抗性淀粉改善腸道功能及糖脂代謝的研究進(jìn)展

李 穎，張 欣，楊佳杰，馬向陽(yáng)，侯俊財(cái)，李艾黎*

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

抗性淀粉（resistant starch，RS）也稱功能性膳食纖維，具有一定的潛在益生作用和多種生理功能，是一種“藥食兩用”的食品資源[1-2]。依據(jù)淀粉的來源和降解程度不同，RS可分成5 類：RS1、RS2、RS3、RS4、RS5[3]。越來越多的研究證明，腸道微生態(tài)平衡與宿主腸道健康密切相關(guān)，RS基于對(duì)有益菌的增殖作用受到了人們的廣泛關(guān)注。RS可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群組成及其代謝產(chǎn)物含量，維護(hù)腸道的正常生理功能、增強(qiáng)機(jī)體的抗氧化能力和減輕腸道炎癥反應(yīng)[4-6]。近幾十年來，不僅結(jié)直腸癌等腸道疾病給臨床醫(yī)學(xué)帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)，II型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）的患病率在全球范圍內(nèi)也急劇上升，且已蔓延至青少年和兒童，嚴(yán)重威脅人類健康。除了藥物治療外，將具有低血糖指數(shù)的RS納入日常飲食中被認(rèn)為是預(yù)防和治療T2DM的潛在替代藥物。RS可以修復(fù)胰腺損傷、調(diào)控脂肪酸的攝入和氧化過程、提高肝糖原合成能力，進(jìn)而改善血脂異常，穩(wěn)定血糖水平，對(duì)防治心血管疾病、T2DM和脂肪肝等多種代謝疾病具有重要意義[3,7-8]。本文綜述了RS調(diào)節(jié)宿主腸道健康和改善糖脂代謝紊亂方面的最新研究進(jìn)展，為加深對(duì)RS的功能性認(rèn)識(shí)提供參考。

1 RS對(duì)宿主腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的影響

腸道內(nèi)數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的微生物組成了一個(gè)復(fù)雜的腸道微生態(tài)群落。在腸道中寄居著種類繁多且數(shù)量龐大的微生物，它們參與宿主的代謝過程，影響宿主的消化、吸收以及免疫功能，在保障宿主健康和維持宿主正常生理功能等方面發(fā)揮著重要的作用[9]。腸道菌群紊亂會(huì)打破腸道與宿主之間的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，誘發(fā)多種疾病。研究發(fā)現(xiàn)，膳食是改善腸道菌群紊亂的關(guān)鍵因素，其中，RS的攝入能促進(jìn)保護(hù)腸道屏障的雙歧桿菌等有益菌增加，抑制誘導(dǎo)腸道內(nèi)產(chǎn)內(nèi)毒素的革蘭氏陰性菌增殖，從而降低腸道通透性，減少致病機(jī)率[10-11]。此外，RS經(jīng)腸道菌群作用形成的短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）是G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCRs）GPR43和GPR41的生理配體，作為不可或缺的調(diào)節(jié)因子在宿主的肝臟組織、胰腺組織、脂肪組織和腸道中都有所表達(dá)[12]。因此，RS可以通過改善腸道菌群的組成，調(diào)節(jié)宿主糖脂代謝、腸道屏障功能、免疫應(yīng)答以及炎癥狀態(tài)等（圖1）。

圖1 RS通過腸道菌群調(diào)節(jié)宿主健康[13-15]Fig. 1 Resistant starch regulates host health through intestinal flora[13-15]

1.1 RS對(duì)腸道菌群的影響

腸道中厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidetes）的數(shù)量與各種代謝綜合征（肥胖、糖尿?。┑陌l(fā)病率密切相關(guān)，部分研究結(jié)果表明，厚壁菌門與擬桿菌門的比值在肥胖人群中高于瘦弱人群[16-17]。目前，大量動(dòng)物和臨床實(shí)驗(yàn)證明RS的攝入能夠改變腸道厚壁菌門與擬桿菌門的比值，進(jìn)而改善糖脂代謝紊亂。Kieffer等[18]比較快速消化淀粉和直鏈玉米淀粉（HAMRS2）飼料對(duì)糖尿病小鼠腸道菌群的影響，結(jié)果顯示，HAMRS2飼料組能顯著升高擬桿菌門、放線菌門（Actinomycetes）的豐度，降低厚壁菌門、變形菌門（Proteobacteria）的豐度，并且降低厚壁菌門與擬桿菌門在小鼠體內(nèi)的比值。Barczynska等[19]研究發(fā)現(xiàn)玉米R(shí)S能夠減少肥胖兒童糞便中厚壁菌門數(shù)量，尤其是梭狀芽孢桿菌（Clostridium），同時(shí)增加擬桿菌門和放線菌門的數(shù)量。

