低压缺氧会引发氧化应激和炎症反应，并破坏肠道微生物组和代谢。针对此问题，高原适应性研究团队（西藏农科院畜牧所李斌副研究员、兰州大学公卫学院黄小丹副教授等跨区域、跨部门、跨学科联合组建）开发了一种结合开菲尔和芫根（Brassica rapa L.）粗多糖的合生元发酵乳清饮料，以探索其对小鼠高原损伤的保护作用。相关研究“Brassica rapa L. crude polysaccharide meditated synbiotic fermented whey beverage ameliorates hypobaric hypoxia induced intestinal damage”发表在Food & Function期刊上。

该饮料以乳清为底物，加以0.8%（w/v）的芫根粗多糖和开菲尔菌群接种物配制发酵而成，展现出强大的发酵参数和抗氧化能力。在应用于低压缺氧小鼠模型后，该发酵饮料显著降低了小鼠氧化应激，并通过减轻炎症、保护肠道结构、增加杯状细胞数量以及减少细胞凋亡来保护肠道屏障。此外，它还能调节肠道菌群，使有益菌如肠道菌属（Intestinimonas）和丁酸球菌科（Butyricicoccaceae）富集，同时降低有害菌如Marvinbryantia和Proteus的丰度，并增加短链脂肪酸的产生。值得注意的是，该饮料还提高了小檗碱和烟酸的水平，激活了AMPK信号通路，并影响了与抑制Marvinbryantia相关的烟酸和烟酰胺代谢产物，从而减轻肠道炎症和屏障损伤。这些作用共同促进了低压缺氧诱导的小鼠肠道损伤的缓解。本研究强调了合生元和乳清发酵在高原环境新型营养干预中的潜力。迈维代谢为本研究提供16S rRNA和非靶代谢组学分析服务。

1. 不同多糖含量发酵饮料的理化性质变化

高海拔缺氧损伤的主要诱因之一是过量自由基的产生和氧化应激。为评估发酵饮料的抗氧化活性，我们测量了其DPPH自由基清除能力。研究结果显示，随着多糖含量的加，抗氧化活性显著提高（图1B）。

菌落数是细菌生长和繁殖的关键指标，通过测量益生菌的菌落数可以评估多糖对发酵饮料中益生菌增殖的影响。如图1C所示，在多糖添加量为0.8%（w/v）时，发酵饮料中的益生菌活菌数显著增加。益生菌在保质期内的稳定性是另一项重要指标，在芫根多糖添加量为0.8%（w/v）及以上时，该稳定性显著提高（图1D）。此外，乳酸菌能够产生酸性代谢产物，抑制有害肠道细菌，随着多糖添加量分别为0.2%（w/v）、0.4%（w/v）和0.8%（w/v），饮料的pH值降低，酸产量增加（图1E）。总体而言，添加0.8%（w/v）的多糖能显著提升发酵乳清饮料的性能。

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Fig. 1 Preparation of fermented beverages and the effect of polysaccharide addition on the physicochemical properties of fermented beverages

2. 发酵饮料对低压低氧环境下体重和氧化应激的影响

使用低压低氧舱来评估饮料补充对低压缺氧引起的小鼠损伤的影响。研究中，低压缺氧挑战导致小鼠体重下降，而这种下降与是否接受饮料处理无关（图2B）。我们测定了血清氧化应激参数，结果如图2C–E所示；与常氧（N）组相比，低压缺氧（H）组小鼠的血清SOD水平显著降低， GSH-Px水平也显著降低，而血清丙二醛（MDA）水平则显著升高。相比之下，在低压缺氧小鼠中补充饮料后，血清SOD和GSH-Px水平显著升高，而血清MDA水平则显著降低。在常氧小鼠中，饮料处理后氧化应激指标未发生显著变化。总体而言，发酵饮料改善了低压缺氧小鼠的氧化应激状态。

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Fig. 2 The effect of fermented beverages on mice.

