科研丨大连工大: 海参硫酸多糖和加氏乳杆菌协同改善小鼠肠道菌群改变引起的超重(国人佳作)

编译：微科盟Sky蓝

编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读

海参硫酸多糖(SCSPsj)已被发现可以通过促进益生菌的生长来调节肠道菌群。然而，SCSPsj与益生菌联合使用的效果尚不清楚。因此，本研究旨在通过肠道菌群和代谢组学分析，探究SCSPsj和加氏乳杆菌(Lactobacillus gasseri)对肠道菌群改变小鼠的影响。在本研究中，补充SCSPsj、L. gasseri或SCSPsj和L. gasseri联合使用可有效改善低剂量青霉素处理引起的肠道菌群改变小鼠的体重和脂肪积累。SCSPsj和L. gasseri联合使用的效果更好，这主要归因于SCSPsj和L. gasseri的协同作用。16S rRNA测序结果显示，SCSPsj和L. gasseri联合使用可通过增加乳杆菌(Lactobacillus)和减少Coriobacteriaceae UCG-002协同改善肠道菌群失调。此外，代谢组学结果显示，SCSPsj和L. gasseri联合使用可通过降低血清样本中脂质和类脂分子(如反式-11-十八烯酸和3-羟基-5-胆甾烯)的水平来缓解代谢紊乱。本研究的结果证明，SCSPsj和L. gasseri协同作用有益于宿主健康，有利于其在功能性食品中的进一步应用。

论文ID

原名：Sea cucumber sulfated polysaccharides and Lactobacillus gasseri synergistically ameliorate the overweight induced by altered gut microbiota in mice

译名：海参硫酸多糖和加氏乳杆菌协同改善小鼠肠道菌群改变引起的超重

期刊：Food & Function

IF：6.317

发表时间：2023.3

通讯作者：宋爽

通讯作者单位：大连工业大学食品学院

DOI号：10.1039/d2fo03933h

实验设计

结果与讨论

1. SCSPsj和L. gasseri联用减少了体重和脂肪积累

低剂量青霉素是一种破坏肠道菌群的模型药物。在用低剂量青霉素治疗30天后，小鼠体重增加明显，脂肪积累比正常组多(图S1A-C)。青霉素组的LEE's指数显著升高，表明小鼠变得肥胖(图S1D)。此外，MRS平板检测结果显示，给药青霉素的小鼠粪便中乳酸菌明显减少(图S1E)。这些结果表明，低剂量青霉素改变了微生物组成，并进一步影响了小鼠的体重。先前的研究表明，低剂量青霉素处理降低了厚壁菌门(Firmicutes)的丰度，甚至降低了乳杆菌属(Lactobacillus)的丰度。越来越多的证据表明，改变的肠道菌群影响代谢性疾病的发展。补充益生菌和益生元成分的组合被认为是合生元，是一种有前景的干预措施，可以靶向干预肠道微生物群来减少肥胖。本研究将其提供给肠道菌群受损的小鼠，以研究SCSPsj和L. gasseri联合使用的效果。 正常组和模型组小鼠给予无菌水。其他肠道菌群改变的小鼠分别给予SCSPsj、L. gasseri或SCSPsj和L. gasseri联合治疗。20 d后，SCSPsj+L. gasseri组小鼠体重已恢复至接近正常组小鼠的水平(图1A)。给予SCSPsj或L. gasseri也能显著降低小鼠体重，但效果弱于SCSPsj+L. gasseri组。与模型组相比，SCSPsj+L. gasseri组附睾脂肪重量显著降低(图1B)。SCSPsj+L. gasseri组的LEE's指数显著降低(图1C)。此外，SCSPsj+L. gasseri组摄食量降低至模型组的89.6％ (图1D)。磁共振结果表明，补充SCSPsj和L. gasseri的组合可以显著改善脂肪积累(图1E-F)。此外，SCSPsj或L. gasseri可以控制附睾脂肪组织的形态，尤其是在SCSPsj+L. gasseri组中(图1G)。结果表明，SCSPsj和L. gasseri联合使用可显著改善肠道菌群改变小鼠的体重和脂肪积累，且效果比单独使用SCSPsj或L. gasseri更好。SCSPsj或L. gasseri改善体重和脂肪积累的作用可能与摄入量的降低有关。然而，在SCSPsj+L. gasseri组、SCSPsj组和L. gasseri组之间无显著性差异，这表明SCSPsj和L. gasseri组合的更好效果与日常摄入量无关。这些结果表明，改变肠道菌群导致的超重不会自发恢复。在没有饮食干预的情况下，这种超重不能随着时间的推移而消失。补充SCSPsj和L. gasseri的组合在改善超重方面具有最佳效果。

