基于Caco—2细胞模型评价食品营养物质的研究进展

黄璐瑶 梁鹏

摘要：Caco-2小肠上皮细胞模型被广泛应用于研究食品营养物质成分的转运及吸收机制，基于Caco-2小肠上皮细胞模型，不仅可以评价食品营养物质的生物利用度，还可以了解其他因素对食品营养物质吸收的干扰等。近年来，国内外利用Caco-2细胞模型对食品营养物质进行了大量的研究，取得了较好的研究成果。为进一步基于Caco-2小肠上皮细胞模型研究食品营养物质的吸收，综述了近年来食品源多肽、多糖、多酚、矿物元素、黄酮及其他种类的食品营养物质在Caco-2细胞模型中的研究进展，可以为未来进一步研究食品类营养物质的转运和吸收机制提供参考依据。

关键词：Caco-2细胞模型；食品；营养物质

中图分类号：R151 文献标志码：A doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2018.03.044

Abstract：The Caco-2 intestinal epithelial cell model is widely used to study the transport and absorption mechanism of food nutrient components. Based on the Caco-2 intestinal epithelial cell model，not only the bioavailability of food nutrients，but also the effects of other inhibitor factors on food nutrition can be evaluated. In recent years，the Caco-2 cell model has been conducted numerous research and achieved significant progress. In order to further study the absorption of food nutrients based on the model of Caco-2 intestinal epithelial cells model，we summarized the recent progress on the evaluation of transport and absorption mechanism of food nutrient components via Caco-2 cell model，including peptides，polysaccharides，polyphenols，mineral elements，flavonoids and other food nutrients. The results could pave the way for further study on the transport and absorption mechanism of food nutrients based on the Caco-2 cell model .

Key words：Caco-2 cell model；food；nutrients

1 Caco-2細胞模型概述

Caco-2细胞是由人类结肠腺癌细胞所衍生而来的，该细胞有许多性质类似于小肠的肠细胞，形态学上与小肠的肠细胞相似。体外培养的Caco-2细胞融合分化后形成一种能表达微绒毛的单层细胞与相邻细胞间紧密结合形成连续的单层，细胞边缘呈刷状，是一种良好的肠道吸收模型。它们和小肠上皮细胞一样含有各种转运蛋白质、酶和核受体等转运系统，如MRP2，mRNA，BCRP等蛋白质；细胞色素P450 1A（CYP1A）、亚硫酸盐转移酶（SULTs）、谷蛋白转移酶（gst）、UDP -葡糖基转移酶（UGTs）等代谢酶；肝脏受体（LRH-1）、过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）、糖皮质激素受体（GR）和VD受体（VDR）等多种受体。因此，Caco-2单层细胞模型被广泛应用于探索药物吸收和识别机制，或研究其他抑制剂的抑制机制，或转运蛋白和酶的诱导物[1]。近年来Caco-2细胞模型也常用于食品营养科学领域中，主要开展并研究Caco-2细胞模型对食品营养物质的吸收作用，以及其他干扰因素对营养成分吸收的干扰机制[2]。对近年来基于Caco-2细胞模型开展的食品营养成分的研究进行综述，以期为基于Caco-2细胞模型开展食品营养科学研究提供参考。

Caco-2细胞单层的中电镜图（a）和室膜上的放大图（b）见图1。

2 食品营养物质在Caco-2细胞模型中的吸收代谢

随着Caco-2细胞模型在食品领域中的广泛应用，有必要对近年来不同食品营养物质成分在Caco-2细胞模型中的吸收情况进行综述，如食品多肽类、多糖类、多酚类、矿物质元素、黄酮类及其他类等。

2.1 多肽类

多肽是由α-氨基酸之间缩合而成的，大多数多肽来自于自然界中，也有部分多肽属于人工合成肽。多肽对于人体是必不可少的，其功能较多，可以作为运输载体调节人体代谢、与不同的酶系相互作用等。例如，霍艳姣等人[3]检测了鳕鱼鱼肉蛋白肽的抗氧化活性和生物利用率，发现相同质量的鱼肉蛋白肽和鱼肉经Caco-2细胞模拟转运吸收后，鱼肉蛋白肽比鱼肉有着更高的生物利用率（9.1%）和抗氧化活性，且分子量越小的鱼肉蛋白肽的生物利用率越高。