此外，RS在調(diào)節(jié)腸道菌群多樣性方面也發(fā)揮重要的作用。廖振林等[20]發(fā)現(xiàn)香蕉RS能夠調(diào)節(jié)小鼠的腸道菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)反芻動(dòng)物體內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌——羅斯氏菌（Roseburia）數(shù)量的明顯增加，此菌在瘤胃中主要產(chǎn)生丁酸，具有改善黏膜修復(fù)和降低炎癥反應(yīng)等重要作用，并且相比于高脂飼料組，降低了腸道菌群的多樣性指數(shù)。攝入蓮子RS能顯著降低具有致病潛力的與結(jié)直腸癌相關(guān)的紫單胞菌科（Purpuraceae）；與小兒麩質(zhì)性腸病相關(guān)的螺桿菌屬（Helicobacter）、梭菌屬（Clostridium）的數(shù)量，增加產(chǎn)SCFAs的菌丁酸弧菌屬（Butyrivibrio）、口腔桿菌屬（Stomatobaculum）的數(shù)量，并且相比于普通飼料組，降低了腸道菌群多樣性[21]。與以上結(jié)論不同的是，鄔應(yīng)龍等[22]發(fā)現(xiàn)RS4型RS可以調(diào)節(jié)高脂飼料組小鼠的腸道菌群組成，同時(shí)升高菌群多樣性指數(shù)。一般來說，多樣性指數(shù)與腸道微生態(tài)穩(wěn)定呈正相關(guān)。但優(yōu)勢(shì)種群如多形擬桿菌的高度適應(yīng)性和高度變異性能夠在腸道微生態(tài)種群多樣性相對(duì)較低的情況下，維持其長(zhǎng)期穩(wěn)定性[23]。研究表明，部分桿菌、弧菌如志賀氏菌（Shigella）和霍亂弧菌（Vibrio cholerae）等菌群對(duì)酸性環(huán)境耐受性差，由于RS的攝入增加SCFAs的含量，通過降低腸道pH值，減弱或抑制這類細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖甚至死亡，因此推測(cè)pH值降低是菌群多樣性降低的原因[24]。然而，RS對(duì)菌群多樣性的調(diào)節(jié)作用存在爭(zhēng)議，有待作進(jìn)一步的證實(shí)。

研究表明不同食物來源的RS均能促進(jìn)腸道益生菌的生長(zhǎng)，通過調(diào)節(jié)菌群數(shù)量和分布，改善腸道菌群平衡。如玉米、蕎麥、薏苡仁、香蕉中的RS均能抑制腸桿菌（Enterobacter）、腸球菌（Enterococcus）、產(chǎn)氣莢膜梭菌（Clostridium perfringens）等有害菌的生長(zhǎng)，其是雙歧桿菌（Bifidobacterium）和乳酸桿菌（Lactobacillus）等有益菌的增殖因子，并且RS濃度越大，抑制和增殖的效果越明顯。Metzler-Zebeli等[25]研究發(fā)現(xiàn)RS2能夠增加豬結(jié)腸中乳酸桿菌和雙歧桿菌的數(shù)量，同時(shí)抑制有害菌大腸桿菌（Escherichia coli）的生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)和發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用。薏苡仁RS可以改善小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)，降低腸道內(nèi)還原細(xì)菌（Sulphate-reducing bacteria）、紫單胞菌科、理研菌科（Rikenellaceac）、梭菌科（Clostridiaceae）致病性或潛在致病性的菌群的數(shù)量；增加丁酸弧菌屬、擬桿菌科（Bacteroideae）等有益腸道健康菌群的數(shù)量，對(duì)維持腸道健康和預(yù)防腸道疾病發(fā)生發(fā)揮重要作用[26]。

1.2 RS調(diào)節(jié)腸道代謝產(chǎn)物

腸道菌群嚴(yán)重失調(diào)（雙歧桿菌數(shù)量下降，大腸桿菌、梭菌大量繁殖）時(shí)，結(jié)腸中可能產(chǎn)生大量的蛋白質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)物包括支鏈脂肪酸（branched chain fatty acid，BCFA）以及潛在的有毒物質(zhì)，如氨、胺、亞硝基化合物、酚類和吲哚等。已有研究證明，RS可以改善腔內(nèi)環(huán)境，有效抑制一些有害蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物的生成。He Xiangyu等[27]研究發(fā)現(xiàn)玉米R(shí)S可顯著增加小鼠腸道內(nèi)有益菌的數(shù)量，減少毒性物質(zhì)如氨和硫化物的生成，從而調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)發(fā)揮健康效應(yīng)。Souza-da-Silva等[28]發(fā)現(xiàn)日糧中添加變性木薯淀粉可以降低小鼠體內(nèi)單胺氧化酶活性和色氨酸水平，促進(jìn)下丘腦5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）水平升高，5-HT作為胃腸道運(yùn)動(dòng)的重要神經(jīng)遞質(zhì)，可以促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，調(diào)節(jié)動(dòng)物采食量[29]。Zhou Liping等[30]通過對(duì)豬結(jié)腸的消化液和黏膜樣品進(jìn)行化學(xué)和基因表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)生土豆淀粉日糧可以顯著降低豬結(jié)腸中氨、酪胺、BCFA、苯酚、吲哚和糞臭素的濃度，上調(diào)黏膜黏液素基因MUC4、MUC12的表達(dá)，表明長(zhǎng)期攝入RS飼料可以降低蛋白在體內(nèi)降解產(chǎn)生的有害腐敗物濃度，增加結(jié)腸黏液素的分泌，改善豬的腸道健康。

