解聚岩藻多糖（Dfuc）通过调控肠道菌群与代谢谱缓解高脂饮食诱导的肥胖

《Foods》：Depolymerized Fucoidan Alleviates High-Fat Diet-Induced Obesity in Association with Alterations in Gut Microbiota and Metabolic Profiles

　　

肥胖是全球主要健康问题，与多种代谢紊乱相关。岩藻多糖（fucoidan）是一种海藻来源的硫酸化多糖，已显示通过调节肠道菌群具有缓解肥胖的潜力。然而，天然岩藻多糖与解聚岩藻多糖（depolymerized fucoidan, Dfuc）对高脂饮食（high-fat diet, HFD）诱导肥胖和肠道菌群失调的比较效应仍不清楚。在本研究中，研究人员比较了岩藻多糖与Dfuc的抗肥胖效应，并评估了二者对HFD喂养小鼠肠道菌群和微生物代谢物的调节作用。结果显示，岩藻多糖和Dfuc降低了体重增加、脂肪积累和肝脏脂质异常。二者还减轻了肝脏和结肠组织中的肝损伤、氧化应激和炎症，其中与HFD组相比，Dfuc显著改善了血清天冬氨酸氨基转移酶（aspartate aminotransferase, AST）、肝脏丙二醛（malondialdehyde, MDA）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）活性和肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α, TNF-α）表达等参数。此外，肠道菌群分析显示，岩藻多糖和Dfuc处理均富集了Alloprevotella和Allobaculum，而岩藻多糖增加了Akkermansia和Blautia，Dfuc促进了Bifidobacterium和Romboutsia。代谢物分析显示，Dfuc显著增加了粪便乙酸和丙酸浓度，并诱导了与氨基酸、碳水化合物和胆汁酸代谢相关的粪便代谢物更明显变化。这些发现表明，Dfuc具有作为缓解HFD诱导肥胖和肠道菌群失调的功能性食品配料的潜力。

研究背景与问题。肥胖已成为全球公共卫生问题，与肠道菌群失调和代谢紊乱密切相关。长期HFD是肥胖的重要饮食驱动因素，可促进脂肪过度积累和脂质稳态受损。HFD重塑肠道微生物群落，常增加潜在有害且产脂多糖细菌，减少有益菌，尤其短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）产生菌。这些菌群变化可损害肠道屏障完整性，促进代谢性内毒素血症和慢性低度炎症，推动肥胖进展。微生物衍生代谢物如SCFAs、氨基酸和胆汁酸参与调节宿主能量代谢、脂质代谢、炎症反应和肠道屏障功能。因此，调节肠道菌群及其代谢物被认为是缓解HFD诱导肥胖及相关代谢紊乱的 promising 策略。海藻多糖作为膳食纤维，通常抵抗宿主消化酶降解，可到达肠道并与肠道菌群互作，从而影响微生物组成和代谢物产生。Undaria pinnatifida多糖可改善HFD喂养小鼠体成分、脂质异常和炎症反应；Sargassum fusiforme多糖可通过重塑肠道菌群、富集Akkermansia等有益菌和调节胆汁酸相关代谢改善HFD诱导肥胖和高脂血症。然而，多糖生物活性与其结构特征尤其分子量密切相关。Gracilaria lemaneiformis寡糖比天然多糖更强地减轻HFD诱导代谢紊乱；解聚海参硫酸多糖比天然形式更强抑制脂肪积累。相反，较高分子量魔芋葡甘聚糖和Pleurotus citrinopileatus多糖比低分子量组分表现出更明显抗肥胖或降脂作用。这些发现提示分子量与多糖生物活性并非简单线性关系。岩藻多糖是褐藻来源含岩藻糖的硫酸化多糖，已报道可调节肠道菌群。研究人员既往体外发酵研究表明，降低岩藻多糖分子量可促进其微生物利用，并增强对微生物组成和代谢物的调节作用。然而，天然岩藻多糖与Dfuc在体内调节HFD诱导肥胖、代谢紊乱和肠道菌群失调的差异仍不清楚。因此，研究人员在HFD诱导肥胖小鼠模型中比较岩藻多糖和Dfuc，评估体重、脂质谱、肝脏和结肠氧化应激及炎症反应，并分析肠道菌群组成、SCFAs和粪便代谢物，以提供Dfuc抗肥胖潜力的新见解，支持其未来作为功能性食品配料的应用。

