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Introduction

肠道菌群是指驻留在肠道中的所有微生物，被认为是参与影响宿主健康和疾病的重要“器官”。越来越多的研究表明，肠道菌群结构的变化会影响某些疾病的发生发展。溃疡性结肠炎（UC）是一种慢性特发性结肠黏膜炎症性疾病，在世界各地发病率较高。值得注意的是，UC的发生和发展已被广泛证实与共生肠道细菌的紊乱密切相关。过往研究表明，共生肠道细菌对肠道炎症性疾病的发病机制、严重程度和疾病表型均有影响。这些结果都表明UC的发生可能是由于宿主的黏膜免疫与共生肠道细菌之间的失衡引起的，提示维持肠道微环境的平衡是缓解UC严重程度的有效途径。

越来越多的证据表明，益生元通过调节共生肠道细菌的结构，增强了机体缓解肠道疾病的能力。例如，体外实验发现口服β-葡聚糖可以提高乳酸杆菌的丰度，降低志贺杆菌的丰度。而乳酸杆菌已被证明可以通过调节免疫反应来改善结肠炎症。有研究发现，灵芝多糖可以通过调节肠道菌群结构和免疫细胞的功能，帮助宿主抑制结肠炎症和肿瘤的发生。根据以往的报道，益生元的抗炎作用主要是通过调节肠道菌群或分泌短链脂肪酸（SCFAs）来实现的。例如，芦荟多糖或β-葡聚糖通过调节肠道菌群和提高SCFAs浓度来缓解葡聚糖硫酸钠（Dextran sulfate sodium，DSS）诱导的UC。这些研究表明，通过摄入特定益生元来调节共生肠道细菌的结构可能是缓解肠道炎症严重程度的一种有效策略。

水苏糖作为一种天然的益生元，传统上是从植物中提取的，如蔬菜。由于水苏糖在调节肠道平衡和保护人体健康方面的潜在作用，它已被应用于一些保健食品和功能食品中。值得注意的是，越来越多的研究表明水苏糖在调节肠道菌群结构方面具有潜在的作用。例如，水苏糖可以增强肠道有益菌的相对丰度和肠道细菌多样性，从而减轻小鼠急性结肠炎。水苏糖可以选择性增强Akkermansia的相对丰度，通过减少TNF-α-刺激HT-29细胞中IL-8的分泌，显著缓解DSS诱导的UC。此外，也有报道表明，添加水苏糖可以增加肠道中有益代谢物的含量，如SCFAs，其中主要包括乙酸和丙酸。值得注意的是，口服乙酸盐已被证明能够通过恢复肠道通透性显著改善DSS诱导的结肠炎。乙酸和丙酸单独或联合治疗可通过逆转高脂肪饮食诱导的T细胞极化来减轻炎症反应。因此，水苏糖可能是预防或缓解肠道疾病的有效营养物质。

江南大学翟齐啸教授以及西南大学食品科学学院王晨副教授等 在本文中采用DSS诱导UC小鼠，检测水苏糖的抗炎作用，并评估水苏糖对小鼠体重和结肠组织长度的变化、肠道菌群的调节、对促炎细胞因子水平的抑制以及对肠道屏障的保护作用。此外，还评估了水苏糖与血清样本代谢谱的关系，以阐明水苏糖改善UC的潜在机制。

Results and Discussion

水苏糖对UC小鼠生理指标的影响

DSS处理可显著降低小鼠体重和结肠组织长度（图1）。与DSS处理的小鼠相比，补充水苏糖可以显著缓解这些生理指标，包括体重的下降和结肠组织变短。

图1水苏糖对小鼠生理指标的保护作用

水苏糖对肠道菌群结构的影响

在门水平上，厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）、疣菌门（Verrucomicrobia）、脱铁菌门（Deferribacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）是粪便样品中所有类群中数量最多的类群。与对照组相比，DSS诱导的结肠炎小鼠的Deferribacteria、Proteobacteria和Verrucomicrobia的丰度明显升高，Bacteroidetes和Firmicutes的丰度降低。添加水苏糖可恢复肠道菌群结构结构，使其更加接近对照组（图2）。

图2 水苏糖对小鼠肠道菌群的调节作用（门水平）

在属水平上，DSS可以显著降低alpha-多样性，但添加水苏糖对α-多样性指数没有显著影响（图3A）。主坐标分析（PCoA）和热图分析发现，DSS组的肠道菌群组成与其他两组有显著差异（图3B和3D）。此外，LEfSe分析结果发现，DSS处理可以显著提高Escherichia_Shigella、Parabacteroides、Romboutsia和Turicibacter的丰度，降低Alistipes和Roseburia等的丰度。相反，口服水苏糖可以恢复DSS处理对这些肠道细菌的影响（图3C）。