先前的研究发现，肠道微生物生态失调与超重和肥胖有关，因为它影响了宿主的代谢和能量储存。补充SCSPsj或L. gasseri通过降低每日摄入量改善了肠道菌群改变小鼠的体重。但模型组与SCSPsj+L. gasseri组之间无显著性差异，这表明SCSPsj与L. gasseri联用改善超重的作用不是由于减少食物摄入或能量提取。此外，肠道菌群已被认为是超重和肥胖发病机制中的重要环境因素。SCSPsj与L. gasseri联合使用可以通过恢复肠道菌群失调来改善肠道菌群改变小鼠的体重和脂肪积累。

图1小鼠体重及脂肪积累状况。体重(A)、附睾脂肪重量(B)、LEE's指数(C)、每日摄入量(D)、磁共振成像脂肪分布(E)、体成分(F)和附睾脂肪组织形态(G)的变化。数据以均值±SD表示( n = 9)。显著性差异基于单因素方差分析和Duncan多重极差检验，*代表p < 0.05。

2. SCSPsj和L. gasseri联用对血清脂质指标的影响

肥胖伴随着血清血脂的异常变化。在血脂谱方面，甘油三酯、总胆固醇、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)水平无显著差异(图2A-C)。但SCSPsj和L. gasseri联合添加以及L. gasseri添加均显著降低了LDL-C水平(图2D)。结果表明，改变肠道菌群引起了低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)的变化，但尚未引起甘油三酯、总胆固醇和HDL-C的变化。高浓度的LDL-C会威胁宿主的健康，并与超重引起的疾病呈正相关。SCSPsj+L. gasseri组和L. gasseri组降低LDL-C的作用可能与乳杆菌(Lactobacillus)的作用有关。先前的研究发现，补充乳杆菌可以降低宿主体内胆固醇水平，从而预防宿主超重。

图2小鼠血脂谱。甘油三酯(A)、总胆固醇(B)、HDL-C (C)、LDL-C (D)。数据以均值±SD表示( n = 9)。显著性差异基于单因素方差分析和Duncan多重极差检验，*代表p < 0.05。

3. SCSPsj和L. gasseri联用改善肠道菌群失调

肠道菌群与宿主健康的相关性引起了人们广泛的关注。本研究通过16S rRNA测序分析肠道菌群组成。Alpha多样性分析显示，各组间Shannon和Simpson指数无显著差异，表明各组间肠道菌群多样性相似(表S1)。肠道菌群在门水平的相对丰度如图3A所示。肠道菌群在门水平相对丰度的饼状图显示，模型组厚壁菌门的丰度低于正常组(图S2)。与正常组相比，模型组拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和部分细菌的相对丰度发生改变。给予SCSPsj、L. gasseri或SCSPsj+L. gasseri组合后，肠道菌群在门水平的组成与模型组有差异。采用LEfSe分析鉴定正常组和模型组之间肠道菌群的变化(图3B)。结果表明，正常组中一些属水平上的细菌显著增加，包括乳杆菌、Intestinimonas、Lachnospiraceae NK4A136 group、[Eubacterium] Coprostanoligenes group、Uncultured bacterium of Lachnospiraceae、Odoribacter和螺杆菌(Helicobacter)。值得注意的是，一些潜在的致病菌在模型组中显著高于正常组，如丹毒丝菌科(Erysipelotrichaceae)和Escherichia-Shigella。结果表明，模型组小鼠肠道微生物群发生生态失调。进一步分析前15个OTUs的相对贡献(图3C)。与模型组相比，其他组有2个OTUs差异显著，包括乳杆菌和Bacterium_of_Lachnospiraceae。此外，SCSPsj+L. gasseri组、SCSPsj组和L. gasseri组分别对Coriobacteriaceae_UCG-002、Bacterium_of_Lachnospiraceae和鲸杆菌属(Cetobacterium)具有显著的调节作用(p < 0.05)。分析各组小鼠肠道菌群在属水平的相对丰度(图3D)。结果显示，与模型组相比，乳杆菌的相对丰度在SCSPsj+L. gasseri组和SCSPsj组中显著升高。在正常组中一些细菌的相对丰度显著较高，包括Intestinimonas、Lachnospiraceae NK4A136 group和Bacterium_of_Lachnospiraceae。此外，Coriobacteriaceae_UCG-002在模型组和SCSPsj组中的相对丰度显著高于其他组。

