FSHW | 低聚海藻酸钠与矢车菊素-3-O-葡萄糖苷协同改善小鼠肠道屏障功能

2023-12-07 23:53:40

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Introduction

肠道不仅是消化和营养吸收的主要部位，也是免疫系统最大的器官，为防止细菌、毒素和抗原进入体内提供先天性屏障。因此，一个功能良好的肠道在维持人类健康和预防疾病中发挥着重要作用。然而，生活节奏的加快和现代饮食的过度精制使肠道面临越来越大的压力和挑战。研究表明，肠道功能紊乱与糖尿病、肥胖、高血压、食物过敏等密切相关。

膳食活性物质会对胃肠道功能产生重大影响，进而影响整体健康。益生元和多酚被公认为是有益于肠道健康的饮食因素。非消化性低聚糖是重要的益生元，通过选择性地刺激与健康相关的微生物群落的增殖和代谢活动，同时降低致病菌的负荷，协助创造和维持最佳的胃肠道环境。然而，由于在前肠存在消化吸收阻力，低聚糖对肠道健康的影响主要归因于对肠道微生物的调节作用。

多酚类物质是植物代谢产物中数量最多、分布最广的一类，是人类和动物饮食中不可或缺的组成部分，具有广泛的生物活性，包括抗氧化、抗炎、抗菌和抗病毒功能。新近研究发，多酚还能通过直接或间接作用调节肠道细胞功能，包括通过影响肠道微生物群和免疫系统。

Results and Discussion

AOS、C3G及AOS+C3G对小鼠体质量及内脏指数的影响

鉴于膳食低聚糖和膳食多酚在调节肠道菌群和促进肠道细胞功能方面的特点，推测膳食低聚糖和膳食多酚可能协同作用增强对肠道健康的改善作用。结果表明，在饮食干预实验4周期间，各组小鼠体质量均稳定增加，各组间没有显著差异（图1A），但脾脏指数和胸腺指数均有不同程度升高（图1B和图C），与对照组（2.09±0.15）相比，AOS组、C3G组和C3G+AOS组的脾脏指数分别升高至（2.48±0.22）、（2.22±0.19）和（2.38±0.12）。同时，C3G组和C3G+AOS组胸腺指数增强，分别由（1.95±0.16）升高至（2.4±0.25）和（2.44±0.18）。

图1 AOS、C3G及AOS+C3G对小鼠体质量及内脏指数的影响

C3G、AOS、AOS+C3G对肠上皮屏障的影响

本研究中，组织学检查显示各组空肠完整，无炎症细胞浸润，绒毛完整有序（图1A）。而C3G、AOS和AOS+C3G处理后，V/C比值显著升高（P＜0.05，图1B）。与对照组（3.18±0.11）相比，AOS组、C3G组和AOS+C3G组V/C比值分别升高至（3.72±0.10）、（3.85±0.09）和（4.06±0.13）。肠上皮细胞旁屏障功能被认为是由紧密连接蛋白（包括claudin-1, occludin和zonula occludens-1）调节的。根据目前的研究结果，通过补充AOS或C3G，这些蛋白的表达可以有效上调（P＜0.05，图2C-E）。有趣的是，当AOS+C3G混合物给药时，claudin-1和occludin水平进一步升高。血清D-乳酸是监测肠道通透性变化的良好指标。在本研究中，AOS或C3G处理28 d后，血清D-乳酸浓度显著降低，尤其是AOS+C3G组，D-乳酸水平从对照组的7.25 μmol/L降至5.85 μmol/L（图2F）。这些结果清楚地表明，AOS与C3G联合更有利于促进肠上皮屏障。

