计算筛选与实验验证：能够增强肠道细菌中丁酸盐生成并促进肌肉细胞生长的天然化合物

《ACS Omega》：Computational Screening and Experimental Validation of Natural Compounds that Enhance Butyrate Production in Gut Bacteria and Promote Muscle Cell Mass

肠道菌群丁酸合成酶靶向筛选及对肌细胞代谢炎症调控研究，通过分子对接鉴定109种高亲和力天然化合物，实验验证发现超帘花青素、贝壳杉醇D和辣椒籽苷能显著提升普劳斯尼采菌与哈德鲁斯菌的协同产丁酸能力，浓度达0.58 mM，并促进C2C12肌细胞增殖（1.6-2.5倍）、激活PPARα/γ（1.51-1.97倍）和抑制NF-κB/IL-2（0.53-0.79倍）。

　　但丁酸是一种由肠道微生物群通过膳食纤维发酵产生的关键代谢物，它在维持宿主健康方面发挥着重要作用。这种代谢物不仅影响肠道内环境的稳定，还在全身代谢健康中扮演重要角色。在肠道中，但丁酸是结肠上皮细胞的主要能量来源之一，同时有助于增强肠道屏障功能、减轻炎症反应以及维持上皮细胞的分化和增殖。此外，但丁酸还通过“肠道-器官轴”影响其他器官的功能，如通过促进线粒体生物合成、调节脂肪代谢等途径对肌肉组织产生有益影响。

但丁酸的生成主要依赖于特定的肠道细菌，其中**Faecalibacterium prausnitzii**（简称FP）和**Anaerostipes hadrus**（简称AH）被认为是重要的但丁酸生产菌，它们共同贡献了结肠中约50%的但丁酸产量。这些细菌因其抗炎特性及代谢益处而受到广泛关注，临床研究表明它们的丰度下降与多种疾病状态相关，包括炎症性肠病、代谢综合征以及与年龄相关的肌肉流失（即肌少症）。因此，开发能够增强但丁酸生产能力的策略，对于预防和治疗这些疾病具有重要意义。

然而，目前提高但丁酸水平的方法仍较为有限，且临床效果不稳定。尽管高纤维饮食被认为是一种有效的手段，但个体之间的肠道菌群组成和代谢能力存在显著差异，使得这种干预措施的效果具有高度变异性。同样，益生菌补充也面临诸如菌株存活率、定植效率和代谢特异性等问题。因此，寻找能够有效调节关键代谢酶活性的天然化合物（Natural Compounds, NCs）成为一种有前景的策略。

为了系统地识别这些化合物，研究者采用了结合计算生物学与实验验证的综合方法。首先，通过分子对接技术筛选了约25,000种天然化合物，这些化合物被筛选用于针对但丁酸合成的三个关键酶：**butyryl-CoA dehydrogenase (BCD)**、**β-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase (BHBD)** 和 **butyryl-CoA:acetate CoA-transferase (BCoAT)**。筛选出的具有高结合亲和力（≤?10 kcal/mol）的化合物进一步通过网络药理学分析，揭示了它们与19个基因和5个疾病通路之间的关联。这种分析表明，这些化合物不仅能够调节细菌的代谢活动，还可能通过影响宿主的炎症信号通路和代谢基因表达，发挥更广泛的生理效应。

为了验证这些化合物的实际效果，研究者在FP和AH的单菌株与共培养系统中进行了实验。结果表明，共培养系统比单菌株培养更能显著提高但丁酸的产量，其中**hypericin**、**piperitoside**、**luteolin 7-glucoside** 和 **khelmarin D** 是最有效的化合物，分别提升了但丁酸的产量至0.58 mM、0.54 mM、0.39 mM 和 0.41 mM。这表明这些化合物可能通过增强细菌之间的代谢协同作用，从而提高但丁酸的生成效率。

