此项研究由Yujun Wu, Xiangyu Zhang, Xiaoyi Liu, Zhenguo Zhao, Shiyu Tao, Qian Xu, Jinbiao Zhao, Zhaolai Dai, Guolong Zhang, Dandan Han & Junjun Wang 等作者完成，主要研究机构为中国农业大学动物科学技术学院动物营养学国家重点实验室等。研究论文于2024年发表于学术期刊 Nature Communications。
该研究的学术背景聚焦于肠道健康与炎症性疾病，特别是溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）的干预策略。溃疡性结肠炎是一种病因复杂的炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD），其特征包括肠道慢性炎症、屏障功能障碍和肠道菌群失调（dysbiosis）。目前，针对溃疡性结肠炎的治疗选择有限，且存在副作用。饮食干预，尤其是使用益生元（prebiotics）、益生菌（probiotics）及其组合的合生元（synbiotics），被认为是一种有前景的策略，因为它们能够调节肠道菌群、免疫反应和屏障功能。然而，这些干预措施背后的具体保护机制，尤其是协同作用的分子通路，尚不完全明确。半乳寡糖（Galactooligosaccharides, GOS）是一种知名的益生元，而罗伊氏粘液乳杆菌（Limosilactobacillus reuteri）是一种被广泛研究的益生菌。前期研究表明，GOS能通过选择性富集罗伊氏粘液乳杆菌等来增强肠道屏障功能，且罗伊氏粘液乳杆菌可以利用GOS作为碳源，这为开发合生元奠定了基础。但GOS与罗伊氏粘液乳杆菌如何协同发挥抗炎和屏障保护作用，以及具体调控了哪些肠道细菌和代谢物，是亟待回答的科学问题。因此，本研究旨在系统探究由GOS和罗伊氏粘液乳杆菌组成的合生元在小鼠结肠炎模型中的治疗效果，并揭示其分子机制，最终评估该机制在溃疡性结肠炎患者及其他炎症模型中的临床相关性。
本研究的详细工作流程包括多个层次递进的实验环节，涵盖了体内动物模型、体外培养、粪菌移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT）、代谢组学、宏基因组学和细胞分子机制验证等。主要研究对象为雄性C57BL/6J小鼠，用于构建右旋葡聚糖硫酸钠（Dextran Sulfate Sodium, DSS）诱导的结肠炎模型。具体流程如下：
首先，研究团队评估了合生元（GOS联合罗伊氏粘液乳杆菌）的疗效。小鼠被随机分为不同处理组，包括对照组、DSS模型组、以及分别补充GOS、罗伊氏粘液乳杆菌或两者合生元的干预组。GOS以5% (w/w) 比例混入饲料饲喂四周，罗伊氏粘液乳杆菌则以每日灌胃2×10⁸ CFU的方式给予。在最后一周，所有组别（除对照组外）通过饮水给予3% DSS诱导结肠炎。研究团队系统监测了小鼠体重变化、结肠长度、结肠组织病理学损伤评分（通过H&E染色和阿利新蓝染色评估）、紧密连接蛋白（Claudin-1, Occludin, ZO-1）的表达水平以及血清促炎细胞因子（TNF-α, IL-1β, IL-6）的浓度。同时，通过16S rRNA基因测序和鸟枪法宏基因组测序（shotgun metagenomic sequencing）分析了结肠内容物或粪便的菌群结构变化，并使用定量PCR（qPCR）对特定细菌进行了靶向定量。研究还额外测试了实验室从鼠粪中分离的另外两株罗伊氏粘液乳杆菌，以评估其效果的菌株特异性。此外，为了探寻合生元富集特定细菌的关键代谢物，研究人员对上述不同处理组小鼠的粪便进行了靶向代谢组学分析，并利用小鼠盲肠内容物进行体外厌氧培养，添加不同的候选代谢物，观察其对目标菌株生长的促进作用。
其次，为了验证合生元调节的肠道菌群本身是否足以发挥保护作用，研究进行了粪菌移植（FMT）实验。实验使用广谱抗生素鸡尾酒预处理四周以清除受体小鼠自身的肠道菌群，然后连续两周灌胃来自合生元干预组或对照组供体小鼠的粪便菌液悬浮液。之后，对受体小鼠进行DSS处理，并评估其结肠炎表型、菌群定植情况以及相关代谢物变化。
