肠道菌群调节制剂的研究进展

房晓，段荣帅，王凤山

（1.山东大学 药学院，山东 济南 250012；2.山东商业职业技术学院，山东 济南 250103）

肠道菌群调节制剂的研究进展

房晓1,2，段荣帅2，王凤山1△

（1.山东大学 药学院，山东 济南 250012；2.山东商业职业技术学院，山东 济南 250103）

肠道菌群与人体健康密切相关，疾病状态常伴随肠道菌群的紊乱。以益生菌、益生素和合生素为代表的肠道菌群调节制剂可以改善肠道菌群，恢复肠道菌群平衡，因而广泛受到关注。本文综述肠道菌群调节制剂的研究进展。

肠道菌群；益生菌；益生素；合生素；低聚糖

肠道菌群是指在肠道部位存在的微生物组成的群体，包括真细菌、古细菌和真核微生物，其类型多达1000多种，其中多数目前不能分离培养而是通过分子生物学的方法鉴别[1-2]。尽管健康人体肠道菌群的主要种类为拟杆菌（Bacteroides）和厚壁菌（Firmicutes）（占90%以上），但个体间仍有显著差异，其差异与年龄、性别、压力、饮食因素等有关[3]。肠道菌群与肠道上皮和淋巴组织的信息交流与正常免疫功能的实现和身体健康息息相关[2]。健康个体的肠道菌群通常维持稳定平衡状态，除非发生疾病或接受抗生素治疗[4]。研究表明，肠道菌群的变化与炎症性肠病、肠易激综合征、肥胖等多种疾病或生理紊乱有关[5]。因此，肠道菌群日益成为研究的热点。同时，越来越多证据表明，微生态制剂可以有效改变肠道菌群的组成，使其保持平衡或得到改善。因此，有必要对肠道菌群的这类调节制剂做一综述。常见的微生态制剂按其作用原理可分为三类，即益生菌（probiotics）、益生素（prebiotics）和合生素（synbiotics），其中尤以益生素应用最为广泛。

1 益生菌

益生菌（probiotics）是一类通过改善宿主菌群组成从而发挥有益作用的活性微生物[6]。传统培养法或分子生物学方法均已证实益生菌可以有效改变婴儿或成人的肠道菌群组成。以双歧杆菌（Bi fi dobacteriumspp.）和乳杆菌（Lactobacillusspp.）为代表的乳酸菌（Lactic Acid Bacteria, LAB）是最常用的益生菌菌种。此外，酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和一些大肠杆菌及其他杆菌也被用作益生菌。国内常用的菌种包括长型双歧杆菌（Bifidobacterium longum）、保加利亚乳杆菌（Lactobacillus delbrueckiisubsp.bulgaricus）、嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）、地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）、枯草杆菌（Bacillus subtilis）、酪酸杆菌（Clostridium butyricum）、粪肠球菌（Entercoccus faecalis）等，常以多种菌种混合制剂形式提供。因双歧杆菌在机体疾病状态或衰老时常处于减少状态，益生菌制剂尤其以补充双歧杆菌为最多[7]。

益生菌的功能研究多以体外实验和动物实验为主，其发挥益生作用有多种机制，并具有一定的菌株特异性：（1）益生菌可以改变消化道的局部pH 值，创造一个不利于病原体生长的局部环境。体外实验表明乳杆菌生长导致的pH下降可以抑制致病菌的生长[8]。体内应用VSL#3益生菌制剂治疗溃疡性结肠炎时，肠道pH会显著下降[9]。（2）益生菌产生细菌素，发挥窄谱或广谱的病原体抑制作用。细菌素是由细菌所分泌的可以抑制其他细菌的蛋白质，又称细菌抗菌肽。Corr等[10]发现不能产生细菌素的益生菌益生作用较弱，不能保护小鼠免受单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）感染。（3）益生菌可以调节病原体衍生的毒素，打断致病菌的群体效应。部分细菌可以通过分泌自诱导素进行群体行为调控，而Medellin-Pena等[11]发现嗜酸乳杆菌La-5可以分泌分子破坏这种群体效应的信息交流，从而减少Escherichia coliO 157:H7毒力基因的表达。（4）益生菌可以增强肠黏膜屏障功能。Mack等[12]发现植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）299 v可以增加肠道上皮细胞的黏液分泌。E. coli Nissle1917则可以产生β-防御素2进而增强黏膜屏障功能[13]。（5）益生菌可以与病原体竞争营养物质以及竞争黏附。致病性E.coli、伤寒沙门菌（Salmonella typhimurium）、福氏志贺菌（Shigella fl exneri）、艰难梭菌（Clostridium dif fi cile）等均可受到抑制[13]。（6）益生菌还可与上皮细胞和黏膜淋巴细胞进行交叉对话，发挥对天然免疫和特异性免疫的作用。例如，益生菌可以激活局部的巨噬细胞，增加抗原对B淋巴细胞的呈递，在局部和全身增加分泌性免疫球蛋白（IgA）的产生，防止细胞炎症因子NF-κB等的活化[13]。

