铁皮石斛多糖-亚精胺水凝胶通过增加Bifidobacterium缓解高脂饮食诱导的肥胖

《Food Nutrition》：Dendrobium officinale polysaccharide–spermidine hydrogels attenuate high-fat diet-induced obesity by increasing Bifidobacterium

　　

研究人员报告了铁皮石斛多糖（DOP）和亚精胺（Spd）通过代谢调节在秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中产生的协同抗衰老作用。值得注意的是，DOP和Spd在DOP:Spd比例为18:2时自发形成DOP–Spd水凝胶（DS）。然而，DS是否以及如何影响肠道菌群和宿主代谢仍不清楚。在本研究中，研究人员采用体外结肠发酵模型研究DOP和DS对肠道微生物组成和代谢物谱的影响。与对照组相比，DS显著促进了Bifidobacterium和Lactobacillus的生长，分别增加了6.69倍和3.75倍。与单独使用DOP相比，DS在Prevotella_2（+111.06%）、短链脂肪酸（SCFAs；+34.16%）、NAD⁺（27.83倍）和腺苷（2.89倍）方面表现出更大的富集作用。基于PICRUSt的KEGG功能预测显示，脂质代谢下调，伴随氨基酸和核苷酸代谢途径的相对增加。为在体内验证这些效应，研究人员使用了高脂饮食（HFD）诱导的代谢紊乱小鼠模型。与模型组相比，DS处理显著降低了附睾脂肪指数（-18.66%）和皮下脂肪指数（-26.46%），改善了葡萄糖耐量，并增强了肝脏抗氧化能力，其中过氧化氢酶（CAT）活性和谷胱甘肽（GSH）水平分别提高了48.53%和77.43%。此外，DS重塑了肠道菌群，增加了Lactobacillus和Bifidobacterium，同时抑制了Helicobacter，提高了粪便SCFA水平，并增加了参与不饱和脂肪酸生物合成和嘌呤代谢的代谢物（α-亚麻酸、烟酸）。Spearman相关性分析显示，Bifidobacterium与最多数量的代谢物和生化指标相关，与肝脏GSH、丙酸和腺苷显著正相关，与肝脏甘油三酯（TG）显著负相关。总之，DS通过调节肠道菌群和关键代谢物（SCFAs、烟酸、NAD⁺）改善脂质代谢紊乱和氧化应激，凸显了其作为支持葡萄糖和脂质代谢健康的功能性食品成分的潜力。

**论文解读：铁皮石斛多糖-亚精胺水凝胶通过调节肠道菌群缓解高脂饮食诱导的肥胖**

**研究背景与问题提出**

代谢性疾病如肥胖和2型糖尿病已成为全球性的重大公共卫生挑战，主要驱动因素包括久坐不动的生活方式和失衡的饮食模式。全球约有26亿人（约40%的人口）受到超重或肥胖的影响，若趋势持续，到2035年这一数字预计将超过40亿。这些疾病不仅损害生活质量，还带来巨大的社会经济负担，凸显了寻找有效营养或功能性干预措施的迫切性。近年来的研究强调，肠道菌群及其代谢产物，特别是短链脂肪酸（SCFAs）和其他信号分子，是连接饮食模式与宿主代谢健康的关键中介。因此，探索能调节肠道菌群的天然生物活性化合物，为开发旨在缓解代谢功能障碍的功能性食品提供了重要思路。

肠道微生物组已被公认为体重和代谢健康的关键调节因子。其核心机制在于肠道细菌与脂肪组织之间的双向信号交流，从而影响能量代谢、营养吸收、食欲调节和脂肪组织功能，这些过程与肥胖的发生密切相关。具体而言，肠道菌群通过两种主要机制调节脂质代谢和胰岛素敏感性：通过胆汁酸和SCFAs等代谢物介导脂质吸收和清除；以及通过包括丙酸、咪唑类、色氨酸衍生物、犬尿氨酸、血清素、支链氨基酸（BCAAs）和SCFAs在内的一系列微生物代谢物调节胰岛素抵抗。因此，恢复肠道微生物多样性和正常的功能稳态对于维持代谢平衡至关重要，这可以通过饮食干预、补充益生元或益生菌来实现。

