本文系Food Science and Human Wellness原創編譯，歡迎分享，轉載請授權。

Introduction

多酚是自然界中分布最廣泛的植物化學物質，在食品和飲料中含量豐富，對人體健康具有重要意義。多項臨床研究報道了富含多酚的飲食具有抗炎、血脂代謝功能調節和胃腸道保護作用。多酚的降解代謝產物，如尿石素和酚酸也對炎癥和腸屏障功能損傷具有有益的調節效果。綠原酸（CGA），又稱5-O-咖啡酰奎寧酸，是日常飲食中含量最豐富的酚酸之一。咖啡豆、馬鈴薯塊莖、金銀花、洋薊等食物中富含CGA。多項研究報道了CGA具有抗炎、降壓、抗糖尿病和抗腫瘤的活性。特別是隨著咖啡消費量的增加，研究其活性成分CGA的吸收代謝及其體內物質基礎，將促進對其健康效應的認識和相關功能性食品的開發。

CGA在腸道中能夠調節消化功能、腸道炎癥和菌群。研究發現，CGA可以刺激腸道細胞分泌GLP-1，一種能夠調節能量穩態的腸道激素。CGA能夠調節肥胖大鼠腸道鈉/葡萄糖協同轉運蛋白1（SGLT-1）和葡萄糖轉運蛋白2（GLUT-2）的表達。作者之前的研究發現CGA可抑制核因子κB（NF-κB）/核苷酸結合域樣受體蛋白3（NLRP3）炎癥小體通路，這可能是CGA預防結腸炎的部分機制。CGA可以改變菌群結構，改善機體的腸道菌群失調。然而，CGA可能在胃腸道中發生廣泛的生物轉化，產生多種代謝物，不同代謝物可能具有不同的生物活性，從而對CGA的健康效應產生影響。

CGA本身的生物利用度有限，主要受限于其在機體內復雜的代謝途徑。口服攝入CGA后，其酯鍵會被水解斷裂，在肝臟和腸道中首先通過II相代謝產生葡萄糖醛酸、硫酸化和甲基化代謝產物。這一過程由UDP-葡糖醛酸基轉移酶（GT）、硫酰基-O-轉移酶（ST）和兒茶酚-O-甲基轉移酶（COMT）的作用介導。特別是未被吸收的CGA可能被結腸微生物代謝。腸道代謝產物又會被重吸收，通過腸肝循環再次進入腸腔。微生物的酰基奎尼酸酯酶已被證實可以將CGA降解為咖啡酸和奎尼酸，而咖啡酸和奎尼酸通過雙鍵還原和在芳香環的C3-或C4位去羥化形成苯丙酸和苯甲酸的羥化衍生物。雖然已有多項體外和原位研究探討了咖啡在腸道中的代謝途徑，其中涉及CGA與食物基質中其他成分的相互作用，而單體CGA在腸道不同部位的主要代謝產物仍不清楚。生理可及濃度的CGA代謝物在腸道中的活性功能尚不明確。詳細的代謝數據和代謝產物的生物活性研究對于闡明CGA對腸道的益處以及進一步解釋CGA在體內發揮生物學效應的物質基礎具有重要意義。

綜上，本工作研究了CGA及其代謝物在胃腸道不同部位的分布。此外，還進行了CGA的菌群代謝研究，以明確代謝物在不同組織中分布存在差異的主要驅動因素。在細胞實驗中，評估了CGA菌群代謝物對腸道炎癥和腸道屏障功能的調節作用，這將有助于更好地理解腸道微生物在膳食CGA健康效應中的作用。

Results

CGA腸道代謝產物的鑒定

采用超高效液相色譜-串聯質譜（UPLC-MS）技術分析50 mg/kg bw （262 μmol/kg bw）的CGA灌胃小鼠后不同時間點胃腸道組織中代謝物的分布。根據質譜采集數據，共發現13 種具有高響應的代謝物，分別為protocatechuic acid（M1）、catechol（M2）、4-hydroxybenzoic acid（M3）、dihydrocaffeic acid-3-O-sulfate（M4）、chlorogenic acid-3-O-sulfate（M5）、5-O-feruloylquinic acid-O-sulfate（M6）、caffeic acid-3-O-sulfate（M7）、ferulic acid-4-O-sulfate（M8）、caffeic acid（M9）、5-O-feruloylquinic acid（M10）、homovanillic acid（M11）、3-hydroxyphenylpropionic acid（M12）和ferulic acid（M13）。代表性樣品的特征離子色譜圖和CGA及其代謝物MS/MS片段圖如圖1和圖2所示。

