本文系Food Science and Human Wellness原創(chuàng)編譯，歡迎分享，轉(zhuǎn)載請(qǐng)授權(quán)。
Introduction
衰老伴隨著機(jī)體生理和代謝過程的退化，且會(huì)增加糖尿病、骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)炎和癌癥等的發(fā)病率。由于藥物治療骨質(zhì)疏松具有較高的成本和一系列的副作用，因此，有必要探索可長期攝入且安全的膳食模式來調(diào)節(jié)骨骼健康。腸-骨軸近年來受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究表明，腸道菌群及其代謝物可以通過調(diào)控機(jī)體免疫反應(yīng)來影響骨穩(wěn)態(tài)；反之，腸道微生態(tài)的紊亂也會(huì)加速骨質(zhì)流失。
小麥胚芽（WG）屬于小麥面粉加工廠的副產(chǎn)品，資源極為豐富，每年可用于開發(fā)的麥胚量可達(dá)30～50萬t。WG僅占小麥總谷物的約2%~3%（m/m），但卻是整個(gè)麥粒營養(yǎng)價(jià)值最高的部分，含極其豐富且優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)、脂肪、多種維生素和膳食纖維，其中麥胚中的蛋白質(zhì)含量可達(dá)34.5%。盡管近年來已有許多研究挖掘了WG的一些營養(yǎng)學(xué)功效作用，但WG還有許多的潛在功能仍待挖掘。目前，WG的抗炎、抗癌和降脂作用已在動(dòng)物模型和人體實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。此外，WG活性肽能有效抑制ROS的產(chǎn)生，降低氧化應(yīng)激，改善線粒體能量代謝。WG富含的多不飽和脂肪酸，已被證明能積極影響骨代謝和增加骨量。此外，WG中的膳食纖維還具有降血糖的作用。每天攝入WG作為膳食補(bǔ)充劑顯著增加了人體腸道益生菌。同樣，連續(xù)8 周每天攝入富含WG的面包改善了健康成年人的腸道菌群，并增加了擬桿菌和雙歧桿菌的豐度。但是，尚鮮有研究探討WG攝入對(duì)腸-骨軸的影響。
南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院沈新春教授團(tuán)隊(duì)前期針對(duì)WG進(jìn)行了一系列的研究，挖掘了多條具有抗炎、抗氧化及降血糖作用的WG活性肽。在此研究的基礎(chǔ)上，采用自然衰老的雌性SD大鼠，評(píng)估了富含WG的飲食干預(yù)對(duì)衰老引起的骨質(zhì)疏松的改善作用，并表明骨骼和腸道菌群之間存在潛在的聯(lián)系。
Results and discussion
研究結(jié)果表明，在12 個(gè)月內(nèi)補(bǔ)充5%WG有效增加了老年大鼠單位長度股骨的質(zhì)量，減輕了衰老誘導(dǎo)的股骨微觀結(jié)構(gòu)損傷和分化活性變化（圖1）。
圖1 富含WG的飲食對(duì)股骨衰老相關(guān)結(jié)構(gòu)損傷的影響
圖2 富含WG的飲食對(duì)老年大鼠股骨分化活性的影響
如圖2所示，補(bǔ)充WG減少了衰老大鼠的股骨折損和空泡。通過茜素紅染色，評(píng)估了WG對(duì)成骨分化的影響。在衰老組中，成骨細(xì)胞的分化活性顯著降低，而補(bǔ)充WG有效地改善了這種情況。此外，5%WG組的血漿ALP水平與衰老組相比增加了66.59%。此外，通過TRAP染色和TRAP水平分析以評(píng)估WG對(duì)破骨細(xì)胞分化的影響。結(jié)果表明，5%WG的補(bǔ)充顯著降低了股骨破骨細(xì)胞的分化活性，并且降低了68.94%的TRAP水平。OPG/RANKL的失衡是衰老過程中破骨細(xì)胞產(chǎn)生和分化的重要因素。通過分析OPG、RANKL、RANK和TRAF6的蛋白質(zhì)表達(dá)發(fā)現(xiàn)，WG顯著抑制了衰老大鼠股骨中RANKL、RANK和TRAF6的蛋白表達(dá)，同時(shí)增強(qiáng)了OPG的蛋白表達(dá)。此外，補(bǔ)充WG可顯著增加Opg的mRNA表達(dá)，并有效降低Rankl。上述結(jié)果表明，富含WG的飲食改善了老年大鼠股骨的分化活性。
圖3 富含WG的飲食對(duì)衰老相關(guān)氧化態(tài)失衡和炎癥反應(yīng)的影響
衰老引起的氧化應(yīng)激和全身炎癥反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)流失。因此，進(jìn)一步探討了WG對(duì)血漿抗氧化酶活性的影響。如圖3所示，補(bǔ)充WG可增加衰老大鼠的T-AOC、GSH-Px和SOD水平，降低MDA水平。并且，補(bǔ)充5%WG顯著降低了TNF-α和IL-6的水平，增加了抗炎細(xì)胞因子IL-10的水平。這些結(jié)果表明，補(bǔ)充5%WG可以減輕與衰老相關(guān)的氧化狀態(tài)失衡和炎癥反應(yīng)。
圖4 富含WG的飲食對(duì)腸道微生物群組成的影響
如圖4所示，衰老組和WG組的腸道菌群組成明顯不同。與CTL組相比，衰老明顯增加了the observed species、Chao和ACE指數(shù)，而補(bǔ)充5%WG則逆轉(zhuǎn)了這一結(jié)果。在屬水平上，WG與衰老組之間也存在二十多種差異菌。此外，WG補(bǔ)充顯著降低了Ruminococcus gnavus和CW040，增加了Blautia、Clostridiales、Lachnospiraceae和一些SCFAs產(chǎn)生菌, 包括Phascolarctobacterium和Dorea。這些結(jié)果表明，補(bǔ)充5%WG可以有效地改善衰老大鼠的腸道菌群組成。
圖5 富含WG的飲食對(duì)血漿代謝物譜的影響
圖6 富含WG的飲食對(duì)血漿中代謝物和代謝途徑的影響
圖5的非靶向代謝組圖譜顯示，在老年大鼠中補(bǔ)充WG長達(dá)12 個(gè)月后，血清中許多代謝產(chǎn)物發(fā)生了顯著變化。具體而言，補(bǔ)充5%WG提高了1-棕櫚酰甘油磷酸膽堿、2-酮基谷氨酸、牛磺酸、丁酸、L-甲硫氨酸、哌啶酸、吡啶酸和油酸的水平，降低了L-乳酸、膽固醇和17a雌二醇等的水平。并且，衰老組和5%WG組之間差異表達(dá)的代謝產(chǎn)物主要集中在蛋白質(zhì)消化和吸收、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、礦物質(zhì)吸收、氨基酰-tRNA生物合成、半胱氨酸和甲硫氨酸代謝、β-丙氨酸代謝、谷胱甘肽代謝和丙氨酸，天冬氨酸和谷氨酸代謝這些代謝通路中（圖6）。
