热量限制对健康、衰老和疾病机体肠道菌群影响的研究进展

叶佳美，钟冬灵，李涓，张惠玲，金荣疆，张安仁

热量限制是一种在保证必要营养素，不引起营养不良的前提下减少20%～40%热量摄入的饮食方案，在此基础上，研究者探索出了新的热量限制方式，如间歇性禁食（IF）、隔日限食（EODF）、“5∶2饮食”等。自20世纪30年代以来，大量研究已经证实，热量限制是唯一已知能延长酵母、蠕虫、果蝇、啮齿类动物及非人类灵长类动物等许多生物体寿命的有效干预手段[1]，其抗炎和神经保护作用已经在脑卒中、颅脑损伤动物模型及伴有系统性炎症的患者中被证实[2-3]。在啮齿类动物中，IF或周期性禁食可防止糖尿病、癌症、心脏病和神经退行性变的发生[4]。临床研究发现，热量限制有助于改善肥胖[5]、控制血压[6]、降低类风湿性关节炎患者的炎性反应和疼痛[7]。正常机体肠道内细菌种类繁多、结构复杂，厚壁菌门和拟杆菌门是其最主要组成部分，其他还有放线菌门和变形菌门等[8]，这些微生物不断受到宿主健康状况、摄入食物的调节。不合理的饮食结构引起肠道菌群失调，导致疾病发生，如高脂高糖饮食破坏肠道菌群，在肥胖、糖尿病等代谢性疾病的发生发展中扮演了重要角色[9]。热量限制作为一种饮食干预方式，肠道菌群可能是其作用靶点之一。有研究通过对比正常饮食组和热量限制组肥胖小鼠肠道菌群差异并进行粪菌移植，发现热量限制重塑了肠道菌群，使有益菌数量增多、致病菌数量减少，利于肥胖小鼠的症状改善[10]。本文就热量限制干预对健康、衰老和疾病（包括肥胖、糖尿病、自身免疫性疾病等）状态下机体肠道菌群的影响进行综述，以期为热量限制的临床应用和推广提供微生物学证据。

1 热量限制对健康机体肠道菌群的影响

研究发现，热量限制对健康机体的促进作用与肠道菌群密切相关。KOHL等[11]比较延长禁食时间对5种脊椎动物盲肠和结肠微生物总体多样性和相对丰度的影响，结果提示，禁食诱导的微生物变化在不同物种和肠道的不同部位上存在差异。一项对水生动物的研究显示，IF明显增强了鲫鱼肠道菌群的α多样性和生态系统稳定性，其中拟杆菌、丹毒丝菌科和嗜黏蛋白阿克曼菌（akkermansia muciniphila，AKK）相对丰度增高[12]。AKK是健康人体内高度丰富的肠道微生物之一，其能将黏蛋白降解成多种代谢产物，这些产物可以作为其他细菌和宿主的能量来源，还可以调节宿主免疫反应和生物功能等[13]。临床研究也发现伊斯兰斋月禁食（IF的一种方式）可引起AKK的增多[14]。乳酸杆菌（lactobacillus）具有调节免疫和改变脂质代谢的功能，其丰度与炎性反应成反比[15]。热量限制可促使幼年大鼠肠道中乳酸杆菌迅速增多，并且持续到成年[16]。厚壁菌门和拟杆菌门占肠道微生物总量的90%以上，厚壁菌门参与宿主对膳食能量的吸收[17]，拟杆菌门负责糖类、脂肪等代谢。厚壁菌门/拟杆菌门（F/B）的变化[18]与肥胖（F/B较高）和体质量减轻（F/B较低）有关。肥胖个体厚壁菌门明显增加、拟杆菌门减少。针对啮齿类动物的研究发现，幼年大鼠从自由低脂饮食转变为热量限制饮食后，F/B降低，同时粪便微生物代谢蛋白质组学检测发现更多与脂质降解有关的酶[19]。短链脂肪酸（SCFA）是由一些肠道细菌发酵不能消化的膳食纤维和低聚糖产生的，主要包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐[20]。丁酸是肠细胞的主要能量来源，通过调节肠巨噬细胞功能，下调内毒素诱导的促炎介质，如一氧化氮（NO）、白介素6（IL-6）和白介素12（IL-12），诱导调节性T细胞分化，在抗炎和维持肠道屏障完整性方面发挥重要作用[21-23]。DAMMS-MACHADO等[24]研究发现某些产生丁酸盐的微生物菌株的生长随热量限制增加。另一项代谢蛋白质组学研究结果提示，热量限制特异性促进了丙酸生物合成酶的表达，限制了丁酸和乙酸生物合成酶的产生[19]。

