益生菌的生理功能及作用機理研究進展

阿熱愛·巴合提，武瑞赟，肖夢圓，李平蘭，譚春明*

1(新疆維吾爾自治區(qū)產品質量監(jiān)督檢驗研究院，新疆 烏魯木齊， 830013) 2(中國農業(yè)大學 食品科學營養(yǎng)工程學院,北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，北京， 100083)

“益生菌”是一類通過合理攝取后能夠對機體產生有益作用的微生物。1857年，法國微生物學家巴斯德在研究牛奶變酸過程時觀察到乳酸菌，進而拉開了益生菌研究的帷幕。隨著有益微生物的不斷發(fā)現，各國科學家開始對益生菌的生物學特性、功能和安全性等進行了深入研究[1-3]。LILLY等[4-5]提出益生菌對其他微生物有促進生長的作用，PACER發(fā)現益生菌對腸道平衡有促進作用，英國FULLER博士提出益生菌是對宿主有益并有利于腸內菌群生態(tài)平衡的活性微生物制劑，并強調了活菌才能夠對健康有益。隨著研究不斷深入和發(fā)展，也使得益生菌更多的有益功能被發(fā)現，如治療腸道疾病[6]、中樞神經系統(tǒng)疾病[7]、抗腫瘤[8]等方面。益生菌的相關產品也開始走向產業(yè)化，如日本乳酸菌飲料“養(yǎng)樂多”，達能“碧悠”和伊利“每益添”等。

隨著現代科學技術的發(fā)展(如色譜分析技術、電鏡技術、厭氧培養(yǎng)技術等)和新研究方法的出現，益生菌在研究和開發(fā)上取得了較快的發(fā)展。但是，益生菌到達人或動物腸道內后，處在復雜的微生態(tài)環(huán)境當中，表現出棲生、偏生、互生、競爭或吞噬等關系，使得其益生機制難以闡明[9-10]。另外，益生菌在菌種開發(fā)和產品研發(fā)方面雖然取得了一定的成果，但是益生菌是如何影響人或動物的微生態(tài)及益生菌自身的生物學特性認識不夠透徹，使得益生菌的深度研究及其產品的開發(fā)受到限制。國內外許多學者與專家正在積極開展益生菌生理作用的研究。未來益生菌菌種的篩選與鑒定、功能開發(fā)、安全性評價和益生機制等將借助現代分子生物學方法來解決。本文對益生菌生理特性、功能及作用機理進行了綜述，以期為益生菌的深入研究及在不同領域的應用提供參考。

1 益生菌的生理學特性及功能

益生菌不僅可以作為發(fā)酵劑來使用，還具有對人體健康有益的獨特生理功能，引起國內外學者的廣泛關注。目前，越來越多的研究指出益生菌能發(fā)揮作用的前提是具備一定的生理學特性，例如益生菌能夠進入到動物胃腸道內并迅速繁殖，改善胃腸道微生態(tài)平衡, 進而促進有益菌的生長；或直接產生抗菌物質(如有機酸、H2O2、細菌素、酶類等)抑制或殺死病原菌；或促進腸胃代謝、轉化、吸收及增加腸胃的蠕動能力；或刺激并參與宿主免疫反應，進而抑制過敏或防治疾病等[11-13]。當我們在選擇1株益生菌時，除了考慮其是否具有某種生理功能，還需要考慮益生菌生理特性的發(fā)揮。其中，最重要的是益生菌的存活特性，益生菌要能在上皮細胞靶點上存活、繁殖并具有代謝活性[14]。然而，很多因素都影響益生菌的存活，其中對機體內胃酸、膽鹽和消化液的耐受性表現得尤為突出，這就要求所選益生菌能夠在胃腸道內長時間存活，并有較強的定植能力。另外一個影響益生菌應用的重要因素是臨床效果，需要有一種以上經過臨床驗證并對健康有益的功效，如抗氧化、增強免疫或抗癌等作用。