大量動(dòng)物和人體實(shí)驗(yàn)研究表明：RS攝入后在結(jié)腸作為微生物底物被選擇性的分解和發(fā)酵，可以產(chǎn)生大量以乙酸、丙酸、丁酸為主的SCFAs[31-33]。丁酸主要由丁酸弧菌屬發(fā)酵，被腸上皮細(xì)胞吸收利用；乙酸、丙酸分別主要由雙歧桿菌屬和擬桿菌屬發(fā)酵產(chǎn)生，通過腸道吸收進(jìn)入肝靜脈系統(tǒng)，促進(jìn)肝糖異生，為肝臟代謝提供所需能量[34]。SCFAs能為機(jī)體提供能量、幫助優(yōu)勢(shì)菌在腸道中建立優(yōu)勢(shì)地位以及作為信號(hào)分子調(diào)節(jié)糖脂代謝，還能夠通過降低腸道pH值，抑制腐生菌的生長(zhǎng)繁殖和致癌物質(zhì)的產(chǎn)生，起到調(diào)節(jié)腸道功能的作用[35]。

1.3 RS改善腸道健康

大量研究已經(jīng)證實(shí)，不良的飲食習(xí)慣、不合理的膳食結(jié)構(gòu)、膳食纖維攝入過少等因素是導(dǎo)致腸道微生態(tài)紊亂誘發(fā)結(jié)腸炎癥和癌變的重要原因。然而，RS的攝入對(duì)改善腸道功能、抑制結(jié)腸癌的發(fā)病率起重要的調(diào)節(jié)作用。以下就RS通過腸道菌群對(duì)降低腸道通透性、增強(qiáng)腸道免疫功能和抑制結(jié)腸上皮細(xì)胞癌變方面的作用機(jī)制進(jìn)行介紹。

1.3.1 RS維護(hù)腸道免疫屏障

不合理的膳食結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致有害菌數(shù)量增多，細(xì)胞裂解產(chǎn)生的LPS含量增加，腸道黏膜緊密連接蛋白（zonula occludens 1，ZO-1）的表達(dá)水平降低，導(dǎo)致腸道通透性增加，內(nèi)毒素被大量吸收入血，通過Toll樣受體4激活NF-κB，促進(jìn)腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor，TNF-α）、白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-1β、IL-6等促炎因子的釋放，降低腸道免疫力[36]。已有研究表明，長(zhǎng)期以高脂飼料喂養(yǎng)的小鼠，腸道通透性增強(qiáng)，炎癥反應(yīng)加劇[37]。RS則可以通過調(diào)節(jié)腸道微生物群的平衡增強(qiáng)免疫功能，保護(hù)機(jī)體免受腸道炎癥疾病的侵襲。

Bassaganya-Riera等[38]報(bào)道，RS3可降低患病小鼠炎癥因子的表達(dá)，減輕回腸和結(jié)腸的炎癥病變，其可能的機(jī)制為：基于RS對(duì)益生菌的增殖作用，抑制了CD4＋T細(xì)胞干擾素-γ的產(chǎn)生，激活PPAPγ的表達(dá)和促進(jìn)小鼠脾臟IL-10、IL-4等抗炎因子的分泌，阻遏細(xì)胞因子信號(hào)通路介導(dǎo)的腸道炎癥反應(yīng)[39-40]。Yoshida等[41]通過建立人體腸道酵解模型，發(fā)現(xiàn)RS不僅可以促進(jìn)免疫系統(tǒng)發(fā)育，增強(qiáng)宿主免疫力的擬桿菌屬的豐度，同時(shí)增加結(jié)腸中SCFAs的含量，尤其增加丁酸鹽含量。丁酸鹽可以通過弱化組蛋白脫乙酰基酶抑制NF-κB信號(hào)通路，減弱機(jī)體LPS應(yīng)答機(jī)制、抑制IKB的磷酸化從而抑制炎癥反應(yīng)。

