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Abstract

以牛乳和羊乳為基礎(chǔ)的嬰兒配方奶粉（IF）是母乳喂養(yǎng)不足嬰兒的替代食品。先前的研究報(bào)道了以牛乳、羊乳及兩者混合乳為基礎(chǔ)的嬰兒配方奶粉的成分組成及理化穩(wěn)定性。本研究進(jìn)一步利用人類菌群相關(guān)（HMA）小鼠模型，探究這三種嬰兒配方奶粉對(duì)腸道免疫及短鏈脂肪酸（SCFAs）生成的影響，并以人乳作為陽(yáng)性對(duì)照。結(jié)果顯示，羊乳基嬰兒配方奶粉具有功能性免疫優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)為免疫相關(guān)細(xì)胞因子白細(xì)胞介素（IL）-2和IL-10水平升高、腸道通透性標(biāo)志物D-乳酸和內(nèi)毒素水平降低，以及腸道occludin和claudin的mRNA表達(dá)量增加。此外，羊乳基配方奶粉組小鼠腸道內(nèi)乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽含量分別為12.06、2.42和1.72 μmol/g，分別達(dá)到人乳組水平的69%、79%和60。研究結(jié)果表明，羊乳基嬰兒配方奶粉能改善腸道免疫功能并促進(jìn)腸道短鏈脂肪酸的生成。

Introduction

作為嬰兒的理想食品，母乳與健康發(fā)育密切相關(guān)。母乳喂養(yǎng)能有效預(yù)防嬰兒疾病，構(gòu)建健康的消化系統(tǒng)，形成良好的腸道菌群結(jié)構(gòu)，并促進(jìn)免疫系統(tǒng)的良好發(fā)育。免疫系統(tǒng)會(huì)對(duì)內(nèi)外環(huán)境因素做出反應(yīng)，并在生命周期中不斷發(fā)展。新生兒對(duì)腸道感染的易感性主要?dú)w因于其免疫系統(tǒng)尚未成熟以及新生兒菌群誘導(dǎo)的定植抗性不足。新生兒至少在一定程度上依賴母體的抗體，尤其是源自母乳的抗體，來抵御頻繁進(jìn)入胃腸道的腸道病原體。

然而，在某些特定環(huán)境因素下，部分嬰兒無法獲得充足且適宜的母乳。嬰兒配方奶粉（IF）被用作嬰兒食品的主要替代品，以滿足嬰兒的營(yíng)養(yǎng)需求。因此，補(bǔ)充嬰兒配方奶粉喂養(yǎng)所帶來的免疫益處，與嬰兒免疫系統(tǒng)的成熟程度相關(guān)，甚至?xí)?duì)其長(zhǎng)期健康產(chǎn)生影響。研究表明，母乳喂養(yǎng)比現(xiàn)有的嬰兒配方奶粉能提供更好的免疫保護(hù)。母乳喂養(yǎng)因其豐富的成分，包括大量和微量成分，以及一些新發(fā)現(xiàn)的功能成分，可減少嬰兒的腸道炎癥、感染和過敏情況。

目前，牛乳和羊乳是生產(chǎn)嬰兒配方奶粉的主要原料。然而，牛乳、羊乳和母乳在成分上存在巨大差異。這些成分上的差異可能會(huì)對(duì)嬰兒配方奶粉與母乳在免疫成熟方面產(chǎn)生不同的影響。值得注意的是，羊乳與牛乳的酪蛋白水平有所不同。羊乳中的酪蛋白含量相對(duì)較低，而牛乳中的酪蛋白含量相對(duì)較高。酪蛋白含量高的食物往往會(huì)刺激嬰兒胃部的胃酸分泌，導(dǎo)致酪蛋白凝結(jié)，從而延緩胃排空。牛奶中的酪蛋白主要分為 αs1 -酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白。αs1-酪蛋白是主要的蛋白質(zhì)過敏原，也是羊乳中的潛在致敏蛋白。然而，它僅占山羊乳中酪蛋白的5%，遠(yuǎn)低于牛乳中的含量。一項(xiàng)對(duì)源自牛乳和羊乳的αs1-酪蛋白致敏特性的研究表明，與羊乳組相比，牛乳組更容易出現(xiàn)輔助性T細(xì)胞2型炎癥因子和轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)增加，以及腸道屏障受損的情況。此外，β-酪蛋白是山羊乳中的主要酪蛋白。由于山羊乳中β-酪蛋白的分子結(jié)構(gòu)往往高度無序，它提高了酪蛋白的消化率，從而降低了致敏性以及對(duì)免疫功能的不良影響。