益生菌的定植和黏附能力決定其生理作用和生態(tài)效應的發(fā)揮。研究指出，來源于同一個物種的不同益生菌菌株對該種動物腸上皮細胞的黏附力有很大差異, 而且該菌株的黏附能力比在另一個物種上更小[15]?？梢?，篩選益生菌時，應根據不同來源物種的特異性有針對地從相應物種體內、外進行篩選。另外，益生菌的生物安全性必須良好，為無致病性和不產生毒素的非病原菌；同時不會造成胃腸道紊亂或機體感染，不會給人或動物帶來潛在的威脅，并無可轉移的耐藥因子[16]。

然而，作為工業(yè)應用的益生菌還應具備可加工性，其生理和生物學特性在加工、貯存和運輸過程中需保持穩(wěn)定。研究指出，工業(yè)益生菌菌株除了需具有較高活力外，還需要有穩(wěn)定的遺傳特性, 并在連續(xù)化培養(yǎng)的工業(yè)生產流程中持久保持[14]。其次，益生菌在非苛刻的條件下便能快速生長、繁殖并保持較高的活菌濃度，并且所得產品具有良好的風味和感觀特性。目前，常作為工業(yè)用的益生菌及其生理特性和功能如表1所示。

2 益生菌的作用機制

2.1 增強腸道黏膜屏障功能

益生菌進入腸道后與腸道細菌相互作用，進而對腸道起到增強化學屏障、機械屏障、生物屏障和免疫屏障等作用(圖1)。益生菌與腸道細菌共生可促使纖維和其他營養(yǎng)物質的消化，從而促進能量和物質(多種酶和維生素、短鏈脂肪酸等)的供應。研究指出，腸道微生物群在防止?jié)撛谥虏∥⑸锏亩ㄖ矔r，從未消化的食物(如碳水化合物和其他營養(yǎng)素)中為腸壁提供能量，調節(jié)黏膜免疫系統(tǒng)，并有助于維持一個完整的胃腸道屏障[27]。益生菌能調節(jié)上皮組織功能，如杯狀細胞的黏液分泌、Paneth細胞的防御素釋放和正常上皮細胞的緊密連接蛋白合成，調節(jié)和預防上皮細胞凋亡[28]。益生菌還通過誘導和維持腸道相關淋巴組織和刺激漿細胞免疫球蛋白A(immunoglobulin A，IgA)的產生，防止病原體在腸道內繁殖并調節(jié)黏膜免疫系統(tǒng)，增強腸道免疫屏障[29]。益生菌與腸道細胞的相互作用表現為恢復腸道正常通透性、刺激黏液產生和促進黏膜再生，維持黏膜屏障完整性和腸道機械屏障功能，而腸道黏膜屏障的功能和完整性似乎與傳染病、炎癥和過敏性疾病密切相關[30-31]。

圖1 益生菌對腸道黏膜屏障的作用機制Fig.1 The mechanism of probiotics on the intestinal mucosal barrier

表1 主要益生菌的生理特性及功能Table 1 Physiological characteristics and functions of the major probiotics

2.2 阻止病原菌的黏附和定植

腸道內細菌的不同生物學特性與生活習性決定其不同的生理作用，如厭氧菌和需氧菌、腔菌群和膜菌群、糖分解細菌和蛋白分解細菌以及細菌之間的生存、競爭、拮抗等。研究指出，有些益生菌為競爭結合位點而與腸道上皮細胞發(fā)生反應，進而抑制腸道病原菌的黏附和定植，例如，可以與宿主細胞發(fā)生非特異性結合的瑞士乳桿菌(Lactobacillushelveticus)[32]。植物乳桿菌能使致病性大腸桿菌分泌的自體誘導物顯著減少，進而降低該致病菌對宿主細胞的黏附能力[33]。另外，益生菌的表層蛋白可增強其與上皮細胞的黏附能力，使得益生菌占位定植，從而阻止病原菌與腸道黏膜受體的結合。WU等[34]指出，益生菌能在復雜的腸道環(huán)境中競爭有限的生態(tài)位點，阻止病原菌在該位點黏附并繁殖。MACK在研究植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum) 299v胞外MUC3黏蛋白的分泌時發(fā)現，該菌株增強了覆蓋在腸上皮層的黏液層功能，能有效阻止腸道內致病性大腸桿菌的定植[35]。

