《International Journal of Biological Macromolecules》：Biological characterization of a multifunctional exopolysaccharides produced by a Kefir originated Lactiplantibacillus plantarum KFR54 and its anti-hyperuricemia mechanism
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抗高尿酸血症|胞外多糖|黄嘌呤氧化酶抑制|分子量43.4kDa|基因调控
Xiqian Tan|Chensi Jia|Bingyu Ma|Lijun You|Fangchao Cui|Xuepeng Li|Jianrong Li
渤海大学食品科学与技术学院，中国辽宁省锦州，121013
摘要
本研究重点探讨了由开菲尔颗粒产生的Lactiplantibacillus plantarum菌株分泌的胞外多糖（EPS54）的结构和生物学特性，尤其是其在高尿酸血症（HUA）细胞模型和斑马鱼模型中的抗高尿酸血症（HUA）活性，以及其潜在的抗HUA机制。基于安全性评估，EPS54在HK-2细胞中表现出极低的细胞毒性，并能促进斑马鱼胚胎的发育。结构分析表明，EPS54主要由葡萄糖和甘露糖组成，分子量为43.4 kDa，具有非晶体形态，在高温下稳定性良好，且不含三螺旋结构。EPS54具有一定的体外抗氧化活性，能够抑制H. alvei等病原体的生物膜形成，具有益生元特性，可降低血糖水平，并抑制黄嘌呤氧化酶的活性。机制研究表明，在细胞模型中，浓度为1 mg/mL的EPS54可将尿酸水平从102.55 ± 9.85 μmol/L显著降低至26.82 ± 1.37 μmol/L；在斑马鱼模型中，该浓度可将尿酸水平从23.35 ± 3.44 mg/mL降低至7.09 ± 1.21 mg/mL，这是通过调节关键尿酸代谢基因的活性实现的，具体表现为下调尿酸阴离子转运蛋白1和葡萄糖转运蛋白9的表达，同时上调有机阴离子转运蛋白1和ATP结合盒G亚家族成员2的表达。EPS54有望作为功能性食品中的抗HUA成分。
引言
高尿酸血症（HUA）是一种以尿酸（UA）合成或排泄异常为特征的代谢性疾病，会增加患者患痛风的风险。黄嘌呤氧化酶（XOD）是肝脏中嘌呤代谢的重要酶，它加速嘌呤的氧化过程，从而产生尿酸[1]。抑制XOD活性可以降低尿酸水平，有助于预防高尿酸对身体的危害。人们通常服用布洛芬酸、苯溴马隆和别嘌醇等药物来治疗HUA，这些药物可以帮助身体排除尿酸或阻止其过量产生[2]。然而，长期服用这些药物可能会带来诸多问题。因此，迫切需要寻找更安全、更有效的治疗HUA的方法。
多糖是由单糖通过糖苷键连接而成的大分子，包括植物多糖（如淀粉、果胶和β-葡聚糖）、动物多糖（如壳聚糖和肝素）、真菌和藻类多糖（如β-葡聚糖和藻酸盐），以及微生物多糖（如胞外多糖和胞内多糖）。它们具有多种生理作用，如降低血糖、抗癌、抗细菌和抗炎[3]、[4]、[5]。
研究表明，许多天然多糖能有效降低血清中的尿酸水平和肝脏中的XOD活性，减轻肾脏损伤，并促进尿酸的排泄，显示出良好的预防和治疗HUA的效果[6]。例如，紫菜多糖（PP）、中性玉米丝多糖（NCSP）和Polygonatum sibiricum多糖（PSP）通过抑制XOD酶反应、调节尿酸代谢途径及相关转运蛋白（URAT1、OAT1和OAT3）来降低尿酸浓度，从而缓解HUA[6]、[7]、[8]；此外，通过HUA细胞和HUA小鼠模型证实，多糖的抗HUA机制可能与其防止细胞凋亡、减轻肾脏功能障碍和维持肠道稳态有关[9]、[10]。
