食用菌多糖調(diào)控腸道菌群研究進(jìn)展

程孟雅 楊亞蘭 楊 橋 馮路路 黃仁貴 鄭鷺飛 任佳麗

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004； 2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，北京 100081)

多糖是食用菌菌絲體或子實(shí)體的重要組成成分，同時(shí)也是食用菌的重要活性成分。已有許多研究[1-3]表明，不同來源的食用菌多糖普遍具有抗氧化、抗腫瘤、抗炎、免疫調(diào)節(jié)等生物活性。食用菌多糖的生物活性與多糖的結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密。食用菌多糖的組成各不相同，但大部分都由β-葡聚糖組成，主鏈為β-(1→3)糖苷鍵組成，側(cè)鏈分支處由β-(1→6)糖苷鍵連接[4-6]。試驗(yàn)[7-8]表明，高相對(duì)分子質(zhì)量的(1→3)-β-D-葡聚糖的三股螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)免疫調(diào)節(jié)作用至關(guān)重要，無三股螺旋結(jié)構(gòu)的低分子量真菌多糖無抗腫瘤活性。隨著“腸道菌群”研究的興起，不少研究者[9-11]發(fā)現(xiàn)許多食用菌多糖也具有調(diào)節(jié)人體腸道菌群穩(wěn)態(tài)的作用。食用菌多糖可以為微生物的生存提供必需的營養(yǎng)素，糖類被微生物降解后產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可以調(diào)節(jié)腸道pH和給機(jī)體提供能量，對(duì)人體健康具有重要意義。目前多種食用菌來源的多糖被證明對(duì)動(dòng)物腸道菌群結(jié)構(gòu)具有極顯著影響，可以改善抗生素導(dǎo)致的腸道菌群失衡，高脂飲食引起的高血脂、高血糖癥狀[12-13]。文章介紹了食用菌多糖的生理活性價(jià)值與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并著重闡述了人體腸道菌群的組成、分布以及食用菌多糖通過調(diào)控腸道菌群來影響人體健康等方面的內(nèi)容，以期對(duì)食用菌多糖的后續(xù)研究提供思路。

1 人體腸道菌群的組成及分布

人體腸道內(nèi)定植著數(shù)量龐大的微生物群系，它們是人體完成正常物質(zhì)代謝，維持機(jī)體健康不可或缺的一部分。人體腸道菌群數(shù)量高達(dá)1014，其種類超過3 500多種，主要定植在結(jié)腸部位，其基因數(shù)約為人體基因數(shù)的100倍。它們主要由厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、梭桿菌門(Fusobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)組成，這些菌門的細(xì)菌占據(jù)腸道菌群總量的95%以上，厚壁菌門和擬桿菌門是其中的優(yōu)勢(shì)菌門[14-15][16]24。而每個(gè)菌門中也有各自的優(yōu)勢(shì)菌。例如，厚壁菌門中的優(yōu)勢(shì)菌有梭菌屬(Clostridium)、羅氏菌屬(Roseburia)、糞桿菌屬也稱柔嫩梭菌屬(Faecalibacterium)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)等，擬桿菌門中的優(yōu)勢(shì)菌有擬桿菌屬(Bacteriodes)和普氏菌屬(Prevotella)，雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)是放線菌門的主要優(yōu)勢(shì)菌[17]。這些菌群在腸道內(nèi)的定植受腸道化學(xué)環(huán)境的影響。從小腸到結(jié)腸，腸道內(nèi)的pH值逐漸升高，含氧量逐漸降低。小腸內(nèi)的菌群多樣性相對(duì)而言要低一些，含有較多耐酸細(xì)菌，如乳桿菌科(Lactobacillaceae)和擬桿菌科(Bacteroidaceae)。在到達(dá)盲腸后，細(xì)菌數(shù)量急劇增加，主要包括厭氧的擬桿菌科(Bacteroidaceae)、普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)、理研菌科(Rikenellaceae)、毛螺菌科(Lachnospiraceae)和瘤胃菌科(Ruminococaceae)[18]13-15[19]。

