黄酮类天然产物调控肠道微生物改善炎症性肠病的研究进展

李 明，卢 慧，徐振江

南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌 330047

炎症性肠病(IBD)是以肠道炎症和肠道上皮损伤为特征的复发性慢性炎症疾病，主要包括克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)，两种疾病的发病特征为溃疡、腹泻、出血等[1]。IBD的发病机制涉及遗传因素和环境因素：遗传因素包括宿主易感基因影响宿主先天免疫功能；环境因素包括饮食等引起的肠道微生物的失调等。传统的IBD治疗药物包括氨基水杨酸盐、皮质类固醇、免疫抑制剂和抗生素，前三者表现出有限的功效和各种不良反应，例如对免疫系统的损害[2]。抗生素的使用会降低肠道菌群的多样性[3]，可能产生超级致病菌。至今为止，尚没有针对炎症性肠病成熟有效且安全的防治办法。

黄酮类化合物是植物成分中含有丰富的羟基多酚的分子大家族，在蔬菜、水果、葡萄酒和茶中含量丰富。近年来食源性天然产物备受推崇，黄酮类天然产物具有抗氧化活性、调节肠道微生态平衡、增强免疫等多种生物活性，受到了广泛的关注。黄酮类天然产物有益于肠道健康，可以做到药食同源。首先，综述了不同种类的黄酮类天然产物对不同类群的肠道微生物的调控。其次，描述了IBD患者肠道菌群的变化来阐述部分特定菌群与炎症性肠病的关系。例如，大肠杆菌、耶尔森氏菌和艰难梭状芽孢杆菌是导致IBD的关键因素[4-5]。黄酮类天然产物通过抑制细菌生物膜的形成等机制，抑制IBD患者中肠杆菌属等有害菌的同时增加双歧杆菌、梭状芽孢杆菌等部分有益菌的丰度，调节肠道菌群失衡进而改善炎症性肠病。

1 黄酮类天然产物

天然植物提取物来源于植物的根、茎、叶，植物提取物的活性成分十分繁多和复杂。总的来说，植物提取物的活性成分主要有生物碱[6]、苷类、有机酸[7]、糖类[8](包括淀粉、菊淀粉、树胶和黏液质等)、树脂(包括树脂酸、树脂醇和树脂烃类)、鞣质、植物色素[9](包括叶绿素、胡萝卜素、黄酮类[10]、甜菜红碱类和醌类等)、油脂、蜡和无机成分。其中黄酮类化合物具有多样的生物活性，较早期的研究表明，它们在抗炎和抗氧化方面有显著作用[11]，可以抑制促炎因子的表达，被认为是炎症的天然抑制剂[12]。近几年，利用微生物基因组高通量测序和生物信息学技术，研究表明黄酮类化合物还会影响肠道菌群的组成，促进双歧杆菌和乳杆菌等有益菌在肠道的定植[13]。了解黄酮类化合物抗炎抗氧化活性与其改善肠道微生物组成关系，以及不同结构种类的黄酮类化合物调节肠道微生态功能的差异，对研究其作用机制，拓展其在疾病如炎症性肠病中的运用具有重要意义。

1.1 黄酮醇

黄酮醇是黄酮类化合物中研究较多的亚类之一，黄酮醇类是指含有2-苯基-3-羟基(或含氧取代)苯骈γ-吡喃酮(2-苯基-3-羟基-色原酮)类结构的化合物，是黄酮类化合物中数量最多、分布最广泛的一类，代表物有槲皮素、芦丁、山柰酚等，具有抗真菌、抗癌等生物活性[14]。

1.2 异黄酮

异黄酮也是黄酮类化合物的主要亚类之一，主要存在于大豆、坚果中。异黄酮是植物苯丙氨酸代谢过程中，由肉桂酰辅酶A侧链延长后环化形成的酚类化合物，其3-苯基衍生物即为异黄酮，属植物次生代谢产物，主要的代表物有大豆异黄酮、金雀异黄素、染料木黄酮等。异黄酮能够降低患心血管疾病和骨质疏松症的风险，还具有抗菌、抗炎、抗氧化活性[15]。

