馮 焱 ， 閆麗歡，馮江浩， 李建慧

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，山西 太谷 030801)

隨著生活水平的提高，飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的變化，肉類食品所占比重不斷攀升，導(dǎo)致肥胖人群比例居高不下，隨之而來的是“富貴病”風(fēng)險影響巨大。腸道作為人體內(nèi)最大的消化器官和免疫器官，其腸道微生物存在與宿主有著重要的“唇齒相依，榮辱與共”的關(guān)聯(lián)，在維持宿主健康方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。正常機體的腸道內(nèi)存在100多種微生物[1]。由于不同的生活環(huán)境和飲食習(xí)慣，造成腸道微生物組成多元化，同時腸道微生物也存在明顯的個體差異[2]。有趣的是，腸道最初的細(xì)菌定植在很大程度上取決于輸送方式，自然分娩的嬰兒首先接種的細(xì)菌通常存在于陰道和糞便中的微生物群，如乳酸菌(Lactobacillus)和普氏菌(Prevotella)，而剖腹產(chǎn)出生的嬰兒接種的細(xì)菌則來自皮膚和環(huán)境[3]。腸道微生物主要由兩部分構(gòu)成，一是定植在腸道黏膜內(nèi)構(gòu)成較穩(wěn)定的自身微生物，二是可以由飲食從外界攝入通常在腸道內(nèi)存在時間較短的外來微生物的影響[2]。通過膳食纖維干預(yù)，可以明顯改善腸道微生物的組成及結(jié)構(gòu)多樣性，對體重也有顯著的控制效果[4]。研究膳食纖維對腸道微生物的影響，了解微生物演替和可能的潛在機制，以及由其代謝產(chǎn)生的短鏈脂肪酸對宿主的作用，為進一步探究飲食，腸道微生物及宿主三者間關(guān)系提供參考。

1 膳食纖維及其對宿主腸道微生物區(qū)系的調(diào)控作用

Kaye等[5]研究表明，經(jīng)過腸道微生物消化的膳食纖維，會通過短鏈脂肪酸來調(diào)節(jié)血壓和心臟機能，阻止高血壓的發(fā)生。該研究首次從機制上證實膳食纖維可以直接調(diào)節(jié)心血管健康，讓兩者的關(guān)系從相關(guān)性變成因果。眾多的研究證實，腸道微生物的功能不僅僅是消化食物，同時能夠合成機體必需的氨基酸以維持機體健康。有研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物的組成及代謝產(chǎn)物對宿主的免疫系統(tǒng)成熟和炎性反應(yīng)有重要的影響。如果腸內(nèi)部免疫系統(tǒng)崩潰，會引起慢性腸炎疾病，例如克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎[6]。而短鏈脂肪酸(SCFA)作為由膳食纖維經(jīng)腸道微生物發(fā)酵后的主要產(chǎn)物也有相當(dāng)重要的功能，膳食纖維不僅能夠降低肥胖宿主的體重，而且對免疫功能也有侵染[7-8]。宿主通過飲食干預(yù)對腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能的調(diào)節(jié)作用直接影響自身的代謝狀況。高纖維日糧為腸道微生物群提供大量可發(fā)酵底物，直接或間接調(diào)節(jié)宿主的健康成為當(dāng)今研究的焦點之一。

1.1 膳食纖維的功能

膳食纖維(DF)是一類不能夠被機體自身消化吸收的短鏈糖類物質(zhì)，但能夠刺激某些腸道微生物并被分解，分解產(chǎn)物能夠被人體利用，因而DF也被稱為益生元。世界衛(wèi)生組織和各國營養(yǎng)學(xué)界對膳食纖維的攝入給出了統(tǒng)一的建議，即每人每天攝入量在25～35 g。但中國成人平均每人每日攝入膳食纖維僅為13.3 g，導(dǎo)致慢性病、心血管疾病與日攀升。DF能夠在腸道內(nèi)被微生物分解為SCFA，一方面能夠被腸道吸收進入到宿主體內(nèi)，另一方面改變腸道環(huán)境，抑制有害菌群生長[9]。對于DF現(xiàn)在研究較多的是菊粉，這是一個涵蓋不同聚合度的線性β-(2,1)果糖和果糖的化合物的統(tǒng)稱[10]。DF具有許多親水基團，因此對于水有很強的吸附能力，能夠吸附水分子增大體積，從而產(chǎn)生飽腹感，減少采食。此外其表面還有一些活性基團能夠吸附腸道內(nèi)的膽固醇等物質(zhì)，加快腸道食糜排空速度，縮短有毒物質(zhì)在腸道內(nèi)的滯留時間，抑制腸道對其吸收。

