多酚通過腸道菌群調(diào)節(jié)能量代謝研究進(jìn)展

肖俊松，單靜敏，曹雁平*，王成濤，許 楠

(北京工商大學(xué) 食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，食品風(fēng)味化學(xué)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

多酚通過腸道菌群調(diào)節(jié)能量代謝研究進(jìn)展

肖俊松，單靜敏，曹雁平*，王成濤，許 楠

(北京工商大學(xué) 食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，食品風(fēng)味化學(xué)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

多酚是一類植物次生代謝產(chǎn)物，廣泛存在于人類膳食中，一般可分為3大類：酚酸類、聚合單寧類和黃酮類。多酚以及其被腸道菌群代謝的產(chǎn)物，能選擇性調(diào)節(jié)腸道中易感微生物的生長，選擇性的促進(jìn)有益菌群(如乳酸菌)生長，抑制有害菌的增殖，也即引發(fā)腸道微生態(tài)的改變。這種改變對宿主產(chǎn)生重要影響，對宿主能量代謝的影響可能通過如下實(shí)現(xiàn)：1)腸道內(nèi)微生物數(shù)量和種類的變化，改變微生物代謝及產(chǎn)酶的種類和數(shù)量；2)多酚代謝產(chǎn)物還可與細(xì)菌細(xì)胞表面作用，抑制酶的活性，從而影響能量代謝，減少脂肪沉積；3)多酚通過干預(yù)人體腸道菌群調(diào)整能量代謝，為預(yù)防和治療肥胖及相關(guān)性疾病提供了新的研究思路。本文對多酚調(diào)整腸道菌群從而影響肥胖發(fā)生的作用機(jī)制進(jìn)行了綜述。

多酚；腸道菌群；能量代謝

多酚是一類廣泛存在于植物中次生代謝產(chǎn)物，因而也廣泛分布于人類膳食如葡萄酒、茶葉、咖啡、可可，以及各種蔬菜和水果中。多酚具有多種生理活性，但是多酚絕大部分難以直接進(jìn)入體內(nèi)，而是在人體腸道中被腸道菌群降解。這提示多酚發(fā)揮生理活性作用，部分可能是通過調(diào)節(jié)腸道菌群來實(shí)現(xiàn)的。目前關(guān)于多酚對腸道菌群微生態(tài)的影響已經(jīng)有部分綜述，多酚如何通過腸道菌群這個媒介，發(fā)揮其生理功能亦有部分研究，但目前尚缺乏這方面的綜述。因此，本文擬對目前關(guān)于這個方面的研究，進(jìn)行初步的歸納和整理。

1 多酚及其多種生理功能

多酚目前一般被分為3大類[1]：1)小分子的酚酸類物質(zhì)(phenolic acid)，如水楊酸、桂皮酸、對羥基桂皮酸、咖啡酸、阿魏酸、綠原酸等；2)單寧(tannin)，為多酚的聚合物，分為縮合單寧和水解單寧，前者是由黃烷醇類物質(zhì)通過C4－C6或C4－C8鍵連接而成的不同聚合度的多酚，也稱為原花色素，后者由沒食子酸或鞣花酸與葡萄糖等糖類上的羥基成酯而形成；3)黃酮類(flavonoid)，一類為植物色素之一的花色苷(anthocyanin，為花色素anthocyanidin的糖苷)，另一類則為狹義的黃酮及其糖苷，苷元有黃酮(flavone)、黃酮醇(flavonol)、二氫黃酮(flavanone)、二氫黃酮醇(flavanonol)、黃烷-3-醇(flavan-3-ol)、黃烷-3,4-二醇(flavan-3,4-diol)、異黃酮(isoflavone)、二氫異黃酮(isoflavonone)、查兒酮類(chalcone)、橙酮類(aurone)等。