以上研究中，热量限制干预后菌群变化虽然有差异，但结果均是倾向于促进有益菌的产生，造成这种差异的原因可能是实验方案设计、动物品系、饲养环境等的不同。值得注意的是，目前热量限制对健康机体肠道菌群的有益影响已在啮齿类动物、鱼类、脊椎动物等中得到验证，而转化到人类的临床试验数量有限且样本量较少，干预方法常为斋月禁食等宗教类饮食方式，关于采用其他禁食形式对健康人肠道菌群影响的研究还有待进一步探索。

2 热量限制对衰老机体肠道菌群的影响

随着年龄的增长，人类和啮齿类动物肠道菌群中，有益菌趋向减少，而促进脂质代谢和炎性反应的菌群比例逐渐占优势[25-26]，并伴随肠道屏障的损害，致肠道内有害细菌和代谢产物易进入血液循环。ZENG等[25]首次证明通过短期（2个月）饮食限制能明显逆转老年小鼠紊乱的肠道菌群，使其恢复到更平衡的结构组成，如同在年轻小鼠中观察到的那样。终生热量限制改变了小鼠肠道菌群整体结构，与寿命呈正相关的菌群（如乳酸杆菌）更加丰富，负相关的菌群减少[27]。与此一致的是，KOK等[28]也发现热量限制干预28个月的小鼠中，对结肠健康有益的细菌——双歧杆菌和乳杆菌的相对丰度增加。脂多糖结合蛋白（LBP）是一种重要的生物标志物，脂多糖（LPS）是肠道最丰富的微生物抗原，受LPS刺激，循环LBP水平可急剧升高，LBP介导LPS与CD14结合，促进炎性物质释放，诱导强烈的炎性反应[29]。2周的热量限制干预促使小鼠迅速形成以乳杆菌为主的肠道菌群，明显降低血清LBP水平，减轻与衰老相关的炎性反应[30]。ZHANG等[27]也发现，62周热量限制干预后，菌群结构改变，热量限制组比自由饮食组小鼠循环中LBP水平更低，表明热量限制对肠道菌群的调节可明显降低宿主的抗原负荷，有助于延长寿命。

综上可知，热量限制诱导肠道菌群成分的变化维持肠道内环境稳态，防止具有促炎作用的微生物代谢产物进入血液循环，在促进健康、延长寿命等方面起到积极作用。然而，目前关于热量限制与衰老机体肠道菌群的研究主要集中在动物实验，尤其是啮齿类动物，热量限制对其延缓衰老的作用已被大量报道。由于对衰老的研究持续时间长，甚至是终生干预，受试者很难长期坚持热量限制的饮食模式，这就导致该方面的临床研究缺乏，若能设计出合理且依从性更高的禁食方案将促进热量限制临床推广，对人类的健康产生积极的影响。

3 热量限制对疾病机体肠道菌群的影响

3.1 肥胖 肥胖是由能量摄入和能量消耗不平衡引起的，导致过多的能量以脂肪形式储存，肠道菌群紊乱已被报道为肥胖发病的一个重要因素[31]。临床研究中，与瘦对照组相比，肥胖者的厚壁菌门比例更高，而拟杆菌门水平更低[24]。一项最新的研究发现，以口服胶囊形式将健康的瘦受试者肠道菌群移植到肥胖者体内，6周后粪菌移植组体质指数较安慰剂组下降[32]。基础研究中，遗传性肥胖小鼠中F/B增高[33]，将肥胖小鼠的粪菌移植到无菌小鼠体内后，无菌小鼠呈现肥胖表型，而粪菌供体来自瘦小鼠的则保持身材苗条[34]。高脂肪饮食诱导的肥胖小鼠模型血液中细菌来源的含有病原相关分子化合物（即鞭毛蛋白、脂多糖）的促炎产物浓度升高[9]。

