APPS | 从LPxTG蛋白到菌群互作：植物乳杆菌C8减轻抗生素相关性腹泻的新机制

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Introduction

抗生素相关性腹泻是临床抗菌干预中常见的副作用，其发生不仅与病原微生物异常增殖有关，更与肠道菌群结构破坏、黏膜免疫稳态失衡密切相关。近年研究表明，抗生素诱导的菌群紊乱可导致免疫功能失调，并与糖尿病、肥胖、心血管疾病等多种慢病风险增加相关。值得注意的是，这种影响在停药后可持续数月甚至数年，显著提升疾病易感性。因此，寻找有效策略以预防或减轻抗生素对肠道菌群的负面影响，已成为重要的研究方向。

植物乳杆菌是常见的益生菌，其细胞壁表面锚定的一类含LPxTG基序的蛋白，在细菌黏附、定植及与肠道互作中发挥关键作用。这类蛋白的表达受到群体感应机制的精密调控，使细菌能够根据环境变化动态调节定植能力，维持肠道内的功能稳定。在抗生素导致的菌群失衡状态下，单一菌株干预往往难以实现长期定植与功能恢复。新兴证据表明，共培养来源的益生菌在胃肠环境中表现出更强的适应性与活性。

基于此，研究者提出，野生型与工程菌株之间的协同定植策略，可能为缓解抗生素相关性腹泻、促进肠道菌群重建提供新思路，而LPxTG锚定蛋白作为关键的黏附因子，可能在其中发挥结构支持和协同稳定的重要作用。

Results and Discussion

小鼠生理指标

在抗生素造模期间，实验组小鼠体质量持续下降，而空白对照组体质量稳定增加（图1A、B）阶段，自然恢复组体质量回升缓慢，而接受益生菌干预的小鼠恢复显著，其中野生型植物乳杆菌C8与过表达LPxTG的重组菌株共培养组效果最佳，提示该组合通过增强肠道定植能力，有效逆转了抗生素引起的菌群破坏与体质量减轻。结肠长度测量显示，自然恢复组结肠长度明显缩短至（5.43 ± 0.86）cm（图1C），而益生菌处理组结肠长度恢复至7.06~8.37 cm，接近空白对照组的（7.26±0.63）cm，表明肠道结构与屏障功能得到有效修复。此外，自然恢复组肝脏指数超过5%（图1D），脾脏指数也显著升高（图1E），反映代谢负荷加重与免疫紊乱；而重组菌株及共培养组在肝脏、脾脏指标上均表现出最显著的改善效果（P < 0.05），说明其不仅能修复肠道损伤，还可通过调节免疫与代谢功能，系统性缓解抗生素带来的多系统不良反应。

图1小鼠生理指标。(A)平均每日体重的变化；(B)小鼠结肠代表性照片；(C)结肠长度定量分析；相对肝脏重量(D)、相对脾脏重量(E)。

结肠组织学形态

空白对照组在HE染色下肠壁清晰，杯状细胞分布均匀，未见明显炎症浸润（图2）。而自然恢复组肠绒毛破坏，杯状细胞形态异常，大量炎症细胞浸润，表明抗生素引起的肠道损伤明显。所有干预组均表现出不同程度的组织学改善，其中共培养组表现出最显著的恢复，其组织结构与正常组织非常相似，几乎没有病理改变。值得注意的是，各干预组均不同程度地减轻了这些病理改变，而共培养组表现出最显著的恢复，组织结构与空白对照组非常相似，病理改变最小。说明益生菌干预，特别是共培养策略，可以有效减轻抗生素引起的结肠损伤。重要的是，结肠的组织学改善与肝脏和脾脏指数的恢复是平行的（图1D-E），其中共培养组的器官指数也显示出最明显的正常化。肠道屏障完整性的恢复和局部炎症的减轻可能有助于减轻全身炎症负担，从而改善肝脏代谢功能和免疫稳态。共培养组的优越效果可能反映了菌株之间的协同作用，优化了微生物群的重构，增强了宿主的防御机制，增强了对抗生素诱导的组织损伤的保护作用。

