《Food Research International》：Lactose as disaccharide drives gut microbiota remodelling and metabolic adaptations in young mice
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生命早期是生长发育的关键窗口期，对环境与营养因素高度敏感。母乳喂养的益处已得到充分证实，包括降低婴儿死亡率及肥胖和2型糖尿病的易感性。乳糖作为母乳中的主要碳水化合物，是由葡萄糖和半乳糖通过β-1,4糖苷键连接而成的二糖，约占母乳能量的40%。然而，在延长母乳喂
生命早期是生长发育的关键窗口期，对环境与营养因素高度敏感。母乳喂养的益处已得到充分证实，包括降低婴儿死亡率及肥胖和2型糖尿病的易感性。乳糖作为母乳中的主要碳水化合物，是由葡萄糖和半乳糖通过β-1,4糖苷键连接而成的二糖，约占母乳能量的40%。然而，在延长母乳喂养期间，乳糖作为二糖本身在其组成单糖之外是否具有独特功能尚不明确。本研究旨在探究断奶后延长乳糖暴露三周对小鼠代谢健康、全身生理、肠道代谢及肠道微生物群组成的影响。研究人员将断奶后小鼠（出生后第21天，PN21）随机分为三组，分别饲喂含32能量%葡萄糖（Glu组）、等摩尔葡萄糖+半乳糖混合物（Gal组，模拟水解乳糖）或32能量%乳糖（Lac组）的等热量日粮，干预三周。结果表明，与Glu组和Gal组相比，Lac组雌性小鼠终末体重和瘦体重显著降低，尽管三周累积食物摄入无显著差异。Lac组小鼠在第一周体重增长和食物摄入降低，第二周出现补偿性生长，第三周恢复正常。Lac组小鼠小肠总长度显著增加，但肠道通透性（血清乳果糖/鼠李糖比值）无显著变化。间接测热法显示，Lac组和Gal组在活跃暗期的呼吸交换率（RER）均显著降低，提示相对脂肪氧化增加；但绝对24小时葡萄糖氧化水平仅在Lac组和Gal组降低，而绝对脂质氧化仅在Gal组升高。Lac组小鼠能量消耗（EE）显著降低，且经瘦体重协变量校正后仍具显著性。近端小肠黏膜转录组分析显示，Lac组与Gal组之间存在4649个显著差异表达转录本，基因本体（GO）富集分析表明前20个最受影响的生物学过程中有10个与能量代谢相关，主要涉及脂质和氨基酸氧化。基因集富集分析（GSEA）显示，Lac vs Gal的608个显著富集过程中24个与能量代谢相关，其中22个与脂质代谢相关且均显示正向归一化富集分数（NES），反映Lac组脂质氧化通路转录本表达更高。与Glu组比较，Lac组和Gal组仅有54个转录本共同受到同向调控，表明乳糖特异性效应明显区别于其单糖组合。在125个Gal组下调而Lac组上调的重叠转录本中，GO富集分析再次显示脂质和氨基酸代谢以及抗氧化系统（尤其是谷胱甘肽）的显著富集。肠道微生物群分析显示，Lac组盲肠内容物α多样性显著低于Glu组和Gal组，β多样性分析将Glu组和Gal组聚为一簇，Lac组独立成簇。差异丰度分析显示，Glu组与Gal组之间差异极小（仅Dubosiella和Harryflintia两个属），而Lac组中Akkermansia、Parabacteroides、Bifidobacterium和Parasutterella等已知碳水化合物发酵菌和短链脂肪酸（SCFA）产生菌的丰度显著增加。Lac组盲肠增大，且肠道乳糖酶（Lct）基因表达在所有组中保持中高水平。综上，本研究首次证明乳糖作为二糖在其组成单糖之外发挥独特的体内功能效应，包括能量平衡的动态变化、全身底物氧化、小肠长度增加、细胞底物氧化通路改变以及健康相关肠道微生物（如Akkermansia和Bifidobacterium）的选择性富集。这些发现表明乳糖作为功能性膳食成分具有潜在的益生元特性和长期健康意义，支持其在早期营养中的重要性。
