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益生元多为一种在胃肠道上段不易消化的碳水化合物,它通过对菌群结构的调节来产生有利于人体健康的作用。益生元已被报道具有多种生理功能,例如通便、抗癌、促进矿物质吸收、调节脂质代谢和改善免疫作用的健康功效等。目前体外评估益生元的方式主要有两种1)体外发酵模型;2)体外细胞模型。通过上述两种模型的结合,我们不仅可以观察益生元对发酵菌群结构以代谢产物的调整,而且可以揭示发酵产生的代谢产物的生理功效。然而,在使用细胞模型方面仍存在稍许不足:首先,现有测定方法无法实现对细胞反应的动态监测;其次,关键的实验因素如上样体积和作用时间尚未确定。为了解决上述不足,本研究引进一种新的技术平台——细胞实时功能分析(RTCA SP)系统。该系统的核心是底部整合有微电子传感器的细胞检测板。细胞反应以基于微电极阻抗的细胞指数的形式呈现。它具有实现数据自动采集和实时分析的优势。为了标准化基于RTCA SP系统以Caco-2细胞模型评估益生元时的上样体积以及作用时间,我们设计了如下实验:1)测定3种不同SCFAs混合液对Caco-2细胞生长的影响;2)对低聚果糖(FOS)和抗性淀粉(RS)发酵上清的动态测定。我们发现Caco-2细胞对SCFAs混合液的耐受范围为0-8 mmol/L。据此设定益生元发酵上清的上样体积为6.3%(v/v)。我们也发现益生元发酵上清作用于Caco-2细胞生长模型和肠屏障模型的时间范围分别是0-16h和0-72h。所以在比较FOS和RS的生理功效时我们挑取的数据分别来自16h(Caco-2细胞生长)和72h(Caco-2单细胞层屏障功能)。FOS和RS在两种营养条件下(PBS体系和BCM体系)与新鲜粪便进行厌氧发酵。采用RTCA SP系统以及上述实验参数评估FOS和RS的发酵上清。我们发现FOS和RS均可以刺激Caco-2细胞生长和增强Caco-2单细胞层屏障功能;特别是在PBS体系,FOS和RS(发酵24h和72h)的上清可以显著地促进Caco-2细胞生长。为了验证上述结果的准确性,我们对对响应益生元的关键OTUs丰度以及发酵上清中SCFAs的含量进行分析。结果发现FOS和RS发酵上清的生理功能同益生元富集的SCFAs产生菌Faecalibacterium和Roseburia呈显著正相关;同潜在致病菌Oscillibacter,Bilophila,Escherichia/Shigella和Streptococcus呈显著负相关。FOS和RS发酵上清对Caco-2单细胞层屏障功能的增强作用同乙酸、丙酸、丁酸和总酸的含量呈显著正相关;同异丁酸的含量呈负相关。综上所述,本研究将RTCA SP系统引入到对益生元发酵上清作用效果的评估中,并确定了Caco-2细胞模型在该系统中的评估体系的上样体积和作用时间,在此基础上对FOS和RS发酵上清的生理功效了进行评估。根据FOS和RS发酵上清的生理功效与发酵液的菌群结构的改变及发酵上清中SCFAs含量的关联分析,揭示了FOS和RS通过调整发酵菌群的群落结构而影响其代谢产物,进而刺激Caco-2细胞生长和增强Caco-2单细胞层屏障功能。本研究表明了利用RTCA SP系统对益生元作用功效进行体外评估的可靠性。