图2 C3G、AOS及AOS+C3G对肠上皮屏障的影响

C3G、AOS及AOS+C3G对肠道黏液屏障的影响

由于黏液屏障在维持肠道屏障稳态中也起着重要作用，随后研究了AOS、C3G和AOS+C3G对小鼠肠道黏液屏障功能的影响。PAS染色结果显示，各组小鼠结肠杯状细胞富集，黏膜完整，腺体正常（图3A）。但与对照组相比，AOS组、C3G组和AOS+C3G组的肠组织杯状细胞数量和黏液层黏蛋白面积比均显著增加（P＜0.05，图3B和C）。进一步检测了肠黏液层主要凝胶形成蛋白黏蛋白-2的表达水平。与对照组（（2059.53±84.48）pg/mL）相比，AOS、C3G和AOS+C3G处理的小鼠肠道黏液中黏蛋白-2水平分别提高了5.84%、9.32%和13.89%（图3D）。此外，添加AOS或C3G后，β-防御素也有改善，而在AOS+C3G组，β-防御素的表达水平与对照组相比增加了14.64%（图3E）。

图3 C3G、AOS及AOS+C3G对肠道黏液屏障功能的影响

C3G、AOS及AOS+C3G对肠道黏膜免疫的影响

为研究添加AOS、C3G和AOS+C3G对小鼠肠黏膜免疫的影响，测定了分泌型免疫球蛋白A（secretory immunoglobulin A，sIgA）的分泌量。如图4A所示，与对照组（（7.74±0.12）μg/mL）相比，AOS组（（9.94±0.41）μg/mL）、C3G组（（9.34±0.41）μg/mL）和AOS+C3G组（（15.64±0.31）μg/mL）小鼠肠道组织sIgA分泌水平显著升高（P＜0.05）。有趣的是，AOS+C3G组小鼠肠道sIgA分泌水平远高于AOS和C3G组。同时检测了几种免疫相关细胞因子IL-4、IL-10、IL-22和IFN-γ的表达水平，结果显示，三个处理组的这些细胞因子的表达水平均显著高于对照组，其中AOS+C3G组的IL-4、IL-10和IL-22的表达水平几乎是对照组的两倍（图4B-E）。

图4 AOS、C3G和AOS+C3G对肠道免疫细胞因子的影响

C3G、AOS和AOS+C3G对小鼠肠道微生物组成的影响

在这项研究中，通过16S rDNA高通量测序分析了四组小鼠的粪便微生物群的组成和结构。如图5A所示，稀释曲线结果表明，测序深度足以研究每个样品的微生物多样性，而PCoA基于每个样本中未加权的UniFrac提供了不同类群物种结构的可视化。肠道微生物群结构的变化是通过聚类分析来评估的。在门水平上，发现各组中，Firmicutes和Bacteroidota是最丰富的门类（图5C）。对照组的Firmicutes∶Bacteroidota的值为0.61，然而，在给药处理后，AOS、C3G和AOS+C3G组Firmicutes∶Bacteroidota的值分别下降至0.60、0.38和0.48。在属水平上，发现Helicobacter、Alistipes、Lactobacillus、Odoribacter、Lachnospiraceae和Faecalibaculum是最丰富的六个属（图5D）。有趣的是，对照组Akkermansia的相对丰度特别低（0.01%），然而，在补充AOS、C3G和AOS+C3G后，其相对丰度分别增加到1.16%、2.40%和1.00%（图5E）。此外，C3G和AOS在促进Faecalibaculum和Lachnospiraceae增殖方面各具优势，但C3G + AOS混合物对这两种有益菌的生长均有促进作用（图5F和G）。值得注意的是，与单独补充C3G或AOS相比，AOS+C3G的混合物也能更有效地抑制肠道病原体如Helicobacter和Turicibacter的生长（图5H和I）。

图5 C3G、AOS和AOS+C3G对肠道微生物组成的影响

Conclusion

综上所述，本研究提供了明确的证据，证明AOS和C3G可以协同促进肠道健康。与单独补充AOS或C3G相比，联合补充AOS和C3G对改善小鼠的肠道黏膜形态、肠道屏障功能和肠道菌群组成有更好的效果。因此，富含低聚糖和酚类的饮食干预可能代表了一种新的饮食方法，以促进肠道健康和减少肠道相关疾病的风险。

