植物益生元对肠道菌群的调节及对机体糖代谢吸收的影响

郭 晔 ， 邢志凯 ， 李 蒙 ， 胡晓璐 ， 吴 霞 ， 陈历水 ， 米双利

（1.中国科学院 北京基因组研究所 精准基因组医学重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049；3.首都医科大学 中医药学院 中医络病研究北京市重点实验室，北京 100069；4.中粮营养健康研究院，品牌食品研发中心，北京 102209）

肠道微生物是与人或动物在消化道共生的生命群体。人类的小肠、结肠、直肠都含有微生物，这些微生物一起构成肠道微生物群，其中结肠每克含有1 011～1 021个活的微生物，是微生物含量最多的部分。在健康个体中，微生物群与宿主互为共生关系，可以改善肠道完整性，辅助机体营养代谢吸收，并与病原生物竞争[1-4]。乳酸双歧杆菌和乳酸杆菌属被认为对宿主健康有益，其可以表达免疫调节和病原体拮抗分子，对宿主健康有极大的调节作用[2]。这些有益微生物会对某些化合物进行靶向代谢为宿主提供益处，这种靶向代谢被称为“益生元效应”[5]。益生元是指由肠道有益菌选择性发酵的膳食纤维，其中最常见的食品级益生元就是植物益生元。

植物益生元来源于各种天然植物，是一种可食用只能被人体肠道有益菌群利用，但不能被人体消化吸收的物质。在食品行业中，植物益生元作为一种食品组分（膳食补充剂），可以选择性地刺激一种或几种肠道有益菌生长，调节胃肠菌群平衡、改善肠道微环境、抑制有害菌群的增殖，从而对宿主产生有益的影响，改善宿主健康状态[6-8]。常用的商品化植物益生元包括低聚果糖、菊粉、低聚异麦芽糖、低聚木糖、抗性糊精和柑橘纤维等。其中只有低聚果糖和菊粉这两类植物益生元对肠道菌群调节的研究最为广泛。低聚果糖可以特异性增殖机体肠道中的双歧杆菌，从而使肠道环境变为酸性，抑制有害菌群的增殖，促进肠蠕动[9-10]。菊粉可以通过调节肠道菌群结构，促进机体对矿物质的吸收和脂质代谢[11]。另外，一些研究表明菊粉对血脂和血糖代谢具有调控作用。菊粉的补充量和人体空腹胰岛素浓度的降低呈正相关，可以降低病人空腹血糖量，可以改善病人血糖代谢[12]。可见，菊粉作为常用植物益生元的一种，对人类机体糖代谢和吸收有一定的调节作用。研究植物益生元与肠道菌群的相互作用关系，对于阐明植物益生元调控机体糖代谢和吸收作用机制是很好的补充。通过查阅近年来的国内外文献，阐述了植物益生元对肠道菌群的调控作用及其对机体糖代谢和吸收的影响作用。

1 针对肠道菌群的基因组学研究方法

1.1 宏基因组测序技术

由于肠道菌群物种繁多、数量庞大，使膳食影响肠道菌群结构变化的研究面临着很大的挑战。例如，肠道内所有的菌群不能全部被分离并培养。因此，传统的细菌培养技术不能系统性地分析菌群总体结构的变化与机体微环境改变的关系。为了克服这一局限性，更深入研究肠道菌群之间的功能活性、相互作用关系及其与机体肠道微环境之间的关系，宏基因组测序技术于1998年被正式开发并应用[13]。这一技术是以肠道菌群样本中所有微生物的总和为研究对象，直接从肠道内容物中分离所有微生物DNA进行测序，然后可对所得数据进行物种种属、作用通路、基因功能的分析；并通过对不同样本的测序数据比较分析，研究微生物内部、微生物与环境和宿主的调控作用关系[13-14]。目前，已有研究利用该技术深入解析了肠道菌群结构，并阐明菌群变化对宿主代谢的调控。例如，Xu J等人[15]运用基因组测序技术，发现多形拟杆菌可以编码272种碳水化合物活性酶，他们的研究证实在高膳食纤维饮食中，拟杆菌的多糖水解酶对代谢的关键作用。该研究很好地说明，通过基因组学的技术，可以不经分离培养就能明确肠道菌群在宿主机体中对营养代谢的作用，从而使他们的研究成为2003年关于肠道菌群研究的最成功的案例之一。然而，宏基因组测序虽然也可以预测基因表达，但在特定时空下并非所有存在的基因都表达[16]。因此，单纯的运用宏基因组测序技术不能在特定时间点，对样本肠道菌群中有表达的基因进行研究；不能很好地为肠道微生物动态变化研究提供实时监测结果，对这一类研究有一定的局限性。

