FSHW | 富含小麦胚芽的饮食可改善老年大鼠的骨骼健康：通过肠道菌群和代谢物

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Introduction

衰老伴随着机体生理和代谢过程的退化，且会增加糖尿病、骨质疏松症、骨关节炎和癌症等的发病率。由于药物治疗骨质疏松具有较高的成本和一系列的副作用，因此，有必要探索可长期摄入且安全的膳食模式来调节骨骼健康。肠-骨轴近年来受到了学者的广泛关注。研究表明，肠道菌群及其代谢物可以通过调控机体免疫反应来影响骨稳态；反之，肠道微生态的紊乱也会加速骨质流失。

小麦胚芽（WG）属于小麦面粉加工厂的副产品，资源极为丰富，每年可用于开发的麦胚量可达30～50万t。WG仅占小麦总谷物的约2%~3%（m/m），但却是整个麦粒营养价值最高的部分，含极其丰富且优质的蛋白质、脂肪、多种维生素和膳食纤维，其中麦胚中的蛋白质含量可达34.5%。尽管近年来已有许多研究挖掘了WG的一些营养学功效作用，但WG还有许多的潜在功能仍待挖掘。目前，WG的抗炎、抗癌和降脂作用已在动物模型和人体实验中得到证实。此外，WG活性肽能有效抑制ROS的产生，降低氧化应激，改善线粒体能量代谢。WG富含的多不饱和脂肪酸，已被证明能积极影响骨代谢和增加骨量。此外，WG中的膳食纤维还具有降血糖的作用。每天摄入WG作为膳食补充剂显著增加了人体肠道益生菌。同样，连续8 周每天摄入富含WG的面包改善了健康成年人的肠道菌群，并增加了拟杆菌和双歧杆菌的丰度。但是，尚鲜有研究探讨WG摄入对肠-骨轴的影响。

南京财经大学食品科学与工程学院沈新春教授团队前期针对WG进行了一系列的研究，挖掘了多条具有抗炎、抗氧化及降血糖作用的WG活性肽。在此研究的基础上，采用自然衰老的雌性SD大鼠，评估了富含WG的饮食干预对衰老引起的骨质疏松的改善作用，并表明骨骼和肠道菌群之间存在潜在的联系。

Results and discussion

研究结果表明，在12 个月内补充5%WG有效增加了老年大鼠单位长度股骨的质量，减轻了衰老诱导的股骨微观结构损伤和分化活性变化（图1）。

图1 富含WG的饮食对股骨衰老相关结构损伤的影响

图2 富含WG的饮食对老年大鼠股骨分化活性的影响

如图2所示，补充WG减少了衰老大鼠的股骨折损和空泡。通过茜素红染色，评估了WG对成骨分化的影响。在衰老组中，成骨细胞的分化活性显著降低，而补充WG有效地改善了这种情况。此外，5%WG组的血浆ALP水平与衰老组相比增加了66.59%。此外，通过TRAP染色和TRAP水平分析以评估WG对破骨细胞分化的影响。结果表明，5%WG的补充显著降低了股骨破骨细胞的分化活性，并且降低了68.94%的TRAP水平。OPG/RANKL的失衡是衰老过程中破骨细胞产生和分化的重要因素。通过分析OPG、RANKL、RANK和TRAF6的蛋白质表达发现，WG显著抑制了衰老大鼠股骨中RANKL、RANK和TRAF6的蛋白表达，同时增强了OPG的蛋白表达。此外，补充WG可显著增加Opg的mRNA表达，并有效降低Rankl。上述结果表明，富含WG的饮食改善了老年大鼠股骨的分化活性。

图3 富含WG的饮食对衰老相关氧化态失衡和炎症反应的影响

衰老引起的氧化应激和全身炎症反应会导致骨质流失。因此，进一步探讨了WG对血浆抗氧化酶活性的影响。如图3所示，补充WG可增加衰老大鼠的T-AOC、GSH-Px和SOD水平，降低MDA水平。并且，补充5%WG显著降低了TNF-α和IL-6的水平，增加了抗炎细胞因子IL-10的水平。这些结果表明，补充5%WG可以减轻与衰老相关的氧化状态失衡和炎症反应。

图4 富含WG的饮食对肠道微生物群组成的影响

如图4所示，衰老组和WG组的肠道菌群组成明显不同。与CTL组相比，衰老明显增加了the observed species、Chao和ACE指数，而补充5%WG则逆转了这一结果。在属水平上，WG与衰老组之间也存在二十多种差异菌。此外，WG补充显著降低了Ruminococcus gnavus和CW040，增加了Blautia、Clostridiales、Lachnospiraceae和一些SCFAs产生菌, 包括Phascolarctobacterium和Dorea。这些结果表明，补充5%WG可以有效地改善衰老大鼠的肠道菌群组成。

