两种海藻多糖及其寡糖对高脂饮食小鼠脂质代谢与肠道菌群的调节作用及机制研究

本研究系统探讨了海藻酸钠与琼脂多糖及其寡糖对高脂饮食诱导的代谢紊乱模型的干预效果。结果表明，两类多糖及其寡糖可显著降低体重、改善血脂指标（TC、TG、LDL-C、HDL-C）、减轻肝脏脂肪变性及肠道绒毛结构损伤，并调控肠道菌群结构，增加乳酸杆菌（Lactobacillus）和阿克曼菌（Akkermansia）丰度，为海洋功能性食品开发及脂代谢疾病防治提供新方向。

　　

ABSTRACT

脂质代谢异常与多种代谢性疾病密切相关，近年来研究发现其发病机制与肠道菌群存在显著关联。海藻多糖如海藻酸钠及其寡糖能够降低血脂、改善脂质代谢并减少体重。但由于多糖分子量较大，难以被人体吸收，限制了其在医药和食品领域的应用。本研究通过高脂饮食诱导小鼠模型，探究两类海藻多糖（海藻酸钠与琼脂）及其寡糖对体重、脂代谢、炎症因子、肠道健康及菌群结构的影响。结果显示，高脂饮食导致小鼠体重和血清脂质水平显著上升，肝细胞出现脂滴积累，小肠微绒毛结构破坏并伴随上皮细胞堆积。补充两类多糖及其寡糖后，体重增长趋势减缓，肝脏和肠道病理损伤得到明显缓解。肠道菌群分析表明，两类多糖及寡糖可在门和属水平改善菌群组成，提高乳酸杆菌（Lactobacillus）和阿克曼菌（Akkermansia）丰度，降低机会致病菌的比例。本研究为脂代谢疾病的防治提供了新思路，并为海洋功能性食品的开发奠定科学基础。

INTRODUCTION

脂质代谢作为复杂的生物学过程，涉及营养调节、激素调控与内稳态平衡。不健康的生活方式和长期营养过剩均可导致脂代谢紊乱，进而引发高脂血症（hyperlipidemia）、高血糖、肥胖、非酒精性脂肪肝病（NAFLD）、2型糖尿病（T2DM）甚至癌症。高脂血症以高密度脂蛋白（HDL）降低、低密度脂蛋白（LDL）、甘油三酯（TG）和总胆固醇（TC）升高为主要特征。TC与TG过高会沉积于血管壁，增加动脉粥样硬化风险。高LDL和低HDL水平与T2DM密切相关。

海藻酸钠是从褐藻中提取的天然阴离子聚合物，属于线性非重复共聚物家族，由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸通过β-1,4-糖苷键连接而成。琼脂是从红藻细胞壁中提取的多糖，由琼脂糖和硫琼脂糖组成，其线性分子由重复的α-D-半乳糖和3,6-醚-β-L-半乳糖交替连接构成，部分含有硫酸基团。海藻酸钠寡糖通过物理、化学或生物降解获得，而琼脂寡糖则通过本实验室从海藻中筛选的琼脂降解菌株酶解制备。

已有研究表明，海藻酸钠寡糖具备抗肿瘤、抗氧化、抗炎、抗菌、免疫调节、降血压、降血脂、神经保护、抑制肥胖和降血糖等多种生物活性。琼脂则可降低高胆固醇饮食引起的肝胆固醇升高，其机制可能通过阻断胆固醇吸收和吸附胆汁酸以减少肝肠循环量，促使肝脏利用胆固醇合成胆汁酸，从而降低肝内胆固醇含量。

肠道菌群与哺乳动物宿主之间存在显著的互作关系，菌群能够抵抗摄入的病原体、中和致癌物，并将无法被直接利用的脂质与多糖代谢为具有生物活性的代谢产物（如短链脂肪酸SCFAs、次级胆汁酸等）。肠道微环境处于动态平衡状态，由菌群及其代谢物与肠黏膜免疫共同维持，一旦失衡可能导致多种疾病。主要的肠道菌群包括拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria），以及变形菌门（Proteobacteria）、梭菌纲（Clostridium）和疣微菌门（Verrucomicrobia）等。厚壁菌门丰度增加会促进内毒素和炎症因子产生，破坏肠道屏障，而拟杆菌门则与之负相关，具备肠屏障保护作用。

近年来，越来越多的研究提示这些代谢性疾病的发生与肠道菌群密切相关。由于海藻多糖分子量大、难以吸收，其应用受到限制，因此常将其降解为分子量较小的寡糖。然而，多糖与寡糖在改善脂代谢方面是否具有相同作用及其机制是否一致，尚未有系统报道。本研究旨在系统探讨海藻酸钠、琼脂及其寡糖对高脂饮食小鼠体重、脂代谢、炎症因子分泌、肠道健康及菌群结构的影响。

MATERIALS AND METHODS

样本制备

海藻酸钠溶于0.3%盐酸，配置成质量分数1.5%的混合液，90℃降解24小时，离心取上清，中和后透析脱盐，喷雾干燥得海藻酸钠寡糖粉末。琼脂寡糖通过实验室保存的琼脂降解菌株发酵、酶解、乙醇沉淀、透析和冻干获得。

动物模型与样本采集

C57BL/6小鼠（60只，雌雄各半，体重20–25 g，周龄8–10周）随机分为6组：普通饮食组（CON）、高脂模型组（HFD）、海藻酸钠组（SA）、海藻酸钠寡糖组（SAO）、琼脂组（Agar）、琼脂寡糖组（AOs）。每组12只，分别灌胃相应样品（100 mg/kg），实验周期7周。实验结束后采集血液、肝脏、肠道组织及粪便样本，进行后续分析。

