从人体肠道菌群及脂代谢的角度比较水苏糖与益生菌纠正肠道失衡的能力.pdf
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1、118 2023,Vol.44,No.19 食品科学 营养卫生从人体肠道菌群及脂代谢的角度比较水苏糖 与益生菌纠正肠道失衡的能力汪清美1,赵 培2,*,陈庆森2,*,贾 彦2,闫亚丽2(1.信阳农林学院制药工程学院,河南 信阳 464000;2.天津商业大学生物技术与食品科学学院,天津 300134)摘 要:人体肠道菌群与健康息息相关,一旦肠道菌群失调会导致肠道功能紊乱,引发多种肠道疾病。本实验通过不同肠道疾病人群服用水苏糖、复合益生菌(compound probiotics,CPb)和合生元MF-13,利用Ion Torrent PGM测序平台等手段,重点关注粪便中肠道菌群结构以及胆固醇和胆
2、汁酸含量的变化,探讨3 种微生态制剂干预过程中志愿者肠道菌群结构和脂代谢的变化情况。结果显示,不同肠道疾病人群经微生态制剂干预后,分析获得1 067 个操作分类单元(operational taxonomic units,OTU);优势菌门为厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes),二者占到了总序列数的91.65%,其中拟杆菌门(Bacteroidetes)约占总序列数的70.10%,其门下的拟杆菌属(Bacteroides)和普雷沃氏菌属(Prevotella)为优势菌属,分别占总序列数的33.1%和33.8%。在门水平上,水苏糖能促进拟杆菌门而抑制厚壁菌门菌
3、群的增殖,CPb对各菌门丰度变化趋势的影响不明显,MF-13对变形菌门和放线菌门菌群的增殖有促进作用;3 组微生态制剂干预前后菌属丰度变化结果显示,水苏糖引起便秘和失眠样本中的萨特菌属的丰度明显降低,CPb引起腹泻样本中萨特菌属显著降低;MF-13引起Parabacteroides的丰度升高。通过对肠道菌群多样性分析发现,仅Chao1指数在MF-13干预组在干预前期明显升高,其他多样性指数无明显性变化。对肠道菌群结构变化进行聚类和无度量多维标定(non-metric multi-dimensional scaling,NMDS)分析,结果显示大部分样本在微生态制剂干预过程中菌群结构都产生变化,
4、各群体间菌群结构有相互交叠的趋势。利用Metastat统计学分析个体之间存在显著差异的肠道菌群,发现各微生态制剂干预前后整体OTUs丰度无明显变化,在志愿者个体之间差异较大。MF-13对肠道胆固醇和胆汁酸的排出有显著促进作用(P0.05)。结论:水苏糖对志愿者肠道菌群结构的影响显著,而CPb和MF-13的影响不显著,但MF-13能够促进肠道胆固醇和胆汁酸的排放,有利于肠道胆固醇的代谢,但干预的持续性不明显。关键词:肠道菌群;微生态制剂;高通量测序技术;胆固醇;胆汁酸Comparative Efficacy of Stachyose and Probiotics in Ameliorating
5、Intestinal Dysbiosis from the Perspectives of Human Gut Microbiota and Lipid MetabolismWANG Qingmei1,ZHAO Pei2,*,CHEN Qingsen2,*,JIA Yan2,YAN Yali2(1.School of Pharmaceutical Engineering,Xinyang Agriculture and Forestry University,Xinyang 464000,China;2.College of Biotechnology and Food Science,Tian
6、jin University of Commerce,Tianjin 300134,China)Abstract:The intestinal flora of the human body is closely related to health.Gut microbiota dysbiosis will lead to intestinal dysfunction and,consequently,a variety of intestinal diseases.In this study,subjects with different diseases were requested to
7、 take one of three microecological agents,stachyose,composite probiotics(CPb)and synbiotic MF-13.An Ion Torrent PGM sequencing platform was used to analyze the structure of intestinal microflora and the contents of cholesterol and bile acid in the feces of the subjects were measured.Our aim was to i
8、nvestigate the regulatory effect of intervention with microecological agents on the intestinal microflora structure and lipid metabolism.The results showed that 1 067 operational 收稿日期:2023-06-03基金项目:国家自然科学基金面上项目(31071522)第一作者简介:汪清美(1983)(ORCID:0009-0008-7403-9780),女,讲师,硕士,研究方向为发酵生物技术。E-mail:*通信作者简介:
