益生菌调节肠道菌群及免疫调节作用机理

江西农业大学食品科学与工程学院 蔡凯凯 黄占旺＊ 叶德军 孙长涛

常见益生菌主要指两大类乳酸菌群：一类为双歧杆菌，常见的有婴儿双歧杆菌、长双歧杆菌、短双歧杆菌、青春双歧杆菌等；另一类为乳杆菌，如嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、植物乳杆菌和罗伊氏乳杆菌等。应用于人体的益生菌有双歧杆菌、乳杆菌、肠球菌、大肠杆菌、枯草杆菌、蜡样芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、丁酸梭菌和酵母菌等。从安全性角度考虑，目前工业用益生菌主要来源于健康人体、动物和传统食物 （发酵乳制品、泡菜、纳豆等发酵食品）。

国内外学者对益生菌进行了很多研究和介绍，但多数只局限于它的使用效果上，对其作用机理缺少系统而深入的总结。本文主要以乳酸菌、双歧杆菌和芽孢杆菌为对象，综述了其在调节肠道菌群和促进机体免疫的作用机理及相关研究进展。

1 益生菌与肠道菌群的关系及其调节肠道菌群的机理

在人和动物肠道中栖息着大约500余种，约1014个细菌，但正常情况下不会引起人体疾病或其他不健康现象，原因是这些微生物构成了人与动物肠道的正常菌群并且绝大部分都是有益菌。肠道菌群之间关系复杂紧密，有的互生，有的拮抗，它们以宿主摄取的食物以及分泌于消化道内的各种成分作为营养物质进行生长，并且不断地增殖和被排出。它们与宿主的健康、疾病有着极其密切的联系。在正常状态下，肠道菌群的组成、种类和数量都比较稳定。肠道菌群不仅和肠黏膜共同构成一道保护屏障，阻止有害细菌、病毒和食物抗原等的入侵，还可以刺激肠道的免疫器官发挥更强的免疫功能。在所有的菌群中，益生菌是优势菌群，它们能与肠黏膜紧密结合构成肠道的生物屏障，并且通过占位效应、营养竞争及其分泌的各种代谢产物及细菌素等来抑制条件致病菌的过度生长及外来致病菌的入侵，对于维持肠道的微生态平衡起着不可估量的巨大作用 （王友湘和陈庆森，2007）。

1.1 益生菌的占位效应 各种肠道微生物在肠道中所黏附定植的时间和空间都不一样，在肠黏膜的特定部位有特定的细菌黏附，细菌在该部位黏附以后会定植下来并不断繁殖，直到形成稳定的菌群。这些微生物可发挥占位定植的作用，竞争定植位点以阻止病原菌与肠道黏膜受体结合产生黏附。益生菌的黏附还可以防止条件致病菌的易位，防止条件致病菌向周围不断扩散而引发有关部位感染。刘国荣等（2009）通过对长寿老人源双歧杆菌菌株的研究发现，双歧杆菌的黏附能减缓致病菌对细胞所造成的损害，并且与其黏附能力成正比。其菌液对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌均具有显著的抑制性，抑制效果和菌液浓度成正比。王长文等（2010）总结了前人的研究成果后发现，黏附后的双歧杆菌是通过进一步改变肠道环境和分泌而实现对肠道细胞的稳定黏附。Kankaanpa等（2004、2001）研究发现，乳酸菌与病原菌竞争黏附于肠黏膜是由于细胞外液的影响，另外，还发现在细胞外的多不饱和脂肪酸对乳酸菌与肠上皮细胞的黏附有着重要影响，从而成为乳酸菌能够优先黏附定植所特有的能力。郝小燕等（2010）通过将大肠埃希菌K1与人结肠癌细胞系Lovo细胞共孵育，采用黏附性抑制和竞争性排除方法检测发现，双歧杆菌乳杆菌三联菌能显著抑制大肠埃希菌K1株黏附侵袭于Lovo细胞，其抑制作用呈剂量依赖性。

