微生態(tài)制品調(diào)節(jié)肥胖腸道微生物的研究進(jìn)展

陸淋麗 鞠海兵

1.昆明醫(yī)科大學(xué)解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九二〇醫(yī)院臨床學(xué)院內(nèi)分泌科，云南昆明 650032；2.解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九二〇醫(yī)院內(nèi)分泌科，云南昆明 650032

在全球高熱量食物的攝入增加、缺少體力活動(dòng)的現(xiàn)代生活體系的大環(huán)境影響下，肥胖的發(fā)病率呈逐年上升趨勢，目前全球肥胖人口數(shù)量已接近20 億。肥胖已被認(rèn)為是一種全球流行病，能引發(fā)心血管疾病、2 型糖尿病、癌癥等一系列并發(fā)癥，嚴(yán)重危害人們的健康，同時(shí)造成了嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，肥胖成了迫切需要解決的棘手復(fù)雜問題[1]。隨著16SrDNA 基因測序、宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了肥胖與體內(nèi)龐大復(fù)雜的腸道微生物群組成和功能改變有關(guān)，特定的腸道微生物及其代謝產(chǎn)物能增加能量攝取、炎癥、氧化應(yīng)激、脂質(zhì)沉積、胰島素抵抗。微生態(tài)制品（益生元、益生菌、合生元、后生元）能有益地調(diào)節(jié)腸道微生物來減少炎癥、能量攝入，從而改善肥胖[2]。目前由于試驗(yàn)技術(shù)、方法、對象存在異質(zhì)性，微生物制品干預(yù)針對腸道微生物群來改善肥胖的有效性和安全性需要進(jìn)一步驗(yàn)證，作用機(jī)制尚不明確，關(guān)于開發(fā)新的功能微生物制品研究較少，在微生物制品被合理有效地治療肥胖之前，需要進(jìn)行大量的研究尤其是隨機(jī)對照臨床研究。

1 腸道微生物概述

人體內(nèi)的腸道微生物群受食物類型、飲食習(xí)慣、藥物治療、腸道動(dòng)力、糞便頻率及糞便黏稠度的影響，由細(xì)菌、古細(xì)菌、病毒、噬菌體、酵母和真菌等組成。在影響人體的新陳代謝和健康關(guān)系中，古細(xì)菌、噬菌體等微生物可能和細(xì)菌一樣重要[3]。微生物細(xì)胞總數(shù)高達(dá)1014個(gè)，主要在結(jié)腸，大多是厭氧菌，大約是人體細(xì)胞的10 倍。隨著宏基因組學(xué)的發(fā)展，微生物群的基因總數(shù)預(yù)計(jì)為330 萬，相當(dāng)于人體基因數(shù)的150～300 倍[4]。目前腸道菌群的組成大多關(guān)注在門水平上，腸道菌群主要由厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門、梭桿菌門和疣微菌門組成，以前四門占優(yōu)勢，約為腸道菌群總數(shù)的98%，其占比分別約為64%、23%、8%和3%，由此厚壁菌門、擬桿菌門組成了人體腸道微生物的主要細(xì)菌門，約為90%，且它們在不同個(gè)體之間的相對比例不同[5]。

正常人體選擇性讓腸道微生物定植于腸道內(nèi)并與之互利共生。一方面腸道微生物從機(jī)體獲取能量和營養(yǎng)促進(jìn)自身生長代謝，另一方面腸道微生物在機(jī)體的新陳代謝中發(fā)揮重要作用，包括分解宿主體內(nèi)不可消化的碳水化合物和蛋白質(zhì)產(chǎn)生短鏈脂肪酸等代謝產(chǎn)物為宿主提供能量、營養(yǎng)及提供宿主代謝所需要的酶和活性物質(zhì)，維持正常的腸道屏障，抑制致病菌的侵入，調(diào)節(jié)免疫等[6]。有研究顯示，相似的食物會(huì)對微生物組產(chǎn)生不同的影響，這表明人體的腸道微生物群具有個(gè)體差異性[7]。