Zhou Liping等[30]研究發(fā)現(xiàn)土豆淀粉可以增加腸道中有益菌的數(shù)量，上調(diào)豬結(jié)腸黏液層中MUC2、MUC4、MUC12基因的表達(dá)，通過增加結(jié)腸黏液素的分泌來維護(hù)其化學(xué)屏障，其可能的機(jī)制為：益生菌（如乳酸菌）可以通過MAPK途徑增加腸道上皮細(xì)胞黏蛋白的分泌，抑制腸道病原性大腸桿菌和沙門氏菌等附著，進(jìn)而可對(duì)病原體的侵入起抑制作用[42]。相比于益生元和其他膳食，RS可以更大幅度地促進(jìn)丁酸鹽生成[43]。丁酸鹽不僅能夠能發(fā)揮抗炎癥作用，還可以調(diào)節(jié)ZO-1的表達(dá)，其表達(dá)上調(diào)或活性增強(qiáng)會(huì)促進(jìn)腸黏膜發(fā)揮其重要的防御屏障功能，降低了致病菌和內(nèi)毒侵入腸道，在血液中大量繁殖誘發(fā)腸源性感染的風(fēng)險(xiǎn)[44]。

1.3.2 RS抑制結(jié)腸上皮細(xì)胞癌變

目前已有多項(xiàng)研究報(bào)道顯示RS與結(jié)（直）腸癌（colorectal cancer，CRC）的發(fā)病率密切相關(guān)，隨著對(duì)RS在改善腸道功能方面研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)RS可通過調(diào)節(jié)腸道中微生物群組成和SCFAs濃度，在宿主腸道黏膜上皮細(xì)胞增殖、分化和凋亡等過程中起著重要的調(diào)控作用，從而對(duì)結(jié)腸疾病具有明顯的預(yù)防與緩解作用[45-46]。

SCFAs可以顯著抑制結(jié)直腸癌的早期標(biāo)志物變性隱窩病灶（aberrant crypt foci，ACF）的發(fā)生，并且通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的線粒體凋亡途徑抑制腫瘤細(xì)胞中抗凋亡蛋白（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）的表達(dá)，同時(shí)對(duì)促凋亡蛋白Bax的表達(dá)起到上調(diào)作用[47]。Le-Leu等[48]通過在小鼠飼料中添加高直鏈玉米淀粉（RS2），發(fā)現(xiàn)小鼠糞便中SCFAs和丁酸鹽水平與結(jié)腸隱窩遠(yuǎn)端急性凋亡應(yīng)答呈正相關(guān)。并且RS與乳酸雙歧桿菌等益生菌的共生作用可以顯著升高結(jié)腸癌患者對(duì)DNA損傷的凋亡應(yīng)答。Purwani等[49]以人結(jié)腸癌細(xì)胞HCT-116為模型，研究由丁酸梭菌發(fā)酵西米淀粉（RS3）所得產(chǎn)物的上清培養(yǎng)液對(duì)癌細(xì)胞增殖和凋亡的影響。發(fā)現(xiàn)RS3培養(yǎng)液中丁酸鹽含量升高，抑制癌細(xì)胞增殖，上調(diào)Bax/Bcl-2比值至3.5 倍以上，增加受損細(xì)胞凋亡進(jìn)而避免受損細(xì)胞發(fā)生癌變，在癌癥發(fā)病的早期具有抑制作用。CRC的侵襲和轉(zhuǎn)移是臨床醫(yī)學(xué)上的主要問題，因此還需要深入研究RS對(duì)C-Myc、Ras等癌變基因的影響和作用機(jī)制，并且加大對(duì)樣本量的分析，為CRC早期癌前病變的診斷和治療提供科學(xué)依據(jù)。

RS也能通過降低丙二醛濃度，增強(qiáng)谷胱甘肽（glutathione，GSH）濃度、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活力和相關(guān)氧化酶的活力等對(duì)癌變起到一定的預(yù)防作用。Prado-Silva等[50]發(fā)現(xiàn)RS2可降低二甲基肼誘導(dǎo)的大鼠結(jié)腸癌細(xì)胞ACF的數(shù)目，增加GSH濃度和SOD活力，提高機(jī)體抗氧化能力和抑制氧化應(yīng)激水平，對(duì)降低結(jié)腸癌的發(fā)病率其重要作用。此外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，飲食中蛋白質(zhì)攝入量的增加會(huì)加重結(jié)腸DNA損傷，使結(jié)腸黏膜屏障變薄，RS可以通過減輕食用高蛋白飲食引起的結(jié)腸DNA損傷，抑制和延緩腸道腫瘤的發(fā)生[27]。Le-Leu等[48]發(fā)現(xiàn)RS可以增加飼喂聚丙烯小鼠腸道中包括丁酸鹽在內(nèi)的SCFAs濃度，降低潛在毒性蛋白發(fā)酵產(chǎn)物的含量，具有預(yù)防腸道腫瘤的發(fā)生和改善攝入難消化蛋白對(duì)腫瘤增強(qiáng)作用的雙重效果。

