细菌代谢产物通过下丘脑基因表达调控食欲的新机制：长双歧杆菌APC1472与罗伊氏乳杆菌ATCC PTA 6475的体外研究

《npj Biofilms and Microbiomes》：In vitro assessment of bacterial supernatants on hypothalamic gene expression: implications for appetite regulation

本研究针对肠道菌群代谢产物如何通过肠-脑轴调控食欲的关键问题，开展了长双歧杆菌APC1472和罗伊氏乳杆菌ATCC PTA 6475的代谢组学与分子机制研究。通过基因组预测、代谢产物分析和下丘脑细胞模型验证，发现两种菌株的细胞上清液（CFSs）和条件培养基上清液（CCSs）可特异性调节饥饿素受体（GHSR）和胰高血糖素样肽-1受体（GLP-1R）的表达，揭示了菌株特异性代谢产物（如乙酸、色氨酸）在食欲调控中的潜在作用，为开发靶向肠道菌群的代谢性疾病干预策略提供了新依据。

近年来，随着微生物组研究的飞速发展，科学家们逐渐认识到肠道菌群在调节宿主代谢健康和食欲行为中扮演着关键角色。肠道微生物通过发酵膳食纤维等宿主无法消化的成分，产生一系列生物活性代谢产物，如短链脂肪酸（SCFAs）、神经递质、激素等，这些物质可通过肠-脑轴（gut-brain axis）影响中枢神经系统的功能，进而调控能量平衡和进食行为。然而，不同细菌物种及其代谢产物如何具体影响下丘脑——食欲调节的中枢——仍缺乏深入机制研究。代谢性疾病如肥胖、糖尿病和饮食失调的全球发病率不断攀升，亟需开发基于微生物组的干预策略，因此解析特定益生菌株的代谢功能及其对宿主生理的调控机制具有重要意义。

在这项发表于《npj Biofilms and Microbiomes》的研究中，研究团队聚焦于两株具有潜在代谢健康益处的细菌：长双歧杆菌APC1472（Bifidobacterium longum APC1472）和罗伊氏乳杆菌ATCC PTA 6475（Limosilactobacillus reuteri ATCC PTA 6475）。通过整合基因组学、代谢组学和细胞生物学方法，研究者系统评估了这两种菌的代谢产物对下丘脑基因表达的影响，为理解微生物-宿主互作提供了新的实验依据和深入见解。

本研究采用多项关键技术方法：首先通过体外培养和上清液制备获得细菌的细胞上清液（CFSs）和条件培养基上清液（CCSs）；运用全基因组测序和KEGG注释进行肠道-脑模块（Gut-Brain Modules, GBMs）的生物信息学预测；利用非靶向代谢组学技术（基于液相色谱-质谱联用）分析半极性和短链脂肪酸/支链脂肪酸（SCFAs/BCFAs）谱；通过细胞毒性试验（MTT法）确定实验浓度，并运用定量PCR（qPCR）检测下丘脑细胞中食欲相关基因（Ghrl, Ghsr, Glp1r, Npy1r）的表达变化。实验使用小鼠胚胎下丘脑细胞系mHypoE-N41和成年下丘脑细胞系mHypoA2/28。

In silico prediction for synthesis or degradation of neuroactive compounds byB.longum APC1472 andL.reuteriATCCPTA6475

通过基因组水平的肠道-脑模块分析，研究发现长双歧杆菌APC1472具备合成色氨酸（tryptophan）、谷氨酸（glutamate）、S-腺苷甲硫氨酸（SAM）和案例解蛋白酶B（ClpB）的潜力，同时具有降解喹啉酸（quinolinic acid）的能力。该菌还编码了乙酸和异戊酸的合成途径。罗伊氏乳杆菌ATCC PTA 6475则预测可合成SAM和组胺（histamine），并具有降解喹啉酸和合成乙酸的能力。这一分析为后续代谢组学验证提供了理论框架。

Metabolomic analysis of neuroactive compounds present in supernatants from B. longum APC1472 and L. reuteri ATCC PTA 6475

非靶向代谢组学分析显示，两种细菌的CCSs中γ-氨基丁酸（GABA）和谷氨酸的相对丰度显著低于对照组。值得注意的是，长双歧杆菌APC1472的CCSs在稳定期后期表现出较高的色氨酸丰度，与其基因组预测一致。在短链脂肪酸方面，两种菌的CCSs中乙酸的相对丰度均显著高于对照，而长双歧杆菌APC1472的CCSs中丙酸和异戊酸的含量较低。组胺在两种菌的CCSs中均检测到较高水平。这些结果证实了细菌在不同培养条件下代谢产物谱的差异。

Impact of bacterial species, media and growth stage on the production of metabolites produced in vitro by B. longum APC1472 and L. reuteri ATCC PTA 6475

主成分分析（PCA）揭示，培养基类型（mMRS vs Buffer B）是导致代谢物组成差异的主要因素，而生长阶段（早期与晚期稳定期）对半极性代谢物组成无显著影响。SCFAs/BCFAs的组成在菌种和培养基类型间无显著差异，但培养基与生长阶段存在交互作用。这表明环境条件是影响细菌代谢产物谱的关键因素。

Differences in chemical class of metabolites present in super-natants from B. longum APC1472 and L. reuteri ATCC PTA 6475 according to bacterial species and media

化学类别分析显示，CCSs中氨基酸、嘌呤、嘧啶等类别的代谢物相对丰度较高，而脂肪酸则在CCSs中丰度较低。脂质和碳水化合物在长双歧杆菌APC1472的CCSs中增加，在罗伊氏乳杆菌中则降低。这些差异突出了不同菌种在特定环境条件下的特异代谢特性。

Supernatants from B.longum APC1472 and L.reuteri ATCC PTA 6475 modulate hypothalamic expression of genes involved in appetite regulation

细胞实验表明，罗伊氏乳杆菌ATCC PTA 6475的CFSs和CCSs均显著上调胚胎下丘脑细胞中饥饿素受体（Ghsr）的表达。在成年下丘脑细胞中，两种菌的CCSs均能上调Ghsr，而仅CFSs可上调GLP-1受体（Glp1r）表达。饥饿素（Ghrl）和神经肽Y受体1（Npy1r）的表达未受显著影响。这些结果提示细菌代谢产物可通过调节关键食欲相关受体基因表达，间接影响中枢食欲调控通路。

本研究通过多层次分析揭示了两株潜在益生菌的代谢特性及其对下丘脑食欲调控基因的影响。长双歧杆菌APC1472被确认为乙酸和色氨酸的产生菌，而罗伊氏乳杆菌ATCC PTA 6475主要产生乙酸和组胺。它们的上清液在不同条件下展现出独特的代谢谱，并可特异性调节下丘脑细胞中Ghsr和Glp1r的表达。这些发现不仅验证了采用体外方法筛选具有神经活性和代谢健康益处的细菌代谢产物的可行性，也为未来开发基于微生物的食欲调控干预措施提供了分子基础。尽管研究采用了永生化下丘脑细胞系，无法完全模拟体内下丘脑的复杂结构和系统交互作用，但作为初步筛选平台，该工作为后续利用更接近生理的模型（如共培养系统、动物实验）开展机制研究奠定了坚实基础。此外，菌株特异性、代谢产物协同效应以及实际体内生物利用度等问题仍需进一步探索。该研究深化了我们对微生物-肠-脑轴互作机制的理解，为代谢健康领域的微生物组干预策略提供了重要理论依据。