潰瘍性結腸炎（UC）是一種炎癥性腸病（IBD），但其病因和發病機制仍不清楚。最新研究認為它與腸道炎癥、屏障功能障礙和生態失調密切相關。然而，目前臨床可用于UC的預防和治療方案很少，飲食干預是緩解UC癥狀的主要策略，其中，益生元、益生菌以及合生素（益生菌與益生元結合使用的生物制劑）在改變腸道微生物群、調節免疫反應和增強屏障能力等方面表現出較強的應用前景。

2024年10月28日，中國農業大學王軍軍教授團隊在Nature Communications（IF=14.7）上在線發表了一篇題為“Galactooligosaccharides and Limosilactobacillus reuteri synergistically alleviate gut inflammation and barrier dysfunction by enriching Bacteroides acidifaciens for pentadecanoic acid biosynthesis”的研究文章，通過代謝組學、轉錄組學、宏基因組學、FMT等技術手段，揭示了由GOS（低聚半乳糖）和L. reuteri（羅伊氏乳桿菌）組成的合生素通過促進B. acidifaciens（產酸擬桿菌）合成C15:0（十五烷酸），從而緩解腸道炎癥和屏障功能障礙，闡明了合生素在治療UC和其他腸道炎癥性疾病的潛力。（麥特繪譜提供Q300全定量檢測服務）

研究思路

圖1. 技術路線

研究結果

1. 合生素改善腸道炎癥和屏障功能障礙，富集產酸擬桿菌

為了研究由GOS和L. reuteri組成的合生素對腸道炎癥和屏障功能的影響，給小鼠單獨或聯合給藥GOS和L. reuteri四周，DSS（葡聚糖硫酸鈉）治療一周，結果表明合生素對DSS誘導的小鼠腸道炎癥和屏障功能具有顯著的改善作用，這種改善作用包括逆轉體重下降、結腸縮短和腸道損傷，保持結腸粘膜完整性，以及減輕腸道炎癥。此外，合生素能夠恢復DSS處理小鼠中Bacteroides（特別是B. acidifaciens）的豐度。

圖2. 合生素改善腸道炎癥和屏障功能障礙

2. 合生素來源微生物群緩解腸道炎癥和屏障功能障礙

通過糞菌移植（FMT）研究合生素來源的微生物群對緩解小鼠腸道炎癥和屏障功能障礙的效果，與對照組微生物群相比，合生素來源的微生物群能夠有效減輕DSS小鼠體重下降、結腸長度縮短以及腸道黏膜表面損傷，抑制血清中促炎細胞因子（TNF-α、IL-1β和IL-6）水平。此外，FMT還改變了受體小鼠的糞便微生物群結構，其中Bacteroides（擬桿菌屬）和Lactobacillus（乳桿菌屬）在接收合生素來源微生物群的小鼠中增加，且B. acidifaciens成功在腸道中定植。

圖3. B. acidifaciens在合生素補充受體小鼠中富集

3. B. acidifaciens緩解腸道炎癥和屏障功能障礙

進一步評估B. acidifaciens在腸道炎癥和屏障功能障礙中的作用，對小鼠進行B. acidifaciens灌胃實驗，結果顯示，B. acidifaciens顯著減輕了DSS誘導的腸道損傷。此外，B. acidifaciens還部分恢復了緊密連接蛋白的表達，并抑制了促炎細胞因子的表達。

圖4. B. acidifaciens緩解腸道炎癥和屏障功能障礙

4. C15:0減輕腸道炎癥反應和屏障功能障礙

通過全定量Q300代謝組學技術對DSS小鼠的糞便樣本進行靶點定量檢測，其中十五烷酸（C15:0）下調最為顯著，服用合生素后，糞便中C15:0含量升高。在FMT受體小鼠中也觀察到C15:0濃度增加，表明C15:0可能是減輕腸道炎癥和緩解屏障功能障礙的關鍵代謝產物。