2 RS改善機(jī)體糖脂代謝紊亂

2.1 RS對(duì)餐后血糖、胰島素水平的影響

超重和肥胖已成為一種全球性的“流行病”，隨著胰島素抵抗相關(guān)疾病的增加，患T2DM和心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)逐漸加劇。第一階段胰島素分泌的缺失被認(rèn)為是T2DM病發(fā)的主要原因[51-52]。因此，恢復(fù)和改善第一階段胰島素分泌是治療T2DM的一個(gè)重要手段。穩(wěn)態(tài)模型（homeostasis model assessment，HOMA）（HOMA-%B、HOMA-%S、HOMA-IR）是在臨床醫(yī)學(xué)上衡量胰島β細(xì)胞功能、胰島素敏感性與抵抗水平的有效指標(biāo)。胰島素分泌能力與體內(nèi)血糖水平具有直接關(guān)系（圖2）。

圖2 血糖調(diào)節(jié)示意圖[53-54]Fig. 2 Schematic diagram of blood glucose regulation[53-54]

RS作為一種新的膳食成分，可以減緩嚙齒動(dòng)物和人類的消化速度，升高糖尿病患者的HOMA-%S，對(duì)空腹血糖、空腹胰島素、糖化血紅蛋白（glycosylated hemoglobin,HbA1c）、HOMA-%B、HOMA-IR均具有降低作用[55-56]。本課題組的前期研究也表明RS樣品中的RS含量與血糖指數(shù)呈負(fù)相關(guān)[57]。Wang Yong等[58]對(duì)428 名體質(zhì)量指數(shù)大于25 的受試者的病例研究進(jìn)行了薈萃分析，證實(shí)了在飲食中攝入RS可以明顯改善超重或肥胖人群的空腹血糖、空腹胰島素、胰島素抵抗和敏感性，對(duì)糖尿病的護(hù)理和預(yù)防具有臨床意義。

Peterson等[59]發(fā)現(xiàn)RS可以降低前期糖尿病患者HbA1c、HOMA-IR指標(biāo)水平，但對(duì)降低空腹血糖水平，改善糖代謝沒有顯著影響。其結(jié)果的多樣性可能是由于受試者的飲食組成、RS的劑量和類型、患者的性別和病理狀態(tài)等方面存在差異。因此，有必要針對(duì)肥胖和糖尿病患者進(jìn)行精心設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期研究。RS發(fā)揮調(diào)解作用的相關(guān)機(jī)制可能是增加SCFA，尤其是丙酸鹽和醋酸鹽含量，提高胰島素敏感性；促進(jìn)具有胰島增敏作用的來源于脂肪細(xì)胞的脂聯(lián)素分泌；通過改變腸道微生物群，提升機(jī)體抗氧化能力和減輕腸道炎癥反應(yīng)，降低胰島素抵抗。Harazaki等[60]實(shí)驗(yàn)證明RS2能降低脂肪組織中CD11c被稱為補(bǔ)體受體4的表達(dá)，CD11c作為菌脂多糖受體，誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞滲入脂肪組織，促進(jìn)致炎因子IL-1β、IL-6、TNF-α的釋放，導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生胰島素抵抗從而影響餐后血糖水平和胰島素分泌[61]。

2.2 RS對(duì)肝臟脂質(zhì)代謝相關(guān)指標(biāo)的影響

RS不僅能夠改善糖代謝，還可以在一定程度上改善肥胖者體內(nèi)脂質(zhì)構(gòu)成，降低總膽固醇（total cholesterol，TC）、甘油三酯（total glyceride，TG）、低密度脂蛋白（low density lipoprotein cholesterol，LDL-C）的含量，達(dá)到降血脂和減少肝臟炎癥風(fēng)險(xiǎn)的重要作用[62-64]。Lee等[12]通過用改性甘薯淀粉干預(yù)肥胖小鼠10 周后，血清中TG、TC、LDL-C含量降低，修復(fù)小鼠肝臟損傷。Meenu等[2]在小鼠實(shí)驗(yàn)中也研究發(fā)現(xiàn)，RS可以通過靜脈運(yùn)輸增加膽汁酸的體外排出量，降低血清和肝臟中的膽固醇水平；促進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)物丙酸酯的生成，抑制肝臟中膽固醇的合成，對(duì)改善脂代謝紊亂發(fā)揮重要作用。然而與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不同，RS對(duì)血脂的改善作用在臨床醫(yī)學(xué)上還存在爭(zhēng)議。Johnston等[65]研究發(fā)現(xiàn)，RS對(duì)糖尿病患者體內(nèi)脂肪含量沒有顯著影響，并不能改善肝臟代謝相關(guān)指標(biāo)。這種差異可能是由動(dòng)物與人體的胃腸道菌群組成、受RS的敏感性程度及其實(shí)驗(yàn)操作方法不同產(chǎn)生。

