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益生元发酵产物对肠道屏障及免疫功能的影响

2020-03-31

文献简介

益生元发酵产物对肠道屏障及免疫功能的影响

The effects of fermentation products of prebioticfibres on gut barrier and immune functions in vitro

期刊名称:PEERJ时间:2018     影响因子:2.353


01 背景 

肠道微生物群对宿主的健康有重大影响,并与各种疾病的发生有关。肠道屏障功能受损可能导致肠道微生物群与免疫系统之间共生关系的中断,并与炎症性肠病、肠易激综合征(IBS)和肥胖等疾病的发展相关。近年来,通过益生菌和益生元等治疗方法来调节肠道微生物群来逆转肠道渗漏已成为研究的热点。

人类饮食中最常用的益生元是低聚果糖、低聚半乳糖(GOS)、乳果糖和菊粉。其他可能调节肠道微生物群的不易消化的复合碳水化合物包括抗性淀粉、纤维素、木聚糖、甘露聚糖、木聚糖、β-葡聚糖和果胶。最近对这种益生元对肠道微生物群调节的影响进行了综述。虽然有几项研究已经证实益生菌有能力通过增强构成紧密连接的蛋白质的生产来逆转肠道渗漏,但益生元对肠道上皮屏障的影响尚未进行详细研究。短链脂肪酸(Short-chain fatty acid,SCFAs)是肠道菌群发酵益生元的主要产物,在体内外对上皮屏障的完整性都有良好的影响,已有研究认为这些SCFAs对肠屏障功能有保护作用。因此,本文旨在进一步阐明这些益生元的发酵产物对肠道和免疫健康的有益影响。


02 研究结果 

健康肠道模型中纤维对肠屏障完整性的影响

为了研究燕麦β-葡聚糖28%、燕麦β-葡聚糖94%、菊粉90%、含有75%菊粉的菊苣干根、低聚木糖(XOS)70%和麦芽糊精对上皮屏障功能的影响,在吸收性肠细胞(Caco-2细胞)和分泌粘液杯状细胞(HT29-MTX-E12细胞)的共培养中测量了TEER(图2A–2F)。与发酵前收集的上清液(发酵0小时)相比,燕麦β-葡聚糖发酵24小时的上清液处理细胞的TEER显著增加(P<0.001)。含75%菊粉、90%菊粉、94%燕麦-葡聚糖和麦芽糊精的菊苣干根发酵24h上清液处理较发酵前收集的上清液(0 h发酵)显著提高TEER。

图2 .(A-F)纤维素发酵上清对健康肠道模型肠道屏障完整性的影响。数据以TEER值变化百分比±SEM表示,n = 18(6次技术重复,3次生物重复)。*P < 0.05 ,**P< 0.01,***P < 0.001.0h:发酵前收集上清;24小时:各纤维发酵24小时后收集上清。


纤维对肠屏障完整性的影响

进一步研究了燕麦β-葡聚糖28%、燕麦β-葡聚糖94%、菊粉90%、XOS 70%、含75%菊粉的菊苣干根和麦芽糊精发酵产物对Caco-2和HT29-MTX-E12共培养物紧密结合发育的影响(图3)。与未经处理的对照组相比,与乙醇共培养作为基底外侧应激源的共培养处理使TEER降低了约50%。肠道菌群对28%燕麦b-葡聚糖的体外发酵24小时后,上清液使TEER显著升高(P < 0.01)(图3A–3F)。发酵24 h的细胞与0 h的细胞相比,TEER无明显变化。用XOS 70%、菊粉90%、燕麦b-葡聚糖94%和菊粉75%的菊苣干根发酵24小时的上清液与未发酵样品(发酵0h)和乙醇对照没有显著差异。相比之下,麦芽糊精发酵24小时的上清液与发酵0小时的上清液相比,TEER显著降低。测量荧光素黄的渗透性,以监测基底外侧应激下共培养物紧密连接的完整性(图3G–3L)。观察到,与未发酵样品(发酵0小时)的上清液相比,用燕麦β葡聚糖28%、燕麦β葡聚糖94%和麦芽糊精发酵24小时的上清液处理的细胞的相对荧光单位显著降低,但菊粉90%、XOS 70%和含有75%菊粉的菊苣干根的细胞的相对荧光单位没有降低。与基底外侧应激源对照组相比,所有被测纤维的24小时发酵上清液导致荧光素黄渗透性显著降低。我们还观察到,在XOS浓度为70%、菊粉含量为75%的菊苣根干发酵过程中,发酵上清液在时间点0时对降低荧光素黄相对荧光单位有显著作用(P<0.05)。

图3。(A-F)百分率改变的积分值±SEM, n = 9(3个技术重复,3个生物学重复)。洗脱前用基底外侧应激源处理为100%。(G-L)荧光黄透过率,数据以相对荧光单位±SEM表示。*P < 0.05 ,**P<0.01,***P < 0.001.基底外侧应激源:5%乙醇。对照组:无基底外侧应激源。0h:发酵前收集上清;24小时:各纤维发酵24小时后收集上清。


