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《Nutrients》:体外模拟发酵研究条浒苔多糖对肠炎病人肠道菌群的调节作用

发布时间:2024-08-12 09:32:30      作者:青岛海大海洋寡糖科技有限公司      来源:本站

文章题目:In Vitro Fermentation of Polysaccharide from Edible Alga Enteromorpha clathrata by the Gut Microbiota of Patients with Ulcerative Colitis

发表期刊:Nutrients

影响因子:5.9

通讯单位:中国海洋大学、青岛海洋生物医药研究院

通讯作者:于广利、尚庆森

        条浒苔(Enteromorpha clathrata)是一种具有重要食用和药用价值的海藻。条浒苔在我国沿海均有分布,但东海沿岸产量最大。条浒苔是沿海地区居民经常采持食用的绿藻,其可以鲜食烹饪,也可以晒干贮存。根据唐代李时珍的《本草纲目》记载,浒苔可以“烧末吹鼻止衄血,汤漫捣敷手背肿痛”。此外,五代时期李殉的《海药本草》记载,石莼以及海洋绿藻类植物可以治疗“脐下结气”,并且“宜煮汁饮之”。上述典籍记载提示浒苔及其水溶性多糖或具有抗炎镇痛作用。此外,中国部分沿海地区至今仍有用浒苔或其他绿藻类煎服治疗急性或慢性肠胃炎的传统。中国海洋大学医药学院于广利教授和青岛海洋生物医药研究院尚庆森副教授团队前期通过小鼠疾病模型研究发现,条浒苔多糖具有良好的治疗溃疡性结肠炎的作用。小鼠口服条浒苔多糖可以显著缓解结直肠出血及肠道黏膜损伤。机制上,条浒苔多糖可以重塑疾病小鼠的肠道菌群失调,增加肠道抗炎细菌狄氏副拟杆菌(Parabacteroides distasonis)的含量。上述研究为条浒苔多糖作为抗肠炎药物或者大健康产品的开发提供了理论依据。近日,在前期研究基础上,该研究团队联合山东大学齐鲁医院(青岛)消化内科张爱军主任,通过肠道菌群体外模拟发酵技术,首次系统解析了条浒苔多糖对肠炎病人肠道菌群的调节作用。研究人员首先采集了9位溃疡性结肠炎病人的粪便菌群样本,通过厌氧微生物体外模拟发酵,综合糖利用、发酵产短链脂肪酸(SCFAs)以及微生物群落变化等3个方面对条浒苔多糖的人体肠道菌群调节作用进行了系统研究。研究发现,相较于简单碳源葡萄糖而言,复杂碳源条浒苔多糖更难以被人体肠道菌群发酵利用。此外,在产酸方面,葡萄糖发酵产生更多的乳酸而条浒苔多糖发酵产生更多的乙酸。上述产酸及糖利用的差异提示人体肠道中有不同的菌群参与了葡萄糖和条浒苔多糖的发酵代谢。

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图1 研究方案设计以及糖利用和发酵产SCFAs分析

        通过肠道菌群的16S rRNA高通量测序及α-多样性分析,作者进一步研究发现,虽然条浒苔多糖更难以被人体肠道菌群发酵利用,但是其可以在很大程度上维持较高的物种丰富度以及物种多样性。此外,虽然葡萄糖更容易被肠道菌群利用,但是其发酵之后菌群的物种丰富度以及物种多样性显著低于条浒苔多糖。条浒苔多糖作为一种复杂碳源可以更好地维持肠道菌群的多样性及物种丰富度,提示条浒苔多糖作为膳食纤维或新一代益生元具有显著的优势。

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图2 人体肠道菌群α-多样性分析

        研究人员通过对肠道菌群的β-多样性进行分析进一步证实,人体肠道中不同的细菌驱动了葡萄糖和条浒苔多糖的发酵利用过程。并且,从韦恩图分析,参与条浒苔多糖发酵利用的肠道细菌种类更多且更为丰富。

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图3 人体肠道菌群β-多样性分析

        进一步通过菌群的Wilcoxon rank-sum分析及热图分析发现,人体肠道中驱动条浒苔多糖发酵利用的细菌主要是多型拟杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)、卵形拟杆菌(Bacteroides ovatus)、布劳特氏菌(Blautiaspp.)、单型拟杆菌(Bacteroides uniformis)和副拟杆菌属细菌(Parabacteroidesspp.)。人体肠道菌群发酵条浒苔多糖可以显著促进上述细菌的增长。而前人研究发现,上述细菌均是人体肠道中重要的抗炎益生菌。其中多型拟杆菌、单型拟杆菌和卵形拟杆菌均被发现具有良好的治疗溃疡性结肠炎的作用。此外,研究团队前期也发现条浒苔多糖可以通过促进肠道中益生菌狄氏副拟杆菌的生长发挥抗肠炎作用。条浒苔多糖作为新一代益生元和膳食纤维,可以显著促进上述抗炎细菌在肠道中生长繁殖,提示其具有广阔的开发应用前景。

