腸道粘膜屏障完整性是保證營養吸收、抵禦腸道病原體入侵和維持腸道粘膜免疫的必要條件。腸道由柱狀上皮黏膜組成並伴有腺體內陷，稱為隱窩。腸道幹細胞就位於腸隱窩的基底部，在調節腸道上皮細胞增生和分化方面發揮著中心作用。腸道粘膜的完整性對於炎症性腸病的恢復也至關重要。與其它幹細胞不同，腸道幹細胞與腸道細菌共存，因此，腸道細菌可能影響上皮細胞的再生。
酸奶作為一種日常的健康食品，對調節腸道菌群和調節粘膜免疫具有有益作用。益生性乳酸菌是酸奶中的主要菌株，也是腸道菌群的重要組成部分；它們可以產生抗菌物質和代謝化合物，抑制其它微生物的生長，與其它腸道微生物競爭腸道粘膜的受體和結合位點。乳酸菌可以提高腸道屏障的完整性，減少腸道感染和炎症性腸病等疾病表型。根據以往的研究，乳酸菌能夠激活芳香烴受體並誘導固有層淋巴細胞分泌IL-22。腸道上皮細胞增生和更替對於維持腸粘膜的結構至關重要。然而，由於缺乏合適的體外模型，乳酸菌對腸道幹細胞的影響仍然知之甚少。
近日，南京農業大學研究團隊一項發表在《Cell Death & Differentiation》雜誌上的研究中，研究人員建立了一種由小腸固有層淋巴細胞組成的小鼠腸道類器官共培養系統，驗證了羅伊氏乳桿菌對腸上皮細胞的保護作用。研究發現固有層淋巴細胞分泌低水平的IL-22以刺激腸道類器官的生長和腸道上皮增生。羅伊氏乳桿菌可通過促進固有層淋巴細胞分泌IL-22誘導的STAT3信號通路激活，加速腸道幹細胞再生，以保護腸道粘膜的完整性。
羅伊氏乳桿菌增加腸道類器官的生長和TNF-α損傷後的修復
腸道類器官和固有層淋巴細胞組成的共培養系統被用於研究羅伊氏乳桿菌或熱殺死的羅伊氏乳桿菌是否可以增加腸道類器官的生長以及TNF-α造成的損傷後腸道類器官的修復。與羅伊氏乳桿菌或熱殺死的羅伊氏乳桿菌共培養24小時後，腸道類器官生長良好，表現出明顯的隱窩出芽。與對照組和熱殺死的羅伊氏乳桿菌相比，與活性的羅伊氏乳桿菌共培養可顯著增加腸道類器官的表面積和隱窩出芽的數量。
當暴露於TNF-α時，受損的腸道類器官的數量顯著增加。腸道類器官將出芽分化成隱窩和絨毛；然而，受損的類器官變得萎縮，不能出芽分化。羅伊氏乳桿菌可以顯著改善TNF-α導致的腸道類器官損傷；然而，熱殺死的羅伊氏乳桿菌對腸道類器官沒有保護作用，不能保護腸道類器官的正常形態和增生免受TNF-α誘導的損傷。這是首次解釋乳酸菌通過促進腸道幹細胞增生對腸道上皮細胞的保護作用。
羅伊氏乳桿菌加速腸道的生長，改善DSS誘導的小鼠結腸炎
給小鼠口服綠色熒光標記的羅伊氏乳桿菌後，在小鼠空腸和結腸表面可以觀察到熒光標記的乳酸菌定殖，這說明羅伊氏乳桿菌可以定殖到腸腔並與腸道粘膜相互接觸。
為了驗證羅伊氏乳桿菌對加速腸道生長和改善腸道炎症的影響，研究人員給小鼠口服補充羅伊氏乳桿菌。葡聚糖硫酸鈉（DSS）處理的小鼠體重下降，羅伊氏乳桿菌大大降低了體重下降的速度。DSS處理明顯減少了結腸的長度，而羅伊氏乳桿菌使DSS誘導的結腸長度變短減少到最小。組織學檢查發現，DSS處理導致結腸組織粘膜表層顯示出更廣泛的腸道水腫和緻密浸潤以及結腸腸腔和肌肉層的病理性出血；羅伊氏乳桿菌可以顯著改善DSS引起的病理性改變，表現為結腸結構正常和無出血。在空腸中也發現了類似的病理損傷，其絨毛長度減小。補充羅伊氏乳桿菌的小鼠表現出更長的絨毛和更深的隱窩。此外，羅伊氏乳桿菌明顯改善DSS誘導的腸道結構損傷，表現為增加的絨毛長度和隱窩深度。
