猴頭菇多糖結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)腸道菌群作用研究進(jìn)展

朱佳敏,武藝,趙琳靜*,沈凡妮,曹婷葦,劉曉會,劉錫建,李洪森,李琦,馮美卿

1(上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,上海,201620)2(上海雷允上藥業(yè)有限公司,上海,201401) 3(復(fù)旦大學(xué) 藥學(xué)院,上海,201203)

人體腸道中寄生有約100萬億微生物,是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。作為人類“第二基因組”, 腸道菌群可參與調(diào)節(jié)宿主代謝和免疫,對維護宿主健康具有重要作用[1-2]。目前,已鑒定的腸道微生物群包含擬桿菌門 (Bacteroidetes)、厚壁菌門 (Firmicutes)、放線菌門 (Actinobacteria)、變形菌門 (Proteobacteria)、疣微球菌門(Verrucomicrobia)等幾十個門,其中擬桿菌門和厚壁菌門占腸道菌群的90%以上。健康的腸道菌群具有穩(wěn)定和多樣化的物種結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代社會飲食和生活方式的改變、抗生素濫用等導(dǎo)致腸道微生物群穩(wěn)態(tài)失調(diào)和功能變化,與許多疾病的發(fā)生密切相關(guān)[3]。

猴頭菇(Hericiumerinaceus),又名猴頭菌、猴蘑等,是齒菌科(Hydnaceae)猴頭屬的一種高等真菌[4]。猴頭菇性平味甘,具有“助消化、利五臟”作用,作為一種名貴的藥食兼用菌,在我國及其他亞洲國家已經(jīng)有兩千多年的歷史。猴頭菇主要含有多糖、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維等成分,其中,猴頭菇多糖作為一種新型益生元,近年來受到了越來越多關(guān)注[5]。本文總結(jié)了不同來源猴頭菇多糖的結(jié)構(gòu)特征及其對腸道菌群多樣性的影響,綜述了猴頭菇多糖在調(diào)節(jié)免疫、抗炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)、影響神經(jīng)系統(tǒng)、抗肥胖、降膽固醇及抗幽門螺桿菌等方面的功效及可能機制,并闡述了其在藥品、保健品及功能性食品領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景,為猴頭菇多糖調(diào)控腸道微生物穩(wěn)態(tài)的深入探索提供了理論依據(jù),也為該類益生元制劑的開發(fā)利用提供了參考。

1 猴頭菇多糖的結(jié)構(gòu)特征及對腸道菌群組成的影響

1.1 猴頭菇多糖的結(jié)構(gòu)特征

自上世紀(jì)70年代猴頭菇多糖的結(jié)構(gòu)被首次報道以來[6],國內(nèi)外研究人員在其分離和結(jié)構(gòu)鑒定方面進(jìn)行了大量工作。通過整合化學(xué)分析、色譜和光譜技術(shù)等方法,目前已從人工培養(yǎng)或野生的猴頭菇子實體、菌絲體和發(fā)酵培養(yǎng)液中分離和鑒定了許多不同結(jié)構(gòu)的多糖。HE等[7]系統(tǒng)綜述了已報道的三十余種猴頭菇多糖的結(jié)構(gòu),提供了有關(guān)其分子質(zhì)量、單糖組成、糖基連接方式等信息。

從猴頭菇子實體、菌絲體和發(fā)酵培養(yǎng)液中得到的多糖在結(jié)構(gòu)上具有不同特征。從猴頭菇子實體中分離的多糖通常是由葡萄糖(glucose,Glc)、木糖(xylose,Xyl)、鼠李糖(rhamnose,Rha)、甘露糖(mannose,Man)、巖藻糖(fucose,Fuc)、半乳糖(galactose,Gal)、阿拉伯糖(arabinose,Ara)等2種或2種以上單糖組成的雜多糖,分子質(zhì)量約為13～1 000 kDa[7-8]。如,LIU等[9]從猴頭菇子實體中分離得到猴頭菇多糖HEFP-2b,主要由巖藻糖、半乳糖、葡萄糖和甘露糖組成,分子質(zhì)量為32.52 kDa,具有→6)-α-D-Glcp-(1→和→4)-β-D-Galp-(1→和→3,6) -α-D-Manp骨架以及(1→和→6)-β-D-Galp、(1→和→4)-α-D-Manp支鏈單元,末端殘基為葡萄糖和巖藻糖。LIAO等[10]也報道了一種新型猴頭菇多糖HEPN,分子質(zhì)量為12.714 kDa,主要由甘露糖(5.13%)、葡萄糖(43.02%)和半乳糖(51.85%)組成,含有(1→)-Glc、(1→4)-Glc、(1→6)-Glc、(1→6)-Man、(1→3,6)-Man以及(1→6)-Gal 6種連接方式。從猴頭菇子實體中也發(fā)現(xiàn)了多種僅由葡萄糖組成的葡聚糖。有些來自猴頭菇子實體的多糖還與蛋白質(zhì)相結(jié)合[11-12],如含有β-(1→3)和(1→6)糖苷鏈的半乳糖基葡聚糖蛋白和木聚糖蛋白。此外,不同提取方法對猴頭菇多糖結(jié)構(gòu)也具有影響。通過微波法提取得到的猴頭菇多糖主要為(1→3)-β-D-葡聚糖,而傳統(tǒng)熱水提取法得到的猴頭菇多糖主要為(1→6)-β-D-葡聚糖以及低分子質(zhì)量巖藻半乳聚糖[13-14]。

