膳食因子對腸道菌群的靶向性調(diào)節(jié)

陳 衛(wèi)，翟齊嘯，方卿穎

（江南大學(xué)食品學(xué)院 江蘇無錫 214122）

1 腸道菌群的膳食調(diào)控

腸道菌群作為人體的“微生物器官”，在物質(zhì)信息傳遞、代謝、能量轉(zhuǎn)運(yùn)以及免疫系統(tǒng)發(fā)育等方面發(fā)揮重要作用。隨著微生物組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對于影響腸道微生物結(jié)構(gòu)和功能的各類因素有了更加全面和細(xì)化的認(rèn)識。在多種內(nèi)源性和外源性因素中，膳食調(diào)節(jié)被視為決定腸道微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵因素。腸道菌群通過對膳食因子的分解、利用參與機(jī)體代謝，并且腸道微生物的代謝能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體細(xì)胞的代謝能力，而其具有活性的代謝產(chǎn)物可以直接或間接地影響宿主的生理機(jī)能。

1.1 膳食碳水化合物

碳水化合物的發(fā)酵過程作為腸道菌群的核心活動(dòng)，可以促進(jìn)機(jī)體對傳遞至結(jié)腸中剩余能量的再利用，經(jīng)腸道菌群代謝后產(chǎn)生的短鏈脂肪酸進(jìn)一步為宿主及其它共生菌所使用[1]（表1）。在人體腸道中已發(fā)現(xiàn)大量的碳水化合物激活酶，如在擬桿菌基因組中就含有約260 種糖苷水解酶，這類腸道菌在復(fù)雜植物多糖的初步分解過程中具有關(guān)鍵性作用。有研究發(fā)現(xiàn)，攝入由阿拉伯木聚糖構(gòu)成的車前子多糖后，糖尿病大鼠腸道菌群多樣性上升，卵型擬桿菌和發(fā)酵乳桿菌含量顯著增加，多糖成分被有效降解利用且糞便短鏈脂肪酸含量增加[2]。此外，攝入大豆多糖、靈芝多糖、麥冬多糖后，擬桿菌與厚壁菌比例、雙歧桿菌及乳桿菌的含量上升，進(jìn)一步產(chǎn)生對腸道有益的乳酸及丁酸[3-5]。腸道菌群對復(fù)雜多糖的降解依賴于可編碼多種活性酶的基因簇多糖利用位點(diǎn)（PULs），PULs 在分解多糖時(shí)會發(fā)生顯著性上調(diào)，激活對碳水化合物利用酶（CAZyme）的基因表達(dá)，CAZyme 酶可用于降解木聚糖、阿拉伯半乳聚糖、巖藻糖、果膠等多種不同的多糖類物質(zhì)[6]。菊粉及抗性淀粉等大分子多糖物質(zhì)同樣通過對腸道菌群的調(diào)節(jié)，發(fā)揮抑制肥胖、恢復(fù)腸上皮細(xì)胞增殖及抗菌等作用[7]。除復(fù)雜多糖外，研究發(fā)現(xiàn)兒童初期腸道環(huán)境中的雙歧桿菌、阿克曼氏菌及柔嫩梭菌等可以有效地分解利用母乳寡糖，有益于嬰兒的生長發(fā)育[8-10]。褐藻寡糖可以增加腸道內(nèi)有益菌，包括擬桿菌目、雙歧桿菌、鞘脂單胞菌目及彎曲菌目等，這些細(xì)菌可通過保護(hù)腸道屏障，產(chǎn)生抗氧化物質(zhì)等方式發(fā)揮益生作用[11]。高劑量的攝入單糖也會使部分單糖逃脫小腸的吸收到達(dá)腸道環(huán)境，從而降低多形擬桿菌在腸道中的生存能力[12-13]。

