FSHW | 植物基奶通過調節腸道微生物組和代謝組來緩解抗生素引起的腸道屏障損傷

本文系Food Science and Human Wellness原創編譯，歡迎分享，轉載請授權。

Abstract

植物基奶富含多不飽和脂肪酸、多酚和其他生物活性化合物。本研究調查了3種植物基奶（亞麻籽奶、燕麥奶和豆奶）對頭孢曲松誘導的腸道紊亂的影響，并比較了與腸道微生物組和代謝組相關的調節模式。結果表明，植物基奶緩解了頭孢曲松引起的盲腸腫脹、結腸組織損傷和腸道微生態紊亂。同時，給予植物基奶降低了結腸中促炎細胞因子（TNF-α、IL-6、IL-1β）和氧化應激（MDA）和髓過氧化物酶（MPO）的水平，同時增加了結腸中緊密連接蛋白（Occludin、Claudin-1和ZO-1）的水平。植物基奶通過促進有益菌（雙歧桿菌）的相對水平，并抑制有害菌屬（腸球菌）來調節腸道菌群。此外，植物基奶處理顯著調節了血清中的甘油磷脂代謝（如甘油磷膽堿）和花生四烯酸代謝（如前列腺素G2和花生四烯酸）。總之，植物基奶可以緩解抗生素相關的屏障功能損傷、腸道菌群紊亂和代謝紊亂的減少，為探索植物基奶的抗炎和腸道微生態方法奠定了基礎。

Itroduction

宿主與腸道微生物共生，這些微生物對宿主的營養吸收、健康維持甚至疾病進展有著深遠的影響，包括肥胖癥、2型糖尿病和炎癥性腸病。目前已知，日常飲食可以顯著改變腸道微生物群的組成，從而影響腸道微生物組的功能。富含膳食纖維、多酚和多不飽和脂肪酸的飲食可以增強腸道微生物群的穩定性和多樣性，而高糖、高脂肪和高鹽飲食則會破壞腸道微生物群，導致腸道失調甚至腸道屏障損傷。

抗生素是至關重要的藥物，被廣泛用于預防和治療傳染病，但像頭孢曲松這樣的抗生素的過度使用會破壞微生態平衡并改變細菌代謝物的多樣性。據報道，長期使用頭孢曲松會影響腸道黏液層的形成和緊密連接蛋白的表達。此外，頭孢曲松處理會使腸道菌群失調，進而顯著降低調節性T細胞的比例和功能。同時，頭孢曲松的使用會導致腸道代謝組的破壞。最近，使用飲食中的天然活性物質來調節腸道菌群失調和腸道屏障功能受損被認為是預防和緩解由抗生素暴露引起的腸道損傷的安全有效手段。

不含乳制品過敏因素的植物基奶更符合人們對健康的需求以及素食者的需求，一經上市便受到消費者的追捧。豆奶是最常見的植物基奶之一，它提供了包括高蛋白和有益氨基酸在內的日常營養需求。豆奶還富含多酚和黃酮類化合物，這些成分已被證明對心血管健康、2型糖尿病、結腸炎癥、肥胖以及非酒精性脂肪肝病具有顯著的預防和改善作用。

另一種受歡迎的植物基奶是燕麥奶，它含有豐富的膳食纖維、總多酚以及通過ABTS和DPPH評估的抗氧化能力。其主要膳食纖維為混合連接的（1→3）、（1→4）-β-葡聚糖（β-葡聚糖），據報道，這種纖維可以被腸道微生物群發酵形成短鏈脂肪酸（SCFA），作為益生元對結腸黏膜具有保護作用。亞麻籽奶是一種新興的植物基奶，富含α-亞麻酸（ALA）和膳食纖維。作為一種必需脂肪酸，ALA可以代謝生成二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA），這些成分已被報道具有抗高脂血癥、心血管疾病預防以及抗炎作用，并且能夠調節腸道微生物群。

近年來，關于植物基奶對小鼠腸道菌群影響的研究較少。本研究聚焦于評估植物基奶對頭孢曲松鈉（CS）誘導的結腸炎小鼠的腸道菌群結構和腸道屏障的影響，并嘗試探索其代謝組機制。這些結果將為使用植物基奶作為功能性飲料的成分以促進腸道微生物群和代謝提供啟示。