羅伊氏乳桿菌對腸道的保護作用與補充羅伊氏乳桿菌導致的腸道上皮細胞增殖狀態保持一致。DSS誘導了空腸和結腸形態的損傷，腸上皮細胞的增殖減少。然而，羅伊氏乳桿菌不僅刺激了生理狀態下的腸上皮細胞增殖，而且改善了DSS誘導病理狀態下的細胞增殖減少，加速腸道損傷的修復。結腸長度的減少和病理改變也表現為促炎症細胞因子IL-1β和TNF-α蛋白表達的增加。羅伊氏乳桿菌可以顯著降低DSS誘導的TNF-α和IL-1β表達水平增加。
羅伊氏乳桿菌可增加潘氏細胞的數量並在損傷後刺激腸道幹細胞再生
Lgr5是腸道幹細胞的標記物，主要標記位於腸道隱窩基底部的腸道幹細胞。Lgr5陽性的腸道幹細胞可以產生所有類型的成熟的腸道上皮細胞。潘氏細胞通過抗菌分子的分泌保護上皮屏障，並通過為腸道幹細胞提供合適的位置來維持上皮完整性。腸道幹細胞對損傷誘導的腸道再生至關重要。研究發現羅伊氏乳桿菌處理的腸道類器官中，Lgr5陽性細胞的比例較高。TNF-α處理導致損傷後，羅伊氏乳桿菌也可以顯著增加Lgr5陽性細胞的數量。Lgr5蛋白表達和腸道幹細胞標記（Lgr5、Olfm4、Ascl2）的mRNA表達進一步驗證了羅伊氏乳桿菌對腸道幹細胞的刺激作用。研究人員又在小鼠中驗證了羅伊氏乳桿菌對腸道類器官中Lgr5陽性細胞的刺激作用。研究發現，羅伊氏乳桿菌增加了小鼠空腸中Lgr5陽性細胞的數量，同時也可以改善DSS引起的Lgr5陽性細胞數量減少。
潘氏細胞可以通過分泌EGF、DLL1、DLL4和Wnt-3調節腸道幹細胞的增殖和分化。研究發現羅伊氏乳桿菌顯著增加了腸道類器官和小鼠空腸中潘氏細胞的數量。然而，TNF-α處理顯著降低了潘氏細胞的數量和潘氏細胞標記物Lyz1和Defa6的mRNA表達水平。羅伊氏乳桿菌可以改善TNF-α導致的腸道類器官或DSS導致的小鼠中潘氏細胞的減少。這也進一步支持羅伊氏乳桿菌對腸道幹細胞增生的促進作用。
羅伊氏乳桿菌上調IL-22的表達
以前的研究已經表明IL-22能夠維持腸道上皮的完整性。最近的一項研究也表明，IL-22對於增強腸道幹細胞調節的上皮再生和上皮增生非常重要。當與固有層淋巴細胞共培養時，羅伊氏乳桿菌可以顯著刺激IL-22的分泌，這可以解釋乳酸菌對腸上皮細胞的保護作用。當沒有固有層淋巴細胞時，羅伊氏乳桿菌不能誘導IL-22的分泌。然而羅伊氏乳桿菌可以誘導沒有腸道類器官的固有層淋巴細胞分泌IL-22。有趣的是，TNF-α處理也可以增加IL-22的產生，這可能是由於腸道損傷下自我修復系統的啟動。羅伊氏乳桿菌通過增加IL-22的產生進一步增強自我修復系統的效率。此外，羅伊氏乳桿菌和IL-22對腸道類器官的生長刺激作用，包括表面積、出芽和增殖，可通過添加抗IL-22抗體得到抑制。羅伊氏乳桿菌對TNF-α導致的腸道類器官形態學損傷的保護作用也由於抗IL-22抗體的添加而被抑制。因此，羅伊氏乳桿菌可刺激固有層淋巴細胞分泌IL-22和腸上皮細胞增生，從而促進TNF-α處理下的損傷修復效率。