血清生化指标检测

使用试剂盒测定血清中TC、TG、HDL-C、LDL-C水平，并通过ELISA法检测肿瘤坏死因子（TNF-α）、白介素-1β（IL-1β）和白介素-6（IL-6）。

病理学检查

肝与肠组织石蜡包埋切片，经苏木精-伊红（H&E）染色后显微镜下观察形态结构。

肠道菌群16S rRNA测序

提取粪便基因组DNA，扩增V4可变区（引物515F/806R），Illumina平台进行测序。对原始数据进行质控、去噪、OTU聚类（ASV去噪）和物种注释，进而进行Alpha多样性、Beta多样性、群落结构及表型功能预测分析。

统计分析

数据以Mean ± SEM表示，采用SPSS 23.0进行单因素方差分析，P < 0.05认为具有统计学意义。

RESULTS

两类海藻多糖及其寡糖对高脂饮食小鼠体重的影响

高脂饮食组（HFD）体重增长最快，而补充两类多糖及寡糖后体重增长趋势显著减缓。7周后，HFD组体重最高，CON组最低，各干预组介于两者之间（图2A、B）。

对血脂水平的影响

高脂饮食导致血清TC、TG、LDL-C显著上升，HDL-C下降。两类多糖及寡糖干预后血脂指标均明显改善，其中寡糖效果优于多糖，海藻酸钠组效果优于琼脂组（图2C–F）。

对血液炎症因子水平的影响

HFD组TNF-α、IL-6、IL-1β水平显著升高，而各干预组这些炎症因子均明显降低，寡糖的抗炎效果优于多糖（图2G–I）。

对肝脏和肠道形态的影响

HFD组肝细胞内出现大量脂滴积累，肠道绒毛结构破坏、上皮细胞堆积。补充多糖及寡糖后，肝脂肪变性和肠道结构损伤显著减轻，其中琼脂寡糖组（AOs）和海藻酸钠组（SA）效果尤为明显（图2J、K）。

肠道菌群测序质量与OTU聚类分析

测序共获得1,456,191条高质量序列，平均每样本48,539.7条。OTU聚类分析显示，6组共有340个OTU，实验组与CON组之间存在39个差异OTU，不同多糖/寡糖处理组间存在7个差异OTU（图3A）。

菌群群落结构分析

在门水平，CON组以拟杆菌门（Bacteroidetes，64.40%）和厚壁菌门（Firmicutes，28.02%）为主；HFD组拟杆菌门比例下降（45.43%），厚壁菌门（37.24%）和变形菌门（Proteobacteria，7.31%）升高。各干预组拟杆菌门比例进一步下降，厚壁菌门和变形菌门比例上升，SA组放线菌门（Actinobacteria）比例超过变形菌门（图3B）。

纲、目、科、属水平的分析显示，CON组中拟杆菌纲（Bacteroidia）、拟杆菌目（Bacteroidales）、紫单胞菌科（Porphyromonadaceae）和紫单胞菌科未分类属（unclassified_Porphyromonadaceae）丰度最高。HFD组这些菌群丰度下降，而Erysipelotrichaceae、Lactobacillaceae等丰度上升。干预后，乳酸杆菌科（Lactobacillaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）等有益菌丰度有所恢复（图3C–G）。

Alpha与Beta多样性分析

Alpha多样性指数（Shannon、Chao、Ace、Simpson、Shannoneven）显示各组间物种丰富度和多样性无显著差异（图4A–E）。Beta多样性PCoA分析表明，CON组样本聚集紧密，HFD与各干预组样本分布较为相似（图4F、G）。组间相似性分析（ANOSIM）显示CON与HFD组间差异显著（R = 0.428, P = 0.02），各干预组与HFD组差异较小（图4H、I）。

群落表型分类分析

BugBase预测显示，各组在需氧性、厌氧性、革兰氏阳性/阴性、生物膜形成、致病性等表型上无显著差异，但SAO组兼性厌氧菌比例与CON、SA、Agar组有差异（图5A、B）。FAPROTAX功能预测提示菌群主要参与硫、碳、氮循环等环境代谢功能（图5C）。

DISCUSSION

脂质代谢异常广泛参与多种代谢性疾病，如高脂血症、肥胖、NAFLD、T2DM和癌症。肠道菌群在这些疾病的发生发展中扮演关键角色，其结构失衡会影响SCFAs、胆汁酸、胆碱和氨基酸等代谢物的生成，进而调控宿主糖脂代谢。本研究显示，高脂饮食导致小鼠体重、血脂、炎症因子显著升高，肝脏脂肪积累和肠道结构损伤加剧，肠道中有益菌（如乳酸杆菌、阿克曼菌）丰度下降，有害菌（如螺杆菌）增加。

补充海藻酸钠与琼脂多糖及其寡糖后，体重增长减缓，血脂和炎症因子水平下降，肝脏脂肪变性和肠道绒毛结构得到修复。肠道菌群分析表明，干预能够提高拟杆菌门比例，降低厚壁菌门比例，并增加乳酸杆菌、阿克曼菌和Allobaculum等有益菌的丰度，减少螺杆菌等有害菌的比例。其中，寡糖的效果普遍优于多糖，海藻酸钠衍生物效果优于琼脂衍生物。

本研究表明，海藻多糖及其寡糖可通过调节肠道菌群结构，改善脂质代谢和炎症状态，为海洋功能性食品开发和脂代谢疾病防治提供了新的实验依据和方向。

ACKNOWLEDGMENTS

本研究得到国家自然科学基金（81671243）、生物技术与生物资源利用教育部重点实验室（大连民族大学）开放基金（KF2018006）及大连大学交叉学科项目（DLUXK-2023-QN-008）的资助。