Results and Discussion

植物基奶具有緩解頭孢曲松鈉誘導的結腸炎作用

圖1A和B分別展示了動物實驗設計和本研究中體質量變化。如圖1C所示，CS組小鼠的體質量增長速度比NC組小鼠更快，而在隨后的14 d恢復期內，亞麻籽奶、燕麥奶和豆奶組小鼠的體質量下降到正常水平（P＜0.01）。如圖1D所示，各組的結腸長度沒有顯著差異。此外，如圖1E所示，CS組小鼠的盲腸內容物含水量高于NC組小鼠（P＜0.01），而亞麻籽奶、燕麥奶組小鼠的含水量與CS組小鼠相比有所下降（亞麻籽奶，P＜0.01；燕麥奶，P＜0.01）。CS組小鼠的盲腸內容物指數顯著高于NC組（P＜0.01），只有亞麻籽奶組逆轉了這一變化（P＜0.01），見圖1F。

圖1植物基奶對CS誘導小鼠結腸炎模型癥狀的影響

如圖2A和C所示，與NC組相比，CS組結腸中促炎細胞因子的水平，包括TNF-α（P＜0.01）、IL-1β（P＜0.01）和IL-6（P＜0.01）顯著增加，而IL-10在CS組中減少（P＜0.01）。在接受頭孢曲松鈉處理后，所有4種植物基奶組成功降低了IL-1β（P＜0.01）和IL-6（P＜0.01）的水平。與CS組相比，只有亞麻籽奶（P＜0.01）和豆奶（P＜0.01）組顯著降低了TNF-α的水平。與CS組相比，各植物基奶組在IL-10水平上沒有明顯的統計學意義。結腸中MDA和MPO的含量如圖2B所示。與NC組相比，CS組的MDA濃度顯著增加（P＜0.01），而在亞麻籽奶、燕麥奶、燕麥奶和豆奶處理后顯著下降（P＜0.01）。與NC組相比，CS組的MPO水平顯著增加（P＜0.01），而在4種植物基奶組中也有所降低（P＜0.01）。

圖2植物基奶對結腸組織中炎癥因子的抑制作用

植物基奶的腸道屏障恢復作用

圖3A顯示了通過蘇木精-伊紅（H&E）染色揭示的結腸組織的組織學變化。NC組具有正常的形態，結腸黏膜完整，腺窩結構完整。相比之下，CS組顯示出杯狀細胞消失、腺窩破壞和缺失，以及固有層和黏膜下層的炎癥浸潤。燕麥奶和豆奶組均顯示出炎癥細胞浸潤和杯狀細胞缺失。然而，接受亞麻籽奶處理的兩個組（亞麻籽奶高劑量組和亞麻籽奶低劑量組）與頭孢曲松鈉誘導的結腸炎小鼠相比恢復了黏膜結構。因此，用亞麻籽奶喂養小鼠改善了炎癥，與頭孢曲松鈉誘導的組相比，組織學評分顯著降低，且亞麻籽奶高劑量組的效果優于亞麻籽奶低劑量組。

如圖3B所示，可以發現NC組小鼠的緊密連接蛋白主要位于結腸的肌層和上皮細胞中，其中一小部分分布在黏膜固有層。頭孢曲松鈉嚴重破壞了緊密連接蛋白的定位和表達。簡而言之，緊密連接蛋白的缺失加劇了頭孢曲松鈉誘導的結腸炎中的腸道屏障損傷，而在亞麻籽奶低劑量組和亞麻籽奶高劑量組中檢測到這些緊密連接蛋白相對完整的定位和水平。

圖3D表明，與NC組相比，CS組顯著降低了Claudin-1、Occludin和ZO-1的水平（P＜0.01）。然而，亞麻籽奶處理（亞麻籽奶低劑量組和亞麻籽奶高劑量組）顯著恢復了頭孢曲松鈉誘導的結腸炎小鼠結腸中Claudin-1（P＜0.05）和Occludin（P＜0.01）的表達。只有亞麻籽奶高劑量組顯著提高了ZO-1的水平（P＜0.01）。值得注意的是，燕麥奶組和豆奶組均未能恢復Claudin-1、Occludin或ZO-1的降低水平。