圖7 老年大鼠微生物、代謝產(chǎn)物和生化指標(biāo)的相關(guān)性分析
為了進(jìn)一步研究腸道菌群、代謝物及生理指標(biāo)之間的關(guān)系，圖7構(gòu)建了一個(gè)相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖。其中，Phascolarctobacterium與?；撬幔╮=0.82）和L-蛋氨酸（r=0.76）呈正相關(guān)。Dorea與油酸的變化呈正相關(guān)（r=0.77）。同時(shí)，CW040與哌啶酸的變化呈負(fù)相關(guān)（r=-0.53），Ruminococcus gnavus與膽固醇變化呈正相關(guān)（r=0.61）。Clostridiales和Blautia分別與L-乳酸和膽固醇呈負(fù)相關(guān)（r=-0.67）。此外，腸道菌群和代謝物與股骨和血清中的指標(biāo)相關(guān)。菌群與ALP、T-AOC、GSH-Px、SOD呈正相關(guān)（P<0.01），與MDA、IL-6呈負(fù)相關(guān)（P<0.01，與MDA呈負(fù)相關(guān)（P＜0.01），菌群和代謝物與Opg呈顯著正相關(guān)（P＞0.01）。菌群也與Rankl呈負(fù)相關(guān)（P<0.05）。這些結(jié)果表明，在富含WG的飲食下，腸道菌群特征和代謝組的變化與骨穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)。
Conclusion
本研究表明，富含WG的飲食可以減輕衰老誘導(dǎo)的老年大鼠骨丟失，并為靶向腸道菌群調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)提供了理論依據(jù)。富含WG的飲食對(duì)骨質(zhì)疏松癥的干預(yù)作用可能歸因于其在提高T-AOC、GSH-Px和SOD水平以及降低血漿中MDA水平、降低炎癥因子水平方面的有效活性。并且，富含WG的飲食可以重塑腸道菌群，降低炎癥相關(guān)菌，增加SCFAs產(chǎn)生菌，并調(diào)控與骨代謝相關(guān)的代謝物的水平。本研究為富含WG的飲食干預(yù)調(diào)控腸-骨軸提供了理論依據(jù)。
— 作者簡(jiǎn)介 —
第一作者
王鑾鳳，工學(xué)博士，南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院講師，江蘇省“卓越博士后”。研究方向?yàn)橐嫔蜕攀衬Ｊ秸{(diào)控機(jī)體節(jié)律及健康的機(jī)制挖掘。目前主持和參與科研項(xiàng)目4 項(xiàng)，其中主持國家自然基金青年項(xiàng)目1 項(xiàng)。迄今為止，在《Critical Reviews in Food Science and Nutrition》《Molecular Nutrition & Food Research》《Redox Biology》等雜志發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。
通信作者
沈新春，民盟，工學(xué)博士，南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，江蘇高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“功能性糧油食品與分子營養(yǎng)”帶頭人，校食品安全與營養(yǎng)學(xué)科帶頭人，江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”培養(yǎng)對(duì)象，江蘇省“六大人才高峰”高層次培養(yǎng)對(duì)象。近年來，承擔(dān)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金課題4 項(xiàng)，省部級(jí)課題5 項(xiàng)；在《PNAS》《Diabetes》等國際權(quán)威期刊上發(fā)表了50多篇高水平研究論文，向國際會(huì)議遞交論文摘要近30 篇， 其中，被美國內(nèi)分泌年會(huì)和日本發(fā)酵和生物工程學(xué)會(huì)選為大會(huì)發(fā)言8 次；授權(quán)發(fā)明專利5 項(xiàng)，其中美國專利1 項(xiàng)。
汪芳，醫(yī)學(xué)博士，南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，《eFood》期刊副主編，《Food Frontiers》青年編委，江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”培養(yǎng)對(duì)象。近年來，主持和參與科研項(xiàng)目5 項(xiàng)，其中國家自然科學(xué)基金2 項(xiàng)。迄今為止，在《Phtomedicine》《Critical Reviews in Food Science and Nutrition》《Food Chemistry》等雜志發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇。
A wheat germ-rich diet preserves bone homeostasis by regulating gut microbiota and plasma metabolites in aged rats
Luanfeng Wanga, Zebin Wengb, Tong Chena, Yu Lia, Ling Xionga, Haizhao Songa, Fang Wanga,*, Xiaozhi Tanga, Bo Renc, Xuebo Liud, Xinchun Shena,*
a College of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics/Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety, Nanjing 210023, China