主要关键技术方法。研究人员以Laminaria japonica岩藻多糖制备Dfuc，采用光催化降解后超滤，收集<5 kDa透析袋内组分并命名为Dfuc。采用薄层色谱观察寡糖谱，HPLC测定分子量分布，并分析化学组成和FT-IR。动物实验经大连工业大学动物伦理委员会批准（No. DLPU2023077），使用4周龄雄性C57BL/6小鼠（SPF），适应1周后按初始体重分层随机分为正常饲料（NC）、HFD（HF）、岩藻多糖和Dfuc组，每组8只，每组同笼饲养。NC组喂D12450B普通饲料，其余喂D12492高脂饲料；岩藻多糖和Dfuc组每日灌胃300 mg/kg体重，连续10周。实验记录摄食和体重，收集新鲜粪便，末次灌胃后禁食12 h采集血清、肝脏、附睾脂肪和结肠。方法包括低场核磁共振体成分分析、生化参数测定、H&E组织学、RT-qPCR、16S rRNA基因V3-V4区测序、GC测定SCFAs、靶向HPLC-MS/MS代谢组，以及混合效应模型、ANOVA、Spearman相关和FDR校正等统计。

研究结果。3.1 化学表征（Chemical Characterizations）。通过光催化降解和超滤制备Dfuc，薄层色谱显示Dfuc含寡糖，而岩藻多糖不同；平均分子量分别为90.1 kDa和3.5 kDa。二者化学特征相似，均约70%中性糖、低于3%蛋白，硫酸基含量未显著降低，Dfuc糖醛酸略低；单糖均以岩藻糖为主，并含甘露糖、半乳糖、葡萄糖、鼠李糖、木糖、阿拉伯糖和葡萄糖醛酸，比例略有差异；FT-IR谱相似。结论为二者化学组成和结构特征相当。

3.2 岩藻多糖和Dfuc缓解HFD诱导肥胖和脂肪积累。在HFD诱导肥胖模型中，与NC组相比，HF组体重和体重增加显著升高；补充岩藻多糖或Dfuc显著减弱这些变化。Fucoidan和Dfuc组每日能量摄入看似低于HF组，但摄食仅在笼水平测量且每组仅一笼，未进行推断统计；其确切相对贡献无法与直接生物学效应完全分离。二者显著降低肝脏重量、附睾脂肪重量及附睾脂肪相对指数，低场NMR显示脂肪相关信号弱于HF组。结论为二者可改善HFD诱导肥胖和脂肪积累。

3.3 岩藻多糖和Dfuc改善HFD诱导肝脏脂质代谢异常。HFD导致血清和肝脏TC、TG、LDL-C升高，提示明显脂质代谢异常。补充岩藻多糖和Dfuc显著降低肝脏TC、TG和LDL-C，升高肝脏HDL-C，而血清脂质参数无显著变化。结论为在本实验条件下，岩藻多糖和Dfuc的脂质调节作用在肝脏更明显，二者间无显著差异。

3.4 岩藻多糖和Dfuc减轻HFD诱导肝脏和结肠氧化应激及慢性炎症。H&E显示HF组肝脂滴积累和结肠黏膜损伤，补充岩藻多糖或Dfuc有效减轻这些病理改变；盲法半定量评分显示肝脂肪变性和结肠组织损伤评分显著降低。Dfuc显著降低血清ALT和AST，岩藻多糖呈下降趋势但无统计显著性。肝脏中二者显著增加SOD活性，Dfuc显著降低MDA；结肠中Dfuc显著降低MDA，SOD活性呈升高趋势但未达统计显著。炎症方面，肝脏中二者显著降低IL-1β表达，Dfuc显著抑制TNF-α表达；结肠中二者显著降低TNF-α表达，Dfuc也显著降低IL-1β表达。结论为二者不同程度减轻HFD诱导肝和结肠氧化应激与炎症，Dfuc在AST、MDA、TNF-α等选定指标上较HF组显著改善。

3.5 岩藻多糖和Dfuc调节HFD诱导肠道菌群失调。16S rRNA基因测序显示，平均有效reads为72283±2310，测序有效比超过80%。α多样性ACE、Chao1、Shannon和Simpson指数仅受轻微影响，但Venn图、PCoA（PERMANOVA R²=0.428，p=0.001）和UPGMA聚类显示组间差异和不同聚类模式。门水平上，HF组Firmicutes和Desulfobacterota相对丰度增加，Bacteroidetes和Actinobacteriota降低；岩藻多糖使Desulfobacterota和Actinobacteriota恢复至接近NC水平，未显著影响Firmicutes或Bacteroidetes；Dfuc增加Firmicutes和Actinobacteriota，降低Desulfobacterota，Bacteroidetes不变。LEfSe分析显示，与NC组比，HF组Ligilactobacillus、Alloprevotella、Lactobacillus和Prevotellaceae UCG-001减少，unclassified Lachnospiraceae、unclassified Desulfovibrionaceae、Enterococcus和Faecalibaculum富集；岩藻多糖增加Alloprevotella、Allobaculum、Akkermansia和Blautia；Dfuc富集Allobaculum、Alloprevotella、Romboutsia、Flavobacterium、Bifidobacterium和Fusobacterium。讨论指出Alloprevotella可发酵复杂多糖产SCFAs，Allobaculum产SCFAs等有益代谢物，Akkermansia维持肠屏障，Blautia产SCFA，Romboutsia与碳水化合物代谢和SCFAs产生相关，Bifidobacterium为常用益生菌属，Dfuc富含寡糖结构可能促进其生长。结论为二者通过不同菌属不同程度缓解HFD诱导菌群失调。