圖3植物基奶對頭孢曲松鈉誘導的腸道屏障損傷具有抑制作用

植物基奶可以改變腸道菌群的結構和組成

對腸道微生物多樣性進行了評估，結果表明與NC組相比，CS組顯著降低了Chao1（P＜0.01）和Shannon（P＜0.01）指數。各組之間的Simpson和Pielou_e指數沒有顯著差異（圖4A）。基于加權UniFrac距離矩陣的主坐標分析用于觀察植物基奶對腸道菌群結構變化的影響。如圖4B所示，CS組的腸道微生物群受到干擾，與NC組明顯分離。與CS組相比，植物基奶預處理也改變了腸道微生物群結構。亞麻籽奶低劑量組和亞麻籽奶高劑量組彼此更為相似，而燕麥奶組幾乎與豆奶組重疊。

圖4植物基奶對頭孢曲松鈉誘導小鼠的腸道菌群具有調控作用

如圖4C所示，在門水平上，已鑒定出的微生物主要包括厚壁菌門、擬桿菌門、疣微菌門、變形菌門和放線菌門；其中，厚壁菌門和擬桿菌門在各組中的占比均超過70%。

與NC組相比，CS組的厚壁菌門相對豐度顯著降低（52.96% vs. 42.20%），而疣微菌門相對豐度顯著升高（0.57% vs. 19.92%）。與CS組相比，兩個亞麻籽奶處理組（亞麻籽奶低劑量組和 亞麻籽奶高劑量組）的擬桿菌門相對豐度均更高（分別為35.81% vs 57.57% 和 35.81% vs 58.74%）。此外，燕麥奶組和豆奶組的擬桿菌門相對豐度均有所下降，而厚壁菌門相對豐度則顯著升高。

圖4D展示了基于宏基因組差異的擴增子序列變體/操作分類單元曼哈頓圖。其中，縱坐標為?lg Padj值，差異越顯著，其在Y軸上的位置越高。NC組與CS組之間相對豐度存在差異的微生物群具有統計學顯著性，其中腸球菌屬、擬桿菌屬在CS組中主要呈富集狀態。雙歧桿菌屬在亞麻籽奶低劑量組中富集；腸球菌屬在亞麻籽奶高劑量組和燕麥奶組中均富集。此外，副擬桿菌屬在亞麻籽奶低劑量組、伯克霍爾德菌屬在亞麻籽奶高劑量組、梭菌屬在燕麥奶組中也分別呈高豐度狀態。腸球菌屬和梭菌屬則主要在豆奶組中富集。

各組腸道菌群變化的線性判別分析結果如圖4E所示。研究觀察到，與NC組相比，CS組中腸球菌屬、擬桿菌屬等菌群富集。此外，與CS組相比，給予低劑量和高劑量亞麻籽奶后，兩組分別富集了不同的腸道菌群：其中，亞麻籽奶低劑量組中帕拉桿菌屬和布勞特氏菌屬富集。燕麥奶組和豆奶組均富集腸球菌屬和梭菌屬，且燕麥奶組特有的富集菌群為雙歧桿菌屬，豆奶組特有的富集菌群則包括短波單胞菌屬等。

氧化應激指標、炎癥指標與腸道菌群的相關性分析

如圖5A結果顯示，有15個操作分類單元與至少一項生化指標存在負相關或正相關關系：脫硫弧菌屬、羅斯氏菌屬、cc_115菌屬、臭桿菌屬、螺桿菌屬及AF12菌屬與TNF-α呈顯著負相關，而與IL-10呈顯著正相關；此外，奇異菌屬、乳桿菌屬及顫螺旋菌屬也與IL-10呈正相關。梭菌屬與IL-1β和IL-6均呈負相關。另外，MDA水平與乳桿菌屬呈正相關，擬桿菌屬與MPO水平呈正相關。

