学术报告

《Modulation of gut microbiota by chondroitin sulfate calcium complex during alleviation of osteoporosis in ovariectomized rats》是发表在国际期刊《Carbohydrate Polymers》（2021年，第266卷）上的一篇原创研究文章，DOI为10.1016/j.carbpol.2021.118099。本文的主要作者包括Qingshan Shen、Chunhui Zhang、Xiaojie Qin、Hongru Zhang、Zhiqiang Zhang和Aurore Richel，研究单位涉及中国农业科学院食品科学与技术研究所（中国北京）、比利时列日大学-Gembloux Agro-Bio Tech以及山东海御生物技术有限公司。

研究背景与意义

骨质疏松症是一种影响全球约2亿人的代谢性骨病，尤以老年女性为主，其特征是由于骨量减少、骨密度（Bone Mineral Density, BMD）降低、骨组织结构退化引起骨骼脆性增加和骨折风险上升。尽管现有的治疗手段（如双膦酸盐和甲状旁腺激素衍生物）可以减轻骨质疏松的症状，但这些药物可能会引发诸多副作用。因此，研究更加安全有效的非药物干预方法（如功能性食品及膳食补充剂）变得尤为必要。

硫酸软骨素（Chondroitin Sulfate, CS）是一种天然二糖聚合物，广泛存在于动物软骨等组织中，已被欧洲等国家作为膳食补充剂或药物应用于骨关节炎治疗。然而，硫酸软骨素钙复合物（Chondroitin Sulfate Calcium Complex, CSCA）作为一种硫酸软骨素金属复合物，其在促进骨骼健康方面的作用机制尚未明确，尤其缺乏针对骨质疏松的体内研究。

此外，近年研究发现肠道微生物群与代谢性疾病（如肥胖、糖尿病与骨质疏松）密切相关。肠-骨轴假说（Gut-Bone Axis）指出肠道微生物及其代谢物可以通过调节免疫状态、影响钙吸收等途径影响骨骼健康。因此，作者假设CSCA可能通过调节肠道微生物组及其代谢物，进而减轻骨质疏松症状。

本研究旨在：探讨CSCA对雌激素缺乏导致的骨质疏松模型大鼠的抗骨质疏松作用及其潜在机制，重点评估其对骨密度、骨微结构的改善作用，并结合16S rRNA测序与代谢组学分析研究其对肠道微生物群与代谢物的调控。

研究流程与实验设计

实验设计与动物模型
实验选用了8月龄的雌性Sprague Dawley大鼠（清洁级），通过双侧卵巢切除术（OVX）建模，模拟绝经后雌激素缺乏诱导的骨质疏松模型。共计40只大鼠，其中8只作为假手术组（Sham组，未切除卵巢），32只作为实验组接受双侧卵巢切除术。术后4周恢复期后，将OVX大鼠随机分为以下4组（每组8只）： - OVX组（生理盐水对照组）； - OVX-E组（100 µg/kg β-雌二醇干预）； - OVX-CS组（150 mg/kg CS干预）； - OVX-CSCA组（150 mg/kg CSCA干预）。
连续12周的每日灌胃给予相应物质，记录体重和食物摄入量。

实验过程
1. 骨密度与骨微结构分析：
大鼠右股骨通过微CT进行三维扫描及重建，分析骨密度（BMD）、骨体积分数（BV/TV）及骨小梁结构相关参数（Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp等）。

1. 骨代谢指标分析：
   血清中骨周转标志物（Bone Turnover Markers, BTMs）通过酶联免疫吸附试验（ELISA）测量，包括骨形成标志（骨碱性磷酸酶B-ALP、骨钙素BGP、Ⅰ型前胶原氨基端肽PINP）及骨吸收标志（抗酒石酸酸性磷酸酶TRACP、Ⅰ型胶原C-末端肽S-CTX、核因子κB受体活化因子配体Rankl）。

2. 肠道微生物组分析：
   粪便样本中总DNA提取后，使用Illumina HiSeq 2500平台进行16S rRNA基因V3-V4区扩增子测序，分析物种丰富度（Alpha多样性与Beta多样性）以及微生物群组成变化。

3. 代谢组学分析：
   采用液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）分析粪便代谢物，并通过KEGG富集分析鉴定显著改变的代谢通路。

研究主要结果

1. CSCA显著改善卵巢切除所致的骨骼退化：
- 与OVX组相比，CSCA组股骨干重与矿物质含量显著增加（p < 0.05），并接近假手术组水平。 - 微CT扫描结果显示，CSCA可改善股骨骨小梁微结构，显著提高BMD、BV/TV及Tb.N，同时降低骨小梁分离度（Tb.Sp）和SMI指数。

2. CSCA干预调节骨代谢标志物：
- CSCA组骨形成标志物（B-ALP、BGP、PINP）显著升高，骨吸收标志物（TRACP、S-CTX、Rankl）显著下降（p < 0.05），表明其通过抑制骨吸收并促进骨形成来减轻骨质疏松。

3. CSCA干预改变肠道微生物群结构：
- 与OVX组相比，CSCA组肠道微生物在门（phylum）层面显示酸杆菌（Acidobacteria）和绿弯菌（Chloroflexi）显著增多，而拟杆菌（Bacteroidetes）和放线菌（Actinobacteria）显著减少。 - LEfSe分析显示特定菌群（如Blautia）显著富集并可能作为生物标志物；相关性分析表明某些菌群与骨质疏松相关指标（如BMD和Tb.N）密切相关。

4. CSCA干预引起粪便代谢组改变：
- 确定了516种显著差异代谢物，主要涉及脂代谢、氨基酸代谢与异生物降解途径。 - 多种脂质（如亚油酸）和氨基酸代谢物（如D-脯氨酸和L-直链式组氨酸）被鉴定为潜在的关键代谢物，并与肠道微生物及骨骼相关性状显著相关。

研究结论与意义

本研究首次系统评估了CSCA作为一种功能性食品成分在改善卵巢切除大鼠骨质疏松中的作用。研究结果表明，CSCA能通过提高骨密度和改善骨小梁结构减轻骨质疏松症状，其作用机制可能与调控肠道微生物群和代谢组改变密切相关。相比传统的硫酸软骨素，CSCA表现出更显著的效果，具有成为新型膳食补充剂的潜力。未来研究需通过粪菌移植实验和人体试验进一步验证其调控机制与实际应用价值。

研究亮点

1. 创新干预物质： CSCA作为一种新型硫酸软骨素金属复合物，其抗骨质疏松活性有别于传统CS，填补了研究空白。
2. 多层次研究方法： 结合微CT、16S rRNA测序与代谢组学，多维度揭示了CSCA的作用机制。
3. 潜在应用价值： 研究结果为开发新型抗骨质疏松功能性食品或膳食补充剂提供了实验依据。