FSHW | 低聚果糖对鼠李糖乳杆菌AS 1.2466T在小鼠肠道定植的影响

Introduction

肠道是人体最大的宿主防御器官，含有大量微生物的微生物生态系统。肠道微生物在肠道中起着至关重要的作用，肠道菌群失衡可能导致各种疾病。因此，维持肠道微生态平衡已引起研究人员关注。对肠道微生物的大量研究表明，口服益生菌或益生元可以通过增加肠道中有益的肠道共生菌群来防止免疫介导的破坏。最近的研究表明，鼠李糖乳杆菌是一种益生菌，具有影响免疫反应和防治过敏性炎症的潜力，对胆汁和胃酸的抵抗力更强，定植能力更强，可稳定存在于人体。目前，40多个国家都在生产鼠李糖乳杆菌相关产品，鼠李糖乳杆菌已成为世界上文献记载最广、应用最广泛的益生菌之一。虽然鼠李糖乳杆菌可以调节肠道菌群结构，增强机体免疫力等益生菌功能，但其对肠道菌群结构的具体影响尚不清楚。

益生元是一种由有益肠道细菌选择性代谢的非活性食品成分。它们可以通过微生物酶裂解成许多不可缺少的物质，以维持肠黏膜的代谢和功能活动。补充益生元可以促进遗传肠道微生物或益生菌的生长。益生菌物质选择性地刺激宿主肠道生态系统中的微生物，从而消除与细菌竞争的需要。益生元对肠道菌群的刺激会影响肠道短链脂肪酸（SCFAs）的水平，从而为宿主带来健康益处。此外，益生菌可以降低肠道的pH值，维持肠道内水分的渗透压。因此，深入研究益生元对开发健康食品具有重要意义。益生元有多种类型，包括寡糖、多元醇、蛋白质水解物和天然植物提取物，目前主要研究和应用功能性低聚糖。如菊粉的摄入可以刺激青春双歧杆菌的生长、低聚果糖的摄入显著增加双歧杆菌的丰度。

早在1960年，研究人员就注意到合生元（益生元和益生元的组合）可用于营养领域，以干扰人体肠道微生物。然而，当时缺乏突出的技术使合生元未被注意到。随着新技术的出现，如高通量测序、合生元及其对改善饮食引起的肥胖和其他代谢紊乱的作用，已经再次被研究者关注。研究表明，长期食用副干酪乳杆菌HII01、低聚木糖（XOS）和合生元可同样改善肥胖和胰岛素抵抗大鼠的胰岛素敏感性和血脂异常。目前市面上的合生元产品种类繁多，但益生元和益生元对肠道菌群的影响以及合生元的最佳相容性成为相关产品开发的障碍。

河北农业大学食品科学与工程学院牛志华硕士和田洪涛教授等通过体外筛选获得了鼠李糖乳杆菌增殖效果较好的益生元低聚果糖（FOS）。在前人研究的基础上，采用肠杆菌重复基因间共有聚合酶链反应（ERIC-PCR）、Southern-blot和高通量方法进一步分析鼠李糖乳杆菌对小鼠典型肠道菌群的影响，并探讨FOS的浓度对L. rhamnosus 体内定植的影响。强调益生菌与适宜益生元的匹配，不仅可以提高合生元的理论研究水平，也为合生元的进一步产品开发、推广和应用提供科学依据，其理论贡献将推动合生元的发展和精准营养。

Results and Discussion

鼠李糖乳杆菌 AS 1.2466T对小鼠肠道菌群的影响

14 d后，鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T显著影响小鼠肠道菌群类型和丰度的恢复（图1）。ERIC-PCR虽然能在一定程度上反映微生物群的结构特征，但不能区分具有相同迁移率和不同碱基序列的片段。Southern-blot图用于降低通过指纹估计肠道微生物群多样性的错误率，并分析不同环境中微生物群之间的异同。NR组样品的ERIC-PCR产物用作杂交探针。7 d和14 d的ERIC模式在与各自的探针杂交后表现出强烈的信号，表明ERIC-PCR指纹可以准确地反映小鼠肠道微生物群多样性的变化。