圖5（A）細菌類群與結腸炎相關指標間斯皮爾曼相關系數的熱圖；（B）植物基奶營養成分與腸道微生物屬水平的冗余分析相關性分析

植物基奶成分與腸道菌群的相互作用

本研究采用冗余分析探究腸道菌群與營養因子之間的相關性，結果如圖5B所示。各組植物基奶中的脂肪、膳食纖維和總酚與碳水化合物呈負相關；上述3種成分（脂肪、膳食纖維、總酚）與擬桿菌屬和雙歧桿菌屬呈正相關。此外，燕麥奶組與豆奶組的相關性特征相似，兩組均與腸球菌屬、奇異菌屬、梭菌屬呈正相關，與布勞特氏菌屬、副擬桿菌屬呈負相關。

植物基奶改變頭孢曲松鈉誘導型小鼠的血清代謝組譜

采用UHPLC-MS/MS技術對血清樣本的正離子和負離子代謝譜進行分析。在代謝組學數據中，共檢測到857個質荷比信號（正離子模式下有608個有效峰，負離子模式下有249個有效峰）。

如圖6A所示，主成分分析得分圖顯示，NC組、CS組、兩個亞麻籽奶組以及燕麥奶組、豆奶組樣本的血清代謝物譜存在明顯分離。由于在亞麻籽奶低劑量組和亞麻籽奶高劑量組中觀察到其對頭孢曲松鈉誘導的結腸炎具有顯著緩解作用，因此在后續血清代謝組分析中，僅呈現亞麻籽奶低劑量組的結果。

對正離子與負離子組合數據的質量評估采用正交偏最小二乘判別分析建模，結果如圖6B所示。在OPLS-DA模型驗證中，模型解釋能力參數（R2Y）介于0.98～0.99之間，預測能力參數（Q2）介于0.52～0.80之間，表明當前構建的模型具有有效性。

維恩圖展示了各成對比較組所調控的共有代謝物（圖6C）。研究以VIP＞1和P＜0.05為篩選標準確定潛在生物標志物，并以火山圖形式呈現于圖6D中。

圖6血清樣本非靶向代謝組學數據的多變量統計分析

代謝通路分析

如圖7A所示，在亞麻籽奶低劑量組中，β-丙氨酸代謝、鞘脂代謝及花生四烯酸代謝是受調控最為顯著的代謝通路。此外，燕麥奶組對丙酮酸代謝、煙酸與煙酰胺代謝具有調控作用；豆奶組則對D-谷氨酰胺與D-谷氨酸代謝、丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸代謝及丙酮酸代謝具有調控作用。

圖7各組中顯著變化的KEGG通路

圖7B結果顯示，與CS組相比，植物基奶處理組中：參與甘油磷脂代謝的代謝物（甘油磷酸膽堿、磷酰膽堿）及參與乙醛酸和二羧酸代謝的代謝物（羥基丙酮酸）顯著降低；而參與花生四烯酸代謝通路的代謝物（花生四烯酸）顯著升高，前列腺素G2則顯著降低。此外，與CS組相比，植物基奶處理組中其他氨基酸相關代謝物（琥珀酸半醛、（R）-4'-磷酸泛解酸、β-丙氨酸）的水平也顯著降低。這些結果表明，CS組小鼠的花生四烯酸代謝、甘油磷脂代謝及氨基酸代謝通路存在顯著紊亂；有趣的是，植物基奶處理可顯著逆轉這些異常變化。

尤其值得注意的是，本研究隨后對潛在生物標志物進行了分析，以篩選出NC組、CS組、亞麻籽奶低劑量組、燕麥奶組及豆奶組中發生顯著變化的特征性代謝物。

總之，可通過HMDB數據庫（人類代謝組數據庫）和KEGG數據庫，篩選P＜0.05且VIP＞1的化合物作為差異代謝物。

如圖8 示，研究基于已鑒定代謝物的差異貢獻度構建熱圖并進行可視化分析，該熱圖可區分NC組與CS組中發生變化的特征性代謝物。此外，所有植物基奶處理組可聚為一類。

圖8糞便樣本UHPLC-MS/MS檢測（正離子與負離子結合模式）中顯著差異代謝物水平的熱圖

受調控腸道菌群與代謝物生物標志物的相關性

本研究采用斯皮爾曼等級相關分析，探究血清中顯著差異代謝物與腸道菌群之間的關聯。如圖9A所示，結果表明血清代謝物與15個微生物類群存在顯著相關性。

受調控腸道菌群與已鑒定代謝物生物標志物之間的顯著相關性，通過網絡圖形式直觀呈現于圖9B中。其中，花生四烯酸、膽酸、甘油磷酸膽堿、硫胺素及胞苷與副擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、顫螺旋菌屬、臭桿菌屬、脫硫弧菌屬、脫鹵桿菌屬、厭氧棍狀菌屬及嗜膽菌屬呈顯著正相關。此外，L-纈氨酸、牛磺膽酸、硫酸膽固醇及異麥芽糖的相對豐度與梭菌屬、腸球菌屬、高溫放線菌屬呈正相關