多酚可以保護(hù)心腦血管、神經(jīng)、抑制癌細(xì)胞增殖、降低炎癥反應(yīng)，這些方面已經(jīng)積累了大量研究[2]。然而，多酚這些功能的作用機(jī)制仍有待于進(jìn)一步的闡述。目前的機(jī)理研究著眼于如下幾個方面[3-6]：1)清除自由基和抗氧化功能，如保護(hù)和促進(jìn)人體自身抗氧化物質(zhì)如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)的再生，抑制低密度脂蛋白氧化從而降低動脈粥樣硬化的風(fēng)險，抑制細(xì)胞膜氧化從而保持細(xì)胞膜完整性，猝滅呼吸過程中電子傳遞鏈產(chǎn)生的活性氧類(reactive oxygen species，ROS)，抑制DNA的氧化，調(diào)節(jié)體內(nèi)氧化還原平衡，減少有害的氧化終端產(chǎn)物積累而預(yù)防多種可能因體內(nèi)氧化應(yīng)激(oxidative stress)導(dǎo)致的急性和慢性疾病，如急性胃潰瘍、心肌缺血再灌注損傷、Ⅱ型糖尿病、慢性炎癥、老年癡呆和某些癌癥等；2)對細(xì)胞的保護(hù)作用和細(xì)胞毒作用，前者是因?yàn)槎喾颖Ｗo(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激導(dǎo)致的損傷，后者則存在較多不同甚至互相沖突的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這與多酚濃度、結(jié)構(gòu)、體外培養(yǎng)的細(xì)胞培養(yǎng)基有關(guān)；3)影響細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)；4)影響基因表達(dá)；5)抑制關(guān)鍵酶的活性。

2 多酚的吸收、代謝部位決定其可能通過腸道菌群發(fā)揮其生理功能

多酚上述功能在體內(nèi)能否實(shí)現(xiàn)，需要研究其在體內(nèi)的吸收、代謝和生物利用度，這方面已經(jīng)有比較多的研究和相關(guān)的綜述。除了非糖基化酚醛化合物如單體黃烷-3-醇、原花青素二聚體等可直接在小腸被吸收[7]，大約有90%～95%的多酚未被小腸吸收，而是進(jìn)入結(jié)腸[8]，經(jīng)過腸道微生物代謝。如水解單寧就是微生物分泌的單寧酶作用于單寧分子中的酯鍵，使之降解成鞣花酸和葡萄糖，且微生物還可繼續(xù)分泌其他酶，將其進(jìn)一步降解為芳香族脂肪酸等小分子物質(zhì)[9]。多酚類物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，代謝產(chǎn)物也不同。如黃酮類化合物經(jīng)腸道微生物代謝C環(huán)斷開，生成A環(huán)為主體的羥基芳香化合物及B環(huán)酚酸類物質(zhì)；黃酮醇經(jīng)代謝C環(huán)開裂，生成3,4或3,5-二羥基苯乙酸[7]。

3 腸道菌群異常是肥胖的原因而不是結(jié)果

人體腸道是機(jī)體最大的菌庫，生存著約400余種細(xì)菌，共約1013～1014個，大約是體細(xì)胞的10倍，而它所包含的基因總量至少是人體自身基因的100倍。腸道菌群基因構(gòu)成人體“腸道元基因組”(gut metagenome)，而寄居于人體內(nèi)數(shù)萬億的微生物基因組基因與人體自身基因組基因共同構(gòu)成了人體“宏基因組”(metagenomic)。如此數(shù)量龐大的微生物群體，通過長期與宿主的共同進(jìn)化，為宿主提供了本身不具備的酶系和生化代謝通路。Eckburg等[10]通過比對分析16S rDNA序列發(fā)現(xiàn)，成人腸道菌群中細(xì)菌有9個門。Ley等[11]通過對小鼠遠(yuǎn)端腸道菌群的5088個細(xì)菌進(jìn)行16S rRNA序列分析得知，人體腸道菌群中的優(yōu)勢菌群細(xì)菌門類為擬桿菌門(Bacteroidetes)和厚壁菌門(Firmicutes)，約占90%以上[12]。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)腸道菌群組成結(jié)構(gòu)一般繼承于母親，無論是否存在親緣關(guān)系的肥胖小鼠與瘦小鼠相比腸道菌群中擬桿菌門數(shù)量下降50%，而厚壁菌門比例相應(yīng)上升。這說明腸道菌群結(jié)構(gòu)異常與肥胖的發(fā)生存在一定的相關(guān)性。