纤维对根尖诱导漏肠模型肠屏障完整性的影响

采用鼠李糖脂根尖诱导小鼠肠道渗漏的方法,进一步研究了燕麦β-葡聚糖28%、燕麦β-葡聚糖94%、菊粉90%、XOS 70%、含有75%菊粉的菊苣干根和麦芽糊精对Caco-2和HT29-MTX-E12共培养物紧密结合发育的影响(图4)。与基底外侧应激源处理相似,选择根尖应激源的浓度,使共培养处理的TEER较未处理组减少约50%。与发酵前(发酵0小时)和顶端应激对照处理的培养物相比,所有被测纤维24小时发酵处理的培养物的TEER值没有显著影响(图4A–4F)。

可以观察到,与未发酵上清液(发酵0小时)处理的细胞相比,用燕麦β-葡聚糖发酵24小时的上清液和含有75%菊粉的菊苣干根处理的培养物的相对荧光素黄色荧光显著降低28%(图4G–4L)。在24小时发酵样品(24小时发酵)中,90%的菊粉和含75%菊粉的菊苣干根处理后,与对照相比,荧光黄通透性显著降低(图4G–4L)。

图4。纤维发酵上清液对漏肠模型根尖诱导的影响(A-F)。百分比变化值±SEM,n=9(3次技术重复,3次生物重复). TEER冲洗前和根尖应激处理前均设为100%。(G-L)荧光黄通透性,数据用相对荧光单位±SEM表示。*P < 0.05.根尖的压力源:鼠李糖脂。对照组:无根尖应激源。0h:发酵前收集上清;24小时:各纤维发酵24小时后收集上清。


纤维对HT29-MTXE12细胞分泌粘液的影响

为了研究纤维对粘液分泌的影响,用Alcian Blue染色HT29-MTX-E12细胞。并观察了用来自三个供体的粪便发酵样品的上清液处理的细胞产生粘液的个体间差异(图5A至5C)。供体2和供体3的粪便样品经XOS70%发酵上清处理24小时后的细胞,粘液产量显著增加。燕麦β-葡聚糖94%的发酵产物显著提高了用从供体1获得的粪便样本发酵上清处理的细胞的粘液产量。另一方面,接种2号供体和3号供体的培养瓶经24小时发酵上清处理后,燕麦β-葡聚糖94%降低了细胞的粘液产量,尽管没有统计学意义。供体1的粪样经麦芽糊精发酵上清处理24小时后,与时间点0相比,粘液产量显著下降。

图5。纤维发酵上清对HT29-MTX细胞黏液生成的影响(A-C).数据以标准Alcian Blue吸光度±SD表示,n= 3(3次技术重复)。*P < 0.05 , ***P< 0.001.控制:发酵培养基。


纤维对免疫生物标志物的影响

供体1和供体2在用测试的纤维上清液发酵24小时后,所有免疫生物标记物的水平都出现了类似的变化。作者用供体1(图6A–6E)和供体2(图6F–6J)的粪便样本观察到,在燕麦β-葡聚糖发酵24小时的废水中28%的IFN-g、IL-10、IL-17和IL-2显著增加,并且与时间点0相比。与其他测试纤维相比,燕麦β-葡聚糖发酵24小时样品中所有免疫生物标记物的水平都较高,为94%。在燕麦β-葡聚糖发酵24小时样品中,发现的IFN-γ、IL-10、IL-17、IL-2和IL-9水平94%均显著高于两个供体的时间点0。使用来自两个供体的粪便样本观察了发酵24小时的菊粉90%的流出物,发现与时间点0相比,IFN-γ、IL-10、IL-17、IL-2和IL-9水平显著升高。

IFN-γ、IL-17、IL-2和IL-9在24小时XOS 70%和麦芽糊精发酵样品中的含量显著高于供体2的0点。在含75%菊粉的菊苣干根的24小时发酵液样品中IL-2浓度明显高于供体2 的0时间点。

图6 .纤维发酵上清对HT29细胞产生细胞因子/趋化因子的影响(A-J)。数据以pg/ml±SD表示,n = 3(3个技术重复)。P < 0.05 , **P < 0.01.x轴表示发酵时间。


03 总结语

本文测试了五种常见膳食纤维(燕麦b-葡聚糖28%;燕麦b-葡聚糖94%;含75%菊粉的菊苣干根;低聚木糖;菊粉90%)和麦芽糊精在体外经人体肠道微生物群发酵后的效果,用Caco-2/HT29-MTX共培养法测定肠道屏障完整性,用HT29-MTX和HT29细胞模型分别测定粘液产生和免疫参数。作者的数据表明,所有纤维、发酵产物都增加了肠道屏障的紧密性,其中燕麦b-葡聚糖的作用最大,达28%。发酵上清液也在受损肠屏障(漏肠)模型中进行了测试。添加乙醇作为基底外侧应激源后,只有燕麦β-葡聚糖28%、燕麦β-葡聚糖94%和麦芽糊精的发酵上清液能改善肠屏障的完整性,而添加鼠李糖脂作为顶端应激源后,燕麦β-葡聚糖28%和菊粉75%的菊苣干根显著改善肠屏障的完整性。作者利用Luminex技术,证明了燕麦b-葡聚糖发酵产物在调节细胞因子和趋化因子产生方面的重要作用。此外,用低聚木糖发酵废水处理杯状细胞,可显著提高粘液产量。总之,作者的数据强调了膳食纤维发酵上清液对肠道相关生理结果的潜在积极影响,并表明益生元可能具有诱导特定肠道健康益处的潜在潜力


DOI:10.7717/peerj.5288/fig-2

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