基于核磁共振氫譜代謝組學(xué)研究阿拉伯木聚糖及其復(fù)合多糖對高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠糞便代謝物的影響

張 茜，趙 鑫，成錦華，唐俊妮，朱成林,，陳 洪,

（1.西南民族大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，四川 雅安 625014）

肥胖是由于機體能量攝入高于能量消耗，導(dǎo)致脂肪過度堆積而引發(fā)的一種營養(yǎng)代謝綜合征，會誘發(fā)脂肪肝相關(guān)的代謝功能障礙（metabolic associated fatty liver disease，MAFLD）、胰島素抵抗、2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）和癌癥等疾病[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全球有超過19億成年人存在超重或肥胖，患病率達38.9%，肥胖已成為全球關(guān)注的重大公共衛(wèi)生問題[2]。據(jù)報道，高脂飲食是造成現(xiàn)代人脂肪堆積及肥胖的重要誘因之一[3]。因此，合理調(diào)整膳食結(jié)構(gòu)和有效控制能量攝入對預(yù)防和治療肥胖及其并發(fā)癥非常重要。

益生元是指一些不被宿主胃腸道消化吸收卻能有選擇性地促進其體內(nèi)腸道有益菌代謝和增殖的非淀粉多糖[4]，具有阻礙食物消化和吸收的作用[5]，因此益生元在降低脂肪積累方面具有潛在效應(yīng)。有研究表明，益生元能顯著降低成年超重或肥胖患者的身體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）和體質(zhì)量，是預(yù)防和治療超重或肥胖的有效手段[6]。阿拉伯木聚糖[7]和β-葡聚糖[8]為新型的益生元，目前對兩者改善肥胖的作用機制研究大多數(shù)集中于其對腸道菌群的調(diào)節(jié)。Sarma等[9]發(fā)現(xiàn)阿拉伯木聚糖能改善高脂飲食導(dǎo)致的盲腸細菌豐度增加，并增加腸道擬桿菌屬（Bacteroidetes）豐度，從而改善肥胖。Nie Qixing等[10]研究表明，阿拉伯木聚糖能顯著增加腸道內(nèi)有益菌的豐度，同時降低有害菌豐度。Miyamoto等[11]研究了β-葡聚糖對高脂飲食喂養(yǎng)小鼠腸道微生物的影響，結(jié)果表明β-葡聚糖能促進腸道激素肽YY（peptide tyrosine-tyrosine，PYY）和胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）的分泌，從而增加腸道菌群豐度和多樣性，調(diào)節(jié)厚壁菌門（Firmicutes）/擬桿菌門（Bacteroidetes）的比值，同時增加腸道短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）含量以減少攝食量。這與Wang Ruoyu等[12]的研究結(jié)果一致。

然而，探究腸道菌群的代謝及其對飲食干預(yù)的反應(yīng)需要一個整體的視角[13]。代謝組學(xué)以分子質(zhì)量低于1 000 Da的內(nèi)源性代謝物為研究對象，通過考察生物體系受到刺激或干擾前后內(nèi)源性代謝物含量的變化來研究代謝途徑[14]。作為基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的繼承者，代謝組學(xué)將關(guān)注點從基因轉(zhuǎn)移到小分子代謝物，將細胞、組織和生物體有機地聯(lián)系起來[15]。代謝組學(xué)能夠破譯人類與微生物之間錯綜復(fù)雜的聯(lián)系[16]，更好地展示多糖干預(yù)腸道菌群時機體的整體變化。近年來，代謝組學(xué)在食品、營養(yǎng)科學(xué)和中醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，是多糖調(diào)控飲食誘導(dǎo)肥胖作用機制及理論研究強有力的現(xiàn)代化研究手段。

本研究采用正常飲食和高脂飲食喂養(yǎng)ICR/KM小鼠，同時對高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠補充阿拉伯木聚糖和阿拉伯木聚糖＋β-葡聚糖?；诤舜殴舱駳渥V（proton nuclear magnetic resonance spectroscopy，1H-NMR）技術(shù)系統(tǒng)研究多糖干預(yù)后高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠糞便代謝譜的變化，為進一步研究多糖對高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的調(diào)控機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 動物、材料與試劑

6 周齡SPF級雄性ICR/KM小鼠購自成都達碩生物科技有限公司，生產(chǎn)許可證號：SCXK（川）2020-030。

阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖 上海瑞安生物工程有限公司；磷酸鹽緩沖液、疊氮化鈉（NaN3）（均為分析純）西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司；2,2,3,3-d(4)-3-(三甲基硅基)丙酸鈉鹽（sodium phosphate tribasic dodecahydrate，TSP）、重水（D2O）美國Cambridge Isotope Laboratories公司。

