植物乳杆菌吸附重金属铅与缓解铅毒性的机制分析

Lead (Pb) is a heavy metal which causes a broad range of adverse effects in humans. The lead exposure from environment and foods has become an important threaten to food safety and human health. Our previous work had shown that Lactobacillus plantarum has the ability to alleviate lead toxicity in mice, but the mechanism of such protective effects is still unknown. Based on the results in the prophase, the objective of this study is to investigate the mechanisms of lead combination and lead toxicity alleviation of Lactobacillus plantarum. The in vitro model of biosorption is established to study the lead combination mechanism of Lactobacillus plantarum with biochemical and genetical technology. Cell model is used to investigate the protective effects of lactobacillus plantarum against lead toxicity in cell. The protective mechanism is also probed in animal models with transcriptome and metabolome analysis. Differences of intestinal microflora between lactobacilli-treated mice and lead-exposed mice are studied with metagenome analysis to understand the effects of Lactobacillus plantarum on the restoration of intestinal microecosystem. Our study is aimed to explore a new function of lactic acid bacteria for human health, and to develop a safe and efficacious nutritional supplement of diet during lead exposure to prevent and alleviate lead toxicity.

铅是一种在任何水平下均无有益功能、对多靶器官有显著毒性作用的重金属。环境和食物铅暴露已成为影响食品安全和健康的重要风险因素。前期研究表明植物乳杆菌能缓解铅暴露导致的有害效应。然而，植物乳杆菌缓解铅毒性的机制尚不清楚。针对该问题，本项目拟通过体外、细胞和动物模型研究植物乳杆菌吸附铅和缓解铅毒性的作用机制。利用体外模型研究植物乳杆菌吸附铅的规律，在细胞和分子水平上阐明植物乳杆菌铅吸附的机制；通过细胞模型研究铅对培养模型细胞的损伤及植物乳杆菌对铅导致损伤的保护作用；通过动物模型研究植物乳杆菌摄入在生理生化与代谢标志物指标上对铅毒性的缓解作用，利用转录组和代谢组等组学分析技术揭示植物乳杆菌缓解铅毒性的作用机制；利用宏基因组分析技术研究铅暴露对肠道微生态的影响及植物乳杆菌对肠道微生态的重建。研究结果将在乳酸菌功能挖掘方面形成关于乳酸菌干预铅暴露毒性的新认识，为相关研究与应用提供理论依据和指导。

环境中存在着铅、镉、铜、铝、锰等多种有显著毒性作用的金属。环境和食物的有毒金属暴露已成为影响食品安全和健康的重要风险因素。我们前期研究初步发现某些植物乳杆菌能通过膳食摄入缓解重金属铅暴露导致的有害效应，但我们不了解植物乳杆菌在更多模型体系中是否具有针对更多有害金属的毒性缓解作用，并且对植物乳杆菌缓解铅等有害金属元素毒性的作用方式和机制也不甚了解。基于这一科学问题，我们在2013年获得了国家自然科学基金面上项目（编号31371721）的支持，进一步通过不同模型分析和评价了乳酸菌对铅等有害金属的吸附作用以及对金属毒性的缓解作用，并在乳酸菌细胞—金属体外相互作用水平、培养细胞水平和小鼠和鱼类动物模型水平上研究了植物乳杆菌吸附铅等金属和缓解铅等金属毒性的方式及作用机制。植物乳杆菌CCFM8661对铅具有良好的吸附能力（吸附量49.55mg/g菌体）。饲喂CCFM8661（细胞浓度1.0×10^9cfu/mL，灌胃0.5mL/d）能显著降低治疗组与干预组小鼠血液和肾组织的铅水平，能恢复由于铅暴露而受到抑制的靶点酶δ-氨基乙酰丙酸脱水酶活性，降低小鼠体内由铅暴露而提高的活性氧水平；此外，经口摄入特定乳酸菌功能菌株对镉、铝有害金属暴露毒性也有显著的缓解作用；吸附研究确认细胞壁在铅吸附过程中发挥最主要的作用，吸附功能基团为细胞壁上的氨基和羧基。在铅暴露HT29细胞中CCFM8661干预能恢复HT29细胞活力，清除铅暴露产生的ROS，调节肠细胞紧密连接蛋白ZO-1和Occludin的表达与合成，对肠道屏障发挥保护作用；组学分析表明确定了植物乳杆菌镉应激的全局性应答网络，确定了前噬菌体P2b蛋白，CadA，mntA和lp_3327等在金属耐受中发挥作用的关键蛋白；在肠道微生态方面，有害金属暴露会引起肠道微生物菌群的组成变化以及肠道微生物的多样性明显下降，乳酸菌干预对金属暴露导致的菌群失衡具有显著的重建作用。本项目研究结果在乳酸菌功能挖掘方面形成了关于乳酸菌特定功能菌株缓解铅等有害金属过量暴露毒性的新认识，为相关研究与应用提供了必要的理论依据和指导。