3.6 岩藻多糖和Dfuc调节HFD诱导微生物代谢。GC显示HF组粪便乙酸、丙酸、丁酸和总SCFAs显著降低；Dfuc显著提高总SCFAs、乙酸和丙酸浓度，岩藻多糖呈上升趋势但无统计显著性；二者对丁酸均无显著影响。靶向HPLC-MS/MS代谢组显示，PLS-DA分析中NC组与HF、Fucoidan和Dfuc组分离，HF与Dfuc明显分离，Fucoidan位于HF和Dfuc之间。OPLS-DA显示HF与NC、Fucoidan、Dfuc代谢谱不同。以VIP>1和FDR校正p<0.05为标准，共鉴定196种差异代谢物，NC、Fucoidan、Dfuc组分别116、18和62种。按FC≥1.5或≤0.67筛选，Fucoidan组7种增加、9种减少，Dfuc组23种增加、30种减少，主要涉及有机酸及衍生物、有机氧合物、有机杂环化合物、脂质和类脂分子、核苷/核苷酸及类似物。Dfuc降低缬氨酸、脯氨酸和乳酸，增加甘氨酸；二者降低乙酰乙酸。碳水化合物代谢方面，二者增加mannose 6-phosphate，不同程度降低fructose 6-phosphate和N-acetyl-D-glucosamine，Dfuc还调节acetyl-CoA、glucose 6-phosphate和D-sedoheptulose 7-phosphate。胆汁酸代谢方面，二者降低taurodeoxycholic acid和glycoursodeoxycholic acid，增加lithocholic acid；岩藻多糖增加deoxycholic acid，Dfuc增加lithocholic acid glycine conjugate并降低tauroursodeoxycholic acid和tauro-β-muricholic acid。二者还降低uridine，增加L-carnitine和betaine aldehyde。结论为二者通过调节氨基酸、碳水化合物和胆汁酸相关代谢物改善肠道代谢环境，Dfuc影响更广泛。

3.7 肠道菌群、代谢物与肥胖相关参数的相关性。Spearman相关分析显示，Alloprevotella与体重增加、附睾脂肪重量、血清ALT、肝脏TG及taurodeoxycholic acid、proline、fructose 6-phosphate等负相关，与肝脏SOD和acetyl-CoA正相关。Allobaculum与肝脏IL-1β和N-acetyl-D-glucosamine负相关，与mannose 6-phosphate、deoxycholic acid和lithocholic acid正相关。Bifidobacterium仅与粪便丙酸浓度正相关；Akkermansia未达FDR显著性，但在未校正水平与N-acetyl-D-glucosamine呈负相关趋势、与deoxycholic acid呈正相关趋势。相关分析描述统计共变而非确定因果。结论为岩藻多糖和Dfuc对HFD诱导代谢紊乱的有益作用与肠道菌群组成和粪便代谢谱的协调变化密切相关。

讨论与结论总结。研究人员认为，Dfuc分子量降低可能促进肠道微生物利用，这与既往体外发酵结果一致。低分子量多糖更易被肠道菌群利用，促进SCFAs积累；Xu et al.报道Gracilaria lemaneiformis寡糖更有效增加HFD小鼠SCFA产生并改善肠道微环境。本研究中Dfuc显著恢复粪便乙酸和丙酸，且对代谢物影响比岩藻多糖更广，提示分子量降低可能与更广泛的菌群相关代谢谱改变有关。相关性分析提示菌群变化与宿主炎症状态和代谢物谱共变，但非因果，需通过单定植或体外发酵模型进一步验证。研究局限包括能量摄入仅在笼水平测量，无法与直接生物学效应完全分离；无HFD配对喂养对照。总体意义在于，Dfuc具有作为功能性食品配料缓解HFD诱导肥胖和肠道菌群失调的潜力。研究结论翻译：结果表明，岩藻多糖和Dfuc均缓解HFD诱导的小鼠肥胖和脂肪积累，伴随肝脏和结肠氧化状态及炎症反应改善。特别是，与HF组相比，Dfuc在选定的氧化应激和炎症标志物上表现出显著有益作用。此外，岩藻多糖和Dfuc差异性改变肠道菌群组成、粪便SCFA浓度和代谢谱。值得注意的是，Dfuc显著提高粪便乙酸和丙酸浓度，并诱导与氨基酸、碳水化合物和胆汁酸代谢相关的更广泛代谢物变化。这些发现表明，Dfuc具有发挥抗肥胖和肠道菌群相关代谢调节效应的良好潜力。