1.2 宏转录组测序技术

宏转录组测序的开发和应用弥补了宏基因组测序的研究局限性。宏转录组测序可以从RNA/转录层面上，实时监测在特定时间点，以所有肠道菌群的RNA为研究对象，进行整个微生物群落内不同种群基因的表达水平和调控作用的研究；并分析在不同时间、不同组别样本中差异基因的表达。宏转录组测序可以实现样本间差异表达基因分析、功能基因挖掘、转录本的发现、转录图谱的绘制和可变剪接预测等作用。被运用到微生物研究领域后，还可以被用来分析菌群群落中微生物的胁迫响应、优势菌群的代谢途径和特定功能基因的筛选[17-18]。例如，Wu S等人[19]使用了宏转录组测序的技术，对草鱼肠道菌群的基因表达进行了分析并发现，存在最多的菌群集中在厚壁菌门。而且，根据比较多个样本的转录组测序数据，他们发现，这些菌群的主要作用是促进草鱼机体对糖类的吸收代谢；并发现菌群改变对糖代谢的调控是通过胞内多糖降解作用实现的，而不是以往传统认为的纤维素的消化作用。

1.3 基因组学多重测序是研究肠道菌群对机体调控作用的有效手段

采用宏基因组测序和宏转录组测序相结合的方式进行肠道菌群的研究，可将肠道菌群样本中所有微生物的总和作为研究对象，通过对所得数据进行物种种属、作用通路、基因功能、测序数据组间和组内比较分析，不仅可以研究微生物内部、微生物与环境和宿主的调控作用关系；还可以进行整个微生物群落内不同种群基因的表达水平和调控作用的研究；并分析在不同时间、不同组别样本中差异基因的表达。因此，同时结合宏基因组和宏转录组测序手段，对肠道菌群影响代谢机制的研究是目前最有效的途径。

2 植物益生元对人类机体代谢的影响及对肠道菌群的调节

2.1 植物益生元对人类机体代谢的影响

大量研究表明，植物益生元对人类机体健康代谢有着重要影响。目前已有研究对常用的几种植物益生元对人体代谢的影响进行了研究。

植物益生元通过饮食干预影响人类健康的研究见表1。

2.2 植物益生元是调节食用者肠道菌群结构的关键因素

表1 植物益生元通过饮食干预影响人类健康的研究

大量研究表明，食品的组分可以显著改变食用者自身的肠道菌群结构，从而影响其机体的代谢、免疫、生理、生化、药理等多方面的过程，对健康有不可忽视的作用[41-46]。膳食组分会影响宿主肠道菌群组成，食品中的营养物质经小肠消化吸收后，不能被小肠吸收的食物成分进入大肠后被肠菌代谢，生成不同的代谢物，不同代谢底物的优势菌群会有显著差异，进而也会影响肠菌的组成。例如，Ley R E等人[47]的研究结果显示，在瘦型小鼠肠道菌群中的拟杆菌门的细菌数量比肥胖型小鼠肠道菌群中的数量高50%；厚壁菌门的细菌相应减少了。研究通过给肥胖型小鼠进行低能量饲料喂食之后，发现拟杆菌门的细菌含量有了明显增加，而厚壁菌门也相应降低。另外，Cani P D等人[48]通过使用植物益生元（低聚果糖） 特异性地提高受试小鼠肠道内双歧杆菌的数量，并发现肥胖小鼠的血液内毒素浓度因此降到了正常水平。这一研究证实通过植物益生元进行饮食诱导肠道益生菌的生长，可以使宿主对代谢性内毒素血症产生一定的抵抗作用。由此可见，植物益生元作为膳食补充剂，同样是决定肠道菌群的最重要因素之一。

2.3 肠道菌群与人体营养代谢有着密不可分的关系

肠道菌群可以发酵未消化的食物，参与宿主的能量代谢，与营养物质的吸收和代谢息息相关，为人体提供各种微量元素、必需氨基酸、一些抗菌多肽，分解体内一些毒素或有害物质，对人体健康产生潜在的影响，是膳食与人体健康的桥梁。特别是其对人体糖类代谢的调控作用。肠道菌群的变化已被证实有助于代谢性疾病的治疗[48-49]。通过益生菌对体内特定的一种或多种肠道微生物数量进行调控，可以改善人体胰岛素敏感性、调控血糖代谢、预防或延缓Ⅱ型糖尿病的发展[48，50]。2017年初，Palacios T等人[51]通过对60名罹患糖尿病的成年病人进行了12周的多品种肠道益生菌调节的临床研究。研究所涉及益生菌包括乳酸杆菌属、双歧杆菌属、酵母菌属。研究发现，特异性提高病人肠道内这3种益生菌的数量对机体糖代谢的作用和病人直接服用二甲双胍药物的作用相同。因此，研究人员认为正确调节多种肠道益生菌数量来预防和治疗糖尿病将成为未来临床治疗糖尿病的新的方式。

