短雙歧桿菌的生物學(xué)特性及益生功能研究進(jìn)展

王元弛，黃 玲，張旭光，張學(xué)榮

（湯臣倍健股份有限公司，廣州 珠海 510663）

0 引言

1899年，Tissier首次在母乳喂養(yǎng)嬰兒的糞便中分離得到雙歧桿菌，隨著研究的深入和基因測序技術(shù)的成熟，目前已發(fā)現(xiàn)79個種及亞種的雙歧桿菌（http://www.bacterio.net）。1971年，短雙歧桿菌從嬰兒糞便中分離到并命名，研究表明其具有增強(qiáng)免疫功能、調(diào)節(jié)腸道菌群平衡、預(yù)防及治療疾病等益生功能。綜述了短雙歧桿菌定植黏附、耐氧耐酸等生物學(xué)特性及其益生功能的研究應(yīng)用。

1 短雙歧桿菌生物學(xué)特性

短雙歧桿菌是一種革蘭氏陽性、無芽孢、無運(yùn)動、專性厭氧細(xì)菌，具有多種形態(tài)特征包括短桿、分叉Y形桿、V形桿等，且在不同營養(yǎng)環(huán)境下存在差異。其在溫度35～40℃，pH值6.5～7.0下最適生長。低于25℃，高于45℃，pH值高于8.5則不生長。

1.1 定植黏附

益生菌能夠通過人體胃腸道，附著于腸道黏膜表面存活并增殖。從而對調(diào)節(jié)宿主代謝及能量平衡、抵抗病原體定植、促進(jìn)腸道成熟和免疫系統(tǒng)發(fā)育等方面發(fā)揮重要作用[1-4]。研究人員發(fā)現(xiàn)短雙歧桿菌UCC2003能夠產(chǎn)生神經(jīng)絲氨酸蛋白酶抑制劑，保護(hù)細(xì)胞外的蛋白質(zhì)及菌毛的黏附能力[5]，從而實現(xiàn)其在宿主體內(nèi)的定植黏附。Mogna L等人[6]和Shimakawa Y等人[7]發(fā)現(xiàn)攝入短雙歧桿菌B632和短雙歧桿菌BR03的志愿者糞便中短雙歧桿菌含量顯著增加。由此可證明短雙歧桿菌可在人體腸道內(nèi)成功定植黏附。

1.2 耐氧機(jī)制

短雙歧桿菌為嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，而菌株之間的氧氣敏感性存在差異。研究人員對氧氣與短雙歧桿菌存活的關(guān)系進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)活性氧化物（超氧化物、過氧化氫、羥基自由基） 的產(chǎn)生造成了短雙歧桿菌氧中毒，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[8]。而需氧菌可以通過某些酶（超氧化物歧化酶、過氧化氫酶） 分解這些活性氧化物，是防御氧中毒的主要成分[9]。之前有研究表明，在厭氧菌中可能缺乏這2種酶而造成氧中毒。然而一些研究發(fā)現(xiàn)，NADH氧化酶和NADH過氧化物酶的活性決定了短雙歧桿菌對氧氣的耐受能力。Shimamura S等人[10]研究雙歧桿菌氧敏感性背后的酶促機(jī)制，發(fā)現(xiàn)NADH氧化酶和NADH過氧化物酶水平與菌株耐氧性之間存在相關(guān)性，氧敏感菌株中NADH氧化酶和NADH過氧化物酶活性較低。Shin S Y[11]研究證實氧氣最敏感的雙歧桿菌菌株暴露在有氧環(huán)境環(huán)境中，NADH氧化酶和NADH過氧化物酶活性最低，氧氣耐受性最強(qiáng)菌株的NADH氧化酶和NADH過氧化物活性最高[12]。因此，探索這2種酶與短雙歧桿菌耐氧性之間的相關(guān)性將具有重要意義。

