金家輝,蘇美華
(集美大學(xué)體育學(xué)院,福建 廈門 361021)
近年來,現(xiàn)代生活方式的改變導(dǎo)致慢性代謝性疾病呈快速上升趨勢,已嚴(yán)重影響到大眾的身體健康和生活質(zhì)量。目前醫(yī)學(xué)界將腸道菌群微生態(tài)的平衡作為干預(yù)低度、慢性、系統(tǒng)代謝性疾病的新靶點(diǎn)之一。當(dāng)腸道菌群出現(xiàn)失調(diào)時(shí),可誘發(fā)糖尿病、肥胖癥、高血壓、非酒精性脂肪肝等代謝性疾病。因此,腸道菌群的失調(diào)才是導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生低度內(nèi)源性炎癥的根本誘因[1-3]。本文將從運(yùn)動(dòng)如何干預(yù)腸道菌群對肥胖癥的改善與作用機(jī)制進(jìn)行分析研究,為運(yùn)動(dòng)干預(yù)肥胖癥研究提供參考。
腸道菌群是定居在人體消化道中的微生物,其數(shù)量巨大,種類繁多。正常成年人的腸道中含有菌群的總量為1~2 kg,是人體細(xì)胞總數(shù)的10倍,其基因數(shù)量是整個(gè)人類基因的150倍[4]。根據(jù)腸道菌群對宿主的作用可以分為三類:(1)益生菌,這類菌群主要以厭氧菌為主,屬于優(yōu)勢菌群,對機(jī)體的代謝和免疫調(diào)控起到主要作用;(2)中性菌,主要由食物表面攜帶的外來菌,可隨糞便排出體外;(3)條件致病菌,在正常情況時(shí),與機(jī)體的其他菌群處于共生,一旦在數(shù)量上失控就會(huì)產(chǎn)生致病性因子,破壞免疫系統(tǒng),造成宿主誘發(fā)疾病[5]。腸道中益生菌與有害菌群處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí),可更好地促進(jìn)宿主健康。
運(yùn)動(dòng)作為一種健康的生活方式,適度的運(yùn)動(dòng)可以調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng),減少機(jī)體的慢性炎癥與代謝廢物;同時(shí),運(yùn)動(dòng)可以優(yōu)化宿主腸道菌群的結(jié)構(gòu),改善腸道微生態(tài)。李加鵬等研究提出,有氧運(yùn)動(dòng)可以改變腸道菌群的豐富度,增加有益菌群的數(shù)量[6]。還有研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)可以刺激腸道菌群的結(jié)構(gòu)和多樣性發(fā)生相應(yīng)改變,有利于腸道菌群參與機(jī)體調(diào)節(jié)各項(xiàng)生理功能,如降低炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)能量代謝、降低氧化應(yīng)激等[7-9]。因存在個(gè)體差異性,不同人群之間的腸道菌群存在較大差異,但其結(jié)構(gòu)是相對穩(wěn)定的[10]。故腸道菌群可以作為不同宿主之間反映健康與否的指標(biāo)之一。運(yùn)動(dòng)干預(yù)腸道微生態(tài)有望成為慢性疾病治療的新靶點(diǎn)、新方向。
肥胖作為一種多因素引起的慢性代謝性疾病,已嚴(yán)重影響到人們的身心健康與生活質(zhì)量。流行病學(xué)調(diào)查表明,全球超重與肥胖的人群數(shù)量增加至30%,且肥胖的患病率也呈現(xiàn)逐年上升趨勢[11]。目前國際公認(rèn)造成肥胖的因素有:(1)家族遺傳;(2)飲食熱量過多攝入;(3)體力活動(dòng)不足;(4)飲食結(jié)構(gòu)不合理;(5)睡眠不足等。而腸道菌群在消化吸收和調(diào)節(jié)宿主代謝中扮演重要角色,多項(xiàng)研究指出腸道菌群的失調(diào)與肥胖存在密切聯(lián)系[12-13]。有研究表明,在相同的高脂、高能量飲食的小鼠中,與缺少腸道菌群的無菌小鼠相比較,具有腸道菌群的正常小鼠脂肪含量增加顯著;將具有腸道菌群的正常小鼠體內(nèi)的腸道菌群移植入無菌小鼠體內(nèi),給予相同條件繼續(xù)飼養(yǎng)一段時(shí)間后,無菌小鼠的脂肪含量迅速上升,體脂率增加;進(jìn)一步解剖實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),具有腸道菌群的正常小鼠,體內(nèi)含有大量的酵解終產(chǎn)物,如乙酸、丁酸;在菌群實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),擬桿菌門數(shù)量減少,而厚壁菌門數(shù)量增多[14]。因此,肥胖的產(chǎn)生發(fā)展與腸道菌群失調(diào)密切相關(guān)。