圖1 CGA腸道代謝產物的UPLC-MS圖譜

圖2 CGA腸道代謝產物的UPLC-MS碎片模式

CGA在腸道和糞便中的分布

圖3顯示了CGA及其主要代謝物的含量-時間曲線，并且大部分曲線呈雙峰或三峰。胃和小腸在0.5~2.0 h出現第一個峰值，大腸在4~8 h出現第一個峰值，近端小腸在2~4 h出現第2 個峰值，遠端小腸和大腸在6~8 h出現第2 個峰值。此外，CGA代謝物類型在不同腸道組織中的分布存在明顯差異。小腸內大量檢測到M13及其硫酸結合物M8和M4。M12首先出現在回腸，然后大量存在于大腸中。M1和M2僅在大腸中存在，M9在小/大腸中普遍存在。最后，在大腸中未檢測到CGA，表明其被充分代謝。

4 h大腸中的CGA及其代謝產物總量為（861±312.9 nmol），是小腸（409±99.1 nmol）的2 倍。此外，M12在胃腸道中的分布水平最高，Cmax為（298±101.4） nmol，占大腸總代謝物含量的34.6%（圖3）。

CGA及其代謝物的腸道總量-時間曲線如圖4A所示。結果顯示結腸>盲腸>回腸>胃>空腸>十二指腸的AUC0-t值（nmol·h）。M1、M9、M2和M12是CGA給藥后小鼠糞便中的主要代謝物（圖4B）。M12的AUC0-t（nmol·h）大于其余CGA代謝物的總和。糞便中未檢測到CGA。糞便中CGA代謝物的排泄最早在8 h達到峰值，稍晚于結腸中。8 h時糞便中CGA代謝物總量為167 nmol，占給藥劑量的3.2%。

圖3 CGA及其代謝產物在腸道的分布

圖4 腸道總代謝物分布及糞便中CGA及其代謝物分布

CGA的體外微生物代謝

CGA及其代謝物總量分別在8 h和16 h達到峰值，相對含量分別為83.9%和89.2%。M1或M2的最終濃度比M12低3.5 倍，M9被耗盡。糞便孵育產生的微生物代謝物與結腸和糞便中的代謝產物種類一致，但與小腸中的代謝產物有較大差異。通過人糞便體外發酵進一步驗證了動物實驗結果。如圖5B所示，M12是人體微生物代謝產生的CGA的主要代謝產物，占總代謝產物的50%以上。發酵24 h后，主要的微生物終產物為M1、M2和M12，也檢測到微量M3。

圖5 CGA的體外微生物代謝

CGA體外發酵過程中腸道菌群的變化

指示菌群α-多樣性的Shannon指數在人糞便發酵CGA過程中顯著增加（圖6A）。OTU水平的PCoA分析顯示了不同的聚類模式，12 h和24 h糞便培養的微生物群落顯示出相似的聚類（圖6B）。門或科水平的微生物相對豐度見圖6C-D。如圖6E所示，糞便發酵24 h后，Escherichia-Shigella、Mitsuokella和Clostridium_sensu_stricto_1的相對豐度顯著降低。CGA顯著提高了Megasphaera、Dorea和Flavonifractor的相對豐度。

圖6 體外人類糞便發酵過程中的腸道微生物分析

Caco-2/HT-29 MTX共培養細胞模型中CGA及其代謝產物對LPS誘導炎癥反應的影響

與LPS組相比，原兒茶酸（PA）和兒茶酚（CAT）處理導致IL-6和TNF-α的mRNA表達水平顯著降低，咖啡酸（CA）和3-羥基苯丙酸（3HPPA）干預可顯著降低TNF-α的相對表達量。進一步對細胞培養基中促炎細胞因子水平進行ELISA定量（圖7D-E），發現CGA和代謝產物咖啡酸，3-羥基苯丙酸和原兒茶酸有效抑制了LPS誘導的TNF-α含量增加。這些結果表明，CGA的微生物代謝產物有效地降低了促炎細胞因子的表達和分泌，最終減輕了LPS誘導的細胞炎癥。

圖7 CGA及其代謝產物對細胞炎癥的影響

CGA及其代謝產物對腸屏障功能損傷的影響

圖8A-B所示，CGA及其代謝物兒茶酚可顯著上調Muc2 mRNA的表達。與LPS組相比，咖啡酸、3-羥基苯丙酸和兒茶酚均顯著增加occludin mRNA的表達。為了進一步研究CGA代謝產物對細胞間緊密連接的影響，進行了occludin免疫熒光染色。對圖8C-D免疫熒光染色的結果分析表明，與LPS組相比，CGA組和代謝物組的熒光強度顯著增加，提示CGA及其代謝物顯著上調occludin蛋白的表達。