1.3 黄烷酮

黄烷酮母体分子中含有2-苯基-2H-1-苯并吡喃，是一个较为复杂的C6-C3-C6基本骨架。黄烷酮在自然界尚未发现，但其羟基衍生物和甲氧基衍生物总称为黄烷酮类。黄烷酮在柑橘水果中最为常见[16]，代表物有柚皮苷、橙皮素等。已有证据表明柚皮苷、橙皮素等对癌症、炎症有显著的改善作用[17]。

1.4 花色苷

花色苷是花色素与糖以糖苷键结合而成的一类化合物，广泛存在于植物的花、果实、茎、叶和根器官的细胞液中，是黄酮类化合物中能呈现红色的一族化合物，代表物有花青素。研究表明这类化合物具有抗癌、抗炎、预防肥胖等作用[18]。

1.5 黄酮

黄酮是黄酮类化合物的重要亚类，具有苯基色烯-4-酮的骨架。黄酮主要以7-O-糖苷的形式存在于草药和谷物中，代表物有芹菜素、木犀草素等，具有抗炎、抑菌、调节免疫等作用[19]。

2 黄酮类化合物参与调节肠道微生态健康

2.1 黄酮类天然产物调节肠道菌群

研究表明，黄酮类天然产物通过抑制细菌生物膜的形成、抑制细菌的能量代谢等机制，抑制或杀死某些共生菌和病原体，使细菌产生的毒素如硫化氢和脂多糖减少，进而改善肠道的生态平衡[20]。不同种类的黄酮类植物提取物对不同类型的菌群的抑制效果大不相同。Dastidar等[21]的研究结果表明，在苦参和山豆根的异黄酮提取物中，有两种异黄酮在体内和体外都表现出对细菌的抑制作用，这两种异黄酮对金黄色葡萄球菌的抑制作用最强，对霍乱弧菌、沙门氏菌、志贺氏菌、克雷伯氏菌和假单胞菌属的抑制作用依次减弱。黄酮醇类，如槲皮素能够抑制瘤胃球菌属、杆菌属的生长[22]。黄烷酮缺乏杂环双键，环外苯环几乎垂直于分子的其余部分而不是平面结构，因而黄酮相比较黄烷酮表现出更强的抗菌活性。黄烷酮等物质虽然对革兰氏阳性菌表现较低的活性，但对革兰氏阴性菌却表现出较高的抗菌活性[23]。Kaakoush等[24]研究表明，黄酮类化合物不仅有一定的抑菌作用，也会特异性地促进一些特定细菌的增殖。在Tzounis 等[25]的研究中，对结肠炎患者每周喂食4次的黄烷醇饮料，结果发现黄烷醇的摄入显著影响了人体内肠道菌群的组成，在降低梭菌属的同时显著促进了乳酸杆菌和双歧杆菌等有益菌的生长，改善体内的肠道稳态失衡。表1列出了其他黄酮类天然产物对肠道菌群的调控作用。黄酮类天然产物还停留在粗提物的阶段，不能确定抑菌物质的化学结构及性质。并且黄酮类天然产物的抑菌研究停留在初级阶段，大多是以菌体细胞壁组分变化、菌体形态变化等为切入点研究其对细菌、真菌以及霉菌的抑制作用，而深层次的分子机理有待进一步探究。应进一步优化天然产物的纯化等步骤，确定调控肠道微生物组成的物质结构及性质，将特定种类的肠道细菌与疾病相关表型和提取物中的特定结构的物质联系起来，有利于黄酮类化合物在改善肠源性疾病中的运用。