此外，刘冬等人[4]通过系列试验发现降血压肽Val-Leu-Pro-Val-Pro（VLPVP）在Caco-2单层细胞中有较高的转运稳定性，在pH值为7.4时，VLPVP的转运量在Caco-2细胞中达到最大，且去氧胆酸钠（旁路运输促进剂）能显著促进Caco-2细胞对VLPVP的转运，说明VLPVP的转运方式是以旁路扩散的方式为主，并且其外排作用大多是由多药耐药相关蛋白2（MRP2）所产生。

Ohno Yumiko等人[5]研究了不同种类植物凝集素在Caco-2细胞中对食物因子的运输作用，发现这些凝集素增加了异黄酮的运输和钙离子的转运，但不影响糖苷配基、二肽、肌肽、鹅肌肽的运输，说明植物凝集素以特定的糖结合方式来转运食物因子。WGA和CGA增加了钙离子运输的同时TER值减少，但SBA的TER值没有变化，表明凝集素对Caco-2细胞紧密连接的作用较弱。

另外，Shigeru Katayama等人[6]利用Caco-2单层细胞研究了鸡蛋卵黄蛋白磷酸肽（PPPs）对过氧化氢的保护作用，发现PPPs抑制了经过H2O2处理的Caco-2细胞中丙二醛的形成，并且磷含量高的PPPs的保护作用高于不含磷的PPPs，说明磷和肽结构在对抗Caco-2细胞氧化应激作用中起着关键作用。

王波[7]利用Caco-2细胞对酪蛋白肽的进行模拟吸收试验，研究发现当肽分子量在500～1 600 Da 时，Caco-2细胞的运输方式主要为旁路运输，分子量为500 Da时，细胞的主要转运方式为PepT1载体调节通路运输；低疏水性的肽和带负电荷的肽组分有较高的生物利用率；而在Caco-2细胞中，有着较强疏水性的肽更易通过转胞吞作用进行吸收转运。

以上研究表明，利用Caco-2细胞模型可以有效分析出一些食品多肽的生物利用度及其在细胞中的转运机制，可以通过Caco-2细胞模型研究新型多肽在人体中的吸收情况。

2.2 多糖类

多糖是一种由单糖聚合而成的一种大分子物质，广泛分布于自然界中。已有研究表明，多糖具有多种生理功能，包括抗衰老、降血糖、抗病毒等[8]。刘德萍等人[9]发现，菊糖的抗氧化机理是通过提高细胞中的过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶和谷胱光肽过氧化物酶的活力，从而起到一定的细胞抗氧化保护作用。并且，菊糖对Caco-2细胞抗氧化保护作用有两重性效果，即菊糖质量浓度低时，有一定的抗氧化性，但超过一定的质量浓度后将会导致Caco-2细胞死亡（0.2～0.8 mg/mL的质量浓度最为合适）。

Soler-Rivas C等人[10]从食用菌中分离出水溶性平菇多糖提取物，并研究Caco-2细胞对其的响应调控机制。研究数据表明，水溶性平菇多糖提取物在体外处理Caco-2细胞体系时可以抑制结肠癌入侵基底膜。

另外，Ranaldi G等人[11]将壳聚糖、其他聚阳离子、聚- L -赖氨酸进行比较，确定了三者对Caco-2细胞紧密连接通透性的影响。研究表明，三者都能增强细胞的紧密连接通透性，其中壳聚糖和PEI受浓度的影响（壳聚糖为0.000 2%～0.01%，PEI为0.000 2%～0.002%），而聚- L -赖氨酸的影响来源于其分子量。从试验中可知，壳聚糖对Caco-2细胞不具有毒副作用，壳聚糖与肠细胞的相互作用会诱导细胞通透性的相对增加。每天食用该化合物作为膳食补充剂或食品添加剂，可能导致肠黏膜屏障功能的变化。

