《Journal of Functional Foods》：Deciphering the differential effects of human milk oligosaccharides (HMOs) on infant and adult microbiota: insights from a novel “gut microbe-host interaction” model
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人乳低聚糖（HMOs）调节肠道微生物群和肠道屏障完整性；然而，年龄依赖性的微生物群介导效应仍未被充分定义。本研究采用受控的体外“微生物-宿主互作”模型，评估2'-岩藻糖基乳糖（2'-FL）和3-岩藻糖基乳糖（3-FL）对上皮屏障功能的直接和发酵介导效应。研究人
人乳低聚糖（HMOs）调节肠道微生物群和肠道屏障完整性；然而，年龄依赖性的微生物群介导效应仍未被充分定义。本研究采用受控的体外“微生物-宿主互作”模型，评估2'-岩藻糖基乳糖（2'-FL）和3-岩藻糖基乳糖（3-FL）对上皮屏障功能的直接和发酵介导效应。研究人员将婴儿和成人微生物群封装，并与T84上皮细胞共培养，同时量化基础和破坏条件下的屏障电阻及与糖萼（glycocalyx）和紧密连接（tight junctions, TJs）相关的基因表达。3-FL表现出更优的直接保护效应，增强糖萼相关基因表达并减轻屏障损伤。微生物代谢因年龄而异。婴儿微生物群主要产生短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）中的乙酸、乳酸和琥珀酸，而成人微生物群产生SCFAs，特别是丁酸。丁酸改善屏障电阻并调节糖萼完整性。这些发现表明HMOs具有结构依赖性活性及年龄特异性微生物代谢反应，突出了微生物发酵与上皮屏障调节之间的机制联系。
**研究背景与目的**
肠道屏障是多层功能单元，包括外黏液层、肠道上皮及糖萼（glycocalyx）和紧密连接（tight junctions, TJs）等结构，构成宿主与外部环境的第一道防线。糖萼位于上皮细胞顶膜，是微生物黏附的主要位点，其损伤可导致病原体入侵和炎症。TJs由Claudins、Occludin和Zonula occludens-1（ZO-1）等蛋白组成，维持屏障完整性。人乳低聚糖（human milk oligosaccharides, HMOs）是母乳中的关键生物活性成分，可调节肠道微生物群和屏障功能，但其年龄依赖性的微生物群介导效应尚不明确。特别是，2'-岩藻糖基乳糖（2'-fucosyllactose, 2'-FL）和3-岩藻糖基乳糖（3-fucosyllactose, 3-FL）对婴儿和成人微生物群的代谢差异及其对糖萼和屏障功能的影响，仍缺乏深入研究。现有体内研究受伦理和技术限制，亟需建立可靠的体外模型以模拟微生物-宿主互作。为此，研究人员基于前期使用单菌株乳酸菌的模型，进一步开发了可同时评估HMOs直接作用和发酵介导作用的新型共培养系统，旨在揭示年龄依赖性代谢响应及其对肠道屏障和糖萼的调节机制。该研究发表在《Journal of Functional Foods》。
**主要技术方法**
研究人员采用海藻酸钙微胶囊封装婴儿和成人粪便微生物群，并与T84肠上皮细胞共培养。婴儿粪便样本来自4名2周龄非母乳喂养、阴道分娩的健康婴儿（经父母同意，豁免伦理委员会审查），成人粪便样本来自4名健康非吸烟成人（27–35岁，BMI 19–22 kg/m2，来自既往研究匿名剩余样本，已获同意用于科研）。通过实时细胞基质阻抗传感（ECIS）连续监测上皮电阻，利用qPCR检测糖萼相关基因（HSPG2、GPC1、SDC4、MUC12、MUC13、MUC17）和TJ基因（CLDN1、OCLN、ZO-1）的表达，采用高效液相色谱（HPLC）分析有机酸（琥珀酸、乳酸、乙酸、丙酸、丁酸）。胶囊内厌氧环境通过刃天青荧光染色验证。
