猴头菇多糖结构及调节肠道菌群作用研究进展

朱佳敏,武艺,赵琳静*,沈凡妮,曹婷苇,刘晓会,刘锡建,李洪森,李琦,冯美卿

1(上海工程技术大学 化学化工学院,上海,201620)2(上海雷允上药业有限公司,上海,201401) 3(复旦大学 药学院,上海,201203)

人体肠道中寄生有约100万亿微生物,是一个复杂的生态系统。作为人类“第二基因组”, 肠道菌群可参与调节宿主代谢和免疫,对维护宿主健康具有重要作用[1-2]。目前,已鉴定的肠道微生物群包含拟杆菌门 (Bacteroidetes)、厚壁菌门 (Firmicutes)、放线菌门 (Actinobacteria)、变形菌门 (Proteobacteria)、疣微球菌门(Verrucomicrobia)等几十个门,其中拟杆菌门和厚壁菌门占肠道菌群的90%以上。健康的肠道菌群具有稳定和多样化的物种结构。现代社会饮食和生活方式的改变、抗生素滥用等导致肠道微生物群稳态失调和功能变化,与许多疾病的发生密切相关[3]。

猴头菇(Hericiumerinaceus),又名猴头菌、猴蘑等,是齿菌科(Hydnaceae)猴头属的一种高等真菌[4]。猴头菇性平味甘,具有“助消化、利五脏”作用,作为一种名贵的药食兼用菌,在我国及其他亚洲国家已经有两千多年的历史。猴头菇主要含有多糖、蛋白质、维生素、矿物质和膳食纤维等成分,其中,猴头菇多糖作为一种新型益生元,近年来受到了越来越多关注[5]。本文总结了不同来源猴头菇多糖的结构特征及其对肠道菌群多样性的影响,综述了猴头菇多糖在调节免疫、抗炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)、影响神经系统、抗肥胖、降胆固醇及抗幽门螺杆菌等方面的功效及可能机制,并阐述了其在药品、保健品及功能性食品领域的应用现状和前景,为猴头菇多糖调控肠道微生物稳态的深入探索提供了理论依据,也为该类益生元制剂的开发利用提供了参考。

1 猴头菇多糖的结构特征及对肠道菌群组成的影响

1.1 猴头菇多糖的结构特征

自上世纪70年代猴头菇多糖的结构被首次报道以来[6],国内外研究人员在其分离和结构鉴定方面进行了大量工作。通过整合化学分析、色谱和光谱技术等方法,目前已从人工培养或野生的猴头菇子实体、菌丝体和发酵培养液中分离和鉴定了许多不同结构的多糖。HE等[7]系统综述了已报道的三十余种猴头菇多糖的结构,提供了有关其分子质量、单糖组成、糖基连接方式等信息。

从猴头菇子实体、菌丝体和发酵培养液中得到的多糖在结构上具有不同特征。从猴头菇子实体中分离的多糖通常是由葡萄糖(glucose,Glc)、木糖(xylose,Xyl)、鼠李糖(rhamnose,Rha)、甘露糖(mannose,Man)、岩藻糖(fucose,Fuc)、半乳糖(galactose,Gal)、阿拉伯糖(arabinose,Ara)等2种或2种以上单糖组成的杂多糖,分子质量约为13～1 000 kDa[7-8]。如,LIU等[9]从猴头菇子实体中分离得到猴头菇多糖HEFP-2b,主要由岩藻糖、半乳糖、葡萄糖和甘露糖组成,分子质量为32.52 kDa,具有→6)-α-D-Glcp-(1→和→4)-β-D-Galp-(1→和→3,6) -α-D-Manp骨架以及(1→和→6)-β-D-Galp、(1→和→4)-α-D-Manp支链单元,末端残基为葡萄糖和岩藻糖。LIAO等[10]也报道了一种新型猴头菇多糖HEPN,分子质量为12.714 kDa,主要由甘露糖(5.13%)、葡萄糖(43.02%)和半乳糖(51.85%)组成,含有(1→)-Glc、(1→4)-Glc、(1→6)-Glc、(1→6)-Man、(1→3,6)-Man以及(1→6)-Gal 6种连接方式。从猴头菇子实体中也发现了多种仅由葡萄糖组成的葡聚糖。有些来自猴头菇子实体的多糖还与蛋白质相结合[11-12],如含有β-(1→3)和(1→6)糖苷链的半乳糖基葡聚糖蛋白和木聚糖蛋白。此外,不同提取方法对猴头菇多糖结构也具有影响。通过微波法提取得到的猴头菇多糖主要为(1→3)-β-D-葡聚糖,而传统热水提取法得到的猴头菇多糖主要为(1→6)-β-D-葡聚糖以及低分子质量岩藻半乳聚糖[13-14]。