2 腸道微生物群和肥胖

2.1 肥胖機(jī)體的腸道微生物組成及其代謝產(chǎn)物

腸道微生物發(fā)酵代謝產(chǎn)物主要由來源于近端結(jié)腸有利于改善肥胖的糖酵解產(chǎn)物（乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽、琥珀酸和乙醇等）、遠(yuǎn)端結(jié)腸不利于改善肥胖的蛋白質(zhì)酵解產(chǎn)物（支鏈氨基酸、酚類和吲哚類化合物、氨和硫化氫等分子）、膽汁酸、三甲胺氮氧化物（trimethylamine nitrous oxide，TMAO）等組成。來源于近端結(jié)腸的糖酵解產(chǎn)物以短鏈脂肪酸研究最多，短鏈脂肪酸不僅能為機(jī)體提供能量，其中的丁酸鹽還能減輕、控制體重，但臨床研究很少，不能充分有效說明短鏈脂肪酸對肥胖機(jī)體的能量代謝、體重控制有益。這也間接表明遠(yuǎn)端結(jié)腸增加不可消化的碳水化合物供微生物發(fā)酵可抑制蛋白質(zhì)發(fā)酵可能是治療肥胖的一個(gè)有效方法。目前研究表明，與瘦受試者相比，肥胖受試者糞便樣本中的短鏈脂肪酸濃度偏高，這也只能表明肥胖產(chǎn)生的短鏈脂肪酸多，并不能表明肥胖對短鏈脂肪酸吸收利用增加，同時(shí)糞便中短鏈脂肪酸的濃度能否代表微生物產(chǎn)生短鏈脂肪酸量的預(yù)測指標(biāo)還不明確[10-11]。

基于某些微生物培養(yǎng)鑒定技術(shù)限制，目前還不能充分認(rèn)識腸道微生物群及其作用，與肥胖有關(guān)的特定細(xì)菌及特定代謝產(chǎn)物尚不清楚，目前肥胖腸道微生物組成及厚壁菌門/擬桿菌門的比例是在門水平研究的，還不明確是否應(yīng)深入到屬和種水平，微生物的組成、數(shù)量或活性、代謝能力、最終代謝產(chǎn)物（短鏈脂肪酸、膽汁酸、TMAO 等）與肥胖機(jī)體的新陳代謝中的重要性仍不明確。

2.2 肥胖機(jī)體腸道微生物群與肥胖的機(jī)制

肥胖機(jī)體腸道微生物群與肥胖相關(guān)的機(jī)制[12]有：①影響能量平衡：肥胖機(jī)體內(nèi)的腸道微生物群酵解碳水化合物能力增強(qiáng)，產(chǎn)生短鏈脂肪酸的量增多，能為宿主提供更多的能量。②調(diào)節(jié)脂肪儲(chǔ)存：肥胖機(jī)體內(nèi)的腸道微生物群能下調(diào)腸上皮細(xì)胞禁食誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞因子（fasting-induced adipocyte factor，F(xiàn)IAF）的表達(dá)，F(xiàn)IAF 是脂蛋白酯酶（lipoproteinlipase，LPL）的抑制因子，而LPL 能促進(jìn)脂肪酸合成甘油三酯，從而導(dǎo)致機(jī)體脂肪沉積。肥胖機(jī)體內(nèi)的腸道微生物群還可以降低肝臟和肌肉的腺苷單磷酸激酶（adenosine monophosphate kinase，AMP）活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）活性，該酶是控制細(xì)胞能量代謝的關(guān)鍵酶，從而這些腸道微生物能抑制依賴AMPK 的脂肪酸氧化作用導(dǎo)致脂肪沉積。③引發(fā)慢性炎癥：肥胖機(jī)體內(nèi)的腸道微生物群導(dǎo)致腸道通透性增加，通過轉(zhuǎn)移革蘭氏陰性腸道細(xì)菌使血液中的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）增多，脂多糖來自革蘭氏陰性細(xì)菌的外膜，能誘發(fā)代謝性內(nèi)毒素血癥，導(dǎo)致宿主細(xì)胞分泌促炎細(xì)胞因子，導(dǎo)致宿主發(fā)生慢性低度炎癥和胰島素抵抗。肥胖機(jī)體內(nèi)增多的LPS 還可激活脂肪細(xì)胞中內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)的合成，其激活可以提升食欲，增加食物攝入。④調(diào)節(jié)腦-腸軸：腦-腸軸是一個(gè)腸道菌群與腸內(nèi)分泌、免疫和中樞神經(jīng)系相互作用的雙向信號軸。肥胖機(jī)體內(nèi)的腸道微生物群通過腸-腦軸既可增加體重也可減輕體重。增加體重的作用表現(xiàn)在肥胖機(jī)體內(nèi)的腸道微生物群可能會(huì)增加下丘腦炎癥，改變下丘腦基因表達(dá)，影響下丘腦信號傳導(dǎo)，促進(jìn)調(diào)節(jié)胃腸功能的神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生來增加食欲。減少體重的作用主要與肥胖機(jī)體內(nèi)的腸道微生物群酵解產(chǎn)生的短鏈脂肪酸有關(guān)。

