告别胎牛血清！科学家发现：这种益生菌的"死菌"提取物竟能让肌肉细胞爆发式增长，但活的代谢物反而有毒？

这项研究系统评估了三种具有公认安全（GRAS）地位的益生菌——鼠李糖乳杆菌、枯草芽孢杆菌和布拉氏酵母菌——所产生的后生元（包括微生物细胞裂解物和无细胞上清液）作为胎牛血清替代物的功能潜力。通过整合气相色谱-质谱联用（GC-MS）与液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的代谢组学分析，研究团队深入解析了不同后生元制剂的化学组成，并建立了代谢物谱与牛卫星细胞生物学响应之间的定量关联。

代谢组学分析揭示了不同益生菌来源的后生元具有显著的代谢物组成差异。在短链脂肪酸（SCFAs）方面，无细胞上清液中的总SCFAs含量显著高于微生物裂解物，其中枯草芽孢杆菌上清液富含异戊酸、异丁酸和丙酸等支链SCFAs，而鼠李糖乳杆菌则产生更高浓度的戊酸和丁酸。布拉氏酵母菌表现出显著的乙酸和丁酸生产能力。相比之下，非靶向代谢组学在鼠李糖乳杆菌细胞裂解物中鉴定出三种关键促生长代谢物：5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）、顺-4-羟基-D-脯氨酸和反-4-羟基-L-脯氨酸，这些代谢物的相对丰度显著高于其他两种菌株的裂解物。此外，二肽类化合物如亮氨酰脯氨酸和缬氨酰脯氨酸在各上清液中呈现差异化分布。

图1. 不同后生元样品中短链脂肪酸的浓度

细胞功能评估结果显示，后生元对牛卫星细胞增殖的影响呈现明显的浓度依赖性和组成依赖性。鼠李糖乳杆菌细胞裂解物在极低浓度（5μg/mL）下即表现出最显著的促增殖效果，使细胞增殖率相较于无血清对照组提升约3.8倍，同时保持良好的细胞形态和卫星细胞干性标志物Pax7的表达。枯草芽孢杆菌和布拉氏酵母菌的裂解物在相同浓度下也表现出一定的促生长活性，但效果相对较弱。重要的是，所有富含SCFAs的无细胞上清液均未能有效支持细胞增殖，甚至在某些条件下表现出抑制作用，这与代谢组学数据中观察到的SCFAs分布模式形成鲜明对比。

Spearman秩相关分析进一步量化了代谢物组成与细胞活力之间的关联。统计分析显示，总SCFAs浓度与细胞活力之间存在强烈的负相关关系（ρ = -0.77），表明高含量SCFAs的后生元制剂可能通过特定机制抑制永生化牛卫星细胞的增殖。相反，顺-4-羟基-D-脯氨酸与细胞活力呈中度正相关（ρ = 0.41），而5-氨基乙酰丙酸则表现出中度负相关（ρ = -0.49），提示其生物学效应可能依赖于浓度和更广泛的代谢背景。这些数据表明，后生元的功能活性并非由总代谢物丰度决定，而是取决于促生长代谢物与抑制性发酵产物之间的精细平衡。

在肌原性分化能力评估中，补充5μg/mL鼠李糖乳杆菌裂解物的无血清培养基成功支持了牛卫星细胞向成熟多核肌管的转化。免疫荧光染色显示，在此条件下分化的细胞表达早期分化标志物结蛋白（Desmin）和晚期分化标志物肌球蛋白重链（MHC），形成具有典型形态的多核肌管，其分化效果与含血清培养基相当。相比之下，无血清对照组中的细胞未能有效形成肌管，证实了该后生元制剂不仅能促进增殖，还能维持完整的肌原性分化潜能。

研究深入探讨了观察到的生物学效应背后的潜在机制。对于SCFAs的抑制作用，研究者提出假说认为，在永生化细胞系中，高浓度的丁酸等SCFAs可能激活细胞凋亡途径，而非在原发性细胞中观察到的促进增殖效应。这一解释基于两个关键观察：一是SCFAs（特别是丁酸）在多种细胞类型中已知具有诱导细胞毒性和凋亡的能力；二是永生化细胞系可能表现出与初级细胞不同的代谢和调控响应。而对于鼠李糖乳杆菌裂解物的促生长作用，研究强调了三种关键代谢物的潜在贡献。5-氨基乙酰丙酸作为所有四吡咯衍生化合物（包括血红素和维生素B12）的必需生物合成前体，在细胞代谢和酶功能中发挥关键作用。顺-4-羟基-D-脯氨酸和反-4-羟基-L-脯氨酸作为脯氨酸衍生物，已被报道在动植物系统中参与细胞信号通路调节，并能通过缓解氧化应激增强动物细胞生长。

与近期同类研究的比较突显了本研究的独特贡献。虽然已有研究报道了来自特定菌株（如粪肠球菌或需钠弧菌）的后生元或微生物裂解物在培养肉生产中的应用，但本研究首次系统比较了来自不同分类群（乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌）的GRAS菌株，并通过定量代谢组学建立了明确的代谢物-功能关联。研究表明，微生物生物质裂解物的性能显著优于无细胞上清液，这与近期发现的"全细胞裂解物中的蛋白质和肽类与小分子代谢物具有协同作用"的观点一致。这种协同效应可能源于营养供给与信号调节的整合作用，而非单一活性化合物的作用。

研究还讨论了后生元培养基补充剂的商业化前景。从可扩展性角度，研究所用的益生菌菌株均具备成熟的工业发酵基础设施，生产工艺（发酵、细胞收获、裂解和灭活）易于放大。低有效浓度（5μg/mL）表明其经济成本可能显著低于胎牛血清。从监管角度，GRAS地位和 extensive 的安全文档有助于加速审批流程。然而，批次间组成的标准化、残留代谢物的表征、完全微生物灭活的确认以及潜在过敏原性评估仍是需要解决的技术和监管问题。

这项研究的局限性在于代谢物鉴定主要基于高分辨质谱和谱库匹配，未来需要通过靶向补充或耗竭实验进行机制验证。此外，研究仅在永生化牛卫星细胞系中进行了验证，在初级细胞系和其他物种细胞中的适用性有待进一步确认。尽管如此，该研究为理解后生元在细胞培养中的生物活性提供了机制性见解，确立了代谢物组成与细胞功能之间的定量联系，为开发可持续、无动物源、成本效益高的培养肉生产培养基提供了重要的理论基础和实践路径。

来源：10.1016/j.foodres.2025.118251