與子實體不同的是,猴頭菇發(fā)酵菌絲體純化得到的多糖主要是雜多糖和糖蛋白[15]。組成多糖的單糖主要是阿拉伯糖、木糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖。SHAO等[16]從猴頭菇菌絲體中分離得到一種新型猴頭菇多糖EP-1,分子質(zhì)量約為3.1 kDa,具有α-D-Glc(1→3)和β-D-Glc(1→3)骨架結(jié)構(gòu),C-4位置連接有β-D-Glc(1→3)和α-D-Gal-(1→3)支鏈,末端殘基為α-D-Man。CUI等[17]從猴頭菇菌絲中分離得到一種分子質(zhì)量為14.4 kDa的酸性β-糖蛋白,蛋白/多糖比為10∶1,含有D-葡萄糖、L-鼠李糖、D-半乳糖、D-甘露糖,主鏈由(1→4)連接的半乳糖殘基和葡萄糖殘基構(gòu)成。關(guān)于猴頭菇發(fā)酵菌絲體分離的均多糖的報道較少。

從猴頭菇培養(yǎng)液中純化得到的胞外多糖通常是雜多糖、葡聚糖和甘露聚糖。LEE等[18]從采用乙醇沉淀法從猴頭菇培養(yǎng)液中提取到一種水溶性粗多糖,通過DEAE纖維素離子交換色譜和瓊脂糖凝膠滲透色譜分離,得到一種低分子質(zhì)量多糖HEB-AP Fr I,具有β-1,3支鏈-β-1,2-甘露聚糖結(jié)構(gòu)。SHANG等[19]采用超濾和凝膠滲透色譜方法,從猴頭菇發(fā)酵濃縮液中分離得到一種分子質(zhì)量為46.9 kDa的均多糖,結(jié)構(gòu)為無支鏈的α-D-葡聚糖,重復(fù)單元為{[-(1→4)Glu]3-(1→6)Glu}n。

1.2 猴頭菇多糖對腸道菌群組成的影響

猴頭菇多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對腸道菌群的調(diào)節(jié)作用差異很大。迄今為止,關(guān)于猴頭菇多糖對腸道菌群組成的影響研究尚處于起步階段,猴頭菇多糖結(jié)構(gòu)與腸道菌群組成之間的關(guān)系尚未得出明確結(jié)論。表1總結(jié)了已報道的猴頭菇多糖結(jié)構(gòu)及對腸道菌群的影響。

表1 猴頭菇多糖的來源、結(jié)構(gòu)及對腸道菌群的影響Table 1 The sources and structural features of H.erinaceus polysaccharides and their influences on gut microbiota

綜上,猴頭菇多糖對腸道菌群的調(diào)節(jié)作用與其分子質(zhì)量、單糖組成、糖苷鍵類型、分支度、官能團以及形成復(fù)合物等密切相關(guān)。葡萄糖、甘露糖、半乳糖、巖藻糖、木糖、阿拉伯糖、鼠李糖等是最常見的單糖,且(1→3)、(1→6)和(1→4)連接出現(xiàn)頻率最高。然而,能夠刺激特定腸道細(xì)菌的多糖結(jié)構(gòu)及其水解后的特征多糖譜尚不明確,阻礙了該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究。因此,圍繞腸道菌群調(diào)控作用的猴頭菇多糖的構(gòu)效關(guān)系研究亟待深入。