3 微生態(tài)制品干預(yù)肥胖人群的效果

大多數(shù)動(dòng)物研究和部分人體研究表明益生元、益生菌和合生元（益生元聯(lián)合益生菌）在通過參與肥胖腸道微生物群調(diào)節(jié)對肥胖相關(guān)的人體測量指標(biāo) （體重、腰圍）、生化代謝參數(shù)（血脂、血糖、腸道激素、胰島素抵抗）、炎癥指標(biāo)、改善腸道屏障、調(diào)節(jié)微生物組具有潛在的有益效果。雙歧桿菌和乳酸桿菌菌株是最廣泛用于功能性食品和膳食補(bǔ)充劑中傳統(tǒng)益生菌，新一代益生菌如嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila，Akk）、普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）被發(fā)現(xiàn)有益于肥胖治療。新的動(dòng)物研究表明，后生元（主要是短鏈脂肪酸等）可能通過誘導(dǎo)棕色脂肪組織的產(chǎn)熱以及白色脂肪組織的褐變來增加能量消耗、減輕體重[13]。接下來著重討論益生元、益生菌、合生元對肥胖人群干預(yù)后的效果。

3.1 益生元的抗肥胖作用

3.1.1 益生元概況 益生元目前最新的定義為宿主胃腸道內(nèi)外的微生物選擇性利用后能增加有益微生物的活性和數(shù)量進(jìn)而有益于宿主健康的化合物，這些化合物包括在小腸內(nèi)未消化吸收的碳水化合物，還包括不可消化的蛋白質(zhì)等非碳水化合物的食物和非食物成分。國外經(jīng)批準(zhǔn)的益生元主要有阿拉伯木聚糖、甘露聚糖、果膠、β-葡聚糖、菊粉和果聚糖、低聚果糖、低聚半乳糖、抗性淀粉等，目前研究最多的主要是菊粉、低聚果糖和低聚半乳糖。值得注意的是阿拉伯木聚糖的水解產(chǎn)物（即阿拉伯木聚寡糖）因表現(xiàn)出增加雙歧桿菌數(shù)量并能促進(jìn)多種產(chǎn)丁酸鹽細(xì)菌的增長，能更有效地減輕體重[14]。最近的研究表明干預(yù)前腸道微生物的特征決定了益生元對肥胖的治療效果[15]。

3.1.2 益生元與肥胖物理、生化代謝參數(shù) Nicolucci 等[16]用富含低聚果糖的菊粉對42 名超重或肥胖兒童干預(yù)16 周后發(fā)現(xiàn)，富含低聚果糖的菊粉能增加雙歧桿菌數(shù)量、降低體重、體脂百分比、軀干脂肪百分比、血清白細(xì)胞介素-6 水平。一項(xiàng)隨機(jī)、雙盲、安慰劑對照試驗(yàn)中，將47 名肥胖受試者分別進(jìn)行低劑量和高劑量的阿拉伯木聚糖干預(yù)，發(fā)現(xiàn)阿拉伯木聚糖干預(yù)能增加糞便中的總SCFA、乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽的濃度，降低腸道滲透性、增加腸道緊密連接功能，增加微生物群多樣性。低劑量的阿拉伯木聚糖組結(jié)腸中的緊密連接蛋白（Occludin）表達(dá)增加，高劑量的阿拉伯木聚糖組緊密連接蛋白3（Claudin-3）和緊密連接蛋白4（Claudin-4）表達(dá)增加，但是阿拉伯木聚糖干預(yù)后肥胖受試者的代謝標(biāo)志物無變化[17]。

