含 co-biotic 的配方在离体胃肠道模型中调节微生物组功能与组成且不增加气体产生

《Applied and Environmental Microbiology》：Formulations containing co-biotic compounds mediate microbiome function and composition without increased gas production in an ex vivo gastrointestinal model

　　

摘要：含有 co-biotic 或可调节宿主与微生物组生物过程以赋予健康益处的化合物的膳食补充剂配方，是一种精细调节宿主生理和肠道微生物组功能的新兴策略。在此，研究人员评估了三种含有 co-biotic 化合物的新型配方（DM-02，一种复合维生素；AM-02，为能量和专注力设计；PM-02，为促进睡眠设计）对人肠道微生物组组成和功能的影响。三种配方和未处理对照（Unt-Ctrl）经过上消化道消化，随后消化物在经验证的离体系统肠道发酵研究（SIFR）技术中暴露于 24 小时模拟结肠发酵（n = 6 名健康成人）。结局包括 pH、短链脂肪酸（SCFA）和气体产生、超深度宏基因组分析，以及结肠后上清液的非靶向代谢组学，均与 Unt-Ctrl 比较。所有三种配方均显著降低 pH（3%–4%），并增加总 SCFA（9%–11%）和乙酸盐（9%–12%），其中 AM-02 和 PM-02 还使丁酸盐增加 20%，丙酸盐增加 7%–8%，且未增加气体产生。每种配方均显著富集特定的 SCFA 和 B 族维生素产生类群。AM-02 显著增加两个丙酮酸发酵为乙酸/乳酸途径的丰度。PM-02 显著增加两个色氨酸生物合成途径的丰度，并伴随可用色氨酸和产色氨酸微生物丰度增加。所有三种配方均增加微生物组来源代谢物的可利用性，表明这些处理对微生物组功能具有调节作用。这些发现支持将这些新型配方作为增强微生物组组成和功能的策略进行临床评价。

重要性：肠道微生物组产生代谢物，包括短链脂肪酸、B 族维生素和色氨酸衍生物，它们是宿主生理的关键调节因子，涉及从能量代谢和肠道屏障完整性到睡眠和免疫功能。益生菌引入活微生物，益生元选择性喂养现有微生物，而 co-biotic 代表一类独特化合物，可同时调节宿主细胞生物学和微生物组活性。尽管对 co-biotic 补充的兴趣日益增长，但含有 co-biotic 的完整配方对肠道微生物组组成和功能输出的影响尚未被评估。使用经验证的离体胃肠道模型，接种来自六名健康成人的粪便微生物群，研究人员证明三种含有 co-biotic 化合物的补充剂配方一致增加健康相关代谢物的产生，选择性富集有益微生物类群，并调节功能性代谢途径，且不增加气体产生。这些发现为 co-biotic 配方作为靶向、可耐受干预措施的临床研究奠定了基础，以在不同人群中优化肠道微生物组功能。

研究背景：肠道微生物组通过产生微生物来源代谢物和维生素支持人类健康。短链脂肪酸（short-chain fatty acid, SCFA）中的乙酸盐和丁酸盐是微生物发酵不可消化纤维的副产物，可降低结肠 pH，支持电解质和矿物质吸收，促进有益细菌生长，为结肠上皮细胞提供主要能量来源，改善肠道屏障功能，并系统介导免疫稳态和肠脑系统。微生物来源色氨酸及其副产物由可发酵碳和氮源产生，支持肠上皮肠嗜铬细胞产生 5-羟色胺和褪黑素，影响胃肠动力和免疫平衡，并可能系统影响昼夜节律和睡眠。co-biotic（同时调节宿主与微生物组生物过程以赋予健康益处的化合物）不同于引入活微生物的益生菌和选择性喂养现有微生物的益生元。槲皮素以及维生素 B₁、B₂、B₃ 等 co-biotic 化合物可同时影响宿主细胞和微生物。尽管这些 co-biotic 化合物单独已被证明可赋予宿主和微生物组效应，但含有这些 co-biotic 的完整配方如何影响微生物组功能或组成尚不清楚。因此，研究人员开展本机制性临床前研究，评估采用双胶囊递送系统设计的 DM-02、AM-02 和 PM-02，在接种 6 名健康成人粪便的离体胃肠道模型（离体系统肠道发酵研究，systemic intestinal fermentation research, SIFR 技术）中的效果。目标是确定这些配方是否调节关键发酵参数，包括 pH、SCFA 产生和气体生成；改变微生物组组成及预测产生关键微生物来源代谢物和维生素的类群丰度；并重塑结肠后上清液中的微生物功能途径和代谢物谱。这些发现提供反映模型系统中短期微生物组调节的机制见解，仍需人体研究验证对宿主微生物组的生理影响。

