《International Journal of Biological Macromolecules》（Q1，IF=7.7）是一本研究所有天然大分子化学和生物学方面的知名国际期刊。介绍了蛋白质、大分子碳水化合物、糖蛋白、蛋白聚糖、木质素、生物多酸和核酸的分子结构和性质的最新研究成果。范围包括生物活性和相互作用、分子缔合、化学和生物修饰以及功能特性。也欢迎有关模型系统、结构构象研究、理论发展和新分析技术的论文。
导读
近年来，高脂肪饮食（HFD）模式的兴起迅速增加了肥胖和超重的发生率。肥胖会导致多种代谢紊乱的发展，如葡萄糖耐量异常、血脂异常和慢性低度炎症。因此，肥胖症的预防和缓解已在世界范围内进行了广泛的研究。葡萄糖代谢紊乱是另一个与肥胖流行密切相关的全球性健康问题。许多研究表明，肠道菌群紊乱与肥胖、高脂血症和高血糖高度相关。
肠道微生物群影响能量稳态、葡萄糖代谢、炎症和脂肪积累。最重要的是，肠道细菌可以产生大量的代谢物，其中一些已被证明可以防止肥胖和代谢失调。例如，由膳食纤维产生的短链脂肪酸 （SCFA） 因其改善葡萄糖稳态和脂质代谢的潜力而受到广泛关注 。此外，胆汁酸是葡萄糖和能量稳态中的重要信号分子，可能通过促进胰高血糖素样肽 1 （GLP-1） 和肽 YY （PYY） 的分泌对葡萄糖调节产生积极影响。因此，维持肠道稳态可能是预防肥胖和葡萄糖和脂质代谢紊乱的有效策略。
咖啡酸作为谷物中的主要酚酸，具有羟基苯丙烯酸结构。咖啡酸通过调节小鼠肠道微生物群来预防肥胖和非酒精性脂肪性肝病。阿拉伯木聚糖的线性主链由β-1,4-d-吡喃木糖基骨架组成，L-阿拉伯呋喃糖基在呋喃循环的第 2 位和/或第 3 位被取代。β-葡聚糖是一种多糖，由葡萄糖的线性链组成，在谷物中具有β-（1→3）和β-（1→4）键。阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖是天然的生物大分子，具有许多健康益处，特别是在改善胰岛素抵抗和脂质代谢方面。然而，咖啡酸与阿拉伯木聚糖或β葡聚糖是否具有更强的抗肥胖作用尚不清楚。因此，目前的研究旨在研究咖啡酸与阿拉伯木聚糖或β-葡聚糖联合对小鼠肥胖和葡萄糖和脂质代谢的影响。本研究可为多酚和膳食纤维的利用提供一种可能的抗肥胖饮食策略。
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咖啡酸CA、阿拉伯木聚糖AX和β-葡聚糖BG对小鼠肥胖的影响
与CON小鼠相比，HFD在18周结束时显著增加了小鼠的体重和体重增加。然而，AXCA和BGCA显著阻止了HFD诱导的体重增加和体重增加。HFD组的日均食物摄入量明显低于CON组，AX组的日均食物摄入量最低。HFD、BG、CA、AXCA、BGCA组在食物摄入量方面无显著差异。与CON组相比，HFD组的能量摄入显著增加，而其他5组与HFD组差异不显著。
AXCA和BGCA对小鼠葡萄糖稳态的影响
HFD组的血糖水平和OGTT的AUC显著高于CON组，但AX、BG、AXCA和BGCA组的AUC显著低于HFD组。HFD消耗引起胰腺组织炎性细胞浸润，但AXCA和BGCA改善了胰岛形态。HFD喂养小鼠血清PYY水平显著降低，与HFD组相比，BGCA组GLP-1和PYY水平显著升高。这些结果表明，AXCA和BGCA对HFD喂养小鼠的葡萄糖稳态显示出有益的影响。
BGCA对血浆生化和肝水平的影响
