微生物组介导增强淫羊藿多糖软骨保护作用：基于发酵和斑马鱼模型的见解

《International Journal of Biological Macromolecules》：Microbiota-mediated enhancement of the chondroprotective effects of epimedium polysaccharides: Insights from fermentation and zebrafish models

　　• 淫羊藿多糖对胃肠道消化具有强抗性。• 肠道微生物发酵增强了淫羊藿多糖中短链脂肪酸的产生。• 六小时发酵产生的软骨保护活性最强。• 发酵后的淫羊藿多糖调节了软骨细胞中与软骨相关的基因表达。引言软骨退化是骨关节炎的典型特征，表现为关节软骨进行性侵蚀、软骨下骨重塑及慢性炎症应激，最终导致关节功能障碍和生活质量下降。尽管骨关节炎患病率高，但目前可用的干预手段主要旨在缓解症状，而非有效保护软骨结构或恢复细胞外基质稳态。因此，越来越多的关注转向了能够调节炎症反应、维持细胞外基质完整性和支持软骨健康的功能性天然大分子。在传统医学体系中，植物来源的天然产物长期以来被用于治疗肌肉骨骼疾病，也是发现功能性生物活性物质的重要资源。越来越多的证据强调了肠道微生物对膳食多糖的代谢加工在调节宿主生理功能中的重要性，包括免疫稳态和关节相关健康结局。不可消化的多糖可以在上消化道中抵抗降解并到达结肠，在那里作为微生物利用的底物发生动态转化，产生多种代谢物，包括乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸。短链脂肪酸不仅是肠上皮细胞的能量底物，还作为生物活性信号分子参与免疫调节、氧化应激反应和代谢稳态。越来越多的证据表明，短链脂肪酸（尤其是丁酸）可能通过调节软骨细胞代谢、维持细胞外基质稳态和抑制炎症信号通路来促进软骨保护。例如，有报道指出丁酸通过调节NF-κB激活和软骨降解相关因子来减轻IL-1β诱导的软骨细胞炎症反应。此外，发酵相关的微生物群落变化可能通过改变代谢环境进一步影响宿主反应。因此，膳食多糖的生物效应不仅取决于其可发酵性，还可能取决于其结构特征以及微生物转化过程中产生的特定代谢物。淫羊藿是一种在东亚广泛使用的传统药食同源植物，长期以来与肌肉骨骼调节相关，传统上被描述为具有"强骨"和"补肾"的功效。在临床应用中，淫羊藿通常以水煎剂形式给药，其中水溶性成分是主要的口服暴露成分。现代植物化学研究已在淫羊藿中鉴定出270多种成分，包括黄酮类、木脂素类、生物碱类和多糖类。尽管异戊烯基黄酮类化合物（尤其是淫羊藿苷）已因其骨保护和抗炎活性而受到广泛研究，但多糖作为淫羊藿提取物中重要的水溶性大分子成分，从民族药理学角度来看仍然具有重要意义。与许多主要研究其一般益生元特性的膳食多糖不同，淫羊藿多糖来源于一种传统上与骨骼和关节健康相关的药用植物，这提示微生物转化可能对其功能特性有贡献。淫羊藿多糖是一种杂多糖，主要由甘露糖、鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、半乳糖和阿拉伯糖组成，据报道具有免疫调节、抗氧化和抗疲劳活性。作为相对消化抗性的多糖，淫羊藿多糖预计可以逃避宿主消化酶的广泛水解，并在结肠中成为微生物转化的底物。在发酵过程中，淫羊藿多糖可能发生解聚和结构重塑，产生短链脂肪酸和其他低分子量代谢物，从而改变其生物活性。然而，尽管淫羊藿传统上用于治疗肌肉骨骼疾病，但淫羊藿多糖的消化命运、动态发酵行为以及发酵产物的功能相关性仍缺乏充分表征。特别是，微生物转化是否能增强淫羊藿多糖的软骨保护潜力尚未得到充分探索。斑马鱼是评估软骨发育和化学诱导软骨损伤的敏感脊椎动物模型，这得益于其光学透明性、保守的软骨形成通路和快速发育特征。这些优势使斑马鱼适用于筛选具有潜在软骨保护活性的天然产物，并评估软骨相关表型。因此，本研究旨在：(i) 使用模拟唾液-胃肠道消化模型评估淫羊藿多糖的胃肠道消化抗性；(ii) 表征淫羊藿多糖的动态发酵行为，包括多糖降解、短链脂肪酸产生和微生物群落变化；(iii) 使用斑马鱼软骨发育和损伤模型评估发酵淫羊藿多糖产物的功能相关性，并结合细胞验证。通过整合消化、动态微生物发酵、代谢物分析和生物学评估，本研究为发酵相关转化对植物来源多糖在软骨和关节健康中功能增强的潜在贡献提供了新的见解。分节摘要材料淫羊藿地上部分鲜品采集自中国吉林省长白山地区，经吉林大学王广生教授鉴定。模式标本（编号2559）已保存在机构标本室以备参考和重复性验证。单糖标准品包括D-阿拉伯糖、L-岩藻糖、L-鼠李糖、D-甘露糖、D(+)-氨基葡萄糖盐酸盐、D-葡萄糖醛酸、D-半乳糖醛酸、D-葡萄糖、D-半乳糖等。淫羊藿多糖的理化性质和结构表征首先测定了淫羊藿多糖的碳水化合物和蛋白质含量，分别为78.95%和11.03%。随后，进一步表征了该多糖的结构特征、单糖组成和分子量。淫羊藿多糖的FT-IR光谱如图1A所示。在3401 cm?1处观察到的宽而强的吸收带归因于O-H键的伸缩振动，可能发生在分子间或分子内。讨论本研究系统评估了淫羊藿多糖的胃肠道消化抗性、肠道微生物动态发酵行为及软骨保护潜力，并为发酵相关增强效应的生物学基础提供了初步见解。结果表明，淫羊藿多糖对模拟唾液-胃肠道消化具有强抗性，同时在发酵过程中经历了广泛的微生物转化。重要的是，发酵……局限性与未来方向本研究存在若干局限性应予承认。首先，尽管发酵后的淫羊藿多糖表现出增强的软骨保护活性，但潜在机制主要通过细胞基因表达分析进行探索。进一步涉及蛋白水平验证和整合通路分析的研究将有助于获得对发酵淫羊藿多糖介导的软骨保护的分子基础的更深入见解。其次，尽管短链脂肪酸被确定为具有代表性的……CRediT作者贡献声明李新华：初稿撰写、方法论、调查研究、概念设计。于晓艳：软件、方法论、调查研究。李瑶：验证、方法论、调查研究、形式分析。张梦园：调查研究、数据整理。郝博宇：调查研究、数据整理。王小：调查研究。高明源：调查研究。唐文冲：调查研究。潘苏欣：调查研究。殷文睿：调查研究。吴子言：调查研究。张卫东：审稿与编辑……利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢作者衷心感谢吉林省科技发展计划（20260204033YY）的支持。李新华|于晓艳|李瑶|张梦园|郝博宇|王小|高明源|唐文冲|潘苏欣|殷文睿|吴子言|张卫东