3.2 益生菌的抗肥胖作用

3.2.1 益生菌概況 國際益生菌和益生元科學(xué)協(xié)會(huì)對益生菌的最新定義是一類活性微生物，食用足夠量時(shí)能有益宿主健康。傳統(tǒng)的益生菌以乳酸桿菌和雙歧桿菌在臨床上研究最多，Akk 被視為新一代益生菌。在我國，經(jīng)國家衛(wèi)生健康委員會(huì)批準(zhǔn)應(yīng)用于人體的益生菌主要有以下種類[2]。①乳酸桿菌屬：包括德氏乳酸桿菌、短乳酸桿菌、嗜酸乳酸桿菌、保加利亞乳酸桿菌、干酪乳酸桿菌、發(fā)酵乳酸桿菌、植物乳酸桿菌、鼠李糖乳酸桿菌等；②雙歧桿菌屬：包括青春型雙歧桿菌、兩歧雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌、動(dòng)物雙歧桿菌、長雙歧桿菌、短雙歧桿菌、嗜熱雙歧桿菌、乳雙歧桿菌等；③腸球菌屬：包括糞腸球菌和屎腸球菌；④鏈球菌屬：包括嗜熱鏈球菌、乳酸鏈球菌等；⑤芽胞桿菌屬：包括枯草芽胞桿菌、地衣芽胞桿菌、凝結(jié)芽胞桿菌等；⑥梭菌屬：酪酸梭菌；⑦酵母菌屬：布拉氏酵母菌。

3.2.2 益生菌與肥胖物理、生化代謝參數(shù) 在一項(xiàng)探索性、隨機(jī)、平行、雙盲、單中心、安慰劑對照試驗(yàn)中，給220 名超重或肥胖人群進(jìn)行乳酸桿菌和雙歧桿菌組成的活性益生菌干預(yù)，這種益生菌由嗜酸乳桿菌CUL60、嗜酸乳桿菌CUL21、植物乳桿菌CUL66、雙歧桿菌CUL20 和動(dòng)物雙歧桿菌亞種組成，干預(yù)6 個(gè)月后可顯著減輕體重，改善低密度脂蛋白膽固醇[18]。Depommier 等[19]給予32 名超重和超重/肥胖的胰島素抵抗女性志愿者每日口服補(bǔ)充1010 種活菌或Akk3 個(gè)月后，結(jié)果顯示Akk 可以增加胰島素敏感性、改善葡萄糖耐量、肝功能、降低血漿總膽固醇和炎癥的水平、略微降低體重，而整體腸道微生物組結(jié)構(gòu)未受影響。我國中南大學(xué)的段燕文團(tuán)隊(duì)[20]研究表明我國湖南省安化縣的茯磚茶中富含的冠突散囊菌（Eurotium cristatum）可能作為一種益生菌通過有益地調(diào)節(jié)機(jī)體腸道微生物群發(fā)揮降脂減肥作用。一項(xiàng)薈萃分析表明，短期（≤12 周）補(bǔ)充益生菌可降低體重、體重指數(shù)和脂肪百分比，但影響范圍較小，需要進(jìn)一步的長期研究來探討益生菌補(bǔ)充劑對體重等多種測量指標(biāo)的影響[21]。

3.3 合生元的抗肥胖作用

3.3.1 合生元概況 微生物的發(fā)展導(dǎo)致了合生元的出現(xiàn)，2019年國際益生菌和益生元科學(xué)協(xié)會(huì)（International Association for Probiotics and Prebiotics Science，ISAPP）更新了合生元的定義，表明合生元是一種對宿主健康有利的混合物，包括活微生物和宿主微生物選擇性利用的基質(zhì)組成。合生元又分為互補(bǔ)合生元和協(xié)同合生元。其中互補(bǔ)合生元必須由益生菌和益生元組成，協(xié)同合生元不一定必須由益生菌和益生元組成，滿足有益生菌和利于益生菌生長的活性物質(zhì)即可。本研究討論的合生元是包含益生菌和益生元的互補(bǔ)組合[22]。

3.3.2 合生元與肥胖物理、生化代謝參數(shù) da Silva 等[23]的研究對肥胖患者進(jìn)行合生元干預(yù)后在減輕體重、降低BMI、減少促炎標(biāo)志物、改善血脂、血糖、升高飽腹激素產(chǎn)生了有益的效果。一項(xiàng)關(guān)于肥胖成年人的隨機(jī)雙盲對照試驗(yàn)表明，與單獨(dú)的雙歧桿菌菌株和低聚半乳糖改善結(jié)腸滲透性相比，雙歧桿菌和低聚半乳糖合用時(shí)沒有改善肥胖成人的腸道屏障功能，可能是由于補(bǔ)充的益生菌與宿主本身的腸道菌群發(fā)生了相互作用，也表明需要更多的研究來評估合生元的最佳組成和功效[24]。

