益生元对肥胖相关肠道微生态的影响

张 蓉，费宇行，曾 强

肥胖发病率在过去的几十年中不断增加[1],据统计每年有2 800万人死于超重或肥胖的并发症。预计到2030年,全球肥胖人数将增至5.73亿[2]。除了环境、遗传、基因、社会、经济等原因,肠道菌群成为肥胖发病机制的最新研究热点。2004年,Bäckhed等[3]研究发现,肠道中存在的共生微生物组具有影响宿主从食物中获取能量的能力。其后研究结果表明肠道菌群的失调可能是诱发肥胖等代谢性疾病的重要内源性因素[4]。与人类共生的肠道菌群不仅在消化、免疫和抗病方面具有不可替代的作用,而且与非传染性的代谢失衡相关,特别是可以通过调节宿主脂肪吸收、储藏的相关基因,影响其能量平衡。

与人类共生的微生物数量庞大,主要分布在人类的皮肤、口腔、胃肠道中,肠道微生物是与人类共同进化形成的极为复杂的微生态系统。人体内肠道菌群主要由9个门的细菌和一种古菌组成[5],主要菌种由厚壁杆菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门组成,其中厚壁杆菌门和拟杆菌门所占比例超过90%[6]；肠道微生物的生理作用包括：消化食物中的大分子营养物；合成有益的营养物质；刺激肠道建立有效的免疫防御屏障；促进肠道黏膜细胞更新；维持菌群平衡,抑制致病菌入侵。在食物、抗菌素等多因素影响下,此种微生态环境可发生改变。人体及动物研究均证实,体重变化与肠道微生态菌群构成密切相关[7-8]。

1 益生元定义

1995年,Gibson、Roberfroid首先提出益生元概念,2015年,Bindels等[9]将其完善。益生元是一种无生命的食物成分,泛指不易被宿主消化吸收,可以通过改变微生物的生长条件促进有益菌生长的物质,包括低聚果糖(fructo-oligosaccharides,FOS)、低聚半乳糖(galactooligosaccharides,GOS)、菊粉以及人乳低聚糖、抗性淀粉、果胶、阿拉伯木聚糖、全谷物、膳食纤维以及具有调节肠道菌群作用的非碳水化合物。目前常见的益生元有乳果糖、FOS。

近年来,肠道微生态制剂的作用得到广泛关注。微生态制剂主要成分为对宿主无害的正常微生物群成员及其代谢产物以及促进生理菌群生长繁殖的物质,主要作用为调共确定节微生态失衡。主要包括3大类型：益生元制剂、益生菌制剂及合生元制剂。

2 益生元的作用

2.1 益生元与肠道菌群 肠道菌群包含约500～1 000个菌种,细菌总数高达1013～1014,为人体自身细胞总数的10倍,而基因数是人类基因组数的100倍[10-11],人体肠道微生物主要集中在结肠,被认为是世界上密度最高的微生物群落,密度达1011～1012细胞/mL[12-13]。拟杆菌门是人体肠道内菌群数量最大的微生物类群之一,主要功能是降解人体难以利用的植物多糖[5],可以强化结肠内肠黏膜屏障,降低结肠内环境pH值,抑制有害菌的生长,防止肠道功能紊乱,抑制结肠炎症反应。摄食益生元菊粉后短时间内便可显著提高肠道普氏菌的丰度[14]。Anhê等[15]发现多酚能增加小鼠肠道中疣微菌科细菌的数量而改善代谢综合征。葡萄多酚升高拟杆菌门/厚壁菌门的比例,改善饮食诱导的肥胖和代谢性疾病[16]。肥胖者肠道菌群中疣微菌属丰度与人类体重呈负相关,在肥胖小鼠中其丰度明显降低[17]。疣微菌门的Akkermansia muciniphila菌(简称Akk)也发挥着益生菌的作用。膳食中的多酚可促进肠道细菌Akk生长,减轻高脂饮食导致的代谢综合征。低聚果糖益生元能促进其在肠道内Akk的丰富度,增加回肠中内源性大麻素的水平,抵消高脂饮食引起的结肠黏膜屏障的功能紊乱[18]。喂食有活性的Akk可改善高脂饮食诱导包括肥胖、代谢性内毒素血症、轻度炎症、胰岛素抵抗等代谢性疾病,说明该菌有助于维持肠道屏障的完整性和肠道激素的正常分泌[18]。肥胖个体中厚壁菌与拟杆菌的比例增加[19]。Celestin等[20]在羊乳或牛乳中添加FOS可促进发酵过程中双歧杆菌的增殖。Everard等[21]长期饲喂含益生元低聚果糖的饮食的2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)的遗传性肥胖小鼠,发现小鼠体内厚壁菌门细菌减少,拟杆菌门细菌增加。健康成年志愿者人群观察[22]发现FOS可增加肠道双歧杆菌、乳酸杆菌、拟杆菌、肠杆菌和肠球菌数量；减少产气荚膜梭菌数量[23],可增加婴儿肠道中双歧杆菌的增殖。