表1 部分黄酮类天然产物的肠道微生物调控作用

2.2 黄酮类天然产物对肠道免疫系统的作用

肠道免疫系统是由肠道黏膜屏障、非特异性免疫细胞和特异性免疫共同组成[45]，在抵抗致病菌的侵入、调控肠道通透性、调节炎症和免疫因子表达、维持肠道正常生理功能中起着至关重要的作用。一旦肠道屏障遭到破坏，肠道稳态失调就会导致病原体的入侵和疾病的发生。目前发现的黄酮类天然产物对肠道免疫的调控机制包括：(1)维持肠道黏膜的完整性，激活肠上皮细胞肠黏膜屏障的相关信号通路，阻止病原体的入侵[46]。在Jo[47]等的研究中，白藜芦醇(多酚黄酮类化合物)可以激活蛋白激酶C(PKC)并增加丝裂素活化蛋白激酶(MAPK)的表达水平，白藜芦醇的喂食还增加了小鼠转录因子Cdx-2和紧密连接蛋白的表达水平，增强肠道屏障的完整性；(2)中断活性氧的炎症循环，刺激抗氧化酶(超氧化物歧化酶、谷胱甘肽等)的产生进而减轻氧化应激，减轻嗜中性细胞浸润[48]。研究表明，槲皮素和EGCG增加结肠中谷胱甘肽(GSH)的产生，而柚皮苷则可降低组织丙二醛(MDA)的水平，同样的，光甘草定和槲皮素也抑制了iNOS蛋白和mRNA表达以及NO的产生，进而减轻氧化应激和组织损伤[49-52]。(3)维持肠道的特异性免疫能力，提高肠道特异性免疫应答的敏感度，抑制相关炎症信号通路(NF-κB、MAPKS等)从而减少促炎因子的产生，保护肠上皮细胞[53]。在Zhang[54]的研究中，芹菜素抑制巨噬细胞中LPS诱导的ERK1 / 2和NF-κB活化，从而降低促炎因子IL-1β和IL-6的水平，促进趋化因子CCL-5和细胞黏附因子(ICAM-1)和血管细胞黏附因子(VCAM-1)增加,表明了芹菜素可以通过多个机制来调控LPS诱导的炎症。

总而言之，黄酮类的天然产物能够维持和修复肠道黏膜的完整性，发挥抗氧化作用减少氧化应激，抑制NF-κB、MAPK、花生四烯酸等各种信号通路的活化，调节炎性细胞因子的平衡来改善炎症性肠病。随着分子生物学、基因组学、蛋白质组学和分子营养学的发展，黄酮类化合物免疫功能涉及的结构-活性关系研究应该进一步发展，探究多个因素对免疫活性的综合影响。表2列出了其他不同类别的黄酮类天然产物对肠道免疫的调节作用。

表2 部分黄酮类天然产物的免疫调节作用

2.3 黄酮类天然产物与炎症性肠病

炎症性肠病主要包括克罗恩病和溃疡性结肠炎,在全世界的患病率逐步增加,在北美和欧洲分别有超过150万、200万人的IBD患者[69]。CD和UC患者的菌群结构异于健康人群，CD患者的菌群紊乱程度更甚于UC患者。类杆菌、厚壁菌门和变形杆门是区别患者与健康人群的主要细菌[70]。溃疡性结肠炎一般只影响直肠和乙状结肠，涉及黏膜层和固有层，一般会形成连续性的炎症斑块。克罗恩病是肠黏膜上皮细胞对微生物抗原的异常免疫反应引起的慢性肠道炎症，会损伤整个肠壁，形成溃疡、穿孔等。在Gevers[71]的调查研究中，克罗恩病患者显示肠杆菌科、巴斯德杆菌科、拟杆菌科等肠道细菌的丰度显著降低。类似地在Chassaing[72]研究中，也显示克罗恩病患者拟杆菌门细菌丰度降低，致病菌比如大肠杆菌、分歧杆菌等丰度显著增加。研究表明，持续的慢性肠道炎症会随着时间的推移引起组织损伤，进而引发威胁到生命的急性结肠炎。