益生菌最常见的产品形式是发酵奶制品和益生菌强化食品，同时也包括含冻干细菌的片剂和胶囊。然而，益生菌要发挥作用必须达到足够的活性菌数量，益生菌的活性问题限制了益生菌的广泛应用。此外，益生菌产品的货架期较短，且通常需要低温运输和贮藏，也限制了益生菌的应用。

2 益生素

2.1 益生素的概念和功能 益生素（prebiotics）是指能够进肠道菌群中特定有益微生物生长或活性增加的不消化食物组分或选择性发酵组分[6,14-15]。益生素发挥作用是间接的，通过促进益生菌的定殖改善肠道菌群，进而改善健康。与益生菌不同，益生素没有微生物活性的限制，因而具有更广的使用范围。除发酵乳制品外，益生素广泛应用于焙烤食品、甜味剂、营养添加剂、营养棒、代餐棒等[16]。

随着益生素研究的发展和益生素概念的更新，益生素的益生作用范围也逐渐扩大[17]。目前，被广为接受的益生作用包括：（1）改善和稳定肠道菌群；（2）改善肠道功能和排便状况；（3）促进钙吸收、改善骨骼；（4）调节胃肠道消化酶产生，改善能量代谢；（5）激发并调节免疫功能；（6）改善肠道屏障功能，减少代谢内毒素血症；（7）降低肠道感染的风险；（8）改善肠道炎症；（9）降低肥胖、2型糖尿病、代谢综合征等的风险；（10）降低结肠癌的风险[17]。尽管益生素具有多种生理功能，但其核心功能为选择性地促进益生菌生长或活性增加从而改善肠道菌群，其他功能直接或间接地与肠道菌群改变相关。本文亦主要围绕益生素对肠道菌群调节作用进行介绍。

2.2 益生素的种类 目前，益生素多为低聚糖或多糖，尤其是菊粉类果聚糖（inulin-type fructans，ITF）和低聚半乳糖（galacto-oligosaccharides，GOS）两类物质（见表1）[17]。

表1 主要益生素及其结构Tab. 1 The main prebiotics and their structure characteristics

益生素可分为短链、长链和广谱益生素。短链益生素，例如低聚果糖（fructo-oligosaccharide，FOS），含有2～8个单糖单元，通常被右侧结肠区域内的益生菌快速发酵利用；长链益生素，例如菊粉，含有9～64个单糖单元，缓慢发酵利用，主要营养左侧结肠内的益生菌；广谱益生素则含有2～64不同聚合度的聚糖，从而广泛营养结肠各部分的益生菌，例如添加低聚果糖的复合菊粉[18-19]。

Roberfroid[15]认为，严格意义上，只有反式低聚半乳糖和菊粉满足益生素的定义，不被人体消化，同时在体外和体内实验中均表现出益生菌选择促进作用。而其他低聚糖、多糖或糖醇，包括大豆低聚糖、乳果糖、低聚异麦芽糖、低聚木糖、龙胆寡糖、低聚甘露寡糖、乳糖、半纤维素、抗性淀粉、抗性糊精、燕麦麸、蜜二糖、β-葡聚糖、N-乙酰壳寡糖、乳糖醇、山梨糖醇、麦芽糖醇等也在体外表现出部分益生功能，但它们中绝大多数的体内效果尚需进一步证实[17]。

人乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMOs）具有良好的益生作用，对其结构和功能的研究，可进一步促进与HMO类似的益生素的开发[20-22]。

2.3 益生素的研究方法 益生素对益生菌和肠道菌群的调节作用可以采用体外模型进行研究，复杂的体外模型甚至包括对消化道消化功能的部分模拟。然而，由于肠道菌群的复杂性和人体胃肠道的复杂消化功能，益生作用必须最终通过体内实验证实。