1.2 膳食纖維與腸道微生物互作

對歐洲188項不同的研究表明，其中大部分是隨機的(96%)，研究對象是被認(rèn)為健康的17歲以上成年人(81%)。研究檢驗膳食纖維對9個預(yù)先定義的生理健康領(lǐng)域中的至少一個的影響，從“膳食纖維-微生物-生理軸”的介入中獲取數(shù)據(jù)[11-12]，可能是低碳水化合物的飲食導(dǎo)致微生物群落多樣性的逐步喪失，造成生態(tài)失衡，病原菌的擴散，微生物組成的變化，某種物種豐度的增加或減少，微生物功能能力的變化。也有研究者認(rèn)為，高脂肪、低發(fā)酵膳食纖維的飲食會使微生物群轉(zhuǎn)向一種與腸道炎癥風(fēng)險增加相關(guān)的更不健康的模式。因此，DF誘導(dǎo)的腸道菌群調(diào)控其對健康和疾病的潛在影響而引起研究者的興趣。然而，目前還不清楚這些變化如何可預(yù)測其發(fā)生方式(圖1)。

圖1 膳食纖維-微生物群-生理軸[16]

Dewulf等[13]試驗表明，給30個受試的肥胖婦女在飲食中添加菊粉類的果糖，通過為期3個月的觀察以及對其腸道微生物的16S rRNA的檢測發(fā)現(xiàn)，在飲食中添加菊粉類果糖的受試者其腸道微生物的組成中厚壁菌門(Firmicutes)和放線菌門(Actinobacteria)的相對豐度有所增加，擬桿菌門(Bacteroides)減少，其它的菌屬雙歧桿菌(Bifidobacterium)，糞桿菌(Faecalibacterium)，以及普拉梭桿菌(Prausnitzii)的相對豐度提升，同時也觀察到其與血液中的脂多糖呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。試驗通過對某些細(xì)菌種類與代謝內(nèi)毒素血癥或代謝組學(xué)特征之間的相關(guān)性分析，證實菊粉類果糖的攝入選擇性地改變肥胖女性腸道菌群的組成，從而導(dǎo)致宿主代謝的適度改變。Reimer等[4]在為期12周的試驗中發(fā)現(xiàn)，對飲食中添加菊粉類果糖的受試者糞便進行測定，菊粉類果糖能夠增加腸道內(nèi)的雙歧桿菌的相對豐度，與對照組相比，添加菊粉類果糖中，受試者的食欲、饑餓感與預(yù)期的食物消耗都有明顯的降低。Ho等[14]對I型糖尿病兒童添加濃縮的低聚果糖菊粉3～6個月，酮酸癥沒有明顯改善，但C-肽明顯增多，腸道的通透性也顯著增加。結(jié)果表明，飲食中攝入菊粉類低聚果糖可改變腸道菌群的結(jié)構(gòu)，對于肥胖患者能夠增加其腸道微生物的豐度，降低食物的攝入，體重下降，對于I型糖尿病患者來說能夠增加C-肽含量，對胰島細(xì)胞功能有一定幫助，同時也改善腸道內(nèi)微環(huán)境。Miyamoto等[15]發(fā)現(xiàn)，在高脂飼喂小鼠飲食中添加大麥β-葡聚糖可顯著提高腸道中的放線菌和雙歧桿菌的數(shù)量。Bai等[16]在高脂誘導(dǎo)肥胖大鼠飲食中添加苦瓜粉，能夠顯著提高疣微菌門(Verrucomicrobia)以及一些產(chǎn)丁酸鹽菌(BlautiaandAllobaculum)的數(shù)量。Barczynska等[17]的試驗表明，馬鈴薯糊精可使高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖大鼠腸道中乳酸桿菌、雙歧桿菌、普雷沃氏菌(Prevotella)和擬桿菌數(shù)量提高，對梭菌屬(Clostridium)數(shù)量有顯著抑制。Ferrario等[18]研究表明，菊粉和抗性淀粉可增加腸道中擬桿菌門，普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)和瘤胃球菌屬(Ruminococcus)的數(shù)量，降低變形菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門數(shù)量，可以作為改善腸道微生物菌群結(jié)構(gòu)的理想食物佐劑。