第三，为了直接验证被合生元富集的特定细菌——嗜酸拟杆菌（Bacteroides acidifaciens）的保护作用，研究团队进行了独立的细菌干预实验。小鼠连续两周每日灌胃2×10⁸ CFU的嗜酸拟杆菌（使用了两株不同来源的菌株），然后在第三周接受DSS处理，评估其对结肠炎的保护效果。
第四，为了探究合生元或其调控的菌群产生的代谢物是否介导了保护作用，研究团队进行了粪菌上清液移植（fecal supernatant transplantation, FST）实验。他们收集了合生元干预组或对照组小鼠的粪便，制备无细胞的细菌培养上清液，将其灌胃给受体小鼠两周，并在第二周诱导DSS结肠炎，观察上清液是否能传递保护效应。同时，结合前述靶向代谢组学数据，进一步锁定与合生元干预和疾病状态显著相关的关键代谢物。
第五，为了确定关键代谢物——十五烷酸（Pentadecanoic acid, C15:0）的来源，研究进行了体外共培养实验。将嗜酸拟杆菌与GOS、罗伊氏粘液乳杆菌或其组合共同培养，检测培养基上清中C15:0的含量。此外，通过对嗜酸拟杆菌进行全基因组测序和注释，分析了其C15:0合成通路的关键基因。并利用宏基因组测序数据，分析了DSS处理和合生元干预对肠道微生物群落中这些合成基因丰度的影响。同时，通过相关性分析，验证了粪便中嗜酸拟杆菌丰度与C15:0浓度之间的关联。
第六，为了直接验证C15:0的保护作用及其分子机制，研究团队进行了体内和体外实验。体内实验中，小鼠连续三周每日灌胃C15:0（35 mg/kg），在最后一周诱导DSS结肠炎，评估其疗效。体外实验中，使用脂多糖（LPS）刺激的小鼠肠道上皮细胞（Mode-K）和人肠道上皮细胞（Caco-2），观察C15:0对紧密连接蛋白表达、促炎因子产生以及核因子κB（NF-κB）信号通路活化的影响。为进一步揭示C15:0的作用机制，还对C15:0处理的DSS小鼠结肠组织进行了转录组测序（RNA-seq），并探讨了脂肪酸转运蛋白4（Fatty acid transport protein 4, FATP4）在其中的作用，使用其特异性抑制剂进行了功能验证。
最后，为了评估研究发现的临床相关性，研究团队从两个层面进行了验证。首先，他们收集了临床样本：包括来自中国江阴市人民医院的11名溃疡性结肠炎患者和15名健康志愿者的粪便样本，检测了其中嗜酸拟杆菌（通过qPCR）和C15:0（通过代谢组学）的水平，并进行了相关性分析。其次，他们构建了仔猪LPS诱导的肠道炎症模型，检测了粪便中嗜酸拟杆菌和C15:0的变化。此外，研究还整合分析了来自中国、美国、荷兰和挪威等多个已公开的代谢组学数据集，共涉及503名健康对照和649名溃疡性结肠炎患者，比较了他们在粪便、血清和结肠活检组织中C15:0的水平差异，并进一步比较了疾病活动期与非活动期患者之间的差异。
本研究的主要结果层层递进，逻辑严谨： 1. 合生元协同增效，特异性富集嗜酸拟杆菌：结果显示，GOS与罗伊氏粘液乳杆菌联用（合生元）能显著缓解DSS诱导的小鼠体重下降、结肠缩短、组织病理损伤，上调紧密连接蛋白表达，并抑制促炎细胞因子。单独使用GOS或罗伊氏粘液乳杆菌效果有限，表明两者存在协同作用。菌群分析发现，DSS处理导致拟杆菌属（Bacteroides）丰度显著下降，而合生元干预能恢复其水平，并特异性富集了其中的嗜酸拟杆菌。罗伊氏粘液乳杆菌对嗜酸拟杆菌的富集作用存在菌株特异性。 2. 合生元通过产生N-乙酰-D-葡糖胺富集嗜酸拟杆菌：代谢组学分析发现，合生元干预特异性上调了包括β-丙氨酸、N-乙酰-D-葡糖胺（N-acetyl-D-glucosamine）和C15:0在内的多种代谢物。体外培养实验证实，N-乙酰-D-葡糖胺能有效促进小鼠盲肠菌群中嗜酸拟杆菌的生长，提示它是合生元促进嗜酸拟杆菌富集的主要代谢物。 3. 合生元调控的菌群及其富集的嗜酸拟杆菌具有保护作用：粪菌移植实验证明，来自合生元干预供体小鼠的肠道菌群，能够有效减轻受体小鼠的DSS结肠炎症状，并且成功将嗜酸拟杆菌定植到受体肠道内。直接灌胃嗜酸拟杆菌也能显著保护小鼠免受DSS诱导的肠道损伤，证实了该菌株的保护功能。 4. 合生元及嗜酸拟杆菌提升关键代谢物十五烷酸（C15:0）水平：靶向代谢组学数据显示，C15:0（一种奇数链脂肪酸）在DSS小鼠粪便中显著降低，而合生元干预能显著提升其水平。