期刊資訊：《Food & Function》2026, Advance Article
研究團隊：Huang CL, Hsieh TY, Lin CT, Lin YF, Wu CC, Tsai YC.
論文題目：Effects of live and heat-treated Limosilactobacillus fermentum PS150 on circadian rhythms and GABAergic signaling in a caffeine-induced insomnia mouse model
本研究以咖啡因誘發失眠小鼠模型為對象，探討發酵乳桿菌PS150（活菌與熱去活型態）對睡眠障礙的改善效果。結果顯示，補充PS150能顯著縮短入睡潛伏期並提升睡眠穩定性，其機制涉及調節前額葉皮質之腺苷受體信號傳導與GABA抑制性神經迴路。此外，PS150可校正咖啡因所誘發的生理時鐘基因表現紊亂，並優化腸道菌相組成。上述結果表明，PS150具備經由菌腸腦軸調節睡眠生理的潛力。
PS150如何緩解由咖啡因引起的失眠症狀？
PS150菌株不論是活菌或熱處理形式（HT-PS150），均展現出緩解由咖啡因引起之失眠症狀的潛力。其主要透過調節腺苷信號通路、生理時鐘基因、GABA 神經傳導以及腸道菌相等多重機制來改善睡眠。
以下是 PS150 緩解咖啡因誘導失眠的具體運作方式：
1. 改善睡眠行為參數
在動物實驗中，咖啡因會顯著增加入睡潛伏期（即需要更長的時間才能入睡）。
- 熱處理PS150 (HT-PS150)：能顯著逆轉由咖啡因引起的入睡潛伏期增加，幫助更快入睡。
- 縮短恢復時間：活菌PS150與HT-PS150均能顯著縮短從睡眠狀態恢復到完全活動的時間，反映了睡眠穩定性的提升。
2. 調節腺苷受體與蛋白激酶A（Protein Kinase A, PKA）信號通路
咖啡因主要透過拮抗腦中的腺苷受體（特別是A1R）來產生提神作用。
- 咖啡因會導致前額葉皮質（PFC）中A1R表現量異常增加，並激活PKA信號。
- PS150與HT-PS150能有效減緩A1R的增加並降低PKA的磷酸化，進而調節由腺苷通路介導的睡眠壓力信號。
3. 修復生理時鐘基因表現
咖啡因會干擾大腦前額葉皮質的生理時鐘調節，導致相關基因（如Per2、Cry1、Cry2）表現量過度上調。
- PS150與HT-PS150能將這些失調的生理時鐘基因恢復至正常水平，有助於重新校準受到干擾的晝夜節律。
4. 強化GABA神經傳導系統
GABA是中樞神經系統中主要的抑制性神經傳導物質，負責誘導和維持睡眠。
- 增加GABA產量：PS150能提升GABA合成酶（GAD65/67）的表現，並增加前額葉皮質中的GABA含量。
- 抑制GABA回收：咖啡因會增加GABA轉運體（GAT-1、GAT-3）的表現，加速GABA的回收而降低抑制能力；PS150則能減少這些轉運體的表現，使突觸間隙維持較高濃度的GABA。
- 提升受體功能：咖啡因會降低GABAA受體亞基（β1及γ3）的表現，而 PS150能逆轉此現象，增強神經抑制信號。
5. 透過腸腦軸調節菌相
PS150的補充改變了腸道微生物群的組成，進而影響睡眠。
- 增加益菌：提升了腸道中具有產生GABA的潛力的L. fermentum和具有抗發炎能力的Adlercreutzia equolifaciens。
- 減少有害傾向菌：降低了與炎症及腸道屏障功能障礙相關的 Eubacterium siraeum。
值得注意的是，研究觀察到HT-PS150在縮短入睡潛伏期等指標上似乎比活菌更為顯著，可能原因為熱處理過後，穩定或暴露了細菌的結構成分（如胞外多醣 EPS），使其能更穩定地與宿主信號通路產生交互作用。
熱處理的PS150為何在改善睡眠上比活菌更有效？
HT-PS150在多項睡眠實驗指標上表現出比活菌PS150更強或更顯著的效果，其核心原因可以歸納為以下三個面向：