Vulevic等[24]对每个人至少有3种代谢综合征的肥胖者进行实验,实验者被随机安排每天服用5.5 g GOS或者麦芽糊精,12周后GOS组粪便中双歧杆菌明显增加,拟杆菌属、溶组织梭菌减少。在母鼠的高脂饲料中添加寡糖,可以增加粪便中双歧杆菌属丰度,降低母鼠体重和体脂积累[7]。Everard等[22]通过给予肥胖小鼠饲喂益生元改善肠道菌群平衡后,小鼠出现抗肥胖、抗糖尿病、抗氧化、抗炎的表现。

2.2 益生元与糖、脂类代谢 研究发现FOS可减少低密度脂蛋白和提升高密度脂蛋白的含量[23],可一定程度上增加抗食欲肽水平、增加益生菌数量、降低胰高血糖素水平[25]。Everard等[22]发现FOS可以通过调节肠道菌群而改善T2DM遗传性肥胖小鼠的糖耐量,降低脂肪含量,提高瘦素敏感性。在糖尿病大鼠模型中,GOS可以增加肠道内乳杆菌,减少大肠杆菌,同时改善其胰岛素抵抗症状,降低血糖化血红蛋白、甘油三酯、总胆固醇以及肌酐和尿素含量[26]。研究报道,肠道有菌动物排泄胆固醇的含量明显高于无菌动物,相同胆固醇饲料喂养的无菌和有菌动物,无菌动物血液中胆固醇水平是有菌动物的2倍,提示肠道菌群可以影响胆固醇吸收[27]。Chonan等[28]发现卵巢切除大鼠总血清胆固醇含量偏高,但摄入GOS后,产生了显著的低胆固醇效应,而血清中高密度脂蛋白胆固醇也明显提高,说明功能性低聚糖GOS能够降低血清总胆固醇浓度。雄性小鼠的总体脂肪含量明显高于雌性,而无菌雄、雌性小鼠并未出现以上这种脂肪差异现象,由此推测肠道菌群可能抑制脂肪生成,调节脂质代谢。

肠道菌群还可以通过发酵可溶性膳食纤维产生短链脂肪酸,短链脂肪酸通过抑制肝脂肪合成酶活性降低血清甘油三酯和胆固醇的水平[6,29],促进加速降解胆固醇的胆固醇氧化酶的产生,提高肝脏胆固醇的利用率,增加胆汁酸合成,降低血清胆固醇[30]。肠道菌群可以调节脂肪细胞因子、元件结合蛋白等基因和酶来调节血脂[31-33]。

低聚木糖不被胃酸及消化酶降解,也不被肠黏膜吸收,能量利用值极低。Vulevic等[24]选用了45名至少存在3种代谢综合征的症状肥胖者(16男,29女)进行临床研究。在第1个12周的观察期内,实验者被随机安排每天服用5.5 g GOS或者麦芽糊精,12周后GOS组甘油三酯指数、总胆固醇指数、胰岛素指数都有明显的改善；另一项26名糖尿病患者的临床观察也得到类似的结果,同时降低血糖及糖化血红蛋白水平[34]。