雙歧桿菌的氧代謝途徑[12]見圖1。

1.3 耐酸機(jī)制

多數(shù)短雙歧桿菌對酸耐受性差[13]，當(dāng)其暴露于各種酸性環(huán)境（發(fā)酵乳制品、胃腸液），菌體活力會受到較大影響，不利于其益生特性發(fā)揮。Yang X等人[14]基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)和生理學(xué)數(shù)據(jù)，揭示出耐酸菌株短雙歧桿菌BB8dpH具有高耐酸性的原因。研究認(rèn)為，短雙歧桿菌BB8dpH是通過基因、轉(zhuǎn)錄和生理過程等多水平調(diào)控來實現(xiàn)的。首先，短雙歧桿菌BB8dpH通過增加肽聚糖 （PGN） 和胞外多糖（EPS） 的合成和降低支鏈氨基酸（BCAA） 分泌量來增強(qiáng)細(xì)胞膜能力，以防止H+進(jìn)入細(xì)胞。其次，當(dāng)H+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)時，其細(xì)胞通過升高細(xì)胞質(zhì)內(nèi)醋酸/乳酸比率，增加碳水化合物的攝入量，增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)谷氨酸、谷氨酰胺和組氨酸合成來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)酸性環(huán)境。此外，發(fā)現(xiàn)一些差異基因（DEG） 與短雙歧桿菌BB8dpH細(xì)胞在酸性環(huán)境中蛋白質(zhì)的合成和肽的攝入改變有關(guān)。總體來說，上述研究有助于理解短雙歧桿菌耐酸性的原因，為進(jìn)一步研究短雙歧桿菌耐酸性機(jī)制提供了理論指導(dǎo)。

短雙歧桿菌BB8dpH的耐酸性模型見圖2。

2 短雙歧桿菌益生功能

2.1 改善消化系統(tǒng)代謝

2.1.1 促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)代謝和吸收

短雙歧桿菌能夠產(chǎn)生多種α-葡萄糖甘酶（Agl1， Agl2， Agl3， Mel）[15]， 可以促進(jìn)木聚糖、 甘露糖、淀粉和黏蛋白等多糖物質(zhì)代謝[16]，代謝碳水化合物生產(chǎn)短鏈脂肪酸（SCFA）、增加礦物質(zhì)吸收、改善腸道功能紊亂[17]。有研究表明，攝入短雙歧桿菌DPC6330與棕櫚油酸、花生四烯酸、二十二碳六烯酸（DHA） 和α-亞麻酸的大鼠，發(fā)現(xiàn)脂肪組織中的二十碳烯酸和前額皮質(zhì)中的棕櫚油酸含量及肝臟及大腦中二十碳五烯酸（EPA）和DHA濃度顯著增加[18-19]。以上研究表明，短雙歧桿菌不僅能夠自身合成多種營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)機(jī)體的營養(yǎng)合成和吸收，而且可在人體腸道菌群中起重要作用。

2.1.2 改善便秘

便秘是指排便次數(shù)減少，同時排便困難、糞便干結(jié)。正常人每日排便1～2次或1～2日排便1次，便秘患者每周排便少于3次，并且排便費(fèi)力，糞質(zhì)硬結(jié)、量少，其嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量。據(jù)調(diào)查，在發(fā)達(dá)國家中排便障礙、硬便等便秘問題已影響到12%～17%成人健康。研究表明，攝入短雙歧桿菌BR03的志愿者，顯著改善了每周排便次數(shù)與硬便等便秘問題，且對腹脹、肛門瘙癢、灼熱、疼痛等問題也有相應(yīng)的改善作用[20]。長期攝入含有短雙歧桿菌Yakult發(fā)酵乳的健康年輕女性的排便次數(shù)、糞便稠度和糞便量顯著增加[21]。之前有研究表明，短雙歧桿菌可以改善便秘問題能夠分解腸道中不易分解的麩皮、纖維素、半纖維素、果膠、低聚果糖和低聚半乳糖等碳水化合物，產(chǎn)生SCFA，進(jìn)而促進(jìn)腸道蠕動刺激腸道黏膜，達(dá)到改善便秘的功效[22-23]。最新研究表明，短雙歧桿菌可增加糞便乙酸、水分含量、增加擬桿菌比例，從而增加乳桿菌的豐度、降低病原菌水平、促進(jìn)胃腸道蠕動達(dá)到改善便秘的效果[24]。綜上研究，短雙歧桿菌具有調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)環(huán)境，有助于分解碳水化合物，產(chǎn)生有益物質(zhì)，增強(qiáng)腸道蠕動，從而改善便秘問題。

2.1.3 預(yù)防肥胖

肥胖已成為全球流行病，且是嚴(yán)重慢性疾病發(fā)病率增加的主要原因。越來越多的研究表明，腸道菌群與肥胖有關(guān)。攝入短雙歧桿菌B-3能夠增加短雙歧桿菌在腸道微生物的數(shù)量及比例，調(diào)節(jié)胰高血糖素相關(guān)因子，從而有效降低高脂飼料誘導(dǎo)小鼠的肥胖風(fēng)險[25]。Minami J等人[26]評估了短雙歧桿菌B-3的攝入對肥胖成年人體質(zhì)指數(shù)和血液參數(shù)的影響，結(jié)果表明攝入短雙歧桿菌B-3試驗組人群脂肪量顯著降低，且與肝功能和炎癥相關(guān)的指標(biāo)也有所改善。這些研究表明攝入短雙歧桿菌能夠調(diào)節(jié)腸道菌群環(huán)境，從而起到預(yù)防肥胖和減肥的功效。