3. 发酵饮料缓解低压低氧引起的小肠屏障损伤

为评估低压低氧对肠道健康的影响及饮料的潜在保护作用，我们测量小鼠回肠组织的炎症细胞因子、氧化应激指标和髓过氧化物酶（MPO）。如图3A所示，与对照组（N）相比，H组（低压低氧组）的促炎细胞因子IL-1β、IL-6、IL-17和TNF-α的含量显著升高。饮料处理后，HB组（低压低氧+饮料组）的这些细胞因子水平显著降低。同样，与N组相比，H组的MDA和MPO水平显著升高，且SOD和T-AOC水平显著降低（图3B和C）。而饮料的干预显著降低了MDA和MPO水平，并增加了T-AOC水平。

如图3D所示，组织学分析显示，与N组相比，H组的绒毛高度、隐窝深度以及绒毛高度与隐窝深度的比值（V/C）显著降低。饮料灌胃后，HB组的绒毛高度和V/C比值显著升高。此外，AB-PAS和TUNEL染色结果显示，与N组相比，H组的杯状细胞数量减少，肠上皮细胞凋亡比例增加，而发酵饮料治疗可逆转这些变化（图3E和F）。与N组小鼠的杯状细胞数量相比，NB组的杯状细胞数量显著增加，而肠上皮细胞的凋亡率显著降低。总体而言，发酵饮料有效减轻了低压缺氧引起的肠道屏障损伤。

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Fig. 3 Fermented beverage alleviates hypobaric hypoxia-induced intestinal barrier damage in mice

4. 低压低氧与发酵饮料对肠道微生物群的影响

评估发酵饮料对低压低氧引起的肠道微生物群改变的效果（图4）。OTU聚类结果显示，所有组中共有274个OTU。在这些OTU中，N组、H组、HB组和NB组分别单独聚类了2、1、0和2个OTU（图4A）。与对照组相比，NB组和HB组的Ace指数显著升高，但Chao1指数差异不显著，表明饮料处理改变了α多样性（图4B和C）。NMDS显示，缺氧挑战和饮料处理对肠道微生物群产生了显著影响（图4D和E）。通过检查所有样本，我们发现小鼠肠道微生物群主要由厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidota）、疣微菌门（Verrucomicrobiota）、脱硫杆菌门（Desulfobacterota）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、弯曲菌门（Campylobacterota）、衣原体门（Chlamydiae）、脱铁杆菌门（Deferribacterota）和蓝藻门（Cyanobacteria）组成（图4F）。缺氧增加了衣原体门、变形菌门和厚壁菌门的丰度，同时降低了脱铁杆菌门、脱硫杆菌门和疣微菌门的丰度（图4G）。

在属水平上，低压低氧显著降低了有益细菌的丰度，同时增加了潜在有害细菌的丰度（图4H）。发酵饮料逆转了Marvinbryantia的富集，降低了Proteus的水平，同时增加了有益细菌如丁酸菌科（Butyricicoccaceae）、红螺菌目（Rhodospirillales）和肠道单胞菌属（Intestinimonas）的丰度（图4I）。这些肠道微生物群的改变表明，发酵饮料在高海拔缺氧条件下对肠道微生物群具有积极影响。

 

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Fig. 4 The effect of hypobaric hypoxia and fermented beverages on gut microbiota composition

5. 低压低氧环境和发酵饮料对短链脂肪酸（SCFA）产生的影响

肠道微生物产生的SCFAs在胃肠道功能、免疫功能和宿主代谢中发挥着至关重要的作用。为了探究低压低氧环境和发酵饮料对SCFA产生的影响，我们测定了SCFA的水平（图5A–F）。与常氧对照组小鼠相比，在常氧条件下饮用发酵饮料的小鼠体内乙酸盐、丙酸盐和戊酸盐的浓度显著升高；然而，在低压低氧环境下，乙酸盐、丙酸盐、异丁酸盐和异戊酸盐的浓度显著降低。有趣的是，在低压低氧条件下使用发酵饮料后，小鼠体内乙酸盐、丙酸盐、异丁酸盐和丁酸盐的水平得到恢复，这表明发酵饮料能够缓解低压低氧引起的SCFAs损失 。进一步对差异富集的微生物进行相关性分析，揭示了微生物间复杂的相互作用。例如，Muribaculum与Marvinbryantia、Proteus、Bilophila、Chlamydia、Limosilactobacillus和Lachnoclostridium呈负相关，而与Parvibacter呈正相关（p < 0.05）（图5G）。此外，Intestinimonas与Marvinbryantia、Proteus和Lachnoclostridium呈负相关，而与Rhodospirillales呈正相关（p < 0.05）。这些相关性表明，在低压低氧和发酵饮料补充的条件下，微生物群落呈现出复杂的动态变化。

