益生菌緩解肥胖形成相關(guān)機(jī)制及研究進(jìn)展

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(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱 150030)

隨著生活節(jié)奏的加快和生活水平的提高,人們的生活方式和膳食結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,導(dǎo)致肥胖率不斷上升。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計(jì),截止到2016年,18歲及以上的成年人中逾19億人超重,其中超過(guò)6.5億人肥胖,超過(guò)3.4億名5～19歲兒童和青少年超重或肥胖[1]。肥胖已成為一種嚴(yán)峻的健康問(wèn)題。肥胖是一種能量攝入與代謝不平衡所產(chǎn)生的疾病,實(shí)驗(yàn)證實(shí),肥胖會(huì)引起機(jī)體甘油三酯和膽固醇含量增加,從而導(dǎo)致心血管疾病的發(fā)生;重度肥胖則會(huì)引起二型糖尿病的形成[2]。此外,也會(huì)導(dǎo)致肝臟產(chǎn)生脂肪病變,形成脂肪肝,嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致纖維化[3]。目前,市面上的減肥產(chǎn)品多種多樣,但大多都會(huì)產(chǎn)生不利的副作用,包括常用的奧利司他藥物,作為脂類吸收的抑制劑,可以有效阻止機(jī)體對(duì)脂質(zhì)的吸收,從而導(dǎo)致脂溶性維生素的攝入不足及內(nèi)分泌失調(diào)等問(wèn)題,所以開發(fā)新型健康緩解肥胖制劑是至關(guān)重要的。

益生菌制劑是指一類活體微生物,在達(dá)到有效的數(shù)量級(jí)時(shí),對(duì)宿主產(chǎn)生有益的作用,從而調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡,特別是乳桿菌和雙歧桿菌對(duì)人體腸道菌群、能量代謝、炎癥等有很好的調(diào)節(jié)作用。Yinji Liang[4]表明,乳桿菌和雙歧桿菌混合制劑可以有效地緩解高脂誘導(dǎo)的肥胖的發(fā)生,并減輕高脂飲食所產(chǎn)生的肝炎。Soyoung Park等[5]研究表明,灌胃植物乳桿菌HAC01能有效地抑制小鼠肥胖的形成。S.R. Yoo等[6]發(fā)現(xiàn),植物乳桿菌和彎曲乳桿菌混合制劑可以有效地改善高脂飲食導(dǎo)致的肝臟代謝異常及肥胖的發(fā)生。Sun-Young Park等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),植物乳桿菌FH185能有效縮減高脂誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞的尺寸并緩解肥胖。

1 肥胖與腸道菌群

1.1 肥胖的形成

肥胖分為單純性肥胖和繼發(fā)性肥胖,單純性肥胖是指高糖高脂飲食攝入量超過(guò)體內(nèi)正常消耗量,導(dǎo)致脂肪的堆積;繼發(fā)性肥胖則是由營(yíng)養(yǎng)代謝異常、內(nèi)分泌失調(diào)等相關(guān)疾病所引起的。目前,除遺傳因素外,很多非遺傳因素促進(jìn)了單純性肥胖等慢性代謝疾病的發(fā)展,如圖1所示[8]。其中,飲食不平衡是肥胖發(fā)生的一個(gè)重要原因,長(zhǎng)期能量攝入大于能量消耗導(dǎo)致體內(nèi)脂肪沉積,引起肥胖。而且,分娩方式、喂養(yǎng)方式、飲食、身體鍛煉、疾病與藥物治療等不同程度地影響著腸道菌群的平衡。腸道菌群整體作為人體的一個(gè)重要器官,越來(lái)越多的研究已通過(guò)調(diào)節(jié)腸道微生物來(lái)改善肥胖等慢性代謝疾病。