研究背景：生命早期，尤其是从哺乳到断奶的过渡期，是塑造个体长期代谢健康的关键窗口。母乳喂养的益处已得到广泛认可，乳糖作为母乳中的主要碳水化合物（二糖，由葡萄糖和半乳糖通过β-1,4糖苷键连接），约占母乳能量的40%。世界卫生组织（WHO）建议延长母乳喂养时间，但乳糖作为二糖在延长暴露期间是否具有超出其组成单糖的独特生理功能尚不清楚。此前研究已观察到以等摩尔葡萄糖+半乳糖替代日粮葡萄糖可产生多种有益效应，但乳糖作为完整二糖的效应尚未被直接比较研究。因此，研究人员旨在探究断奶后延长乳糖暴露三周对小鼠代谢健康、全身生理、肠道代谢及肠道微生物群组成的影响，以明确乳糖二糖形式在其单糖组成之外的功能意义。
研究人员开展的研究：研究人员将C57BL/6JRccHsd小鼠在出生后第21天（PN21）断奶后单独饲养，随机分为三组，分别饲喂含32能量%（en%）葡萄糖（Glu组，n=13）、16 en%葡萄糖+16 en%半乳糖（Gal组，模拟水解乳糖，n=13）或32 en%乳糖（Lac组，n=13）的等热量日粮，干预三周。所有日粮均含28 en%淀粉、3 en%果糖、16 en%脂肪和20 en%蛋白质。在PN35-PN38进行间接测热法（InCa）测量全身生理参数（仅雌性）。在PN42处死动物，收集近端和远端小肠黏膜、盲肠内容物进行转录组学和微生物群分析。主要技术方法包括：间接测热法（InCa）评估全身底物利用和能量消耗；RNA测序（RNA-seq）分析近端小肠黏膜转录组；16S rRNA基因测序（V3-V4区）分析盲肠微生物群组成；高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测（HPAEC-PAD）测定血清糖类组成以评估肠道通透性（乳果糖/鼠李糖比值）；小肠组织学（H&E染色）和苏木精-伊红染色观察形态。样本来源为C57BL/6JRccHsd小鼠（Envigo, Horst, The Netherlands），实验经荷兰国家和地方动物实验委员会批准（AVD1040020171668）。
研究结果：（1）乳糖喂养小鼠尽管食物摄入相似，体重和瘦体重增长降低——Lac组雌性小鼠终末体重和瘦体重显著低于Glu组和Gal组，第一周食物摄入和体重增长降低，第二周出现补偿性生长，第三周恢复正常，但终末体重仍显著较低；累积食物摄入与终末体重显著相关。Lac组小鼠未出现Gal组所观察到的饮水量增加。（2）乳糖喂养雌性小鼠小肠更长但肠道通透性无差异——Lac组小肠总长度显著大于Glu组和Gal组，血清乳果糖/鼠李糖比值无显著组间差异，表明肠道通透性未受损。（3）乳糖对底物利用和能量消耗的影响不同于其单糖——Lac组和Gal组在活跃暗期RER显著降低（相对脂肪氧化增加），Lac组和Gal组24小时绝对葡萄糖氧化水平显著低于Glu组，但绝对脂质氧化仅在Gal组升高；Lac组能量消耗（EE）显著降低，经瘦体重协变量校正后仍显著。（4）近端肠道黏膜基因表达谱显示乳糖组的对向效应——PCA和热图显示Gal组与Lac组转录组谱最为 divergent，Lac vs Gal鉴定出4649个显著差异转录本（2312个上调，2337个下调），GO富集分析显示前20个最受影响过程中10个与能量代谢相关（主要为脂质和氨基酸氧化）；GSEA显示608个显著富集过程中24个与能量代谢相关（22个脂质代谢，2个氨基酸代谢），所有脂质相关过程均显示正向NES；Lac组和Gal组分别与Glu组比较仅有54个转录本共同受到同向调控；125个Gal下调而Lac上调的重叠转录本GO富集分析显示脂质和氨基酸代谢及谷胱甘肽抗氧化系统显著富集。（5）乳糖喂养引起肠道微生物群组成偏移，Glu组与Gal组之间变化极小——Lac组盲肠α多样性显著低于Glu组和Gal组，β多样性分析将Glu组和Gal组聚为一簇、Lac组独立成簇；差异丰度分析显示Glu vs Gal仅Dubosiella和Harryflintia两个属差异，Gal vs Lac仅Tuzzerella和Odoribacter两个属差异，而Lac组中Akkermansia、Parabacteroides、Bifidobacterium和Parasutterella丰度显著增加；Lac组盲肠增大，所有组肠道乳糖酶（Lct）表达保持中高水平，无腹泻等乳糖不耐受迹象。
