FSHW | 阿洛酮糖摄入引起肠道菌群紊乱，损害黏膜屏障，恶化DSS诱导的小鼠结肠炎

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Introduction

D-阿洛酮糖是自然界中的一种稀有糖，甜度为蔗糖的70%，热量仅为0.4 kcal/g。作为一种新兴的代糖，阿洛酮糖目前已在多个国家获得应用许可。D-阿洛酮糖是D-果糖的C3位异构体，因此多项研究正致力于通过化学法、酶法以及生物工程技术获取更高品质和更低成本的D-阿洛酮糖。

过去几年中，多项研究证实D-阿洛酮糖具有加速脂质消耗，预防肥胖以及预防二型糖尿病等生理功能。然而阿洛酮糖的摄入风险仍然存在。研究表明，C57BL/6J小鼠的肠道微生物在16周的D-阿洛酮糖干预下会发生深刻的变化。D-阿洛酮糖可能促进某些致病菌的生长并增强其感染性。因此，D-阿洛酮糖与肠道微生物之间的联系仍不明确。作为目前最为热门的新兴代糖，D-阿洛酮糖的更多生理功能应被广泛和深入的探索。D-阿洛酮糖对与肠道微生物变化密切相关的疾病的影响迫切需要研究。

炎症性肠病（IBD）是一种具有全球性的非传染性消化道疾病，由克罗恩病和溃疡性结肠炎组成。尽管IBD的病因仍然未知，但越来越多的研究证实，饮食与IBD之间有着密切的关系。饮食摄入与IBD患病率之间的联系已被反复强调。肠道微生物及其代谢产物在预防和治疗IBD中发挥着关键作用。IBD患者的肠道微生物及代谢物往往有许多一致的变化，包括厚壁菌门的丰度增加，厚壁菌门与拟杆菌门比例的升高，以及短链脂肪酸（SCFAs）的减少。

考虑到D-阿洛酮糖未来在食品领域的应用，以及饮食与IBD之间的密切联系，南开大学医学院，天津市食品科学与健康重点实验室王硕教授与南开大学医学院博士张雪娇等评估了D-阿洛酮糖21 d干预对DSS诱导的小鼠结肠炎的影响。通过对结肠炎的病理状况和炎症水平的测定，结合16S rRNA肠道微生物测序，短链脂肪酸和肠粘膜屏障评价，首次确认了D-阿洛酮糖对DSS诱导的小鼠结肠炎的恶化作用。为评估D-阿洛酮糖的微生物安全性及其安全使用范围提供了新的视角和证据。

Results

D-阿洛酮糖干预恶化DSS诱导的小鼠结肠炎

按照图1a所示的程序进行为期28 d的动物实验。与模型组相比，D-阿洛酮糖摄入在21 d内并未改变小鼠的体质量增加以及口服葡萄糖耐量。而在DSS结肠炎模型诱导期，D-阿洛酮糖的摄入加速了小鼠的体质量减轻和结肠缩短，升高了DAI评分和脾重。提示D-阿洛酮糖干预加重了DSS诱导的小鼠结肠炎症状。

D-阿洛酮糖干预提升结肠炎症水平

为了进一步评估D-阿洛酮糖摄入对结肠炎症水平的影响，对小鼠结肠进行H&E染色分析，并通过qPCR和ELISA对炎症因子水平进行了检测。结果表明，与模型组相比，阿洛酮糖组结肠炎性浸润增加，结肠中炎症因子IL-6、IL-1β和TNF-α基因和蛋白表达水平显著上升。因此，D-阿洛酮糖干预提升结肠炎症水平。

图2 D-阿洛酮糖干预提升结肠炎症水平

D-阿洛酮糖干预改变肠道微生物组成

肠道菌群与IBD的发生和发展密切相关，因此为了确定D-阿洛酮糖对小鼠肠道菌群的影响，通过16S rRNA测序对小鼠肠道菌群进行了评估。结果表明，D-阿洛酮糖的干预降低了肠道菌群的α-多样性。PCoA分析显示，三个处理组之间菌群明显分离。相比于模型组，阿洛酮糖干预后小鼠肠道菌群中厚壁菌门相对丰度升高，厚壁菌门/拟杆菌门比例升高。