1.2 益生菌的营养竞争和拮抗效应 益生菌自身属于正常肠道菌群，当其稳定黏附于肠道中后便开始繁殖，其可利用本身所特有的某些酶类（如半乳糖苷酶等）补充宿主在消化酶上的不足，帮助分解上消化道中未被充分水解的营养物质，有利于宿主进一步的吸收利用，它还可以增加人体必需的维生素、氨基酸、微量元素和某些无机盐类（如钙、磷、铁和钴等）的吸收和利用。在营养物质有限的情况下，益生菌可通过其优势生长竞争性地消耗潜在致病菌的营养素，这种竞争有限营养素的能力是决定肠道菌群分布的重要因素。大肠内细菌是由营养基质的利用范围所决定的，近端结肠内的细菌是从小肠传来的大量食物残渣中获得营养物质，而远端结肠内的细菌能利用的基质范围就变得非常有限。正常生理状态下，远端小肠和近端结肠内乳酸杆菌的含量较高，而远端结肠内双歧杆菌的数量占优势。故增加乳酸菌或双歧杆菌的数量可减少其他菌群所消耗的营养基质（孙笑非和温俊，2010）。陈兵等（2003）通过大鼠肠道试验发现，纳豆芽孢杆菌能促进肠道厌氧菌群的生长，而抑制需氧菌群的生长。其机理是纳豆芽孢杆菌在肠道中迅速繁殖，消耗了肠道中的大量氧气，降低了肠内氧浓度，改善了双歧杆菌等厌氧菌的生长环境的同时也使肠道中原本存在的需氧菌肠杆菌和肠球菌等的生长因缺氧而受到抑制。

1.3 益生菌代谢产物抑制致病菌的作用 益生菌在肠道中繁殖，会不断产生各种自身代谢产物，其中有很多对致病菌都具有很强的抑制性。乳杆菌作为益生菌中应用最广的菌种，能产生大量的短链脂肪酸（乳酸、乙酸、丙酸等）、脂肪酸（苯基乳酸、对羟基苯基乳酸）、过氧化氢、细菌素或多肽抗生素类物质，均具有抑菌或杀菌活性。纳豆芽孢杆菌的代谢产物吡啶二羧酸对 O-157病原性大肠杆菌也有抑制作用（李江伟，1999）。还有一些益生菌可产生具有广谱抗菌作用的物质，如细菌素、过氧化氢、亲脂分子、二乙酰、二氧化碳和乙醛等，这些物质对肠道内的大肠杆菌、沙门氏菌和链球菌等均有抑菌或杀菌作用（孙笑非和温俊，2010）。

2 益生菌的免疫调节作用的机理

1885年巴斯德提出免疫系统与微生物的关系，革兰氏阴性菌细胞壁含有肽聚糖（PG）、脂多糖（LPS）和多糖（PS）；阳性菌含有磷壁酸（LTA），而没有LPS。这些大分子成分是细菌对宿主发挥生理功能的主要物质基础，其作用包括细菌对宿主细胞的黏附定植、免疫诱导、防御肿瘤发生等等。在细菌增殖和死亡过程中LPS和PG这两类大分子不断向外释放；而在细菌感染时，LPS和PG则会进入血液中。

人和动物的肠道内存在着非常发达的免疫系统。目前的研究发现，胃肠道中作为益生菌的微生物主要通过三条途径刺激动物的免疫系统：第一，作为活细胞在动物胃肠道表面定植并繁殖，增殖到一定数目后可以刺激动物免疫系统；第二，细胞死亡裂解后释放出来的抗原物质（包括脂多糖、肽聚糖和DNA等大分子物质）被动物吸收后直接刺激动物免疫系统；第三，通过影响胃肠道中微生物菌群组成来间接影响免疫系统（胡文锋等，2003）。益生菌对动物免疫力的改善主要表现在以下三个方面：（1）促进巨噬细胞对微生物细胞以及碳粒的吞噬作用，增强巨噬细胞活性；（2）提高免疫系统抗体产生水平。一般为免疫球蛋白中的IgG和I-gA，以及干扰素的产生水平；（3）能提高肠壁黏液细胞表面的局部抗体水平，通常是提高IgA水平。总的来说，益生菌对于免疫的刺激作用包括了细胞免疫和体液免疫两方面。