铁皮石斛多糖（DOP）是药用植物铁皮石斛（Dendrobium officinale）的主要生物活性成分之一，含量接近40%，具有抗氧化、免疫调节、抗肿瘤和调节血糖等多种生物功能，这些功能很大程度上通过调节肠道菌群实现。亚精胺（Spd）是一种经典的卡路里限制模拟物（CRM），广泛存在于小麦胚芽、豆类、蘑菇和坚果等食物中，补充Spd可带来抗衰老、抗癌、心脏保护和神经保护等多种健康益处。研究人员的前期研究已发现，DOP和Spd在秀丽隐杆线虫中通过调节葡萄糖和脂质代谢发挥协同抗衰老作用，并且1%的DOP溶液能与Spd在18:2的重量比下相互作用形成水凝胶（DS）。然而，这种复合水凝胶（DS）如何影响肠道菌群组成和宿主代谢的机制仍不清楚。因此，本研究旨在利用体外结肠发酵和HFD诱导的代谢紊乱小鼠模型，探索DS在葡萄糖和脂质调节方面的增强作用，阐明其通过肠道菌群介导的代谢机制，为开发新型功能性食品成分提供依据。该论文发表在《Food Nutrition》期刊。

**主要技术方法**

研究人员采用了以下关键方法：首先，**体外结肠发酵模型**，通过招募10名健康成年人（5男5女，20-30岁，BMI 18.5-24 kg/m2，无肠道疾病史且近3个月未使用抗生素或益生菌）的粪便样本，等比例混合后制备发酵接种物，以DOP或DS为唯一碳源进行厌氧发酵48小时。其次，采用**16S rRNA基因扩增子测序**（V3-V4区，Illumina MiSeq平台）分析肠道微生物组成，并通过**PICRUSt**进行KEGG功能预测。再次，采用**非靶向代谢组学**（LC-MS/MS）分析发酵上清液和粪便中的代谢物谱。最后，利用**HFD诱导的C57BL/6J小鼠模型**（6周龄，雄性，每组8只，共5组：对照、模型、DOP、Spd、DS），通过灌胃给予相应干预12周，评估相关生理生化指标。

**研究结果**

**3.1 DOP和DS水凝胶的体外结肠发酵**

**3.1.1 肠道菌群组成的变化**：体外发酵48小时后，与对照组相比，DS显著促进了Bifidobacterium和Lactobacillus的生长（分别增加6.69倍和3.75倍）；与单独使用DOP相比，DS进一步富集了Prevotella_2（增加111.06%）。基于PICRUSt的KEGG功能预测显示，与对照组相比，DOP和DS处理均与脂质代谢途径下调、氨基酸和核苷酸代谢途径上调相关；而DS组与DOP组相比，碳水化合物代谢和信号转导途径更为富集。

**3.1.2 微生物代谢物的变化**：代谢组学分析显示，与DOP相比，DS组显著上调了烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺，27.83倍）、黄嘌呤（6.73倍）、腺苷（2.89倍）、血清素（2.63倍）、DL-苹果酸（2.07倍）和β-鼠胆酸（2.20倍）等代谢物，并显著消耗了DL-色氨酸（0.10倍）。

**3.2 DOP和DS水凝胶对HFD诱导小鼠脂肪积累和葡萄糖耐量的改善**：与模型组相比，DS处理使小鼠附睾脂肪指数和皮下脂肪指数分别显著降低18.66%和26.46%，其降幅大于DOP或Spd单独处理组。在口服葡萄糖耐量试验（OGTT）中，只有DS组显著降低了曲线下面积（AUC），表明其对葡萄糖耐量的改善效果优于单独处理。

**3.3 DOP和DS水凝胶对HFD诱导小鼠肝脏脂质和抗氧化参数的影响**：与模型组相比，联合DS处理比单独DOP或Spd处理更显著地降低了肝脏甘油三酯（TG）和总胆固醇（TC）含量（降幅均超过37%）。同时，DS处理显著增强了肝脏抗氧化能力，使谷胱甘肽（GSH）含量和过氧化氢酶（CAT）活性分别提高了77.43%和48.53%，而单独处理效果不显著。