肥胖發(fā)生的原因較復(fù)雜，其發(fā)生與腸道菌群結(jié)構(gòu)有一定的相關(guān)性。腸道菌群與人體共生，是機(jī)體能量攝入的主要場所，與人體的能量代謝、儲存密切相關(guān)，而肥胖作為一種長期能量失衡的結(jié)果，其產(chǎn)生與腸道菌群有關(guān)。Turnbaugh等[13]將人糞便中的微生物移植至無菌小鼠體內(nèi)，研究飲食、環(huán)境等因素對移植后的小鼠(Humanized mice)腸道菌群的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，飲食變化會改變腸道菌群的代謝途徑和微生物基因的表達(dá)，如高脂膳食導(dǎo)致腸道厭氧菌因營養(yǎng)缺乏、生存環(huán)境惡化而數(shù)目下降，短鏈脂肪酸生成減少，從而對血脂的調(diào)節(jié)功能受抑[14]。所以通過調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)可干預(yù)腸道的微生態(tài)環(huán)境，調(diào)節(jié)腸道菌群的代謝途徑和微生物基因表達(dá)。

近些年研究表明，腸道菌群異?？赡苁欠逝值陌l(fā)生的原因。Martin等[15]以小鼠為模型，采用自上而下的系統(tǒng)生物學(xué)的方法揭示了哺乳動物宿主代謝譜與其腸道菌群結(jié)構(gòu)有著顯著的相關(guān)性，并推導(dǎo)出一個跨基因圖模型顯示了人類嬰兒菌群有一個非常簡單的微生物組/代謝組關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，直接影響宿主的脂類代謝能力。2006年，Turmbaugy[16]、Ley[17]等通過小鼠及人類志愿者實(shí)驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)肥胖與腸道菌群中的厚壁菌門和擬桿菌門菌類有關(guān)，它們影響著腸道菌群代謝潛力，比起瘦型小鼠(ob/+，+/+)，遺傳性肥胖小鼠(ob/ob)腸道菌群具有增加從食物中獲取能量的能力。對人體的研究也獲得了與動物實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果。將12名患者隨機(jī)分配，分別采用低脂肪含量和低碳水化合物含量飲食，1年中通過16S rRNA對其糞便中微生物進(jìn)行監(jiān)測，隨著體質(zhì)量的下降，他們腸道中擬桿菌門細(xì)菌的豐度逐漸升高。

4 多酚調(diào)節(jié)腸道菌群抑制肥胖及其機(jī)制

4.1 多酚調(diào)整因高脂膳食誘導(dǎo)的腸道菌群失衡

高脂膳食會影響腸道菌群的生態(tài)平衡，導(dǎo)致正常的腸道菌群紊亂。高脂膳食中脂類成分較多，是腸道菌群養(yǎng)料來源(主要是未被小腸消化吸收的碳水化合物)減少，腸道菌群失調(diào)，并且脂類代謝的副產(chǎn)物如次級膽酸、硫化氫等會破壞菌群賴以生存的微環(huán)境[18]。通過分子生物學(xué)手段可明顯看出正常飲食大鼠與高脂飲食大鼠腸道菌群存在顯著性差異[19]。高脂膳食有助于增加大、小鼠腸道內(nèi)G－/G+細(xì)菌比率，增加球狀索菌(Clostridium coccoides)、大腸桿菌(E.coli)的數(shù)量，減少雙歧桿菌(Bifidobacteriumspp.)和乳桿菌(Lactobacillaceae)的數(shù)量[20-21]。不同的多酚及其代謝產(chǎn)物對腸道菌群的作用不同，如茶多酚對產(chǎn)氣莢膜梭菌(C.perfringens)、金黃色葡萄球菌(Staphyloccocus aureusRosenbach)及副溶血弧菌(Vibrio parahaemolyticus)都有抑制作用，綠茶的甲醇提取物可選擇性增強(qiáng)雙歧桿菌(Bifidobacteriumspp.)的生長[22-23]，多酚代謝產(chǎn)物3-苯基丙酸、4-羥基苯乙酸等能夠抑制腸道中葡萄球菌(Staphylococcusspp.)和沙門氏菌(Salmonellaspp.)，單體黃烷-3-醇能夠促進(jìn)乳酸菌(Lactobacillusspp.)的增殖，抑制腸桿菌和梭狀芽孢桿菌(Clostridiumspp.)，白藜蘆醇可促進(jìn)乳酸菌(Lactobacillusspp.)和雙歧桿菌(Bifidobacteriumspp.)的生長，抑制大腸桿菌(E.coli)[24-25]。多酚對腸道微生物的作用還可以通過阻斷細(xì)胞膜電子鏈的傳送和氧化磷酸化作用來完成。Jones等[26]研究發(fā)現(xiàn)，單寧能導(dǎo)致多種細(xì)菌表面形態(tài)變化，從而影響細(xì)菌正常的生長和分化。多酚對腸道菌群的影響機(jī)制較為復(fù)雜，采用分子生物學(xué)手段進(jìn)行分析[27-28]，其最直觀也是主要的表現(xiàn)在于菌群種類和數(shù)量的改變。伴隨腸道微生物種類和數(shù)量的變化，菌群的多樣性和功能性隨之發(fā)生變化。