图2结肠组织形态学（H&E染色）

植物乳杆菌C8对血清炎症因子的影响

抗生素处理可诱导结肠出现强烈的促炎反应。与空白对照组相比，IL-6、TNF-α水平分别显著升高98.34%和83.99%（P < 0.05），IL-10水平则下降73.43%（P < 0.05）（图3A-C）。经植物乳杆菌C8干预后，各实验组炎症均得到一定缓解。单菌组、空载体组、重组菌株组的IL-6水平分别为164.17、175.08、153.50 pg/mg，TNF-α水平分别为156.08、169.64、146.57 pg/mg。其中，植物乳杆菌C8与重组菌株联合处理效果最为显著，IL-6和TNF-α分别降至132.00和131.83 pg/mg，IL-10升至各干预组中最高水平（226.47 pg/mg）。组织病理学观察也支持植物乳杆菌C8通过调节免疫反应减轻抗生素所致肠道炎症的结论。共培养组因获得最有利的细胞因子谱，为肠道组织修复与代谢正常化创造了最佳环境，从而表现出更好的体重恢复（图1A）。多菌株联合干预的显著疗效提示，其在减轻抗生素相关肠道炎症方面具有潜在干预优势。

图3小鼠血清细胞因子水平。(A)小鼠血清IL-6水平；(B)小鼠血清IL-10水平；(C)小鼠血清TNF-α水平

免疫组织化学分析

免疫组织化学分析显示，抗生素干预严重损害了自然恢复组的肠道屏障（图4A和C），显著降低ZO-1和Occludin的表达，分别仅为空白对照水平的14.77%和15.42%。各益生菌组干预后显著上调了这些关键蛋白的表达（P < 0.05），其中植物乳杆菌C8和重组菌株共培养组的恢复效果最显著，ZO-1和Occludin的表达分别恢复了31.54%和31.33%，比自然恢复组提高了约2.1 倍（P < 0.05）。值得注意的是，与单菌株干预相比，共培养组的修复效果显著优于单菌株干预（22.99% ~ 28.11%, P < 0.05）（图4B和D）。紧密连接蛋白和器官指数的平行恢复进一步支持了共培养策略的系统保护作用。肠道屏障完整性的恢复可以限制促炎微生物产物在循环中的易位，从而减轻肝脏的代谢负担，减轻免疫失调。共培养策略的优越效果可能与LPxTG蛋白介导的细菌黏附和细菌间通讯的增强机制有关。含有LPxTG基序的表面蛋白是乳酸菌物种中公认的黏附因子，介导细菌附着于肠上皮细胞并促进稳定的肠道定植。

图4实验小鼠结肠组织的免疫组织化学分析，ZO-1 (A)和Occludin (C)在不同治疗组的定位和表达水平。定量分析ZO-1 (B)和Occludin (D)蛋白表达

组间肠道菌群组成差异分析

免疫组化分析显示黏膜免疫标志物发生显著改变，研究进一步探讨了其与肠道微生态变化的相关性。抗生素干预后，自然恢复组肠道菌群的Chao1和Shannon指数均显著降低（P < 0.05），而益生菌干预可有效改善菌群失调，其中植物乳杆菌C8与重组菌株共培养组的恢复效果最为显著，其α-多样性指数与空白对照组已无统计学差异（P < 0.05），PCoA分析亦显示其菌群结构（β-多样性）与健康组最为接近（P = 0.001）。

在菌群组成方面，共培养组展现出优异的调控能力——拟杆菌门丰度较自然恢复组反弹50.96%，厚壁菌门仅增加11.37%，使厚壁菌门/拟杆菌门（F/B）比值更趋近健康水平；在属水平上，乳杆菌属丰度较自然恢复组增加331.34%，拟杆菌属丰度亦提升49.55%。该协同效应得益于重组菌株与野生型菌株的功能互补，二者协同增强肠道定植能力、放大群体感应信号以促进抗菌物质分泌，并调节短链脂肪酸代谢，最终通过形成稳定生物膜实现肠道微生态的全面重建。

图5肠道菌群Chao1指数(A)；Shannon指数(B)。(C)肠道菌群PCoA分析，P = 0.001, R = 0.193。不同处理组对肠道菌群组成的影响。门水平(D)和属水平(E)的相对丰度直方图。(F)肠道微生物群的COG功能预测

Conclusion

LPxTG蛋白与信号肽可显著增强益生菌在肠道中的定殖能力，并优化共培养体系中的菌群调控效果。经基因工程改造的植物乳杆菌C8菌株在表面展示LPxTG结构域后，与野生型菌株共培养时，能够显著提升有益菌丰度，有效促进抗生素破坏后肠道菌群的恢复，同时抑制病原体的增殖。该共培养系统通过多重机制缓解抗生素诱导的菌群失调，包括增强肠道适应性、改善绒毛发育以及调节微生态平衡。这些发现为开发功能性益生菌作为发酵食品中抗生素的创新替代方案提供了坚实的科学依据，凸显其广阔的实际应用前景。