**3.4 DOP和DS水凝胶对HFD诱导小鼠肠道菌群的调节**：β-多样性分析显示，DS和DOP处理使HFD紊乱的肠道菌群结构向对照组靠近。在属水平上，DS组显著增加了有益菌Bifidobacterium和Lactobacillus的相对丰度，同时显著降低了Helicobacter的丰度。

**3.5 DOP和DS水凝胶对HFD诱导小鼠肠道微生物代谢物的调节**：与单独DOP干预相比，DS组合显著增加了多种有益代谢物，如α-亚麻酸、烟酸、烟酰胺、腺嘌呤、尿酸、α-桐酸（α-ESA）和β-D-葡萄糖醛酸。代谢通路富集分析显示，最显著富集的通路包括不饱和脂肪酸生物合成、苯丙氨酸代谢、嘌呤代谢和谷胱甘肽（GSH）代谢等。

**3.6 DOP和DS水凝胶对HFD诱导小鼠SCFAs水平的调节**：DS处理显著增加了小鼠盲肠内容物中乙酸、丙酸和丁酸的浓度，效果优于单独DOP或Spd处理。

**3.7 Spearman相关性分析**：分析揭示，Bifidobacterium与最多数量的代谢物和生化指标显著相关，其丰度与肝脏GSH、丙酸、腺苷和α-桐酸显著正相关，与肝脏TG、次黄嘌呤和鼠胆酸显著负相关，表明DS可能通过调节Bifidobacterium等关键菌群来改善代谢紊乱。

**讨论与结论**

**讨论部分总结**：研究讨论指出，DOP和DS水凝胶在体外和体内均能显著富集Bifidobacterium和Lactobacillus。DS水凝胶的三维网络结构可能减缓了DOP的消化和释放，提供更持久的发酵底物，从而有利于利用碳水化合物的菌群（如Prevotella和Lactobacillus）持续生长。这些菌群的富集可能通过其代谢产物影响宿主代谢，例如Bifidobacterium和Lactobacillus与改善血糖和血脂调节相关，而Prevotella则被认为是膳食纤维的降解者和SCFA产生的促进者。DS处理显著上调了多种生物活性代谢物，如NAD⁺前体烟酸、具有抗炎作用的α-ESA，以及参与解毒和细胞外基质代谢的β-D-葡萄糖醛酸。此外，DS处理有效降低了HFD诱导的牛磺酸结合胆汁酸（如TDCA、TCDCA、TCA）的升高，这可能与Bifidobacterium和Lactobacillus调节胆汁盐水解酶活性有关。嘌呤代谢途径的富集与线虫模型中的观察一致，提示核苷酸相关代谢调节可能参与了DS的作用。总之，DS水凝胶通过协调调节肠道菌群及其代谢物，包括富集有益菌群、增加SCFA生产、改变NAD⁺和嘌呤代谢相关代谢物以及减少牛磺酸结合胆汁酸，从而发挥优于单独DOP的代谢改善作用。

**结论部分翻译**：本研究证明，与单独使用DOP相比，DS水凝胶对肠道菌群和宿主代谢具有更优的调节作用。体外结肠发酵表明，DS促进了Bifidobacterium和Lactobacillus等有益菌属的生长，并更有效地富集了有益菌群（如Prevotella_2）。基于PICRUSt的KEGG功能预测表明脂质代谢下调，伴随氨基酸和核苷酸代谢途径的相对上调。这些发现在HFD诱导的代谢紊乱小鼠模型中得到了进一步证实。DS改善了肥胖、葡萄糖耐量和肝脏抗氧化能力，同时重塑了肠道菌群并提高了粪便SCFAs和有益代谢物水平。相关性分析进一步强调Bifidobacterium是与改善生化参数显著相关的关键菌属。总体而言，DS水凝胶可能通过重塑肠道菌群和调节关键微生物代谢物来缓解饮食诱导的代谢功能障碍，支持其作为改善葡萄糖和脂质代谢的功能性食品成分的潜力。