图3 水苏糖对小鼠肠道菌群的调节作用（属水平）

水苏糖对血清样本代谢组的影响

代谢组结果显示，在血清样本中，共鉴定出173个血清代谢物。最终得到组间共有23个biomarkers变量，其分布如图6D所示。DSS组肌苷、次黄嘌呤、(+/-)11(12)-eet、油酸和黄嘌呤的浓度较高，L-苯丙氨酸、棕榈肉碱、肉豆花酸、二十碳五烯酸、反式3-吲哚丙烯酸、L-(-)-蛋氨酸、L-(+)-乳酸、dl -色氨酸、棕榈油酸、花生四烯酸和11(Z)、14(Z)、17(Z)-二十三烯酸的浓度较低。然而，口服水苏糖可恢复这些变化。这些潜在生物标志物的富集分析结果(图6E)显示，富集的代谢途径主要包括“不饱和脂肪酸的生物合成”、“嘌呤代谢”、“苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成”。因此，这些数据表明，水苏糖干预改变UC小鼠的血清代谢。

图4 水苏糖对小鼠血清代谢产物的影响

肠道微生物属与代谢产物指标的关系

热图显示了相关程度，结果显示这些血清代谢物与微生物属密切相关。值得注意的是，23个代谢物生物标志物与18个差异属之间存在显著的相关性。这些结果表明，水苏糖可能通过调节肠道菌群来调节血清代谢，进而影响全身炎症反应。

图5 采用Spearman相关分析方法研究差异较大的肠道细菌与潜在代谢物生物标志物之间的关系

第一作者

王晨，男，博士，西南大学食品科学学院副教授，主要研究方向为食品生物技术、益生菌开发及功能评价、天然活性成分与肠道菌群的互作。第一或共一作者在国内外期刊公开发表学术论文10余篇，授权国家发明专利1件。

第一作者

白俊英，女，博士，西南大学柑桔研究所讲师，主要研究方向为功能性成分挖掘、功能评价及作用机制研究等。以一作在国内外公开发表学术论文10余篇。

通信作者

翟齐啸，教授，博士生导师，江南大学发展规划与学科建设处处长助理。主要从事益生菌理论与技术及肠道微生物功能挖掘相关研究，国家优秀青年基金及江苏省优秀青年基金获得者，入选农业农村部农业科研杰出人才，江苏省特聘教授。以第一作者或通讯作者发表SCI科研论文85篇，获中国授权专利51项，国际授权专利6项。主持国家自然科学基金青年、面上、国家十三五重点研发计划子课题等科研项目11项，获国家技术发明奖二等奖、中国专利奖金奖等国家与省部级奖励5项。兼任江苏省青年科技工作者协会会员，担任《Food Science and Human Wellness》副主编、《Engineering》、《Journal of Future Foods》编委等职务。

Stachyose modulates gut microbiota and alleviates DSS-induced ulcerative colitis in mice

Chen Wanga,b,c,1, Junying Baia,b,c,1, Botao Wangb,d, Leilei Yub,c, Fengwei Tianb,c,e, Jianxin Zhaob,c, Hao Zhangb,c,e,f, Huayi Suoa, Wei Chenb,c,e, Qixiao Zhaib,c,*

a College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China

b State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

c School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

d Bloomage Biotechnology Co., Ltd., Jinan 250000, China

e National Engineering Research Center for Functional Food, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

f Wuxi Translational Medicine Research Center and Jiangsu Translational Medicine Research Institute Wuxi Branch, Wuxi 214122, China

1 Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

Stachyose is a prebiotic that traditionally extracted from plants, such as vegetable. It has been demonstrated to alleviate intestinal inflammation by regulating gut microbiota, but the mechanism has been unclear. This research aims to detect the potential mechanism of stachyose in alleviating the severity of ulcerative colitis (UC). The results indicated that the administration of stachyose could recover the body weight, protect against the colonic tissue damage, reduce the pro-inflammatory cytokines levels, and reverse the histological abnormalities in UC mice. Oral stachyose could restore DSS-induced disturbance in intestinal bacteria. Besides, the metabolome result of serum samples showed that stachyose treatment significantly altered serum metabolites against inflammatory responses in colitis mice. Also, a significant correlation can be found between 23 metabolite biomarkers and 18 differential genera. Our results provided a strong foundation for the future study of the protective role of stachyose in maintaining intestinal homeostasis.

Reference:

WANG C, BAI J Y, WANG B T, et al. Stachyose modulates gut microbiota and alleviates DSS-induced ulcerative colitis in mice[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(6): 2211-2220. DOI:10.1016/j.fshw.2023.03.041.

文章编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

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