食品伙伴网丨斑马鱼生物技术,助力益生菌等功能性食品及原料企业发展!

发布时间:2023-05-22 环特生物 浏览次数:3095

当前,我国益生菌产业飞速发展,大量益生菌产品雨后春笋般涌现。由于斑马鱼肠道与人体肠道高度相似,并与人体肠道菌群种类具有广泛的同源性,因此,斑马鱼模型作为一种肠道微生物研究的新兴模型,被越来越多地用于益生菌等功能性食品功效与安全性评价及研究。

斑马鱼生物技术,如何助力益生菌等功能性食品产业及原料企业发展?读完本文,相信你能找到答案!

01、益生菌产业发展现状

益生菌产业高速发展,横跨发酵乳品、乳饮料、休闲零食、膳食补充剂、日化用品及动物饲料多个领域。虽然我国益生菌产业起步较晚,益生菌产业开发相对落后与欧洲、日本等地区,但是仍处于高速发展阶段。据中康产业资本研究中心整理的数据显示,2022年,我国的益生菌市场规模突破1000亿元,达到1065亿元,具有非常大的应用前景,预计2023年我国益生菌市场规模将达到1171亿元。而且将保持每年10%-15%以上持续增长。

图1 2017-2023年中国益生菌市场规模及预测图

图源:第六届食品科技创新大会环特生物分享PPT

目前我国的益生菌市场以进口品牌为主,由于一株成熟的商业菌株开发需要大量的时间以及成熟的技术,所以国内益生菌厂商市场占有率较低。国内有益生菌板块业务的上市公司主要有科拓生物、福成股份、莱特九州、汤臣倍健、江中药业、合生元等。

02、斑马鱼及其优势

斑马鱼是鲤科、鲐属的鱼类,呈梭形,平均体长为25mm,有记录的最大鱼体可达64mm,尾部侧扁。斑马鱼全身基调呈现黄色,背部为橄榄色,从背部至腹部有多条深蓝色条纹。目前主要分布在孟加拉、印度、巴基斯坦、缅甸以及尼泊尔的溪流中。

图2 斑马鱼 

斑马鱼很容易在实验室饲养,三个月就达到生殖成熟期,雌鱼每次产卵200枚,一生可产卵数千枚,卵经24小时即可发育成熟(一天的生长相当于鼠类8-10天),仔鱼期只有一个月。不仅如此,斑马鱼卵和整个胚胎发育过程都是透明的,可以容易得到胚胎,且在显微镜下可直接观察胚胎的发育过程。斑马鱼由于其独特的自身优势,目前已成为模式生物,被越来越多的研究学者用于科学研究。

图3 斑马鱼国内相关研究共现矩阵分析图

图源:中国知网

斑马鱼的生理、发育和代谢与哺乳动物高度相似,能够可靠的模拟和预测人类生理、病理过程,Wang zhengyuan[1]等人对比了斑马鱼肠道与人体肠道,发现其斑马鱼S1-S5段功能与人体/小鼠非常相似。从其光镜结构检查中可以看出,其S1-S5段密布绒毛,与人体/小鼠的小肠结构相似,S6段绒毛、脊线较前节短且宽,S7段表面光滑,没有褶皱或者绒毛状结构,同人体大肠形态相似。

图4 6月龄斑马鱼肠道结构图[1]

斑马鱼能将益生菌摄入肠道并有效定植,这为益生菌的发展提供了很好的研究对象,斑马鱼不仅个体差异小、实验结果更可靠,实验周期短、效率更高,且成本较低。采用益生菌分别喂食斑马鱼,观察斑马鱼肠道中益生菌的荧光强度可以看出,4小时斑马鱼整条肠道已充满益生菌。

图5 斑马鱼肠道益生菌荧光强度变化图

图源:第六届食品科技创新大会环特生物分享PPT

03、斑马鱼用于益生菌及其它功能性原料研究

虽然斑马鱼可以应用于益生菌研究,但其研究结果与人体/小鼠研究结果真的一致吗?不少的研究学者已经给出了答案。2015年,意大利学者Silvia Falcinelli[2]等人采用鼠李糖乳杆菌,以斑马鱼为研究对象,高通量序列分析为手段,证明了鼠李糖乳杆菌具有调节肠道微生物组成的能力。这一研究结果与匹兹堡大学Misty Good[3]等人将鼠李糖乳杆菌应用于小鼠的研究结果一致。中国海洋大学Zhang lanwei[4]团队也有研究表明,动物双歧杆菌F1-7可以通过调节斑马鱼血清素(5-HT)释放和合成的关键基因,促进斑马鱼肠道的蠕动。之后张教授团队将动物双歧杆菌F1-7应用于小鼠,研究结果与将动物双歧杆菌F1-7应用于斑马鱼一致[5]。这些研究结果都表明,将斑马鱼生物技术应用于益生菌研究具有一定的可信度,且被越来越多的学者认可和应用。