乳桿菌屬和雙歧桿菌屬是人體腸道最常見的兩類益生菌，對(duì)人體具有多種生理功能。成人體內(nèi)常見的乳桿菌主要有：鼠李糖乳酸桿菌(Lactobacillusrhamnosus)、干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)、副干酪乳桿菌(Lactobacillusparacasei)。常見的雙歧桿菌有：青春雙歧桿菌(Bifidobacteriumadolescentis)、鏈狀雙歧桿菌(Bifidobacteriumcatenulatum)、長雙歧桿菌(Bifidobacteriumlongum)、假小鏈雙歧桿菌(Bifidobacteriumpseudocatenulatum)。在人體處于亞健康狀態(tài)或者產(chǎn)生疾病時(shí)，這些益生菌的數(shù)量較正常狀態(tài)會(huì)顯著下降[20]7-9。

腸道菌群的組成及豐度受多種因素的影響，例如飲食、生活方式、抗生素的使用等[21]。相較于人體基因組代謝特性的難以改變，腸道菌群結(jié)構(gòu)易受外界條件干預(yù)而改變使人們可以有選擇性地調(diào)控人體腸道菌群的平衡，從而達(dá)到保持人體健康和治愈某些疾病的目的。

2 腸道菌群的功能

2.1 參與人體營養(yǎng)物質(zhì)的代謝

糖類是人體維持正常生理活動(dòng)的主要能量來源，但大部分植物來源的多糖不能直接被人體消化利用，因?yàn)槿梭w缺乏降解這些糖類的酶，或者是酶的降解活性很低。而腸道內(nèi)的微生物可以彌補(bǔ)人體糖類代謝的不足。研究[22-24]表明，某些不被人體消化酶水解的多糖在進(jìn)入人體消化道后可在腸道菌群的作用下被降解產(chǎn)生乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)。這個(gè)過程是由許多腸道菌群共同參與通力完成的。首先由一部分可以降解抗人體消化多糖的初級(jí)降解菌群，把進(jìn)入腸道的抗性多糖分解為單糖、二糖、低聚糖等，同時(shí)它們自身也利用這些低聚糖產(chǎn)生乳酸或乙酸，而另一些次級(jí)降解菌群可利用前者的產(chǎn)物進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生丁酸鹽。這些腸道菌對(duì)多糖的發(fā)酵往往都是有選擇性的，因而，不論是初級(jí)發(fā)酵者還是次級(jí)發(fā)酵者，它們都包含了大量不同種類的細(xì)菌[16]1-6[25]。

但值得注意的是，并不是供給越多的抗性淀粉就能產(chǎn)生越多的丁酸鹽產(chǎn)物。初級(jí)降解菌的發(fā)酵底物同時(shí)也要為自身的發(fā)酵提供原料與能量，如果初級(jí)降解菌的發(fā)酵活動(dòng)比較劇烈，那么可能只有少部分發(fā)酵底物能被次級(jí)降解菌利用從而產(chǎn)生較少丁酸鹽。Nielson等[26]設(shè)計(jì)試驗(yàn)利用不被人體消化酶水解的馬鈴薯抗性淀粉、玉米抗性淀粉、菊粉對(duì)受試者進(jìn)行膳食干預(yù)來探討這3種可發(fā)酵多糖對(duì)短鏈脂肪酸產(chǎn)生情況和腸道菌群動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)并不是每一種淀粉都能直接促進(jìn)丁酸鹽終產(chǎn)物產(chǎn)量的增加，但是這3種淀粉都各自能引起某些菌群豐度的增加。腸道菌群發(fā)酵抗性多糖產(chǎn)生的這些短鏈脂肪酸不僅可為機(jī)體提供能量，還具有維持腸道pH環(huán)境、維持腸屏障功能、減輕炎癥、抑制病原菌等重要功效[20]2-4。

