腸道菌群的組成、調節及其對宿主健康的影響

導讀

腸道微生物菌群由一組細胞組成，是宿主基因的100 倍以上，相當於免疫系統。這些菌群是宿主特異的，包含遺傳成分，可通過飲食、手術或抗生素髮生改變。之前動物微生物是一個被忽視的系統，但它對動物的生理和發育作出重大貢獻。此外，有研究表明動物與微生物菌群是共同進化的。研究對腸道菌群研究的最新進展及調節腸道菌群的不同方式( 益生菌、益生元和多酚) 進行綜述。

在過去的10 年，人們對微生物菌群的認識呈指數增長。由於胃腸道環境的複雜性和微生物採樣的挑戰性，目前大部分研究集中在腸道菌群，這裡分布著最大密度的許多細菌，大部分數據來自糞便樣品，少數來自黏膜活檢。雖然獲得新鮮糞便樣本是比較容易的，但獲得的信息並不代表完整的腸道內環境。從一些有限的研究可知，小腸含有非常不同的細菌丰度和組成，與結腸相比有更大的動態變化。結腸菌群主要高效降解複雜的難以消化的糖類，而小腸菌群則利用相對較小的糖類快速消化和轉化，快速利用總體養分。雖然糞便不是胃腸道的理想替代物，但通過研究可以總結出腸道內菌群多樣性的概況。

1.1 腸道菌群研究概況

胃腸道厚壁菌門和擬桿菌門佔主導位置，但至少有10 個不同門的菌群發揮重要的功能。研究腸道菌群時也以細菌為中心，只有極少數的論文研究病毒成分( 或病毒) 和真核微生物( 原生動物和真菌) 。以相對大樣本的個體( 樣本數量超過100) 進行腸道菌群分析可以看出，厚壁菌門與擬桿菌門的比例並不是在所有個體中都一樣。然而，有研究表明，單一菌種( 屬於厚壁菌門的普拉梭菌) 的消失與炎症性腸病( IBD) 相關。但關於此菌種在IBD 中的作用仍有爭議。腸道微生物菌群對宿主的正常功能和發育至關重要，但並不確定哪些是關鍵菌種以及微生物菌群的功能是否比群落中的單個成員更重要。一些情況下，同一菌種中菌株的差異可以用來區分病原菌和益生菌，如大腸桿菌與IBD相關，而結直腸癌( CRC) 78 大腸桿菌菌株可用來作為一種益生菌。

1.2 腸道菌群與宿主的共生關係

事實上，腸道菌群的大多數細菌基本屬於5 大菌門。一些個體的腸道中大約有160 種細菌，其中的極少數在不相關的個體之間共存。與此相反，在所有個體的胃腸道中都可以發現這些菌種的功能，功能比菌種更重要。腸道菌群的差異可能是重要的，因為這些差異可能導致其有效功能出現差別。例如，合成短鏈脂肪酸( SCFAs) 的能力在所有個體中被發現，但合成數量卻不同。

腸道微生物是宿主與微生物長期協同進化過程中相互選擇和適應形成的。正常情況下腸道菌群與機體處於共生關係: 一方面，宿主為正常菌群的生長和繁殖提供營養和場所，並且不對它們產生強烈的免疫反應( 免疫耐受) ; 另一方面，菌群對宿主的健康和疾病至關重要，在宿主防禦外源性感染、促進免疫系統的成熟與平衡及營養與代謝等方面發揮不可缺少的生理功能。