斑马鱼作为第三大模式动物,兼具动物和体外细胞实验的优点,被广泛应用于高通量测试,现已建立约2000余种人类疾病模型。比如吉林大学基础医学院的孙巍教授,就曾将斑马鱼应用于一些老年疾病的研究,通过行为遗传学、分子药理学,积极开发新的转基因及基因敲除斑马鱼系,用于临床老年疾病模型的研究。由于斑马鱼与人类眼部在形态、生理、功能和基因表达上相似,许多人类视觉障碍相关的表型已经在斑马鱼中重现,研究学者们将斑马鱼动物模型应用于人类眼部疾病的研究,比如眼部角膜疾病、白内障、青光眼、视网膜疾病等等,均取得了较好的研究结果。

不仅如此,越来越多的企业也纷纷参与斑马鱼生物技术应用于功能性原料功效评价的研究,比如澳优乳业、康宝莱等将斑马鱼应用于胃肠黏膜保护功效评价;蒙牛、飞鹤等将斑马鱼生物技术应用于润肠通便的功效评价,证实其酸奶具有润肠通便的功效。

04、斑马鱼后续发展

作为完整的动物模型,斑马鱼具有实验快速、高效、经济的优势。斑马鱼与人类基因相似度高达87%,可以用来模仿一些功能性原料在人体中的效果,且根据《欧盟动物保护法》,5天以内的斑马鱼胚胎和幼鱼由于自带卵黄囊,无需进食,因此不属于动物,符合3R原则(替代Replacement/减少Reduction/优化Reduction)。斑马鱼生物技术已受到欧美食品药品监督管理部门认可,并通过GLP(药物非临床研究质量管理规范)认证。OECD(经济与合作发展组织)认定斑马鱼胚胎毒性测试为评价化学品毒性最敏感的体内方法。

虽然斑马鱼具有较多优点,但是在某些情况下,由于斑马鱼的基因功能差异,足以破坏斑马鱼突变体和人类疾病综合征的表型相似性,并且斑马鱼的生理学差异也会使疾病模型复杂化。但是其成本低、周期短、实验效率高,所以,开发基于斑马鱼开展功能性评价的方法有利于相关功能食品原料的活性筛选及对产品的功效验证,有着非常广阔的应用前景。

参考文献

[1]Wang Z, Du J, Lam S H, et al. Morphological and molecular evidence for functional organization along the rostrocaudal axis of the adult zebrafish intestine[J]. Bmc Genomics, 2010, 11(1):392.

[2]Falcinelli, Rodiles, Unniappan, et al. Probiotic treatment reduces appetite and glucose level in the zebrafish model[J]. SCI REP-UK, 2016, 2016,6.

[3]Good M , Sodhi C P ,Ozolek J A ,et al. Lactobacillus rhamnosus HN001 decreases the severity of necrotizing enterocolitis in neonatal mice and preterm piglets: evidence in mice for a role of TLR9.[J]. American Journal of Physiology Gastrointestinal & Liver Physiology, 2014, 306(11):1021-32.

[4]Lu Y, Zhang Z , Liang X , et al. Study of gastrointestinal tract viability and motility via modulation of serotonin in a zebrafish model by probiotics[J]. Food & Function, 2019, 10(11):7416-7425.

[5]Lu Y , Yu Z , Zhang Z , et al. Bifidobacterium animalis F1-7 in combination with konjac glucomannan improves constipation in mice via humoral transport. 2020.

[6]Meng X, Gao Y, Qi H, Ding Y, Sun Y. Clinical Application Value of Lactobacillus Plantarum PS128 in Patients with Anxiety Disorders. Clin Psychopharmacol Neurosci. 2022 Aug 31;20(3):560-566.

作者简介:Yanci,江南大学食品工程专业硕士,现从事食品研发工作。

文章来源:食品伙伴网

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