第一作者

李婕，女，集美大学海洋食品与生物工程学院食品科学与工程专业硕士研究生，研究方向为食品营养。

通信作者

刘翼翔，博士，教授，博士研究生导师，福建省“杰出青年”科学基金获得者，美国田纳西大学访问学者，集美大学青年拔尖人才。主持及参与国家重点研发项目课题、国家自然科学基金、福建省“杰出青年”科学基金等各类科研项目20余项。在Crit. Rev. Food Sci. Nutr.、Food Hydrocolloid.、J. Agr. Food Chem.、Carbohyd. Polym.、Brit. J. Nutr.等学术期刊上发表研究论文70多篇，其中以第一/通讯作者发表研究论文50多篇（SCI/EI收录41篇，IF > 5.0的SCI论文29篇，ESI高被引论文2篇）；获得国家发明专利授权17项，其中以第一发明人获得授权15项，实现成果转让9项；获得中国商业联合会科学技术进步奖一等奖1项（排名第一），参编学术专著2部，参与制定国家标准1项。Crit. Rev. Food Sci. Nutr.、J. Agr. Food Chem.、Food Funct.、Food Chem.、Mar. Drugs等学术期刊审稿人，中国食品科学技术学会休闲食品分会理事、福建省科技厅/厦门市科技局专家库成员。

研究方向：1．食品营养成分稳定与保持技术；2．食品成分相互作用与品质调控；3．天然活性产物开发与功效评价。

Synergistic effects of alginate oligosaccharide and cyanidin-3-O-glucoside on the amelioration of intestinal barrier function in mice

Jie Li^a, Yuanjie Guo^a, Liyuan Ma^a, Yixiang Liu^a,b,*, Chao Zou^c, Huiying Kuang^a, Bing Han^a, Yingliang Xiao^a, Yanbo Wang^a.d

^a College of Ocean Food and Biological Engineering, Xiamen Key Laboratory of Marine Functional Food, Fujian Provincial Engineering Technology Research Center of Marine Functional Food, Jimei University, Xiamen 361021, China

^b Collaborative Innovation Center of Provincial and Ministerial Co-construction for Marine Food Deep Processing, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China

^cGaoan Public Inspection and Testing Center, Gaoan 330800, China

^dSchool of Food Science and Biotechnology, Zhejiang Gongshang University, Hangzhou 310018, China

*Corresponding author.

Abstract

Emerging evidence shows that dietary oligosaccharides are important prebiotics that can improve intestinal flora, while dietary polyphenols can act directly on intestinal cells. However, information about their synergistic effects on gut health is still limited. In this study, alginate oligosaccharide (AOS) and cyanidin-3-O-glucoside (C3G) were selected as a common marine plant oligosaccharide and terrestrial plant polyphenol, respectively, to study their effects on intestinal health. The results show that, in comparison to their individual applications, the combination of AOS and C3G (mass ratio, 3:1) displayed a stronger ability to up-regulate the expression of tight junction proteins, while enhanced intestinal epithelial barrier was also observed and levels of mucin-2 and β-defensins were simultaneously increased in the intestinal mucus. Interestingly, the secretion of immunoglobulin A and immune-related cytokines were approximately doubled by the AOS + C3G mixture. In addition, the AOS + C3G mixture was found to be more conducive to the positive transformation of intestinal flora, which stimulated the growth of beneficial bacteria Akkermansia, Lachnospiraceae and Feacalibaculum while inhibiting the growth of harmful bacteria Helicobacter and Turicibacter. The data generated herein thus suggests that dietary oligosaccharides and dietary polyphenols may be more beneficial to intestinal health when applied in combination than their individual effects alone.

Reference:

LI J, GUO Y J, MA L Y, et al. Synergistic effects of alginate oligosaccharide and cyanidin-3-O-glucoside on the amelioration of intestinal barrier function in mice[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(6): 2276-2285. DOI:10.1016/j.fshw.2023.03.047.

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