3.4 后生元抗肥胖作用

后生元指在發(fā)酵過程中由益生元及益生菌產(chǎn)生的生物活性化合物，具體包括短鏈脂肪酸、各種細(xì)菌素、維生素、多肽、微生物細(xì)胞裂解物、胞外多糖等，具有免疫調(diào)節(jié)及腸道屏障保護(hù)等作用[25]。細(xì)菌來源的分泌因子、細(xì)胞成分和代謝物、細(xì)胞壁成分，可以減輕胰島素抵抗和改善肥胖小鼠模型的葡萄糖耐量[26]。后生元目前是肥胖微生物組學(xué)研究的新興領(lǐng)域，有關(guān)研究較少。

4 微生態(tài)制品干預(yù)肥胖的機(jī)制

4.1 益生元來源的短鏈脂肪酸效應(yīng)

益生元來源的短鏈脂肪酸（包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽）可以作為配體與腸內(nèi)分泌L 細(xì)胞上表達(dá)的G 蛋白偶聯(lián)受體GPR41 和GPR43 識別并結(jié)合，刺激腸內(nèi)分泌L 細(xì)胞分泌腸道激素酪酪肽（Peptide YY，PYY）和胰高血糖素樣肽-1（glucagon like peptides-1，GLP-1），這兩種激素都參與調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致胰島素增加和胰高血糖素分泌減少，誘導(dǎo)腸道糖異生，同時(shí)這些激素通過下丘腦飽食中樞來抑制食欲，產(chǎn)生飽腹感，進(jìn)而減輕體重，需要強(qiáng)調(diào)的是短鏈脂肪酸產(chǎn)生的丁酸鹽不僅具有抗炎特性，還可以通過增加免疫球蛋白A（immunoglobulin A，IgA）的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)細(xì)胞因子來調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。除此之外，產(chǎn)生短鏈脂肪酸的益生元還可以促進(jìn)離子和微量元素（如鈣、鐵和鎂）的吸收，調(diào)節(jié)腸腔的酸堿度[27]。

4.2 改善腸道屏障功能、調(diào)節(jié)炎癥與免疫

Cani 等[28]給肥胖小鼠喂食益生元碳水化合物后發(fā)現(xiàn)能升高胰高血糖素樣肽-2（glucagon like peptides-2，GLP-2），降低血漿LPS、促炎細(xì)胞因子[如白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-1a、IL-1b、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF)-α、干擾素（interferon，INF）-γ 和IL-6]，減輕炎癥，這些變化可能與產(chǎn)生的內(nèi)源性GLP-2 有關(guān)，GLP-2 是一種腸道營養(yǎng)型胰高血糖素衍生肽，能調(diào)節(jié)腸道細(xì)胞的增殖，參與腸道通透性的調(diào)節(jié)，從而減少肥胖相關(guān)的全身炎癥。

Akk 被視為新一代益生菌、與低度炎癥、胰島素抵抗呈負(fù)相關(guān)，喂食有活性的Akk 可降低體重和脂肪量、降低炎癥、膽固醇水平，緩解動(dòng)脈粥樣硬化并改善腸道屏障功能，可能與通過Akk 菌外膜的蛋白質(zhì)“Amuc-1100”調(diào)節(jié)免疫發(fā)揮作用降低腸道滲透性有關(guān)[29]。

4.3 恢復(fù)腸道菌群穩(wěn)態(tài)，抗病原微生物

大多數(shù)的研究表明益生元能通過刺激肥胖機(jī)體胃腸道中乳酸桿菌和雙歧桿菌的生長來干預(yù)肥胖機(jī)體腸道微生物群的組成和豐度。益生菌還可以通過對腸道黏膜和上皮的競爭性黏附、增加腸道黏液來抑制病原微生物的生長[27]。

5 結(jié)語

微生物制劑（益生元、益生菌、合生元、后生元）在預(yù)防和治療肥胖中表現(xiàn)出了有益的結(jié)果，但總體效果仍不顯著，機(jī)制尚不清楚。原因可能與未充分認(rèn)識與肥胖有關(guān)的特定菌株、特定微生物代謝物的特性和功能、缺少對飲食、年齡、性別、體力活動(dòng)、人群亞組可變量的有效控制以及缺乏標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的研究方法、未明確篩選出治療肥胖的有效益生元、益生菌、合生元及它們的劑量、有效組合、干預(yù)時(shí)間限度等有關(guān)。隨著基因組學(xué)和代謝組學(xué)等多組學(xué)的發(fā)展以及人類研究的豐富、對變量的有效控制，以微生物群為靶向治療的益生元、益生菌、合生元、后生元將會(huì)在肥胖預(yù)防和治療中會(huì)發(fā)揮重要作用。