正常成年人每日攝入的飲食中,大約有60g的碳水化合物難以消化,而腸道菌群中存在一些糖苷酶可以將其分解為短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs),一部分作為能量消耗,另一部分對機(jī)體的能量代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)。Zuluaga等對441人的大型隊(duì)列人員進(jìn)行體質(zhì)指數(shù)、血液生化以及糞便菌群檢測,結(jié)果發(fā)現(xiàn),肥胖患者腸道菌群的多樣性較正常人顯著降低,肥胖患者糞便中的SCFAs含量也顯著降低[15]。另外還有研究發(fā)現(xiàn),SCFAs可能通過激活腸道上皮的信號通路,促進(jìn)胃腸激素的釋放,這是通過微生物-腸腦軸(microbiome-gut-brain axis,MGBA)發(fā)揮主要調(diào)節(jié)的形式[16]。G蛋白偶聯(lián)受體43(G-protein coupled receptor43,GPR43)和GPR41是SCFAs受體,也稱為游離脂肪酸受體2(free fatty acid receptor2,FFAR2)和FFAR3[17]。當(dāng)SCFAs與FFAR2以及FFAR3結(jié)合之后,會(huì)促進(jìn)L細(xì)胞合成與釋放胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)、酪酪肽(peptide YY,PYY)以及胃泌酸調(diào)節(jié)素,起到減少食物攝入量、增加飽腹感以及降低體成分等作用。但腸道菌群失調(diào)時(shí),腸道菌群合成的SCFAs會(huì)減少,致使L細(xì)胞合成釋放的胃腸激素減少,進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體對食物攝取增加,能量消耗減少,出現(xiàn)輕微的胰島素抵抗,體脂率上升,體重增加,造成肥胖。因此,肥胖會(huì)導(dǎo)致腸道菌群失調(diào),減少SCFAs的合成,進(jìn)而加速脂肪堆積。
從病理上分析,肥胖作為一種慢性累積的炎癥,可能會(huì)影響到腸道微生態(tài)的平衡,進(jìn)而加重炎癥的累積。早期一項(xiàng)研究對肥胖小鼠進(jìn)行脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)注射,結(jié)果表明,高糖高脂飲食組中的小鼠腸道菌群中,含有LPS的微生物群的比例顯著增加[18];另一項(xiàng)研究對高脂飲食的小鼠長期口服抗生素,結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗生素干預(yù)腸道菌群,減少了腸道和全身炎癥的累積以及改善胰島素抵抗[19]。當(dāng)腸道菌群的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致腸道內(nèi)壁通透性增加的時(shí)候,其通過下調(diào)胰高血糖素樣肽-2(glucagon like peptide-2,GLP-2)的表達(dá),增加上皮細(xì)胞凋亡和降低腸上皮細(xì)胞增殖,從而導(dǎo)致腸道的通透性增加,誘發(fā)內(nèi)源性炎癥的產(chǎn)生;同時(shí)下調(diào)大麻素2型受體(cannabinoid receptor 2,CB2R)的表達(dá),增加炎癥反應(yīng)和誘導(dǎo)胰腺β細(xì)胞死亡,產(chǎn)生輕微胰島素抵抗,增加機(jī)體炎癥的累積,增加食物的攝入量,進(jìn)而導(dǎo)致肥胖[20]。因此,腸道菌群的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致低度、慢性的全身炎癥。