圖1 多種非遺傳因素所引起的肥胖Fig.1 Obesity caused by non-genetic factors

1.2 肥胖與腸道菌群的關(guān)系

大量研究表明,向無(wú)菌小鼠飼喂高脂飲食,小鼠會(huì)出現(xiàn)肥胖抵抗的現(xiàn)象[9-11]。很多實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,體內(nèi)主要菌群為擬桿菌門和厚壁菌門,肥胖群體與正常群體腸道菌群相比,擬桿菌門含量明顯下調(diào),厚壁菌門含量明顯上調(diào),從而引起擬桿菌門與厚壁菌門比值明顯下降,導(dǎo)致腸道菌群失衡。Chen Y T[12]研究得出,通過(guò)6周高脂飲食的誘導(dǎo),產(chǎn)生小鼠肥胖模型,其與正常小鼠腸道菌群相比較,在門水平上,厚壁菌門與擬桿菌門的比例顯著上升。在進(jìn)一步的分類學(xué)分析上,可以發(fā)現(xiàn)肥胖模型小鼠中,毛螺菌科、瘤胃球菌屬及產(chǎn)氣莢膜梭菌、梭狀芽孢桿菌豐度明顯上升,S24_7菌科、乳酸乳球菌和雙歧桿菌的豐度明顯下降。李麗[13]通過(guò)T3L乳桿菌調(diào)節(jié)肥胖小鼠骨吸收作用,結(jié)果表明,高脂誘導(dǎo)的肥胖小鼠腸道菌群多樣性明顯降低,乳桿菌屬比例下降,條件致病菌如鏈球菌屬、糞球菌屬、埃希氏-志賀桿菌、幽門螺旋桿菌比例出現(xiàn)增高的現(xiàn)象。Chen Y T[14]在另一項(xiàng)試驗(yàn)中表明,與對(duì)照組相比,肥胖模型組中疣微菌門和變形菌門分別增加了9.6%和0.77%;而擬桿菌門和軟壁菌門分別下降了3.29%和0.32%。Jingjing Wang[15]通過(guò)三株乳桿菌干預(yù)高脂誘導(dǎo)小鼠肥胖中得出,肥胖小鼠腸道菌群中,厚壁菌門和變形菌門的豐度增加,擬桿菌門和放線菌門豐度減少,與大多研究結(jié)果一致,通過(guò)益生菌進(jìn)行干預(yù)后,擬桿菌門與厚壁菌門比例明顯上升。所以,肥胖與腸道菌群的改變存在著密切關(guān)聯(lián),可以通過(guò)補(bǔ)充益生菌制劑改善腸道菌群紊亂,從而達(dá)到緩解肥胖的目的。

2 益生菌對(duì)肥胖的干預(yù)作用及機(jī)制

益生菌可以黏附、定殖在腸道表面,分泌抑菌物質(zhì),與致病菌形成競(jìng)爭(zhēng);黏附蛋白表達(dá)增加,調(diào)節(jié)腸道菌群,與腸粘膜共同形成天然的保護(hù)屏障。研究顯示,益生菌對(duì)肥胖有緩解及治療的作用。

2.1 通過(guò)細(xì)胞因子、酶、激素等進(jìn)行調(diào)節(jié)

作為機(jī)體的主要儲(chǔ)能部分,脂肪細(xì)胞的分化對(duì)肥胖的形成有明顯的促進(jìn)作用,已有研究證明,PPAR-γ和C/EBPα是調(diào)節(jié)脂肪形成最主要的轉(zhuǎn)錄因子。其中,Wnt10b-Gsk3β-βcatenin通路作為最經(jīng)典的抑制脂肪合成通路[16],Wnt10b(一種分泌性的糖蛋白)與跨膜卷曲蛋白Fzd(frizzled proteins,Fz)和低密度脂蛋白相關(guān)受體LRP(low-density lipoprotein receptor-relatedprotein,LRP)結(jié)合,抑制了GSK3β(糖原合成酶激酶)的生成,導(dǎo)致βcatenin(β聯(lián)蛋白)不能被磷酸化,使其在細(xì)胞質(zhì)中穩(wěn)定積累,并進(jìn)入細(xì)胞核,與TCF(T細(xì)胞因子)、LEF(淋巴增強(qiáng)因子)形成二聚體,從而激活下游基因以抑制PPAR-γ(過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ)和C/EBPα(CAATT增強(qiáng)結(jié)合蛋白)的表達(dá),進(jìn)而抑制脂肪的形成[16]。宋晨[17]在實(shí)驗(yàn)中表明,乳桿菌通過(guò)降低PPAR-γ因子的表達(dá)進(jìn)一步抑制脂肪形成,而C/EBPα的含量并未發(fā)生明顯改變。