2.2 維持腸道穩(wěn)態(tài)和調(diào)節(jié)免疫

腸道菌群在維持腸上皮屏障完整性，促進(jìn)人體免疫系統(tǒng)的發(fā)育以及調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)方面具有重要作用。人體腸道內(nèi)表面是由單層腸上皮細(xì)胞組成的，它是將人體內(nèi)環(huán)境與腸道菌群分隔開的一道物理屏障，同時(shí)還提供了腸道生物的附著和免疫細(xì)胞分泌物質(zhì)的界面。腸道上皮細(xì)胞的功能包括吸收營養(yǎng)物質(zhì)和分泌細(xì)胞因子，后者影響腸道微生物的定植，識(shí)別有益或有害微生物從而誘導(dǎo)和調(diào)解免疫反應(yīng)[21]。腸道菌群及其產(chǎn)物可刺激腸上皮細(xì)胞中TLRs和NLRs的表達(dá)，使宿主出現(xiàn)生理炎癥，促使上皮細(xì)胞增殖，表達(dá)抗菌肽，促進(jìn)上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)細(xì)胞間緊密連接[21]。研究[27-29]表明，無菌小鼠具有明顯的免疫缺陷，它們的免疫效應(yīng)細(xì)胞少，Treg細(xì)胞減少，淋巴組織的數(shù)量較少，抗體水平也較低。而在無菌小鼠體內(nèi)定植大腸桿菌和乳酸桿菌后，相關(guān)免疫因子的分泌水平有所恢復(fù)。腸道內(nèi)的一些細(xì)菌還能與病原菌競爭腸上皮細(xì)胞的附著位點(diǎn)，阻礙病原菌的定植，維持腸道的正常通透性。并且腸道內(nèi)的益生菌產(chǎn)酸可以降低腸道pH值，抑制病原微生物的生長繁殖。例如多形擬桿菌、艾克曼菌、雙歧桿菌均利用未被宿主腸道消化的多糖，使病原體遠(yuǎn)離黏膜表面[20]3[21]。腸道菌群對(duì)于抑制病原微生物生長，增強(qiáng)機(jī)體免疫力，保障人體健康具有不容忽視的作用。

3 食用菌多糖對(duì)腸道菌群的作用

3.1 調(diào)節(jié)腸道菌群的組成和結(jié)構(gòu)

腸道菌群的結(jié)構(gòu)和組成與人體健康聯(lián)系密切，目前已有許多研究證實(shí)，很多種類的食用菌都具有促進(jìn)益生菌生長，調(diào)節(jié)人體腸道菌群組成的功效。王雪等[18]19-47[30]利用鹽酸林可霉素灌胃塑造腸道菌群失衡小鼠模型，然后用長根菇多糖對(duì)小鼠進(jìn)行干預(yù)，設(shè)置了5個(gè)試驗(yàn)組：對(duì)照組，多糖濃度高、中、低3個(gè)組和自然恢復(fù)組。結(jié)果表明，多糖組的菌群多樣性比對(duì)照組的低，但高于自然恢復(fù)組的；與對(duì)照組相比，多糖干預(yù)組隨著多糖濃度的增加，小鼠腸道厚壁菌門增加，擬桿菌門降低；雙歧桿菌和乳桿菌逐漸增加，大腸桿菌和腸球菌逐漸減少。說明長根菇多糖可以對(duì)抗生素導(dǎo)致的小鼠腸道菌群失衡起到一定恢復(fù)作用。Khan等[31]分別探究了從靈芝和茯苓子實(shí)體和菌絲體中提取的多糖對(duì)小鼠腸道菌群的影響。發(fā)現(xiàn)這4種多糖都能夠增加腸道益生菌如雙歧桿菌、直腸真桿菌、約氏乳酸菌、乳酸球菌的數(shù)量，而減少病原菌的數(shù)量。Zhao等[32]探究了黑木耳、金針菇、香菇等6種常見食用菌在體外厭氧發(fā)酵過程中對(duì)糞便菌群組成的影響。結(jié)果表明，相較于對(duì)照組，這6種食用菌均能顯著增加發(fā)酵液中的短鏈脂肪酸含量，而黑木耳的促進(jìn)作用尤為突出；在糞便菌群組成上，與對(duì)照組相比，食用菌對(duì)益生菌的生長有促進(jìn)作用，對(duì)條件致病菌的生長有抑制作用。Xu等[33]通過向老年小鼠的飲食中加入香菇多糖發(fā)現(xiàn)，香菇多糖可以使小鼠的免疫反應(yīng)和腸道微生物菌群得到恢復(fù)。香菇多糖可逆轉(zhuǎn)老年小鼠體內(nèi)的TNF-α、IL-1α和IL-2的減少，并達(dá)到和正常成年小鼠一樣的水平；在腸道菌群組成上，老年小鼠體內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌門為厚壁菌和擬桿菌，其總量占腸道菌群總數(shù)的97%以上，厚壁菌與擬桿菌比值由正常成年鼠的0.50降到0.38，喂食香菇多糖后，腸道菌群多樣性有所恢復(fù)，厚壁菌與擬桿菌總數(shù)占腸道菌群總數(shù)的96%以上(正常成年小鼠厚壁菌和擬桿菌之和占腸道菌群總數(shù)的95%以上)，且厚壁菌與擬桿菌比值上升到0.82；與老年組相比，香菇多糖老年組小鼠腸道內(nèi)擬桿菌顯著減少(由70.75%降到52.86%)，而厚壁菌顯著增加(由26.85%上升到43.41%)。Xu等[34]通過試驗(yàn)表明靈芝多糖可通過調(diào)節(jié)炎癥細(xì)胞因子和小鼠腸道菌群組成來提高高脂飲食小鼠胰島素敏感性。喂食高脂飲食后，小鼠腸道放線菌科，明串珠菌屬增豐度增加，都與慢性低度炎癥和胰島素抵抗有關(guān)；而普氏菌(Prevotella)，毛螺旋菌屬(Parasutterella)，艾克曼菌(Akkermansiamuciniphila)減少，都與抗炎有關(guān)。