表1 碳水化合物對腸道菌群的調(diào)節(jié)Table 1 Regulation of carbohydrate on gut microbiota

腸道菌群對碳水化合物的利用足以供應(yīng)人體日常能量需求的10%，利用這一特性設(shè)計(jì)膳食干預(yù)方案具有重要意義。來自美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Justin L.Sonnenburg 教授及多個(gè)團(tuán)隊(duì)共同發(fā)表在《Cell》雜志上的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)[14]，在攝入長達(dá)10 周高膳食纖維飲食的健康人群中，雖然其腸道微生物的多樣性沒有明顯變化，但是在糞便樣本中可檢測到的具有降解膳食纖維功能的菌（布氏瘤胃球菌、青春雙歧桿菌等）顯著增加，經(jīng)過進(jìn)一步的宏基因組測定，發(fā)現(xiàn)有11 種CAZymes 的表達(dá)顯著上調(diào)，即高膳食纖維飲食的攝入可以誘導(dǎo)膳食纖維降解菌的增加，上調(diào)腸道內(nèi)糖苷水解酶的表達(dá)，并產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸，對人體健康產(chǎn)生有益影響。華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Jeffrey I.Gordon 教授通過結(jié)合悉生小鼠模型和人體干預(yù)實(shí)驗(yàn)，對不同種常見果蔬纖維制劑與腸道菌群和代謝功能之間的關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，在定殖肥胖菌群并用高脂低果蔬飼喂的小鼠中，不同果蔬纖維制劑會引起腸道菌群的特異性應(yīng)答，包括代謝通路、糖苷水解酶以及特定菌屬豐度（尤其是擬桿菌）[15]。

1.2 膳食蛋白質(zhì)

腸道菌群對機(jī)體蛋白質(zhì)的代謝主要包括為自身的生長攝取氮源以及為機(jī)體提供必需氨基酸兩個(gè)方面，包括芽孢桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬和雙歧桿菌屬等在內(nèi)的大量腸道菌擁有含硫氨基酸必需的降解酶[16]。研究發(fā)現(xiàn)，過量的谷蛋白攝入會引起自身免疫系統(tǒng)紊亂，導(dǎo)致腹脹、便秘、疲勞等癥狀，如丹麥技術(shù)大學(xué)Lea B.S.Hansen 和Henrik M.Roager 等對60 名健康成人進(jìn)行為期8 周的低谷蛋白飲食的專業(yè)指導(dǎo)[17]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其腸道環(huán)境中的4 種雙歧桿菌豐度降低而梭菌屬中的1 種未鑒定株豐度增加，同時(shí)伴隨著腹脹癥狀的改善。乳類蛋白主要包括酪蛋白及乳清蛋白，二者的攝入均與腸道益生菌雙歧桿菌和乳桿菌的代謝相關(guān)，與酪蛋白相比，乳清蛋白更易于被雙歧桿菌及乳桿菌利用[18]。與植物蛋白相比，過量攝入動(dòng)物蛋白會導(dǎo)致擬桿菌屬、鏈球菌屬和梭菌屬的比例失衡[19]。研究發(fā)現(xiàn)高蛋白質(zhì)飲食（酪蛋白、大豆蛋白、乳清蛋白）可加劇疾病人群腸道中擬桿菌屬、梭桿菌屬產(chǎn)氣莢膜梭菌及薩特菌屬等條件致病菌的增殖，而抑制厚壁菌門的生長[20]。此外，研究發(fā)現(xiàn)素食者與肉食者的腸道菌群結(jié)構(gòu)存在明顯差異，長期高水平食肉者的腸道優(yōu)勢菌群主要是普拉梭桿菌[21-22]。

1.3 膳食脂肪

飲食中的脂肪成分主要在小腸中被消化吸收，而大量研究表明膳食脂肪與腸道菌群之間存在相關(guān)作用，腸道微生物具有脂肪酶，可以將甘油三酯和磷脂降解成極性頭部基團(tuán)和游離脂質(zhì)[23]。大量悉生動(dòng)物模型數(shù)據(jù)表明，膳食中的高含量脂肪會降低腸道菌群的多樣性及細(xì)菌總量，減少腸道內(nèi)雙歧桿菌和羅斯菌的數(shù)量。一項(xiàng)高脂飲食與腸道菌群測序數(shù)據(jù)的薈萃分析表明，高脂飲食對腸道菌群的具體調(diào)節(jié)在于增加厚壁菌門/擬桿菌門的比值，改變特定細(xì)菌群類的豐度（毛螺菌科、瘤胃球菌科以及S24-7 菌科）[24]。而這些細(xì)菌的變化可以引起脂多糖（LPS）的產(chǎn)生，增加肝癌的患病風(fēng)險(xiǎn)[25]。腸道高脂肪含量的生酮飲食會引起腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的變化，包括富集毛螺菌科及與血糖紊亂呈正相關(guān)的腸道菌群，并降低短鏈脂肪酸，增加脫氧膽酸（DCA）[26]。相較于高脂飲食，限制脂肪攝入能增加與延長壽命呈正相關(guān)的細(xì)菌類群數(shù)量，如乳酸桿菌屬，并且脂肪限制下的悉生動(dòng)物可以建立相對平衡的腸道菌群結(jié)構(gòu)，通過減少腸道抗原負(fù)荷對宿主的健康產(chǎn)生益處[27-28]。