2.1.4 緩解克羅恩病

克羅恩病 （Crohn's disease，CD） 是一種炎癥性腸病，可能影響從口腔到肛門之間的任何胃腸道部位。大量動物和臨床試驗結(jié)果表明，腸道菌群失調(diào)是CD誘因之一。研究人員對CD患者攝入含有短雙歧桿菌制劑進(jìn)行治療，結(jié)果表明高劑量短雙歧桿菌和益生元搭配可以安全有效緩解及治療CD病狀[27]，早期服用短雙歧桿制劑的CD患者結(jié)腸黏膜促炎細(xì)胞因子水平降低，從而改善CD病狀及降低手術(shù)后CD復(fù)發(fā)率[28]。攝入短雙歧桿菌對CD患者的病癥有緩解作用，將短雙歧桿菌作為預(yù)防、緩解和治療CD的研究對象具有巨大潛力。

2.1.5 改善壞死性小腸結(jié)腸炎

壞死性小腸結(jié)腸炎 （Necrotizing enterocolitis，NEC） 是一種多因素疾病，其中腸功能不成熟在其發(fā)病機(jī)制中起重要作用[29-30]，多發(fā)于嬰幼兒時期，是嬰幼兒最常見的急癥之一。研究發(fā)現(xiàn)，早產(chǎn)兒攝入含有短雙歧桿菌制劑，對于不同胎齡、胎兒生長受限和性別的早產(chǎn)兒均有顯著預(yù)防NEC效果，且NEC發(fā)病率和死亡率顯著降低[31]，改善了NEC患者病狀[32]。研究者推測，其原因是改善了腸道蠕動[32]，抑制了緊密連接蛋白相關(guān)因子的表達(dá)[33]。

2.2 加強(qiáng)免疫系統(tǒng)調(diào)控

2.2.1 增強(qiáng)宿主免疫能力

短雙歧桿菌在嬰兒和成人腸道內(nèi)定植黏附后，能夠提高自然殺傷細(xì)胞活力、增強(qiáng)細(xì)胞因子表達(dá)水平、促進(jìn)免疫球蛋白的表達(dá)，從而增強(qiáng)機(jī)體免疫系統(tǒng)的功能[34-35]。短雙歧桿菌CNCM I-4035和短雙歧桿菌M16能夠影響腸道免疫應(yīng)答，免受傷寒沙門氏菌高感染性因子侵害，下調(diào)促炎因子水平[36]，從而降低新生兒炎癥的發(fā)生率，增強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)作用[37]。另一方面，短雙歧桿菌UCC2003能夠代謝產(chǎn)生胞外多糖（EPS），從而降低病原菌在宿主腸道內(nèi)的定植水平，并在免疫反應(yīng)中起重要作用[38]。攝入含有短雙歧桿菌制劑，能夠刺激免疫球蛋白IgA生成，促進(jìn)白細(xì)胞介素4、白細(xì)胞介素10等細(xì)胞因子增加，從而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[39]，改善在母乳喂養(yǎng)時的嬰幼兒黏膜免疫能力[40]。研究表明，攝入短雙歧桿菌能夠產(chǎn)生抗菌物質(zhì)，降低病原體定植水平，增強(qiáng)屏障功能及上皮細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)節(jié)和先天性和適應(yīng)性免疫調(diào)節(jié)[35，41]，以增強(qiáng)宿主免疫能力。

2.2.2 抗過敏

過敏反應(yīng)，是由免疫系統(tǒng)對環(huán)境中通常無害的物質(zhì)刺激時所發(fā)生的組織損傷或功能紊亂的反應(yīng)。有研究發(fā)現(xiàn)攝入含有短雙歧桿菌的配方奶粉和混合制劑可降低特應(yīng)性高風(fēng)險嬰兒的牛奶蛋白致敏比例，并可以提高牛奶過敏嬰兒的口服耐受性，降低具有家族史潛在過敏性疾病嬰兒的發(fā)病率[42]，預(yù)防嬰兒過敏性皮炎、過敏性濕疹、哮喘和降低患病風(fēng)險[43-44]。改善成人過敏性皮炎[45]，且可以改善屋塵螨引起的呼吸道過敏性炎癥，其中和低聚果糖的組合在預(yù)防屋塵螨引起呼吸道炎癥方面最有效[46]。研究表明，短雙歧桿菌具有改善食物引起過敏性疾病的潛力并對不同類型過敏性疾病的預(yù)防改善均有積極作用，這為預(yù)防及改善過敏性疾病提供了新思路。