HFD喂养引起脂质代谢紊乱，HFD组血清TC、LDL-C和FFA水平显著高于CON组。AXCA组和BGCA组的FFA水平低于HFD组，BGCA组血清TC含量最低。然而，仅使用CA或膳食纤维治疗后，血清脂质谱无显著差异。血清AST和ALT 水平通常被认为是肝功能的指标。与CON组相比，HFD喂养增加了HFD组的AST和ALT水平，但摄入BGCA显著降低了AST和ALT水平。
HFD显著降低了SOD和GSH-Px的活性，提高了MDA的水平.与HFD组相比，BGCA组SOD和GSH-Px活性显著增强，MDA水平显著降低。因此，CA和BG协同缓解HFD诱导的氧化应激。此外，AXCA和BGCA治疗的小鼠表现出炎症的减少，如促炎细胞因子TNF-α的血清水平降低所揭示的那样。HFD组ADPN水平显著降低，但BGCA治疗后ADPN水平显著升高。
BGCA降低肝脏指数，抑制肝脏脂质沉积
HFD组小鼠肝脏指数显著高于CON组。补充BGCA对肝脏指数的降低效果最好。小鼠的代表性肝脏照片显示，HFD喂养的小鼠的肝脏肿胀，看起来苍白，而AXCA和BGCA治疗的小鼠的肝脏形态表现出显着改善。HFD组显示更多更大的肝脏脂滴，但与单独使用BG和CA相比，补充BGCA对抑制肝脏脂质沉积的效果更好。
BGCA改善了结肠病理变化，上调了紧密连接蛋白的表达
HFD诱导结肠炎性细胞浸润，但补充BGCA可减少炎性细胞浸润。紧密连接蛋白（ZO-1 和 claudin-1被认为是肠道屏障功能所必需的。HFD 降低了 ZO-1 和 claudin-1 的表达，而补充 BGCA 显著增加了结肠组织中 ZO-1 和 claudin-1 的浓度 。
AXCA和BGCA调节的肠道微生物群组成
鉴于肥胖与肠道微生物群紊乱密切相关，我们研究了小鼠的肠道微生物群组成。ACE指数和Chao指数显示，膳食BGCA显著增加了α多样性。Venn图还表明，与CON组相比，HFD喂养的肠道微生物群的OTU数量下降。然而，CA组和/或膳食纤维治疗组的OTU数量增加，BGCA组的OTU数量最多。PCA结果显示，各组肠道菌群多样性均有明显的聚类现象。AXCA组和BGCA组与HFD组相比，微生物群落差异明显，与CON组更相似。结果表明，与单独使用AX、BG和CA相比，AXCA和BGCA显著提高了肠道菌群的丰富度和多样性，且BGCA效果更好。
从门和属水平分析各组肠道微生物群落结构。小鼠肠道菌群中的主要门是厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门和疣菌门、厚壁菌门/拟杆菌门 （F/B） 比率被认为是肥胖的潜在生物标志物。HFD组的F/B比值较CON组显著升高。然而，与HFD喂养的小鼠相比，补充AXCA和BGCA显着降低了F/B比值。放线菌作为肠道微生物群的四大门之一，在维持肠道稳态中起着关键作用。与HFD组相比，AXCA组和BGCA组放线菌的丰度显著增加.
在属水平上，优势菌群为粪杆菌、乳酸菌、双歧杆菌、Coriobacteriaceae_UCG-002和norank_f__Muribaculaceae。随着HFD喂养，Romboutsia、Coriobacteriaceae_UCG-002、Clostridium_sensu_stricto_1和乳酸菌的相对丰度增加，双歧杆菌等有益菌的相对丰度降低。双歧杆菌已被广泛证明是与人类健康相关的最重要的属之一，与肥胖和葡萄糖耐量不良呈负相关。重要的是，AXCA和BGCA显著增加了双歧杆菌的相对丰度。与HFD组相比，AXCA组和BGCA组的Romboutsia、Clostridium_sensu_stricto_1和乳酸菌的相对丰度显著降低。此外，Coriobacteriaceae_UCG-002和Blautia的相对丰度在BGCA组中显著降低。