与子实体不同的是,猴头菇发酵菌丝体纯化得到的多糖主要是杂多糖和糖蛋白[15]。组成多糖的单糖主要是阿拉伯糖、木糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖。SHAO等[16]从猴头菇菌丝体中分离得到一种新型猴头菇多糖EP-1,分子质量约为3.1 kDa,具有α-D-Glc(1→3)和β-D-Glc(1→3)骨架结构,C-4位置连接有β-D-Glc(1→3)和α-D-Gal-(1→3)支链,末端残基为α-D-Man。CUI等[17]从猴头菇菌丝中分离得到一种分子质量为14.4 kDa的酸性β-糖蛋白,蛋白/多糖比为10∶1,含有D-葡萄糖、L-鼠李糖、D-半乳糖、D-甘露糖,主链由(1→4)连接的半乳糖残基和葡萄糖残基构成。关于猴头菇发酵菌丝体分离的均多糖的报道较少。

从猴头菇培养液中纯化得到的胞外多糖通常是杂多糖、葡聚糖和甘露聚糖。LEE等[18]从采用乙醇沉淀法从猴头菇培养液中提取到一种水溶性粗多糖,通过DEAE纤维素离子交换色谱和琼脂糖凝胶渗透色谱分离,得到一种低分子质量多糖HEB-AP Fr I,具有β-1,3支链-β-1,2-甘露聚糖结构。SHANG等[19]采用超滤和凝胶渗透色谱方法,从猴头菇发酵浓缩液中分离得到一种分子质量为46.9 kDa的均多糖,结构为无支链的α-D-葡聚糖,重复单元为{[-(1→4)Glu]3-(1→6)Glu}n。

1.2 猴头菇多糖对肠道菌群组成的影响

猴头菇多糖结构复杂,对肠道菌群的调节作用差异很大。迄今为止,关于猴头菇多糖对肠道菌群组成的影响研究尚处于起步阶段,猴头菇多糖结构与肠道菌群组成之间的关系尚未得出明确结论。表1总结了已报道的猴头菇多糖结构及对肠道菌群的影响。

表1 猴头菇多糖的来源、结构及对肠道菌群的影响Table 1 The sources and structural features of H.erinaceus polysaccharides and their influences on gut microbiota

综上,猴头菇多糖对肠道菌群的调节作用与其分子质量、单糖组成、糖苷键类型、分支度、官能团以及形成复合物等密切相关。葡萄糖、甘露糖、半乳糖、岩藻糖、木糖、阿拉伯糖、鼠李糖等是最常见的单糖,且(1→3)、(1→6)和(1→4)连接出现频率最高。然而,能够刺激特定肠道细菌的多糖结构及其水解后的特征多糖谱尚不明确,阻碍了该领域的进一步研究。因此,围绕肠道菌群调控作用的猴头菇多糖的构效关系研究亟待深入。

2 猴头菇多糖调节肠道菌群的功效与机制

猴头菇多糖可通过影响宿主肠道菌群组成和代谢发挥多种健康促进作用,其益生功效涉及调节免疫、抗炎症性肠病、影响神经系统、抗肥胖、降胆固醇、抗幽门螺杆菌等多个方面。猴头菇多糖通过促进肠道益生菌增殖、抑制致病菌生长、增加短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA)生成、增强肠道免疫及激活特定信号通路等途径发挥作用。

2.1 免疫调节作用

越来越多研究表明真菌多糖对人体免疫系统具有显著的低毒或无毒作用。真菌多糖可以激活免疫相关细胞,促进细胞因子和趋化因子的产生,在免疫调节中发挥多种作用。猴头菇多糖是一种潜在的天然免疫调节剂,可通过NF-кB、MAPK和PI3K/Akt信号通调节免疫功能。免疫荧光染色显示,猴头菇多糖的酶解产物可显著促进巨噬细胞对NO、CD40和CD86的吞噬作用,增强环磷酰胺诱导免疫抑制小鼠的免疫调节功能[24]。小鼠巨噬细胞(RAW264.7)和人肠上皮细胞系(Caco-2)模型也显示,猴头菇多糖能促进NO、IL-6、IL-10、TNF-α的产生,提高免疫活性[26]。对小鼠、犬及人的肠道菌群的研究均表明,猴头菇多糖可显著改变肠道微生物多样性和丰富度,提高产SCFA细菌含量。