最常用的体外研究模型是分批发酵模型（可以进行pH调控，也可不调控）[17]。在单批发酵模型中，不同底物与益生菌或粪浆共同培养，然后分析微生物生长变化和代谢产物。通过益生菌分批发酵，可以考察双歧杆菌、乳杆菌等对不同底物和不同聚合度低聚糖的选择发酵能力，例如发现棉籽糖和水苏糖能够很好地支持婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis）的生长，但却不能促进大肠杆菌、粪链球菌和嗜酸乳杆菌的生长，而不同聚合度的益生素，如阿拉伯木聚糖，也表现出选择促进生长的差异；采用粪浆混合发酵时，可以考察粪便菌群的组成变化，同时还可以比较不同底物的选择性增殖能力[17]。此外，还可以进一步分析和比较不同底物代谢产生短链脂肪酸（short chain fatty acid,SCFA）的能力[17]。

连续培养也可用于益生素的研究。通过ITF-恒化培养比较不同的分析方法分析结果的差异，发现传统微生物培养法和分子生物学方法分析结果有所差异，分子生物学方法可获得更多动态信息。采用分子生物学方法，发现在连续培养中双歧杆菌在6 h时达到最高，而随后到达低pH值的稳定状态时乳杆菌数量最多。SCFA分析与分子生物学方法的结果类似[17]。以粪浆接种时，连续培养结果显示，双歧杆菌和乳杆菌更易利用ITF，而拟杆菌难以利用ITF[17]。

三段肠道体外模型（升结肠、横结肠和降结肠）[23]进一步证实了其他体外模型的结果，并发现ITF和半乳聚糖的主要发酵部位为升结肠。半乳聚糖聚合度越低、浓度越小，越倾向于近端结肠发酵，反之则在远端结肠发酵。人体消化道微生态体外模拟系统的实验结果同样表明，ITF可以促进肠道菌群中双歧杆菌和乳杆菌数量增加，伴随有SCFA的增加[24]。

益生素的益生作用需通过体内实验最终证实。16 S rDNADGGE（denaturing gradient gel electrophoresis，DGGE，变性梯度凝胶电泳）、原位荧光杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）、功能性宏基因组学等分子生物学手段的广泛应用，使得复杂肠道菌群的分析变得更加准确可行[5,25-26]。通过志愿者体内实验，采用对照性饮食，分析益生素应用前后的肠道菌群组成来评估其益生效果，部分实验结果见表2[17]。值得注意的是，功能性宏基因组学分析表明，肠道菌群中存在可以代谢利用FOS、GOS等益生素的未知细菌，而其对人体健康有利或有害尚不清楚[25]。因此，原本认为具有特定选择性作用的益生素可能发挥更广谱的促进作用，这一改变对健康的影响尚需进一步评估。

3 合生素

合生素（synbiotics）是益生菌和益生素的组合。严格意义上，合生素中的益生素必须促进内含的益生菌，例如低聚果糖和双歧杆菌的组合，而低聚果糖和干酪乳杆菌的组合则无此促进作用。然而，合生素在体内发挥作用时，内含的益生素可能会找到内源的效应菌，因此也能分别发挥其益生菌和益生素的作用，但是缺少协同效应。不同人群的肠道菌群组成对益生菌发挥效果影响较大[26]，因此合理组合益生素和益生菌发挥协同作用还是很有必要的。

表2 益生素对人体肠道/粪便菌群的影响Tab. 2 Effects of prebiotics on the intestinal microbiota of healthy volunteers

益生菌、益生素和合生素等肠道菌群调节制剂，正从早期的保健调节应用逐步广泛应用到炎症性肠病、肠易激综合征甚至是结肠癌等疾病的治疗过程。广泛使用抗生素会导致肠道菌群紊乱和耐药性传播现在已成为共识，而益生菌、益生素和合生素等预防和治疗手段，可以维持和改善肠道菌群，降低耐药性传播的风险。基于对肠道菌群与人体健康关系认识的深入，肠道菌群调节制剂会持续成为研究的热点。

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Research progress in the modulators of intestinal microbiota

FANG Xiao1,2, DUAN Rong-shuai2, WANG Feng-shan1△
(1. School of Pharmaceutical Science, Shandong University, Jinan 250012，China; 2. Shandong Institute of Commerce and Technology, Jinan 250103,China)

Intestinal microbiota is closely related to the human health. The unhealthy state is often associated with disorders in intestinal microbiota. Intestinal microbiota modulators such as probiotics, prebiotics and synbiotics, which can restore and improve intestinal microbiota balance, are thus drawing wide attention. This paper reviewed the research progress of modulators of intestinal microbiota.

intestinal microbiota; probiotics; prebiotics; synbiotics; oligosaccharide

R 285；TQ 464.1

A

1005-1678(2014)01-0142-04

房晓，女，实验师，研究方向：多糖类药物研究，E-mail: fx 410@163.com；王凤山，通信作者，E-mail:fswang@sdu.edu.cn。