通信作者简介

吴振，教授，博士生导师，宁波大学食品科学与工程学院副院长，美国南佛罗里达大学医学院分子营养专业访问学者。国家高层次青年人才，浙江省杰出青年基金获得者，担任中国奶业协会乳品营养与健康专业委员会委员、中国畜产品加工研究会理事、浙江省食品学会常务理事。长期致力于乳畜产品营养组分分析与乳酸菌发酵功能因子营养健康特性研究。通过探索乳酸菌在乳源功能因子释放、菌源功能因子生成及宿主肠道菌群调节三个维度的益生机制，主持国家自然科学基金、科技部星火计划、浙江省杰出青年基金及延续项目、浙江省重点研发等省部级项目，与宁波牛奶集团、宁波益富乐生物技术公司、乾生宁波科技有限公司、宁波老底子食品生物技术公司等多家企业建立了合作关系。近五年在食品领域国内外重要学术期刊上发表论文50余篇，其中作为第一作者发表SCI、EI收录论文30余篇；获得国家教育部科技进步一等奖等奖项4 项，授权发明专利9 项。

张涛，男，1992年2月生，山东德州人，理学博士，主要从事益生菌开发与应用、功能性乳制品、乳源功能因子等方面的研究。发表SCI论文30余篇，其中以第一作者和通信作者在Food Chemistry和Journal of Agricultural and Food Chemistry等期刊发表论文10余篇，参与授权发明专利8 项。

LPxTG proteins mediate microbial interactions to modulate Lactiplantibacillus plantarum C8 in alleviating antibiotic-associated diarrheaJiaying Lianga, Jiang Liua, Ao Zhanga, Shuolei Zhenga, Ting Jianga, Liu Yanga, Xinru Qia, Xiaoqun Zenga, Yuxing Guob, Daodong Pana, Tao Zhanga,* & Zhen Wua,*

aState Key Laboratory for Quality and Safety of Agro Products, Key Laboratory for Food Microbiology and Nutrition of Zhejiang Province, Zhejiang-Malaysia Joint Research Laboratory for Agricultural Product Processing and Nutrition, College of Food Science and Engineering, Ningbo University, Ningbo, 315211, China

bDepartment of Food Science and Technology, School of Food Science and Pharmaceutical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing, 210023, China

*Corresponding authors.

Abstract

To address the challenges of intestinal dysbiosis and antibiotic-associated diarrhea (AAD) caused by antibiotic treatment, this study investigated the potential of an LPxTG surface protein overexpression strategy for probiotic modulation. Specifically, we established a co-culture model comprising a recombinant Lactiplantibacillus plantarum C8 strain (overexpressing LPxTG proteins) and the wild-type strain, and evaluated its efficacy in alleviating clindamycin-induced AAD in mice. Our findings indicate that the overexpression of LPxTG proteins enhanced the adhesive colonization capabilities and anti-inflammatory properties of the strain. Crucially, this co-culture model demonstrated significantly superior efficacy in regulating the intestinal microecology compared to single-strain models. Experimental data revealed that the co-culture system not only effectively restored the abundance and diversity of the compromised gut microbiota (P < 0.05) but also exerted protective effects through a dual mechanism: it significantly improved the immune microenvironment by modulating key cytokines (reducing pro-inflammatory interleukin-6 (IL-6) and tumor necrosis factor-alpha (TNF-α) while elevating anti-inflammatory interleukin-10 (IL-10)) and repaired the intestinal physical barrier by upregulating the expression of tight junction proteins, Occludin and ZO-1. These results confirm that constructing a co-culture microecological system utilizing LPxTG-overexpressing recombinant strains represents a highly efficient and superior probiotic therapeutic strategy for managing antibiotic-induced intestinal dysbiosis.

Reference:

Liang, J., Liu, J., Zhang, A. et al. LPxTG proteins mediate microbial interactions to modulate Lactiplantibacillus plantarum C8 in alleviating antibiotic-associated diarrhea. Agric. Prod. Process. Sto. 2, 42 (2026). https://doi.org/10.1007/s44462-026-00076-2

文章编译由作者提供

编辑：王佳红；责任编辑：孙勇

封面图片来源：摄图网

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