SCFA是肠道微生物发酵膳食纤维的最终产物,是联系肠道菌群与宿主的重要桥梁。SCFA具有改善肠道黏膜屏障、刺激免疫抑制细胞因子生成的作用[31],是调节和维持宿主免疫系统的信号分子[32]。SCFA中的乙酸、丙酸和丁酸可抑制促炎细胞因子的产生,激活Treg细胞,对改善慢性炎症性疾病具有重要作用[33]。乙酸和丁酸还可通过激活GPR41和GPR43,抑制组蛋白脱乙酰酶活性,发挥抗炎作用[8]。猴头菇多糖能显著提高环磷酰胺诱导的免疫抑制小鼠模型的产SCFA细菌水平[34]。此外,猴头菇多糖与微纳米技术相结合或特定分子的功能化将通过靶向递送、增加肠道通透性等提高其免疫调节作用。例如,多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs)封装猴头菇多糖可有效调节小鼠免疫应答反应,显著提高免疫球蛋白水平,促进脾脏淋巴细胞活化[35];硒化猴头菇多糖的聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米颗粒可增强猴头菇多糖的免疫活性,显著增强巨噬细胞吞噬作用以及CD40和CD86的表达[36]。

2.2 IBD

肠道菌群紊乱可导致宿主肠道黏膜屏障破坏,增加脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)分泌。LPS通过肠系膜静脉进入循环系统,作用于靶器官和组织,引起肠道炎症,甚至诱发癌变[37]。研究表明,猴头菇多糖可逆转IBD、溃疡性结肠炎(ulcer colonitis, UC)等实验动物模型的肠道菌群紊乱,显著增加肠道中抗炎细菌丰度,如乳杆菌、拟杆菌(Bacteroides)、双歧杆菌、普雷沃氏菌(Prevotella)等,降低促炎细菌和病原体水平,如棒状杆菌(Corynebacterium)、瘤胃球菌(Ruminococcus)、葡萄球菌(Staphylococcus)、肠杆菌属(Enterobacter)、弯曲杆菌(Campylobacter)、志贺氏菌(Shigella)等,维护肠道屏障的完整性。乳酸杆菌可通过调节肠道菌群、刺激自然杀伤细胞(NK细胞)、巨噬细胞和T淋巴细胞缓解葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎[38]。短双歧杆菌通过降低肿瘤坏死因子TNF-α、白细胞介素IL-1β、IL-6水平及恢复肠道菌群平衡改善结肠炎症状[39]。钟千贵等[40]在体外考察了不同浓度猴头菇多糖对保加利亚乳杆菌(Lactobacillusbulgaricus)、青春双歧杆菌(Bifidobacteriumadolescentis)、嗜热链球菌(Streptococcusthermophilus)3种胃肠道益生菌生长的影响,并体外模拟人胃和肠道环境分析了猴头菇多糖对这3种菌在胃肠道模拟环境中的生长影响,结果表明,0.3%～0.5%(体积分数)的猴头菇多糖可促进胃肠道益生菌的生长,而7%(体积分数)的猴头菇多糖可提高益生菌对胃肠道消化液的耐受性。猴头菇多糖也可显著提高溃疡性结肠炎大鼠模型的乙酸和丁酸水平。

2.3 对神经系统疾病的作用

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)患者的肠道菌群与健康人不同,厚壁菌门数量减少,拟杆菌门增加,双歧杆菌减少,一些肠道细菌在属水平上的变化与AD脑脊液中的生物标志物存在显著相关[41]。LIU等[42]的研究发现,与健康人相比,遗忘性轻度认知障碍及痴呆患者的粪便微生物多样性降低,临床AD严重程度评分与微生物组改变之间存在显著相关,变形菌门中的γ -变形杆菌、肠杆菌目(Enterobacteriales)等促炎细菌的富集与AD患者相关。肠道菌群降解多糖产生的SCFA不仅能维持肠道屏障功能和肠道稳态,还能直接或间接影响脑功能。丙酸可增加肠来源的调节性T细胞数量,进一步通过增加髓鞘合成对中枢神经系统产生影响[43]。猴头菇提取物有助于维持肠道菌群的稳定性和多样性,促进厚壁菌门和变形菌门的比例平衡,增加乳杆菌(Lactobacillus)等益生菌以及阿克曼菌属(Akkermanisa)等具有抗炎作用的细菌数量,减少肠杆菌科(Enterobacteriaceae)等机会致病菌数量,调节宿主代谢和胰岛素水平,减缓AD进展。此外,CHENG等[44]报道了分子质量分别为1.7×105、1.1×105Da 的2种猴头菇多糖(HEPS)对淀粉样蛋白β诱导的大鼠嗜铬细胞瘤细胞(PC12)的神经毒性具有保护作用。猴头菇多糖可清除活性氧,减少磷酸化p38 MAPK/CHOP参与内质网应激信号通路介导的神经元死亡[45]。

