纳米抗性淀粉结晶体调控结肠内环境的分子机制

With the shifting towards the distal part of colon, the fermentation strength of carbohydrates decreases, leading to the reduction of short-chain fatty acids, in particular butyrate. However, the protein fermentation increases and produces a number of toxic compounds (eg. hydrogen sulfide, nitrosamines, etc.). These compounds are one of the key factors for causing colonic carcinogenesis. Although this relationship has been confirmed in previous studies，the interacting mechanism among carbohydrates, proteins and gut microbiota has not been fully understood. We found there is a relationship of structure-functionality among resistant starch (RS), microbiota structure and metabolites, and this relationship is regulated by RS fermentation kinetics in our previous studies. The results from our previous studies provide a new idea for screening fermentable carbohydrates, which could be delivered to the distal part of colon so as to improve the internal environment of the corresponding sites. In order to establish the relationship between the relative fermentation strength of carbohydrates and proteins and the microbiota structure at different sites of the colon, nanometer RS crystals are used for determining its fermentation property at different fermentation time via in vitro and in vivo models. Through the dual-effectiveness obtained from the improvement of microbiota structure and metabolites, a molecular mechanism will be investigated by the studies of gut microbiota, colonocytes and metabolites at three levels. The results from this project will provide an effective proposal for reducing the side-effects caused by the fermentation of proteins in the colon.

随着向结肠远端迁移，碳水化合物（C）的代谢强度减弱，生成短链脂肪酸特别是丁酸的浓度降低，而蛋白质（N）的代谢成为主导，产生毒性化合物(如硫化氢、亚硝胺等)，是诱导结肠病变的重要因素之一，虽然前述已获证实，但碳水化合物-蛋白质-肠道微生物间的相互作用机制尚未明确。我们发现抗性淀粉（RS）与菌群结构和代谢产物间有显著性构效关系，而该构效关系又是受RS的代谢动力学调控，这为筛选可向结肠特别是其远端输送可发酵型C源以改善结肠内环境提供了新思路。为了探讨结肠不同部位C/N的相对代谢强度与菌群结构间的内在联系，本课题以纳米RS结晶体为主要试验材料，采用体内外代谢模型研究该RS在不同代谢位点抑制N源代谢的能力，通过改善菌群结构及代谢产物的双重效应，从肠道菌群-肠道细胞-代谢产物三个层次研究该RS在结肠作用的分子机制。本课题的研究结果可针对结肠中因蛋白质的代谢对结肠环境所产生的负面作用提出有效的消减方案。

抗性淀粉（resistant starch, RS）以其独特的生理功能受到营养界的极大关注。RS在肠道中的代谢动力学、产丁酸能力、与肠道菌群交互作用模式等性质受RS的结构影响，传统的快速代谢型RS易合成乙酸，且无法达到结肠的远端部位，从而无法起到在该部位有效降低蛋白质发酵强度的效果，因此开发具有缓速代谢特征的RS对于调控肠道菌群及肠道代谢产物，进而提高肠道特别是结肠的健康水平具有重要的研究意义。.本课题开展了纳米RS结晶微球的制备工作，并采用多种研究手段对纳米RS结晶体的形成、性质、及结构特征进行表征。通过体外代谢模型表明其属于缓速代谢型碳水化合物，体现出缓慢的糖代谢水平。与普通型RS相比，纳米RS结晶体对肠道菌群的影响更为显著，不仅有效促进乳酸菌及双歧杆菌菌群的增殖，其对菌群丰度和多样性提升明显，同时还能增加丁酸合成菌的比例，为此有利于丁酸的合成，降低乳酸的积累。蛋白质的代谢产物分析表明，该纳米RS结晶体的存在有效抑制了蛋白质的代谢水平，降低了系列毒性化合物的产生如毒性化合物酚、吲哚和对甲酚的产生，提升了肠道内的抗氧化能力，降低了DNA的损伤及粪液基因毒性。通过以上结论，本课题提出了纳米RS结晶体对肠道微生物、肠道细胞、代谢产物的调控机制，即：纳米RS结晶体具有更加紧密的抗性淀粉形态，该结构诱导肠道微生物的代谢速度减慢，使得部分抗性淀粉具有往肠道后段传送的可能，进而诱导肠道短链脂肪在肠道内持续性的产生，该效应优化了肠道微生物菌群的结构，并提高了益生菌及产丁酸菌的增殖，导致短链脂肪酸特别是丁酸在肠道后端的有效合成，对维持结肠的健康起到了重要的作用。.该课题的研究为开发新型缓速代谢型碳水化合物及其改善肠道特别是结肠内环境提供了一种新方法，也为未来如何有效评价碳水化合物在肠道中的作用，以及合理开发新型碳水化合物提供一条新途径。