BGCA调节结肠中微生物群衍生的代谢物
在上述结果中，CA和BG联合组在增强肠道屏障功能和调节肠道菌群方面表现出更好的效果。因此，我们选择了CON、HFD、BG、CA和BGCA5组进行代谢组学分析，以进一步探索抗肥胖作用的可能机制。代谢物的PCA揭示了不同饮食干预组。HFD组的采样点与CON组有显著差异，但BG组和BGCA组的代谢特征与HFD组有显著差异。在结肠内容物中检测到的 451 种代谢物中，根据可变重要性阈值 （VIP） > 1 确定对歧视有显着贡献的代谢物。
KEGG通路分析表明，差异代谢物主要富集于色氨酸代谢、嘌呤代谢、胆汁分泌和类固醇激素生物合成。犬尿烯酸、5-羟基-L-色氨酸、吲哚-3-乙酰胺、4-（2-氨基苯基）-2,4-二氧代丁酸（DOBA）、5-羟基-N-甲酰基犬尿氨酸、2-甲氨基苯甲酰乙酸酯、5-羟基吲哚乙酸、黄嘌呤、腺苷-3′-单磷酸、次黄嘌呤、7-酮脱氧胆酸、12α-羟基-3-氧代-5β-胆烷-24-酸的浓度降低，肌苷、鸟苷、腺嘌呤、胆酸、牛磺胆酸、3-硫酸牛磺胆酸、3α、与CON组相比，HFD组的7α-二羟基前列腺酸升高。但BGCA处理显著提高了DOBA、5-羟基-N-甲酰基犬尿氨酸、2-甲氨基苯甲酰乙酸酯、5-羟基吲哚乙酸、犬尿烯酸、3-吲哚乙酸、脱氧胆酸（DCA）和12α-羟基-3-氧代-5beta-胆烷-24-酸的水平，并显著降低了鸟苷、腺嘌呤、肌苷和牛磺胆酸3-硫酸盐的水平。
肠道微生物群与代谢物之间的相关性
Spearman相关性分析显示，双歧杆菌、Akkermansia和norank_f__Muribaculaceae与DOBA、5-羟基-N-甲酰基犬尿氨酸、2-甲氨基苯甲酰乙酸酯、5-羟基吲哚乙酸、3′-单磷酸腺苷、7-酮脱氧胆酸、犬尿烯酸、黄嘌呤和次黄嘌呤呈正相关。此外，unclassified_f__Lachnospiraceae、蓝藻和丹毒梭菌与腺嘌呤、牛磺胆酸和3α，7α-二羟基前列腺酸呈正相关，与DOBA、5-羟基-N-甲酰基犬尿氨酸、2-甲氨基苯甲酰乙酸酯、5-羟基吲哚乙酸、3′-单磷酸腺苷、7-酮脱氧胆酸和次黄嘌呤呈负相关。重要的是，双歧杆菌的丰度与鸟苷、腺嘌呤和肌苷的水平呈负相关。
微生物代谢物与肥胖相关指标的相关性
肥胖相关指标与微生物代谢物之间的Spearman相关性分析显示，体重增加，TC，FFA，肝指数，AUC，AST，ALT和MDA与犬尿烯酸，5-羟基-L-色氨酸，吲哚-3-乙酰胺，DOBA，5-羟基-N-甲酰基犬尿氨酸，N-甲酰犬尿氨酸，2-甲氨基苯甲酰乙酸酯，5-羟基吲哚乙酸，次黄嘌呤，7-酮脱氧胆酸和12α-羟基-3-氧代-5beta-胆烷-24-酸呈负相关，但与鸟苷，腺嘌呤，牛磺胆酸3-硫酸盐和牛磺胆酸呈正相关。SOD、GSH-Px和ADPN的趋势与上述指标相反。TNF-α与N-甲酰犬尿氨酸和黄嘌呤呈正相关，与牛磺胆酸、DCA和3α、7α-二羟基前列腺素酸呈负相关。
结果
这项研究首次说明了咖啡酸与阿拉伯木聚糖或β-葡聚糖联合对HFD喂养小鼠的体重、葡萄糖稳态、肝功能和脂质代谢的协同有益作用。咖啡酸联合阿拉伯木聚糖或β-葡聚糖对肥胖的预防作用可能是通过调节微生物群的组成。此外，咖啡酸与β-葡聚糖治疗相结合，可逆转 HFD 诱导的微生物群衍生代谢物（如结肠中的色氨酸代谢物、嘌呤代谢物和胆汁酸代谢物）的变化。这些作用可能与咖啡酸与β-葡聚糖联合对氧化和炎症应激以及增强肠道屏障功能的调节作用有关。因此，咖啡酸和β-葡聚糖的组合可以作为全谷物衍生功能性食品的配方，用于预防肥胖相关疾病和调节肠道健康。