图1 自然恢复组和鼠李糖乳杆菌组粪便样本的ERIC-PCR扩增琼脂糖凝胶指纹图谱

与NR7相比，LR7肠道菌群的丰度显著恢复，恢复程度接近NR14。从统计学上看，LR14肠道菌群的丰度并未显著高于NR14，但数量仍高于NR14（图2A）。本研究中使用的典型益生菌菌株（乳杆菌、Blautia和Akkermansia）和机会致病菌（克雷伯氏菌）选自前15种丰富的肠道菌株。图2B描绘了群落中菌株的相对丰度。因此，有必要将分析与图2A结合起来，以更准确地分析实际情况。自然恢复后，乳酸菌的相对丰度从0增加到0.0267（NR14）。鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T灌胃后，乳酸杆菌在第7天迅速增殖至0.0365的相对丰度，比NR14增加了36.7%。然而，在恢复后期，相对丰度下降到0.008。Blautia的相对丰度变化与乳酸杆菌相似，但与自然恢复相矛盾。鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T的补充抑制了Blautia的增殖，而Akkermansia在两种回收方法下都得到了回收。不同的是，鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T干预后，LR14组Akkermansia丰度达到0.2075，远高于NR14组（0.0582），增殖主要发生在恢复后期。与乳杆菌和阿克曼氏菌不同，早期机会致病菌克雷伯氏菌的相对丰度较高（0.2906），但肠道菌群恢复后对克雷伯氏菌有抑制作用（接近0），灌胃鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T后抑制率加快。

图2 高通量测序结果

四种益生元对重组鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T体外生长的影响

菊粉对益生菌的生长促进作用较差（图3B），而IMO对细菌生长没有积极作用（图3A）。类似地，2.4% FOS和1.2% XOS在600 nm处将益生菌的光密度增加到0.86和0.88，并对鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T显示出显著的生长促进作用（图3C和3D）。如图3E所示，四种益生元在鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T体外增殖筛选试验中的添加量最合适。结果表明，除IMO外，每种益生元均添加适量促进鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T的生长，而鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T和益生元具有选择性，XOS和FOS具有较好的促生长作用。鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T。然而，仅在乳制品行业，低聚果糖的市场份额是低聚木糖的21倍。通过市场调研发现，XOS在中国的市场价格是FOS市场价格的3～5倍。因此，在接下来的实验中，选择FOS作为研究对象，探讨不同FOS剂量对鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T在小鼠肠道定植的影响。

图3 四种益生元对重组鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T体外生长的影响

不同剂量FOS对小鼠肠道鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T的影响

鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T在肠道各部位的定植数逐渐增加，但不同FOS剂量对鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T的定植数没有影响。停止灌胃后，鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T在肠道内的定植逐渐减少。如图4A所示，25 d后，鼠李糖乳杆菌 AS 1.2466^T的数量减少得更快，而在停止灌胃后的第31天，鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T在肠道中的数量减少了两个数量级。与第25天相比。在此期间，FOS的干预并未改变鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T的趋势，但增加了鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T的定植数量。第31天，H-FOS组鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T在回肠的定植数为4.34（lg（CFU/mL）），高于对照组和L-FOS组一个数量级（图4B）。然而，FOS不影响十二指肠和空肠中鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T的数量，并且观察到M-FOS和H-FOS组之间没有显著差异。由于肠道不同部位的微生态环境差异较大，鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T在不同部位的定植存在显著差异。第31天（停用益生菌的第16天），鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T在结肠和回肠的定植量比十二指肠高一个数量级（图4C）。有趣的是，本研究中鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T的定植数比之前的实验高两个数量级（图4D），表明增加鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T的补充时间可以提高定植能力鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T在小鼠结肠和回肠中的数量。