1.2 儀器與設(shè)備

600.13 MHz AVANCE III型NMR波譜儀 德國Bruker公司；高速冷凍離心機 天美（中國）科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 動物實驗設(shè)計

將16 只6 周齡雄性ICR/KM小鼠分籠飼養(yǎng)。在適應(yīng)性喂養(yǎng)1 周后，將小鼠隨機分為4 組：正常飲食組（CON）、高脂飲食組（HFD）、添加阿拉伯木聚糖的高脂飲食組（HFAX）和添加阿拉伯木聚糖＋β-葡聚糖的高脂飲食組（HFAβ）。CON組飼喂普通飼料，HFD組飼喂高脂飼料（豬油15%（質(zhì)量分數(shù)，下同）、蔗糖15%、普通飼料70%），HFAX組飼喂補充10%阿拉伯木聚糖的高脂飼料，HFAβ組飼喂補充5%阿拉伯木聚糖＋5%β-葡聚糖的高脂飼料。

1.3.2 樣本采集和保存

8 周后收集小鼠糞便，裝入2 mL無菌凍存管后迅速放入液氮中，于-80 ℃冰箱中保存。

1.3.31H-NMR分析

稱取0.08 g糞便樣本于2 mL EP管中，加入1 mL去離子水，渦漩混合5 min，4 ℃下靜置2 h以更好地提取小分子代謝物。樣本在4 ℃下以18 630×g離心15 min，取0.5 mL上清液，添加10 mmol/L的TSP重水溶液0.2 mL，用作NMR化學(xué)位移參考和內(nèi)標。用磷酸鹽緩沖液調(diào)整溶液的pH值為7.00±0.02，并添加10 μL 2 mmol/L NaN3以避免微生物繁殖。最后，每個樣品在上述條件下再次離心。

參考葉婷婷等[17]的方法并適當(dāng)優(yōu)化。確定1H-NMR測定條件：載波頻率為600.13 MHz，檢測溫度298 K，譜寬化學(xué)位移（δ）為10，弛豫時間5 s，獲取數(shù)據(jù)點32 000 個。掃描次數(shù)為32，同時通過預(yù)飽和CPMG序列抑制水信號。

采用Topspin 3.5和Chenomx 8.4軟件進行NMR圖譜處理。在Topspin軟件中手動進行NMR圖譜基線調(diào)整，并轉(zhuǎn)換成ASCII文件，導(dǎo)入R語言軟件。隨后，利用本實驗室編寫的R語言代碼腳本進行后續(xù)波譜處理。處理過程分為以下3 步：1）以TSP的化學(xué)位移（δ＝0）為標準對譜圖進行定標校正，排除重疊信號干擾；2）去除δ值為4.67～4.90區(qū)域的水峰，消除殘余水峰的影響；3）去除殘留水信號后，利用R語言基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包中“rollingball”函數(shù)，通過峰檢測對1H-NMR圖譜再次進行基線校正。定性分析依據(jù)化合物的化學(xué)位移、多重峰、峰型等數(shù)據(jù)與Chenomx軟件中化合物標準峰數(shù)據(jù)庫進行比較。在計算各化合物峰值時采用全局光譜去卷積算法對重疊區(qū)域進行反卷積，從而對在擁擠光譜區(qū)域出現(xiàn)共振的化合物進行絕對定量。在1H-NMR圖譜中信號面積與樣品中存在的質(zhì)子數(shù)成正比，分別對1H-NMR圖譜中單個信號進行積分，并通過與內(nèi)標信號比較，計算極性和非極性組分含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用R 語言軟件進行獨立樣本t檢驗、方差分析（ANOVA）和主成分分析（principal component analysis，PCA），所有數(shù)據(jù)表示為平均值±標準差，以P＜0.05表示差異顯著。利用Metabo Analyst 5.0在線數(shù)據(jù)分析平臺對差異代謝物進行聚類分析、通路分析和富集分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 糞便代謝組的特征分析

采用600.13 MHz1H-NMR對CON、HFD、HFAX和HFAβ組小鼠糞便中的小分子代謝產(chǎn)物進行測定，得到樣品的1H-NMR圖譜及每個代謝物對應(yīng)的δ值，如圖1所示。

圖1 肥胖小鼠糞便1H-NMR代謝物譜圖Fig.1 1H-NMR spectra of fecal metabolites from obese mice

利用基于1H-NMR的代謝組學(xué)技術(shù)從糞便樣本中共精確定性出67 種小分子化合物，主要為氨基酸、肽、有機酸、碳水化合物、核苷、核苷酸及其衍生物等化合物，包括了與飲食、蛋白質(zhì)消化、能量生產(chǎn)和腸道-微生物協(xié)同代謝的有關(guān)信息。

