肠道粘膜屏障完整性是保证营养吸收、抵御肠道病原体入侵和维持肠道粘膜免疫的必要条件。肠道由柱状上皮黏膜组成并伴有腺体内陷，称为隐窝。肠道干细胞就位于肠隐窝的基底部，在调节肠道上皮细胞增生和分化方面发挥着中心作用。肠道粘膜的完整性对于炎症性肠病的恢复也至关重要。与其它干细胞不同，肠道干细胞与肠道细菌共存，因此，肠道细菌可能影响上皮细胞的再生。
酸奶作为一种日常的健康食品，对调节肠道菌群和调节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，也是肠道菌群的重要组成部分；它们可以产生抗菌物质和代谢化合物，抑制其它微生物的生长，与其它肠道微生物竞争肠道粘膜的受体和结合位点。乳酸菌可以提高肠道屏障的完整性，减少肠道感染和炎症性肠病等疾病表型。根据以往的研究，乳酸菌能够激活芳香烃受体并诱导固有层淋巴细胞分泌IL-22。肠道上皮细胞增生和更替对于维持肠粘膜的结构至关重要。然而，由于缺乏合适的体外模型，乳酸菌对肠道干细胞的影响仍然知之甚少。
近日，南京农业大学研究团队一项发表在《Cell Death & Differentiation》杂志上的研究中，研究人员建立了一种由小肠固有层淋巴细胞组成的小鼠肠道类器官共培养系统，验证了罗伊氏乳杆菌对肠上皮细胞的保护作用。研究发现固有层淋巴细胞分泌低水平的IL-22以刺激肠道类器官的生长和肠道上皮增生。罗伊氏乳杆菌可通过促进固有层淋巴细胞分泌IL-22诱导的STAT3信号通路激活，加速肠道干细胞再生，以保护肠道粘膜的完整性。
罗伊氏乳杆菌增加肠道类器官的生长和TNF-α损伤后的修复
肠道类器官和固有层淋巴细胞组成的共培养系统被用于研究罗伊氏乳杆菌或热杀死的罗伊氏乳杆菌是否可以增加肠道类器官的生长以及TNF-α造成的损伤后肠道类器官的修复。与罗伊氏乳杆菌或热杀死的罗伊氏乳杆菌共培养24小时后，肠道类器官生长良好，表现出明显的隐窝出芽。与对照组和热杀死的罗伊氏乳杆菌相比，与活性的罗伊氏乳杆菌共培养可显著增加肠道类器官的表面积和隐窝出芽的数量。
当暴露于TNF-α时，受损的肠道类器官的数量显著增加。肠道类器官将出芽分化成隐窝和绒毛；然而，受损的类器官变得萎缩，不能出芽分化。罗伊氏乳杆菌可以显著改善TNF-α导致的肠道类器官损伤；然而，热杀死的罗伊氏乳杆菌对肠道类器官没有保护作用，不能保护肠道类器官的正常形态和增生免受TNF-α诱导的损伤。这是首次解释乳酸菌通过促进肠道干细胞增生对肠道上皮细胞的保护作用。
罗伊氏乳杆菌加速肠道的生长，改善DSS诱导的小鼠结肠炎
给小鼠口服绿色荧光标记的罗伊氏乳杆菌后，在小鼠空肠和结肠表面可以观察到荧光标记的乳酸菌定殖，这说明罗伊氏乳杆菌可以定殖到肠腔并与肠道粘膜相互接触。
为了验证罗伊氏乳杆菌对加速肠道生长和改善肠道炎症的影响，研究人员给小鼠口服补充罗伊氏乳杆菌。葡聚糖硫酸钠（DSS）处理的小鼠体重下降，罗伊氏乳杆菌大大降低了体重下降的速度。DSS处理明显减少了结肠的长度，而罗伊氏乳杆菌使DSS诱导的结肠长度变短减少到最小。组织学检查发现，DSS处理导致结肠组织粘膜表层显示出更广泛的肠道水肿和致密浸润以及结肠肠腔和肌肉层的病理性出血；罗伊氏乳杆菌可以显著改善DSS引起的病理性改变，表现为结肠结构正常和无出血。在空肠中也发现了类似的病理损伤，其绒毛长度减小。补充罗伊氏乳杆菌的小鼠表现出更长的绒毛和更深的隐窝。此外，罗伊氏乳杆菌明显改善DSS诱导的肠道结构损伤，表现为增加的绒毛长度和隐窝深度。
罗伊氏乳杆菌对肠道的保护作用与补充罗伊氏乳杆菌导致的肠道上皮细胞增殖状态保持一致。DSS诱导了空肠和结肠形态的损伤，肠上皮细胞的增殖减少。然而，罗伊氏乳杆菌不仅刺激了生理状态下的肠上皮细胞增殖，而且改善了DSS诱导病理状态下的细胞增殖减少，加速肠道损伤的修复。结肠长度的减少和病理改变也表现为促炎症细胞因子IL-1β和TNF-α蛋白表达的增加。罗伊氏乳杆菌可以显著降低DSS诱导的TNF-α和IL-1β表达水平增加。
罗伊氏乳杆菌可增加潘氏细胞的数量并在损伤后刺激肠道干细胞再生
