益生菌在肥胖动物模型中的研究进展

洪 青，刘振民，李 楠

（光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海乳业生物工程技术研究中心，乳业生物技术国家重点实验室，上海 200436）

肥胖是机体能量摄入与消耗不平衡，从而堆积过多脂肪，导致体质量增加的结果，通常会诱发糖尿病、心血管疾病、非酒精性脂肪肝和癌症等[1-2]。研究发现，宿主基因、代谢方式和饮食习惯等因素对肥胖的形成均有影响[3]。近年来，肠道菌群通过调控宿主营养摄取和能量代谢平衡影响脂肪细胞进行脂肪储存的分子机制得到越来越多的研究人员关注，但深层作用机制尚未被揭示。本文综述近年来益生菌对肥胖动物模型治疗的改善作用，为阐明治疗肥胖的分子机制提供参考。

1 影响肥胖的主要因素

肥胖或超重一般通过计算体质量指数（body mass index，BMI）进行确定，世界卫生组织认为，BMI为25.0～29.9 kg/m2为超重，超过30.0 kg/m2为肥胖[4]。张莹等[5]对中国成年人肥胖影响因素进行Meta分析发现，高脂饮食、饮酒和年龄是中国成人肥胖的危险因素。高脂饮食会使机体摄入过多食物，能量摄入大于消耗，导致肥胖。乙醇刺激下丘脑引起神经内分泌紊乱，增加食欲，导致能量摄入过多。成人肥胖发生率随年龄增长而提高，40～65 岁年龄段达到最高。2004年，Bäckhed等[6]研究表明，肠道菌群能够影响机体脂肪存储，与传统喂养小鼠相比，无菌鼠拥有更少的总脂肪含量，移植菌群至肠道后，肠道菌群数量恢复，摄入能量后，无菌鼠总脂肪含量上升57%，在不影响食物摄入和能量消耗的前提下，胰岛素耐受性提高。但肠道菌群促进宿主代谢紊乱的具体机制尚未完全阐明。目前，关于肠道微生物影响机体肥胖的主要机制包括消化水解食物进行能量吸收、促进机体合成脂蛋白脂酶等调控脂肪存储的蛋白酶基因表达以及通过代谢产生的短链脂肪酸、胆碱、胆汁酸、肠肽和微生物-肠-脑轴等影响能量吸收分子信号通路[7-8]。

2 肥胖与肠道菌群

肥胖患者肠道菌群的变化在动物模型和临床人体实验中均有报道。与正常人群相比，肥胖患者肠道中厚壁菌门与拟杆菌门比值较高，双歧杆菌和拟杆菌门丰度较低。Liu Ruixin等[9]利用宏基因组和代谢组学技术对中国肥胖和体质量正常人群的肠道微生物和血清进行分析，发现肥胖患者的肠道菌群丰度更高，但多形拟杆菌丰度显著降低，减肥手术后肠道中多形拟杆菌丰度上升，血清谷氨酸浓度下降。Chen Yungtsung等[10]发现，肥胖模型组小鼠中疣微菌门和变形菌门丰度提高，而拟杆菌门和软壁菌门丰度下降，将肥胖病人的肠道菌群移植至小鼠体内，发现小鼠表现出与肥胖病人相似的症状[11]。Wang Jingjing等[12]在肥胖小鼠肠道菌群中发现，厚壁菌门和变形菌门的丰度增加，拟杆菌门和放线菌门丰度减少。喂食益生菌干预后，拟杆菌门与厚壁菌门比值显著上升。这一结果暗示了肥胖与肠道菌群的改变具有相关性，通过益生菌制剂喂食干预可改善肠道菌群紊乱，从而达到缓解或改善肥胖的目的。

小鼠的消化道和肠道（小肠和大肠）组织的组成与人类相似，杯状细胞和潘式细胞在人体和小鼠的肠道完整性和宿主-微生物群平衡中发挥同样的作用。然而，人类和小鼠依然存在着重要的差异，因此，将对二者的研究进行比较时必须十分谨慎。目前，利用益生菌改善肥胖老鼠模型的研究报道越来越多。常见的实验用鼠有C57BL/6 J小鼠、BALB/c小鼠、Wistar大鼠及ICR小鼠等，绝大部分选择使用雄鼠进行实验[13-14]。常见肥胖老鼠模型的构建绝大部分都是食物诱导肥胖模型，少量研究使用谷氨酸钠诱导模型。