2.1 益生菌对机体细胞免疫的影响 细胞免疫是以淋巴细胞中的T细胞为核心的免疫应答反应。当T细胞与某些病原体接触后，在巨噬细胞参与下，T细胞进行分化、增殖为免疫T细胞，其中主要是辅助性T细胞I（CD4 ThI细胞）和细胞毒性T细胞（CTL细胞）。很多研究结果表明，乳酸菌可以通过提高巨噬细胞和单核细胞的活性、促进免疫细胞分泌细胞因子的方式来提高机体的细胞免疫水平（郑颖辉和闫素梅，2010）。

杭柏林等（2008）将从鸡盲肠中分离得到的乳酸菌株植物乳杆菌和粪链球菌添加到肉鸡饲料中发现，乳酸菌具有增强白细胞吞噬功能的效果。司振书和牛钟相（2007）将微生态制剂添加到肉鸡的饲料中，通过检测肉鸡血清中ND血凝抑制抗体效价、红细胞花环率及免疫器官中T细胞百分数等指标发现，微生态制剂可增加免疫器官中T细胞的数量，激发机体细胞免疫应答，提高机体全身细胞免疫应答水平。吕利军等（2009）选取48头25日龄断奶仔猪，分成对照组、乳酸菌组和合生素组，分别饲喂基础日粮、添加0.05%乳酸菌微胶囊的基础日粮和添加0.1%菊粉+0.05%乳酸菌微胶囊的基础日粮。结果表明乳酸菌组和合生素组单核巨噬细胞数量比对照组分别提高12.21%和13.17%。

Yasui和Ohuaki等（1991）给小鼠饲喂短双歧杆菌发酵奶，小鼠的肠黏膜下淋巴结增生，在体外试验中短双歧杆菌促进小肠黏膜下淋巴结细胞增殖，经检测发现这些淋巴细胞主要是B淋巴细胞，进一步研究表明，短双歧杆菌活化了这些贴壁细胞，贴壁细胞分泌一种可溶性因子，促进B细胞的增殖。双歧杆菌为机体肠道内有益菌的最主要成分，对免疫系统的免疫激活作用可通过多个环节起作用。双歧杆菌的完整肽聚糖可激活NK细胞，使之产生血清干扰素IFN-γ，从而激活机体的免疫，另外，它可刺激巨噬细胞样细胞分泌多种细胞因子，这些因子可以作用B淋巴细胞，使之分化成熟并分泌多种抗体（王立生，1998）。李立等（2010）通过小鼠试验发现，双歧杆菌能明显促进小鼠碳廓清指数和腹腔巨噬细胞的吞噬能力，提高小鼠NK细胞的活性。该研究中淋巴细胞的分化增强和迟发型变态反应反映了机体的细胞免疫功能。冯聚玲等（2007）以双歧杆菌的完整肽聚糖（WPG）刺激大鼠腹腔巨噬细胞，通过检测巨噬细胞肿瘤坏死因子TNF-α mRNA的表达水平发现，WPG能上调巨噬细胞TNF-α mRNA的表达。而付艳茹等（2010）通过用WPG和长双歧杆菌做对比试验发现，前者的效果优于后者，因此可以发现，双歧杆菌所起的免疫促进作用与其完整肽聚糖有很大的关联。

有关于芽孢杆菌对于免疫的促进机理的研究目前比较少。周国勤等（2006）通过对鱼类饲喂一定剂量的纳豆芽孢杆菌及其发酵产物后发现，受试鱼类血液中NBT阳性细胞（吞噬细胞、中性粒细胞、巨噬细胞）的数量有明显的增加，而且血清溶血酶活力也有一定的上升。巨噬细胞和中性粒细胞的表面存有糖受体，这些受体可能在糖产生免疫刺激过程中发挥重要的作用。纳豆芽孢杆菌及其发酵产物正是与受体结合后激活巨噬细胞，促进其释放细胞因子、白三烯等物质，并通过这些物质来刺激其他的淋巴细胞，从而引起整个机体的免疫反应，但目前这些个别的研究还不能说明纳豆芽孢杆菌及其发酵产物增强动物非特异性免疫功能的生物学原理，其机理还有待进一步研究。