胞外多糖（EPS）是一种微生物多糖，属于天然、可生物降解的高分子聚合物，由于其独特的结构特征、理化性质和生物活性功能，在功能性食品和健康科学研究中越来越受到关注，尤其是由乳酸菌（LAB-EPS）合成的EPS[11]。在食品工业中，具有抗氧化活性的LAB-EPS可用作食品添加剂或功能性食品成分，能够减轻RAW 264.7细胞中的脂多糖引发的炎症[12]。同时，LAB-EPS在医学和保健领域也显示出巨大潜力，研究发现它们具有抗炎和免疫调节作用，能促进益生菌的生长，降低胆固醇和血糖[13]、[14]、[15]，显示出广阔的应用前景。此外，LAB-EPS通过调节肠道菌群平衡、改善肠道屏障功能和减轻炎症反应，有助于预防和改善多种代谢性疾病[16]。然而，关于其在缓解HUA方面的应用研究仍较为有限。
一些研究表明，LAB-EPS也可能像其他天然多糖一样发挥抑制XOD活性的作用。体外实验表明，由甘露糖、葡萄糖和半乳糖组成的低分子量LAB-EPS具有XOD抑制活性，具有治疗痛风的潜力[17]、[18]。HUA HK-2细胞模型证实，L. plantarum HZB-30菌株产生的HZB-30 EPS可以降低细胞内的尿酸水平并减少促炎细胞因子（TNF-α、IL-1β和IL-6）[19]。然而，这些研究主要关注EPS的体外尿酸降解能力，其体内降尿酸能力和调控基因表达的机制尚未得到充分研究。此外，LAB-EPS的功能可能受到菌株遗传背景和来源的影响，开菲尔是一种酸性、粘稠的功能性发酵乳饮料，含有多种益生菌，是分离具有不同功能的EPS产生菌株的理想选择[20]、[21]，尤其是开菲尔菌株产生的EPS的生物活性，尤其是其降尿酸能力，仍需进一步研究。
在本研究中，从开菲尔颗粒中分离出了Lactiplantibacillus plantarum KFR54菌株，并分离出了其EPS（EPS54），随后对其结构、安全性和生物学特性进行了分析，特别是其抗HUA相关功能。此外，还评估了EPS54在降低尿酸水平和调节相关基因表达方面的作用，以探索其潜在的抗HUA机制。我们的研究结果为基于EPS的功能性食品提供了理论基础。
实验材料与试剂
黄嘌呤氧化酶、别嘌醇（APL）和草酸钾（PO）购自Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.（中国上海）。α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和黄嘌呤购自Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.（中国上海）。其他试剂购自Solarbio Biotechnology Co., Ltd.（中国北京）。研究中使用的检测试剂盒由南京建城生物技术研究所提供。
产生EPS的菌株鉴定及EPS提取
本研究从开菲尔颗粒中分离出了KFR54菌株。该菌株的菌落呈乳白色、圆形且凸起，用接种环触碰时会有明显的拉丝现象（图1A）。该菌株为革兰氏阳性（图1B）。16S rRNA基因测序和系统发育分析（图1C）显示，KFR54与Lactobacillus plantarum菌株1582的相似度为98%，可鉴定为L. plantarum。KFR54的GeneBank登录号为PX884535。
菌株产生的EPS产量
结论
本研究证实，由L. plantarum KFR54产生的EPS54主要由葡萄糖和甘露糖组成，分子量为43.4 kDa，不含三螺旋结构，基于细胞和斑马鱼胚胎实验结果，可认为其基本安全。功能研究表明，EPS54具有多种活性，包括体外抗氧化、抗生物膜、益生元、降血糖和抑制XOD活性，以及体内降尿酸能力。其抗HUA机制可能涉及对相关基因的表达调控。
作者贡献声明
Xiqian Tan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、数据分析。Chensi Jia：初稿撰写、方法学设计、数据分析。Bingyu Ma：方法学设计、数据分析。Lijun You：数据分析。Fangchao Cui：数据验证。Xuepeng Li：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。Jianrong Li：撰写 – 审稿与编辑。
本研究得到了辽宁省博士启动计划（CN）（2025-BS-0814）的支持。
利益冲突声明
我们声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