1.4 植物活性物質(zhì)

人體對植物中的化學(xué)活性成分吸收率較低，而這部分植物化學(xué)物質(zhì)在結(jié)腸中可以改變腸道菌群組成，并抑制致病菌，進(jìn)而促進(jìn)有益菌（雙歧桿菌、乳桿菌等）的生長，其代謝產(chǎn)物也可以改善腸道屏障、糖脂穩(wěn)態(tài)、胰島素抵抗以及炎癥[29]。仔豬在攝入肉桂油（主要成分肉桂醛）后，其腸道內(nèi)的大腸桿菌含量降低，與之類似的其它芳香物質(zhì)，如茶樹油及橄欖油等，都可以有效抑制仔豬腸道內(nèi)的有害菌[30]。有研究結(jié)合240 多名健康成年男性樣本，分析得到6 個(gè)子類微生物群落分別與6 種膳食類黃酮子類的攝入呈特定且非依賴型關(guān)系。其中，蛋清腸球菌（Eggerthela lenta）與黃酮醇、黃烷酮的攝入呈正相關(guān)，產(chǎn)液阿德勒克羅伊茨菌（Adlercreutzia equolifaciens）與黃酮醇、黃烷醇單體的攝入呈正相關(guān)，而Flavonifractor plautii 幾乎與所有類黃酮子類的攝入呈負(fù)相關(guān)[31]，并且芹菜素、金雀異黃素、山奈酚、楊梅素和柚皮素等黃酮類化合物可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群，改善肥胖癥狀[32]，包括肥胖小鼠在攝入葡萄或蔓越莓中含有的多酚成分后，其體重減輕，阿克曼氏菌大量增加。漿果中含有的花青素可以調(diào)節(jié)植物乳桿菌、干酪乳桿菌、嗜酸乳桿菌以及長雙歧桿菌等。豆類食物中含有的異黃酮可以增加腸道內(nèi)乳酸菌和雙歧桿菌的豐度。蔬菜中含有的黃烷醇可以有效調(diào)節(jié)狄氏擬桿菌及單形擬桿菌的豐度。有研究設(shè)計(jì)了含有多種多酚物質(zhì)的膳食方案用于觀察其對腸道菌群的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)咖啡多酚（綠原酸）與高血壓患者的血壓、糞便短鏈脂肪酸、擬桿菌呈正相關(guān)，與正常血壓人群的普氏糞桿菌呈負(fù)相關(guān)。而橄欖多酚（黃烷醇） 與正常血壓人群的血漿短鏈脂肪酸、瘤胃球菌（Ruminococcaceae UCG-010）以及克里斯滕森菌科（Christensenellaceae R-7）呈正相關(guān)[33]。多酚及富含多酚的食物可改變腸道菌群的組成及功能，增加丁酸鹽產(chǎn)生菌及乳桿菌屬、雙歧桿菌屬等益生菌，并減少致病菌，調(diào)節(jié)機(jī)體健康。

1.5 維生素與礦物質(zhì)

維生素是人體必需的小分子物質(zhì)，而維生素對腸道菌群的組成分布也具有一定的調(diào)節(jié)作用。維生素A 的攝入可以增加腸道內(nèi)乳桿菌的豐度，乳桿菌通過上調(diào)IFN-β 起到抗病毒的作用[34]。維生素D 可顯著增加腸道微生物多樣性，包括擬桿菌與厚壁菌的比例增加，益生菌類阿克曼氏菌和雙歧桿菌的豐度增加[35]。補(bǔ)充維生素D3 可以降低變形桿菌的豐度，增加假單胞菌屬及當(dāng)腸桿菌的豐度。對于礦物質(zhì)來說，雙歧桿菌能夠在大腸中結(jié)合鐵，從而減少自由基，降低結(jié)腸癌的風(fēng)險(xiǎn)[36]。對于人體來說，缺乏鐵和鋅等礦物質(zhì)會使普通擬桿菌的豐度顯著增加[37]。

