肠道菌群在调节多种生理功能方面发挥着重要作用，其衍生的代谢物显示出与包括 2 型糖尿病在内的多种代谢疾病密切相关。近年来，多篇研究论证了肠道菌群介导的色氨酸代谢与 2 型糖尿病之间的特殊关系。因此，以肠道微生物群为导向，以调节微生物色氨酸代谢失衡为目标的饮食干预手段在防治2 型糖尿病及其相关代谢障碍方面具有巨大潜力。其中，水苏糖作为非消化性益生元，已被报道能够通过调节肠道中有益菌的丰度，促进短链脂肪酸的产生，进而改善 2 型糖尿病进展。

2023年2月，陕西师范大学食品工程与营养科学学院院长杨兴斌教授团队在Journal of Functional Foods上发表名为“Integration of microbial metabolomics and microbiomics uncovers a novel mechanism underlying the antidiabetic property of stachyose”的研究文章，利用代谢组学和16s技术阐明了水苏糖可对 2 型糖尿病患者肠道菌群依赖的色氨酸代谢进行调控，这为水苏糖抗糖尿病机制提供新的见解。中科新生命参与了该研究中16s和非靶代谢组学检测的相关工作。

 

 

研究材料

新发2型糖尿病患者（NDP）、长期糖尿病患者（LDP）粪便的体外发酵样本

正常饮食（ND）小鼠、高脂饮食（HFD）小鼠、低剂量水苏糖干预的高脂饮食（STA-Low）小鼠、高剂量水苏糖干预的高脂饮食（STA-High）小鼠的粪便和血清样本

 

技术路线 步骤1：色氨酸、水苏糖干预糖尿病患者粪便的体外发酵；步骤2：代谢组学和16s发现干预前后的代谢物及微生物变化；步骤3：Spearman分析水苏糖调控的微生物与色氨酸代谢产物的相关性；步骤4：小鼠模型证明水苏糖对HFD诱导2型糖尿病的肠道菌群结构和色氨酸代谢重塑。

 

 研究结果
1. 水苏糖影响 2 型糖尿病患者粪便体外发酵过程中的粪便微生物代谢

作者在粪便的体外发酵过程中分别添加色氨酸（TRP）和水苏糖+色氨酸（STA），选取不同体外发酵时间的样本非靶代谢组学分析以筛选被色氨酸和水苏糖调控的代谢变化。结果显示，色氨酸和水苏糖均诱导了新发患者和常年糖尿病患者代谢物谱变化的独特模式。具体而言，相对于未添加组（NC），在体外发酵系统中添加色氨酸可以增强色氨酸代谢物；而相比于TRP组，添加水苏糖显著促进色氨酸代谢物，如吲哚乙酸、吲哚丙烯酸和吲哚-3-羧酸的表达水平。

图1 色氨酸和水苏糖影响粪便体外发酵的代谢变化

 

2. 水苏糖调节2型糖尿病患者粪便体外发酵过程中的菌群结构

使用16s扩增子测序以了解水苏糖和色氨酸对糖尿病患者粪便菌群结构的影响，结果表明，水苏糖改变了 2 型糖尿病患者的微生物群组成。为了探究色氨酸和水苏糖在发酵过程中如何改变两名糖尿病患者的粪便菌群组成，对差异菌进行趋势聚类分析。结果发现，Bifidobacterium、Mitsuokella、Lactococcus 和 Catenibacterium 属在 4 h 和 8 h 被色氨酸上调；水苏糖在 4h显着增加了乳杆菌属、链球菌属以及唾液乳杆菌的水平。

图2 色氨酸和水苏糖影响粪便体外发酵的菌群结构

 

3. 水苏糖影响肠道菌群介导的色氨酸代谢

在观察到水苏糖对粪便微生物群和微生物代谢组的显着影响的基础上，作者进一步研究了水苏糖改变的微生物群对色氨酸代谢的潜在调节。作者计算了发酵 4、12 小时的微生物群组成与 8、24 小时的色氨酸相关代谢物之间的 Spearman 相关性，发现色氨酸代谢物与 25 个属呈正相关，而与 44 个属呈负相关。具体而言，链状杆菌、三足菌和双歧杆菌与吲哚乙酸和吲哚丙烯酸呈正相关，与3-羟基-L-犬尿氨酸与呈负相关。乳杆菌属与3-羟基-L-犬尿氨酸呈正相关，而与 5-羟色胺呈负相关。乳球菌属与吲哚丙烯酸、吲哚乙酸和吲哚-3-乳酸呈正相关。这些结果表明水苏糖可能通过调节菌群结构进而调节色氨酸代谢。

图3 受水苏糖调控的色氨酸代谢物与微生物的 Spearman 相关性

 

4. 水苏糖重建高脂肪饮食诱导的肥胖小鼠的色氨酸代谢

在观察了水苏糖在体外发酵过程中对粪便微生物群和色氨酸代谢的调节作用后，作者进一步评估了这种作用是否可以在高脂肪饮食诱导的肥胖小鼠模型中得到证实。首先，HFD 引起的吲哚-3-丙/酸与色氨酸比例的降低被高剂量水苏糖逆转。此外，与 HFD 小鼠相比，水苏糖给药减少乳球菌和链球菌的丰度，增加了约氏乳杆菌、鼠乳杆菌、罗伊氏乳杆菌、假长双歧杆菌和产酸拟杆菌的丰度。这些动物研究的结果是对体外研究的补充，突出了水苏糖在预防 2 型糖尿病方面的潜力。

图4 水苏糖给药对小鼠血清代谢物和粪便微生物的影响

 

 小结

该研究揭示了水苏糖对 2 型糖尿病患者肠道菌群结构和微生物代谢物的直接影响。主要结果强调了水苏糖对2型糖尿病的管理和预防的益处，可能归因于对 2 型糖尿病患者肠道微生物群依赖的色氨酸代谢失衡的调节，这提供了水苏糖抗糖尿病功效的新机制，也为益生元干预慢性疾病（尤其糖尿病）提供了理论基础。