本文系Food Science and Human Wellness原創(chuàng)編譯，歡迎分享，轉(zhuǎn)載請授權(quán)。

Introduction

透明質(zhì)酸（Hyaluronic acid，HA），亦稱為玻尿酸，是糖胺聚糖（Glycosaminoglycans，GAGs）家族的重要成員。HA可來源于動物組織或微生物發(fā)酵，廣泛應(yīng)用于膳食補(bǔ)充劑、功能性食品及藥物輔料等領(lǐng)域?？诜﨟A制劑已被證實(shí)具備多種生物學(xué)功能，包括抗炎作用、緩解膝關(guān)節(jié)疼痛、提升皮膚水分含量及緩解慢性疼痛。值得注意的是，HA的生物活性受其分子量（molecular weight，MW）顯著影響，這一特性近年來受到廣泛關(guān)注。

研究表明，腸道微生物群能夠降解HA，并在人體腸道中鑒定出一類具有分解高分子量HA能力的特異性桿菌。已有研究報道的HA分子量范圍介于1~500 kDa。然而，即便是具有相同化學(xué)組成的多糖，其生物活性和代謝歸宿也可能截然不同。適宜分子量的多糖通常展現(xiàn)出良好的抗氧化活性，但具體分子量區(qū)間會因樣品來源而異。盡管如此，目前對于腸道微生物如何降解HA寡糖（oligosaccharides of HA，o-HAs）以及o-HAs與微生物群之間的相互作用機(jī)制仍不清晰。

由于腸道菌群可在藥物吸收前對其進(jìn)行代謝，因而對藥物的生物利用度具有重要影響。闡明腸道菌群在藥物代謝中的作用，有助于解釋其藥代動力學(xué)特征的變化。腸道微生物群在維持腸道上皮穩(wěn)態(tài)、預(yù)防腸道屏障受損等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，因而對宿主整體生理功能和健康狀態(tài)具有深遠(yuǎn)影響。據(jù)此推測，o-HAs可能通過調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)。

自動化控制的模擬胃腸系統(tǒng)（SIMGI）通過模擬人類消化道環(huán)境，精確調(diào)控生理參數(shù)，是研究膳食成分對腸道微生物群及其代謝影響的重要工具。已有研究表明，該多階段動態(tài)模型能夠有效模擬升結(jié)腸（AC）、橫結(jié)腸（TC）及降結(jié)腸（DC）中腸道微生物群的演化動態(tài)。SIMGI系統(tǒng)結(jié)合計算機(jī)控制模塊與生理參數(shù)設(shè)置，能模擬益生元對腸道微生物群落的潛在有益調(diào)節(jié)作用。

因此，通過解析微生物群的響應(yīng)特征，有助于揭示o-HAs的代謝歸宿及其潛在的健康效應(yīng)。在本研究中，作者利用模擬分批發(fā)酵系統(tǒng)，探究了o-HAs對厭氧腸道微生物群的調(diào)節(jié)作用。具體而言，研究在SIMGI系統(tǒng)中接種腸道菌群，評估o-HAs的降解與發(fā)酵過程。通過16S rDNA測序技術(shù)分析o-HAs對腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響，并結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)測定發(fā)酵過程中短鏈脂肪酸（SCFAs）的變化水平。SCFAs的產(chǎn)生被視為微生物活性的代謝指標(biāo)，并可與微生物豐度相關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步結(jié)合京都基因與基因組百科全書（KEGG）數(shù)據(jù)庫，對o-HAs的潛在腸道代謝路徑進(jìn)行功能預(yù)測。

綜上所述，本研究聚焦于相對低分子量（約1 kDa）o-HAs的益生元潛力及其在腸道菌群中的降解特性。相關(guān)結(jié)果為理解o-HAs的生物利用度及其在營養(yǎng)與藥物開發(fā)中的應(yīng)用前景奠定了理論基礎(chǔ)。

結(jié)果與探討

o-HA的生產(chǎn)和表征

HA的分子量決定了多糖的功能。為了生產(chǎn)o-HAs，作者發(fā)酵LHyal以水解高分子量HA。在108 h時測量細(xì)胞外LHyal活性（1.62 ± 0.06）×106 U/mL）（圖2B），并使用Ni柱純化LHyal。如前所述，HA被LHyal水解為HA2n（n=1~5）（圖2A）。作為后續(xù)研究，通過HPLC-MS/MS分析了反應(yīng)混合物，發(fā)現(xiàn)n=2~4（圖2C）。