进一步的转录组分析揭示了这些化合物对但丁酸合成相关基因的上调作用。例如，**hypericin** 在FP和AH共培养系统中显著提升了**BCD**、**BCoAT** 和 **BHBD** 基因的表达水平，达到2.5倍、1.8倍和1.6倍。这种基因表达的增强可能意味着这些化合物能够激活或稳定关键的代谢酶，从而提高其催化效率。同时，这些化合物在宿主细胞（如C2C12肌细胞）中也表现出显著的生理效应，包括促进肌肉细胞增殖、提高胰岛素敏感性以及抑制炎症反应。例如，**hypericin** 和 **khelmarin D** 可显著增强肌肉细胞的存活率（1.6–2.5倍），上调与肌肉生成相关的基因（如**myogenin**和**MYOD1**），并减少脂肪沉积（降至0.2 μmol/mg蛋白）。

此外，研究还发现这些化合物能够有效降低炎症标志物的表达，如**PTGS2**（0.53–0.72倍）、**NF-κB**（0.61–0.79倍）和**IL-2**（0.57–0.76倍）。同时，**hypericin**、**khelmarin D** 和 **piperitoside** 还能显著抑制**STAT3**和**NF-κB**的磷酸化水平，分别降低14–19%和43–44%。这些结果表明，这些天然化合物可能通过调节宿主的炎症信号通路，从而发挥抗炎作用。

从结构角度分析，这些化合物被分为两个主要的化学类别。第一类为复杂的多酚类化合物，具有多个羟基化结构和糖苷键，如**hypericin**和**khelmarin D**；第二类为较简单的芳香化合物，具有更广泛的官能团，如**piperitoside**和**luteolin 7-glucoside**。这种结构上的差异可能与它们在宿主和细菌中的作用机制有关，复杂的化合物可能更倾向于通过氢键和π-π堆叠作用影响酶活性，而简单的化合物则可能通过疏水相互作用增强代谢协同效应。

研究还探讨了这些化合物在不同食物类别中的分布情况。结果显示，这些化合物主要来源于**香料**（15种）、**柑橘类水果**（11种）、**谷物和豆类**（10种）、**茶和咖啡**（7种）、**浆果**（5种）和**坚果**（4种）。这一分布模式支持了多样化饮食的重要性，因为不同食物类别中可能含有互补的化学骨架，从而增强肠道菌群的功能。

尽管本研究取得了显著成果，但仍存在一些局限性。首先，研究使用了简化版的双菌共培养系统，未能完全模拟人体肠道内复杂的微生物群落环境，其中可能包含多种竞争性细菌和代谢物，这可能影响化合物的效力。其次，分子对接使用了同源建模方法，这可能导致结构预测不准确，进而影响结果的可靠性。此外，虽然计算预测显示这些化合物具有良好的吸收特性，但缺乏体内药代动力学验证，无法确定其是否能有效到达结肠并调节细菌代谢。最后，研究主要关注了但丁酸合成酶和下游炎症通路，忽略了其他可能的代谢物和宿主代谢途径的相互作用。

为了进一步推进这一领域的研究，未来的工作应集中在以下几个方面：首先，通过动物模型进行体内验证，以确认这些化合物在代谢和炎症疾病中的治疗效果；其次，采用非靶向代谢组学方法，全面评估这些化合物对肠道微生物代谢组的影响，包括可能的竞争性代谢物；第三，研究更复杂的微生物群落，如人类粪便培养物或体外肠道模拟系统，以评估化合物在更接近生理条件下的效果；第四，结合分子动力学模拟和实验结构数据，提高计算预测的准确性；第五，进行药代动力学研究，以确定这些化合物的口服生物利用度和最佳配方策略，从而推动其在功能性食品中的应用；最后，开展临床试验，以评估这些化合物在但丁酸缺乏人群中安全性和有效性。

综上所述，这项研究通过结合计算和实验方法，识别出能够通过激活关键代谢酶和增强细菌代谢协同作用的天然化合物，这些化合物不仅能够提高但丁酸的产量，还能通过影响宿主细胞的代谢和炎症信号通路，改善肌肉健康和代谢功能。这些发现为开发针对“肠道-肌肉轴”的营养干预策略提供了科学依据，也为未来研究肠道微生物群与宿主健康的相互作用奠定了基础。