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图4 不同细菌驱动了葡萄糖和条浒苔多糖的发酵利用过程

        研究人员进一步将肠道菌群变化与其发酵产SCFAs含量进行了关联分析。热图分析表明,人体肠道中多型拟杆菌、卵形拟杆菌和单型拟杆菌的含量与条浒苔多糖发酵产乙酸呈现显著的正相关。这提示条浒苔多糖发酵产生的大量乙酸极有可能来自拟杆菌属细菌。拟杆菌属细菌的基因组含有大量的碳水化合物活性酶,其降解利用膳食多糖的能力较强。未来可以围绕肠道拟杆菌进一步阐明条浒苔多糖的降解代谢过程。

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图5 人体肠道菌群变化与其发酵产SCFAs含量的关联分析

        通过PICRUSt2代谢功能的预测分析,研究人员进一步比较了人体肠道菌群发酵利用葡萄糖和条浒苔多糖的代谢差异。研究发现,在肠道菌群发酵利用葡萄糖和条浒苔多糖的过程中,共有9个不同的代谢路径体现出了较大差异。其中,在发酵代谢条浒苔多糖的过程中,肠道菌群的次级代谢产物合成功能明显上调,提示条浒苔多糖代谢的复杂性。条浒苔多糖虽然发酵产SCFAs较少,但是其被菌群利用代谢产小分子次级代谢产物的潜力巨大,未来可以围绕该功能进一步探究条浒苔多糖的生物学及药理学功效。

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图6 人体肠道菌群发酵利用葡萄糖和条浒苔多糖的代谢差异分析

        综上所述,本论文首次系统阐明了条浒苔多糖的人体肠道菌群发酵利用过程。研究表明,人体肠道中驱动条浒苔多糖发酵利用的细菌主要是多型拟杆菌、卵形拟杆菌和单型拟杆菌等益生菌,并且条浒苔多糖发酵主要产生大量乙酸。上述研究为条浒苔多糖作为新一代益生元及膳食纤维的进一步开发利用提供了理论依据。

        该课题组长期致力于肠道菌群和天然多糖的互作关系研究,在肠道菌群的体外模拟发酵、肠道功能菌株的分离筛选、多糖的肠道菌群代谢机制和新一代益生菌的开发研究方面具有重要积累,欢迎对本领域有研发兴趣的企业或高校课题组洽谈合作。

参考文献

1.     Ma, M.; Quan, M.; Zhang, J.; Zhang, A.; Gao, P.; Shang, Q.; Yu, G. In Vitro Fermentation of Polysaccharide from Edible Alga Enteromorpha clathrata by the Gut Microbiota of Patients with Ulcerative Colitis. Nutrients 2023, 15, 4122. https://doi.org/10.3390/nu15194122

2.     Ma,      M.; Fu, T.; Wang, Y.; Zhang, A.; Gao, P.; Shang, Q.; Yu, G. Polysaccharide      from Edible Alga Enteromorpha clathrata Improves Ulcerative Colitis in      Association with Increased Abundance of Parabacteroides spp. in the Gut      Microbiota of Dextran Sulfate Sodium-Fed Mice. Mar. Drugs 2022, 20, 764.      https://doi.org/10.3390/md20120764

3.     Shang,      Q.; Wang, Y.; Pan, L.; Niu, Q.; Li, C.; Jiang, H.; Cai, C.; Hao, J.; Li,      G.; Yu, G. Dietary Polysaccharide from Enteromorpha      Clathrata Modulates Gut Microbiota and Promotes the Growth      of Akkermansia muciniphila, Bifidobacterium spp.      and Lactobacillus spp. Mar. Drugs 2018, 16, 167.      https://doi.org/10.3390/md16050167

4.     Wei,      J.; Zhao, Y.; Zhou, C.; Zhao, Q.; Zhong, H.; Zhu, X.; Fu, T.; Pan, L.;      Shang, Q.; Yu, G. Dietary Polysaccharide from Enteromorpha      clathrata Attenuates Obesity and Increases the Intestinal Abundance      of Butyrate-Producing Bacterium, Eubacterium xylanophilum, in Mice      Fed a High-Fat Diet. Polymers 2021, 13, 3286.      https://doi.org/10.3390/polym13193286

 

作者:尚庆森

审核:李全才

编辑:邵萌

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