3 食物诱导小鼠肥胖模型

食物诱导小鼠肥胖与人体肥胖的产生最为接近，模型构建主要包括高脂肪和高碳水化合物诱导2 种方法，其中高脂饲料肥胖模型是目前肥胖及其相关疾病研究使用最多的模型。益生菌治疗、缓解非高脂饲料肥胖小鼠的作用机制主要有以下几类。

3.1 紧密连接蛋白

紧密连接蛋白在肠道通透性中扮演重要角色，高脂饮食会导致肠道微生物组成发生变化，使得紧密连接蛋白表达量过低，肠道通透性改变，调节肠肽和胰高血糖素样肽GLP-1分泌，激活脂多糖Toll样受体-4轴，介导肥胖与胰岛素抵抗的发生，从而改变脂肪组织和肝脏的脂肪酸代谢和组成[15-16]。植物乳杆菌Sc52可以调节脂多糖诱导的ICR小鼠D-乳酸和二胺氧化酶的水平，肠组织中紧密连接蛋白Occludin和Claudin-1的表达量上调，改善肠道通透性，提高小鼠肠道中的乙酸和丁酸含量，增加小鼠肠道中乳杆菌、双歧杆菌等有益菌的数量，抑制有害微生物的生长，改善肠道屏障损伤[17]。

3.2 脂多糖

肠道菌群中革兰氏阴性菌的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是肥胖引发的Ⅱ型糖尿病等慢性疾病发生的重要因素。肥胖小鼠肠道菌群中革兰氏阴性菌比例增加，LPS含量升高。利用LPS进行干预造模常见于Ⅱ型糖尿病肥胖模型，进行炎症和胰岛素抵抗治疗研究。部分益生菌通过在肠道定植，调节肠道菌群平衡，能显著降低血糖水平，降低胰岛素抵抗，减少脂肪肝形成，如嗜酸乳杆菌ATTC5220[18]和罗伊氏乳杆菌GMNL-263[19]等。

3.3 短链脂肪酸

短链脂肪酸通过调节能量摄入和代谢进行体质量干预。短链脂肪酸作为能量底物激活肠上皮细胞G蛋白受体GPR41和GPR43，刺激YY肽和GLP-1分泌，延缓和抑制肠道能动性，提高能量吸收[20]。菌株种属不同，产生短链脂肪酸的种类与比例也不一样，不同短链脂肪酸比例可能会影响能量的吸收效率。研究发现，丁酸和丙酸盐在肥胖小鼠中具有影响能量吸收和抵抗胰岛素等特性，产丁酸的微生物数量与体质量成反比[21]。肠道主要细菌门类中，拟杆菌门主要产乙酸和丙酸，厚壁菌门主要产丁酸。针对高脂饲料诱导的肥胖小鼠，Chen Yungtsung等[10]喂食马里乳杆菌（Lactobacillus mali）APS1 3 周后，发现马里乳杆菌APS1能够干预加速小鼠体质量降低，减少能量摄入和脂肪积累，改善脂肪肝，促进肠道菌群向肥胖前状态转化，肥胖相关细菌分类群丰度发生改变，链球菌科和厌氧棍状菌属减少、马里乳杆菌增加，肥胖相关菌群代谢物改变，短链脂肪酸增加，经肠-肝轴影响肝脏相关代谢物水平改变，调节脂代谢方式、增加能耗、抑制食欲。

3.4 单磷酸腺苷酸活化蛋白激酶

单磷酸腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）具有协调机体代谢和能量平衡的作用，脂肪细胞分泌一些与代谢相关的激素因子，如脂联素、瘦素等，可以激活AMPK，达到抑制脂肪沉积的作用。Zhang Min等[22]通过鼠李糖乳杆菌LGG对肥胖小鼠进行干预，发现可以有效激活AMPK途径，降低脂肪酸合成酶和乙酰辅酶A羧化酶的活性，改善慢性酒精性脂肪肝的症状，抑制高脂诱导小鼠肥胖的形成。宋晨[23]发现，副干酪乳杆菌M5和棒状乳杆菌T12能有效调节脂肪因子的表达，下调过氧化物酶体增殖剂激活受体γ（peroxisome proliferators-activated receptors γ，PPAR-γ）、肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）及脂肪酸合酶（atty acid synthetase，FAS）等脂肪因子的表达量，对高脂膳食诱导BALB/c小鼠的肥胖和血脂升高具有抑制作用，通过抑制肝脏脂质积累及氧化应激抑制非酒精性脂肪肝的发生，肠道中厚壁杆菌与拟杆菌门的比值上升，趋于正常水平。