基于牛乳和羊乳的配方奶粉在成分上的顯著差異（源于原料乳的不同）可能對(duì)嬰兒免疫成熟和腸道代謝產(chǎn)生不同影響。闡明這一問題將有助于確定適合生產(chǎn)接近母乳的配方奶粉的原料乳來源，以改善免疫功能。因此，利用人類菌群相關(guān)（HMA）小鼠模型，研究了不同乳基配方奶粉對(duì)血清生化指標(biāo)、免疫功能相關(guān)細(xì)胞因子及腸道屏障免疫功能的影響。同時(shí)檢測(cè)了各組小鼠腸道短鏈脂肪酸（SCFAs）的代謝水平，并分析了SCFAs代謝水平與免疫功能的相關(guān)性。基于本研究，探討了不同乳基配方奶粉在免疫功能方面的潛在風(fēng)險(xiǎn)和益處。

Results and Discussion

體質(zhì)量、器官指數(shù)變化以及組織病理學(xué)分析

各組小鼠的體質(zhì)量變化和臟器指數(shù)變化如圖1B和1C所示。所有小鼠的體質(zhì)量最初均有所下降，隨后穩(wěn)步上升。建模期間小鼠的體質(zhì)量減輕是受抗生素的影響，之后在喂養(yǎng)期間體質(zhì)量恢復(fù)并逐漸增加。各組小鼠的臟器指數(shù)沒有顯著差異。所有小鼠的心臟指數(shù)在5.33～6.77之間；肝臟指數(shù)在39.43～46.57之間；脾臟指數(shù)在2.40～3.07之間；肺臟指數(shù)在7.34～8.98之間；腎臟指數(shù)在12.34～14.14之間。

圖1 實(shí)驗(yàn)期間小鼠的生長(zhǎng)狀況

各組小鼠回腸和結(jié)腸的放大顯微組織圖像如圖2所示。各組小鼠的腸道組織黏膜層上皮細(xì)胞完整，可見大量杯狀細(xì)胞，腸腺排列整齊。此外，各組小鼠黏膜下層間隙大小均一，無明顯病理變化。這些結(jié)果表明，嬰兒糞便中的抗生素不會(huì)影響小鼠的腸道組織。源自牛乳、羊乳、混合乳和人乳的腸內(nèi)配方奶粉也未導(dǎo)致典型的組織病理學(xué)異常。

圖2 小鼠的組織病理學(xué)檢查

小鼠血清炎癥細(xì)胞因子水平

小鼠血清和糞便中的炎癥細(xì)胞因子水平如圖3所示。羊乳源腸內(nèi)配方奶粉組小鼠的血清白細(xì)胞介素-2（IL-2）水平與人乳組無顯著差異（P＞0.05），而牛乳源腸內(nèi)配方奶粉組和混合乳源腸內(nèi)配方奶粉組小鼠的血清IL-2水平則顯著低于人乳組和羊乳源腸內(nèi)配方奶粉組（P＜0.05）。各組小鼠的血清IL-4水平無顯著差異（P＞0.05）。牛乳源腸內(nèi)配方奶粉組和羊乳源腸內(nèi)配方奶粉組小鼠的血清IL-9水平與人乳組無顯著差異（ P ＞0.05），而混合乳源腸內(nèi)配方奶粉組小鼠的血清IL-9水平顯著低于人乳組。與牛乳源腸內(nèi)配方奶粉組相比，羊乳源腸內(nèi)配方奶粉組小鼠的血清IL-10水平顯著升高，且達(dá)到了人乳組的檢測(cè)水平。與喂育人乳的小鼠相比，牛乳源腸內(nèi)配方奶粉組小鼠的血清分泌型免疫球蛋白A（sIgA）水平顯著升高（P＜0.05），而羊乳源腸內(nèi)配方奶粉組和混合乳源腸內(nèi)配方奶粉組小鼠的血清sIgA水平則無顯著差異（P＞0.05）。與喂育人乳的小鼠相比，三種腸內(nèi)配方奶粉組小鼠的糞便sIgA水平均顯著降低（P＜0.05）。這些結(jié)果，尤其是血清IL-2、IL-9和IL-10水平表明，食用羊乳源腸內(nèi)配方奶粉的HMA小鼠的免疫力與喂育人乳的小鼠相似。