1. 穩定生物活性結構成分
熱處理過程可能會暴露或穩定細菌的結構組分，例如細胞壁相關分子或多醣體，這些成分能與宿主的信號通路產生交互作用。
- 胞外多醣（EPS）的關鍵角色：研究特別提到，從PS150提取的胞外多醣在動物模型中展現了促進睡眠的效果。
- 活性保留：這些細菌多醣體在細菌失活後，仍能保留生物活性，持續引發宿主與睡眠調節相關的信號反應。
2. 提供更一致且穩定的劑量
與活菌相比，熱處理製劑的優勢在於其效果不依賴於細菌的生命力或在腸道內的存活率。
- 穩定性：熱處理製劑能確保宿主接觸到的細菌結構成分濃度是恆定的，不會因細菌死亡或代謝狀態改變而波動。
- 加工優勢：在食品科學應用中，這些生物活性成分在食品加工和儲存過程中更具穩定性，更適合做為功能性食品成分。
3. 在分子機制（Molecular Mechanism）層面，展現更顯著的調節效應
實驗數據中，HT-PS150在調節特定生物標記上的表現優於活菌：
- 生理時鐘基因的修復：咖啡因會導致生理時鐘基因（如Per2、Cry1、Cry2）異常上調，研究發現唯有HT-PS150能顯著降低這些基因的表現量，而活菌PS150僅呈現下降趨勢。
- 入睡潛伏期的逆轉：在行為實驗中，HT-PS150顯著縮短了咖啡因引起的入睡潛伏期（即更快入睡），而活菌組雖有改善趨勢，但在統計上未達顯著意義。
- 提升GABA合成酶：HT-PS150顯著提升了前額葉皮質中GABA合成酶（GAD65/67）的表現量，活菌組則僅顯示出增加的趨勢。
PS150 提取的胞外多醣如何幫助睡眠？
PS150提取的胞外多醣 (Exopolysaccharides, EPS) 被認為是該菌株發揮助眠效果的關鍵成分。
以下是EPS幫助睡眠的具體方式：
- 作為關鍵效應因子 (Effector)：研究指出，EPS是PS150菌株中的潛在效應因子，意味PS150產生的許多助眠效益，很可能直接與這些多醣類物質的作用相關。
- 具備熱穩定性的生物活性：即使在益生菌被熱處理滅活之後，多醣類仍能保留其生物活性。由於它們在加工和儲存過程中相對穩定，因此被認為是功能性食品中的重要活性成分。
- 觸發宿主信號反應：EPS被認為能與宿主的信號通路產生交互作用，進而促發與睡眠調節相關的生理反應。在動物實驗中，已證實EPS具有顯著的促進睡眠效果。
- 解釋熱處理益生菌的高效性：研究推測，熱處理過程可能反而會暴露或穩定這些細胞壁相關的多醣組分，使其更容易與人體產生作用，可能解釋了HT-PS150在某些指標上比活菌更為有效。
除了胞外多醣，死菌中還有哪些成分可能幫助睡眠？
除了胞外多醣外，HT-PS150中還含有以下可能幫助睡眠的成分：
- 細胞壁相關分子 (Cell wall-associated molecules)：熱處理過程被認為會暴露或穩定細菌的結構組分，其中包括與細胞壁相關的特定分子。
- 細菌結構組分 (Bacterial structural components)：死菌製劑能提供對細菌結構組分更為一致且穩定的暴露，這些組分不依賴於細菌的生命力即可發揮作用。
- 生物活性成分 (Bioactive components)：這些成分被視為「生物反應調節劑」，且具有高度的熱穩定性，即使經過80°C的高溫處理，在食品加工與儲存過程中仍能維持功能。
這些成分之所以能幫助睡眠，是因為它們能直接與宿主的信號通路 (Host signaling pathways) 產生交互作用，進而調節與睡眠相關的生理反應。研究雖強調了EPS是PS150中極具潛力的效應分子，但也指出HT-PS150在行為與分子指標（如修復生理時鐘基因、增強GABA系統）上的顯著效果，關鍵在於上述經熱處理後仍保留生物活性的結構成分。
研究結果摘要
1. 熱處理PS150（HT-PS150）對睡眠潛伏期的調節效果
