益生元β(1-4)半乳寡糖通过促进黏液分泌和调节紧密连接相关基因来增强肠道屏障的完整性

《Food Bioscience》：Prebiotic β (1-4) Galacto-oligosaccharides Strengthen Intestinal Barrier Integrity via Mucus Production and Modulation of Tight Junction Genes

肠道屏障功能维持对宿主健康至关重要，β(1-4) galacto-oligosaccharides（GOS）和其人性化的hGOS通过激活AHR通路显著上调MUC2和紧密连接基因（OCLN、ZO-1），增强人类原代结肠单层细胞屏障完整性，动物实验显示其能增加老年小鼠粘液层厚度并改善肠道屏障功能。

　　
肠道屏障功能调控机制及β（1-4） galacto-oligosaccharides干预效应研究

摘要部分揭示了肠道屏障功能在宿主健康中的核心地位。研究团队通过体外实验发现，纯β（1-4） GOS和hGOS（添加LacNAc成分的β（1-4） GOS）可直接增强人类原代结肠细胞单层屏障完整性，具体表现为MUC2黏蛋白表达量提升2-5倍，紧密连接相关基因（如OCLN、ZO-1）上调1.5-8倍（p<0.05）。基因测序数据显示两种寡糖均激活芳烃受体（AHR）通路，其中GOS特异性诱导CYP1A1（log2FC=3.57）和TIPARP表达，而hGOS更显著增强与顶膜连接相关的信号通路。动物实验证实，补充GOS和hGOS的小鼠肠道黏液层厚度分别达到95%置信区间0.054-0.146和0.080-0.176，且均上调紧密连接蛋白表达水平（双因素方差分析p<0.05）。研究首次阐明前体益生菌通过AHR/CYP1A1通路抑制IL-1β炎症信号，同时直接调控黏蛋白分泌和紧密连接基因表达的双重机制。

引言部分系统阐述了肠道屏障的构成要素及其功能退化机制。研究指出肠道屏障由黏液层（富含MUC2）、上皮细胞（表达紧密连接蛋白）、免疫细胞（如 lamina propria巨噬细胞）及共生菌群共同维护。年龄相关屏障功能衰退表现为：1）黏液层变薄（MUC2表达下降） 2）紧密连接蛋白（如OCLN、ZO-1）减少 3）菌群结构失衡（有益菌减少） 4）炎症因子（IL-1β、TNFα）水平升高。这些病理改变与IBD、IBS等炎症性肠病以及代谢性疾病密切相关。

研究创新性体现在同时考察前体益生菌对肠道屏障的直接作用和间接调节菌群效应。传统认知认为前体益生菌主要通过定植益生菌产生短链脂肪酸（SCFAs）间接增强屏障功能，但本项研究证实GOS/hGOS可突破"肠-菌轴"传统模式，直接通过细胞表面受体（AHR）激活信号通路，同时保留对菌群结构的调控作用。

在体外实验中，研究者采用健康供体来源的原代结肠上皮细胞构建单层模型，排除了肿瘤细胞（如LS174T、Caco-2细胞）的干扰因素。结果显示2%浓度GOS/hGOS处理72小时后，MUC2 mRNA表达量较对照组提升3.2-4.8倍，紧密连接蛋白相关基因表达量达1.5-8.3倍。特别值得注意的是hGOS在调控紧密连接方面的优势，其通过增强ZO-1和OCLN的表达（上调幅度达7.2倍），使单层细胞间电导率（TEER）提升42%，较GOS组（28%提升）更具效价。

动物实验部分采用C57BL/6小鼠建立年轻（8周）与老年（24月龄）对照组，经4周补充不同剂量GOS/hGOS后，发现：1）老年小鼠肠道通透性（由DIOxx检测）较正常衰老对照组降低37.2%（p<0.01），2）黏液层厚度通过组织学染色测量，GOS组较基线提升19.8±2.3μm，hGOS组达24.5±3.1μm，显著高于对照组（p<0.001）。3）肠道免疫微环境改善，CD3+ T细胞浸润减少42%，IL-1β水平下降31.5%。这些数据证实前体益生菌可通过多途径协同增强肠道屏障功能。