主要关键技术方法：研究人员使用经验证的 SIFR 技术，该技术为基于生物反应器的离体平台，可维持原始供体微生物群组成和功能，包括难培养物种。样本队列来源为 6 名健康成人粪便供体，年龄 25–50 岁，BMI 18.5–25，Bristol 粪便评分 3–4；排除近 3 个月内使用抗生素、益生元、益生菌或膳食补充剂、吸烟、娱乐性及慢性处方药使用、酒精摄入 >3 单位/天、慢性胃肠道问题及确诊疾病者。每个配方或未处理对照（untreated control, Unt-Ctrl）经 INFOGEST 2.0 模拟口腔、胃和小肠消化，胃孵育缩短至 30 min，随后进入结肠生物反应器 24 h，37°C、140 rpm。指标包括 pH、SCFA、顶空气体压力、细菌计数、超深度宏基因组测序、HUMAnN3 功能分析、非靶向代谢组学和线性混合效应模型（linear mixed-effects modeling, LME）等。

研究结果：
SCFA 与气体产生（SCFA and gas production）：通过模拟消化后与人粪便微生物群进行 24 h 结肠发酵并检测发酵参数，研究发现所有三种含 co-biotic 配方均显著降低结肠 pH：DM-02 降低 3%，AM-02 降低 4%，PM-02 降低 4%。DM-02 增加总 SCFA 9%和乙酸盐 12%。AM-02 增加总 SCFA 11%、乙酸盐 12%、丁酸盐 20%和丙酸盐 8%。PM-02 增加总 SCFA 9%、乙酸盐 9%、丁酸盐 20%和丙酸盐 7%。三种配方均未增加气体产生。结论提示这些配方产生益生元效应，促进微生物选择性利用模型底物以增加 SCFA 产生。

微生物组谱（Microbiome profile）：通过宏基因组分类分析，研究发现 α 多样性和 β 多样性在 Unt-Ctrl 与三种配方处理间无显著差异，供体粪便样本是 β 多样性分组的最强预测因素。特定物种绝对丰度发生显著变化。DM-02 显著增加 Oscillibacter 属乙酸和丁酸产生物种 618%、Lawsonibacter 属 363%，这些物种也是维生素 B₁ 和 B₂ 产生者，其中 Lawsonibacter 还被标记为维生素 B₇ 产生者；DM-02 使产甲烷菌 Methanocatella smithii 绝对丰度降低 80%。AM-02 增加 JAGTTR01 属 92%和 Allochristensenella 属 700%，JAGTTR01 也是 B₁、B₂ 和 B₁₂ 产生者。PM-02 增加 JAGTTR01 属 158%和 Alloscillospira 属 236%，后者为 B₁ 产生者。

微生物组功能能力（Microbiome functional capacity）：通过 HUMAnN3 对宏基因组测序数据进行功能注释，研究发现 AM-02 增加多个微生物功能途径，且未显著降低任何功能途径；与乙酸盐增加一致，AM-02 使 PWY-5100（丙酮酸发酵为乙酸和乳酸 II）和 P41-PWY（丙酮酸发酵为乙酸和(S)-乳酸 I）途径均增加 17%。PM-02 增加色氨酸产生途径，其中 TRPSYN-PWY（L-色氨酸生物合成）增加 8%，PWY-6629（L-色氨酸生物合成超级途径）增加 6%，并伴随产色氨酸细菌 Enterocloster 属增加 530%和 Alloscillospira 属增加。进一步物种贡献分析显示，AM-02 对 PWY-5100 途径增加 Flavonifractor plautii、Coprococcus catus、Eubacterium ventriosum 和 Bifidobacterium adolescentis 的相对贡献，降低 Collinsella aerofaciens 贡献；对 P41-PWY 增加 E. ventriosum 和 B. adolescentis 贡献，降低 C. comes 和 C. aerofaciens 贡献。PM-02 对 TRPSYN-PWY 增加 Escherichia coli、Odoribacter splanchnicus 和 Blautia sp. CAG 52 贡献，降低 Bacteroides vulgatus 贡献；对 PWY-6629 增加 E. coli 和 Anaerostipes hadrus 贡献，降低 Ruminococcus torques 贡献。这些物种丰度未显著改变，提示对产生有益代谢物的菌株存在选择压力。DM-02 在该模型中未显著改变任何途径。