对益生元中的多酚、菊粉、果胶等的研究也显示其不同程度对糖、脂代谢的有益作用。

2.3 益生元与肠道激素 胃肠道激素是胃肠道和下丘脑之间的重要递质,参与机体的营养、摄食与能量平衡等,可通过调节摄食行为来控制能量动态平衡；肠道激素与肥胖、糖尿病之间关系也是研究的热点之一。与能量代谢密切相关的肠道激素主要有：胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)、葡萄糖依赖性促胰岛素激素(glucose-dependent insulinotropic polypeptide,GIP)、脑肠肽激素(ghrelin)、胰多肽(pancreatic polypeptide,PP)、YY肽等。益生元可以通过胃肠肽的合成、释放调节机体食欲和能量代谢[35]。

在肥胖动物模型中发现,饮食中增加10%FOS可以增加GLP-1的释放,从而抑制食欲；在GLP-1受体缺陷的动物模型中也得到证实[36]。FOS能使Wistar大鼠盲肠和结肠中高血糖素原基因水平增加,近端结肠中的GLP-1和GLP-2浓度增加,门静脉中GLP-1浓度增加而二肽基肽酶-4和活性胃饥饿素浓度降低[37]；FOS能增加ob/ob小鼠门静脉中活性GLP-1、胰岛淀粉样肽和GLP-2的浓度,降低门静脉中总GIP和PP的浓度[38]。寡糖不能改变血浆胃饥饿素水平和结状神经节大麻素受体1的表达,但可降低血浆GIP和升高酪酪肽水平[39]。

一项临床试验研究观察到,21 g/d FOS可以增加血YY肽浓度同时降低脑肠肽水平,12周内超重和肥胖的男性和女性食物的摄入量,体重、脂肪量(尤其是躯干脂肪)减少[40]。随后评估16 g/d的菊粉和FOS混合物在12周中对肥胖女性影响,也得到类似的结果[41]。

2.4 益生元与炎症反应 肥胖是一种低度炎症反应,肠道也是合成大量炎症因子的器官。Cani等[42]发现高脂肪喂养的小鼠和注射低剂量提纯脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)的小鼠,使2者血液中LPS水平相同,结果2组小鼠的炎症反应和肥胖程度相似,认为LPS是触发代谢失调的因子。此研究发现血浆中LPS的增加与肠道菌群的变化(革兰氏阴性菌与革兰氏阳性菌在高脂肪喂养时比例增加)密切相关,提出了肠道菌群改变促使肥胖发生机制的假说,即高脂饮食通过改变肠道菌群结构,引起代谢性内毒素血症。在另一项研究中[43],通过对高脂膳食喂养的小鼠饲喂益生元-寡果糖来改善肠道内双歧杆菌的含量。结果发现喂寡果糖的高脂组小鼠双歧杆菌、内毒素水平均可恢复到正常水平。

Morel等[44]发现FOS丰富的菊粉与安慰组比较,可以降低T2DM女性体内白介素-6和肿瘤坏死因子；补充GOS可以降低超重成人体内的C反应蛋白。一项针对123名肥胖受试者采用含有大量膳食纤维的全粮谷物进行干预研究发现,干预后血压、肝功能、血脂、糖代谢、炎症指标和肠道菌群的结构得到显著改善[45]。Dewulf等[46]对30例肥胖妇女给予3个月的菊粉和FOS混合物和安慰剂的双盲实验,发现实验组双歧杆菌和普拉梭菌的细菌数量增加,且与血清内毒素水平呈负相关。

肠道微生态受多种因素影响,是一个复杂、多变的生态环境,其动态平衡与机体健康及疾病发生、发展密切相关。肠道微生物的组成及代谢活性是肠道微生态平衡的关键。目前,益生元对改善宿主健康的机制多局限于单一物质对某一项功能的研究,研究应用水平仍存在许多不足。肠道微生态环境的改善,应把肠道菌群作为一个整体来研究,益生元中多种物质对肠道菌群数量和代谢的影响及机制尚需进一步阐明。