3.5 胆汁酸

肝脏合成的初级胆汁酸主要是胆酸和鹅脱氧胆酸，其与牛磺酸和甘氨酸结合形成结合胆汁酸。体内胆固醇转化为胆汁酸是清除胆固醇的重要形式，对机体维持胆固醇平衡发挥重要的调节作用。胆汁酸作为肠道信号分子，能激活肠道肝脏和脂肪组织中的受体，如法尼酯X受体（farnesoid X receptor，FXR）和G蛋白偶联胆汁酸受体5（G-protein-coupled bile acid receptor 5，TGR5）。FXR和TGR5已被证实可调节糖脂代谢。通过激活FXR、诱导TGR5刺激GLP-1分泌，提高胰岛素抵抗性和肝脏代谢能力，大鼠肠道中Acetatifactor和拟杆菌丰度上升，牛磺酸、成纤维细胞生长因子水平升高[24]。高脂诱导的肥胖小鼠补充胆酸后，体质量下降，胰岛素抵抗能力显著提高，同时体内胆汁酸代谢能力上升[25]。

3.6 菌群移植

菌群移植是指将健康宿主肠道中的特定功能菌群移植到患者的肠道内，重建肠道微生态，达到治疗肠道疾病的目的。将体质量差异较大的双胞胎粪便微生物移植到无菌小鼠中，在同样的饮食条件下，接受肥胖同卵双胞胎粪便微生物移植的小鼠比接受不肥胖同卵双胞胎粪便微生物移植的小鼠体质量增加更多[11]。郭上齐等[26]发现，菌群移植能够调节肥胖大鼠的血脂含量，Lee指数、肝指数、TNF-α、血清甘油三酯和胆固醇水平均显著下降，并具有减轻脂肪肝变性和内毒素血症的作用。阿克曼氏菌AKK（Akkermansia muciniphila）是一种存在于哺乳动物肠道内的微生物，以肠上皮细胞产生的黏蛋白为唯一碳源、氮源和能源物质。AKK菌在肥胖小鼠中丰度下降，通过灌胃、粪便移植等手段能恢复AKK菌丰度，对机体具有调节免疫、控制肥胖、缓解高血脂和动脉粥样硬化等作用[27-28]。

3.7 其他代谢产物

益生菌在发酵过程中产生的其他有益物质也能有效降低体质量和脂肪堆积。Xie等[29]制备的发酵大豆粉牛乳能够显著改善高脂饲料肥胖小鼠体质量和脂肪堆积，抑制因高脂肥胖引起的总脂蛋白和低密度脂蛋白、胆固醇、丙氨酸转氨酶、葡萄糖和C肽水平的升高，这是由于经植物乳杆菌P1201发酵后，大豆粉牛乳中含有丰富的共轭亚油酸，同时水解β-葡萄糖苷异黄酮，生成大豆异黄酮苷元。Lee等[30]发现，副干酪乳杆菌NTU 101和植物乳杆菌NTU 102发酵的豆乳制品能显著抑制3T3-L1细胞分化和游离脂肪酸的积累，对高脂饮食Wistar大鼠的肥胖具有改善作用。与未发酵豆乳组相比，食用5 周益生菌发酵豆乳制品可以明显提高高脂饮食诱导大鼠的血清瘦素水平，这是由于发酵后豆乳制品中黄豆苷元和染料木黄酮的水平提高。Park等[31]利用植物乳杆菌Q180对高脂饲料喂养的雄性SD肥胖大鼠进行模型构建与评价，结果表明，与肥胖大鼠组比，喂食乳酸菌8 周后，大鼠体质量增长率降低，附睾脂肪、甘油三酯和瘦素水平明显降低，同时脂肪组织的数量也显著下降。