虽然IBD的致病因素和发病机制尚不完全明确，但是现普遍认为IBD涉及遗传、免疫系统紊乱和肠道微生物失调等多个方面因素[73]。研究表明，一些生理功能的破坏比如肠屏障功能受损、葡萄糖代谢受损都会促进肠道菌群生态失调，进而导致炎症性肠病的发生[74]。Imhann[75]通过633例炎症性肠病的分析发现NOD2、CARD9基因突变与肠道部分共生菌群(拟杆菌纲、拟杆菌科、罗氏菌属以及厚壁菌门等)具有一定的关联，这些基因突变增加IBD患病风险的机制，部分是通过调节肠道菌群的作用来实现的，证实了肠道菌群在IBD发病机制中确实存在作用，它们介导了易感基因诱发IBD的发病过程。肠道微生物与炎症性肠病的关系大体可以分为：(1)肠道菌群失调导致具有黏附肠上皮细胞能力的病原菌的数量增加，破坏肠道的通透性，改变肠道微生物群组成，同时通过诱导炎症反应促进炎症因子的表达[76]。(2)肠道微生物组成遭到破坏后，其相关的代谢产物变化，这与IBD的发病机理有关。例如，产生丁酸盐的细菌数量的减少，使得短链脂肪酸(SCFA)的产生减少，进而影响Treg细胞的分化和扩增以及上皮细胞的生长，影响肠道稳态[77]。 SCFAs可以抑制组蛋白脱乙酰基酶，降低NF-κB活性，并抑制从嗜中性粒细胞和巨噬细胞释放的IL-8和TNF-α，从而减少肠道的炎症反应。部分梭菌属中的细菌可以改善膳食纤维被代谢成短链脂肪酸的酶促过程增加Treg细胞的数量，其中梭状芽孢杆菌也可以直接诱导Treg细胞的数量和活性。(3)在IBD易患者中硫酸盐等还原细菌的增多会导致氢硫酸盐等有毒物质的产生，损害肠上皮细胞，并诱导黏膜炎症[78]。失衡的肠道生态系统增加了肠道通透性，使脂多糖(LPS)进入肠肝循环。血液中低浓度的LPS结合TLR4和CD14信号传导以激活巨噬细胞和T辅助1型细胞释放TNF-α和促炎细胞因子(例如，IL-1和IL-6)，导致慢性炎症并最终导致代谢紊乱[79]。炎症性肠病通常伴随着肠道微生物群的异常组成和肠道微生物生态系统多样性的降低[80]。同时代谢性疾病如肥胖、糖尿病等总是会伴随着慢性炎症(IL-1和IL-6的增加)和肠道屏障的损伤。

天然黄酮类的植物提取物可以改善肠道微生物群落的组成，调节肠道免疫，降低促炎因子的产生，减轻炎症性肠病引起的各种肠道微生态的失衡。天然植物提取物发挥作用主要有这几种方式：(1)调节肠道内失衡的微生物菌群，在抑制金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等有害菌的同时促进双歧杆菌、拟杆菌门的生长；例如，厚壁菌门/拟杆菌门的比率广泛的被认为是代表肠道稳态的标志之一，在肠道炎症中该比率升高，通过天然植物提取物的治疗，比率显著降低，甚至达到正常水平。在Wang等[81]的研究中，艾灸(活性成分为黄酮类和挥发油)显著提高了溃疡性结肠炎小鼠的双歧杆菌和乳酸杆菌的含量，降低厚壁菌门的数量，并且抑制了溃疡性结肠炎大鼠结肠组织中的TNF-α和IL-12的表达。姜黄素可以直接上调梭状芽孢杆菌的相对丰度，促进膳食纤维被代谢成短链脂肪酸，上调Treg细胞的数量和活性，降低促炎介质的生成和艰难梭菌感染的结肠炎[82]。(2)天然植物提取物不仅通过抑菌来改善IBD症状，而且通过抑制炎症信号通路的活化，减少促炎因子表达来改善炎症性肠病。在Nunes[83]的研究中，白藜芦醇(多酚类化合物)可降低促炎症细胞因子、细胞黏附因子与血管细胞黏附因子的比例(ICAM/VCAM)的表达，减少中性粒细胞浸润和氧化应激反应，抑制TLR4/NF-κB通路，上调组蛋白去乙酰化酶(SIRT1)的表达，增强抗氧化作用。(3)一些天然植物提取物的摄入会减少一氧化氮合酶(INOS)、环氧合酶-2(COX-2)等诱导性促炎酶的产生，减少NO 的含量，减轻肠道黏膜、肠道屏障的损伤。在Han[84]的研究中，CPS(茵陈色原酮，一种植物黄酮)剂量依赖性地抑制LPS诱导的iNOS和COX-2基因和蛋白的表达，证明CPS可能通过抑制ERK、JNK和NF-κBp65活化来降低炎症相关的生物标志物含量，它可能是治疗炎症性疾病的潜在治疗候选物。Nunes[85]等观察到用富含儿茶素、低聚原花青素和花青素的红葡萄酒提取物进行预处理，可抑制COX-2和iNOS细胞因子的表达，抑制HT-29细胞中IL-8的过量产生。除了上述物质调控肠道微生态改善IBD外，表3还总结了其他黄酮类天然产物通过各种机制改善IBD的状况。