2.2.3 減輕全身炎癥反應(yīng)綜合征

全身炎癥反應(yīng)綜合征（Systemic inflammatory response syndrome，SIRS） 是機(jī)體因感染等因素導(dǎo)致的嚴(yán)重?fù)p傷而產(chǎn)生全身性的非特異性炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致機(jī)體失控所表現(xiàn)的一組臨床癥狀。Shimizu K等人[47]通過研究攝入短雙歧桿菌和低聚半乳糖SIRS患者時，發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌數(shù)量顯著增加；糞便中乙酸、丙酸和丁酸含量顯著升高；腸炎、肺炎和細(xì)菌感染等感染性并發(fā)癥的發(fā)生率顯著降低。研究人員認(rèn)為，嚴(yán)重SIRS的病狀與異常腸道菌群環(huán)境相關(guān)，而攝入含有短雙歧桿菌合生元有助于改善嚴(yán)重SIRS患者的腸道菌群惡化并減少感染并發(fā)癥。腸道菌群失衡與諸多疾病顯著相關(guān)[48-49]，復(fù)雜的腸道菌群可以預(yù)防致病性傳染因子的侵害[50]，而攝入短雙歧桿菌能夠幫助提高腸道菌群多樣性，改善腸道菌群，進(jìn)而減輕及改善SIRS病狀。

2.3 改善神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)

2.3.1 緩解焦慮

焦慮是一種由神經(jīng)調(diào)控而產(chǎn)生內(nèi)心混亂、不愉快情緒狀態(tài)。越來越多的研究表明，腦-腸-微生物軸在調(diào)節(jié)情緒、大腦和行為方面起著關(guān)鍵作用[51-53]。已證明益生菌具有減輕焦慮、抑郁等相關(guān)功效。攝入短雙歧桿菌1205具有減輕及改善BALB/c小鼠焦慮情緒、緩解壓力等功效[54]，其改善效果比抗焦慮藥依他普侖更明顯[55]。上述研究結(jié)果表明，短雙歧桿菌具有改善焦慮情緒緩解壓力作用，開辟了緩解焦慮的新途徑，進(jìn)一步研究短雙歧桿菌減緩焦慮癥狀的機(jī)制具有重要意義。

2.3.2 改善阿爾茲海默癥

阿爾茨海默癥 （Alzheimer's disease，AD） 是一種不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)退行性疾病，逐漸導(dǎo)致認(rèn)知障礙并最終導(dǎo)致癡呆。有研究發(fā)現(xiàn)，攝入短雙歧桿菌A1對AD小鼠具有預(yù)防及改善AD認(rèn)知障礙的作用[56]。研究人員認(rèn)為，攝入短雙歧桿菌能增強(qiáng)線粒體功能，提高代謝能力進(jìn)而加強(qiáng)腦儲備能力，并可能降低tau和Aβ水平，進(jìn)而起到減緩、改善AD癥狀的功效[57]。短雙歧桿菌相比傳統(tǒng)藥物相對安全、成本較低且具有相似療效，在AD的預(yù)防及改善方面具有廣闊的前景。

3 結(jié)語

國內(nèi)外對短雙歧桿菌的研究已有數(shù)十年，其應(yīng)用前景廣闊，既可作為膳食補(bǔ)充劑，又可作為保健食品的功能成分[46，58-59]。大量動物和臨床試驗研究表明，短雙歧桿菌具有改善消化系統(tǒng)代謝、加強(qiáng)免疫系統(tǒng)調(diào)控、改善神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，以及安全無副作用等特點(diǎn)，已被廣泛認(rèn)可。但其耐酸耐氧性差，當(dāng)其暴露于各種酸性、有氧環(huán)境，菌體活力會受到較大影響，不利于其益生特性發(fā)揮，阻礙了生產(chǎn)及商業(yè)應(yīng)用步伐。因此，進(jìn)一步研究短雙歧桿菌耐酸耐氧等生物學(xué)特性及益生特性，已成為具有巨大發(fā)展前景的研究課題，對短雙歧桿菌的益生功能進(jìn)一步發(fā)揮和開發(fā)更好益生菌產(chǎn)品具有重大意義。