3.2 通過腸道菌群調(diào)節(jié)免疫

腸道微生物菌群對(duì)免疫系統(tǒng)的發(fā)育和功能起著重要作用。徐曉飛[35]利用小鼠試驗(yàn)探究了香菇多糖L2的體內(nèi)免疫調(diào)節(jié)活性以及對(duì)腸道菌群的作用及特點(diǎn)；L2的平均分子量為26 kDa，主要由L-阿拉伯糖、D-葡萄糖和D-半乳糖單糖組成，3種單糖的相對(duì)百分含量分別為2.81%，87.54%，9.66%。香菇多糖L2不具有3股螺旋結(jié)構(gòu)。徐曉飛[35]的試驗(yàn)結(jié)果顯示：與對(duì)照組相比，多糖組小鼠的脾T淋巴細(xì)胞增值能力更強(qiáng)，且NK細(xì)胞活性更高；在腸道菌群組成上，正常組小鼠腸道厚壁菌門與擬桿菌門比值為0.50，服用多糖后變?yōu)?.63，且變形菌門極顯著增加；產(chǎn)酸擬桿菌(Bacteroidesacidifaciens)、太陽螺桿菌(Helicobactersuncus)、理炎菌(Alistipes)中未培養(yǎng)出的擬桿菌、A-47可能在參與香菇多糖調(diào)節(jié)小鼠免疫功能中有重要的作用。

3.3 通過腸道菌群抵抗疾病

有報(bào)道[8]顯示無論是在腫瘤患者或是腫瘤動(dòng)物模型中，其腸道中的某些細(xì)菌種群往往會(huì)發(fā)生較大變化，這種變化可能是由腫瘤引起的，也可能正是因?yàn)楫a(chǎn)生這種變化而使宿主易受致癌性病原體的影響。而某些食用菌多糖可以通過作用于腸道菌群來抵抗腫瘤。Luo等[36]利用結(jié)直腸癌小鼠模型探究靈芝多糖對(duì)結(jié)腸癌的減緩作用與小鼠腸道菌群變化之間的關(guān)系，先對(duì)正常Balb/c小鼠喂食2個(gè)月的靈芝多糖，然后再利用化學(xué)致癌劑使小鼠產(chǎn)生結(jié)腸癌。結(jié)果表明，靈芝多糖的攝入可以防止結(jié)直腸癌小鼠的結(jié)腸縮短，并使其死亡率降低30%；與對(duì)照組相比，在不給多糖的結(jié)直腸癌的小鼠腸道內(nèi)顫螺菌屬(Oscillospira)和未知屬的脫硫弧菌科(Desulfovibrionaceae)的相對(duì)豐度顯著增加，而多糖干預(yù)組的結(jié)直腸癌小鼠腸道內(nèi)這二者相對(duì)豐度都較低。Li等[37]探究了兩種靈芝多糖對(duì)4T1乳腺癌小鼠腸道菌群的影響。結(jié)果顯示，與正常組相比，癌癥小鼠的厚壁菌門(47.0%)和變形菌門(3.0%)顯著增加，擬桿菌門(48.5%)和放線菌門(0.38%)顯著減少。在屬水平上，S24-7和理炎菌(Alistipes)減少，而在多糖組內(nèi)，這些變化趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)。