腸道菌群失調(diào)會(huì)抑制腸道上皮細(xì)胞生成的血管素樣蛋白-4,而這種蛋白是一種可以抑制脂肪酶的蛋白;血管素樣蛋白-4的缺失可導(dǎo)致血液中的甘油三脂加速儲存至脂肪細(xì)胞中,進(jìn)而導(dǎo)致肥胖[21]。膽汁酸是膽汁的重要成分,在脂肪代謝中起著重要作用,而腸道中多種微生物在分泌膽汁酸過程中起到最終修飾的作用。正常情況下,膽汁酸的分泌可以降低磷酸烯醇式丙酮酸激酶、葡萄糖-6-磷酸酶、1,6-二磷酸果糖酶的活性,降低糖異生反應(yīng),促進(jìn)脂肪的乳化和吸收;腸道菌群通過激活TGR5/UCP1途徑,促進(jìn)線粒體氧化磷酸化和鈣內(nèi)流,誘導(dǎo)腸道L細(xì)胞分泌GLP-1,促進(jìn)胰島素的釋放并抑制胰高血糖素的分泌,可以降低血糖、降低食欲、減輕體重、改善糖耐量[22]。但肥胖人群的膽汁酸處于代謝紊亂的狀態(tài)[23]。有研究表明,腸道菌群的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致腸道微生態(tài)多樣性的改變,尤其是特殊菌株的數(shù)目與豐度顯著降低,導(dǎo)致初級膽汁酸無法被修飾,影響次級膽汁酸的產(chǎn)生[24]。因此,腸道菌群的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)分泌紊亂,影響能量代謝,導(dǎo)致肥胖發(fā)生。
人體內(nèi)有三種不同類型的脂肪組織,分別為白色、米色及棕色。其中白色脂肪組織以甘油三酯的形式儲存多余的能量,導(dǎo)致肥胖的發(fā)生;棕色脂肪組織通過適應(yīng)性產(chǎn)熱增加能量消耗、加速脂肪分解,減少肥胖的發(fā)生;米色脂肪組織即為褐色化的白色脂肪組織,在改善肥胖個(gè)體起到積極作用[25]。腸道菌群可以影響棕色脂肪組織氧化代謝或者將白色脂肪組織褐變。腸道內(nèi)的益生菌可以增加短鏈脂肪酸的產(chǎn)生,SCFAs通過激活G蛋白偶聯(lián)受體43,可促進(jìn)白色脂肪組織褐變,加強(qiáng)機(jī)體代謝能力。Moreno等對34名肥胖患者的皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪組織中分析腸微生物群組成和褐變的基因標(biāo)記,結(jié)果發(fā)現(xiàn)厚壁菌門與棕色脂肪細(xì)胞的標(biāo)志物呈正相關(guān),且肥胖患者顯示擬桿菌門和變形桿菌的相對豐度增加,而厚壁菌門豐度降低[26]。因此,肥胖會(huì)導(dǎo)致腸道菌群的豐度改變,進(jìn)而影響脂肪褐變,增加白色脂肪的存儲,加重肥胖的風(fēng)險(xiǎn)。
腸道菌群失調(diào)還可以通過其他途徑促進(jìn)肥胖的產(chǎn)生,如參與免疫調(diào)節(jié)[27]、胰島素抵抗[28]等方式。
近年來,大量的研究證實(shí)了不同運(yùn)動(dòng)干預(yù)模式可以改變宿主腸道菌群的結(jié)構(gòu)和組成,適度鍛煉可以增加腸道菌群的多樣性和有益菌群的豐富度[29-32],主要相關(guān)研究報(bào)道見表1。
表1 不同運(yùn)動(dòng)干預(yù)對腸道菌群的影響
SCFAs是腸道菌群代謝的終產(chǎn)物之一,主要包括乙酸鹽,丙酸鹽和丁酸鹽;丁酸鹽不僅可以調(diào)節(jié)腸道粘膜細(xì)胞的增值、分化、參與能量代謝,而且可以通過激活細(xì)胞的 NF-κB通路減少腸道炎癥的發(fā)生[33]。在一項(xiàng)人體實(shí)驗(yàn)中,Allen等對32名志愿者(分為正常組和肥胖組)進(jìn)行為期6周的耐力性運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,隨后32名志愿者恢復(fù)到原來久坐不動(dòng)的生活方式;在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練時(shí),肥胖組的Shannon 多樣性指數(shù)有所提升,而正常組的糞便中SCFAs的含量增加[34]。此外,SCFAs可以通過FFAR2抑制IL-6、IL-1β和腫瘤壞死因子α (TNF-α)的表達(dá),以發(fā)揮抗炎作用[35]。因此,運(yùn)動(dòng)可以調(diào)節(jié)腸道微生態(tài),改善有益菌群的豐富度,增加短鏈脂肪酸的含量,緩解宿主的炎癥累積,減少肥胖的發(fā)生。
