试验设计

 粪便样本的来源：5名经结肠镜诊断为临床缓解期的UC患者和5名健康志愿者，年龄在18至60岁之间，被纳入这项病例对照研究。

 发酵培养基：基础生长培养基（酵母提取物、卡西酮和脂肪酸；YCFA）包含以下化合物：胰蛋白酶，10g/L；酵母提取物，2. 5克/升；L-半胱氨酸，1克/升；NaCl，0.9克/升；CaCl2-6H2O，0.09克/升；KH2PO4，0.45克/升；K2HPO4，0.45克/升；MgSO4-7H2O，0.09克/升；维生素I溶液，200毫升；赫敏溶液，2毫升；加入XOS（Sigma Aldrich，美国）（8克/升）作为唯一的碳源。在加入厌氧条件的指示剂后，将培养基调整到pH值6.5，并将5毫升分装到一个10毫升的瓶子里，在高压灭菌器中消毒前用N2冲洗。

 静态发酵：采集研究对象新鲜的粪便样品（0.8克）用8毫升0.1M厌氧磷酸盐缓冲盐水（pH7.0）均质，在粪便样品到达实验室后立即制成10%（w/v）的泥浆。

 将0.5毫升的粪便浆液接种到装有5毫升生长培养基（XOS作为唯一的碳源）的消毒瓶中，在37℃下进行厌氧发酵，发酵48小时后，对培养基进行离心。将培养基的沉淀物储存在-80℃，用于提取DNA、测序及生物信息学分析。UC患者和健康志愿者的原始粪便被定义为U_FAE和N_FAE组的样本，而UC患者在YCFA和含XOS的培养基中的粪便发酵沉淀样本被定义为U_Y和U_XOS组的样本。 

试验结果

（1）测序数据

 如图1所示，在N_FAE和U_FAE组中分别发现了359个和329个OTU，而在U_Y和U_XOS组中分别发现了320和313个OUT；在所有四个组中共检测到235个核心OUT；另外，N_FAE组有最多的独特物种（52种），U_FAE、U_Y和U_XOS组中分别有7、4和4个独特物种；UC患者和健康志愿者的肠道微生物群中大多数物种可以通过静态发酵进行培养，这意味着这种肠道微生物群的体外模拟系统是可行的。

（2）α-多样性分析

 物种丰富度和多样性可以通过测量α-多样性来评估，通常使用四种指数来评估：ACE和Sobs代表物种丰富度指数，而Shannon和Simpson代表物种多样性指数。如图2所示，缓解期UC患者的四个指数都低于健康志愿者，但这些差异并不显著；此外，α-多样性在发酵后有所下降，尤其是在U_XOS组（尽管同样并不显著，P>0.05）；这一结果表明，发酵可能会抑制某些细菌的生长，而有些细菌则表现出过度生长，尤其是在XOS的作用下。总的来说，XOS发酵不能改善UC患者肠道微生物群的α-多样性降低。

（3）β-多样性分析

 β-多样性分析是通过计算Bray-Curtis距离矩阵来揭示四组之间的差异，其显著性由ANOSIM来检验。如图3所示，根据PCA，四个组显示出明显的分离，ANOSIM确定的P值为0.001，这意味着四个组之间的差异具有统计学意义；更重要的是在PCoA中也观察到类似的趋势；对所有样品的分析表明发酵对微生物群的组成有重大影响，因为两个FAE组和两个发酵组表现出明显的分离。

（4）群落柱状图分析

 如图4所示，在门水平上，N_FAE样品比U_FAE组含有更多的放线菌门和更少的变形菌门。此外，U_XOS组比U_Y组检测到更多的放线菌门和更少的梭杆菌门；在科水平上，U_FAE组的拟杆菌科和双歧杆菌科的相对丰度比N_FAE组高，而肠杆菌科的相对丰度则低。此外，U_XOS组与U_Y组的不同之处在于双歧杆菌科和Selenomonadaceae的丰度增加，而毛螺菌科和梭杆菌科的丰度减少。

（5）识别不同丰度的分类群

 如图5A所示，G_Roseburia、G_Fusicatenibacter、G_Lachnospiraceae_ND3007_group、G_Butyricimonas、G_Eubacterium_halli_group、G_Oscillibacter、g_Lachnospiraceae_UCG-010、g_Bilophila、g_Turicibacter和g_Lachnospiraceae_FCS020_group的相对丰度在N_FAE组较高，而o_Lactobacillales在U_FAE组较高。如图6A和6C所示， G_Eubacterium_halli_group、g_Lachnospiraceae_ND3007_group、g_Bilophila、g_Turicibacter和g_Butyricimonas的丰度在N_FAE组较高（P < 0.05），而g_Bifidobacterium、g_Lactobacillus和g_Lactococcus的丰度在U_FAE组较高，但差异不明显。如图5B所示，U_Y组中g_Lachnoclostridium、g_norank_f_Lachnospiraceae和g_Flavonifractor的丰度比U_XOS组高。如图6B和6D所示， U_XOS组中g_Roseburia、g_Fusicatenibacter、g_Bifidobacterium和g_Lactobacillus的含量更丰富，而g_Oscillibacter、g_Bilophila和g_Lachnospiraceae_UCG-010的含量较低，但差异不大。此外，在U_XOS组和U_Y组中没有检测到g_Turicibacter，这意味着它不能在发酵环境中被培养。

（6）四组中每个样品的顶级物种鉴定和系统发育树

 如图7A所示，构建了一个层次聚类树来说明微生物群的组成，并显示每个样品的聚类关系，发现N_FAE、U_FAE、U_Y和U_XOS组的样本分离得很好；如图7B所示，属水平的群落热图分析显示了四个组的前20个类群和差异丰度类群，如g_Roseburia和g_Bifidobacterium。此外，通过群落热图画出系统发育树来说明前20个物种的进化关系。

试验结论

 本研究招募了5名临床缓解期的UC患者和5名健康志愿者，对比两者肠道微生物群的差异，结果发现，在主坐标分析（PCoA）和主成分分析（PCA）中，UC患者的粪便样本与健康志愿者的粪便样本有差异；健康志愿者的g_Roseburia和g_Lachnospiraceae_ND3007_组的相对丰度高于UC患者，而o_Lactobacillales的丰度呈现相反趋势（P<0.05）；健康志愿者中g_Eubacterium_halli_group和g_Lachnospiraceae_ND3007_group的丰度高于UC患者（P<0.05）。此外，在UC患者中， XOS发酵促进了包括g_Roseburia、g_Bifidobacterium和g_Lactobacillus在内的细菌组的生长，这对肠道疾病的恢复有益。以上结果表明，XOS可以缓解临床缓解期UC患者粪便中的菌群失调，因此是一种潜在的维持缓解期的益生元。

参考资料：

Zongwei Li, Zhengpeng Li, Liying Zhu, et al. Effects of Xylo-Oligosaccharide on the Gut Microbiota of Patients With Ulcerative Colitis in Clinical Remission[J]. Frontiers in Nutrition, 2021, 8: 778542.