上述研究说明，食品多糖类物质在Caco-2细胞中能够影响细胞的抵抗机制，增强其抗氧化性并且可能导致细胞黏膜发生变化，在未来可以利用多糖物质对Caco-2细胞进行一定程度的改性。

2.3 多酚类

多酚类物质广泛存在于天然植物之中，被人们称为是一种天然抗氧化剂，具有着抗氧化、抗衰老等功效。国内外学者研究了不同植物中提取得到的多酚，Yi W等人[12]利用Caco-2细胞单层评估了蓝莓中花青素提取物的吸收情况，并研究了不同糖苷配基及化学结构对不同类型花青素生物利用度的影响。研究结果表明，蓝莓中的花青素可以以完整的糖醛形式通过Caco-2细胞单层转运，但转运吸收效率较低，平均为3%～4%（在Dp-glc中小于1%），但低于一些苷元多酚的转运效率，造成这种低吸收率的原因可能是由于花色苷的亲脂性差；3个不同品种的蓝莓花青素的转运吸收效率没有显著差异。结果表明，减少游离羟基和OCH3基团可以降低花青素的生物利用度。此外，基于半乳糖的花青素的生物利用率低于基于葡萄糖的花青素。

此外，Johnston K等人[13]研究了不同种类的膳食多酚对Caco-2细胞中葡萄糖摄取的影响。在经过Na+处理的细胞中，黄酮糖苷和非糖基化多酚抑制细胞中葡萄糖的摄取，而糖苷配基和酚酸没有影响；在没有Na+的条件下，糖苷配基和非糖基化多酚抑制葡萄糖摄取，而糖苷和酚酸无影响。数据表明，糖苷配基抑制葡萄糖摄取，而糖苷抑制葡萄糖的活性转运。Na+存在时，有利于细胞通过SGLT1蛋白质摄取葡萄糖；而无Na+条件有利于通过GLUT蛋白质摄取，说明多种类型的膳食多酚可以同时通过2种转运体影响体内肠道葡萄糖转运。

另外，Bellion P等人[14]研究了苹果汁（AEs）、果渣（APE）和果皮提取物（PE）在Caco-2细胞中减少DNA氧化损伤和诱导抗氧化剂防御的潜力，富含槲皮素的PE和APE在培养24 h后（PE>APE）最有效地减少DNA氧化损伤和ROS水平。直接抗氧化活性排列順序为AEs> PE> APE。研究表明，来自苹果的富含多酚的提取物通过降低细胞ROS水平有效减少DNA氧化损伤，但产生防御效果的原因是由细胞防御机制介导而不是由抗氧化活性（多酚的自由基清除活性）介导。

除此之外，Manna C等人[15]利用Caco-2体外细胞模型研究了3，4 -二羟基苯基乙醇（DPE）在肠道运输的分子机制，数据表明DPE为被动扩散运输，并且是双向的；表观渗透系数表明DPE在肠道水平上被定量吸收。此外，橄榄油的营养效益可能与DPE及其前体，橄榄苦苷糖苷配基的含量高低有关。

2.4 矿物质元素

近年来，利用Caco-2细胞模型所研究的矿物元素主要以铁元素（Fe）为主，Fe是一种人体不可缺少的微量元素之一，其对人体的作用涵盖多个方面，应该更加深入研究关于矿物元素在人体中的吸收利用情况。Glahn R P等人[16]通过Caco-2细胞模型研究对比了15种不同基因型糙米中Fe的生物利用度，研究发现Azucena基因型糙米中表现出的Fe的生物利用度最高，其植酸与Fe的比例最低，为13.8∶1。例如，将过量的抗坏血酸加入到细胞中，能够增加Fe的生物利用度（抗坏血酸与铁的比例为10∶1）；花色素苷、肌醇磷酸、原花青素和单宁类化合物能够有效抑制Fe吸收，其中肌醇磷酸对Fe的抑制作用最大。

此外，Puyfoulhoux G等人[17]也利用Caco-2细胞模型测量了Fe强化螺旋藻中Fe的生物利用度，与牛肉、酵母、小麦粉、硫酸铁的生物利用度进行比较发现，Fe螺旋藻显示出了高铁可用性，Fe强化螺旋藻的Fe生物利用率在Caco-2细胞中与牛肉中的无显著差异，但高于酵母、小麦粉等。研究表明，Fe强化螺旋藻中有效铁质量浓度为（7.0 g/kg）。