2 猴頭菇多糖調(diào)節(jié)腸道菌群的功效與機制

猴頭菇多糖可通過影響宿主腸道菌群組成和代謝發(fā)揮多種健康促進(jìn)作用,其益生功效涉及調(diào)節(jié)免疫、抗炎癥性腸病、影響神經(jīng)系統(tǒng)、抗肥胖、降膽固醇、抗幽門螺桿菌等多個方面。猴頭菇多糖通過促進(jìn)腸道益生菌增殖、抑制致病菌生長、增加短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA)生成、增強腸道免疫及激活特定信號通路等途徑發(fā)揮作用。

2.1 免疫調(diào)節(jié)作用

越來越多研究表明真菌多糖對人體免疫系統(tǒng)具有顯著的低毒或無毒作用。真菌多糖可以激活免疫相關(guān)細(xì)胞,促進(jìn)細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生,在免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮多種作用。猴頭菇多糖是一種潛在的天然免疫調(diào)節(jié)劑,可通過NF-кB、MAPK和PI3K/Akt信號通調(diào)節(jié)免疫功能。免疫熒光染色顯示,猴頭菇多糖的酶解產(chǎn)物可顯著促進(jìn)巨噬細(xì)胞對NO、CD40和CD86的吞噬作用,增強環(huán)磷酰胺誘導(dǎo)免疫抑制小鼠的免疫調(diào)節(jié)功能[24]。小鼠巨噬細(xì)胞(RAW264.7)和人腸上皮細(xì)胞系(Caco-2)模型也顯示,猴頭菇多糖能促進(jìn)NO、IL-6、IL-10、TNF-α的產(chǎn)生,提高免疫活性[26]。對小鼠、犬及人的腸道菌群的研究均表明,猴頭菇多糖可顯著改變腸道微生物多樣性和豐富度,提高產(chǎn)SCFA細(xì)菌含量。

SCFA是腸道微生物發(fā)酵膳食纖維的最終產(chǎn)物,是聯(lián)系腸道菌群與宿主的重要橋梁。SCFA具有改善腸道黏膜屏障、刺激免疫抑制細(xì)胞因子生成的作用[31],是調(diào)節(jié)和維持宿主免疫系統(tǒng)的信號分子[32]。SCFA中的乙酸、丙酸和丁酸可抑制促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生,激活Treg細(xì)胞,對改善慢性炎癥性疾病具有重要作用[33]。乙酸和丁酸還可通過激活GPR41和GPR43,抑制組蛋白脫乙酰酶活性,發(fā)揮抗炎作用[8]。猴頭菇多糖能顯著提高環(huán)磷酰胺誘導(dǎo)的免疫抑制小鼠模型的產(chǎn)SCFA細(xì)菌水平[34]。此外,猴頭菇多糖與微納米技術(shù)相結(jié)合或特定分子的功能化將通過靶向遞送、增加腸道通透性等提高其免疫調(diào)節(jié)作用。例如,多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs)封裝猴頭菇多糖可有效調(diào)節(jié)小鼠免疫應(yīng)答反應(yīng),顯著提高免疫球蛋白水平,促進(jìn)脾臟淋巴細(xì)胞活化[35];硒化猴頭菇多糖的聚乳酸-羥基乙酸共聚物納米顆粒可增強猴頭菇多糖的免疫活性,顯著增強巨噬細(xì)胞吞噬作用以及CD40和CD86的表達(dá)[36]。

2.2 IBD

腸道菌群紊亂可導(dǎo)致宿主腸道黏膜屏障破壞,增加脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)分泌。LPS通過腸系膜靜脈進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng),作用于靶器官和組織,引起腸道炎癥,甚至誘發(fā)癌變[37]。研究表明,猴頭菇多糖可逆轉(zhuǎn)IBD、潰瘍性結(jié)腸炎(ulcer colonitis, UC)等實驗動物模型的腸道菌群紊亂,顯著增加腸道中抗炎細(xì)菌豐度,如乳桿菌、擬桿菌(Bacteroides)、雙歧桿菌、普雷沃氏菌(Prevotella)等,降低促炎細(xì)菌和病原體水平,如棒狀桿菌(Corynebacterium)、瘤胃球菌(Ruminococcus)、葡萄球菌(Staphylococcus)、腸桿菌屬(Enterobacter)、彎曲桿菌(Campylobacter)、志賀氏菌(Shigella)等,維護腸道屏障的完整性。乳酸桿菌可通過調(diào)節(jié)腸道菌群、刺激自然殺傷細(xì)胞(NK細(xì)胞)、巨噬細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞緩解葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎[38]。短雙歧桿菌通過降低腫瘤壞死因子TNF-α、白細(xì)胞介素IL-1β、IL-6水平及恢復(fù)腸道菌群平衡改善結(jié)腸炎癥狀[39]。鐘千貴等[40]在體外考察了不同濃度猴頭菇多糖對保加利亞乳桿菌(Lactobacillusbulgaricus)、青春雙歧桿菌(Bifidobacteriumadolescentis)、嗜熱鏈球菌(Streptococcusthermophilus)3種胃腸道益生菌生長的影響,并體外模擬人胃和腸道環(huán)境分析了猴頭菇多糖對這3種菌在胃腸道模擬環(huán)境中的生長影響,結(jié)果表明,0.3%～0.5%(體積分?jǐn)?shù))的猴頭菇多糖可促進(jìn)胃腸道益生菌的生長,而7%(體積分?jǐn)?shù))的猴頭菇多糖可提高益生菌對胃腸道消化液的耐受性。猴頭菇多糖也可顯著提高潰瘍性結(jié)腸炎大鼠模型的乙酸和丁酸水平。