RS經(jīng)腸道菌群作用形成的SCFAs可以介導(dǎo)GLP-1和PYY等胃腸肽類激素，GLP-1和PYY可以減慢胃排空，提升飽腹感，從而減少食物攝入量來避免食源性肥胖。Zhou等[66]發(fā)現(xiàn)飼喂RS的小鼠血清中GLP-1和PYY水平均升高，并且顯著降低小鼠體脂積累，表明RS對(duì)防治機(jī)體肥胖起重要作用。此外，SCFA與FFAR2結(jié)合后，刺激肝臟和脂肪組織中的腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）的活性，進(jìn)而激活下游關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisome proliferator activated receptors，PPAR）α等的表達(dá)，改善脂質(zhì)代謝紊亂。雖然RS對(duì)降低血脂和改善脂肪堆積的機(jī)制已被許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，但仍存在相當(dāng)大的模糊性，還需加大對(duì)糖脂代謝相關(guān)參數(shù)和潛在機(jī)制的研究，為深入評(píng)估臨床療效提供參考。

3 RS對(duì)機(jī)體糖脂代謝的分子機(jī)制研究

RS及其功能因子對(duì)改善機(jī)體糖脂代謝紊亂的研究已成為目前國(guó)際代謝性疾病研究領(lǐng)域的重點(diǎn)方向，其中RS對(duì)葡萄糖和脂質(zhì)代謝過程中肝臟和胰腺組織的酶活性及其基因表達(dá)的調(diào)節(jié)作用尤其引人關(guān)注（圖3）。Wang Qi等[67]通過對(duì)胰腺組織的數(shù)字基因表達(dá)譜技術(shù)和基因本體分析，發(fā)現(xiàn)蓮子RS可引起T2DM小鼠511 個(gè)基因的表達(dá)存在差異，其中有277 個(gè)基因上調(diào)，234 個(gè)基因下調(diào)。Shang Wenting等[68]對(duì)大鼠分別灌喂新鮮菜籽油和添加RS的煎炸油，通過肝臟轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)RS可引起384 個(gè)基因的表達(dá)存在差異，表明在含氧化油飲食中添加RS可作為在分子水平上調(diào)節(jié)脂類物質(zhì)合成的有效途徑；PI3K-蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）信號(hào)通路、胰島素信號(hào)通路、FoxO信號(hào)通路、胰腺分泌通路、MAPK信號(hào)通路是參與RS調(diào)節(jié)糖脂代謝的主要通路。本文將闡述RS與宿主糖脂代謝互作的分子機(jī)制，從而為精準(zhǔn)膳食干預(yù)、糖尿病等代謝疾病的診斷和治療提供參考。

圖3 RS對(duì)機(jī)體糖脂代謝的分子調(diào)控機(jī)制[2]Fig. 3 Molecular regulation mechanism of resistant starch on glucose and lipid metabolism[2]

3.1 RS對(duì)糖代謝的分子機(jī)制研究

3.1.1 磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B信號(hào)途徑

PI3K-Akt信號(hào)途徑是胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要途徑，通過調(diào)節(jié)其下游FoxO、GSK-3等底物受體，調(diào)節(jié)糖異生和糖原合成相關(guān)酶的表達(dá)來降低葡萄糖含量，增強(qiáng)骨骼肌組織和脂肪組織對(duì)葡萄糖的攝取，維持體內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)，并且避免過剩的葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)橹|(zhì)沉積[69]。IRS1、IRS2是胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中尤為重要的兩個(gè)胰島素受體底物，在肝臟中大量表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)：與對(duì)照組相比，敲除肝臟中的IRS1和IRS2基因組的小鼠，顯著增加患高血糖、高胰島素血癥、高血脂和胰島素抵抗的患病機(jī)率[70]。Wang Qi等[67]通過對(duì)大鼠肝臟的基因表達(dá)組學(xué)和代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，蓮子RS可顯著上調(diào)由高脂飼料和鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的T2DM大鼠胰腺組織中IRS1/2的表達(dá)水平，表明RS可調(diào)節(jié)胰島素水平和治療胰腺損傷，進(jìn)而恢復(fù)血糖平衡。