2.2 高脂飲食對小鼠糞便代謝組的影響

如表1所示，在CON和HFD組中有13 種代謝物含量有顯著差異（P＜0.05），即3,4-二羥基苯乙酸、4-羥基苯乙酸甲酯、3-氧丁酸、天冬酰胺、膽酸鹽、巖藻糖、半乳糖、谷氨酰胺、異亮氨酸、乙酸苯酯、焦谷氨酸、纈氨酸和黃嘌呤。

表1 CON和HFD組小鼠糞便中主要差異代謝物含量Table 1 Contents of major differential metabolites in mouse feces from CON and HFD groups mmol/g

為得到具有顯著差異的代謝物在兩個實驗組中的分布規(guī)律，將CON和HFD組中具有顯著差異的13 種代謝物的含量作為魯棒主成分分析（robust principal component analysis，rPCA）模型的基礎(chǔ)進行PCA，結(jié)果如圖2所示。

圖2 CON和HFD組的PCAFig.2 Principal component analysis (PCA) plots of CON and HFD groups

圖2中主成分1（PC1）占整個模型所代表樣品變異性的95.3%，極好地概括了CON和HFD組之間的差異。與CON組相比，HFD組小鼠的糞便代謝物主要表現(xiàn)為膽酸鹽、黃嘌呤和焦谷氨酸含量的顯著升高以及纈氨酸、3-氧丁酸、4-羥基苯乙酸甲酯、3,4-二羥基苯乙酸、乙酸苯酯、谷氨酰胺、異亮氨酸和天冬氨酸含量的顯著降低（P＜0.05）。

2.3 多糖對高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠糞便代謝組的影響

如表2所示，在CON、HFD、HFAX和HFAβ組中，有23 種代謝物含量有顯著差異（P＜0.05），即3-羥基苯乙酸乙酯、3,4-二羥基苯乙酸、4-羥基苯乙酸甲酯、乙酸鹽、3-氧丁酸、天冬酰胺、丁酸鹽、膽酸鹽、膽堿、葡萄糖、谷氨酰胺、次黃嘌呤、異丁酸、煙酸、丙酸、脯氨酸、焦谷氨酸、蘇氨酸、酪氨酸、尿嘧啶、戊酸鹽、纈氨酸和黃嘌呤。

表2 CON、HFD、HFAX和HFAβ組小鼠糞便中主要差異代謝物含量Table 2 Contents of major differential metabolites in mouse feces from CON,HFD,HFAX and HFAβ groups mmol/g

為得到具有顯著差異的代謝物在4 個實驗組中的分布規(guī)律，將CON、HFD、HFAX和HFAβ組中具有顯著差異的23 個代謝物的含量作為rPCA模型的基礎(chǔ)進行PCA，結(jié)果如圖3所示。

圖3 CON、HFD、HFAX和HFAβ組的PCAFig.3 PCA plots of CON,HFD,HFAX and HFAβ groups

圖3A中PC1占整個模型所代表樣品變異性的68%，較好地概括了CON、HFD、HFAX和HFAβ組之間的差異。與HFD組相比，CON、HFAX和HFAβ組小鼠的糞便代謝物主要表現(xiàn)為谷氨酰胺、乙酸鹽、4-羥基苯乙酸甲酯、葡萄糖、天冬酰胺、異丁酸和蘇氨酸含量顯著升高及煙酸、焦谷氨酸和膽酸鹽含量顯著降低（P＜0.05）。

谷氨酰胺作為人體內(nèi)含量最豐富的氨基酸之一，具有維持機體氮平衡、保護腸黏膜屏障及改善免疫功能等多種生理生化作用，其來源于谷氨酸代謝途徑[18]。在本研究中，與HFD組相比，補充多糖的小鼠糞便代謝物中谷氨酰胺水平較高。郭冰冰等[19]研究發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺能減輕高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠的體質(zhì)量，改善其胰島素抵抗，證明多糖干預(yù)對高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠的健康具有積極作用。另外，大量研究表明富含谷氨酰胺的飲食對腸道有積極影響[20]。