圖5. 合生素增加小鼠體內十五烷酸含量

5. B. acidifaciens合成C15:0

為了確定B. acidifaciens是否能直接合成C15:0，將GOS、L. reuteri和B. acidifaciens進行共培養，發現C15:0含量明顯增加，而單獨使用任何一種都只有邊際效應。進一步對B. acidifaciens進行全基因組測序，發現合成C15:0的所有關鍵基因都存在，表明B. acidifaciens能直接產生C15:0。接著研究C15:0主要合成基因是如何在合生素補充小鼠中被調節的，進行宏基因組測序分析，發現DSS處理下調了fabK、acrC、fabF和FATA基因，而補充合生素后這些基因表達得到恢復，進一步表明了合生素能夠富集B. acidifaciens加速C15:0的生物合成。

圖6. B. acidifaciens調控C15:0合成

6. C15:0介導的腸屏障完整性保護的潛在機制

在發現C15:0是關鍵的代謝產物之后，為進一步揭示C15:0介導的腸道屏障完整性保護的潛在機制，給DSS小鼠口服C15:0，并取結腸組織進行測序分析，發現C15:0抑制多條炎癥相關通路，并抑制促炎細胞因子mRNA表達。同時，C15:0抑制了DSS處理小鼠和LPS刺激的MODE-K細胞中NF-κB的激活，表現為NF-κB p65磷酸化的減少。此外，在合生素、B. acidifaciens處理的DSS小鼠中也表現出NF-κB p65磷酸化的減少。

研究還發現DSS小鼠、LPS刺激Caco-2細胞和MODE-K細胞中FATP4（脂肪酸轉運蛋白4）的表達受到抑制，但C15:0處理能夠恢復其表達，FATP4抑制劑實驗能夠顯著逆轉C15:0在LPS處理的MODE-K細胞中恢復緊密連接蛋白表達和抑制促炎細胞因子的作用。上述結果表明C15:0的抗炎和屏障保護作用是通過FATP4介導和抑制NF-κB激活來實現的。

圖7. C15:0抑制NF-κB激活

7. 臨床意義

為了確認上述研究結果在其他腸道炎癥性疾病中的臨床意義，考察了LPS刺激的豬中B. acidifaciens和C15:0之間的關系；還分析了來自中國、美國、荷蘭和挪威的多項近期研究，涉及503名健康對照者和649名潰瘍性結腸炎（UC）患者的多個公開代謝組數據集的C15:0濃度，發現UC患者的糞便、血清和結腸活檢樣本中的C15:0濃度顯著低于健康志愿者，且活動期UC患者的C15:0濃度也低于非活動期患者，表明了在不同物種和不同腸道炎癥模型中，炎癥和屏障功能障礙與B. acidifaciens和C15:0水平降低相關。

圖8. UC患者和LPS誘導的豬中B. acidifaciens和C15:0呈現下調趨勢

小結

本研究揭示了GOS和L. reuteri的組合促進了產酸擬桿菌合成十五烷酸來緩解腸道炎癥和屏障功能障礙，為UC和其他腸道炎癥性疾病提供了潛在的治療途徑。

參考文獻

Galactooligosaccharides and Limosilactobacillus reuteri synergistically alleviate gut inflammation and barrier dysfunction by enriching Bacteroides acidifaciens for pentadecanoic acid biosynthesis. Nature Communications. 2024

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繪譜幫你測

本研究通過Q300全定量檢測分析發現C15:0（十五烷酸）是調控潰瘍性腸病的有效代謝產物，為后續探索抑制NF-κB活化與增強緊密連接蛋白表達來抑制腸道炎癥的機制確立了精準的研究對象。麥特繪譜開創性地搭建了醫學領域高端代謝組學技術平臺，覆蓋了非靶向-全定量-代謝流等全方位的高端醫學代謝組解決方案，同時全面布局微生物組學、轉錄組學和蛋白質組學等多組學技術服務，已成為全球多組學研究者的優選合作伙伴。麥特繪譜擁有Q1000，Q500、Q300、Q200和膽汁酸、短鏈脂肪酸、色氨酸及吲哚衍生物、多胺和TMAO類等各類小分子代謝物、非靶向代謝組學和同位素示蹤代謝流技術等共40+系列檢測方法；已為數百家三甲醫院、科研院所和企業提供多組學解決方案，協助客戶與合作伙伴發表SCI文章400+篇，累計影響因子4000+，平均IF＞10，包括Cell, Nature, Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Hepatology, Microbiome等頂級期刊。