2.3 對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的作用

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)患者的腸道菌群與健康人不同,厚壁菌門數(shù)量減少,擬桿菌門增加,雙歧桿菌減少,一些腸道細(xì)菌在屬水平上的變化與AD腦脊液中的生物標(biāo)志物存在顯著相關(guān)[41]。LIU等[42]的研究發(fā)現(xiàn),與健康人相比,遺忘性輕度認(rèn)知障礙及癡呆患者的糞便微生物多樣性降低,臨床AD嚴(yán)重程度評分與微生物組改變之間存在顯著相關(guān),變形菌門中的γ -變形桿菌、腸桿菌目(Enterobacteriales)等促炎細(xì)菌的富集與AD患者相關(guān)。腸道菌群降解多糖產(chǎn)生的SCFA不僅能維持腸道屏障功能和腸道穩(wěn)態(tài),還能直接或間接影響腦功能。丙酸可增加腸來源的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞數(shù)量,進(jìn)一步通過增加髓鞘合成對中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[43]。猴頭菇提取物有助于維持腸道菌群的穩(wěn)定性和多樣性,促進(jìn)厚壁菌門和變形菌門的比例平衡,增加乳桿菌(Lactobacillus)等益生菌以及阿克曼菌屬(Akkermanisa)等具有抗炎作用的細(xì)菌數(shù)量,減少腸桿菌科(Enterobacteriaceae)等機會致病菌數(shù)量,調(diào)節(jié)宿主代謝和胰島素水平,減緩AD進(jìn)展。此外,CHENG等[44]報道了分子質(zhì)量分別為1.7×105、1.1×105Da 的2種猴頭菇多糖(HEPS)對淀粉樣蛋白β誘導(dǎo)的大鼠嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞(PC12)的神經(jīng)毒性具有保護作用。猴頭菇多糖可清除活性氧,減少磷酸化p38 MAPK/CHOP參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號通路介導(dǎo)的神經(jīng)元死亡[45]。

2.4 抗肥胖和降膽固醇

最近的研究表明,β-葡聚糖可被腸道微生物組發(fā)酵成具有免疫調(diào)節(jié)活性的SCFA[46]。由表2可知,猴頭菇多糖可降低血清總膽固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白膽固醇及肝臟膽固醇水平,提高血清高密度脂蛋白膽固醇水平以及糞便膽汁酸、SCFA(特別是丙酸和丁酸)含量。猴頭菇多糖可顯著減少氧化應(yīng)激損傷,增加益生菌,降低腸桿菌等有害菌相對豐度,降低病原體感染。猴頭菇多糖通過影響SCFA代謝,調(diào)節(jié)肝臟和血液中血脂水平,從而降低腹部和肝臟脂肪含量。

表2 猴頭菇多糖調(diào)節(jié)腸道菌群的功效與可能機制Table 2 Effects and potential mechanisms of H.erinaceus polysaccharides by regulating gut microbiota

2.5 抗幽門螺桿菌(Helicobacter pylori)