然而，熱殺死的羅伊氏乳桿菌、嗜酸乳桿菌以及幾種微生物相關分子模式（比如肽聚糖、磷壁酸和多糖）不能顯著上調IL-22的表達。不同濃度的腸道細菌代謝物，比如乙酸、丙酸、丁酸和乳酸，也檢測到類似的結果。這些結果表明，乳酸菌對腸道上皮細胞的保護作用是具有菌株特異性的。羅伊氏乳桿菌代謝色氨酸產生的吲哚-3-乙醛有助於激活芳香烴受體，它可以上調IL-22的表達；羅伊氏乳桿菌或吲哚-3-乙醛對IL-22的誘導作用可以被芳香烴受體抑制劑所抑制。考慮到吲哚3-乙醛是羅伊氏乳桿菌的代謝產物，進一步證實羅伊氏乳桿菌通過激活芳香烴受體以誘導IL-22的產生。 羅伊氏乳桿菌對IL-22分泌的刺激作用也在體內得到驗證，羅伊氏乳桿菌可以增加小鼠空腸和結腸中的IL-22的產生。此外，羅伊氏乳桿菌也增加了DSS損傷下IL-22的產生。
羅伊氏乳桿菌通過IL-22的分泌激活磷酸化STAT3信號通路
研究人員通過利用抗IL-22抗體處理腸道類器官，進一步證實了羅伊氏乳桿菌通過刺激IL-22的分泌保護腸上皮屏障。羅伊氏乳桿菌刺激腸道類器官出芽，增加STAT3信號通路的磷酸化。IL-22也具有類似的作用。然而，添加抗IL-22抗體可以抑制羅伊氏乳桿菌對腸道類器官的刺激作用，表明羅伊氏乳桿菌通過刺激IL-22的分泌促進腸道類器官中STAT3的磷酸化。
此外，研究人員也檢測到羅伊氏乳桿菌可以增加抗菌肽Reg3β和Reg3γ的表達，也可以增加TNF-α誘導的腸道類器官病理狀態下Reg3β和Reg3γ的表達。這一結果在小鼠的空腸和結腸中也得到了驗證。這可能限制粘膜表面的細菌定殖，減少細菌易位以保護腸道粘膜。
圖片來源：Hou et al. Cell Death & Differentiation. 2018
總之，羅伊氏乳桿菌代謝分解營養素色氨酸產生吲哚-3-乙醛，通過芳香烴受體刺激腸粘膜固有層淋巴細胞分泌IL-22，進而活化STAT3信號通路刺激腸道幹細胞增殖分化替代損傷的腸上皮細胞，並誘導Reg3等抗菌肽分泌緩解腸炎症狀（包括降低炎症因子水平和改善腸粘膜病理變化），維護腸粘膜屏障完整性。
參考文獻：Hou, Q. H., et al. (2018). "Lactobacillus accelerates ISCs regeneration to protect the integrity of intestinal mucosa through activation of STAT3 signaling pathway induced by LPLs secretion of IL-22." Cell Death & Differentiation.
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