Garcia M N等人[18]研究了Caco-2细胞是否能够作为吸收膳食中Fe的细胞模型。更改处理时间、pH值、抗坏血酸等不同的试验条件，发现当Fe以离子形式存在或含有抗坏血酸时，细胞对Fe的摄取量增加，并且pH值在5.5时摄取量最大，同时研究表明，肉类中的Fe平均摄取量比其他蛋白质来源高近5倍。

Francesca Boato等人[19]研究比较了不同果汁（苹果汁、梨汁、白葡萄汁、红葡萄汁、葡萄柚汁、西梅汁和橙汁）在Caco-2细胞单层上对Fe的生物利用度的影响。结果表明，梨汁样品处理过的Caco-2细胞中Fe蛋白增加最多（1 018%），其次是苹果汁（455%），橙汁（243%），葡萄柚汁（207%）和白葡萄汁（196%）。而西梅汁和红葡萄汁分别使Caco-2细胞中铁蛋白形成减少了31%和67%。研究结果表明，苹果汁、梨汁、橙汁、葡萄柚汁和白葡萄汁能够促进细胞对Fe的生物利用度，红葡萄汁和西梅汁对Fe的生物利用度有着显著的抑制作用，这些抑制作用可能是与红葡萄汁、西梅汁中含有高浓度的酚类化合物有关，因为多酚结合了Fe，从而抑制了Fe的转运和吸收。

Ariza-Nieto M等人[20]利用Caco-2细胞在体外研究了8种基因型大豆（3种中美洲和5种安第斯山脉）中Fe的生物利用度，测量了子叶、种皮和胚胎中铁和植酸盐中Fe的分布。其中，子叶中储存的Fe含量为71.4%～94.5%，种皮中为4.1%～26.4%，胚胎中为1.1%～3.6%。安第斯基因型G19833全豆Fe含量最高，子叶含铁最高质量浓度为83 μg/g，最高含Fe质量浓度为146 μg/g；中美洲DOR364，DOR390和安第斯AND696在子叶中铁的百分比和质量浓度最低。这些结果表明，Fe积累和体外Fe生物利用度在不同的大豆基因型之间是不同的，并且与植酸盐相比，多酚对Caco-2 细胞中Fe的生物利用度具有更大的抑制作用。

除了Fe之外，Carmen等人[21]通过Caco-2细胞单层的吸收率、保留率和运输效率来评价了3种脱植酸的商业婴儿谷物对Fe，Ca和Zn生物利用度的影响。试验表明，婴儿麦片中的dephytinization显著提高了Caco-2细胞中Fe的吸收率（从0.66%～ 6.05%到3.93%～13.00%），保留率（从6.04%～16.68%到14.75%～20.14%），转运效率（从0.14%～ 2.21%到1.47%～6.02%）；提高了Zn的吸收效率，从5.00%～ 35.40%到7.30%～41.60%，保留率从4.05%～ 20.53%提高到14.45%～61.30%。从大部分样品中除去植酸盐后，只有Ca的细胞摄取显著增加。说明若从婴儿谷物中脱去植酸盐，对Fe和Zn的生物利用度有益。从结果可以观察到，矿物质溶解度与细胞摄取和运输效率之间呈正相关（p<0.05）。

上述研究成果说明，基于Caco-2细胞模型可以认识矿物质元素的吸收情况，同时还能了解其他因素存在时对矿物质元素吸收的影响，也可以基于此优化吸收条件，从而提高细胞对矿物质元素的利用率。

2.5 黄酮类

黄酮类化合物分布广泛、种类繁多，存在于绝大多数植物体内，有着抗菌抗病的功效。利用Caco-2细胞模型可以模拟黄酮类化合物在小肠细胞的吸收代谢情况，从而应用于研发药品和功能食品中。