表3 部分黄酮类天然产物调控炎症性肠病

黄酮类天然产物通过调节菌群和调节免疫系统改善IBD，两者之间也是相互联系的。黄酮类天然产物可以调节肠道微生物发酵膳食纤维为短链脂肪酸来影响免疫细胞的分泌,增加Treg的数量及活性，并抑制中性粒细胞、巨噬细胞、树突细胞、效应T细胞的活性。但是一些天然产物的抗IBD作用的确切机制仍不清楚。因此，需要进行额外的体内研究，以确定其效果并找出哪些特定因子参与改善IBD。研发可调控特定菌种数量和相关免疫的黄酮类天然产物，有望开发成临床上治疗营养-菌群-免疫相关疾病的营养调节剂。同时利用天然植物提取物改善IBD患者失衡肠道菌群和适应性免疫，特别是上皮屏障功能，这会是治疗或预防IBD的关键。

3 结论与展望

一系列的细胞和动物实验表明，不同类别的黄酮类化合物由于结构差异调节的菌群不尽相同，它们共同作用调节IBD患者的肠道菌群改善肠道微生态平衡，抑制病原菌的同时增加有益菌及其代谢产物(比如短链脂肪酸)的产生。此外，黄酮类天然产物能够维持肠道黏膜完整性，减轻氧化应激，抑制信号通路的活化(比如NF-κB，MAPK，花生四烯酸途径)等免疫调节来减轻促炎介质，一氧化氮合酶等诱导酶的产生改善IBD。

黄酮类天然产物改善肠道菌群以提升宿主的健康水平逐步受到认可，但是对于其在体内如何发挥作用，肠道微生物在其中扮演怎样的角色，仍需要进一步的研究。首先要明确摄入人体的黄酮类天然产物是如何在肠道微生物的作用下转化和代谢的，对不同类的黄酮类天然产物，是哪一类结构的菌群主导参与了转化代谢过程，肠道菌群产生的代谢衍生物反过来又对肠道菌群和宿主产生什么样作用。其次，肠道微生物并不是通过某一个体来发挥调控作用，而是通过微生物群落之间的相互作用、协调作用来完成一系列的复杂代谢过程，应该明确黄酮类天然产物与肠道微生物之间的相互作用机理。最后，应该着重地研究黄酮类天然产物在肠道菌群和免疫调节之间的代谢通路，探究其机制，明确关键因子的调控作用。随着宏基因组学、代谢组学、高通量测序技术、生物信息等工具的飞速发展，有助于查找黄酮类天然产物在生物转化过程中的关键细菌群落，肠道微生物群落与代谢之间的相互关系。进一步研究黄酮类天然产物到底在多大程度上调节肠道菌群进而影响宿主健康，对于深入了解黄酮类天然产物多成分、多靶点的作用机制、黄酮类天然产物在疾病治疗中的开发和运用具有重大意义。