠結(jié)腸中高表達。研究表明腹瀉和便秘患者中，水通道蛋白的水平都會存在異常[27]。李立勝等[28]發(fā)現(xiàn)洛派丁胺作用于大鼠后可上調(diào)腹瀉大鼠結(jié)腸黏膜AQP4 蛋白表達。另有學者發(fā)現(xiàn)用洛哌丁胺造成小鼠便秘后，其結(jié)腸中AQP4水平顯著高于正常組[29]。由圖9可知，模型組結(jié)腸中的Aqp4轉(zhuǎn)錄水平顯著高于正常組，這與前人的研究結(jié)果具有一致性。結(jié)合本研究糞便含水量的數(shù)據(jù)，灌胃LC2和LC38兩株菌的小鼠糞便含水量顯著高于模型組，并達到正常組的水平。相應(yīng)地，在圖9中，LC2使得便秘小鼠結(jié)腸中Aqp4轉(zhuǎn)錄水平提升到了正常水平，這說明灌胃LC2能夠降低結(jié)腸細胞水通道蛋白AQP4的表達量實現(xiàn)糞便含水量的增加。灌胃LC38的小鼠結(jié)腸中Aqp4轉(zhuǎn)錄水平并未見明顯提升，這提示糞便含水量的升高除了與AQP4蛋白表達有關(guān)外，可能還有其他分子的參與。

圖8 各組小鼠結(jié)腸中c-kit基因相對轉(zhuǎn)錄水平

圖9 各組小鼠結(jié)腸中Aqp4基因相對轉(zhuǎn)錄水平

2.5 四株副干酪乳桿菌對小鼠糞便短鏈脂肪酸水平的影響

短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)是腸道微生物通過在結(jié)腸發(fā)酵碳水化合物和氨基酸產(chǎn)生的[30]，其種類主要有乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸。短鏈脂肪酸對宿主機體有著十分重要的作用，如為結(jié)腸上皮細胞提供能量、維持體液和電解質(zhì)的平衡、調(diào)節(jié)腸道菌群等[31]。SCFAs能刺激腸壁蠕動，提高腸內(nèi)滲透壓，促進水分吸收，從而緩解便秘[7]。HURST等[32]通過在豚鼠的結(jié)腸管腔注入乙酸鹽、丁酸鹽、丙酸鹽，發(fā)現(xiàn)乙酸鹽、丁酸鹽可以加速結(jié)腸中的推進速度、而丙酸鹽卻不能。DASS等[33]通過體外實驗發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸可增加腸道蠕動收縮頻率，不同的酸對蠕動收縮頻率的影響也不同，乙酸≈丙酸≈丁酸>戊酸。由從表2可知，模型組和空白組相比，糞便中乙酸含量存在著顯著差異，且灌菌組LC2、LC3、LC38將糞便中的乙酸含量提高至正常水平，且LC2組乙酸含量與LC38組乙酸含量相當，LC3組其次。FJSWX33-L2菌組由于組內(nèi)差異較大，導致未與模型組在乙酸含量上產(chǎn)生顯著差異，但其乙酸含量有上升趨勢。綜合腸道運動的實驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)便秘的程度和糞便中的乙酸含量呈一定的相關(guān)性，這與WANG等的研究結(jié)果一致[9]。其中副干酪乳桿菌LC2還能上調(diào)丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸的濃度，從而提高總酸的含量。

3 結(jié)論

4株副干酪乳桿菌中LC2菌株能通過改善便秘小鼠體內(nèi)中MTL、PYY 5-HT、NT-3水平以及Aqp4和c-kit基因轉(zhuǎn)錄水平，緩解便秘。其他3株菌也能在一定程度上緩解便秘的癥狀，但其緩解便秘的途徑各有側(cè)重，尤其是在5-HT和NT-3水平上，出現(xiàn)了截然不同的結(jié)果。這說明，副干酪乳桿菌緩解便秘的效果以及途徑可能存在顯著的菌株差異，這種差異還有待于結(jié)合其各自的遺傳背景進行深入研究。

表2 各組小鼠糞便中不同短鏈脂肪酸的含量 單位：pmol/mg

注：表中不同字母同表示組間差異顯著(P<0.05)。