2.5.1 黄酮类

Teruaki A等人[22]检测了黄芩苷和黄芩素在Caco-2细胞单层模型中的吸收和排泄，研究发现，在Caco-2细胞中被摄取的黄芩黄素被葡萄糖醛酸化成黄芩苷，黄芩苷又主要通过多药耐药相关蛋白2（MRP2）从顶端表面排泄。说明低浓度的黄芩素被吸收后并没有被转移到基底外侧，而是首先在细胞中转化成黄芩苷并通过MRP2的外排作用，达到达顶端侧。

同样，Ng S P等人[23]研究了黄酮类及黄酮类化合物在Caco-2细胞上的转运和代谢情况，观察发现葡糖醛酸化可能是肠壁中类黄酮的主要代谢途径，并且需要活性蛋白参与，如MRP2和MRP3，而偶联最有可能发生在所选黄酮的7-OH位置上。黄酮类葡萄糖醛酸苷在Caco-2细胞模型的两侧以降序排列（白杨素>木犀草素>芹菜素>黄芩素），芹菜素和木犀草素葡萄糖醛酸苷含量较高，可能是由于它们有利于7-OH位的亲核性。

此外，Miao Q等人[24]研究了Caco-2细胞中的P -糖蛋白（P-gp）的活性和表达受黄芩苷和黄芩素的影响。结果表明，黄芩苷对细胞内Rh-123的积累无明显影响，几乎不影响P-gp的表达和维拉帕米的运输；而黄芩素显著增加Rh-123的细胞内积累，降低了P-gp的表达并增加维拉帕米的转运。说明黄芩素可能是一种P-gp抑制剂，对P-gp活性和表达水平有明显的抑制作用。通过比较黄芩苷和黄芩素的结构，表明葡萄糖基的存在对影响P-gp的活性和表达具有决定性的作用。

另外，Kuntz S等人[25]比较了黄酮类化合物中不同亚类（即异黄酮、黄酮、黄酮醇、黄烷酮）对Caco-2细胞增殖，细胞毒作用及凋亡的影响。研究发现，黄酮类化合物對LLC-PK1和MCF-7细胞凋亡没有影响，黄芩素和杨梅素能诱导HT-29和Caco-2细胞凋亡。几乎在所有情况下，黄酮类化合物在没有细胞毒性的情况下都会出现生长抑制现象，黄酮类化合物在不同的癌细胞系中具有一定的抗增殖作用。

2.5.2 异黄酮类

Murota K等人[26]使用Caco-2细胞单层作为肠上皮模型研究肠类细胞对异黄酮的摄取和代谢情况，研究发现，染料木素比染料木黄酮更有效地被吸收；被摄入的大豆异黄酮也比大豆苷更有效地转运到肠道Caco-2单层中。结果表明，异黄酮糖苷配基比它们的葡糖苷更有效地摄入肠细胞，因为它们具有适度的亲脂性。此外，与类黄酮相比，它们一般以完整的形式转运至基底外侧，异黄酮类比黄酮类更易被吸收，这可能是由于其独特的异黄酮结构。

Steensma A等人[27]研究了染料木黄酮，大豆黄素及其糖苷在Caco-2细胞上的运输及代谢情况，处理约6 h后，30%～40%的染料木黄酮和大豆苷元在根尖侧被转运到基底外侧，并保持恒定24 h。然而它们的糖苷很难通过Caco-2单层转运。在Caco-2细胞中没有发现染料木黄酮和大豆黄素的显著代谢，而糖苷主要代谢成它们各自的糖苷配基。相关数据表明，内源性糖苷酶在Caco-2细胞中有活性。除此之外，Steensma A等人[28]同样研究了异黄酮类在Caco-2，IEC-18和HCEC细胞系中的吸收代谢情况，除了以上结论外，在Caco-2和IEC-18细胞中，糖苷被代谢为它们各自的糖苷配基。此外，染料木黄酮和大豆黄素在HCEC细胞中被硫酸化，在Caco-2细胞中被葡萄糖醛酸化和硫酸化，在IEC-18细胞中被葡萄糖醛酸化。