图3 D-阿洛酮糖干预改变小鼠肠道菌群组成

属水平上，与模型组相比，阿洛酮糖的干预导致uncultured bacterium_f_Muribaculaceae、Ruminococcaceae_UCG-014以及Lachnospiraceae_NK4A136的相对丰度上升，Akkermansia、Lactobacillus以及Escherichia-Shigella的相对丰度下降。为了进一步明确差异菌属，进行了属水平的LEfSe分析。与上述结果一致，模型组中Akkermansia和Lactobacillus为优势菌种。Lachnospiraceae_NK4A136_group、Ruminococcacee_UCG-014和Ruminilostricum_9是阿洛酮糖组中最具代表性的物种。综上，阿洛酮糖的干预改变了结肠炎小鼠的肠道菌群结构。

D-阿洛酮糖干预改变短链脂肪酸水平

此前的研究证实，Akkermansia和Lactobacillus与SCFAs的产生密切相关。高糖饮食的摄入会增加Lachnospiraceae_NK4A136_group的丰度，从而降低小鼠肠道中短链脂肪酸的含量。基于此，推测肠道菌群结构的改变可能会影响肠道中SCFAs的含量。通过对粪便中乙酸、丙酸和丁酸的测定发现，阿洛酮糖的干预降低了短链脂肪酸的含量。

D-阿洛酮糖干预导致结肠黏膜损伤

肠屏障功能紊乱是IBD患者的常见症状。为了进一步探讨D-阿洛酮糖摄入对屏障功能的影响，测定了结肠中紧密连接和粘蛋白的基因表达水平。与模型组相比，阿洛酮糖组中ZO-1和Occludin的表达水平显著增加，Claudin-1的表达水平下降。此外，各组间E-cadherin的表达水平没有显著差异。最值得注意的是，粘膜屏障的主要组成Muc-2在阿洛酮糖组中显著下调。随后，通过免疫荧光法测定结肠组织中的ZO-1、Occludin和Muc-2，更直观地评估结肠屏障功能。与H&E的结果类似，D-阿洛酮糖的摄入维持了ZO-1和Occludin的表达，对结肠紧密连接产生了一定的保护作用。而与模型组相比，阿洛酮糖组组Muc-2的表达显著降低。综上阿洛酮糖的干预显著影响了结肠炎小鼠肠粘膜屏障。

为了明确参与阿洛酮糖摄入导致的肠道菌群紊乱在小鼠结肠炎恶化中的作用。对炎症细胞因子、SCFAs以及结肠屏障基因等与结肠炎密切相关的指标与肠道微生物的相对丰度（TOP20）之间进行了相关性分析。结果表明，高丰度的Lachnospiraceae_NK4A136_group和低丰度的Akkermansia和Lactobacilus可能在阿洛酮糖介导的结肠炎恶化中起到了关键作用。Akkermansia和Lactobacilus与Muc-2的表达水平以及丙酸和丁酸的水平呈显著正相关，与炎症细胞因子呈显著负相关。综上所述，摄入D-阿洛酮糖改变了肠道微生物结构和功能，进而作用于SCFAs和粘膜屏障，最终导致小鼠结肠炎恶化。

图6 D-阿洛酮糖干预导致结肠黏膜损伤

图7 肠道菌群与结肠炎相关指标的Spearman相关性分析

Conclusion

总之，D-阿洛酮糖的干预扰乱了肠道微生物群的稳态，主要表现为产生SCFAs的Akkermansia和Lactobacilus相对丰度降低，促炎微生物Lachnospiraceae_NK4A136_group相对丰度增加，从而导致结肠粘膜屏障受损，恶化了DSS诱导的小鼠结肠炎。探索D-阿洛酮糖摄入对与宿主肠道微生物结构和功能的影响，评价其对胃肠道疾病的复杂作用，为进一步明确D-阿洛酮糖的生理功能和安全应用范围提供了新的见解。尽管先前的研究表明D-阿洛酮糖对肥胖人群可能存在有益影响，但当其适用范围发生扩大和变化时，应充分的考虑并进行生物安全评估。