叉頭狀轉(zhuǎn)錄因子（forkhead box transcription factor-1，F(xiàn)oxO1）是胰島素PI3K/Akt信號(hào)通路的下游關(guān)鍵信號(hào)分子。在禁食條件下，通過Akt磷酸化抑制糖異生相關(guān)基因的表達(dá)，如PEPCK和G6Pase，在肝臟胰島素抵抗中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[71]。胰島素與肝臟糖異生作用密切相關(guān)，當(dāng)體內(nèi)胰島素水平低時(shí)，F(xiàn)oxO1處于激活狀態(tài)，糖脂代謝基因表達(dá)異常，從而加重機(jī)體糖脂代謝紊亂。Sato等[72]研究證明，敲除小鼠體內(nèi)FoxO1基因可避免因飲食誘導(dǎo)引起的胰島素抵抗現(xiàn)象和抑制糖尿病相關(guān)癥狀。高直鏈玉米淀粉可顯著下調(diào)糖尿病大鼠肝臟中PEPCK和G6Pase 的表達(dá)，從而維持糖尿病大鼠葡萄糖穩(wěn)態(tài)，改善糖代謝紊亂[66]。

3.1.2 胰腺十二指腸同源異型盒因子-1

PDX-1是胰腺β細(xì)胞胰島素基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，GLUT2和GK的表達(dá)，對(duì)促進(jìn)胰島素分泌和維持葡萄糖水平穩(wěn)定發(fā)揮重要作用[73]。Hashemi等[74]研究發(fā)現(xiàn)，RS2可以提高胰島素抵抗大鼠的葡萄糖耐受性，部分激活GK和GLUT2在細(xì)胞膜上的表達(dá)，促進(jìn)肝臟葡萄糖流入，增加肝糖原濃度。GK作為糖原合成中的第一限速酶，促進(jìn)糖酵解，提高肝臟對(duì)葡萄糖攝取，增加肝糖原濃度；GLUT2是肝細(xì)胞和胰島β細(xì)胞中最主要的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體，主要負(fù)責(zé)上皮細(xì)胞膜側(cè)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)[75]，GLUT2表達(dá)異常會(huì)降低胰島β細(xì)胞對(duì)葡萄糖的敏感性，并降低肝臟對(duì)葡萄糖的攝取，引起肝臟胰島素抵抗[76]。Sun Hui等[77]通過對(duì)糖尿病大鼠飼喂RS2型RS28d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)RS28d顯著增加PDX-1、GK和GLUT2的表達(dá)水平，下調(diào)PEPCK和G6Pase的表達(dá)，表明高RS日糧能通過抑制肝臟糖異生和促進(jìn)糖原合成，維持體內(nèi)血糖穩(wěn)態(tài)。此外，RS的攝入會(huì)導(dǎo)致下丘腦食欲調(diào)節(jié)中心的神經(jīng)元活動(dòng)發(fā)生變化，使小鼠出現(xiàn)飽腹感，減少食物的攝入量，從而降低肥胖和相關(guān)疾病的發(fā)生率[78]。

由此可見，RS通過PI3K/Akt信號(hào)途徑調(diào)節(jié)IRS1、IRS2、FoxO1等關(guān)鍵受體和信號(hào)分子及其下游重要的糖代謝（攝取、合成、異生、轉(zhuǎn)運(yùn)）相關(guān)酶的基因表達(dá)，調(diào)控糖尿病動(dòng)物體內(nèi)血糖應(yīng)激和胰島素轉(zhuǎn)運(yùn)，降低血糖水平和改善胰島素分泌，有效地緩解糖代謝紊亂（圖4）。

圖4 RS對(duì)動(dòng)物糖代謝的分子調(diào)控機(jī)制[77]Fig. 4 Molecular regulation mechanism of resistant starch on glucose metabolism in animals[77]

3.2 RS對(duì)脂代謝的分子機(jī)制研究

3.2.1 固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

SREBPs是一種反式作用因子，有3 種亞型：SREBP1-a、SREBP1-c和SREBP-2，能夠調(diào)節(jié)脂肪酸和膽固醇合成[79]。目前，研究最多的亞型是SREBP1-c，占動(dòng)物體內(nèi)SREBP-1的90%，是合成脂肪相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄的決定因子[80]。SREBP-1對(duì)脂肪酸的調(diào)控主要是通過脂肪酸合成酶（fatty acid synthetase，F(xiàn)AS）、硬脂酰輔酶A去飽和酶（acyl coA desaturase 1，SCD1）和乙酰輔酶A羧化酶（acetyl coenzyme A carboxylase，ACC）等的表達(dá)，對(duì)脂肪在機(jī)體內(nèi)的合成、沉積，脂質(zhì)代謝發(fā)揮有效的調(diào)控作用。此外，SREBP-2調(diào)控膽固醇合成限速酶、3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶（3-hydroxy-3-methylglutarylcoenzyme A reductase，HMG-CoAR）的表達(dá)，維持膽固醇穩(wěn)態(tài)[81]。Zhou Zhongkai等[82]研究發(fā)現(xiàn)，高RS日糧能通過促進(jìn)Insig1和Insig2的表達(dá)，抑制肝臟中SREBP-1c的表達(dá)水平，改善血脂異常和脂質(zhì)沉積，表明胰島素參與脂肪合成。羅凱云[83]報(bào)道，在肥胖小鼠高脂飼料中添加RS，可激活A(yù)MPK信號(hào)通路，下調(diào)肝臟中SREBP-1c、FAS、ACC表達(dá)水平，證實(shí)了RS的抗肥胖作用。Choi等[84]用糙米干預(yù)高脂倉(cāng)鼠8 周，可以顯著下調(diào)倉(cāng)鼠肝臟中FAS、HMG-CoAR、SREBP-1的表達(dá)，由此表明高RS能夠有效降低血脂，預(yù)防脂肪肝的形成。