长期热量限制可使瘦者和肥胖者肠道菌群的巨大差异消失，降低肥胖者F/B，促进拟杆菌属、罗氏菌属（roseburia）、粪杆菌属（faecalibacterium）和梭菌属XIVa（clostridium XIVa）等有益微生物的生长[35]。对肥胖小鼠的研究发现，禁食引起潜在致病菌变形菌门丰度降低，而增加了AKK的丰度[36]。4周极低热量饮食提高了肥胖女性肠道屏障完整性，血浆LBP水平明显降低，系统性炎症得到缓解；16S rRNA高通量测序结果表明，肠道微生物的多样性和代谢改变，瘤胃球菌属和双歧杆菌属增加，这两个属与复杂饮食和多糖的降解有关[5]。已在动物模型中证明，白色脂肪组织褐变和褐色脂肪组织产热活性的丧失会促进肥胖的发生[37]。热量限制干预诱导肥胖小鼠代谢改善和脂肪褐变，这与脂质A（关键的LPS构建成分）生物合成所需的关键细菌酶的低表达有关[38]，具体来说，热量限制抑制了几种调节脂质A产生的关键酶，包括LpxL、LpxB、LpxA和KdtA（或WaaA），致使血浆和粪便中LPS水平明显降低[39-40]。有学者采用EODF干预肥胖小鼠，发现其改变肠道菌群，乙酸盐和乳酸盐水平升高，选择性地激活米色脂肪并上调米色脂肪细胞中单羧酸转运蛋白1的表达，明显改善肥胖、胰岛素抵抗和肝脏脂肪变性[41]。而无菌小鼠对EODF诱导的米色化具有抗性，将EODF处理过的肠道菌群移植至无菌小鼠可促进腹股沟白色脂肪米色化，增加产热并改善代谢稳态[41]。由此揭示了微生物-脂肪信号轴，为肥胖相关代谢紊乱提供了一种新的治疗方法。

综上，热量限制可通过重塑肥胖机体的肠道菌群，达到减轻体质量、改善代谢等作用。但特定的肠道靶菌群与肥胖机体炎性反应、代谢相关指标改变之间的因果关系仍需进一步探讨，以阐明热量限制通过影响肠道菌群改善肥胖的具体作用机制。

3.2 糖尿病及其并发症

3.2.1 糖尿病 2型糖尿病（T2DM）是一种慢性代谢性疾病，有研究报道，T2DM患者有肠道菌群失调的表现。李亚楠等[42]对比T2DM患者与健康受试者的研究发现，T2DM患者肠道中柔嫩梭菌、肠球菌水平明显升高，而拟杆菌与大肠杆菌水平明显降低。基础研究发现db/db（一种T2DM的遗传模型）小鼠肠道内乳杆菌属、双歧杆菌属、AKK和拟杆菌属更丰富，而颤螺旋菌属和瘤胃球菌属丰度更低[43]。CHENG等[44]的研究发现，为期8周的禁食模拟饮食（fasting-mimicking diet，FMD）使db/db小鼠的血糖水平正常化，胰岛素敏感性和β细胞功能明显改善；肠道菌群结果显示，副拟杆菌属和布劳特菌属增加，普雷沃菌属、别样杆菌属和瘤胃菌属减少；在此基础上建立的Spearman秩相关热图表明，副拟杆菌属和布劳特菌属与空腹血糖水平呈负相关，普雷沃菌属、别样杆菌属和瘤胃菌属与空腹血糖水平呈正相关[45]。由此可知，FMD对血糖的改善作用在一定程度上是由肠道菌群介导的，但具体分子信号途径尚不清楚，有待进一步研究。