2 短鏈脂肪酸對宿主健康的影響

不可消化的碳水化合物在腸道內(nèi)主要被分解成為乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等，可能在能量穩(wěn)態(tài)、免疫功能和宿主微生物信號傳導(dǎo)等方面發(fā)揮作用，被腸道上皮細(xì)胞尤其是盲腸上皮吸收，占腸道內(nèi)所有SCFA的95%以上，同時也產(chǎn)生不易被人體消化的乳酸[19-20]。在不同腸段SCFA的含量也不盡相同，在小腸與大腸內(nèi)都有發(fā)現(xiàn)乙酸鹽和丙酸鹽，丁酸鹽則主要在結(jié)腸和盲腸內(nèi)被發(fā)現(xiàn)[21]。腸道內(nèi)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA會通過血液運輸?shù)饺梭w內(nèi)肝臟等器官，對保持健康有積極效應(yīng)。不同的腸道細(xì)菌通過多種代謝途徑產(chǎn)生，作用于不同的載體或細(xì)胞，并發(fā)揮相應(yīng)的調(diào)節(jié)代謝作用(見表1)。

表1 SCFAs的產(chǎn)生途徑[23]

近年來，研究證明SCFA在免疫方面的效力，對維持腸道內(nèi)免疫反應(yīng)以及個體免疫反應(yīng)都有重要的意義。SCFA可作能量物質(zhì)，同時也是信號分子。它的產(chǎn)生與攝入食物中的DF關(guān)系密切，腸道內(nèi)SCFA是由食物中不能被機體分解的DF由腸道內(nèi)的微生物發(fā)酵產(chǎn)生，DF為腸道內(nèi)的微生物提供足夠的能量。當(dāng)食物中的膳食纖維不足時，腸道微生物的發(fā)酵活性降低。研究證實，長期攝入高脂肪、高蔗糖的食物會導(dǎo)致腸道內(nèi)的某些菌群消失[22]。腸道內(nèi)的免疫反應(yīng)要保持在一個平衡狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，SCFA對于個體的免疫系統(tǒng)也有重要作用。Park等[7]研究SCFA能夠直接影響T細(xì)胞分化，促進T細(xì)胞分化為Th1和Th17等效應(yīng)T細(xì)胞，通過對GPR41或GPR43依賴的HDAC抑制劑的激活以及之后對mTOR-S6K的激活來促進T細(xì)胞的分化和細(xì)胞因子的表達。

SCFA主要是由腸道微生物代謝產(chǎn)生，可通過“腦-腸軸”發(fā)揮作用，影響宿主的身體狀態(tài)，同時取決于腸道內(nèi)菌群組成、消化時間(在腸道運轉(zhuǎn)的時間)、宿主-微生物代謝通量以及宿主食物中的纖維含量[24]。SCFA是腸道微生物影響宿主健康的一種方式。例如，丁酸鹽可以抑制大腸炎癥以及大腸癌[25]，通過抑制組蛋白去乙?；?HDAC)來改變許多不同功能的基因表達。從而控制細(xì)胞分化，增殖以及凋亡的基因。此外，丁酸鹽在癌細(xì)胞內(nèi)濃度為正常細(xì)胞內(nèi)的3倍，可作為HDAC的抑制劑，有效抑制HDAC活性[26]。而在正常的結(jié)腸上皮細(xì)胞以及干細(xì)胞內(nèi)丁酸鹽可以正常代謝，不會受到因丁酸鹽濃度過高引起的細(xì)胞抑制以及功能的損傷[27]。由擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、普氏菌屬(prausnitzii)以及瘤胃球菌屬產(chǎn)生的乙酸鹽可通過血腦屏障作用于大腦[28-30]。Gao等[31]的試驗表明，給高脂飼料喂養(yǎng)的小鼠添加乙酸鹽，能夠增加代謝能力，使其增加能量消耗，從而使其對肥胖具有一定抵抗能力。丙酸鹽可促進肝臟內(nèi)的糖異生作用，降低體內(nèi)血液中的膽固醇含量，對于體重的控制也有積極影響[32]。研究證實丙酸和丁酸能夠誘導(dǎo)細(xì)胞的分化和凋亡，影響某些癌癥的發(fā)生[33]。Chambers等[8]給成年超重者長期于飲食中添加丙酸鹽，同樣可以控制體重，顯著降低受試者體重的增加速率。

3 展望

隨著研究者對DF與動物健康關(guān)系的認(rèn)知不斷深入，DF作為一類能夠改善腸道微生物菌群結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，從不同的角度對于腸道菌群活性重新定位和認(rèn)知，通過個性化微生物組學(xué)分析越來越明確。對于DF發(fā)揮作用方式，主要是通過被微生物代謝為SCFAs而促進一些菌的生長，改變腸道環(huán)境，抑制另一些菌的生長和供能，兩者之間存在競爭互作關(guān)系，其對于宿主健康和免疫功能方面的作用影響深遠。SCFAs與DF二者間的作用機制需要進一步深入探究。