模型组潜在致病菌的丰度增加，如Escherichia-Shigella。由此可以推测，肠道菌群改变的小鼠发生了菌群失调。以往研究表明，Escherichia-Shigella与超重和肥胖呈正相关。此外，Coriobacteriaceae_UCG-002属也在模型组中积累，与血脂水平和肥胖呈正相关。但模型组与SCSPsj组之间Coriobacteriaceae_UCG-002的丰度无差异，表明SCSPsj的有益作用可能与Coriobacteriaceae_UCG-002无关。在L. gasseri组中，Coriobacteriaceae_UCG-002的丰度显著降低，而乳杆菌的丰度没有显著增加。这可能与乳杆菌较难在宿主肠道中定植有关。以前的报告发现，生态位限制了口服益生菌在粘液层中的粘附和定植。然而，补充SCSPsj能显著增加乳杆菌的数量。这可能与SCSPsj促进宿主肠道中残留乳杆菌的作用有关，这与以往的研究一致。值得注意的是，补充SCSPsj和L. gasseri的组合可以通过增加乳杆菌和减少Coriobacteriaceae_UCG-002来有效改善肠道菌群失调。SCSPsj和L. gasseri联合使用的效果更好，这可能是由于SCSPsj和L. gasseri的协同作用。以前的报告也发现，合生元比单独补充益生菌更有效地通过靶向肠道菌群改善超重。

图3小鼠肠道菌群组成。肠道菌群在门水平的分布情况(A)、LEfSe分析中LDA得分前15个(B)、前15个OTUs相对贡献的热图(C)、所有组中基于前15个OTUs的属水平细菌分布(D)。数据以均值±SD表示(n = 8)。显著性差异基于单因素方差分析和Duncan多重极差检验，*代表p < 0.05。

4. SCSPsj和L. gasseri联用调节代谢物变化

代谢性疾病是肥胖和超重引起的，对宿主的健康构成威胁。采用非靶向代谢组学方法评估SCSPsj、L. gasseri或SCSPsj和L. gasseri联合使用对肠道菌群改变小鼠的影响。小鼠的血清和粪便样品通过HPLC-tripleTOF进行分析。主成分分析(PCA)结果显示，各组间代谢物谱存在差异(图S3)。采用正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)模型分析正常组与模型组之间的差异代谢物(图S4)。如图4A所示，根据变量投影重要性(VIP值> 1.0, p < 0.05)，从血清样品中共筛选出17种代谢物。此外，粪便样品中的21种代谢物在正常组和模型组之间存在显著差异(图4B)。这些代谢物中35.3%属于脂质和类脂分子，而血清样品中17.6%的代谢物被归类为有机杂环化合物或有机酸及其衍生物(图4C)。结果显示，与正常组相比，模型组小鼠脂质和类脂质分子聚集，包括3β-羟基-5-胆甾烯、棕榈酸、亚油酸和反式-11-十八烯酸。这可能与肠道菌群改变的小鼠超重有关。此外，粪便样品中23.8%的代谢物为脂质和类脂分子，19%为有机杂环化合物，14.3%为有机酸及其衍生物(图4D)，表明粪便样品中主要变化的代谢物为脂质和类脂分子。模型组的脂质和类脂分子水平升高，如棕榈酸、反式-11-十八烯酸和十八烷酸。此外，模型组显著积累了4-氯苯酚，4-氯苯酚被认为是一种有机污染物。可以推测，肠道菌群改变的小鼠体内发生了代谢紊乱。

根据京都基因与基因组百科全书数据库(KEGG)进行富集分析，进一步分析这些差异代谢物影响的代谢通路。如图5A所示，血清样品中的差异代谢物显著影响了不饱和脂肪酸的生物合成途径、色氨酸代谢途径和亚油酸代谢途径。此外，粪便样品中的差异代谢物能够显著影响不饱和脂肪酸的生物合成和核黄素代谢(图5B)。多个脂质代谢途径也受到影响，如脂肪酸延伸和脂肪酸降解。对脂质代谢的影响可能是导致肠道菌群改变小鼠超重的主要原因。