SCFAs与微生物类群之间的相关性分析（图5H）显示，丙酸盐和异丁酸盐与Rhodospirillales、Intestinimonas、Muribaculum和Parvibacter呈正相关，而与Marvinbryantia、Chlamydia和Proteus呈负相关。丁酸盐也与Rhodospirillales和Intestinimonas显著正相关。这些发现强调了发酵饮料在低压低氧环境下调节肠道微生物群落和增强SCFAs产生的潜在作用。

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Fig. 5 Effect of fermented beverages on the enrichment of SCFAs and correlation analysis between microbes and SCFAs

6. 低压低氧环境和发酵饮料对肠道微生物代谢的影响

除了改变肠道微生物组成外，低压低氧环境和发酵饮料还会影响微生物代谢，进而可能对肠道稳态产生影响。为了探索这些代谢变化，对小鼠粪便样本进行了代谢组学分析。PCA得分图（图6A–D）揭示了常氧组、低压低氧组和补充了发酵饮料的低压低氧组之间具有不同的代谢特征。火山图（图6E和F）展示了代谢物的整体分布情况，各组之间代谢物上调和下调的差异显著，表明低压低氧环境和发酵饮料干预对肠道代谢物组成产生了显著影响。KEGG分析确定了N组和H组（图6G），以及HB组和H组（图6H）之间差异代谢物所富集的代谢通路。对三组差异代谢物的KEGG通路进行进一步筛选和分析发现，低氧小鼠的AMPK信号通路、脂酰辅酶A代谢、烟酸和烟酰胺代谢、氧化磷酸化、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成、TRP通道的炎性介质调节、矿物质吸收、甲状旁腺激素的合成、分泌和作用、生热作用和核黄素代谢等通路下调，而磷脂酰肌醇信号通路、药物代谢、半乳糖代谢和肌醇磷酸代谢等通路显著上调（图7A）。值得注意的是，补充发酵饮料有效地逆转了这些由低氧引起的代谢变化（图7B），表明其具有代谢保护作用。

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Fig. 6 Effects of hypobaric hypoxia and fermented beverages on intestinal metabolites in mice.

进一步分析后，我们确定了所有三组共有的11个关键差异代谢物。低压缺氧会显著下调小檗碱、烟酸、左旋肉碱、磷酸盐、12(S)-HPETE 和酮亮氨酸等代谢物，而显著上调伊立替康、山梨醇和 1D-肌醇-1,4-二磷酸等代谢物（p < 0.05）。然而，补充发酵饮料可逆转这些缺氧诱导的变化，进一步支持了发酵饮料的潜力。

斯皮尔曼相关性分析揭示了关键代谢物与肠道微生物之间的显著相关性（图7C）。小檗碱、烟酸和左旋肉碱与Marvinbryantia、Proteus和Lachnoclostridium呈负相关，而与Muribaculum和Parvibacter呈正相关。此外，1D-肌醇-1,4-二磷酸、12(S)-HPETE、磷酸盐、伊立替康、蔗糖和槲皮素等代谢物与关键类群密切相关，这强调了肠道代谢物与微生物之间复杂的关系。这些发现为发酵饮料通过调节高海拔地区肠道代谢来对抗缺氧损伤的作用提供了新的视角。

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Fig. 7 Analysis of differential metabolites and gut microbial associations and the effects of fermented beverages on metabolic pathways in hypobaric hypoxic mice.

本研究表明，以芫根（Brassica rapa L.）粗多糖介导的合生元发酵乳清饮料能有效减轻高海拔低氧小鼠的氧化应激、肠道炎症和肠道屏障损伤。该饮料还通过减少有害细菌（如Marvinbryantia）和增加有益菌群（如Butyricicoccaceae, Intestinimonas和Rhodospirillales）来调节肠道微生物，从而促进短链脂肪酸（SCFAs）的产生。此外，通过增加小檗碱和烟酸含量，该饮料上调了AMPK代谢和烟酸代谢，从而在减轻氧化应激和维持稳态方面发挥作用，并影响了与稳态相关的关键代谢途径，包括AMPK信号通路和烟酸代谢。总体而言，合生元发酵乳清饮料在缓解高海拔低氧引起的肠道损伤方面展现出巨大潜力。

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