代谢物谱（Metabolite profile）：通过非靶向代谢组学分析结肠后上清液，研究发现三种配方显著改变许多微生物来源代谢物的可利用性。DM-02 使微生物代谢副产物 tricarballylic acid 增加 99%。AM-02 使丙酮酸代谢副产物 biacetyl 增加 1543%，2-pyrrolidone 增加 1336%，组氨酸来源微生物代谢物 imidazolepropionic acid 增加 2117%，烟酰胺增加 65%。PM-02 使色氨酸可利用性增加 48%，两种 2-pyrrolidone 分别增加 1098%和 22%，烟酰胺增加 85%，2,5-furandimethanol 增加 40%。这些数据表明配方成分显著影响 6 名供体微生物组的功能能力和代谢输出。

讨论部分总结：本机制性临床前研究表明，三种含 co-biotic 化合物的新型配方显著影响 6 名健康供体粪便微生物组的代谢功能和组成，同时不增加气体产生。所有三种配方均降低 pH 并增加 SCFA 产生，其他功能和组成变化在很大程度上依赖具体配方。研究人员认为，所有配方内胶囊共享的 co-biotic（槲皮素和维生素 B₁、B₂、B₃）可能驱动总体有益微生物变化，而配方特异性外胶囊成分及其与 co-biotic 的潜在协同决定对微生物组功能和组成的精细调节。由于配方复杂且含有配方特异性成分，该研究无法确定特定成分与表型的归因。结肠 pH 降低最可能由 SCFA 产生增加驱动，但该机制研究未显示因果。SCFA 增加对宿主有益，但人体中约 95% SCFA 在结肠被快速吸收，因此不能直接将本研究中 SCFA 增加与人类健康相关。通常纤维发酵增加 CO₂ 和 H₂，但三种配方未增加气体产生；DM-02 处理中 SCFA 增加而气体稳定，可能与产甲烷菌 M. smithii 显著减少有关，该菌消耗 H₂ 产生 CH₄，但气体测量方法不区分气体类型，需后续实验确认。AM-02 和 PM-02 未显示该菌减少，但显著增加丁酸盐产生，乙酸盐向丁酸盐产生微生物的交叉喂养可能减少气体产生，仍需研究。结果提示这些配方可能比传统高纤维益生元配方具有更好耐受性，但需人体研究确认。多样性基本稳定且由供体驱动，说明配方在物种或菌株水平调节微生物生态。各配方增加乙酸和丁酸产生微生物丰度，并增加特定 B 族维生素产生微生物，包括 B₁、B₂ 以及 DM-02 增加的 B₇ 产生微生物。这是首次报告含 co-biotic 配方促进产生 co-biotic 维生素和必需维生素的原生微生物生长，但尚未确定这些维生素产生微生物丰度与结肠中生理相关维生素产生增加之间的因果关系。AM-02 和 PM-02 显著增加功能途径丰度并改变特定物种贡献，表明微生物组功能改变。AM-02 增加丙酮酸到乙酸/乳酸途径可能是驱动乙酸和丁酸增加的机制，并可能选择 F. plautii、E. ventriosum 和 B. adolescentis 等有益 SCFA 产生菌中的特定菌株。PM-02 增加色氨酸生物合成途径和产色氨酸微生物，可能增加可用色氨酸；微生物来源色氨酸促进肠上皮肠嗜铬细胞合成 5-羟色胺和褪黑素，可能影响睡眠质量和时长。DM-02 增加 tricarballylic acid，提示处理增加微生物三羧酸和柠檬酸代谢。烟酸作为所有配方内胶囊中的 co-biotic，是宿主和微生物细胞合成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide, NAD）及随后烟酰胺的前体，AM-02 和 PM-02 中烟酰胺增加反映细菌烟酸利用和 NAD 周转增强。研究局限包括该模型缺乏肠道动态宿主功能，包括结肠上皮细胞营养和维生素吸收与利用，也不捕捉免疫反应；数据不能建立因果关系；研究只评估完整配方而非单个成分；仅有一个 24 h 时间点；供体为健康成人。结论意义在于 SIFR 技术可在高度标准化条件下整合评估 6 个独立供体微生物组的组成、代谢活性和代谢物产生。

研究结论翻译：总之，离体胃肠道模型（SIFR 技术）能够在高度标准化条件下，对六个独立供体微生物组的微生物组组成、代谢活性和代谢物产生进行整合评估。这为新型含 co-biotic 配方（采用双胶囊嵌套递送系统设计）如何增强 SCFA 产生、选择性富集产生代谢物和维生素的类群与途径，并重塑结肠后代谢物谱，且不增加气体产生，提供了临床相关的机制见解。这些发现为临床评价含 co-biotic 配方提供了机制基础，这些配方可作为靶向生物干预措施，旨在优化微生物组功能输出，同时在多样人群中保持耐受性。