4.2 多酚影響腸道菌群Fiaf表達(dá)影響脂肪代謝

多酚改變腸道菌群的種類和數(shù)量，影響機(jī)體能量的存儲。腸道微生物可促進(jìn)亞油酸吸收、促進(jìn)膽固醇向類固醇轉(zhuǎn)變及膽汁酸脫飽和等作用，對腸道在脂類消化和吸收中具有重要的干預(yù)效應(yīng)[29]。Backhed等[30]研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物通過調(diào)控甘油三酯在脂肪細(xì)胞存儲的重要因子-Fiaf(一個循環(huán)脂蛋白脂肪酶抑制劑)的表達(dá)而影響甘油三酯在脂肪細(xì)胞的存儲。甘油三酯通過脂蛋白脂肪酶(LPL)的中介作用，從肝臟進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)而被脂肪細(xì)胞吸收，腸上皮細(xì)胞能產(chǎn)生禁食誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞因子Fiaf，而腸道菌群能夠調(diào)控Fiaf的表達(dá)。腸道微生物還能夠促進(jìn)腸道葡萄糖的吸收以及血清中葡萄糖和胰島素的含量，影響兩種基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子Ch-REBP(碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白)和SREBP-1(固醇反應(yīng)元件結(jié)合蛋白)，從而影響肝臟脂肪從頭合成的關(guān)鍵酶(乙酰輔酶A羧化酶(ACC)和脂肪酸合成酶(FAS))，進(jìn)而影響了肝臟脂肪的從頭合成。在腸道微生物的情況下，AMP活化蛋白激酶(AMPK)在肌肉中的活性組成較高，導(dǎo)致其具體目標(biāo)乙酰輔酶A羧化酶(ACC)的高磷酸化，從而降低丙二酰輔酶A的產(chǎn)生，丙二酰輔酶A的降低增加了肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶- 1(CPT-1)，并因此促進(jìn)線粒體脂肪酸氧化[31]。當(dāng)腸道菌群的種類和數(shù)量發(fā)生變化時，腸道菌群所調(diào)控的這3條能量代謝途徑會相應(yīng)發(fā)生變化，甘油三酯在脂肪細(xì)胞的存儲、肝臟脂肪的從頭合成及線粒體脂肪酸氧化中發(fā)生變化，從而影響機(jī)體的能量存儲。

當(dāng)腸道微生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，與人體健康息息相關(guān)的“腸道元基因組”會相應(yīng)變化?！澳c道元基因組”是調(diào)控人體生理代謝的重要因素[32]，其基因中富含參與機(jī)體碳水化合物、氨基酸、甲烷、維生素和類異戊二烯代謝的基因[33]，與人體的基因組一起，通過與環(huán)境條件的相互作用影響著人體的生理代謝[34]，如可顯著增強(qiáng)人體對糖、氨基酸和外源性化學(xué)物質(zhì)的代謝[32]，“腸道元基因組”的變化將直接影響宿主的機(jī)體代謝能力和能量存儲。