2.4 抗肥胖和降胆固醇

最近的研究表明,β-葡聚糖可被肠道微生物组发酵成具有免疫调节活性的SCFA[46]。由表2可知,猴头菇多糖可降低血清总胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白胆固醇及肝脏胆固醇水平,提高血清高密度脂蛋白胆固醇水平以及粪便胆汁酸、SCFA(特别是丙酸和丁酸)含量。猴头菇多糖可显著减少氧化应激损伤,增加益生菌,降低肠杆菌等有害菌相对丰度,降低病原体感染。猴头菇多糖通过影响SCFA代谢,调节肝脏和血液中血脂水平,从而降低腹部和肝脏脂肪含量。

表2 猴头菇多糖调节肠道菌群的功效与可能机制Table 2 Effects and potential mechanisms of H.erinaceus polysaccharides by regulating gut microbiota

2.5 抗幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)

肠道微生物群可能是抗H.pylori感染治疗的潜在靶点[47]。H.pylori感染可改变结肠pH值,使拟杆菌门丰度减少,厚壁菌门和变形菌门增加,引起脱硫弧菌(Desulfovibrio)、普雷沃氏菌、嗜血杆菌(Haemophilus)、拟杆菌、副萨特氏菌 (Parasutterella)、阴沟肠杆菌(Enterobactercloacae)等变化[48-49]。H.pylori感染也可通过改变胃肠道激素分泌重塑肠道代谢,并影响肠道微生物组[50]。H.pylori感染肠道中唾液乳杆菌(Lactobacillussalivarius)的增加和嗜酸乳杆菌(Lactobacillusacidophilus)的减少,与胃酸分泌减少有关[51]。猴头菇多糖对H.pylori有较强抑制作用[52]。ZHU等[29]发现Bi3+-猴头菇多糖(BiHEP)复合物与枸橼酸铋钾有相似的抗H.pylori活性,可减少铋中毒风险及铋剂引发的癫痫、肌阵挛等不良反应。迄今为止,关于猴头菇多糖通过调节肠道菌群组成及其代谢发挥抗H.pylori感染作用尚未见报道,本课题组在此方面进行了系统性工作,研究结果正在整理报道。

3 猴头菇多糖的应用

由于猴头菇多糖的健康促进作用,目前已开发出多种含猴头菇多糖的药品、保健品及功能食品。表3列举了部分已获公开的发明专利。一些含有猴头菇多糖的复合真菌多糖制剂以及中药复方制剂被用作保护胃黏膜、治疗萎缩性胃炎和抗幽门螺杆菌感染的药物或保健产品。王利丽等[62]报道了鲜猴头菌口服液能显著增强小鼠学习记忆能力,提高免疫抑制小鼠细胞免疫应答水平,并对由糖尿病引起的体重下降有改善作用。猴头菇多糖也用于制备具有减肥降脂功效的营养代餐粉,以及能够改善胃肠功能的乳酸菌制剂、固体饮料、咀嚼片及压片糖果等,具有养护胃肠、加速代谢、提高机体免疫力等作用,具有良好的市场应用前景。

表3 猴头菇多糖益生作用的应用Table 3 Applications of H.erinaceus polysaccharides in probiotics

同时,猴头菇多糖在功能性饲粮开发上也有良好的应用前景。在饲粮中添加猴头菇多糖能改善营养物质利用,促进肉仔鸡生长[59];同时,可以降低肉仔鸡肝脏和腹部胆固醇沉积,降低血清总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白胆固醇水平,提高高密度脂蛋白胆固醇水平,用于生产低胆固醇和低脂肪鸡肉[58,61]。含有猴头菇多糖的饲粮可以通过提高肉仔鸡肠道益生菌丰度,如双歧杆菌、乳酸菌、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis) 等,抑制大肠杆菌生长,增加抗氧化和抗炎活性,降低病原体感染风险[60]。

4 结论与展望

猴头菇多糖不能在胃和小肠中分解,很难被人体吸收,只能通过大肠内微生物发酵。本文总结了猴头菇多糖的结构和对肠道菌群组成的影响,综述了猴头菇多糖通过影响宿主肠道菌群多样性及其代谢等途径发挥健康促进作用的机制与应用研究进展。然而,猴头菇多糖调节肠道菌群的构效关系及机制研究尚处于起步阶段,肠道菌群对猴头菇多糖的代谢作用也尚未见报道。未来,关于猴头菇多糖调节肠道菌群产生的代谢物对促进宿主健康的作用值得进一步深入探讨。高质量的临床试验以及通过宏基因组学、代谢组学、脂质组学等系统生物学方法进一步挖掘其潜在分子机制,并进行深入实验验证,将有助于系统阐明猴头菇多糖的健康促进作用机制。此外,设计由猴头菇多糖和其他成分如猴头菇活性蛋白[63-64]组成的复合配方,通过靶向多种作用途径和维护肠道微生物稳态,可能对相关疾病预防和管理起到协同作用。