膳食钴通过促进结肠维生素B12及其类似物合成抑制高直链玉米淀粉诱导的大鼠琥珀酸积累

《British Journal of Nutrition》：Dietary cobalt suppresses starch-induced succinate accumulation via colonic synthesis of vitamin B12 and its analogues in rats

本研究针对高直链玉米淀粉(HAMS)喂养导致大鼠结肠琥珀酸异常积累的问题，通过系列实验发现：直接补充维生素B12(VB12)需使盲肠VB12浓度≥74 pmol/g才能有效抑制琥珀酸积累；而膳食钴(Co)可通过促进微生物合成VB12类似物（如2-甲基腺苷钴胺素），以剂量依赖方式提升盲肠VB12当量浓度（27→915 pmol/g），恢复Akkermansia菌丰度，重塑肠道菌群结构。该研究揭示了钴调控微生物VB12代谢的新机制，为通过膳食矿物质干预优化结肠发酵提供了新策略。

　　

当我们谈论膳食纤维的健康益处时，很少有人会想到它可能带来意想不到的代谢副作用。高直链玉米淀粉(HAMS)作为一种常见的抗性淀粉，通常被认为能够促进肠道健康，但在某些特定肠道微生物组成的大鼠中，它却会导致盲肠内琥珀酸的大量积累。这种积累并非小事——琥珀酸作为一种代谢中间体，在肠道炎症状态下可能扮演促炎介质的角色。

那么，为什么同样的膳食纤维在不同个体中会产生截然不同的发酵模式？问题的关键可能在于一种微量的维生素——维生素B₁₂(VB₁₂)。琥珀酸主要通过VB₁₂依赖的琥珀酸途径被转化为丙酸盐，而当结肠内VB₁₂供应不足时，这一代谢通路就会受阻，导致琥珀酸堆积。虽然我们从饮食中摄入VB₁₂，但大部分在到达结肠前就被上消化道吸收，留给肠道微生物的所剩无几。

更复杂的是，标准实验动物饲料中的VB₁₂含量（如AIN-93G配方中的25μg/kg）仅能满足宿主基本需求，而未充分考虑结肠微生物的高代谢需求。这就引出了一个科学问题：能否通过干预手段提升结肠内的VB₁₂水平，从而优化发酵平衡？直接补充VB₁₂虽然有效，但成本较高且不够实际。而钴(Co)作为VB₁₂分子的核心组成部分，或许能通过促进微生物自身合成VB₁₂及其类似物，提供一条更可持续的解决方案。

这项发表在《British Journal of Nutrition》上的研究，正是围绕这一思路展开的系统性探索。研究人员通过三个精巧设计的实验，逐步揭示了钴在调节结肠发酵平衡中的独特作用。

研究团队主要运用了几项关键技术：通过液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)精确测定盲肠内容物中的钴胺素浓度；采用微生物学法评估VB₁₂当量浓度；利用高通量16S rRNA基因测序分析肠道菌群组成变化；并通过高效液相色谱(HPLC)定量短链脂肪酸谱。实验对象为来自日本SLC公司的雄性Sprague-Dawley大鼠，所有动物实验均遵循静冈大学动物伦理委员会批准的操作规范。

实验1：确定抑制琥珀酸积累所需的VB₁₂阈值

研究人员首先给HAMS喂养的大鼠补充不同剂量的VB₁₂（25-200μg/kg）。结果发现，盲肠琥珀酸浓度与VB₁₂浓度呈负相关，遵循幂律关系。当VB₁₂浓度达到74 pmol/g时，琥珀酸水平可恢复至非HAMS喂养组的基准值（40μmol/g）。这一阈值相当于膳食VB₁₂摄入量需达到标准AIN-93G饲料的4倍（100μg/kg），凸显了结肠微生物对VB₁₂的高需求。

实验2：钴促进微生物合成VB₁₂类似物

在VB₁₂缺乏条件下，研究人员给HAMS喂养的大鼠补充不同剂量钴（4-200μg/kg）。令人惊讶的是，尽管钴补充未显著改变盲肠钴胺素浓度（4-14 pmol/g），但通过微生物学法测得的VB₁₂当量浓度却呈剂量依赖性增加（27→915 pmol/g）。LC-MS/MS半定量分析显示，钴促进了多种VB₁₂类似物的合成，特别是2-甲基腺苷钴胺素。这种"钴效应"同样能够抑制琥珀酸积累，且与VB₁₂直接补充的效果相当。

实验3：钴重塑肠道菌群结构

通过补充高剂量钴（200μg/kg），研究人员进一步探讨了钴对肠道微生物组成的影响。发现钴 supplementation 显著恢复了HAMS引起的Akkermans菌丰度下降（从<1%恢复至>10%），同时调节了Bacteroides的相对丰度。这些变化与琥珀酸代谢的改善密切相关，因为Akkermansia muciniphila和Bacteroides thetaiotaomicron都是已知利用VB₁₂依赖的琥珀酸途径产生丙酸盐的关键菌种。

研究的讨论部分深入剖析了这些发现的潜在机制。钴促进的VB₁₂类似物合成可能通过两种途径优化结肠发酵：一是直接为琥珀酸途径提供必需的辅酶，促进琥珀酸向丙酸盐的转化；二是通过改变菌群内对不同钴胺素的竞争利用，重塑微生物群落结构。特别值得注意的是，钴 supplementation 主要提升了VB₁₂类似物而非真正的钴胺素，这与人类粪便中VB₁₂类似物占比超过98%的报道一致。

然而，钴 supplementation 与直接VB₁₂补充在短链脂肪酸谱上存在差异：VB₁₂补充显著增加了丁酸盐浓度，而钴 supplementation 主要影响丙酸盐和乙酸盐。这种差异可能反映了不同钴胺素分子对特定细菌群体的选择性支持，因为不同细菌拥有不同的VB₁₂转运体，对各类类似物的亲和力也不同。

该研究的结论强调，维持结肠内足够的VB₁₂水平（≥74 pmol/g）是预防HAMS诱导琥珀酸积累的关键。而通过膳食钴促进微生物自身合成VB₁₂类似物，提供了一种更为生理性和可持续的干预策略。这一发现不仅深化了我们对矿物质-维生素-微生物互作的理解，也为通过膳食干预优化肠道健康提供了新思路。特别是在当前追求精准营养的背景下，考虑肠道微生物的营养需求可能成为未来膳食推荐的重要维度。

当然，研究也存在一些局限。20%HAMS的饲喂水平远超人类常规摄入量，且大鼠与人类在肠道生理和微生物组成上存在差异。此外，VB₁₂类似物的具体功能活性、在人类结肠中的代谢命运等仍有待进一步探索。但无论如何，这项研究为我们理解结肠发酵的精细调控打开了新窗口，揭示了钴在肠道微生物代谢中意想不到的重要作用。