2飲食調節腸道微生物菌群

2.1 腸道微生物的代謝活性

糖類發酵是腸道微生物的核心活動，促使結腸能量和碳源的再利用。腸道菌群中占支配地位的細菌，包括SCFAs 的產生菌和專門發酵寡糖的菌種( 雙歧桿菌等) 協作，在初步降解複雜的植物多糖中起關鍵作用。釋放的SCFAs 和氣體通過其他更多的細菌( 還原性產酸菌、硫酸鹽還原菌和產甲烷菌等)用作碳源和能源。複雜難消化的膳食糖類有效轉化成SCFAs，供腸道共生微生物菌群和宿主使用，機體日常需要能量的10%來自結腸發酵。丁酸和丙酸可以調節腸道生理和免疫功能，而乙酸是脂肪合成和糖異生作用的底物。最近，這些代謝物的關鍵作用已在調節免疫功能中確定，它們可以調節免疫反應、口服耐受性和炎症的消退，並調節脂肪組織( 在肥胖中是主要的炎性器官) 的炎症輸出。在結腸中，糖類的發酵大多發生在結腸近端。隨著食糜向後腸移動，糖類耗盡，腸道菌群轉向其他底物，特別是蛋白質或氨基酸。氨基酸發酵除分解有益的SCFAs 外，還產生一系列潛在的有害化合物。其中一些可能在腸道疾病( IBD 等) 中發揮作用。經動物模型和體外研究表明，化合物如氨、酚、甲酚、某些胺類和硫化氫，在腸漏的發生或發展、炎症以及DNA 損傷中起重要作用。相反，膳食纖維或植物性食物的攝入可以控制這類情況，這突出了腸道微生物發酵糖類的重要性，發酵糖類是腸道菌群的一個核心活動，為功能性保健品的合理設計提供科學依據。該功能性保健品可以改善腸道健康，並通過跨界通信軸，如腸－肝軸、腸－腦軸和腸－腦－皮膚軸，影響宿主生理相關的微生物菌群活動。

2.2 腸道健康的3 個調節因子: 益生菌、益生元和多酚

在調節腸道菌群的組成、代謝或免疫學活性的策略中，益生菌、益生元和多酚被認為是最佳途徑。

不同益生菌菌株作用於試驗動物可能會出現不同結果。部分原因可能為試驗設計不佳和菌株選擇不當。對益生菌的本質缺乏理解也是導致該現象的原因。益生特性具有菌株特異性，很少有益生菌菌株按特定作用機制篩選出來。有生物活性的一類產品是否適合於傳統的功效評估有待商榷。Jones等篩選膽鹽水解乳酸桿菌，研究其對降低高膽固醇血症個體膽固醇水平的能力，隨機雙盲試驗表明，攝入該菌株可顯著降低總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇。此外，他們提出一個潛在機制，即通過細胞核受體——法尼醇X 受體( FXR) 減少脂肪從小腸的吸收。

益生元作為一種特定的膳食纖維，當其發酵時，腸道內微生物組成發生顯著變化，通常認為有益細菌的相對丰度會增加，如雙歧桿菌或某些丁酸產生菌。在動物試驗中，益生元通常為飲食的10%是有效的。隨著對腸道微生態了解的更深入，益生元作為一種主要的糖分解和微生物群落髮酵底物已經進入腸道菌群的基礎結構，通過菌群與宿主消化系統的協同配合，可以從原本隨糞便排出的複雜植物多糖中獲取能量和碳源。

多酚是一類多種植物的次生代謝產物，常與水果和蔬菜的顏色、味道以及防禦機制有關。長期以來，它們一直被認為是最有可能存在於全植物食品中，影響動物生理過程並預防慢性飲食疾病的一類化合物。腸道菌群在將膳食多酚轉化為可吸收的生物活性物質方面起著至關重要的作用，預計作用於到達結腸的膳食多酚達95%。近年來的研究表明，多酚提取物，尤其是去醇化紅酒多酚提取物和可可來源的黃烷醇，可以通過增加雙歧桿菌和乳酸桿菌的相對丰度，調節腸道菌群向更保健的方向發展，包括調節腸道微生物群落結構和功能，促進腸道微生物菌群及宿主健康。

腸道菌群在維持機體健康穩態中起至關重要的作用，這種作用主要依賴於菌種的多樣性、菌群結構的穩定性和微生態的平衡性。隨著下一代測序技術高解析度觀測研究和代謝物譜技術的使用，證明腸道菌群與促進健康以及不同疾病的發生或維持有關。後基因組時代基於對微生物菌群如何與宿主生理相互作用更好地了解，最終通過對作用機制的理解，更有針對性且有效地治療疾病。在更完整的理解疾病的過程中，能夠更準確地將不同的疾病狀態分層，並確定腸道菌群是否是一個潛在的治療靶點，從而可以通過調節腸道菌群預防和治療某種特定疾病。

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責編：馬維軍；審閱：於繼英

（來源：飼料研究；作者：王文娟，孫冬岩，孫笑非）