乙酸鹽是乙酰輔酶A的前體物質(zhì)，其通過與輔酶A結(jié)合生成乙酰輔酶A。研究表明，腸道菌群的糖化發(fā)酵是結(jié)腸吸收外源性乙酸鹽的主要途徑，攝入不易消化的碳水化合物后，腸道菌群在發(fā)酵中會產(chǎn)生乙酸鹽[21]。在阿拉伯木聚糖干預(yù)后，高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠的糞便中乙酸鹽水平顯著升高，其潛在原因可能是阿拉伯木聚糖的攝入有效增加了可降解纖維的細菌數(shù)量。Quercia等[22]的研究也表明，富含高纖維的飲食模式可有效增加腸道菌群產(chǎn)生的SCFAs含量，本研究結(jié)果與之一致。因此，高脂飲食中添加阿拉伯木聚糖后小鼠糞便中乙酸鹽水平的顯著升高可能對改善肥胖發(fā)揮重要作用。

4-羥基苯乙酸甲酯是一種酪氨酸降解的微生物產(chǎn)物。有學(xué)者通過尿液代謝組學(xué)研究代謝紊亂后人體內(nèi)代謝物水平的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)人體代謝紊亂時，體內(nèi)的4-羥基苯乙酸甲酯水平會顯著降低[23]。Kim等[24]將能改善肥胖的白藜蘆醇添加到肥胖小鼠的飼料中，發(fā)現(xiàn)喂食白藜蘆醇的小鼠糞便中4-羥基苯乙酸酯的含量顯著升高。

葡萄糖是生物體新陳代謝必不可少的一種物質(zhì)，其通過糖酵解、有氧氧化、磷酸戊糖、糖醛酸等途徑分解轉(zhuǎn)化，為機體提供能量和代謝底物。三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)可產(chǎn)生糖異生前體，從而協(xié)助葡萄糖氧化以維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)，是葡萄糖的重要代謝途徑[25]。據(jù)報道，肥胖患者脂質(zhì)代謝紊亂會直接導(dǎo)致葡萄糖代謝紊亂，使葡萄糖代謝功能減弱[26]。本研究中，補充阿拉伯木聚糖的小鼠糞便中葡萄糖含量與HFD組具有顯著差異，證實阿拉伯木聚糖可通過改善葡萄糖代謝來調(diào)控肥胖小鼠的代謝。

天冬酰胺以天冬氨酸為底物，利用谷氨酰胺形成谷氨酸過程中轉(zhuǎn)氨作用產(chǎn)生的氨基，在天冬酰胺合成酶的作用下結(jié)合ATP而形成。研究表明，肥胖患者血漿中天冬酰胺的水平相對較低[27]。補充多糖的肥胖小鼠糞便中天冬酰胺的水平顯著升高，證明多糖具有改善肥胖的作用。

異丁酸是腸道中纈氨酸的發(fā)酵產(chǎn)物，屬于支鏈脂肪酸（branched-chain fatty acids，BCFAs）。據(jù)報道，BCFAs在腸道菌群生長和繁殖過程中發(fā)揮重要作用。但如果其在體內(nèi)含量過高則會影響蛋白質(zhì)的消化吸收，破壞腸道微生態(tài)平衡[28]。本研究中補充阿拉伯木聚糖后肥胖小鼠糞便代謝物中的異丁酸含量顯著增加（P＜0.05），表明阿拉伯木聚糖對高脂飲食小鼠異丁酸的排出有一定促進作用。賀燕等[29]研究桑葉水提物對高脂飲食小鼠糞便中膽固醇代謝產(chǎn)物的影響，發(fā)現(xiàn)桑葉水提取物組小鼠糞便中的異丁酸水平顯著高于高脂飲食小鼠，本研究結(jié)果與之一致。

蘇氨酸為蛋白質(zhì)特別是黏蛋白合成的底物。此外，蘇氨酸還可以進入分解代謝途徑，代謝為多種重要的產(chǎn)物（如甘氨酸、乙酰輔酶A、丙酮酸），這些產(chǎn)物在宿主代謝中起著至關(guān)重要的作用[30]。已有研究證明補充蘇氨酸可促進肝臟脂質(zhì)代謝，缺乏蘇氨酸可誘導(dǎo)肝臟甘油三酯蓄積；蘇氨酸可通過調(diào)節(jié)脂肪生成信號通路和產(chǎn)熱基因的表達對脂質(zhì)代謝紊亂發(fā)揮保護作用[31]。Chen Jiayi等[32]研究發(fā)現(xiàn)長期補充蘇氨酸可抑制小鼠體內(nèi)脂肪含量的升高，改善脂質(zhì)代謝，這與Ma Qingquan等[33]的研究結(jié)果一致。與HFD組相比，多糖干預(yù)能使小鼠糞便中蘇氨酸含量顯著升高（P＜0.05），表明多糖可能通過促進脂質(zhì)代謝改善高脂飲食導(dǎo)致的小鼠脂代謝紊亂。