圖9植物基奶通過腸道微生物代謝抑制有害細菌的產生，從而改善腸道屏障功能

Conclusion

綜上所述，本研究結果表明，植物基奶處理可顯著改善CS組小鼠的臨床特征，減輕結腸炎癥狀態，改善結腸黏膜屏障功能，同時還能通過調節腸道菌群來調控腸道菌群及其代謝過程。這些發現闡明了腸道菌群在植物基奶調節結腸炎中的作用，并揭示了植物基奶減輕結腸炎的潛在機制。本研究提示，植物基奶（尤其是亞麻籽奶）可能是一種具有潛力的功能性營養物質，可用于調控腸道菌群代謝及干預炎癥性腸病。

Plant-based milk alleviates antibiotics-induced intestinal barrier damage associated with modulation of gut microbiome and metabolome

Xiaoyan Maa,b, Yashu Chena, Zhenxia Xua, Chao Wangb, Xu Wangc, Zhitao Chend, Shufang Xue, Chen Yanga,*, Qianchun Denga,*

a Oil Crops and Lipids Process Technology National & Local Joint Engineering Laboratory, Hubei Key Laboratory of Lipid Chemistry and Nutrition, Key Laboratory of Oilseeds Processing, Ministry of Agriculture and Rural affairs, Oil Crops Research Institute of the Chinese Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430062, China

b Key Laboratory of Fermentation Engineering (Ministry of Education), Hubei Key Laboratory of Industrial Microbiology, Hubei Provincial Cooperative Innovation Center of Industrial Fermentation, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China

c Collage of Veterinary Medicine, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China

d Department of Gastroenterology, the Central Hospital of Wuhan, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430014, China

e Clinical Nutrition Department, the Central Hospital of Wuhan, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430014, China

*Corresponding author.

Abstract

Plant-based milk is rich in polyunsaturated fatty acids, polyphenols and other bioactive compounds. This study investigated the effect of 3 plant-based milk (flaxseed milk, oat milk and soy milk) on the ceftriaxone-induced intestinal disorders, and compared the regulation patterns associated with gut microbiome and metabolome. The results showed plant-based milk alleviated the ceftriaxone caused cecum swelling, colonic tissue damage and intestinal microecological disorders. Meanwhile, administered plant-based milk decreased levels of pro-inflammatory cytokine (tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin-6 (IL-6), interleukin-1β (IL-1β) and oxidative stresses (malondialdehyde (MDA) and myeloperoxidase (MPO) in the colon, as well as increasing the levels of tight junction proteins (Occludin, Claudin-1, and ZO-1) in the colon. Moreover, administration of plant-based milk modulated the intestinal microbiota by promoting the relative levels of beneficial bacteria (Bifidobacterium), and inhibiting the harmful bacteria genus (Enterococcus). Furthermore, plant-based milk treatment significantly modulated glycerophospholipids metabolism (e.g. glycerophosphocholine) and arachidonic acid metabolism (e.g. prostaglandin G2 and arachidonic acid) in the serum. In conclusion, plant-based milk could alleviate antibiotic-related imbalance of barrier function damage, gut microbiota disorders and the reduction of metabolic disorders, which lays a foundation for exploring anti-inflammatory and intestinal micro-ecological approach to plant-based milk.

Reference:

MA X Y, CHEN Y S, XU Z X, et al. Plant-based milk alleviates antibiotics-induced intestinal barrier damage associated with modulation of gut microbiome and metabolome[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(6): 9250140. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250140.

翻譯：王立磊（實習）

編輯：梁安琪；責任編輯：孫勇

封面圖片：攝圖網

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