Lgr5是肠道干细胞的标记物，主要标记位于肠道隐窝基底部的肠道干细胞。Lgr5阳性的肠道干细胞可以产生所有类型的成熟的肠道上皮细胞。潘氏细胞通过抗菌分子的分泌保护上皮屏障，并通过为肠道干细胞提供合适的位置来维持上皮完整性。肠道干细胞对损伤诱导的肠道再生至关重要。研究发现罗伊氏乳杆菌处理的肠道类器官中，Lgr5阳性细胞的比例较高。TNF-α处理导致损伤后，罗伊氏乳杆菌也可以显著增加Lgr5阳性细胞的数量。Lgr5蛋白表达和肠道干细胞标记（Lgr5、Olfm4、Ascl2）的mRNA表达进一步验证了罗伊氏乳杆菌对肠道干细胞的刺激作用。研究人员又在小鼠中验证了罗伊氏乳杆菌对肠道类器官中Lgr5阳性细胞的刺激作用。研究发现，罗伊氏乳杆菌增加了小鼠空肠中Lgr5阳性细胞的数量，同时也可以改善DSS引起的Lgr5阳性细胞数量减少。
潘氏细胞可以通过分泌EGF、DLL1、DLL4和Wnt-3调节肠道干细胞的增殖和分化。研究发现罗伊氏乳杆菌显著增加了肠道类器官和小鼠空肠中潘氏细胞的数量。然而，TNF-α处理显著降低了潘氏细胞的数量和潘氏细胞标记物Lyz1和Defa6的mRNA表达水平。罗伊氏乳杆菌可以改善TNF-α导致的肠道类器官或DSS导致的小鼠中潘氏细胞的减少。这也进一步支持罗伊氏乳杆菌对肠道干细胞增生的促进作用。
罗伊氏乳杆菌上调IL-22的表达
以前的研究已经表明IL-22能够维持肠道上皮的完整性。最近的一项研究也表明，IL-22对于增强肠道干细胞调节的上皮再生和上皮增生非常重要。当与固有层淋巴细胞共培养时，罗伊氏乳杆菌可以显著刺激IL-22的分泌，这可以解释乳酸菌对肠上皮细胞的保护作用。当没有固有层淋巴细胞时，罗伊氏乳杆菌不能诱导IL-22的分泌。然而罗伊氏乳杆菌可以诱导没有肠道类器官的固有层淋巴细胞分泌IL-22。有趣的是，TNF-α处理也可以增加IL-22的产生，这可能是由于肠道损伤下自我修复系统的启动。罗伊氏乳杆菌通过增加IL-22的产生进一步增强自我修复系统的效率。此外，罗伊氏乳杆菌和IL-22对肠道类器官的生长刺激作用，包括表面积、出芽和增殖，可通过添加抗IL-22抗体得到抑制。罗伊氏乳杆菌对TNF-α导致的肠道类器官形态学损伤的保护作用也由于抗IL-22抗体的添加而被抑制。因此，罗伊氏乳杆菌可刺激固有层淋巴细胞分泌IL-22和肠上皮细胞增生，从而促进TNF-α处理下的损伤修复效率。
然而，热杀死的罗伊氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌以及几种微生物相关分子模式（比如肽聚糖、磷壁酸和多糖）不能显著上调IL-22的表达。不同浓度的肠道细菌代谢物，比如乙酸、丙酸、丁酸和乳酸，也检测到类似的结果。这些结果表明，乳酸菌对肠道上皮细胞的保护作用是具有菌株特异性的。罗伊氏乳杆菌代谢色氨酸产生的吲哚-3-乙醛有助于激活芳香烃受体，它可以上调IL-22的表达；罗伊氏乳杆菌或吲哚-3-乙醛对IL-22的诱导作用可以被芳香烃受体抑制剂所抑制。考虑到吲哚3-乙醛是罗伊氏乳杆菌的代谢产物，进一步证实罗伊氏乳杆菌通过激活芳香烃受体以诱导IL-22的产生。 罗伊氏乳杆菌对IL-22分泌的刺激作用也在体内得到验证，罗伊氏乳杆菌可以增加小鼠空肠和结肠中的IL-22的产生。此外，罗伊氏乳杆菌也增加了DSS损伤下IL-22的产生。
罗伊氏乳杆菌通过IL-22的分泌激活磷酸化STAT3信号通路
研究人员通过利用抗IL-22抗体处理肠道类器官，进一步证实了罗伊氏乳杆菌通过刺激IL-22的分泌保护肠上皮屏障。罗伊氏乳杆菌刺激肠道类器官出芽，增加STAT3信号通路的磷酸化。IL-22也具有类似的作用。然而，添加抗IL-22抗体可以抑制罗伊氏乳杆菌对肠道类器官的刺激作用，表明罗伊氏乳杆菌通过刺激IL-22的分泌促进肠道类器官中STAT3的磷酸化。
此外，研究人员也检测到罗伊氏乳杆菌可以增加抗菌肽Reg3β和Reg3γ的表达，也可以增加TNF-α诱导的肠道类器官病理状态下Reg3β和Reg3γ的表达。这一结果在小鼠的空肠和结肠中也得到了验证。这可能限制粘膜表面的细菌定殖，减少细菌易位以保护肠道粘膜。
图片来源：Hou et al. Cell Death & Differentiation. 2018
总之，罗伊氏乳杆菌代谢分解营养素色氨酸产生吲哚-3-乙醛，通过芳香烃受体刺激肠粘膜固有层淋巴细胞分泌IL-22，进而活化STAT3信号通路刺激肠道干细胞增殖分化替代损伤的肠上皮细胞，并诱导Reg3等抗菌肽分泌缓解肠炎症状（包括降低炎症因子水平和改善肠粘膜病理变化），维护肠粘膜屏障完整性。
参考文献：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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