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Introduction
透明质酸（Hyaluronic acid，HA），亦称为玻尿酸，是糖胺聚糖（Glycosaminoglycans，GAGs）家族的重要成员。HA可来源于动物组织或微生物发酵，广泛应用于膳食补充剂、功能性食品及药物辅料等领域。口服HA制剂已被证实具备多种生物学功能，包括抗炎作用、缓解膝关节疼痛、提升皮肤水分含量及缓解慢性疼痛。值得注意的是，HA的生物活性受其分子量（molecular weight，MW）显著影响，这一特性近年来受到广泛关注。
研究表明，肠道微生物群能够降解HA，并在人体肠道中鉴定出一类具有分解高分子量HA能力的特异性杆菌。已有研究报道的HA分子量范围介于1~500 kDa。然而，即便是具有相同化学组成的多糖，其生物活性和代谢归宿也可能截然不同。适宜分子量的多糖通常展现出良好的抗氧化活性，但具体分子量区间会因样品来源而异。尽管如此，目前对于肠道微生物如何降解HA寡糖（oligosaccharides of HA，o-HAs）以及o-HAs与微生物群之间的相互作用机制仍不清晰。
由于肠道菌群可在药物吸收前对其进行代谢，因而对药物的生物利用度具有重要影响。阐明肠道菌群在药物代谢中的作用，有助于解释其药代动力学特征的变化。肠道微生物群在维持肠道上皮稳态、预防肠道屏障受损等方面发挥关键作用，因而对宿主整体生理功能和健康状态具有深远影响。据此推测，o-HAs可能通过调节肠道微生态发挥其生物学效应。
自动化控制的模拟胃肠系统（SIMGI）通过模拟人类消化道环境，精确调控生理参数，是研究膳食成分对肠道微生物群及其代谢影响的重要工具。已有研究表明，该多阶段动态模型能够有效模拟升结肠（AC）、横结肠（TC）及降结肠（DC）中肠道微生物群的演化动态。SIMGI系统结合计算机控制模块与生理参数设置，能模拟益生元对肠道微生物群落的潜在有益调节作用。
因此，通过解析微生物群的响应特征，有助于揭示o-HAs的代谢归宿及其潜在的健康效应。在本研究中，作者利用模拟分批发酵系统，探究了o-HAs对厌氧肠道微生物群的调节作用。具体而言，研究在SIMGI系统中接种肠道菌群，评估o-HAs的降解与发酵过程。通过16S rDNA测序技术分析o-HAs对肠道菌群结构的影响，并结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术测定发酵过程中短链脂肪酸（SCFAs）的变化水平。SCFAs的产生被视为微生物活性的代谢指标，并可与微生物丰度相关联。进一步结合京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库，对o-HAs的潜在肠道代谢路径进行功能预测。
综上所述，本研究聚焦于相对低分子量（约1 kDa）o-HAs的益生元潜力及其在肠道菌群中的降解特性。相关结果为理解o-HAs的生物利用度及其在营养与药物开发中的应用前景奠定了理论基础。
结果与探讨
o-HA的生产和表征
HA的分子量决定了多糖的功能。为了生产o-HAs，作者发酵LHyal以水解高分子量HA。在108 h时测量细胞外LHyal活性（1.62 ± 0.06）×106 U/mL）（图2B），并使用Ni柱纯化LHyal。如前所述，HA被LHyal水解为HA2n（n=1~5）（图2A）。作为后续研究，通过HPLC-MS/MS分析了反应混合物，发现n=2~4（图2C）。
图2透明质酸酶的制备和o-HAs的表征
o-HAs对微生物群的影响Chao1和Faith的系统发育多样性指数是微生物群丰度的指标（图3A）。与HA组相比，DC中Con组在微生物多样性方面表现出显著差异。Simpson和Shannon指数在Con和HA组之间显示出相似的趋势，其中微生物多样性增加然后减少，这可能是由于营养摄入后微生物多样性的下降。HA组在DC中的多样性低于Con组，这可能归因于o-HAs对有害细菌的抑制。非度量多维尺度（NMDS）显示Con组和HA组之间存在显著差异，表明o-HAs影响微生物多样性。
图3 o-HAs对肠道菌群物种丰富度和丰度的影响
o-HAs对肠道微生物组成的影响门水平微生物群落分析显示，变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和梭杆菌门是主要分类群（图4A）。4 种肠道微生物（即变形菌门、拟杆菌门、放线菌门和梭杆菌门）的相对丰度表现出显着变化。结果表明，HA和Con组在属水平上几个属的丰度存在显著差异。具体来说，双歧杆菌、Prevotellaceae_Prevotella、Dialister、Eubacterium和Sutterella在HA组中的丰度明显更高，而其他几个属的丰度，包括Catenibacterium、Oscillospira、Klebsiella和Citrobacter与Con组相比，显著降低。这些结果为HA对肠道微生物组组成的潜在影响提供了有价值的见解。
图4OTU水平肠道菌群的变化和差异
o-HAs对肠道微生物相互作用的影响通过鉴定在属水平上具有显着差异的微生物组，构建了一个共线网络（*P < 0.05）。图5A显示HA干预后，与双歧杆菌、乳酸菌、Dialister、Micromonospora、Prevotellaceae_Prevotella、乳球菌、真杆菌、Strenotrophomonas、Ochrobactrum和柠檬酸杆菌的通用水平相关性显着增加是最普遍的相关细菌。然后使用LEfSe分析不同的微生物群落（图5B，*P < 0.05）。通过对样本进行聚类以构建聚类树来研究不同样本之间的相似性（图5C）。此外，微生物群受到o-HAs（前20名）的显著调节（图5C）。线性判别分析（LDA）（图5D）可用于研究种群之间差异显著的微生物群落。
图5微生物在属水平上的相关网络分析
o-HA对SCFA的影响SCFA是由肠道微生物组降解难以消化的多糖产生的。如图6A所示，HA组中SCFA的浓度，包括乙酸（0.38 vs. 0.16 mmol/L，***P < 0.001）、丙酸（0.24 vs. 0.13 mmol/L，**P < 0.01）和正丁酸（0.28 vs. 0.17 mmol/L，**P < 0.01），在TC中显著高于Con组。这些变化与AC和DC的变化相匹配（图6A&B）。双歧杆菌与Prevotellaceae_Prevotella、Dialister和乳酸菌呈正相关，与梭杆菌、克雷伯菌和柠檬酸杆菌呈负相关（图6C）。图6D显示了o-HAs干预后SCFAs与微生物群落之间的显著相关性。
图6 o-HAs对体外发酵过程中微生物功能的影响
o-HAs对肠道微生物代谢的影响
通过将微生物测序结果与KEGG通路数据库进行比较，确定了o-HAs微生物代谢的显著不同代谢途径和关键途径。如图7D所示，编码戊糖和葡萄糖醛酸相互转化的7 个基因的表达，包括D-阿拉伯糖醇4-脱氢酶[EC：1.1.1.1.11]和核糖醇2-脱氢酶[EC：1.1.1.56]，表达下调。编码耐药酶的6 个基因的表达下调，包括传感器组氨酸激酶PhoQ [EC：2.7.13.3]和传感器组氨酸激酶BasS [EC：2.7.13.3]（图7E）。CAMP是治疗对传统抗生素耐药的病原体的最有前途的选择之一。
图7 o-HAs对体外发酵过程中微生物功能的影响
作者简介
第一作者
高欣伟，江南大学生物工程学院2021级博士研究生，主要研究方向为不同分子量透明质酸的功能以及人工改造益生菌产透明质酸。