**研究结果**
**3.1 补充5 mg/mL 3-FL的无菌海藻酸胶囊保护T84肠上皮屏障功能并上调糖萼相关基因表达**
通过无微生物群胶囊直接测试HMOs效应，发现A23187诱导破坏后，5 mg/mL 3-FL显著提高电阻（AUC增加27.91%，p<0.01），并上调GPC1、SDC4、MUC17及CLDN1、OCLN表达，表明3-FL具有直接保护作用，而2'-FL无此效应，提示结构依赖性作用。
**3.2 胶囊内形成厌氧核心，允许肠道微生物群中厌氧菌发酵**
利用刃天青荧光染色显示，胶囊中心荧光强度显著低于外周，表明形成强厌氧微环境，有利于厌氧菌发酵。
**3.3 补充2'-FL和3-FL的婴儿肠道微生物群减轻A23187诱导的屏障破坏，调节糖萼相关基因，改变有机酸产生**
婴儿微生物群发酵HMOs产生琥珀酸、乳酸、乙酸和丙酸，未检测到丁酸。添加2'-FL或3-FL后，A23187诱导的电阻下降显著缓解（2'-FL 5 mg/mL使AUC增加9.12%，p<0.001；3-FL 5 mg/mL使AUC增加32.99%，p<0.0001），且呈浓度依赖性。TJ基因OCLN和ZO-1的A23187诱导上调被HMOs拮抗。糖萼基因方面，5 mg/mL 2'-FL降低GPC1上调，但所有HMOs组MUC13表达均下降。
**3.4 补充2'-FL和3-FL的成人肠道微生物群通过丁酸产生增强T84肠屏障功能**
成人微生物群发酵HMOs产生乳酸、乙酸、丙酸和丁酸，且2'-FL和3-FL显著增加丁酸产量（p<0.05）。A23187诱导的电阻下降被HMOs显著缓解（2'-FL 5 mg/mL使AUC增加43.24%，p<0.01；3-FL 5 mg/mL使AUC增加62.01%，p<0.0001），3-FL呈剂量依赖性。TJ基因CLDN1的A23187诱导上调被HMOs完全抑制，而OCLN和ZO-1无变化。糖萼基因方面，5 mg/mL 2'-FL下调MUC13但上调MUC17，5 mg/mL 3-FL上调SDC4和MUC13。
**总结与结论**
讨论部分指出，该模型成功区分了HMOs的直接和微生物发酵介导效应，并揭示了年龄依赖性代谢差异。3-FL的直接保护作用优于2'-FL，归因于岩藻糖基化位点差异。婴儿微生物群以双歧杆菌和拟杆菌为主，产生乳酸、乙酸等中间代谢物，无丁酸产生；成人微生物群因存在丁酸产生菌（如Faecalibacterium prausnitzii和Eubacterium rectale），发酵HMOs产生丁酸。丁酸可能通过抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）活性，减少基质金属蛋白酶（MMP）介导的糖萼脱落，从而维持屏障完整性。但该机制尚需蛋白水平验证。局限性包括：婴儿微生物群来自配方奶喂养婴儿，未进行菌群组成分析，基因表达仅单时间点，缺乏蛋白和功能验证。
结论翻译：本研究引入了一个体外模型，捕捉了微生物-宿主互作的复杂性，同时允许精确测量上皮屏障反应。应用该模型揭示HMOs通过两条不同途径作用于肠道稳态：直接上皮信号传导和微生物依赖性发酵。3-FL相对于2'-FL表现出更强的直接效应，表明HMOs对屏障功能的直接调节具有结构依赖性作用方式。同样值得注意的是，婴儿和成人微生物群产生了显著不同的代谢产物，丁酸仅由成人微生物群产生。这表明HMOs发酵的功能后果取决于执行发酵的微生物生态系统的成熟度。这种与年龄相关的代谢产物差异对于如何在整个生命周期中调整HMOs补充具有重要含义。在婴儿中，尽管丁酸产生菌尚未建立，HMOs发酵仍可产生支持屏障功能的代谢物，提示早期补充可能有助于弥补不成熟微生物群的局限性。相比之下，在成人中，旨在提高丁酸产量的HMOs补充可能为维持肠道屏障完整性提供额外益处。这些结果将我们的共培养模型定位为评估HMOs配方并预测其在不同生命阶段效果的有用筛选平台。
