2′-岩藻糖基乳糖通过肠-脑轴影响人源化微生物组断奶小鼠的大脑发育

《Journal of Future Foods》：2′-Fucosyllactose affects brain development of humanized- microbiome weanling mice through gut-brain axis

本研究通过建立人类化微生物小鼠模型，探究2’-Fucosyllactose（2’-FL）在断奶期对肠道菌群和脑发育的影响。结果显示，2’-FL显著改变肠道菌群结构（增加双歧杆菌、韦氏菌等有益菌，减少有害菌），上调短链脂肪酸（SCFAs）水平，增强肠道屏障功能，并通过调节神经递质（如5-HT、GABA）及受体基因表达，促进脑神经发育（如NeuN和MBP表达升高）。研究证实2’-FL通过微生物-肠-脑轴机制调控断奶期婴儿发育。

　　婴儿在断奶期间经历一个关键的过渡阶段，这一阶段对于肠道菌群的建立和大脑发育至关重要。这一时期的营养干预对确保婴儿健康成长具有深远影响。2′-Fucosyllactose（2′-FL），作为母乳中最丰富的寡糖之一，已被证明能够调节肠道菌群、增强免疫力、抑制病原体定植以及促进神经发育。然而，目前关于2′-FL的研究主要集中在新生儿和哺乳期婴儿身上，对其在断奶期间的作用尚缺乏深入探讨。因此，本研究通过建立人类化小鼠模型，利用婴儿粪便菌群移植，系统评估了2′-FL对断奶期婴儿肠道菌群和大脑发育的影响，以及其通过肠道-大脑轴（gut-brain axis）发挥作用的机制。

断奶期不仅是婴儿从纯母乳过渡到家庭饮食的关键阶段，也是肠道微生物群落成熟和体内稳态建立的重要时期，同时还是神经回路精细化发展的加速阶段。在这一阶段，科学的营养管理对于优化婴儿的发育至关重要。肠道和大脑之间存在复杂的双向交流网络，通过神经、免疫、内分泌和代谢信号传递信息。肠道微生物群能够产生多种代谢产物，如短链脂肪酸（SCFAs）、胆汁酸、维生素和γ-氨基丁酸（GABA），这些物质在婴儿大脑和认知发展过程中发挥重要作用，并持续调节宿主行为。迷走神经作为肠道-大脑轴的主要神经通路，是连接肠道和大脑的重要桥梁，负责传递肠道来源的代谢物和调节肽到大脑。2′-FL作为一种重要的母乳活性成分，已被证明能够调节肠道菌群、增强免疫系统、抑制病原体的生长以及促进神经发育，但其在断奶期的具体作用仍需进一步研究。

由于在婴儿身上直接研究肠道菌群存在伦理限制，因此构建携带婴儿肠道菌群的人类化小鼠模型成为研究饮食干预对肠道菌群影响的有效手段。本研究通过粪菌移植技术建立了人类化小鼠模型，用于评估2′-FL对断奶期小鼠肠道菌群和大脑发育的影响。通过结合代谢组学、16S rRNA基因测序、微生物生态学以及多维统计分析方法，我们深入探讨了肠道菌群与大脑发育之间的相互作用，为揭示断奶期婴儿肠道菌群与哺乳动物大脑发育之间的关系提供了重要基础。

本研究的实验设计分为四个组：无菌对照组（GFC）、无菌干预组（GFE）、人类化肠道菌群对照组（HMC）和人类化肠道菌群干预组（HME）。每组包含9只小鼠。为了建立人类化肠道菌群小鼠模型，我们使用6个月大哺乳期婴儿的粪便进行菌群移植。收集的粪便样本经过处理后，通过灌胃和涂抹乳头的方式移植到母鼠体内，以建立携带人类肠道菌群的小鼠模型。随后，对干预组的小鼠进行为期五周的2′-FL补充，以观察其对肠道菌群和大脑发育的影响。在实验过程中，所有小鼠均在无菌平台中饲养，保持恒定的温度和湿度，并遵循严格的无菌操作规范。