3.2.2 糖尿病视网膜病变（DR） DR是糖尿病患者常出现的眼底病变，若不及时治疗，可导致严重的视力损伤甚至失明。胆汁酸作为DR的保护因素之一，主要受到厚壁菌门的调节[46]。IF干预db/db小鼠7个月后，肠道微生物发生剧烈重组，拟杆菌门和疣微菌门数量减少，厚壁菌门增加，将更多的初级胆汁酸转化为具有神经保护作用的次级胆汁酸，如牛磺酸脱氧胆酸（TUDCA），TUDCA穿过血-视网膜屏障与G蛋白耦联受体结合，阻止了DR的发展[43]。

3.2.3 糖尿病认知功能 认知功能下降是另一个影响T2DM患者生活质量的并发症，其发生与神经炎症、海马的结构和功能改变等密切相关。微生物代谢产物5-羟色胺（5-HT）、TUDCA和3-吲哚丙酸对线粒体的生物发生和功能有很好的促进作用[47]。28 d IF通过微生物-代谢物-脑轴改善了糖尿病小鼠的行为障碍，血浆5-HT、TUDCA和3-吲哚丙酸浓度升高，海马体中线粒体的生物发生和能量代谢基因表达增强，突触后蛋白（PSD-95）的增加和海马突触超微结构得到改善，此外，IF通过重塑肠道菌群维持肠道屏障完整性，降低血浆LPS水平，同时发现，IF刺激了胰岛素受体底物1（IRS1）/蛋白激酶B（Akt）信号通路及其相关细胞外调节蛋白激酶（ERK）/环磷腺苷效应元件结合蛋白（CREB）/脑源性神经营养因子（BDNF）神经营养信号，抑制了核转录因子（NF-κB）/c-Jun氨基末端激酶（JNK）炎症通路[47]，这进一步解释了IF是如何减少神经炎性反应的。而用抗生素消灭肠道菌群则部分地消除了IF的神经保护作用，由此可见，肠道菌群在其中扮演了重要的角色。

从上述研究结果可以看出，热量限制对糖尿病的改善作用部分是通过改变肠道菌群实现的。虽然已有研究发现热量限制对糖尿病并发症（视网膜病变和认知功能障碍）的改善作用与肠道菌群之间存在一定的联系，但目前处于初步探索阶段，研究数量较少，未来还需要进行大量的基础和临床研究来论证这一结论。

3.3 多发性硬化（MS） MS是一种中枢神经系统炎性脱髓鞘疾病，其病因涉及遗传和环境因素。近年来，研究发现肠道菌群也在MS的发病机制中起了关键作用，CHEN等[48]通过对比复发缓解型MS患者和健康人肠道菌群发现，MS患者拟杆菌属和普氏菌属丰度降低。实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）是公认的多发性硬化症动物模型，CHOI等[49]研究表明，FMD通过抑制EAE小鼠模型的自身免疫反应，诱导少突胶质细胞再生刺激髓鞘的形成，从而改善疾病的严重程度。IF干预促使EAE小鼠肠道中乳杆菌科、类杆菌科和普氏菌科丰度增加，移植IF干预的粪菌改善了正常饮食的EAE小鼠症状，为将动物实验结果进行临床转化，该研究者进行了一项针对复发型MS患者的小型研究，仅仅15 d的IF可引起肠道微生物群的变化，与在EAE小鼠中观察到的相似[50]，但该研究纳入病例少，干预时间短，无法采用盲法，因此有必要在更大的临床试验中进行验证。

微生物代谢途径分析表明，IF诱导的肠道菌群变化增加了酮类的形成和谷胱甘肽的代谢，促使抗氧化能力增强；此外，IF还直接影响肠道固有层T细胞的组成，减少产生IL-17的T细胞，增加调节性T细胞的数量，这些效应可能会调节全身免疫反应[50]。由此可见，IF的免疫调节作用至少部分是由肠道微生物群介导的。