細(xì)菌表面的LPS會(huì)對機(jī)體產(chǎn)生低度、慢性的內(nèi)源性炎癥,其LPS通過激活骨骼肌細(xì)胞表面的Toll 樣受體(toll-like receptors,TLRS),導(dǎo)致編碼促炎細(xì)胞因子、趨化因子和共刺激分子等,介導(dǎo)炎癥反應(yīng)。Mahdieh等對肥胖成年女性進(jìn)行10周的運(yùn)動(dòng)干預(yù),先為中等強(qiáng)度后增至高強(qiáng)度,結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以改變肥胖女性腸道菌群中雙歧桿菌的豐富度,白介素-6分泌量增加;而白介素-6可介導(dǎo)抗炎因子的釋放和抑制腫瘤壞死因子,從而改善機(jī)體炎癥[36];此外運(yùn)動(dòng)對腸道菌群具有較強(qiáng)的重塑性,González等對49名超重肥胖者進(jìn)行腸道菌群與運(yùn)動(dòng)干預(yù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)擬桿菌、糞桿菌、丁酸球菌、奧多菌和丁酸菌的豐富度顯著上升,血漿LPS的含量減少與糞桿菌和奧多細(xì)菌增加以及小巴維單胞菌減少顯著相關(guān)[37]。有研究表明,運(yùn)動(dòng)可能改變厚壁桿/擬桿菌的比值以及增加普雷波托菌門的豐度,介導(dǎo)抑制LPS-TLR4-NF-κB軸,增加調(diào)節(jié)腸道微生物群以減輕全身炎癥的累積[38]。Guevara等人在1 065名的大型隊(duì)列研究中,對受試者的體力活動(dòng)、飲食結(jié)構(gòu)以及生活方式上進(jìn)行干預(yù),結(jié)果發(fā)現(xiàn),體力活動(dòng)和生活方式顯著降低了肥胖的發(fā)生率,且受試者抗炎因子釋放顯著增加,這與普雷波泰拉/擬桿菌比率的降低以及嗜粘桿菌的豐度增加有密切聯(lián)系[39]。因此,運(yùn)動(dòng)使腸道內(nèi)的菌群處于動(dòng)態(tài)平衡,減少革蘭氏陰性菌的生成,進(jìn)而降低脂多糖對腸道管壁造成的內(nèi)源性炎癥,從而降低肥胖的風(fēng)險(xiǎn)。
腸道菌群在促進(jìn)白色脂肪組織(white adipose tissue, WAT)棕色化及產(chǎn)熱脂肪[棕色脂肪組織(brown adipose tissue, BAT)和米色脂肪組織(beige or brite adipose tissue, BeAT)]活化中起到關(guān)鍵作用。micro RNAs是一類進(jìn)化上保守的非編碼小分子RNA,具有在翻譯水平調(diào)控基因影響脂肪棕色化的功能。腸道菌群通過調(diào)控micro RNAs來增加白色脂肪褐變,減少肥胖的產(chǎn)生;下丘腦是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài)的最重要區(qū)域之一,已經(jīng)證明交感神經(jīng)系統(tǒng)(SNS)通過腸道菌群促進(jìn)WAT褐變中起著關(guān)鍵作用[40]。最新研究發(fā)現(xiàn),另一個(gè)重要因素在腸道菌群促進(jìn)WAT褐變中有所體現(xiàn),煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴性組蛋白脫乙酰酶或簡稱sirtuin 1(SIRT1),其在許多組織中廣泛表達(dá),包括下丘腦;當(dāng)增加的下丘腦miR-204,則會(huì)靶向并下調(diào)SIRT1,導(dǎo)致交感神經(jīng)活動(dòng)(SNS)降低,色氨酸羥化酶1的生物活性下降,使得外周5-羥色胺含量的增加,可減少肥胖并促進(jìn)脂肪組織褐變[41]。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以增加下丘腦促腎上腺皮質(zhì)素(POMC)神經(jīng)元中β-內(nèi)啡肽(β-END)和12S rRNA-c(MOTS-c)的表達(dá),并介導(dǎo)WAT褐變;同時(shí),POMC神經(jīng)元可以刺激SNS介導(dǎo)WAT的褐變[42]。由此可見,運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練通過改善腸道菌群可能會(huì)增加miR-204的表達(dá),進(jìn)而調(diào)節(jié)脂肪褐變。成纖維細(xì)胞生長因子21(FGF21)參與調(diào)節(jié)肝脂代謝、血糖和胰腺β細(xì)胞功能;在脂肪細(xì)胞中,FGF21通過激活p38 / MAPK途徑,刺激解偶聯(lián)蛋白1(UCP-1)的表達(dá),增加棕色脂肪活性和白色脂肪褐變。Tanimura等對小鼠進(jìn)行為期4周的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練(高強(qiáng)度與低強(qiáng)度)發(fā)現(xiàn),高強(qiáng)度組小鼠WAT中氧化磷酸化蛋白的表達(dá)顯著增加,增加了骨骼肌中FGF21的蛋白表達(dá)水平[43]。因此,運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練會(huì)上調(diào)脂肪褐變,改善腸道菌群的豐富度,減少肥胖的發(fā)生。