2.4 差異代謝物聚類分析、通路分析和富集分析結(jié)果

聚類分析能反映各組間差異代謝物的含量變化[34]。結(jié)合表2、圖4可知，與CON組相比，HFD組小鼠糞便代謝物中的黃嘌呤、焦谷氨酸和膽酸鹽3 種差異代謝物的含量顯著上調(diào)（P＜0.05）；4-羥基苯乙酸甲酯、3,4-二羥基苯乙酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、3-氧丁酸、纈氨酸6 種差異代謝物的含量顯著下調(diào)（P＜0.05）。但經(jīng)多糖干預(yù)后，與HFD組相比，有5 種差異代謝物的含量顯著回調(diào)，即3-氧丁酸、天冬酰胺、谷氨酰胺的含量顯著上調(diào)，而膽酸鹽、焦谷氨酸的含量顯著下調(diào)（P＜0.05）。其中，與HFAX組相比，HFAβ組小鼠糞便代謝產(chǎn)物中焦谷氨酸的含量顯著升高（P＜0.05）；乙酸鹽、丁酸鹽、葡萄糖、谷氨酰胺、異丁酸和丙酸的含量顯著降低（P＜0.05）。本研究結(jié)果表明，多糖可有效干預(yù)高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠的代謝紊亂。

圖4 CON、HFD、HFAX和HFAβ組小鼠糞便中差異代謝物的聚類分析Fig.4 Cluster analysis of differential metabolites in mouse feces from CON,HFD,HFAX and HFAβ groups

將23 種差異代謝物導(dǎo)入Metabo Analyst 5.0在線數(shù)據(jù)分析平臺中進行代謝通路分析和富集分析，通路分析算法設(shè)置為超幾何測試外向程度中心性，富集分析的算法采用超幾何分布檢驗，代謝通路數(shù)據(jù)庫基于京都基因與基因組百科全書（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）數(shù)據(jù)庫。如圖5所示，經(jīng)過Metabo Analyst 5.0軟件注釋分析，23 種差異代謝物被富集在20 條代謝通路中，橫縱坐標分別代表代謝通路的重要影響值（impact值）和富集分析的顯著性水平（-lgP）。選擇impact值大于0.1的代謝通路為主要作用的代謝通路。圖5中圓點的顏色表示參與該通路代謝物的數(shù)量，圓點的大小表示該代謝通路在機體的整體代謝輪廓中所占的比重，圓點越大，顏色越深，其所代表的通路對于整體代謝的影響就越大[35]。橫軸impact值是經(jīng)路徑拓撲分析得出的路徑影響值，P＜0.05及impact值大于0.1的代謝通路為發(fā)生顯著變化的代謝通路。

圖5 CON、HFD、HFAX和HFAβ組小鼠糞便中差異代謝物的通路分析Fig.5 Pathway analysis of differential metabolites in mouse feces from CON,HFD,HFAX and HFAβ groups

圖6中富集率越大，表示更多代謝物參與相關(guān)代謝通路；氣泡顏色代表顯著性，顏色越深，P值越小，說明相關(guān)代謝通路發(fā)生的變化越明顯。

圖6 CON、HFD、HFAX和HFAβ組小鼠糞便中差異代謝物的富集分析Fig.6 Enrichment analysis of differential metabolites in mouse feces from CON,HFD,HFAX and HFAβ groups

綜合圖5、6中的P值、富集率及impact值篩選出5 條主要的代謝通路，分別為酮體的合成和分解途徑，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成途徑，酪氨酸代謝途徑，丁酸代謝途徑，以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代謝途徑。本研究結(jié)果提示這些通路可能是多糖調(diào)控高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠的作用途徑。

3 結(jié)論

本研究基于1H-NMR的代謝組學(xué)技術(shù)研究阿拉伯木聚糖及阿拉伯木聚糖＋β-葡聚糖復(fù)合多糖對高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠糞便代謝產(chǎn)物的影響。采用1H-NMR技術(shù)對CON組、HFD組、HFAX組和HFAβ組小鼠的糞便代謝產(chǎn)物進行測定，共鑒定出67 種小分子化合物。其中，13 種代謝物含量在CON組和HFD組小鼠糞便樣本中具有顯著差異；23 種代謝物濃度在4 組小鼠糞便樣本中具有顯著差異。結(jié)合代謝通路分析和富集分析，在飲食中補充多糖可通過調(diào)控高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠酮體的合成和分解，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成，酪氨酸代謝途徑，丁酸代謝途徑，以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代謝途徑來改善肥胖。本研究為多糖對高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠的調(diào)控機制提供了理論依據(jù)，提示可通過補充多糖進行飲食干預(yù)以改善肥胖。