讨论与结论：研究人员讨论指出，延长乳糖摄入诱导了动态生理适应，包括第一周体重增长短暂降低后第二周补偿性生长、小肠形态改变、肠道微生物群组成偏移以及乳糖相对于葡萄糖或等摩尔葡萄糖+半乳糖混合物在代谢和转录层面的独特响应。这些新发现表明乳糖作为二糖是其功能性潜在健康效应的重要方面。全身体重效应方面，乳糖组第一周和第二周体重增长差异在第三周正常化但终末体重仍显著较低，伴随小肠总长度增加（非单糖组分所致）且肠道完整性和不通透性得以保持；小肠结构适应可能增加消化吸收表面积，增强刷状缘乳糖酶消化和单糖吸收。乳糖诱导的出生后改变可能帮助后代为即将到来的膳食变化（从液体奶到固体食物）做准备。肠道成熟相关关键转录本表达变化（Lct和Fcgrt降低，Treh和Arg2升高，果糖转运体Slc2a5/Glut5升高）支持乳糖刺激肠道成熟的观点。全身能量代谢方面，Lac组相对和绝对全身葡萄糖氧化水平均较低，结合盲肠微生物群变化，提示小肠乳糖消化不完全，未消化乳糖被肠道微生物发酵；三周干预期间累积食物摄入无差异而体重和瘦体重较低，提示乳糖组单糖吸收可能较低导致代谢能摄入减少，部分被半乳糖组和乳糖组推测的细菌发酵增强所抵消。微生物群改变方面，Lac组盲肠增大、盲肠细菌多样性降低，类似于延长母乳喂养的婴儿保持更婴儿样粪便微生物群组成（通常与较低总多样性相关），支持本营养方法作为延长乳糖摄入临床前模型的适用性；Akkermansia和Bifidobacterium等健康促进相关属仅在Lac组显著增加，Bifidobacteria与乳糖不耐受个体乳糖耐受性增加相关；小鼠未出现乳糖不耐受明显迹象如腹泻，肠道乳糖酶（Lct）基因表达保持中高水平；Dubosiella属增加（包括D. muris和D. newyorkensis，后者最近被赋予正向调节免疫耐受的作用），而Ruminococcaceae科一个未分类属减少，Ruminococcus与肠道炎症相关；微生物分类群的选择性增强与乳糖已知的（条件性）益生元效应一致，新发现这些效应在以水解单糖葡萄糖和半乳糖形式给予时完全缺失，强调二糖发挥超出其组成单糖的额外营养作用。肠道组织效应方面，Lac组全身EE显著降低且绝对葡萄糖氧化低于Glu组，未被Gal组所见的更高脂质氧化所抵消，表明膳食乳糖以不同于其组成单糖的方式影响全身能量平衡，可能源于消化吸收动力学差异及肠道微生物群效应；Lac组小肠脂肪酸代谢基因（尤其是脂肪酸分解代谢相关）表达高于Glu组，而Gal组呈现相反模式，提示Lac组转录上调可能代表增强肠道脂质氧化的补偿性响应，但未反映在全身水平，表明组织特异性代谢适应与全身底物利用之间可能存在分离；一种合理解释是乳糖微生物发酵增加导致SCFA产生增多，这些代谢物可能促进近端小肠脂质氧化通路更高表达；Lac组更高的小肠脂质氧化能力未被全身RER测量所捕获，需直接评估肠道脂质氧化水平以证实该假设。研究结论翻译：总之，通过比较断奶后饲喂含淀粉日粮加二糖乳糖（Lac组）与相同日粮加其单糖组成（等摩尔半乳糖和葡萄糖，Gal组，模拟水解乳糖）以及含葡萄糖的对照日粮（Glu组）的小鼠，研究人员新证明乳糖在两种性别中均发挥超出其组成单糖的体内特异性功能效应。这些适应在雌性小鼠中进一步研究，因此相应结论适用于雌性小鼠，包括能量平衡的动态变化、全身底物氧化、小肠长度、细胞底物氧化通路改变以及健康相关肠道微生物如Akkermansia和Bifidobacterium的选择性富集。总之，这些发现表明乳糖作为功能性膳食成分具有潜在益生元特性和长期健康意义，支持其在早期营养中的相关性。