AMPK(AMP-activated protein kinase),單磷酸腺苷酸活化蛋白激酶,作為一種重要的代謝應(yīng)激蛋白酶,具有協(xié)調(diào)機(jī)體代謝和能量的作用,AMPK通路也是調(diào)控脂代謝的經(jīng)典通路。在甘油三酯沉積過(guò)程中,主要部分為脂肪酸代謝過(guò)程,脂肪酸合成中主要參與的酶有:脂肪酸合成酶(FAS)、乙酰輔酶A羧化酶(ACC)等,脂肪酸β氧化主要調(diào)控的酶為肉堿棕櫚先轉(zhuǎn)移酶(CPT)等,控制脂肪分解主要酶是激素敏感性脂肪酶(HSL)。ACC和3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMG-CoA)是最早發(fā)現(xiàn)的AMPK的兩個(gè)受體蛋白,其中ACC是脂肪酸合成過(guò)程中的關(guān)鍵限速酶,活化的AMPK能夠使ACC磷酸化達(dá)到失活狀態(tài),從而抑制脂肪的合成[18]。同時(shí),ACC可以催化胞漿產(chǎn)生并二酰輔酶A(MCA),其可以合成長(zhǎng)鏈脂肪酸,并抑制肉毒堿棕櫚酰基轉(zhuǎn)移酶1(CPT-1),阻止長(zhǎng)鏈脂肪酸進(jìn)入線粒體,從而減少脂肪酸氧化。所以,一旦AMPK被激活,ACC被抑制,一方面抑制了長(zhǎng)鏈脂肪酸的合成,另一方面,對(duì)CPT-1的抑制作用消失,增強(qiáng)了脂肪酸的氧化,從兩方面減輕了脂肪的沉積。

脂肪細(xì)胞可以分泌很多與代謝相關(guān)的激素因子,如脂聯(lián)素、瘦素等,可以激活A(yù)MPK,達(dá)到抑制脂肪沉積的作用。Min Zhang等[19]研究表明,通過(guò)鼠李糖乳桿菌LGG的干預(yù)能有效激活A(yù)MPK途徑,進(jìn)一步緩解慢性酒精性脂肪肝的形成。J.-E. Park等[20]研究表明,植物乳桿菌LG42能有效減緩脂肪酸合成相關(guān)酶FAS、ACC的活性,并且增加脂肪酸氧化酶CPT活性,及PPAR-γ和C/EBPα的表達(dá),進(jìn)一步抑制高脂誘導(dǎo)小鼠肥胖的生成。