2.3 增強系統(tǒng)的免疫反應

腸道內的益生菌可通過直接或間接的方式影響機體單核細胞、巨噬細胞、T細胞、B細胞、自然殺傷細胞等多種免疫細胞的功能，從而起到調節(jié)免疫和控制炎癥的作用(圖2)。研究表明，益生菌能改變小鼠腸道內消化及免疫相關酶活性，促進B淋巴細胞向漿細胞分化，并刺激或增強IgA的產生[36]。益生菌還能與樹突狀細胞相互作用，影響某些T細胞的增殖活性和免疫反應，使T細胞分化為Th1、Th2和Treg細胞，激活免疫系統(tǒng)，產生細胞因子，提高抗感染能力[37]。益生菌影響免疫系統(tǒng)的另一方式是調節(jié)信號轉導，包含核因子-κB(nuclear factor-kappa-B,NF-κB)途徑、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)途徑、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)途徑、蛋白激酶 B/磷脂酰肌醇 3 激酶(Akt/phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)途徑和信號轉導與轉錄激活因子(signal transducer and activator of transcription,STAT)途徑等多種信號途徑，其中NF-κB途徑分為NF-κB活化和抑制NF-κB激活，通過阻斷或促使I-κB磷酸化和泛素化來影響靶細胞的增殖和生存，進而激活和維持免疫平衡[28,37-38]。益生菌能通過MAPK途徑和PKC途徑來增強緊密連接的電阻抗，阻止緊密連接蛋白發(fā)生變性[39]。益生菌與宿主免疫系統(tǒng)的交互作用還能促使分泌神經遞質分子，調節(jié)痛覺受體的表達，影響腸道運動和痛覺感受[37]。KAMIYA[40]在研究乳酸桿菌對大鼠結腸擴張內臟痛的抑制作用時，發(fā)現乳酸桿菌可抑制結直腸擴張刺激(colorectal distention，CRD)引起的脊髓背根神經元(dorsal root ganglion, DRG)的敏感性，對內臟疼痛具有潛在的治療作用。PATEL等[28]指出，益生菌能減少活性氧自由基產生和促進免疫調節(jié)，進而增強機體免疫。然而，益生菌介導的固有免疫調節(jié)分為免疫調節(jié)類益生菌和抗炎類益生菌。免疫調節(jié)類益生菌可刺激單核細胞產生促炎因子TNF-α來增強機體免疫，進而預防和治療急性腸道感染；而抗炎類益生菌可抑制單核細胞產生促炎因子TNF-α來減少慢性炎癥發(fā)生，起到預防和治療炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)和腸易激綜合癥(irritable bowel syndrome, IBS)[41]。ROUSSEAUX等[42]在研究嗜酸乳桿菌調節(jié)腸道疼痛也發(fā)現，益生菌能激活位于腸道內的阿片類和大麻類受體，從而改善IBD和IBS所引起的腸道性疾病。

圖2 益生菌對腸道的免疫反應機制Fig.2 The immune response mechanism of probiotics to the intestine