圖2透明質(zhì)酸酶的制備和o-HAs的表征

o-HAs對微生物群的影響Chao1和Faith的系統(tǒng)發(fā)育多樣性指數(shù)是微生物群豐度的指標(biāo)（圖3A）。與HA組相比，DC中Con組在微生物多樣性方面表現(xiàn)出顯著差異。Simpson和Shannon指數(shù)在Con和HA組之間顯示出相似的趨勢，其中微生物多樣性增加然后減少，這可能是由于營養(yǎng)攝入后微生物多樣性的下降。HA組在DC中的多樣性低于Con組，這可能歸因于o-HAs對有害細(xì)菌的抑制。非度量多維尺度（NMDS）顯示Con組和HA組之間存在顯著差異，表明o-HAs影響微生物多樣性。

圖3 o-HAs對腸道菌群物種豐富度和豐度的影響

o-HAs對腸道微生物組成的影響門水平微生物群落分析顯示，變形菌門、厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和梭桿菌門是主要分類群（圖4A）。4 種腸道微生物（即變形菌門、擬桿菌門、放線菌門和梭桿菌門）的相對豐度表現(xiàn)出顯著變化。結(jié)果表明，HA和Con組在屬水平上幾個屬的豐度存在顯著差異。具體來說，雙歧桿菌、Prevotellaceae_Prevotella、Dialister、Eubacterium和Sutterella在HA組中的豐度明顯更高，而其他幾個屬的豐度，包括Catenibacterium、Oscillospira、Klebsiella和Citrobacter與Con組相比，顯著降低。這些結(jié)果為HA對腸道微生物組組成的潛在影響提供了有價值的見解。

圖4OTU水平腸道菌群的變化和差異

o-HAs對腸道微生物相互作用的影響通過鑒定在屬水平上具有顯著差異的微生物組，構(gòu)建了一個共線網(wǎng)絡(luò)（*P < 0.05）。圖5A顯示HA干預(yù)后，與雙歧桿菌、乳酸菌、Dialister、Micromonospora、Prevotellaceae_Prevotella、乳球菌、真桿菌、Strenotrophomonas、Ochrobactrum和檸檬酸桿菌的通用水平相關(guān)性顯著增加是最普遍的相關(guān)細(xì)菌。然后使用LEfSe分析不同的微生物群落（圖5B，*P < 0.05）。通過對樣本進(jìn)行聚類以構(gòu)建聚類樹來研究不同樣本之間的相似性（圖5C）。此外，微生物群受到o-HAs（前20名）的顯著調(diào)節(jié)（圖5C）。線性判別分析（LDA）（圖5D）可用于研究種群之間差異顯著的微生物群落。

圖5微生物在屬水平上的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析

o-HA對SCFA的影響SCFA是由腸道微生物組降解難以消化的多糖產(chǎn)生的。如圖6A所示，HA組中SCFA的濃度，包括乙酸（0.38 vs. 0.16 mmol/L，***P < 0.001）、丙酸（0.24 vs. 0.13 mmol/L，**P < 0.01）和正丁酸（0.28 vs. 0.17 mmol/L，**P < 0.01），在TC中顯著高于Con組。這些變化與AC和DC的變化相匹配（圖6A&B）。雙歧桿菌與Prevotellaceae_Prevotella、Dialister和乳酸菌呈正相關(guān)，與梭桿菌、克雷伯菌和檸檬酸桿菌呈負(fù)相關(guān)（圖6C）。圖6D顯示了o-HAs干預(yù)后SCFAs與微生物群落之間的顯著相關(guān)性。

圖6 o-HAs對體外發(fā)酵過程中微生物功能的影響

o-HAs對腸道微生物代謝的影響

通過將微生物測序結(jié)果與KEGG通路數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，確定了o-HAs微生物代謝的顯著不同代謝途徑和關(guān)鍵途徑。如圖7D所示，編碼戊糖和葡萄糖醛酸相互轉(zhuǎn)化的7 個基因的表達(dá)，包括D-阿拉伯糖醇4-脫氫酶[EC：1.1.1.1.11]和核糖醇2-脫氫酶[EC：1.1.1.56]，表達(dá)下調(diào)。編碼耐藥酶的6 個基因的表達(dá)下調(diào)，包括傳感器組氨酸激酶PhoQ [EC：2.7.13.3]和傳感器組氨酸激酶BasS [EC：2.7.13.3]（圖7E）。CAMP是治療對傳統(tǒng)抗生素耐藥的病原體的最有前途的選擇之一。

