腸道菌群調節制劑的研究進展

房曉，段榮帥，王鳳山

（1.山東大學 藥學院，山東 濟南 250012；2.山東商業職業技術學院，山東 濟南 250103）

腸道菌群調節制劑的研究進展

房曉1,2，段榮帥2，王鳳山1△

（1.山東大學 藥學院，山東 濟南 250012；2.山東商業職業技術學院，山東 濟南 250103）

腸道菌群與人體健康密切相關，疾病狀態常伴隨腸道菌群的紊亂。以益生菌、益生素和合生素為代表的腸道菌群調節制劑可以改善腸道菌群，恢復腸道菌群平衡，因而廣泛受到關注。本文綜述腸道菌群調節制劑的研究進展。

腸道菌群；益生菌；益生素；合生素；低聚糖

腸道菌群是指在腸道部位存在的微生物組成的群體，包括真細菌、古細菌和真核微生物，其類型多達1000多種，其中多數目前不能分離培養而是通過分子生物學的方法鑒別[1-2]。盡管健康人體腸道菌群的主要種類為擬桿菌（Bacteroides）和厚壁菌（Firmicutes）（占90%以上），但個體間仍有顯著差異，其差異與年齡、性別、壓力、飲食因素等有關[3]。腸道菌群與腸道上皮和淋巴組織的信息交流與正常免疫功能的實現和身體健康息息相關[2]。健康個體的腸道菌群通常維持穩定平衡狀態，除非發生疾病或接受抗生素治療[4]。研究表明，腸道菌群的變化與炎癥性腸病、腸易激綜合征、肥胖等多種疾病或生理紊亂有關[5]。因此，腸道菌群日益成為研究的熱點。同時，越來越多證據表明，微生態制劑可以有效改變腸道菌群的組成，使其保持平衡或得到改善。因此，有必要對腸道菌群的這類調節制劑做一綜述。常見的微生態制劑按其作用原理可分為三類，即益生菌（probiotics）、益生素（prebiotics）和合生素（synbiotics），其中尤以益生素應用最為廣泛。

1 益生菌

益生菌（probiotics）是一類通過改善宿主菌群組成從而發揮有益作用的活性微生物[6]。傳統培養法或分子生物學方法均已證實益生菌可以有效改變嬰兒或成人的腸道菌群組成。以雙歧桿菌（Bi fi dobacteriumspp.）和乳桿菌（Lactobacillusspp.）為代表的乳酸菌（Lactic Acid Bacteria, LAB）是最常用的益生菌菌種。此外，釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和一些大腸桿菌及其他桿菌也被用作益生菌。國內常用的菌種包括長型雙歧桿菌（Bifidobacterium longum）、保加利亞乳桿菌（Lactobacillus delbrueckiisubsp.bulgaricus）、嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）、枯草桿菌（Bacillus subtilis）、酪酸桿菌（Clostridium butyricum）、糞腸球菌（Entercoccus faecalis）等，常以多種菌種混合制劑形式提供。因雙歧桿菌在機體疾病狀態或衰老時常處于減少狀態，益生菌制劑尤其以補充雙歧桿菌為最多[7]。

益生菌的功能研究多以體外實驗和動物實驗為主，其發揮益生作用有多種機制，并具有一定的菌株特異性：（1）益生菌可以改變消化道的局部pH 值，創造一個不利于病原體生長的局部環境。體外實驗表明乳桿菌生長導致的pH下降可以抑制致病菌的生長[8]。體內應用VSL#3益生菌制劑治療潰瘍性結腸炎時，腸道pH會顯著下降[9]。（2）益生菌產生細菌素，發揮窄譜或廣譜的病原體抑制作用。細菌素是由細菌所分泌的可以抑制其他細菌的蛋白質，又稱細菌抗菌肽。Corr等[10]發現不能產生細菌素的益生菌益生作用較弱，不能保護小鼠免受單核細胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）感染。（3）益生菌可以調節病原體衍生的毒素，打斷致病菌的群體效應。部分細菌可以通過分泌自誘導素進行群體行為調控，而Medellin-Pena等[11]發現嗜酸乳桿菌La-5可以分泌分子破壞這種群體效應的信息交流，從而減少Escherichia coliO 157:H7毒力基因的表達。（4）益生菌可以增強腸黏膜屏障功能。Mack等[12]發現植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）299 v可以增加腸道上皮細胞的黏液分泌。E. coli Nissle1917則可以產生β-防御素2進而增強黏膜屏障功能[13]。（5）益生菌可以與病原體競爭營養物質以及競爭黏附。致病性E.coli、傷寒沙門菌（Salmonella typhimurium）、福氏志賀菌（Shigella fl exneri）、艱難梭菌（Clostridium dif fi cile）等均可受到抑制[13]。（6）益生菌還可與上皮細胞和黏膜淋巴細胞進行交叉對話，發揮對天然免疫和特異性免疫的作用。例如，益生菌可以激活局部的巨噬細胞，增加抗原對B淋巴細胞的呈遞，在局部和全身增加分泌性免疫球蛋白（IgA）的產生，防止細胞炎癥因子NF-κB等的活化[13]。