图5 富含WG的饮食对血浆代谢物谱的影响

图6 富含WG的饮食对血浆中代谢物和代谢途径的影响

图5的非靶向代谢组图谱显示，在老年大鼠中补充WG长达12 个月后，血清中许多代谢产物发生了显著变化。具体而言，补充5%WG提高了1-棕榈酰甘油磷酸胆碱、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、胆固醇和17a雌二醇等的水平。并且，衰老组和5%WG组之间差异表达的代谢产物主要集中在蛋白质消化和吸收、ABC转运蛋白、矿物质吸收、氨基酰-tRNA生物合成、半胱氨酸和甲硫氨酸代谢、β-丙氨酸代谢、谷胱甘肽代谢和丙氨酸，天冬氨酸和谷氨酸代谢这些代谢通路中（图6）。

图7 老年大鼠微生物、代谢产物和生化指标的相关性分析

为了进一步研究肠道菌群、代谢物及生理指标之间的关系，图7构建了一个相关性网络图。其中，Phascolarctobacterium与牛磺酸（r=0.82）和L-蛋氨酸（r=0.76）呈正相关。Dorea与油酸的变化呈正相关（r=0.77）。同时，CW040与哌啶酸的变化呈负相关（r=-0.53），Ruminococcus gnavus与胆固醇变化呈正相关（r=0.61）。Clostridiales和Blautia分别与L-乳酸和胆固醇呈负相关（r=-0.67）。此外，肠道菌群和代谢物与股骨和血清中的指标相关。菌群与ALP、T-AOC、GSH-Px、SOD呈正相关（P<0.01），与MDA、IL-6呈负相关（P<0.01，与MDA呈负相关（P＜0.01），菌群和代谢物与Opg呈显著正相关（P＞0.01）。菌群也与Rankl呈负相关（P<0.05）。这些结果表明，在富含WG的饮食下，肠道菌群特征和代谢组的变化与骨稳态密切相关。

Conclusion

本研究表明，富含WG的饮食可以减轻衰老诱导的老年大鼠骨丢失，并为靶向肠道菌群调节骨稳态提供了理论依据。富含WG的饮食对骨质疏松症的干预作用可能归因于其在提高T-AOC、GSH-Px和SOD水平以及降低血浆中MDA水平、降低炎症因子水平方面的有效活性。并且，富含WG的饮食可以重塑肠道菌群，降低炎症相关菌，增加SCFAs产生菌，并调控与骨代谢相关的代谢物的水平。本研究为富含WG的饮食干预调控肠-骨轴提供了理论依据。

— 作者简介 —

第一作者

王銮凤，工学博士，南京财经大学食品科学与工程学院讲师，江苏省“卓越博士后”。研究方向为益生菌和膳食模式调控机体节律及健康的机制挖掘。目前主持和参与科研项目4 项，其中主持国家自然基金青年项目1 项。迄今为止，在《Critical Reviews in Food Science and Nutrition》《Molecular Nutrition & Food Research》《Redox Biology》等杂志发表学术论文20余篇。

通信作者

沈新春，民盟，工学博士，南京财经大学食品科学与工程学院教授，博士生导师，江苏高校优秀科技创新团队“功能性粮油食品与分子营养”带头人，校食品安全与营养学科带头人，江苏省“333高层次人才培养工程”培养对象，江苏省“六大人才高峰”高层次培养对象。近年来，承担国家重点研发计划和国家自然科学基金课题4 项，省部级课题5 项；在《PNAS》《Diabetes》等国际权威期刊上发表了50多篇高水平研究论文，向国际会议递交论文摘要近30 篇， 其中，被美国内分泌年会和日本发酵和生物工程学会选为大会发言8 次；授权发明专利5 项，其中美国专利1 项。

汪芳，医学博士，南京财经大学食品科学与工程学院副教授，硕士生导师，《eFood》期刊副主编，《Food Frontiers》青年编委，江苏省“333高层次人才培养工程”培养对象。近年来，主持和参与科研项目5 项，其中国家自然科学基金2 项。迄今为止，在《Phtomedicine》《Critical Reviews in Food Science and Nutrition》《Food Chemistry》等杂志发表学术论文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.

本文编译内容由作者提供

编辑：王佳红；责任编辑：孙勇

封面图片：图虫创意

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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