图4代谢物谱分析。血清样品(A)或粪便样品(B)中代谢物的热图，血清样品(C)或粪便样品(D)中显著差异代谢物的分类。

图5代谢通路分析。血清样品(A)或粪便样品(B)中代谢物的富集分析。

采用t检验进一步分析补充SCSPsj、L. gasseri或SCSPsj和L. gasseri组合后显著变化的代谢物。在血清样品中，与模型组相比，SCSPsj+L. gasseri组有10个代谢物被显著调节(图6A)。在SCSPsj组和L. gasseri组中，分别有4个和11个代谢物被显著调节(图6B和C)。结果表明，添加SCSPsj、L. gasseri或SCSPsj和L. gasseri的组合均能显著降低脂质和类脂分子。在模型组中积累的两种脂质和类脂分子被SCSPsj+L. gasseri组调节，包括反式-11-十八烯酸和3β-羟基-5-胆甾烯。在SCSPsj组和L. gasseri组中，仅有一个脂质和类脂分子被调节。此外，粪便样品中的代谢物也受到SCSPsj、L. gasseri或SCSPsj和L. gasseri组合的显著调节(图6D-F)。可以发现，与模型组相比，SCSPsj+L. gasseri组、SCSPsj组和L. gasseri组粪便样品中的脂质和类脂分子均无显著变化。但4-氯苯酚在SCSPsj+L. gasseri组、SCSPsj组和L. gasseri组中显著降低。 SCFAs是与宿主健康相关的最终微生物代谢产物。通过GC-MS检测粪便样品中SCFAs的含量。结果显示，除戊酸外，SCFAs之间无显著性差异(图S5)。在SCSPsj+L. gasseri组中，戊酸含量显著高于模型组。可以推测，SCFAs对肠道菌群改变的小鼠的影响有限。

这些结果表明，补充SCSPsj、L. gasseri或SCSPsj和L. gasseri的组合可以显著调节小鼠的代谢物。SCSPsj与L. gasseri联用在降低血清样本中的脂质和类脂分子水平方面表现出更好的效果，如反式-11-十八烯酸和3β-羟基5-胆甾烯。反式-11-十八烯酸的血液含量越高，患癌风险越高。胆固醇是3β-羟基5-胆甾烯的同义词，与其他不饱和脂质一样易受过氧化修饰。可以发现，L. gasseri组显著降低了3β-羟基5-胆甾烯的含量，但SCSPsj组没有这种效果。这可能与SCSPsj和L. gasseri的协同作用有关。此外，SCSPsj、L. gasseri或SCSPsj和L. gasseri联合处理的粪便样品中脂质和类脂质分子没有显著变化。然而，SCSPsj和L. gasseri的作用可能是通过降低有害化合物的含量，如4-氯苯酚，从而改善肠道菌群失调。此外，合生元可以增强益生菌或益生元的效果。前期研究发现，丹参多糖与益生菌联合应用可通过调节肠道菌群和胰岛素抵抗来改善小鼠非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的症状。因此，SCSPsj与L. gasseri复配可作为合生元，在功能性食品中具有应用潜力。

图6 差异代谢物分析。模型组与SCSPsj+L. gasseri组(A)、模型组与SCSPsj组(B)、模型组与L. gasseri组(C)之间血清样本中显著变化的代谢物，模型组与SCSPsj+L. gasseri组(D)、模型组与SCSPsj组(E)、模型组与L. gasseri组(F)之间粪便样本中显著变化的代谢物。

结论

在肠道菌群改变的小鼠中，与单独添加SCSPsj或L. gasseri相比，SCSPsj和L. gasseri联合使用在改善超重和脂肪积累方面表现出更好的效果。与SCSPsj或L. gasseri相比，SCSPsj和L. gasseri的组合通过增加乳杆菌和减少Coriobacteriaceae_UCG-002来协同改善肠道菌群失调。此外，与SCSPsj或L. gasseri相比，SCSPsj与L. gasseri联合使用可有效调节更多的血清代谢物，包括反式-11-十八烯酸和3 β-羟基5-胆甾烯。本研究的结果证明，SCSPsj和L. gasseri具有协同促进宿主健康的作用，有利于其在功能性食品中的进一步应用。