2.4 分泌物質和改變腸道環(huán)境

研究表明，有些益生菌具有抗毒素作用，而有些益生菌是通過產生有機酸、細菌素、糖蛋白、酶類和H2O2等抗菌物質來抑制有害微生物的生長[43]。其中，有機酸能提高腸道酸度，使得致病菌(如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等)生長受到抑制，而更耐受酸性條件的益生菌可以在較低pH值下生存，維持正常腸道功能。益生菌產生的醇、丁二酮、溶菌酶、H2O2以及其他抗菌物質(如乳酸菌素、乳鏈球菌肽等)都可抑制腸道病原菌的生長。研究指出，益生菌產生的細菌素除可以直接抑制或殺死病原菌外，還可作為定植蛋白，產生定植抗力，與病原菌進行占位競爭并抑制病原菌定植；或作為信號蛋白，向腸道菌群和免疫系統(tǒng)傳遞信息[44]。有些益生菌可產生多種維生素和酶類(如蛋白酶、糖化酶、脂肪酶、淀粉酶和β-半乳糖酶等)促進腸道消化吸收。益生菌的另一個益生機理就是維護腸道生態(tài)平衡。腸道生態(tài)環(huán)境的改變會造成菌群紊亂(如G-桿菌過度繁殖)而導致內毒素移位，進而激活庫普弗細胞釋放炎癥介質，腸道屏障功能受損，從而導致細菌移位，進一步發(fā)生細菌感染及全身炎癥反應[38]。另外，腸道生態(tài)環(huán)境的紊亂會影響上皮細胞、免疫細胞或神經系統(tǒng)，進而直接改變胃腸道屏障和腸道健康(如感染引起的上皮通透性增加或特定免疫細胞及其介質的功能喪失)[45]。然后，益生菌除直接對抗病原菌外，還與共生菌群合作使腸道生態(tài)平衡，并有益于形成完整的腸道屏障以維持腸道健康[46]。此外，益生菌具有較強的耗氧能力，可以使動物腸道內形成相對的氧化環(huán)境，進而對好氧病原菌的生長造成影響，使得厭氧菌比例上升，進一步抑制需氧菌和兼性厭氧菌。

3 益生菌的問題及應用前景

隨著研究的不斷深入和發(fā)展，益生菌的應用領域不斷擴大，但在實際應用當中還存在著菌種穩(wěn)定性差、在消化道難定植以及發(fā)揮某種功效的作用機制尚不清楚等問題。例如，活菌制劑的生物活性易受到外部環(huán)境的變化而降低，益生菌存活率得不到保證，嚴重影響產品的質量；而大多進入動物消化道的益生菌又受到胃酸和膽鹽等的影響，使得最終能到達腸道并定植發(fā)揮作用的活菌數量不足，益生效果不顯著。另外，益生菌在發(fā)揮作用的同時也存在一定的毒性問題，大多數乳酸桿菌和雙歧桿菌在代謝過程中產生多種細菌素，在抑制或殺死腸道內有害菌的同時也影響了其他有利于維持機體正常生理功能的有益菌生長[47]。而且，研究者對益生菌菌種篩選當中耐藥基因的去留問題仍然存在分歧，是否應該把具有抗藥基因作為篩選益生菌的依據，是否應除去益生菌中可轉移的耐藥因子以防止其通過質粒把耐藥基因傳遞給致病菌等疑問需進一步的闡明和論證。目前，消費者越來越關注產品相關信息的同時卻對益生菌的認識度不夠，可見更準確地描述益生菌相關產品信息并以合適的方式向消費者宣傳產品功效已成為未來發(fā)展的趨勢。

另外，益生菌將在治療自身免疫性疾病上提供新途徑，打破利用糖皮質激素和免疫抑制劑來抑制病情的傳統(tǒng)方法，減少一系列不良反應。目前，已在Ⅰ型糖尿病、類風濕性關節(jié)炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、多發(fā)性硬化和潰瘍性結腸炎等疾病中得到實驗驗證[12]。但自身免疫性疾病發(fā)病機制復雜，益生菌對其治療的機制還不夠清楚和完善，加上患者的狀態(tài)不同及菌株具有特異性，益生菌的有益效果仍需要大量深入研究來提供科學、詳細的證據，并在臨床應用上形成規(guī)模。

現如今，生物技術和生物標記等技術的發(fā)展為人們不斷探索益生菌提供了新的工具和科學、合理的方法，研究者有信心在基因及分子水平上完全闡明益生菌的作用機制，為其在治療與預防疾病、抗腸道寄生蟲感染、緩解過敏反應等方面發(fā)揮作用。另外，利用基因工程技術在有臨床效果的菌株上插入外源基因，有望增強其應用效果并拓寬應用范圍。將來，在菌種篩選、加工、貯存和臨床評價等方面也將有所改進和突破，以拓寬益生菌在各領域中的應用，開發(fā)更多的產品。利用益生菌獨特的生理特性和自身優(yōu)勢在治療人畜疾病、促進人類健康和畜牧生產中發(fā)揮更大的作用。