3.4 炎症性肠病（IBD） IBD是一种以胃肠道炎症为特征的免疫介导性疾病，肠道菌群失调可能促进了IBD的发病，因为炎症常位于细菌最丰富的回肠末端或结肠[51]。IBD患者肠道菌群的特点是微生物多样性减少，厚壁菌门和拟杆菌门丰度降低，变性菌门丰度增高[52]，与健康者相比，SCFA浓度降低[53]。随着对IBD潜在机制的深入了解，基于对肠道菌群和免疫系统调节的饮食干预疗法受到越来越多的关注。周期性FMD减少了右旋糖酐硫酸酯钠诱导的慢性IBD小鼠模型的肠道炎症，肠道干细胞数量增加，逆转了肠道缩短，同时刺激保护性肠道微生物群（乳杆菌和双歧杆菌）的生长，移植经FMD处理的IBD小鼠的乳酸菌或粪便微生物群至正常饮食IBD小鼠中可达到同样的治疗效果；临床试验也发现，3个FMD周期降低了IBD患者全身炎症相关的标志物[54]。这些结果表明，周期性的FMD有望成为临床治疗IBD的一种合理的方法，但仍需大样本、高质量的随机临床试验进行验证。

3.5 肿瘤 肿瘤是世界范围内危害公众健康的主要疾病之一，治疗方法常采用化疗和/或放射治疗、手术切除、免疫治疗等，但这些均会产生不良反应。氨甲蝶呤（MTX）是一种典型的化疗药物[55]，广泛应用于各种恶性肿瘤和自身免疫性疾病的治疗，胃肠道毒性是其最突出的副作用，严重影响患者的预后。MTX治疗引起损伤肠道的细菌增多，16S rRNA高通量测序分析显示，为期2周30%饮食限制明显增加给予致死剂量MTX的2月龄雌性小鼠肠道有益菌——乳酸杆菌属的丰度，减轻了肠道炎症，保护了肠道干细胞功能，提高小鼠的存活率[56]。广谱抗生素对肠道菌群的杀灭完全消除了饮食限制的保护作用，采用鼠李糖乳杆菌灌胃可模拟饮食限制的作用[56]，其他研究也发现益生菌干预可减轻化疗的副作用，如降低腹泻发生率[57]。因此，饮食限制可能通过增加小鼠肠道内保护性菌群的丰度来减轻大剂量MTX对肠道造成的损伤。环磷酰胺（CTX）也是一种广泛应用的化疗药物，黏膜炎是其常见副作用。与自由饮食的小鼠相比，热量限制小鼠对CTX的反应表现为黏膜炎减少，这与较少的上皮损伤、降低的肠道通透性、减少的细菌移位、增加的肠上皮干细胞数量有关，进一步分析发现，热量限制维持了肠道菌群的稳定，乳杆菌科和毛螺菌科（Lachnospiraceae）丰度增高，已知这两种微生物具有减轻炎症和改善肠道屏障功能的作用[58]。以上这些研究表明CR减轻化疗药物不良反应可能是通过改变肠道菌群的组成实现的，具体作用机制还需进一步研究，但这为减轻癌症患者的化疗副作用提供了新的思路。

4 总结与展望

综上所述，肠道菌群与疾病的发生发展有着密切联系，热量限制作为一种极具潜力的饮食干预疗法，其通过重塑肠道菌群，创建一个更加强大的微生物群落，减少有害细菌代谢产物的生成和入血来维持机体健康，改善疾病的病理表现。现有的研究大多集中在动物实验阶段，而动物实验的结果尚不能完全反映人体的实际情况，因此学者们一直致力于将热量限制的研究成果推广到临床中，但患者在热量限制干预过程中存在依从性不高等情况，导致临床试验数量十分有限并且样本量较小。除此之外，虽然不同形式的热量限制方案的有效性已被证明，但目前尚没有一个统一的热量限制标准，这限制了其在动物和临床试验中的广泛应用和研究，未来有必要探索出更合适、安全、有效和可推广的热量限制方案。本综述为热量限制的临床转化提供了新的思路，未来的研究可从微生物角度出发，提取热量限制干预后的肠道菌群，通过粪菌移植、微生物制剂、热量限制模拟药物等方式应用到临床疾病的治疗中。

作者贡献:叶佳美负责文章的构思和设计、文献的收集和整理、论文的撰写；叶佳美、钟冬灵、李涓、张惠玲负责论文的修订；金荣疆和张安仁负责文章的质量控制和审校，并对文章整体负责，监督管理。

本文无利益冲突。