9、赵培(1978)(ORCID:0000-0002-3393-7516),女,副教授,硕士,研究方向为食源性生物活性物质 与肠道健康。E-mail:陈庆森(1957)(ORCID:0000-0003-2573-3297),男,教授,硕士,研究方向为发酵生物技术、功能成分与肠道健康的关系。E-mail:营养卫生 食品科学 2023,Vol.44,No.19 119taxonomic units(OUT)were obtained from the fecal microbial samples from all subjects.The dominant bacteria were Firmicu
10、tes and Bacteroidetes,altogether accounting for 91.65%,and Bacteroidetes accounting for about 70.10%of the total number of sequences.Bacteroides and Prevotella were the dominant genera,accounting for 33.1%and 33.8%of the total sequences,respectively.At the phylum level,stachyose promoted the prolife
11、ration of Bacteroidetes,but inhibited the proliferation of Firmicutes.CPb had no significant effect on the abundance of each phylum,while MF-13 promoted the proliferation of Proteobacteria and Actinobacteria.Stachyose significantly decreased the abundance of Sutterella in subjects with constipation
12、and insomnia,CPb significantly decreased the abundance of Sutterella in subjects with diarrhea,and MF-13 increased the abundance of Parabacteroides.The analysis of intestinal microflora diversity showed that Chao1 index significantly increased during the early period of MF-13 intervention,while ther
13、e were no significant changes in other diversity indexes.Cluster analysis and non-metric multi-dimensional scaling(NMDS)analysis showed that microecological preparation intervention changed the intestinal microbiota structure in most of the samples,and the microflora structure of all populations sho
14、wed an overlapping tendency.The intestinal microflora species that significantly differed between individuals were analyzed using Metastat statistics,and it was found that there was no significant change in the abundance of OTUs before and after intervention with each microecological agent,while the
15、re was a significant difference between individual subjects.MF-13 significantly promoted the fecal excretion of cholesterol and bile acids(P 0.05).In conclusion,stachyose has an obvious influence on the intestinal microflora structure of volunteers,while CPb and MF-13 do not.However,MF-13 can increa
16、se the intestinal excretion of cholesterol and bile acid,which is beneficial to the metabolism of intestinal cholesterol,but the durability of this effect is poor.Keywords:gut microbiota;microecological agents;high-throughput sequencing technology;cholesterol;bile acidsDOI:10.7506/spkx1002-6630-2023
17、0603-018中图分类号:TS201.3 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2023)19-0118-13引文格式:汪清美,赵培,陈庆森,等.从人体肠道菌群及脂代谢的角度比较水苏糖与益生菌纠正肠道失衡的能力J.食品科学,2023,44(19):118-130.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230603-018.http:/WANG Qingmei,ZHAO Pei,CHEN Qingsen,et al.Comparative efficacy of stachyose and probiotics in ameliorating intestinal d