2.4 植物益生元对机体糖代谢和吸收的调节是通过调控肠道菌群完成的

运用于食品产业的植物益生元有很多种，包括低聚果糖、菊粉、低聚异麦芽糖、人参多糖、木聚糖、寡果糖、抗性糊精、柑橘纤维和果聚糖等。其中，研究最多、运用最广泛的植物益生元就是低聚果糖和菊粉，不仅因为其口感甜味，又不被机体吸收，是很好的甜味剂替代物；更重要的是它们对肠道内病原菌生长的抑制作用和对机体糖类和脂类代谢的调节作用[52-55]。例如，低聚果糖及其单体衍生物可以抑制胆汁酸盐对肠道内双歧杆菌群的不良影响，并改变肠道微环境的pH值，抑制病原菌的生长[56-57]。其他几类常被用作食品补充剂的植物益生元包括低聚异麦芽糖、低聚木糖、抗性糊精和柑橘纤维。这几类植物益生元作为比低聚果糖和菊粉更新型的膳食补充剂，对机体的调节功能没有低聚果糖和菊粉的研究广泛。但它们都有可以调节肠道菌群结构的功能。例如，在肉鸡的日粮中添加低聚木糖可以增加鸡肠道中乳酸杆菌和梭状芽孢杆菌数量，从而刺激机体将乳酸转化为丁酸，进一步优化肠道健康[58]。但是，对这几种植物益生元对机体肠道菌群结构的变化影响和调节作用功能的研究鲜少；而且对机体糖类、脂类的代谢和吸收的影响也没有很明确的研究结论。

由于植物益生元对肠道菌群结构有影响，因此可以通过膳食补充剂有目的地对肠道益生菌数量进行调节，从而调节机体代谢[58-59]。由于肠道菌群结构的失衡已与某些生活方式相关的疾病有着越来越密切的关系，如肥胖、Ⅱ型糖尿病和一些自身免疫性疾病等[60-61]，调节肠道菌群结构平衡已经成为改善人体健康的新靶点[59-60]。饮食成为调节肠道菌群结构和机体代谢的一个重要的驱动因素。科学家对饮食干预调控肠道菌群对碳水化合物、蛋白质、脂类和糖类代谢的机制和影响进行了广泛研究[60-61]。例如，在Larson N等人[62]的研究中发现，Ⅱ型糖尿病人的肠道内，拟杆菌门与厚壁菌门的比值与血糖水平呈正相关。这2个菌群数量的异常升高可以促进短链脂肪酸的产生，促进机体脂肪的生成和蓄积，从而诱发胰岛素抵抗情况[63]；同时可以减慢肠道蠕动，影响机体对葡萄糖的吸收[64]。同时，Duncan S H等人[65]通过使用16s rRNA测序技术，发现来源于大丽花的菊粉的摄入可以选择性地提高许多低G/C含量的革兰氏阳性厌氧菌的数量。因此，通过对肠道菌群的结构、功能和作用基因的研究，可以为食品产业利用饮食干预改善机体健康提供相应的科学依据，并可以为精准选择膳食补充剂提供科学参考。

3 结语

食品工业在未来的发展中，应该对膳食补充剂分类进行细化，并着眼于不同植物益生元对肠道菌群结构的调控和影响的研究上来。这是目前食品添加剂开发的一个非常重要的研究热点。为了寻找更健康、更安全、更有效的膳食补充剂，通过确认每种植物益生元调控机体糖代谢的作用，可以解释该益生元作为食品补充剂的必要性。这就需要更多的人群临床试验，特别是长期跟踪的前瞻性试验，可以更好地观察在摄入植物益生元期间，人类机体发生的细微变化。结合基因组学的方法，可以更好地诠释针对新的食品级植物益生元调控特征性肠道菌群的结构特征，能够为其在食品工业的开发和利用提供新的指导建议，并体现其在精准膳食选择方面的应用价值。