3.2.2 過氧化物酶體增殖物激活受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

PPARs是脂肪細(xì)胞基因表達(dá)和胰島素細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要調(diào)控因子，PPARα是調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)和過氧化物酶體內(nèi)的脂肪酸氧化的主要亞型[85]。PPARα通過調(diào)節(jié)肉堿棕櫚基轉(zhuǎn)移酶-1（carnitine palmitoyltransferase-1，CPT-1）和ACOX的表達(dá)參與脂肪酸β氧化，降低人類和嚙齒動(dòng)物血清中TG濃度[84]。此外，PPARα能促進(jìn)在膽固醇轉(zhuǎn)化成膽汁酸途徑中起重要作用的限速酶，膽固醇7α羥化酶（cholesterol 7α hydroxylase，CYP7A1）的表達(dá)，加速肝臟中膽固醇的分解代謝，增加糞便中膽固醇的排泄[86]。Si Xu等[87]對(duì)RS改善小鼠脂質(zhì)代謝紊亂的分子機(jī)制發(fā)現(xiàn)，RS可誘導(dǎo)禁食誘導(dǎo)脂肪因子和AMPK表達(dá)，促進(jìn)PPARs表達(dá)，從而加速脂肪酸β氧化，參與脂質(zhì)調(diào)節(jié)。Matsumoto等[88]通過對(duì)肝臟的基因表達(dá)組學(xué)和代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)糙米（RS2）可以激活A(yù)MPK信號(hào)通路，增加T2DM小鼠CYP7A1、PPARα的表達(dá)水平，有效降低血清中TG和膽固醇濃度。

圖5 RS對(duì)動(dòng)物脂質(zhì)代謝的分子調(diào)控機(jī)制[68]Fig. 5 Molecular regulation mechanism of resistant starch on lipid metabolism in animals[68]

表1 RS通過調(diào)節(jié)糖脂質(zhì)代謝的表達(dá)對(duì)宿主健康的影響Table 1 Resistant starch affects host health by regulating the expression of glycolipid metabolites

如圖5所示，RS通過Insulin、AMPK信號(hào)通路調(diào)節(jié)PPARα和SREBPs等關(guān)鍵信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及其下游脂質(zhì)代謝相關(guān)酶的基因表達(dá)，抑制肥胖小鼠肝臟脂肪酸及膽固醇合成、增加糞便中膽汁酸的排量等，降低血脂含量和脂質(zhì)沉積。目前，利用表達(dá)譜基因芯片技術(shù)，對(duì)各種組織和細(xì)胞中的基因表達(dá)進(jìn)行定量分析，已成為探索某種疾病分子機(jī)制的重要思路。RS可以調(diào)節(jié)糖脂代謝途徑中肝臟和胰腺組織相關(guān)基因的表達(dá)，有效預(yù)防和治療糖尿病、高血脂等相關(guān)代謝疾?。ū?）。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，RS作為低熱量、高纖維含量的功能性食品成分，對(duì)保障機(jī)體健康有著重要的影響。RS與腸道菌群的組成有著緊密的聯(lián)系，基于益生菌和SCFAs對(duì)增強(qiáng)腸道屏障功能、調(diào)節(jié)細(xì)胞免疫，進(jìn)而緩解和改善某些結(jié)腸炎等疾病癥狀的大量研究，使得探索RS提高宿主腸道健康成為可能。同時(shí)，隨著RS對(duì)機(jī)體糖脂代謝研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)RS可以通過調(diào)節(jié)糖原合成、減少糖異生、調(diào)控脂質(zhì)合成和分解代謝等途徑降低血糖和血脂，從而緩解糖脂代謝紊亂。目前，已知結(jié)腸發(fā)酵、SCFAs的產(chǎn)生和某些基因表達(dá)水平的調(diào)控被認(rèn)為是RS發(fā)揮生理作用的有效方式，但RS對(duì)參與宿主代謝以及相互作用的機(jī)制尚未明確，還需要更多深入的研究。在不久的將來，RS將在益生菌培養(yǎng)、功能食品開發(fā)、代謝性疾病防治等方面產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。