然而在一些动物实验中，食用益生菌导致体质量或脂肪增加的现象也有报道。植物乳杆菌DSM15313喂食高脂膳食诱导的C57BL/6J肥胖小鼠，其体质量显著增加，但空腹血糖水平显著下降，胰岛素、脂质水平和盲肠脂肪酸含量无明显变化[32]；单独喂食低聚果糖或与动物双歧杆菌BB12联用混合喂食SD大鼠后，能显著降低肥胖大鼠血糖水平，提高胰岛素抵抗能力，体质量和脂肪含量下降，肥胖症状得到改善，但单独喂食动物双歧杆菌BB12却会导致脂肪和体质量增加[33]；对于食用益生菌的动物，体质量反而增加的可能原因是这些益生菌刺激和促进了肠道对营养物质的吸收，导致脂肪聚集。也有研究人员提出，在进行模型构建或灌胃时，益生菌的基质载体选择、发酵特性、剂量、作用时间及目标对象等因素均能影响实验结果。因此，评估益生菌治疗肥胖效果时，需严格控制好研究对象、研究方法（测量指标、干预时间及干预方式）、益生菌（种属、剂量）等关键指标，但总体而言，益生菌制剂在动物模型肥胖治疗上有一定的效果。

4 谷氨酸钠诱导肥胖动物模型

谷氨酸钠（monosodium glutamate，MSG）诱导肥胖动物模型是一种典型的肥胖综合症胰岛素抵抗模型，在幼鼠出生1 周内皮下注射高浓度的MSG，导致下丘脑损伤而出现代谢性失调，主要包括高血糖MSG小鼠模型和胰岛素抵抗MSG小鼠模型。MSG诱导肥胖动物主要表现在脂肪堆积和Lee指数增加，但摄食量没有增加。与正常ICR小鼠相比，高血糖MSG小鼠和胰岛素抵抗MSG小鼠的胰腺/体质量、棕色脂肪/体质量及肝脏/体质量比值较低。高血糖MSG小鼠的血胰岛素水平显著低于胰岛素抵抗MSG小鼠[34]。

MSG所致肥胖与代谢异常有关，可用于研究内分泌失调在肥胖中的作用。目前医学界发现，可以有效改善MSG小鼠肥胖和代谢紊乱的物质或因子有京尼平苷、五甲基槲皮素和成纤维细胞生长因子21（fibroblast growth factor 21，FGF-21）等，而利用益生菌治疗改善MSG肥胖小鼠模型的研究报道目前还很少。Maryana等[35]利用Wistar大鼠构建MSG肥胖模型，进行益生菌治疗非酒精性脂肪肝疾病的研究，结果表明，由双歧杆菌、乳杆菌、乳球菌和丙酸杆菌等14 种益生菌组成的Symbiter能显著缓解脂肪肝和肝小叶炎症。Savcheniuk[36]、Kobyliak[37]等将干酪乳杆菌IMVB-7280、动物双歧杆菌VKL和动物双歧杆菌VKB（2∶1∶1，5×109CFU/kg）对MSG小鼠进行灌胃处理，发现总胆固醇、甘油三酯、超低密度脂蛋白和低密度胆固醇含量显著下降，脂联素含量下降58.8%，瘦素含量提高74.7%。随后分别测定3 株菌的治疗能力，发现干酪乳杆菌IMVB-7280对MSG小鼠具有优异的降血脂和降低内脏脂肪组织生成能力，动物双歧杆菌VKL和VKB缓解能力相对较弱，将3 株菌混合喂养MSG小鼠，发现菌株之间产生协同效应，治疗效果显著提升。

未来，将利用MSG动物模型获取的数据应用到人体临床实验时，可以考虑含有MSG的产品，尤其是婴儿或青少年人群研究对象，同时还需寻找更多的肥胖生物标志物作为肥胖与代谢综合征的预测关键点。

5 结 语

益生菌在人体和动物肠道中的益生功能正被越来越多的人所接受。由于食物能量摄取过多和代谢引起的能量平衡问题等引发的肥胖，宿主肠道微生物种类和数量发生变化，从而使得益生菌具有作为潜在靶点的可能性，通过改善肠道菌群丰度来治疗和改善肥胖问题。由于分子机制还未完全阐明，未来还需进行更专业、更大规模的动物实验和临床实验，寻找安全的益生菌进行理论和机制研究。