肠道致病菌感染是全球公共卫生领域的重大威胁之一。它不仅会破坏肠道菌群平衡、诱发炎症反应，还会损伤肠上皮屏障，促使病原体和毒素转移到血液中，引发全身性感染，甚至导致高死亡率。肠道内的共生菌（如益生菌）在抵抗病原体定殖方面发挥着关键作用。然而，以往研究多聚焦于微生物之间的“相互厮杀”，对于益生菌是否能够主动调控宿主肠道上皮环境，从而构建起抵御外敌的物理屏障，仍缺乏深入的探讨。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所合成生物进化研究中心黄术强团队与宁波诺丁汉大学石泳团队合作，在国际微生物生态学会期刊The ISME Journal上发表了题为“Cellular membrane protein MipA from E.coli Nissle 1917 protects against Salmonella infection”的研究成果。
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研究团队设计并制备了一种模拟肠道隐窝结构的微流控芯片装置，通过结合仿生肠道芯片与体内小鼠模型，研究发现益生菌大肠杆菌Nissle 1917（EcN）的保护效应高度依赖于其在肠道内的预定殖。研究阐明，其外膜蛋白MipA能够诱导宿主肠上皮细胞整合素连接激酶（ILK）的表达上调，从而增强细胞间紧密连接的完整性，有效限制沙门氏菌的感染。该研究不仅刷新了对益生菌“定殖抗性”的认知，还揭示了由特定益生菌蛋白触发的上皮防御机制，更为开发针对肠道感染的预防新策略提供了理论依据。
“先下手为强”—— 小鼠病原菌感染实验发现益生菌“预防优于治疗”为探究益生菌的最佳干预时机，研究团队在小鼠病原菌感染实验中比较了预防（感染前给药）、竞争（同时给药）和治疗（感染后给药）三种干预策略。结果显示，EcN的保护作用具有严格的预定殖依赖性。与纯感染组相比，预防性给药的小鼠体重下降显著减轻，肠道病原菌载量降低约100倍，肠道黏膜结构及上皮紧密连接的完整性也得以有效维持。相比之下，竞争和治疗策略的保护效果则大幅受限。这表明，EcN的保护作用并非简单的细菌与细菌即时拮抗，而在于其能够在感染前优先定殖，从而发挥保护作用。
“动态模拟”—— 仿生肠道芯片重现复杂力学环境下的微生态互作为了贴近宿主肠道微环境并真实还原病原菌感染过程，研究团队开发了一套包含隐窝状微结构的肠道芯片模型。结合计算流体力学模拟发现，芯片中的流体流动不仅产生与肠道生理流动相近的剪切应力，在隐窝微结构附近还产生了显著的法向应力。这种复杂的动态力学环境极大地促进了细菌在隐窝样生态位中的黏附和定殖。在该体外系统中，EcN的预定殖同样表现出极强的保护力，有效阻止了沙门氏菌引起的细胞焦亡和紧密连接破坏，且这种保护效果随着EcN给药剂量的增加和预定殖时间的延长而显著提升。该肠道芯片模型成功实现了活体宏观表型在体外微生理系统中的精准复现，为解析宿主-微生物分子通讯提供了关键技术平台。
图1 微流控肠道芯片示意图
“发号施令”—— 揭示益生菌激活宿主防御信号的关键开关
为阐明EcN预定殖发挥保护作用的具体分子机制，研究团队对肠上皮细胞进行了定量蛋白质组学分析，发现预防组中与维持上皮顶端/基底极性相关的整合素连接激酶（ILK）表达呈特异性上调。随后的药理学抑制实验证实，ILK是介导紧密连接蛋白表达、限制沙门氏菌入侵的关键调控节点。
宿主端ILK的核心作用被确认后，研究团队进一步通过蛋白纯化和基因敲除等手段锁定了触发该防御通路的细菌端“开关”——EcN外膜蛋白MipA。研究揭示，MipA不仅是结合宿主整合素的粘附素，更是上调下游ILK表达的关键效应分子。通过MipA与宿主上皮细胞的互作，EcN能够主动“指令”宿主上皮细胞加固紧密连接，从而在病原体入侵前筑起一道坚固的物理防线。
本研究通过体内动物模型、仿生肠道芯片与定量蛋白质组学等技术，阐明了益生菌调控宿主抵御病原菌入侵的作用机制。研究发现，益生菌并非被动地等待病原菌攻击后再行修复，而是通过其外膜蛋白MipA主动调控宿主上皮细胞的ILK表达，从而先发制人地加固细胞间紧密连接，构筑起一道强化的防御屏障。这种主动加固的生态位防御策略，与先前报道的EcN在感染后修复已受损屏障的机制有所不同，体现了由益生菌驱动、通过调节宿主来增强其固有防御的生物学过程。
在临床转化层面，该研究为开发新型抗感染策略提供了理论参考。鉴于EcN的保护效果具有剂量与时间依赖性，这支持了针对高危人群（如流行病暴露人群）进行预防性益生菌干预的可行性。在抗生素耐药形势严峻的当下，这种通过增强宿主自身屏障防御来对抗感染的策略，提供了一条具有潜力的替代或补充路径。总而言之，这项发现增进了我们对肠道内复杂微生物与宿主互作的理解，也为开发基于宿主防御的感染预防疗法奠定了理论与技术基础。
深圳先进院黄术强研究员和宁波诺丁汉大学石泳教授为本文共同通讯作者。深圳先进院-宁波诺丁汉大学联培博士生向云青为论文的第一作者。深圳先进院李楠研究员、天津市第五中心医院刘晓智教授、中国科学院半导体研究所袁国栋研究员为本工作提供了重要支持。深圳先进院为第一完成单位。该项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项等项目的资助，并获得深圳合成生物研究重大科技基础设施和深圳合成生物学创新研究院提供的支持。
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