圖7 o-HAs對體外發(fā)酵過程中微生物功能的影響

作者簡介

第一作者

高欣偉，江南大學(xué)生物工程學(xué)院2021級博士研究生，主要研究方向為不同分子量透明質(zhì)酸的功能以及人工改造益生菌產(chǎn)透明質(zhì)酸。

通信作者

康振，教授/博士生導(dǎo)師，從事微生物合成生物學(xué)與代謝工程、酶工程研究，江蘇省杰出青年基金獲得者，糖化學(xué)與生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室副主任。主要承擔(dān)合成生物學(xué)、微生物學(xué)課程的講授工作。近年在NatureCommunications、ACSCatalysis、GreenChemistry、MetabolicEngineering等主流雜志發(fā)表研究論文68 篇，他引1 000多次，出版專著（或教材）3 部；授權(quán)中國發(fā)明專利45 件，美國發(fā)明專利4 件；主持包括國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)課題、江蘇省科技支撐等在內(nèi)的省部級縱向與企業(yè)橫向項目22 項；入選江蘇省“六大人才高峰”、濟(jì)南市“泉城學(xué)者”等人才計劃，擔(dān)任江蘇省生物技術(shù)協(xié)會青年專家委員會副主任、中國生化制藥協(xié)會糖類藥物分會第一屆專家委員會委員、BMCBiotechnology副編輯、EnzymeandMicrobialTechnology、FrontiersinBioengineeringandBiotechnology、BiotechnologyLetters雜志編委，中國微生物學(xué)學(xué)會會員。相關(guān)糖胺聚糖及其寡糖等多項微生物生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，所構(gòu)建枯草芽孢桿菌的食品級表達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)被國際知名的MoBiTecGmbH公司商業(yè)化。

Characterization of the effects of hyaluronan oligosaccharides on human gut microbiota using a simulated batch fermentation system

Xinwei Gaoa,b,c, Hongkang Zhud, Litao Hua,b,c, Jieyu Suna,b,c, Wenjie Zuoa,b,c, Ping Liua,b,c, Yang Wanga,b,c, Guocheng Dua,b,c,*, Zhen Kanga,b,c,*

a The Science Center for Future Foods, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

b The Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

cThe Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

dSchool of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

*Corresponding authors.

Abstract

The prebiotic effects of hyaluronan (HA) are widely recognized, contributing to improved gut health and immune modulation. Despite its extensive use as dietary supplement, the specific interactions between HA oligosaccharides (o-HAs) and the gut microbiome remain largely unexplored. To investigate its role and metabolic fate in gut homeostasis, 200 mg/day of o-HAs (average molecule weight 1 kDa) were added to an automated computer-controlled SIMulator of the Gastrointestinal tract (SIMGI). The results revealed a significant reshaping of the intestinal flora composition by o-HAs, notably reducing the Firmicutes/Bacteroides ratio. Fermentation of o-HAs by gut microbiota significantly increased the abundance of Bifidobacterium, Prevotellaceae_Prevotella, Dialister, Eubacterium, and Sutterella, but decreased that of Catenibacterium, Oscillospira, Klebsiella, and Citrobacter (P < 0.05). This corresponded with significant enhancements in the content of short-chain fatty acids (SCFAs) such as acetic acid, propionic acid and n-butyric acid, highlighting the significant impact of o-HAs at the genus level. Furthermore, analysis of microbial function predicted the downregulation of pathological events in nine human diseases, particularly infectious ones (parasitic and bacterial). Potential inhibitions were observed in metabolic pathways associated with pentose and glucuronate interconversions as well as cationic antimicrobial peptide resistance. These findings underscore the in vitro prebiotic effects of o-HAs and their potential relevance in managing diverticular diseases or preventing metabolic disorders through the regulation of gut microbiota.

Reference:

GAO X W, ZHU H K, HU L T, et al. Characterization of the effects of hyaluronan oligosaccharides on human gut microbiota using a simulated batch fermentation system[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(6): 9250135. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250135.

本文編譯內(nèi)容由作者提供

編輯：王佳紅；責(zé)任編輯：孫勇

封面圖片：圖蟲創(chuàng)意

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