2 腸道菌群靶向性食品概述

在過往的研究中，由于無法篩選得到對腸道菌群具有靶向調(diào)節(jié)作用的膳食因子，因此很難實(shí)現(xiàn)菌群的精準(zhǔn)、個(gè)性化調(diào)控。隨著多組學(xué)技術(shù)、生物信息學(xué)分析手段、悉生動(dòng)物模型等技術(shù)手段的發(fā)展，腸道菌群靶向性食品的研究逐漸走入人們的視野。2017年發(fā)表于《Science》的一項(xiàng)研究首次提出腸道菌群靶向性食品（Microbiota-Directed Food，MDF）的概念[38]。與普通食品不同，MDF 特指針對性改善機(jī)體腸道菌群的一類食品。作者認(rèn)為MDF 作為膳食補(bǔ)充劑時(shí)，應(yīng)聲明其營養(yǎng)成分及健康效應(yīng)，若MDF 包含的所有成分都達(dá)到公認(rèn)的健康標(biāo)準(zhǔn)，則可將MDF 歸為傳統(tǒng)食品，而根據(jù)MDF的特殊應(yīng)用背景，也可以被分類為藥物。MDF 的開發(fā)通常以悉生動(dòng)物模型為起點(diǎn)，利用含特定菌群的動(dòng)物篩選出具有針對性的膳食成分，對篩選出的膳食成分還應(yīng)充分考慮其在食品工業(yè)中的可行性，包括來源，成本及加工方式等。形成初步的膳食配方后，在悉生動(dòng)物模型中進(jìn)行再次驗(yàn)證，獲得成熟的MDF 方案后進(jìn)行臨床驗(yàn)證，挖掘其內(nèi)在的機(jī)制，形成完善的臨床干預(yù)策略（圖1）。

圖1 MDF 的開發(fā)流程[39]Fig.1 MDF development process[39]

2.1 MDF 的研究進(jìn)展

來自美國華盛頓醫(yī)學(xué)院的Jeffrey I.Gordon教授作為MDF 相關(guān)研究的先驅(qū)，開展了一系列創(chuàng)新的工作并取得顯著的成果。2013年至2021年，Gordon 教授深入營養(yǎng)不良疾病的高發(fā)地區(qū)，利用多組學(xué)方法，先后進(jìn)行營養(yǎng)不良與腸道菌群相關(guān)的假設(shè)提出，動(dòng)物及人群實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，擴(kuò)大樣本量尋找關(guān)鍵腸道菌，篩選及確定膳食干預(yù)方案等過程，最終確定了以香蕉、鷹嘴豆、花生粉、大豆粉為主要成分的膳食配方，用于靶向調(diào)節(jié)非洲馬拉維地區(qū)營養(yǎng)不良兒童的腸道菌群，并進(jìn)一步緩解營養(yǎng)不良相關(guān)的臨床指標(biāo)，為腸道菌群靶向性食品的研究開創(chuàng)了成熟的思路[40-43]（圖2）。