18、ysbiosis from the perspectives of human gut microbiota and lipid metabolismJ.Food Science,2023,44(19):118-130.(in Chinese with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230603-018.http:/目 前,依 据 微 生 态 学 原 理 制 成 的 微 生 态 制 剂(microecologics)在治疗便秘、腹泻等肠道疾病方面有很普遍的应用。益生菌、益生元和合生元都属于微生态制剂1-2。报道已揭示人体携带有超出人体
19、细胞数十倍甚至上百倍的微生物,其编码的基因在数量上远远超出人类自身编码的基因,仅在肠道中寄居的微生物就有约1 800 个属,至少40 000 种细菌,这些细菌通称为肠道菌群,即“人体肠道元基因组”3。虽然人体肠道内栖生着的微生物数量高达1014 个,但细菌数量和种类却随着胃肠道微生物密度增高逐步增加,这表明肠道菌群分布是不均匀的4。研究显示,人体肠道菌群结构受人体内环境和外环境共同作用和影响,宿主基因型、年龄、饮食、疾病、药物等成为影响人体肠道菌群结构的主要因素2,5。在这些因素的影响下,个体与个体之间肠道菌群的多样性和结构也存在着差异。Wang Fang等6通过Illumina测序分析了中国
20、广西巴马县年龄在8599 岁和100108 岁两组老年人的肠道菌群。结果显示,在百岁老人中,肠道菌群的 变化与年龄和高纤维膳食的摄入量相关。大量研究表明,肠道正常菌群对宿主健康有着十分重要的功效7-8。正常情况下,人体肠道内菌群结构处于平衡状态,若这种平衡被外界扰乱,就会造成菌群失调,导致肠道功能紊乱,甚至引发或加重疾病。许多研究也证实肠道菌群失调与便秘、腹泻、肠易激综合征等肠道疾病相关。因此,许多研究试图通过改善肠道微生物菌群结构来对一些疾病进行针对性治疗,使人体恢复和维持健康状态9。总之,胃肠道的健康直接影响着人们的生活质量和生活状态以及健康水平,所以利用益生菌或益生元等非临床治疗的手段来
21、达到健康的目的显得尤为重要10-11。本研究选择一组特殊的志愿者为研究对象,从改善肠道微生态着手,利用Ion Torrent PGM测序平台观察微生态制剂干预后各类肠道疾病志愿者肠道菌群结构的变化,同时分析测定肠道粪便中胆固醇和胆汁酸代谢的变化。利用生物信息学的分析,建立肠道菌群结构变化与脂代谢产物变化的相关性图谱,探究服用微生态制剂纠正志愿者肠道菌群结构失衡和改善脂代谢的能力,旨在为微生态120 2023,Vol.44,No.19 食品科学 营养卫生制剂在治疗人体肠道疾病和改善人体健康方面提供一定的理论支持。1 材料与方法1.1 材料与试剂水苏糖、复合益生菌(compound probiot
22、ics,CPb)和合生元MF-13由河北一然生物科技有限公司提供,其组成见文献12。总胆固醇测定试剂盒 北京北化康泰临床试剂有限公司;总胆汁酸测定试剂盒 南京建成生物工程研究所;QIAamp Fast DNA Stool Mini Kit 德国QIAGEN公司;TaKaRa MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit 宝生物工程(大连)有限公司;Qubit dsDNA HS Assay Kit 美国Invitrogen公司;Pfu DNA Polymerase 美国Thermo Scientific公司;Ion Plus Fragment Library K
23、it、Agencourt AMPure XP Kit、Ion Xpress Barcode Adapters Kit、Ion PGM Template OT2 400 Kit、Ion PGM Sequencing 400 Kit v2 美国Life Technologies公司。1.2 仪器与设备900超低温冰箱、磁力架 美国Thermo Scientific公司;SW-CJ-2DD单人双面净化工作台 苏州净化设备有限公司;DYY-2C电泳仪 北京六一仪 器厂;508-U001 Ion Torrent PGM测序平台 美国Life Technologies公司;2100生物分析仪 美国Agil
24、ent 公司;Qubit 2.0荧光计 美国赛默飞世尔公司;Biowave DNA II-3分光光度计 英国柏诺公司。1.3 方法1.3.1 招募志愿者以及粪便样本采集本研究招募了一组特殊志愿者,来自合作单位河北一然生物科技有限公司,参与本研究的志愿者12 名(6男、6女),均为其公司职员和家属,其肠道健康状况包括健康、便秘、腹泻、排便不规律以及口臭和失眠等症状(其中便秘、腹泻症状由临床医学给定的症状界定,其他为自述症状)。在完全符合伦理道德情况下,与志愿者说明实验目的和告知实验流程,对志愿者进行培训。微生态制剂干预方法参考文献24。实验期间,要求志愿者不服用抗生素药物以及其他药物。粪便采集:
25、发给志愿者粪便收集袋、采集样本的棉棒、保存样本的冻存管,经培训后,自行采集粪便样本,将采集的粪便样品立即放入20 冷冻环境中。于干冰环境中4 h内运送至实验室,存放于80 冰箱。采集样本的详细信息见表1。表 1 本研究粪便样本收集信息Table 1 Information about fecal samples collected in this study样本健康状况干预制剂干预阶段前中后H1健康水苏糖H1.PH1.S.1,H1.S.3,H1.S.4H2CPbH2.PH2.S.3,H2.S.4H3MF-13合生元H3.PH3.S.2,H3.S.3,H3.S.6,H3.S.8H3.AC1便秘水
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