粪菌移植、粪菌上清液移植或直接补充嗜酸拟杆菌，均能提升DSS小鼠粪便中的C15:0浓度。这提示C15:0可能是合生元和嗜酸拟杆菌发挥保护作用的关键效应分子。 5. 嗜酸拟杆菌能合成C15:0：体外共培养实验表明，GOS和罗伊氏粘液乳杆菌共同存在时，能显著促进嗜酸拟杆菌产生C15:0。全基因组分析显示，嗜酸拟杆菌编码了C15:0生物合成的全套关键基因（如fabF, fabG, fabK, fata等）。宏基因组数据进一步证实，合生元干预恢复了DSS处理下调的这些合成基因的丰度。相关性分析强烈支持粪便中嗜酸拟杆菌丰度与C150浓度呈正相关。 6. C15:0直接发挥抗炎和屏障保护作用：体内实验表明，口服补充C15:0能有效缓解DSS结肠炎。体外细胞实验证实，C15:0能增强LPS刺激下肠道上皮细胞的紧密连接蛋白表达，抑制促炎细胞因子的产生。机制研究发现，C15:0能抑制NF-κB p65的磷酸化（即抑制NF-κB通路激活）。同时，C15:0上调了脂肪酸转运蛋白FATP4的表达，而使用FATP4抑制剂可以逆转C15:0的保护作用，表明C15:0通过FATP4摄取并介导下游的NF-κB抑制。 7. 临床相关性验证：在溃疡性结肠炎患者和LPS诱导的仔猪肠道炎症模型中，均观察到粪便中嗜酸拟杆菌和C15:0水平的显著降低，且两者呈正相关。对公共数据库的大规模分析进一步证实，与健康人相比，溃疡性结肠炎患者（尤其是活动期患者）的粪便、血清和结肠活检组织中的C15:0浓度普遍降低。
本研究得出的核心结论是：由半乳寡糖（GOS）和罗伊氏粘液乳杆菌（L. reuteri）组成的合生元，能够通过协同作用，促进肠道菌群中的嗜酸拟杆菌（B. acidifaciens）富集。嗜酸拟杆菌进而合成奇数链脂肪酸——十五烷酸（C15:0）。C15:0通过被FATP4摄取，抑制NF-κB通路的激活，从而发挥抗炎和增强肠道屏障功能的保护作用。这一机制通路在DSS小鼠结肠炎模型、溃疡性结肠炎患者和LPS诱导的猪肠道炎症模型中均得到验证，揭示了从合生元摄入到特定菌群代谢物产生的清晰因果链条。
本研究的科学价值在于，首次系统阐明了GOS与罗伊氏粘液乳杆菌这一合生元组合发挥协同保护作用的详细分子机制，将“合生元-特定共生菌-特定代谢物-宿主信号通路-疾病表型改善”这一完整链条清晰地联系起来。它深化了对益生元、益生菌及合生元作用机制的理解，为基于微生物代谢物的精准营养干预提供了理论依据。应用价值方面，该研究不仅证实了该合生元组合、嗜酸拟杆菌本身以及C150作为膳食补充剂或潜在治疗剂的开发前景，为溃疡性结肠炎及其他肠道炎症性疾病提供了新的干预思路和候选物质。此外，研究强调了罗伊氏粘液乳杆菌菌株特异性效应和筛选更有效菌株的可能性，为个性化益生菌/合生元开发指明了方向。研究还将C15:0这一奇数链脂肪酸与肠道炎症紧密关联，拓展了对其生物学功能的认识。
本研究的亮点在于：1. 机制的创新性与完整性：研究并非停留在表型观察或菌群整体变化，而是深入挖掘了从合生元到关键细菌再到关键代谢物的完整作用轴，并阐明了代谢物（C15:0）通过FATP4/NF-κB通路发挥作用的分子机制，逻辑链条严密完整。2. 多层次验证体系：综合利用了体内疾病模型、粪菌移植、体外共培养、代谢组学、宏基因组学、转录组学、细胞分子生物学以及临床样本和公共数据库验证等多种技术手段，证据坚实，说服力强。3. 临床与跨物种相关性：研究不仅在小鼠模型中得到机制，还在溃疡性结肠炎患者和猪的炎症模型中验证了核心分子（嗜酸拟杆菌和C15:0）的变化趋势，极大地提升了研究发现的普适性和临床转化潜力。4. 对菌株特异性和代谢物来源的深入探究：不仅关注合生元整体，还探讨了罗伊氏粘液乳杆菌的菌株差异，并明确了N-乙酰-D-葡糖胺是富集嗜酸拟杆菌的中间代谢物，以及嗜酸拟杆菌是C15:0的生产者，细节丰富。
其他有价值的发现包括：研究揭示了奇数链脂肪酸C15:0在肠道炎症中的保护作用及其通过FATP4/NF-κB通路的新机制；提出通过筛选更有效的罗伊氏粘液乳杆菌菌株或优化递送方式（如微胶囊化）可以进一步提升合生元疗效的观点；研究建立的系统方法论为类似营养干预产品的机制研究提供了范本。这项研究是一项从现象到机制、从动物到临床、具有重要理论和应用价值的综合性高水平研究成果。