客户案例 | 肠道微生物也有CP：基于交叉饲养的新型双菌疗法对抗代谢综合征

在当今快节奏的生活中，不健康的饮食习惯和久坐不动的生活方式正悄然引发一场健康危机。代谢疾病，如肥胖、糖尿病和血脂异常，正以惊人的速度在全球蔓延，成为威胁公众健康的“隐形杀手”。肠道菌群，在宿主的代谢和免疫功能中扮演着至关重要的角色，通过多种机制影响人们的健康。在这样的背景下，活体生物治疗产品（LBPs）应运而生，成为调节肠道菌群的新希望。一些肠道共生菌已经显示出治疗代谢疾病的潜力，但它们在复杂多变的肠道环境中的稳定性和疗效仍是一个亟待解决的科学问题。

实验对象：采用高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型（DIO），分为三组：PBS对照组、B. xylanisolvens单菌组（BX）、B. xylanisolvens和C. butyricum联合组（BX+CB）

实验方法：通过多组学分析（16S rRNA基因测序、宏基因组学分析、代谢组学分析等）评估菌群组成和功能变化，测定血糖、胰岛素敏感性、脂肪含量等指标

图1. 研究思路图

1. 解木聚糖拟杆菌对DIO小鼠肠道菌群的影响

通过给DIO小鼠灌胃野生型B. xylanisolvens（BXWT）及其叶酸缺陷突变株BXΔfolp，分析肠道菌群的变化。结果显示，BXWT和BXΔfolp均能在DIO小鼠体内成功定植，但未改变肠道菌群的α多样性。然而，活菌灌胃显著改变了肠道菌群的组成，BXWT处理的小鼠中B. vulgatus、B. sartorii和未分类的Clostridium物种增加，而BXΔfolp处理的小鼠中未分类的Bacteroides物种和B. sartorii增加。进一步分析发现，BXWT特异性增加的4种Clostridium物种与血清叶酸水平正相关，与TG、T-CHO、ALT/AST负相关，表明B. xylanisolvens与Clostridium物种之间存在相互作用，共同参与叶酸的生产，进而影响宿主的代谢表型。

图2. DIO小鼠灌胃解木聚糖拟杆菌可促进肠道梭菌属细菌富集

2. 解木聚糖拟杆菌和丁酸梭菌的交叉喂养关系

体外实验表明，C. butyricum在含叶酸培养基或与B. xylanisolvens共培养时生长显著增强。非接触共培养证实B. xylanisolvens通过分泌叶酸远程促进C. butyricum增殖，而叶酸合成缺陷突变体（BXΔfolp）无此效应。进一步通过基因组分析显示，多种Clostridium具备完整pABA（4-氨基苯甲酸，它的功能相当于细菌、植物和真菌合成叶酸过程中的中间体）合成通路，发酵实验证实其可分泌pABA。共培养体系中，C. butyricum合成的pABA被B. xylanisolvens高效利用，显著提升叶酸产量，形成“CB供pABA→BX产叶酸→促CB生长”的正反馈循环。此外，B. xylanisolvens与C. butyricum共培养不仅增强菌群互作，还显著提升丁酸产量。

图3. 解木聚糖拟杆菌与丁酸梭菌间交叉喂养关系的鉴定

3. 联合治疗对ob/ob小鼠代谢综合征的改善作用

通过ob/ob小鼠模型评估B. xylanisolvens和C. butyricum单菌及联合益生菌疗法对代谢综合征的治疗效果，发现双菌联合治疗较单菌治疗展现出更显著的协同效应：联合组使小鼠体重增长降低91%（单菌BX组/CB组分别为44%/61%），内脏脂肪减少44-61%，血浆甘油三酯、胆固醇和游离脂肪酸分别降低49%、22%和41%，并显著改善糖耐量（OGTT AUC降低45%）和胰岛素抵抗（ITT AUC降低32%）。此外，联合治疗使炎症因子（LPS、TNF-α、IL-1β等）降低54-67%，并促进肠道屏障功能恢复。BX通过提升血浆叶酸水平（联合组效果最显著），CB则增加粪便丁酸产量，双菌联合通过"叶酸-丁酸"双途径协同调控代谢，其效果显著优于单菌治疗。

图4. 双菌联合治疗增强协同作用

4. 联合治疗恢复肠道微生物组的生态失调

通过宏基因组分析不同益生菌干预对ob/ob小鼠肠道菌群的影响，发现单菌（B. xylanisolvens或C. butyricum）及双菌联合治疗虽未改变α多样性，但显著调节β多样性。LEfSe分析发现，C. butyricum单菌组主要富集厚壁菌门，B. xylanisolvens单菌组偏好拟杆菌门，而双菌联合组实现更平衡的调控。功能分析表明，双菌联合组显著增强叶酸合成和丁酸代谢，C. butyricum单菌干预会显著增加潜在致病菌变形菌门，而联合治疗则维持了更高的菌群稳定性（关联物种数从144降至49），同时实现更优的代谢改善效果（如丁酸产量最高）。这些发现表明，双菌联合通过"分类学互补-功能协同"机制，在减少菌群扰动幅度的同时，更有效地重建了代谢稳态。

图5. 解木聚糖拟杆菌和丁酸梭菌共同施用能以较小的干扰恢复肠道微生物群的失调

5. 联合治疗对代谢谱的调节

通过代谢组学分析发现，三种干预对方式ob/ob小鼠肠道代谢物产生差异化影响：C. butyricum单菌组引起最显著的代谢谱改变，主要富集游离初级胆汁酸（CA、αMCA等），这与其胆汁盐水解酶活性相关，但可能加剧菌群紊乱；B. xylanisolvens单菌组影响最小，特征性富集氨基酸（包括代谢风险因子支链氨基酸）；而双菌联合组呈现中间扰动程度，既显著降低支链氨基酸水平，又缓解C. butyricum介导的初级胆汁酸过度积累（较C. butyricum单菌组减少37%），同时特异性增加DHA、EPA等有益脂肪酸及短链脂肪酸。Spearman网络分析揭示11种代谢物变化与特定菌群丰度显著相关，表明益生菌可能通过调控共生菌间接重塑代谢微环境。这些结果说明，双菌联合通过平衡"胆汁酸-脂肪酸-氨基酸"代谢轴，在维持菌群稳定性方面优于单菌干预。

图6. 双菌联合使用重塑代谢微环境

本研究利用解木聚糖拟杆菌与丁酸梭菌的代谢互作机制，开发了一种新型双菌联合活体生物治疗剂。实验证实，这种基于"叶酸-pABA"双向交叉喂养的联合疗法，较单一菌株治疗能更显著地改善肥胖小鼠的代谢紊乱症状，揭示了特定肠道菌群间代谢互作的治疗潜力，为开发下一代靶向性微生物联合疗法提供了理论支撑。

参考文献

Cross-feeding based rational design of a probiotic combination of Bacteroides xylanisolvens and Clostridium butyricum therapy for metabolic diseases. Gut Microbes. 2025

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