通信作者
康振，教授/博士生导师，从事微生物合成生物学与代谢工程、酶工程研究，江苏省杰出青年基金获得者，糖化学与生物技术教育部重点实验室副主任。主要承担合成生物学、微生物学课程的讲授工作。近年在NatureCommunications、ACSCatalysis、GreenChemistry、MetabolicEngineering等主流杂志发表研究论文68 篇，他引1 000多次，出版专著（或教材）3 部；授权中国发明专利45 件，美国发明专利4 件；主持包括国家自然科学基金、国家重点研发课题、江苏省科技支撑等在内的省部级纵向与企业横向项目22 项；入选江苏省“六大人才高峰”、济南市“泉城学者”等人才计划，担任江苏省生物技术协会青年专家委员会副主任、中国生化制药协会糖类药物分会第一届专家委员会委员、BMCBiotechnology副编辑、EnzymeandMicrobialTechnology、FrontiersinBioengineeringandBiotechnology、BiotechnologyLetters杂志编委，中国微生物学学会会员。相关糖胺聚糖及其寡糖等多项微生物生产技术已经实现产业化，所构建枯草芽孢杆菌的食品级表达系统已经被国际知名的MoBiTecGmbH公司商业化。
Characterization of the effects of hyaluronan oligosaccharides on human gut microbiota using a simulated batch fermentation system
Xinwei Gaoa,b,c, Hongkang Zhud, Litao Hua,b,c, Jieyu Suna,b,c, Wenjie Zuoa,b,c, Ping Liua,b,c, Yang Wanga,b,c, Guocheng Dua,b,c,*, Zhen Kanga,b,c,*
a The Science Center for Future Foods, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
b The Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
cThe Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
dSchool of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
*Corresponding authors.
Abstract
The prebiotic effects of hyaluronan (HA) are widely recognized, contributing to improved gut health and immune modulation. Despite its extensive use as dietary supplement, the specific interactions between HA oligosaccharides (o-HAs) and the gut microbiome remain largely unexplored. To investigate its role and metabolic fate in gut homeostasis, 200 mg/day of o-HAs (average molecule weight 1 kDa) were added to an automated computer-controlled SIMulator of the Gastrointestinal tract (SIMGI). The results revealed a significant reshaping of the intestinal flora composition by o-HAs, notably reducing the Firmicutes/Bacteroides ratio. Fermentation of o-HAs by gut microbiota significantly increased the abundance of Bifidobacterium, Prevotellaceae_Prevotella, Dialister, Eubacterium, and Sutterella, but decreased that of Catenibacterium, Oscillospira, Klebsiella, and Citrobacter (P < 0.05). This corresponded with significant enhancements in the content of short-chain fatty acids (SCFAs) such as acetic acid, propionic acid and n-butyric acid, highlighting the significant impact of o-HAs at the genus level. Furthermore, analysis of microbial function predicted the downregulation of pathological events in nine human diseases, particularly infectious ones (parasitic and bacterial). Potential inhibitions were observed in metabolic pathways associated with pentose and glucuronate interconversions as well as cationic antimicrobial peptide resistance. These findings underscore the in vitro prebiotic effects of o-HAs and their potential relevance in managing diverticular diseases or preventing metabolic disorders through the regulation of gut microbiota.
Reference:
GAO X W, ZHU H K, HU L T, et al. Characterization of the effects of hyaluronan oligosaccharides on human gut microbiota using a simulated batch fermentation system[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(6): 9250135. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250135.
本文编译内容由作者提供
编辑：王佳红；责任编辑：孙勇
封面图片：图虫创意
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