图4 不同剂量低聚果糖干预后鼠李糖乳杆菌在小鼠肠道中的定植

Conclusion

总之，体内和体外实验表明，鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T乳液与低聚果糖的相容性优于其他益生元。FOS与鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T联合使用可使鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T在小鼠肠道定植时间延长至31 d，鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T在回肠定植数显著增加至4.34个（lg(CFU/mL)）。值得注意的是，适量的FOS和鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T的组合可以介导鼠李糖乳杆菌AS 1.2466^T在肠道中更好的定植。这项研究揭示了合生元的应用潜力。

第一作者

牛志华，男，工学硕士，主要研究方向肠道益生菌与益生元研究，已发表SCI收录4篇，第一或共一作者论文2篇，授权国家发明专利1件。

通信作者

田洪涛，男，工学博士，教授、博士生导师，河北省省管专家。现为河北农业大学食品科技学院生物工程系主任、教授、博士生导师、食品微生物与发酵工程学科带头人，国家北方山区农业工程技术研究中心副主任。主要从事食品微生物与发酵工程、食品加工与食品安全等方面的研究。先后主持和参加省（部）级科研课题36余项，以主持人身份获河北省科技进步一等奖1项、以副主持人身份获河北省教学成果一等奖1项，获其他省部级奖励5项；获国家授权的发明专利9项；在中文核心以上期刊及国内外重要学术会议发表学术论文100余篇（SCI收录10篇，EI收录6篇）；出版面向21世纪课程教材或国家“十五”、“十一五”、“十二五”重点规划教材及专著共16部（其中主编3部、副主编6部、参编7部）。2000年至今，已培养了56余名硕士生。

**Effect of fructooligosaccharides on the colonization of Lactobacillus rhamnosus AS 1.2466^T in the gut of mice**

Zhihua Niu^a,1, Meijuan Zou^a,1, Tingting Bei^a,1, Na Zhang^a,b, Dongyao Li^a, Miaoshu Wang^c,d, Chen Li^a,d,*, Hongtao Tian^a,d,e,*

^a College of Food Science and Technology, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, China

^b College of Biochemistry and Environmental Engineering, Baoding University, Baoding 071000, China

^c New Hope Tensun (Hebei) Dairy Co., Ltd, Baoding 071000, China

^d Hebei Technology Innovation Center of Probiotic Functional Dairy Product, Baoding 071000, China

^e National Engineering Research Center for Agriculture in Northern Mountainous Areas, Baoding 071000, China

¹ Authors contributed equally to this work.

*Corresponding author.

Abstract

Lactobacillus rhamnosus and fructooligosaccharides (FOS) have been widely studied so far. However, the effects of L. rhamnosus on the intestinal microecological environment at the species level and the effect of different proportions of FOS on L. rhamnosus colonization in different parts of mice intestine are still unclear. The study results indicated that the specific bands of enterobacterial repetitive intergenic consensus polymerase chain reaction (ERIC-PCR) in the L. rhamnosus (LR) group significantly increased at 7 days. Although the number of bands was similar to the natural recovery (NR) group, the brightness of few bands significantly enhanced in the later stage of recovery. Besides, Southern-blot maps showed strong signals, indicating that the ERIC-PCR fingerprint could accurately reflect the changes in the mouse gut microbiota diversity. Further, the high-throughput results confirmed that the Lactobacillus and Akkermansia had different changes at different periods, but all of them showed an upward trend, while the Klebsiella were inhibited, thereby maintaining the intestinal microecology balance. Moreover, FOS exerted a positive effect on L. rhamnosus colonization in the gut.

Reference:

NIU Z H, ZOU M J, BEI T T, et al. Effect of fructooligosaccharides on the colonization of Lactobacillus rhamnosus AS 1.2466^T in the gut of mice[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(2): 607-613. DOI:10.1016/j.fshw.2022.07.063.

文章编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

Effect of fructooligosaccharides on the colonization of Lactobacillus rhamnosus AS 1.2466T in the gut of mice

Abstract

**Effect of fructooligosaccharides on the colonization of Lactobacillus rhamnosus AS 1.2466^T in the gut of mice**