圖8 CGA及其菌群代謝物對腸道屏障功能的影響

Conclusion

本研究發現，口服CGA后，胃腸道中有大量的CGA及其代謝物的產生和存在。其中，硫酸化代謝物在小腸中廣泛分布，而3-羥基苯丙酸、原兒茶酚酸和兒茶酚可能由腸道微生物產生，在大腸中含量豐富。CGA微生物代謝產物能夠顯著降低細胞炎癥水平并改善腸屏障緊密連接蛋白損失。綜上，本研究深入探討了CGA在胃腸道中的代謝、微生物對CGA代謝的影響，并對CGA代謝產物的腸道保護特性進行了初步評估。

作者簡介

張云輝，男，博二在讀，就讀于南開大學醫學院，生物化學與分子生物學專業，研究方向為膳食多酚與腸道健康，目前已發表SCI論文5 篇。

張博崴，男，南開大學醫學院，副教授，碩士生導師，Frontiers in Nutrition、Nutrients等雜志客座編輯，天津市整合醫學學會常務委員，研究方向為膳食營養與腸道菌群的相互作用、營養素代謝的個體差異與精準營養和膳食活性成分與慢病干預。近五年在Advanced Materials, Trends in Food Science & Technology，Current Opinion in Food Science等期刊發表SCI收錄論文50余篇，主持/參與國家和地方項目10余項，授權國家發明專利9 項。

王碩，男，南開大學醫學院特聘教授，教育部長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，首批入選國家“萬人計劃”領軍人才，人事部“百千萬人才工程”國家級人選，教育部“新世紀優秀人才”計劃，科技部“創新人才推進計劃”中青年科技創新領軍人才，享受國務院特殊津貼，主要研究領域包括小分子免疫檢測理論和檢測新技術的研究與開發；“仿生抗體”合成與反應機理及替代生物抗體免疫檢測理論和檢測技術；食品加工過程質量安全控制技術的研究和開發；食品安全風險評估；食品營養與免疫研究。主持多項國家自然科學基金及重點研發計劃項目，以第一或通信作者身份發表學術論文400余篇。

Gastrointestinal distribution and in vitro-microbial biotransformation of chlorogenic acid

Yunhui Zhanga,1, Bowei Zhanga,1, Xiaoxia Liua, Xiang Lia, Fan Weia, Lingda Zhaoa, Huan Lva, Xudong Wangb, Jin Wanga, Jing Wua, Yan Zhanga, Shuo Wanga,*

a Tianjin Key Laboratory of Food Science and Health, School of Medicine, Nankai University, Tianjin 300071, China

b College of Pharmaceutical Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China

*Corresponding author.

Abstract

Chlorogenic acid (CGA), as a polyphenol abundant in daily diet, exerted various intestinal functions. However, the material basis of its intestinal bioactivities was still unclear. Our study investigated the gastrointestinal distribution of CGA using ultra high performance liquid chromatography-tandem mass spectrum (UPLC-MS/MS) and explored the main drivers leading to different metabolic fates of the metabolites. After oral administration of 50 mg/kg bw CGA to mice, CGA and sulfated metabolites were mainly determined in small intestine. Protocatechuic acid, catechol, and 3-hydroxyphenylpropionic acid were found in copious amounts in large intestine and feces. Besides, caffeic acid existed in the entire intestine and feces. In the in vitro mice/human fecal fermentation of CGA, the production of metabolites was consistent with that in the colon, indicating that microorganisms might lead to the difference in the gastrointestinal distribution of CGA metabolites. Moreover, CGA, 3-hydroxyphenylpropionic acid, protocatechuic acid, catechol, and caffeic acid reduced proinflammatory cytokines (interleukin-6 (IL-6) and tumor necrosis factor-?α (TNF-?α)) and increased mucin (Muc2) and tight junction (occludin) mRNA in LPS-induced Caco-2/HT-29 MTX co-culture cells. In conclusion, the biotransformation of CGA in different gastrointestinal tracts varied significantly, and its metabolites could partially support its intestinal bioactivities.

Reference:

ZHANG Y H, ZHANG B W, LIU X X, et al. Gastrointestinal distribution and in vitro-microbial biotransformation of chlorogenic acid[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(7): 9250312. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250312.

本文編譯內容由作者提供

編輯：王佳紅；責任編輯：孫勇

封面圖片：圖蟲創意

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