除營養(yǎng)不良的相關(guān)研究外，MDF 的研究還包括針對腸炎患者腸道菌群、基于特定菌的糖利用特性而設(shè)計(jì)的靶向益生元，抗肥胖，以及改善腸易激綜合征（IBS）和炎癥性腸病（IBD）癥狀的膳食調(diào)控策略等。過往研究通過結(jié)腸炎（DSS）造模小鼠發(fā)現(xiàn)，在腸炎狀態(tài)下，腸桿菌科細(xì)菌依賴鉬輔因子的生物合成通路實(shí)現(xiàn)富集。而體外研究表明鎢酸鹽可與鉬酸鹽競爭。德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心Sebastian Winter 教授團(tuán)隊(duì)的研究人員提出是否可以利用鎢酸鹽靶向抑制腸炎菌群生長的假設(shè)。最終在無菌鼠中通過糞菌移植實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鎢酸鹽通過調(diào)節(jié)腸道菌群對腸炎的調(diào)控作用[44-45]。羅氏菌屬（Roseburia）是腸道環(huán)境中一類與多種疾病相關(guān)的腸道菌，以往研究發(fā)現(xiàn)羅氏菌屬可以產(chǎn)生大量丁酸，進(jìn)而在腸道環(huán)境中發(fā)揮多種益生功能，并且羅氏菌屬可以高效利用β-甘露聚糖。根據(jù)這一特性，挪威生命科學(xué)大學(xué)的Phillip B.Pope 教授和Bj?rge Westereng 教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合發(fā)文，利用仔豬模型進(jìn)行宏基因組和宏蛋白組研究，設(shè)計(jì)高度乙?；母事毒厶?，輔以膳食后加強(qiáng)了腸道環(huán)境中羅氏菌屬的選擇性富集[46-47]。此外，以往對肥胖的相關(guān)研究結(jié)果已鎖定20 種與肥胖呈負(fù)相關(guān)的腸道菌，其中主要為擬桿菌屬，因擬桿菌屬含有大量的糖苷水解酶，故Gordon 教授團(tuán)隊(duì)考慮利用膳食纖維對20 種關(guān)鍵菌進(jìn)行富集，在無菌鼠中成功定殖20 種關(guān)鍵菌后，設(shè)計(jì)144 種膳食方案進(jìn)行逐一篩選，最終證明其中21 種膳食纖維可以顯著上調(diào)與肥胖呈負(fù)相關(guān)的關(guān)鍵菌[48]，如圖2所示。此外，還有研究設(shè)計(jì)不同低短鏈碳水化合物飲食用于緩解IBS[49]，以及針對不同個(gè)體，補(bǔ)充果膠、低聚糖或膳食纖維，對腸道菌群進(jìn)行靶向調(diào)控，從而開發(fā)針對IBD 患者膳食干預(yù)策略的相關(guān)研究[50]。

圖2 針對營養(yǎng)不良的MDF 研發(fā)歷程[40-43]Fig.2 MDF development process for malnutrition[40-43]

2.2 MDF 的應(yīng)用及前景

在與Gordon 教授的合作下，美國一家公司提出微生物組代謝療法（MMT），構(gòu)建了化學(xué)合成聚糖庫，針對腸道菌群結(jié)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)攝入聚糖后的定向調(diào)控。目前已嘗試治療尿素循環(huán)障礙、肝性腦病、耐藥性細(xì)菌感染等疾病。此外，美國另一家公司也建立了血液中11 種腸道微生物小分子代謝物（如5-羥色胺、酪氨酸、吲哚-3-乳酸等）水平庫，個(gè)性化定制飲食方案，通過對腸道微生物代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)體健康的調(diào)控。美國兩家相關(guān)公司則進(jìn)一步聯(lián)合將MDF 概念打造為針對目標(biāo)人群的健康飲食產(chǎn)品方案，通過整合目標(biāo)人群連續(xù)6 周糞便樣品的宏基因組數(shù)據(jù)、血液生化分析結(jié)果及飲食記錄，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析方法構(gòu)建關(guān)聯(lián)模型，更為科學(xué)地提供膳食建議和食譜，從而有效改善腸道菌群，促進(jìn)腸道中有益菌屬的生長。將腸道菌群、食品科學(xué)與人類營養(yǎng)健康緊密結(jié)合，以腸道菌群為基礎(chǔ)的MDF 可以為食品行業(yè)的發(fā)展提供更為廣闊的前景。

3 腸道菌群靶向性膳食方案的展望

腸道菌群的生理健康作用已得到深入地揭示并為消費(fèi)者普遍接受。通過日常膳食補(bǔ)充而實(shí)現(xiàn)腸道菌群的靶向調(diào)控是未來健康食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢和熱點(diǎn)。目前已有大量研究證明特定膳食因子可以顯著影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能，MDF 相關(guān)產(chǎn)品更是體現(xiàn)出巨大的臨床應(yīng)用潛力。在未來，隨著食品科學(xué)、微生物學(xué)、腸道生態(tài)學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)等多學(xué)科的進(jìn)一步緊密交叉合作，腸道菌群的靶向膳食調(diào)控必將為消費(fèi)者的個(gè)性化、精準(zhǔn)化營養(yǎng)調(diào)控提供重要助力。