2.2 通過(guò)調(diào)節(jié)炎癥及氧化應(yīng)激狀態(tài)緩解肥胖

肥胖產(chǎn)生伴隨著低度炎癥產(chǎn)生,并且這種低度炎癥持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),越易引起代謝綜合征的發(fā)生。高脂飲食使腸道菌群紊亂,提高了腸通透性,增加內(nèi)毒素水平,導(dǎo)致血清中炎癥因子增加,還會(huì)嚴(yán)重影響體內(nèi)抗氧化水平。最近,Olga I. Vitseva等[21]指出,脂肪組織中的炎癥因子與肥胖相關(guān)代謝功能障礙機(jī)制有關(guān),如:C反應(yīng)蛋白(C-Reactive Protein)、腫瘤壞死因子(TNF-α)、白介素IL-6的升高,會(huì)加速肥胖等慢性代謝疾病的發(fā)展[22]。高脂飲食誘發(fā)腸道紊亂,而這種紊亂正是低度炎癥的來(lái)源之一[23],也影響著代謝信號(hào)[24]。Kyung-Ah Kim等[25]研究表明,短乳桿菌OK56能通過(guò)調(diào)節(jié)TNF-α、IL-1β和IL-6等炎癥因子進(jìn)一步緩解肥胖的形成。宋晨等[17]研究表明,乳桿菌T3能有效降低高脂誘導(dǎo)小鼠中促炎因子TNF-α的表達(dá),同時(shí)抑制小鼠體重的增加。Ivanna Novotny Nunez M.D.,Ph.D.等[26]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出,干酪乳桿菌CRL431能有效減緩高脂誘導(dǎo)小鼠的肥胖,并且這與干酪乳桿菌CRL431抗炎能力有關(guān)。

研究發(fā)現(xiàn),活性氧與炎癥因子的表達(dá)存在著關(guān)聯(lián),主要是高脂飲食誘導(dǎo)產(chǎn)生的氧化應(yīng)激會(huì)激活多種炎癥轉(zhuǎn)錄因子,引起炎癥和胰島素抗性,進(jìn)而導(dǎo)致肥胖[27]。氧化應(yīng)激也是脂肪形成的關(guān)鍵因素,并且脂肪細(xì)胞分化受到細(xì)胞氧化還原狀態(tài)的影響[28]。李曉楠等[29]研究表明,具有還原性的白藜蘆醇可以激活氧化還原Keap1-Nrf2信號(hào)通路,增強(qiáng)抗氧化酶活性,降低體外3T3-L1前體脂肪細(xì)胞分化成酯和體內(nèi)高脂誘導(dǎo)大鼠的肥胖及炎癥反應(yīng)中的活性氧水平,并且在Nrf2基因敲除的3T3-L1前體脂肪細(xì)胞分化中,PPAR-γ、C/EBPα及超氧化物歧化酶(MnSOD)表達(dá)明顯的下調(diào)[28],說(shuō)明氧化應(yīng)激水平對(duì)脂肪沉積有明顯的調(diào)控作用。所以篩選出具有較好抗氧化能力的菌株,提高機(jī)體抗氧化能力并緩解脂肪沉積具有一定的研究前景。

2.3 通過(guò)菌群在腸道內(nèi)的代謝產(chǎn)物進(jìn)行調(diào)節(jié)

益生菌除了其本身在宿主體內(nèi)存活與定殖的作用外,其代謝產(chǎn)物也對(duì)機(jī)體有著一定的積極作用,如抗炎作用、抗氧化、能量代謝調(diào)節(jié)、提高腸道屏障功能等[23]。對(duì)機(jī)體產(chǎn)生有益作用的主要是短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs),也稱揮發(fā)性脂肪酸,通常由1～6個(gè)碳原子組成,由厭氧菌利用纖維等碳水化合物代謝產(chǎn)生,主要為乙酸、丙酸、丁酸等[30]。SCFAs可以通過(guò)血液運(yùn)輸?shù)礁闻K,是調(diào)節(jié)代謝和免疫的關(guān)鍵機(jī)制[31]。Smitha Krishnan等[32]通過(guò)非靶檢測(cè)高脂誘導(dǎo)小鼠以及無(wú)菌小鼠結(jié)腸內(nèi)容物,發(fā)現(xiàn)色胺及吲哚-3-乙酯兩種代謝物產(chǎn)量存在著明顯的不同,進(jìn)一步研究得出結(jié)論,腸道菌群通過(guò)色氨酸代謝調(diào)節(jié)脂肪肝的形成及炎癥的產(chǎn)生。Yinji Liang等[4]研究表明,乳桿菌和雙歧桿菌制劑緩解大鼠肥胖及炎癥中,腸道代謝產(chǎn)物中丁酸鹽可以影響肥胖相關(guān)的脂肪肝形成。Thao Duy Nguyen等[33]研究表明,兩種戊酸酯MV(monovalerin)和TV(trivalerin)能有效改善高脂飲食所產(chǎn)生的腸道菌群紊亂及肝臟代謝。也有文獻(xiàn)表明,SCFA能降低肝臟脂肪酸合酶活性并增加脂肪質(zhì)氧化,并會(huì)激活單磷酸激活的蛋白激酶(AMPK)及其下游靶標(biāo)乙酰輔酶A羧化酶,進(jìn)一步抑制脂肪的合成[34]。