腸道微生物發(fā)酵抗性多糖產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可以激活GPR43從而抑制胰島素介導(dǎo)的脂肪積累，促進(jìn)脂肪和糖類的代謝，從而改善糖尿病。有研究[25]表明，糖尿病患者與健康對(duì)照者之間的腸道菌群結(jié)構(gòu)存在差異，特別是產(chǎn)丁酸菌屬豐度下降。疣微菌綱(Verrucomicrobiae)有可能成為診斷2型糖尿病的標(biāo)志菌群，因?yàn)?型糖尿病患者腸道內(nèi)的疣微菌綱的相對(duì)豐度普遍有顯著降低。在1型糖尿病患者體內(nèi)嗜血桿菌屬(Haemophilus)、小類桿菌屬(Dialister)、毛螺菌屬(Lachnospira)、氨基酸球菌屬(Acidaminococcus)、Defluviitaleaceae科下未分類屬的豐度明顯下降，而Blautia屬的豐度明顯上升[15]31-36。Chen等[38]利用2型糖尿病小鼠模型探究了灰花樹多糖的降血糖功效以及對(duì)小鼠腸道菌群的影響?；一涠嗵侵饕蒐-阿拉伯糖、D-甘露糖、D-果糖組成。它可以激活胰島素受體底物1、磷脂酰肌醇-3-激酶、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子4，并抑制C-Jun氨基端激酶從而降低小鼠血糖。與糖尿病對(duì)照組小鼠相比，多糖干預(yù)小鼠腸道擬桿菌門增加，厚壁菌門和變形菌門減少。這一變化有助于膳食能量吸收和降低炎癥程度[39]。擬桿菌門與厚壁菌門的比值與血糖濃度呈正相關(guān)。在灰花樹多糖干預(yù)后，牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonasgingivalis)、艾克曼菌、嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)、福賽斯坦納菌(Tannerellaforsythia)、產(chǎn)酸擬桿菌(Bacteroidesacidifaciens)、羅氏弧菌(Roseburiaintestinalis)的相對(duì)豐度有顯著上升，這些菌群都與丁酸鹽的產(chǎn)生有關(guān)[38]。

4 討論與展望

腸道菌群的種類和數(shù)量的繁多與龐大阻礙了人們對(duì)腸道菌群的研究與認(rèn)知，而高通量測(cè)序技術(shù)的高速發(fā)展使得這一障礙正在被逐步消除。雖然在亞種和品系水平上還不斷有新的菌種待被發(fā)現(xiàn)，但人體腸道菌群構(gòu)成中的主要優(yōu)勢(shì)譜系已被科學(xué)家們解析出來[40]。在此基礎(chǔ)上，腸道菌群與人體健康關(guān)系的研究蓬勃發(fā)展。許多疾病的產(chǎn)生不一定是由腸道菌群失衡引起，但往往這些疾病的癥狀都伴隨著腸道菌群失衡。而腸道菌群易受人為調(diào)控。因而可以利用膳食、藥物或菌群移植對(duì)患者或者亞健康人群進(jìn)行干預(yù)，來達(dá)到改善甚至治愈某些疾病的目的。

食用菌多糖正是一類可以用來改善健康，預(yù)防疾病的非常具有潛力的優(yōu)質(zhì)益生元。首先，多糖不僅是人和動(dòng)物的主要能量來源，也是腸道菌群的主要能量來源。多糖的單糖組成、鏈接方式等結(jié)構(gòu)特征關(guān)系到不同腸道菌對(duì)多糖的利用程度，從而影響腸道菌群的數(shù)量和分布。其次，食用菌多糖具有抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)、降血糖血脂等重要的生理活性，且這些活性與食用菌多糖對(duì)腸道菌群的影響是息息相關(guān)的。因此，探究食用菌多糖對(duì)人體健康作用以及對(duì)腸道菌群組成的影響是具有重要研究價(jià)值的。而解析食用菌多糖的組成、結(jié)構(gòu)特征與腸道微生物的作用關(guān)系也同樣重要，且具有更廣泛深遠(yuǎn)意義。