实验结果表明，2′-FL的干预显著改变了人类化小鼠肠道菌群的组成，特别是对双歧杆菌（Bifidobacterium）、韦荣球菌（Veillonella）和克雷伯菌（Klebsiella）的丰度产生了明显影响。同时，2′-FL调节了短链脂肪酸的水平，提高了有益菌的丰度，抑制了有害菌的生长，有助于形成健康的肠道菌群。通过主坐标分析（PCoA）图，我们发现HMC和HME组在肠道菌群组成上存在显著差异，表明2′-FL干预对肠道菌群具有明显调控作用。此外，2′-FL的干预还促进了肠道屏障功能的改善，显著降低了促炎性细胞因子如IL-22和TNF-α的表达，同时增强了紧密连接蛋白的表达，从而提升了肠道屏障的完整性。

在大脑发育方面，2′-FL的干预促进了神经元的发育和髓鞘形成。我们通过免疫荧光技术检测了神经元标志物NeuN和髓鞘碱性蛋白（MBP）的表达水平，发现HME组的NeuN和MBP表达显著高于HMC组。同时，2′-FL干预还改变了大脑中神经递质的水平，包括增加了5-羟基色胺（5-HT）的含量，同时降低了γ-氨基丁酸（GABA）和乙酰胆碱（Ach）的水平。这些变化表明，2′-FL可能通过调节肠道菌群和其代谢产物，间接影响神经递质的合成和释放，从而促进大脑的发育。此外，我们还检测了与神经递质转运相关的基因表达，发现2′-FL显著上调了Grik1、Htr2b、Gabra2、SLC6A4和SLC6a13等基因的表达，进一步支持了其对大脑发育的促进作用。

通过分析肠道菌群与神经递质之间的关系，我们发现某些菌群如Hungatella与多巴胺（DA）呈正相关，而双歧杆菌和韦荣球菌则与GABA呈负相关。这些结果表明，肠道菌群和短链脂肪酸在神经递质的合成和释放过程中起着关键作用。此外，我们还发现短链脂肪酸如乙酸、丙酸和丁酸的水平显著增加，这些物质不仅有助于维持肠道屏障的完整性，还可能通过调节基因表达和作为信号分子影响宿主的生理状态。例如，丁酸作为维持结肠上皮细胞的重要底物，具有免疫调节作用。乙酸和丙酸则参与肝脏糖异生和胆固醇代谢。这些代谢产物可能通过影响肠道微生物的代谢途径，进而促进肠道菌群的健康发展。

尽管本研究取得了诸多成果，但仍存在一些局限性。首先，虽然我们观察到了2′-FL对肠道菌群和短链脂肪酸的影响，但这些变化与宿主神经发育之间的因果关系尚未完全明确。其次，本研究主要依赖于小鼠模型，因此未来需要更多的临床研究来验证2′-FL在人类断奶期的作用机制。最后，本研究仅使用了2′-FL作为单一益生元进行干预，随着人类乳寡糖（HMOs）工业化的加速，进一步研究2′-FL与其他HMOs的协同作用对于婴儿配方奶粉的优化具有重要意义。

总之，本研究通过建立人类化小鼠模型，系统评估了2′-FL在断奶期对肠道菌群和大脑发育的影响。研究结果表明，2′-FL能够显著改变肠道菌群的组成，特别是对双歧杆菌、韦荣球菌和克雷伯菌的丰度产生影响，同时调节短链脂肪酸的水平。此外，2′-FL通过抑制促炎性细胞因子的表达，促进肠道屏障功能的改善，并通过影响神经递质的水平促进大脑的发育。这些效应依赖于肠道菌群的介导作用，揭示了2′-FL通过肠道-大脑轴调控婴儿断奶期发育的机制。本研究不仅为母乳中活性成分的生物学功能提供了新的理论依据，也为制定科学的断奶期营养干预策略提供了关键的实验证据。未来的研究应进一步探索2′-FL与其他营养成分的相互作用，以及其在人类断奶期中的具体作用机制，以期为婴儿的健康成长提供更加全面的科学支持。