2.5.3 黄酮醇类

槲皮素是黄酮醇类中的研究热点。Walgren R A等人[29]利用Caco-2细胞模型检测了槲皮素，槲皮素49 -葡萄糖苷和槲皮素3，49 -二葡萄糖苷的吸收代谢情况，数据表明槲皮素通过Caco-2细胞时吸收增加；相反，槲皮素49 -葡萄糖苷和槲皮素3，49 -二葡萄糖苷没有明显的吸收，说明槲皮素易被人体肠道上皮细胞所吸收，但它们不支持槲皮素葡萄糖苷的主动转运过程。此外，Walgren R A等人[30]利用Caco-2细胞模型验证了MRP2是造成槲皮素49 - β -葡萄糖苷不被Caco-2细胞单层吸收的原因，槲皮素49 - β -葡萄糖苷的外排不被维拉帕米（一种P -糖蛋白抑制剂）所改变，但被MRP抑制剂MK-571竞争性地抑制。这些数据与MRP2对顶膜的免疫荧光定位相结合验证了MRP2在槲皮素49 - β -葡萄糖苷的肠跨细胞流出中的作用，即MRP2位于Caco-2细胞的顶端膜，并且该蛋白质限制了槲皮素49 - β -葡萄糖苷跨越Caco-2细胞单层的吸收并介导其外排。

Nekohashi M等人[31]研究了木犀草素和槲皮素对Caco-2细胞中胆固醇吸收的影响，在测定前用木犀草素和槲皮素预处理Caco-2细胞，细胞胆固醇摄取显着降低。结果表明，犀草素和槲皮素通过抑制由NPC1L1介导的肠胆固醇吸收，从而降低Caco-2细胞中的胆固醇水平。

2.6 其他类

目前，国内外在维生素及细菌类方面的营养物质的相关研究较少，维生素类物质在人体和植物体中均含量丰富，对人体有着重要的调节作用，其吸收代谢机制可以成为未来的一个研究方向，因为细菌易培养、生产量大，所以在如何应用于食品方面值得深入研究。

陈佩等人[32]对两歧双歧杆菌F-35的发酵上清液、细胞内容物对Caco-2细胞单层中的α -葡萄糖苷酶活性、葡萄糖的转运及对基因SI，SGLT-1和GLUT-2表达的影响进行了研究。研究表明，两歧双歧杆菌F-35对α -葡萄糖苷酶活性、SI，SGLT-1和GLUT-2基因均存在抑制作用，同時也延缓了葡萄糖转运吸收作用，证明两歧双歧杆菌F-35有一定的降血糖作用。张丹丹等人[33]研究了瑞士乳杆菌在Caco-2细胞中的黏附性及其影响因素，研究结果显示，处于稳定期的瑞士乳杆菌在Caco-2细胞中有很高的黏附性，且当pH值7，处理时间2 h时黏附效果最好。

Liu C S等人[34]研究了胡萝卜和玉米中的类胡萝卜素在Caco-2细胞中的吸收情况，结果显示胡萝卜素和玉米黄质的Caco-2细胞摄取高于叶黄素。Caco-2细胞对食物中类胡萝卜素的摄取量均呈曲线变化，孵育4 h后达到饱和水平，并且试验数据表明熟玉米粒显著增强了类胡萝卜素的生物利用度，即烹饪过程提高了玉米类胡萝卜素的生物利用度。

3 结语

纵观目前国内外基于Caco-2细胞模型在食品营养领域中的研究报道，主要围绕食品多肽类、多糖类、多酚类、黄酮类、矿物元素类及其他类（维生素、脂质类等）展开，主要研究了各种食品营养物质在Caco-2细胞中的生物利用率，转运机制或是其他因素对于转运机制的干扰（促进或抑制）作用。但在其他类别营养物质共存和不同外在因素对小肠上皮细胞吸收营养物质的研究较少，而且在食品营养物质的安全性方面研究也较少。为了进一步将食品营养物质的中的营养效能发挥到极致，未来可以充分利用Caco-2细胞模型，借助于分子生物学、系统生物学、代谢组学等多组学技术，系统地针对食品营养物质的吸收机制进行研究。为开发高品质功能食品、提高食品营养物质的吸收率，深入认识食品营养物质的吸收机制作出新的贡献。

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