腸道微生物群可能是抗H.pylori感染治療的潛在靶點[47]。H.pylori感染可改變結(jié)腸pH值,使擬桿菌門豐度減少,厚壁菌門和變形菌門增加,引起脫硫弧菌(Desulfovibrio)、普雷沃氏菌、嗜血桿菌(Haemophilus)、擬桿菌、副薩特氏菌 (Parasutterella)、陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)等變化[48-49]。H.pylori感染也可通過改變胃腸道激素分泌重塑腸道代謝,并影響腸道微生物組[50]。H.pylori感染腸道中唾液乳桿菌(Lactobacillussalivarius)的增加和嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)的減少,與胃酸分泌減少有關(guān)[51]。猴頭菇多糖對H.pylori有較強抑制作用[52]。ZHU等[29]發(fā)現(xiàn)Bi3+-猴頭菇多糖(BiHEP)復(fù)合物與枸櫞酸鉍鉀有相似的抗H.pylori活性,可減少鉍中毒風(fēng)險及鉍劑引發(fā)的癲癇、肌陣攣等不良反應(yīng)。迄今為止,關(guān)于猴頭菇多糖通過調(diào)節(jié)腸道菌群組成及其代謝發(fā)揮抗H.pylori感染作用尚未見報道,本課題組在此方面進(jìn)行了系統(tǒng)性工作,研究結(jié)果正在整理報道。

3 猴頭菇多糖的應(yīng)用

由于猴頭菇多糖的健康促進(jìn)作用,目前已開發(fā)出多種含猴頭菇多糖的藥品、保健品及功能食品。表3列舉了部分已獲公開的發(fā)明專利。一些含有猴頭菇多糖的復(fù)合真菌多糖制劑以及中藥復(fù)方制劑被用作保護胃黏膜、治療萎縮性胃炎和抗幽門螺桿菌感染的藥物或保健產(chǎn)品。王利麗等[62]報道了鮮猴頭菌口服液能顯著增強小鼠學(xué)習(xí)記憶能力,提高免疫抑制小鼠細(xì)胞免疫應(yīng)答水平,并對由糖尿病引起的體重下降有改善作用。猴頭菇多糖也用于制備具有減肥降脂功效的營養(yǎng)代餐粉,以及能夠改善胃腸功能的乳酸菌制劑、固體飲料、咀嚼片及壓片糖果等,具有養(yǎng)護胃腸、加速代謝、提高機體免疫力等作用,具有良好的市場應(yīng)用前景。

表3 猴頭菇多糖益生作用的應(yīng)用Table 3 Applications of H.erinaceus polysaccharides in probiotics

同時,猴頭菇多糖在功能性飼糧開發(fā)上也有良好的應(yīng)用前景。在飼糧中添加猴頭菇多糖能改善營養(yǎng)物質(zhì)利用,促進(jìn)肉仔雞生長[59];同時,可以降低肉仔雞肝臟和腹部膽固醇沉積,降低血清總膽固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白膽固醇水平,提高高密度脂蛋白膽固醇水平,用于生產(chǎn)低膽固醇和低脂肪雞肉[58,61]。含有猴頭菇多糖的飼糧可以通過提高肉仔雞腸道益生菌豐度,如雙歧桿菌、乳酸菌、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis) 等,抑制大腸桿菌生長,增加抗氧化和抗炎活性,降低病原體感染風(fēng)險[60]。

4 結(jié)論與展望

猴頭菇多糖不能在胃和小腸中分解,很難被人體吸收,只能通過大腸內(nèi)微生物發(fā)酵。本文總結(jié)了猴頭菇多糖的結(jié)構(gòu)和對腸道菌群組成的影響,綜述了猴頭菇多糖通過影響宿主腸道菌群多樣性及其代謝等途徑發(fā)揮健康促進(jìn)作用的機制與應(yīng)用研究進(jìn)展。然而,猴頭菇多糖調(diào)節(jié)腸道菌群的構(gòu)效關(guān)系及機制研究尚處于起步階段,腸道菌群對猴頭菇多糖的代謝作用也尚未見報道。未來,關(guān)于猴頭菇多糖調(diào)節(jié)腸道菌群產(chǎn)生的代謝物對促進(jìn)宿主健康的作用值得進(jìn)一步深入探討。高質(zhì)量的臨床試驗以及通過宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)等系統(tǒng)生物學(xué)方法進(jìn)一步挖掘其潛在分子機制,并進(jìn)行深入實驗驗證,將有助于系統(tǒng)闡明猴頭菇多糖的健康促進(jìn)作用機制。此外,設(shè)計由猴頭菇多糖和其他成分如猴頭菇活性蛋白[63-64]組成的復(fù)合配方,通過靶向多種作用途徑和維護腸道微生物穩(wěn)態(tài),可能對相關(guān)疾病預(yù)防和管理起到協(xié)同作用。