圖3 羊乳源嬰兒配方奶粉對(duì)小鼠免疫相關(guān)細(xì)胞因子的影響

腸道通透性指標(biāo)

血清中的D-乳酸、二胺氧化酶（DAO）和內(nèi)毒素水平被用于分析受損的腸黏膜通透性。不同乳源的腸內(nèi)配方奶粉對(duì)小鼠腸道通透性的影響如圖4A-C所示。與喂育人乳的組相比，牛乳源腸內(nèi)配方奶粉組小鼠的血清D-乳酸水平顯著升高（P＜0.05），而羊乳源腸內(nèi)配方奶粉組和混合乳源腸內(nèi)配方奶粉組則無顯著差異（P＞0.05）。牛乳源腸內(nèi)配方奶粉組和羊乳源腸內(nèi)配方奶粉組的內(nèi)毒素水平顯著低于人乳組（P＜0.05）。三種腸內(nèi)配方奶粉組小鼠的血清DAO水平顯著高于人乳組（P＞0.05）。

圖4 羊乳源嬰兒配方奶粉對(duì)小鼠腸道通透性和緊密連接的影響

緊密連接蛋白相關(guān)mRNA的表達(dá)

為了進(jìn)一步分析小鼠腸道屏障的免疫功能，研究了腸道緊密連接（ TJ ）相關(guān)蛋白 閉合蛋白 （ occludin ）、緊密連接蛋白-1（ZO-1）和克勞丁蛋白-1（ claudin-1 ）的mRNA表達(dá)情況，詳細(xì)結(jié)果見圖4D和4E。總體而言，牛乳源腸內(nèi)配方奶粉組、羊乳源腸內(nèi)配方奶粉組和混合乳源腸內(nèi)配方奶粉組中緊密連接蛋白的表達(dá)水平顯著低于人乳組。然而，與牛乳源腸內(nèi)配方奶粉組相比，羊乳源腸內(nèi)配方奶粉組中occludin和claudin-1的表達(dá)仍有顯著增加。羊乳源腸內(nèi)配方奶粉組中occludin的水平比牛乳源腸內(nèi)配方奶粉組高3倍，達(dá)到了人乳組的66.5%。claudin-1的水平與occludin的水平相似，羊乳源腸內(nèi)配方奶粉組中claudin-1的水平比牛乳源腸內(nèi)配方奶粉組高5.1倍，達(dá)到了人乳組的70.0%。三種腸內(nèi)配方奶粉組的ZO-1水平均顯著低于人乳組，僅達(dá)到人乳組的4.1%至17.9%。

小鼠腸道短鏈脂肪酸的產(chǎn)生

短鏈脂肪酸（SCFAs）作為腸道微生物中一類極其重要的代謝產(chǎn)物，與個(gè)體健康密切相關(guān)。喂食不同乳源嬰兒配方奶粉和人乳的小鼠腸道中短鏈脂肪酸的含量如圖5所示。牛乳源嬰兒配方奶粉組、羊乳源嬰兒配方奶粉組和混合乳源嬰兒配方奶粉組的短鏈脂肪酸（總量、乙酸、丙酸、丁酸）含量顯著低于人乳組。乙酸、丙酸和丁酸是腸道微生物代謝產(chǎn)生的最為豐富的短鏈脂肪酸。與牛乳源嬰兒配方奶粉組相比，羊乳源嬰兒配方奶粉組和混合乳源嬰兒配方奶粉組的丙酸和丁酸含量顯著增加。與牛乳源嬰兒配方奶粉組相比，羊乳源嬰兒配方奶粉組的乙酸含量也顯著增加。在腸道中檢測(cè)到微量的異丁酸、戊酸和異戊酸，尤其是異丁酸和異戊酸，它們是蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的支鏈短鏈脂肪酸。各組小鼠的異丁酸含量沒有顯著差異。相比之下，與牛乳源嬰兒配方奶粉組相比，羊乳源嬰兒配方奶粉組的戊酸和異戊酸含量顯著增加。為了分析不同乳源嬰兒配方奶粉對(duì)短鏈脂肪酸模式的可能影響，研究了每組小鼠腸道中特定短鏈脂肪酸的相對(duì)含量（圖5B）。牛乳源嬰兒配方奶粉組的乙酸比例相對(duì)較高，而羊乳源嬰兒配方奶粉組的丙酸和丁酸比例相對(duì)較高，這更接近人乳組的短鏈脂肪酸模式。此外，人乳組中異戊酸的相對(duì)比例低于其他組。