2.2 益生菌对机体体液免疫的影响 体液免疫是以特异性抗体起主要作用的免疫应答反应。随着病原体的类型、进入机体的途径以及免疫应答过程的不同，机体免疫系统可以合成、分泌五类免疫球蛋白抗体：IgA、IgG、IgM、IgE和 IgD。 而这些抗体可以识别并特异性结合抗原、介导免疫细胞活性、增强吞噬细胞的吞噬功能。尤其是IgA可以有效地抑制细菌对肠黏膜的黏附，通过对细菌的凝集作用使病原菌从体内排出。

IgA是机体黏膜防御感染的重要因素，主要由黏膜淋巴结和固有膜淋巴细胞分泌产生，与肠上皮腺体细胞合成的分泌片结合后，形成分泌型免疫球蛋白sIgA，它是机体黏膜免疫系统的一部分。肠黏膜受到特异性抗原的刺激后，也可以检测到特异性的sIgA抗体，它既可以抵抗肠腔内的蛋白质水解酶，也不会激活补体。经肠黏膜上皮细胞释放到肠腔内的sIgA，和肠黏膜表面的正常菌群混合存在，可以降低致病性微生物在黏膜表面的附着，中和细菌毒素，限制细菌的繁殖，维持肠道内的正常菌群平衡 （周正任，2000）。益生菌能诱导sIgA的产生。益生菌中的乳酸杆菌和双歧杆菌的代谢物和整个细胞等抗原物质能通过M细胞进入派尔集合淋巴（PP），激活Th2细胞，产生大量的白细胞介素IL-5，而IL-5是有效的IgA产生因子，能激活PP生发中心的B细胞，使其转化为浆细胞，在生产免疫球蛋白的过程中向IgA转化。肠黏膜上皮细胞还能产生分泌小体，与双体IgA分子结合，形成sIgA并排列在肠道内皮上，sIgA能预防肠道蛋白酶的分解，形成黏膜上的抗体。由于益生菌一般含有其他菌的共同抗原，因此sIgA能与肠道内的细菌和病毒进行免疫反应，阻断这些菌和病毒在肠道上皮的黏附和穿透，中和毒素，从而缓解腹泻、胃炎、过敏性皮炎等症状（潘晓东和吴天星，2005）。胡帅尔等（2010）也通过饲喂小鼠益生菌，然后对小鼠免疫器官的重量、脾淋巴细胞的转化、脾细胞抗体的生成、肠黏膜sIgA含量等的测定发现，益生菌能促进机体的体液免疫。

IgG占血清中抗体总量的75%以上，在体液免疫中起着主力免疫作用。任贵强等（2006）通过饲喂小鼠低、中、高剂量的乳酸菌后发现，一定剂量的乳酸菌能增加机体IgG的分泌，提高机体的免疫力。

益生菌能抑制IgE的产生。IgE又称反应素，或亲细胞抗体，由呼吸道和消化道黏膜固有层中浆细胞产生，分布于这些部位的黏膜细胞、外分泌液和血液内。IgE是引起Ⅰ型超敏反应的主要抗体。干酪乳杆菌能诱导IFN-γ但抑制IL-4和IL-5的分泌，并显著抑制所有IgE和抗原特异性IgE的分泌，其主要通过IL-12的增加，诱导Th1型T细胞的产生，而这种T细胞能抑制IgE的产生（潘晓东和吴天星，2005）。

3 小结和展望

随着益生菌在调节肠道菌群和促进免疫方面的作用被不断发现，其在营养和疾病控制方面的应用也逐渐受到重视。目前国内的研究主要都停留在益生菌的作用方面，对于其分子水平的作用机理研究还较少，有关益生菌的作用机理，很多结论只是初步的或是推测，而且各菌种的作用也不能一概而论，有些只是体外试验的结果，并不一定代表动物体内的真实情况。因此，研究中不应只局限于微生物学中“纯培养”的固有观念，还需应用微生态学与悉生生物学的观点和方法，把益生菌与宿主及宿主体内的其他微生物作为一个整体，研究它们之间相克相生的关系，这样才能全面揭示有益微生物的作用，另外，还要克服益生菌在研制开发过程中存在的盲目性和低效率，以及应用中效果不稳定等问题。

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