- 實驗設計：將PS150於80 °C處理30分鐘，製備不具生物活性的熱處理型態（HT-PS150），並與活菌PS150進行療效比較。
- 睡眠潛伏期縮短效果：HT-PS150顯著縮短了咖啡因誘發的睡眠潛伏期延長（p < 0.05）；活菌PS150雖呈現改善趨勢，但未達統計顯著性。
- 翻正反射恢復時間：兩種形式（活菌與熱處理）均顯著縮短了翻正反射恢復時間，反映整體睡眠穩定性的提升。
- 可能機制：熱處理過程可能穩定菌體細胞壁結構，或使胞外多醣（Exopolysaccharides, EPS）充分暴露，增強其與宿主生理途徑的交互作用效率。
- 應用優勢：HT-PS150具備熱穩定性，無需冷鏈儲存，且具較高的耐胃酸能力，對功能性食品開發具有實際應用價值。
2. GABAergic信號傳導路徑的調節
咖啡因透過拮抗腺苷受體，導致中樞抑制性神經傳遞物質GABA系統功能失調。PS150與HT-PS150介入後，觀察到以下分子層面的修復效果：
- 上調GABA合成酶：HT-PS150顯著提升大腦皮質中麩胺酸脫羧酶 GAD65及GAD67的蛋白表達水平，有助於恢復GABA的生合成能力。
- 下調GABA再攝取轉運蛋白：咖啡因誘發GAT-1及GAT-3過度表現，加速GABA的清除；PS150介入後可下調上述轉運蛋白，延長GABA的有效作用時間。
- 恢復GABAA受體亞基表達：研究觀察到PS150可逆轉咖啡因引起的 GABAA受體亞基（包含β1及γ3）表達下降，有助於恢復受體的配體結合敏感性。
3. 晝夜節律相關基因表達的調節
咖啡因透過拮抗腺苷A1受體（Adenosine A1 Receptor, A1R），活化PKA–CREB信號路徑，進而干擾核心時鐘基因（Clock genes）的表達節律。PS150 介入後的主要發現如下：
- 抑制A1R過度表達：PS150可顯著下調咖啡因誘發的A1R蛋白表達上升，從上游阻斷異常覺醒信號的起始。
- 降低PKA磷酸化水平：PS150介入後觀察到PKA磷酸化程度降低，顯示其對cAMP–PKA信號軸的抑制作用。
- 校正時鐘基因表達：咖啡因誘發Per2、Cry1 及Cry2基因異常上調；HT-PS150對上述核心時鐘基因表現出顯著的正向調節效果，有助於恢復晝夜節律。
4. 腸道菌相組成的改變
透過16S rRNA擴增子測序分析，PS150介入後觀察到以下腸道微生態變化：
- 增加抗發炎相關菌屬：Adlercreutzia equolifaciens豐富度顯著提升；該菌株具備已知的抗發炎特性，其增加可能有助於改善全身性低度發炎狀態，間接穩定睡眠環境。
- 抑制發炎相關菌群：咖啡因誘發失眠模型中，與腸道屏障功能障礙相關的Eubacterium siraeum豐富度上升；PS150介入後可有效抑制該菌群的過度增殖。
- 強化菌株定殖：補充PS150後，腸道中Limosilactobacillus fermentum豐富度顯著提高，有助於鞏固腸腦軸的功能性調節基礎。
科學意義與未來展望
本研究以咖啡因誘導失眠小鼠模型，闡明了PS150活菌與熱去活型態（HT-PS150）調節睡眠障礙的分子機制與腸道微生態效應。值得關注的是，HT-PS150在改善入睡潛伏期等關鍵指標上呈現出優於活菌的統計顯著性，支持後生元（Postbiotics）作為益生菌替代形式的科學可行性。
PS150的作用機制涉及多途徑整合調控，包括中樞GABA能信號傳遞、腺苷A1受體介導的PKA-CREB通路、核心晝夜節律基因（Per2、Cry1、Cry2）表現，以及腸道關鍵菌屬豐富度的調節。
HT-PS150兼具耐熱、耐酸與常溫儲運等理化優勢，在非冷藏膳食補充劑及熱加工機能性食品領域具備實際應用潛力。未來研究應推進人體臨床試驗，驗證其對慢性失眠、時差反應及輪班所致晝夜節律紊亂的療效，並深入解析其活性成分（如細胞壁組分或胞外多醣）與宿主腸道交互作用的精確機轉。