第一作者

张雪娇，女，理学博士，就读于南开大学医学院，天津市食品科学与健康重点实验室。研究方向：甜味剂的生理功效研究；甜味剂对小鼠结肠炎的干预及作用机制研究。

通信作者

王硕，南开大学特聘杰出教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者，长江学者特聘教授，国家万人计划科技领军人才，教育部“新世纪优秀人才支持计划”人员，国家“百千万人才工程”国家级人选，IUFoST国际食品科学院Fellow，IUFoST执委。“安全科学与工程”第七届学科评议组成员，国家食品安全标准审评委员会委员，国家食品风险评估专家委员会委员，享受国务院特殊津贴。

王硕教授近年来以第一作者或通讯作者身份在国内外知名SCI学术刊物上发表论文689篇，总他引次数12038次，H指数49。2015-2021年连续七年入选Elsevier发布的中国高被引学者榜单。主持和参与出版了9部关于食品安全的专著，获得45项发明专利授权。近五年先后承担了国家863计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金、教育部和人事部等国家级重大科研项目30余项。获得国家科技进步二等奖1项，国家专利优秀奖1项，天津市科技进步一等奖1项，天津市专利金奖1项，教育部、天津市自然科学和科技进步二等奖4项。

D-Psicose intake exacerbates dextran sulfate sodium-induced colitis in mice through alteration in the gut microbiota and dysfunction of mucosal barrier

Xuejiao Zhanga,b, Ang Lia, Yuanyifei Wanga, Jin Wanga, Bowei Zhanga, Yan Zhanga, Jingmin Liua, Shuo Wanga,*

a Tianjin Key Laboratory of Food Science and Health, School of Medicine, Nankai University, Tianjin 300072, China

b College of Food Science and Technology, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China

*Corresponding author.

Abstract

D-Psicose, as a low-calorie rare sugar, has attracted a lot of attention in recent years for alternating to sucrose. The anti-obesity effect of D-psicose has been extensively confirmed in previous studies, however, the impact of D-psicose on colitis remains vague. Here, we firstly evaluated the effect of the D-psicose prophylactic intervention on dextran sulfate sodium-induced colitis in C57BL/6 mice. The pathological symptoms, inflammatory cytokines levels, gut microbiota composition, short chain fatty acids (SCFAs) production and colonic barrier integrity were comprehensively evaluated. The results confirmed that D-psicose intervention aggravated colitis, characterized by the exacerbation of colon shortening, increase of colonic inflammatory infiltration, and marked exaltation of disease activity indices and IL-6, IL-1β and TNF-α levels. Further, the dysfunction of gut microbiota was identified in the psicose group. The abundance of pro-inflammatory bacteria Lachnospiraceae_NK4A136_group was significantly up-regulated while the abundance of probiotics Akkermansia and Lactobacillus were significantly down-regulated in the psicose group compared to the model group. Moreover, the production of SCFAs was suppressed in the psicose group, accompanied by a decrease in the level of mucin 2 (Muc-2). Collectively, the underlying mechanism of the exacerbation of colitis by D-psicose intervention might be attributed to microbiota dysfunction accompanied by the reduction of SCFAs, which leads to the damage of the mucosal barrier and the intensification of inflammatory invasion.

Reference:

ZHANG X J, LI A, WANG Y F, et al. D-Psicose intake exacerbates dextran sulfate sodium-induced colitis in mice through alteration in the gut microbiota and dysfunction of mucosal barrier[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(1): 173-182. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250046.

文章编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

封面图片来源：图虫创意