4.3 多酚影響腸道微生物酶系統(tǒng)影響機(jī)體的能量代謝

腸道微生物包含可參與宿主能量、物質(zhì)及遺傳信息轉(zhuǎn)運(yùn)等系列生理過程的種類繁多的酶系統(tǒng)，主要有水解酶、氧化還原酶、裂解酶和轉(zhuǎn)移酶[35]。由于微生物所具有的酶系統(tǒng)各不相同，對營養(yǎng)物質(zhì)的分解能力亦不相同，因而其代謝產(chǎn)物也不同。當(dāng)微生物的種類和數(shù)量發(fā)生變化時，由微生物代謝發(fā)酵產(chǎn)生的酶的種類和數(shù)量會相應(yīng)發(fā)生變化，酶參與的代謝反應(yīng)受到影響，進(jìn)而影響機(jī)體的能量代謝。并且，多酚類物質(zhì)還能與細(xì)菌細(xì)胞表面作用，抑制酶的活性，從而影響能量代謝。多酚類物質(zhì)具有與金屬離子螯合生成不溶性復(fù)合物的特性，多酚類物質(zhì)通過奪取腸道微生物細(xì)胞金屬酶的金屬離子(如鐵、鈷等)，影響微生物與其他物質(zhì)的結(jié)合及微生物酶的分泌，從而抑制酶的活性[36]，影響腸道微生物的代謝水平，進(jìn)而影響機(jī)體的能量代謝。

5 展 望

肥胖的發(fā)生與腸道菌群有著密切的相關(guān)性，肥胖的個體差異也與腸道菌群結(jié)構(gòu)差異相關(guān)。多酚類物質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性和代謝產(chǎn)物的多樣性決定了其對腸道微生態(tài)環(huán)境影響的多樣性和復(fù)雜性。雖然到目前為止多酚類物質(zhì)對腸道菌群的作用機(jī)理還不十分清楚，但基于腸道菌群與肥胖發(fā)生的相關(guān)性及多酚對腸道菌群的影響，有理由相信多酚通過影響腸道菌群結(jié)構(gòu)影響能量代謝進(jìn)而達(dá)到減肥的目的。這為通過多酚干預(yù)腸道菌群而預(yù)防和治療肥胖和代謝性疾病提供了新的醫(yī)學(xué)目標(biāo)。發(fā)明一些以腸道菌群為靶點(diǎn)的多酚類藥物和功能食品，糾正紊亂的菌群結(jié)構(gòu)從而達(dá)到治療疾病的目的，將對今后預(yù)防、治療肥胖等相關(guān)性疾病做出重要貢獻(xiàn)。

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Research Progress in Regulation of Energy Metabolism by Polyphenols via Intestinal Flora

XIAO Jun-song，SHAN Jing-min，CAO Yan-ping*，WANG Cheng-tao，XU Nan
(Beijing Key Laboratory of Flavor Chemistry, Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

Polyphenols, a class of plant secondary metabolites, are widely present in the human diet and can be divided into three categories∶ phenolic acids, polymer tannin and flavonoids. Polyphenols and their gut flora metabolites can selectively adjust the growth of susceptible microorganisms in the gut, promote the growth of beneficial bacteria (such as lactic acid bacteria), and inhibit the proliferation of harmful bacteria, thus causing intestinal micro-ecological changes. Such changes have an important impact on host energy metabolism, which may be achieved through the following aspects∶ 1) changes in intestinal microbial number and species alter microbial metabolism and the types and quantities of produced enzymes; 2) polyphenol metabolites can also act on bacterial cell surface to inhibit enzyme activities, thereby influencing energy metabolism and reducing fat deposition; 3) polyphenols regulate energy metabolism by interfering with the human intestinal flora, which can provide new ideas to prevent and treat obesity and related diseases. In this paper, we review the mechanism by which polyphenols can reduce the incidence of obesity by modulating the intestinal flora.

polyphenols；intestinal flora；energy metabolism

TS201.4

A

1002-6630(2012)03-0300-04

2011-11-02

北京市委組織部優(yōu)秀人才項(xiàng)目(19000530855)；北京工商大學(xué)青年基金項(xiàng)目(10900101007)

肖俊松(1980—)，男，講師，博士，研究方向?yàn)橹参锒喾踊瘜W(xué)與生理活性。E-mail：xiaojs@th.btbu.edu.cn

*通信作者：曹雁平(1961—)，男，教授，碩士，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物化學(xué)與物理場強(qiáng)化技術(shù)。E-mail：caoyp@th.btbu.edu.cn