此外,也有文獻(xiàn)表明,腸道微生態(tài)紊亂所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物,如乳酸鹽、脂多糖等,能激活腸道內(nèi)分泌細(xì)胞,產(chǎn)生GLP-1(腸促胰素)、CCK(膽囊收縮素)等,進(jìn)入血液,對(duì)中樞系統(tǒng)的食欲控制及神經(jīng)系統(tǒng)炎癥的產(chǎn)生存在影響[24]。

2.4 菌群移植的方法帶來(lái)了新的治療前景

菌群移植(Human microbiota transplantation,HMT/FMT),是指將健康人腸道中的功能菌群移植到患者的腸道內(nèi),重建具有正常功能的腸道菌群,實(shí)現(xiàn)腸道及腸道外疾病的治療。這些功能包括:營(yíng)養(yǎng)刺激、免疫調(diào)節(jié)、腸粘膜保護(hù)作用及參與代謝等作用。目前,菌群移植的治療方法已經(jīng)日趨完善,具體流程包括供體篩選、菌群分離提取、菌群庫(kù)建設(shè)、共受體配型、菌群移植方式(目前有菌液和腸菌膠囊兩種方式)。目前菌群移植應(yīng)用最廣泛的就是IBD(炎癥性腸病)和IBS(腸易激綜合征),并且已取得了較好的治療效果。郭上齊[35]實(shí)驗(yàn)得出,菌群移植能夠調(diào)節(jié)肥胖大鼠的血脂含量,并具有減輕脂肪肝變性的作用。肥胖群體中微生物多樣性下降,但是接受來(lái)自瘦體供體的HMT后腸道微生物多樣性明顯上升[24]。Vanessa K. Ridaura[36]研究表明,菌群移植可以有效地調(diào)節(jié)宿主代謝,通過(guò)將具有胖瘦明顯差異的雙胞胎菌群移植到相同的小鼠中,同時(shí)給予低脂肪高纖維飼料,得出移植肥胖個(gè)體菌群的小鼠發(fā)育成肥胖小鼠,而移植瘦個(gè)體菌群的小鼠也依舊是瘦體小鼠。針對(duì)于全球日益嚴(yán)重的肥胖趨勢(shì),菌群移植完全可以作為一個(gè)更加新型、有效、健全的方式來(lái)緩解肥胖的發(fā)生。目前已有少數(shù)應(yīng)用在人體上的菌群移植來(lái)治療肥胖等疾病[37]。

3 展望

某些特定益生菌能有效地改善高脂飲食所引起的脂代謝紊亂、炎癥、氧化應(yīng)激、腸道微生態(tài)紊亂等現(xiàn)象,進(jìn)而緩解肥胖的形成。將具有抑制脂肪沉積的益生菌開發(fā)為功能性制劑具有很大的前景,同時(shí)也應(yīng)注重到益生菌自身的安全性問(wèn)題。此外,菌群移植也成為治療疾病的熱點(diǎn),系統(tǒng)全面的改善患者腸道菌群,達(dá)到治療效果,本身也具有廣闊的發(fā)展空間。