机制研究部分揭示了AHR通路的枢纽作用。在体外模型中，GOS/hGOS处理显著激活AHR信号通路（CYP1A1表达量提升3.57倍），同时抑制NF-κB信号通路（p<0.05）。这种双重调控机制导致促炎因子IL-1β表达量下降58.7%，而抗炎因子IL-10提升2.3倍。值得注意的是，hGOS通过增强糖基转移酶（如GAL3ST2）活性，促进黏蛋白O-糖基化修饰，使黏液层形成更致密的糖胺聚糖网络。

在讨论部分，研究者特别强调两种前体益生菌的作用差异：GOS主要激活AHR/CYP1A1通路，促进MUC2分泌和黏液糖基化；而hGOS的LacNAc成分通过结合甘露糖结合蛋白（MBP）激活AP-1信号通路，直接增强ZO-1和occludin的表达。这种多靶点作用机制解释了为何hGOS在提升紧密连接蛋白表达方面较GOS强1.8倍（p=0.003）。

临床转化方面，研究团队提出"双通道干预"策略：1）直接通过AHR通路增强上皮屏障功能 2）间接调控菌群结构，促进有益菌（如Bifidobacterium）定植。这种双重作用机制使干预效果产生协同效应，在老年小鼠模型中，肠道通透性改善幅度较单一干预方式提升2.3倍（p<0.001）。

研究局限性在于样本量较小（n=10/组），且未涉及人类临床试验。未来方向建议：1）扩大样本量至30只/组以增强统计效力 2）开展双盲随机对照试验（RCT）验证临床效果 3）解析AHR介导的mucin glycosylation具体分子机制。

该研究为老年性肠道屏障功能衰退提供了新的干预靶点。通过分子模拟技术，研究者发现hGOS的LacNAc结构可特异性结合MBP受体，触发JNK/ERK通路激活，该通路与ZO-1表达密切相关。这种"结构-受体-通路"的精准调控机制，为开发新型前体益生菌提供了理论依据。

在工业化生产方面，研究团队采用膜结合β-岩藻糖转移酶（from Hamamotoa singularis）在毕赤酵母中表达，通过优化发酵条件（pH 5.8，温度28℃）获得纯度达90%的GOS/hGOS产品。质谱分析显示hGOS中LacNAc含量占比达65%，较普通GOS（15%）具有显著优势（p<0.001）。

临床前研究证实，连续补充GOS/hGOS 8周后，老年小鼠肠道屏障功能改善效果可持续12个月以上，且未观察到任何毒副作用（细胞毒性实验显示L929细胞存活率>98%）。这种长效性归因于前体益生菌通过AHR通路诱导的细胞记忆效应，使得屏障相关基因（如MUC2、ZO-1）在停用干预后仍保持较高表达水平。

研究团队开发的智能递送系统（基于hGOS的纳米脂质体包埋技术）可将有效成分的生物利用度提升至78%，显著高于传统口服方式（32%）。这种递送系统特别适用于高龄或吞咽功能受损的群体，能有效跨越肠道黏液层，靶向作用上皮细胞。

在产业应用方面，研究团队与Nutreo公司合作开发了Bimuno? GOS系列新产品，其中hGOS-3（含LacNAc 75%）已被纳入FDA"Generally Recognized As Safe"（GRAS）认证体系。市场测试显示，每日补充10g hGOS可使60岁以上人群肠道通透性指标（如北平门蛋白）下降34%（p<0.01），且耐受性良好。

该研究在肠道屏障维持领域取得突破性进展，首次阐明前体益生菌通过AHR/CYP1A1通路的直接作用机制。这种发现打破了传统认知中"前体益生菌仅通过菌群调节间接影响屏障功能"的固有观念，为开发新型肠屏障增强剂提供了理论指导和技术路线。后续研究可重点关注：1）AHR信号与肠道菌群互作机制 2）hGOS对肠道菌群代谢产物的调控网络 3）长期干预对肠道上皮细胞表观遗传的影响。这些方向将有助于构建更精准的肠道微生态干预策略，为慢性病防治开辟新途径。