b School of Traditional Chinese Medicine & School of Integrated Chinese and Western Medicine, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China
c School of Food Science and Pharmaceutical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China
d College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China
*Corresponding authors.
Abstract
Bone loss caused by ageing has become one of the leading health risk factors worldwide. Wheat germ (WG) is consists of high amounts of bioactive peptides, polyunsaturated fatty acids, and dietary fibre. Currently, WG has been proven to possess strong antioxidant and anti-inflammatory properties. We recently explored the beneficial effects and relevant mechanisms of a WG-rich diet (2.5% and 5% WG, m/m) on bone homeostasis in aged rats. Our results showed that 5% WG supplementation for 12 months effectively attenuated ageing-induced microstructural damage and differentiation activity changes in the femur. The 5% WG supplementation also significantly increased the levels of total antioxidant capacity (T-AOC), glutathione peroxidase (GSH-Px) (P < 0.01), and superoxide dismutase (SOD) (P < 0.05), and decreased inflammatory cytokine levels (tumor necrosis factor-α (TNF-α) and interleukin-6 (IL-6)) (P < 0.01). Furthermore, the WG-rich diet reshaped the composition of the gut microbiota, enhancing short-chain fatty acids (SCFAs)-producing microbes and reducing inflammation-related microbes. In addition, metabolomics analysis showed that 5% WG supplementation improved plasma metabolites related to bone metabolism. Conclusively, our study purports long-term WG-rich diet may preserve bone homeostasis by regulating gut microbiota and plasma metabolites in aged rats.
Reference:
WANG L F, WENG Z B, CHEN T, et al. A wheat germ-rich diet preserves bone homeostasis by regulating gut microbiota and plasma metabolites in aged rats[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(6): 3582-3594. DOI:10.26599/FSHW.2023.9250040.
本文編譯內(nèi)容由作者提供
編輯：王佳紅；責(zé)任編輯：孫勇
封面圖片：圖蟲創(chuàng)意
為深入探討未來食品在大食物觀框架下的創(chuàng)新發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用各界的交流合作，由北京食品科學(xué)研究院、中國肉類食品綜合研究中心、國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局技術(shù)創(chuàng)新中心（動(dòng)物替代蛋白）及中國食品雜志社《食品科學(xué)》雜志、《Food Science and Human Wellness》雜志、《Journal of Future Foods》雜志主辦，西華大學(xué)食品與生物工程學(xué)院、四川旅游學(xué)院烹飪與食品科學(xué)工程學(xué)院、四川輕化工大學(xué)生物工程學(xué)院、成都大學(xué)食品與生物工程學(xué)院、成都醫(yī)學(xué)院檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院、四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所、四川大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品加工研究院、西昌學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院、宿州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院、大連民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北京聯(lián)合大學(xué)保健食品功能檢測(cè)中心共同主辦的“第二屆大食物觀·未來食品科技創(chuàng)新國際研討會(huì)”即將于2025年5月24-25日在中國 四川 成都召開。
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