圖5 羊乳源嬰兒配方奶粉對(duì)小鼠腸道短鏈脂肪酸生成的影響

短鏈脂肪酸、細(xì)胞因子、腸道通透性指標(biāo)與緊密連接蛋白之間的相關(guān)性分析

短鏈脂肪酸被認(rèn)為與腸道免疫穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)。因此，對(duì)短鏈脂肪酸與細(xì)胞因子、腸道通透性指標(biāo)以及緊密連接蛋白（TJs）進(jìn)行了相關(guān)性分析（圖6）。細(xì)胞因子（IL-2、IL-10）與緊密連接蛋白（ocludin、claudin）呈顯著正相關(guān)。相反，細(xì)胞因子和緊密連接蛋白與腸道通透性指標(biāo)DAO呈負(fù)相關(guān)。有趣的是，主要的短鏈脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸）與IL-2、IL-10、occludin和claudin之間存在正相關(guān)關(guān)系。此外，典型的IL-4與乙酸和丁酸呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖6 短鏈脂肪酸、細(xì)胞因子、腸道通透性指標(biāo)與緊密連接蛋白之間的相關(guān)性分析

Conclusion

綜上所述，以羊奶為基礎(chǔ)的嬰兒配方奶粉飲食提高了細(xì)胞因子水平，降低了腸道通透性，并增強(qiáng)了緊密連接蛋白的表達(dá)。這些結(jié)果表明，以羊奶為基礎(chǔ)的嬰兒配方奶粉有助于嬰兒腸道屏障功能的發(fā)育，尤其是機(jī)械屏障和免疫屏障。此外，以羊奶為基礎(chǔ)的嬰兒配方奶粉促進(jìn)了無菌小鼠腸道短鏈脂肪酸產(chǎn)量的增加，主要是乙酸、丙酸和丁酸。本研究為以羊奶為基礎(chǔ)的嬰兒配方奶粉在調(diào)節(jié)腸道免疫穩(wěn)態(tài)和代謝功能方面的作用提供了新的見解，并為以羊奶為基礎(chǔ)的嬰兒配方奶粉的應(yīng)用提供了有力的證據(jù)。

Goat milk-based infant formula regulates intestinal barrier function and promotes the production of short-chain fatty acids

Qingxue Chena, Ting Caoa, Hongwei Tanga, Linyi Zhoub,c,d, Yuxuan Zhenga, Jinju Chenga, Bailiang Lia,*, Song Wanga,*

a College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China

b College of Food and Health, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China

c Key Laboratory for Deep Processing of Major Grain and Oil, Ministry of Education, Wuhan 430000, China

d Hubei Key Laboratory for Processing and Transformation of Agricultural Products, Wuhan 430000, China

*Corresponding author.

Abstract

Infant formula (IF) based on cow milk and goat milk is a substitute food for infants who are underfed with human milk. In our previous study, we reported the composition and physicochemical stability of IF based on milk from cows and goats and a combination of both milks. Here, we investigated the effects of these 3 IFs on intestinal immunity and short-chain fatty acid production (SCFAs) using human microbiota-associated (HMA) mice and selected human milk as a positive control. The results showed that goat milk-based IF is associated with a functional immune advantage, due to the rise in the levels of immune-related cytokines interleukin (IL)-2 and IL-10, decreased levels of intestinal permeability markers D-lactic acid and endotoxin, and increased mRNA levels of intestinal tight junction proteins occludin and claudin. In addition, the intestine of mice fed with goat milk -based IF contained 12.06 μmol/g acetate, 2.42 μmol/g propionate, and 1.72 μmol/g butyrate, which reached 69%, 79 %, and 60% of the levels in human milk, respectively. Our results indicate that goat milk-based IF improves intestinal immune function and promotes the production of intestinal SCFAs.

Reference:

CHEN Q X, CAO T, TANG H W, et al. Goat milk-based infant formula regulates intestinal barrier function and promotes the production of short-chain fatty acids[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(6): 3150-3158. DOI:10.26599/FSHW.2023.9250002.

翻譯：王立磊（實(shí)習(xí)）

編輯：梁安琪；責(zé)任編輯：孫勇

封面圖片：圖蟲創(chuàng)意

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