膽汁酸(Bile acids,BA)是由膽固醇在肝臟中合成的兩性分子,其儲存在膽囊中并在食物攝入后釋放到小腸中。膽汁酸可促進(jìn)膳食脂肪的乳化,并協(xié)助腸道吸收脂質(zhì)和親脂性維生素。有相關(guān)研究指出,膽汁酸的產(chǎn)生與腸道菌群的關(guān)系密切,擬變原體副桿菌的豐度增加以及與藍(lán)花屬、糞球菌屬、腸霉菌屬、乳球菌屬、玫瑰花尿?qū)俸汪斆字Z球菌的豐富度增加有關(guān),使肥胖小鼠的次級膽汁酸增加[44-45]。G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體(TGR5)則在腸內(nèi)分泌細(xì)胞、膽囊及膽管上皮細(xì)胞中高度表達(dá)。BAs激活TGR5可促進(jìn)腸L細(xì)胞分泌胰高血糖素樣肽-1 (GLP-1) ,GLP-1作用于胰腺β細(xì)胞,調(diào)節(jié)葡萄糖刺激的胰島素分泌[46]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)會(huì)增加胃腸道中初級膽汁酸的排泄,膽汁酸會(huì)刺激腸道中桿菌的生長,尤其是梭菌和丹毒類細(xì)菌[47]。此外,腸道菌群可以將初級膽汁酸轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸;次級膽汁酸則通過法尼醇X受體(FXR)、G蛋白偶聯(lián)受體5(TGR5)與線粒體相互作用,調(diào)節(jié)脂肪的攝取和相關(guān)蛋白的氧化[47]。因此,運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可能會(huì)改變腸道菌群的豐富度,進(jìn)而增加膽汁酸的產(chǎn)生,調(diào)節(jié)脂肪代謝,改善機(jī)體的肥胖。
綜上所述,運(yùn)動(dòng)干預(yù)做為一種非藥物、非手術(shù)的有效方法,可通過改善機(jī)體腸道菌群穩(wěn)態(tài),從而達(dá)到治療和改善肥胖的癥狀。而目前有關(guān)運(yùn)動(dòng)干預(yù)肥胖癥腸道菌群的作用機(jī)制主要有4條途徑,如圖1所示:(1)運(yùn)動(dòng)干預(yù)會(huì)增加厚壁桿菌/擬桿菌門的豐度,SCFAs的產(chǎn)生量也增加,SCFAs通過刺激GPR41/GPR43受體,產(chǎn)生GLP-1、PYY以及胃腸激素,讓機(jī)體產(chǎn)生飽腹感和調(diào)節(jié)能量代謝,進(jìn)而減少脂肪的儲存;(2)運(yùn)動(dòng)干預(yù)會(huì)改變相關(guān)特殊菌群的豐富度,增加次級膽汁酸的轉(zhuǎn)化,BA通過刺激TGR5受體,使L細(xì)胞產(chǎn)生GLP-1,減少脂肪組織的儲存;(3)運(yùn)動(dòng)干預(yù)會(huì)改善革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的比例,減少脂多糖造成的內(nèi)源性炎癥,進(jìn)而改善肥胖;(4)運(yùn)動(dòng)干預(yù)會(huì)改善特殊菌門的豐度,通過介導(dǎo)下丘腦產(chǎn)生FGF21以及POMC,使得增加棕色脂肪活性和白色脂肪褐變,改善肥胖。
隨著高通量多組學(xué)的興起與發(fā)展,學(xué)者們對運(yùn)動(dòng)干預(yù)腸道菌群改善機(jī)體肥胖的研究不斷增加,運(yùn)動(dòng)干預(yù)對菌群的豐富度、結(jié)構(gòu)、多樣性等有顯著改善,并調(diào)控腸道微生態(tài)的平衡。目前,肥胖癥的腸道菌群干預(yù)已有糞便菌群移植,但對重度肥胖患者仍無明顯改善。因此,對于不同程度肥胖的菌群干預(yù)可以從補(bǔ)充短鏈脂肪酸、設(shè)計(jì)個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方、改變飲食結(jié)構(gòu)、個(gè)性化的腸道菌群移植以及特異性菌株的靶向運(yùn)輸入手,這些手段有望成為利用腸道菌群調(diào)控宿主肥胖癥的新治療靶點(diǎn)。然而,運(yùn)動(dòng)干預(yù)腸道微生物調(diào)控肥胖的機(jī)制還需進(jìn)一步探索,有關(guān)運(yùn)動(dòng)干預(yù)肥胖癥腸道菌群的人體實(shí)驗(yàn)仍需加大樣本深入研究。