益生菌最常見的產品形式是發酵奶制品和益生菌強化食品，同時也包括含凍干細菌的片劑和膠囊。然而，益生菌要發揮作用必須達到足夠的活性菌數量，益生菌的活性問題限制了益生菌的廣泛應用。此外，益生菌產品的貨架期較短，且通常需要低溫運輸和貯藏，也限制了益生菌的應用。

2 益生素

2.1 益生素的概念和功能 益生素（prebiotics）是指能夠進腸道菌群中特定有益微生物生長或活性增加的不消化食物組分或選擇性發酵組分[6,14-15]。益生素發揮作用是間接的，通過促進益生菌的定殖改善腸道菌群，進而改善健康。與益生菌不同，益生素沒有微生物活性的限制，因而具有更廣的使用范圍。除發酵乳制品外，益生素廣泛應用于焙烤食品、甜味劑、營養添加劑、營養棒、代餐棒等[16]。

隨著益生素研究的發展和益生素概念的更新，益生素的益生作用范圍也逐漸擴大[17]。目前，被廣為接受的益生作用包括：（1）改善和穩定腸道菌群；（2）改善腸道功能和排便狀況；（3）促進鈣吸收、改善骨骼；（4）調節胃腸道消化酶產生，改善能量代謝；（5）激發并調節免疫功能；（6）改善腸道屏障功能，減少代謝內毒素血癥；（7）降低腸道感染的風險；（8）改善腸道炎癥；（9）降低肥胖、2型糖尿病、代謝綜合征等的風險；（10）降低結腸癌的風險[17]。盡管益生素具有多種生理功能，但其核心功能為選擇性地促進益生菌生長或活性增加從而改善腸道菌群，其他功能直接或間接地與腸道菌群改變相關。本文亦主要圍繞益生素對腸道菌群調節作用進行介紹。

2.2 益生素的種類 目前，益生素多為低聚糖或多糖，尤其是菊粉類果聚糖（inulin-type fructans，ITF）和低聚半乳糖（galacto-oligosaccharides，GOS）兩類物質（見表1）[17]。

表1 主要益生素及其結構Tab. 1 The main prebiotics and their structure characteristics

益生素可分為短鏈、長鏈和廣譜益生素。短鏈益生素，例如低聚果糖（fructo-oligosaccharide，FOS），含有2～8個單糖單元，通常被右側結腸區域內的益生菌快速發酵利用；長鏈益生素，例如菊粉，含有9～64個單糖單元，緩慢發酵利用，主要營養左側結腸內的益生菌；廣譜益生素則含有2～64不同聚合度的聚糖，從而廣泛營養結腸各部分的益生菌，例如添加低聚果糖的復合菊粉[18-19]。

Roberfroid[15]認為，嚴格意義上，只有反式低聚半乳糖和菊粉滿足益生素的定義，不被人體消化，同時在體外和體內實驗中均表現出益生菌選擇促進作用。而其他低聚糖、多糖或糖醇，包括大豆低聚糖、乳果糖、低聚異麥芽糖、低聚木糖、龍膽寡糖、低聚甘露寡糖、乳糖、半纖維素、抗性淀粉、抗性糊精、燕麥麩、蜜二糖、β-葡聚糖、N-乙酰殼寡糖、乳糖醇、山梨糖醇、麥芽糖醇等也在體外表現出部分益生功能，但它們中絕大多數的體內效果尚需進一步證實[17]。

人乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMOs）具有良好的益生作用，對其結構和功能的研究，可進一步促進與HMO類似的益生素的開發[20-22]。

2.3 益生素的研究方法 益生素對益生菌和腸道菌群的調節作用可以采用體外模型進行研究，復雜的體外模型甚至包括對消化道消化功能的部分模擬。然而，由于腸道菌群的復雜性和人體胃腸道的復雜消化功能，益生作用必須最終通過體內實驗證實。

最常用的體外研究模型是分批發酵模型（可以進行pH調控，也可不調控）[17]。在單批發酵模型中，不同底物與益生菌或糞漿共同培養，然后分析微生物生長變化和代謝產物。通過益生菌分批發酵，可以考察雙歧桿菌、乳桿菌等對不同底物和不同聚合度低聚糖的選擇發酵能力，例如發現棉籽糖和水蘇糖能夠很好地支持嬰兒雙歧桿菌（Bifidobacterium infantis）的生長，但卻不能促進大腸桿菌、糞鏈球菌和嗜酸乳桿菌的生長，而不同聚合度的益生素，如阿拉伯木聚糖，也表現出選擇促進生長的差異；采用糞漿混合發酵時，可以考察糞便菌群的組成變化，同時還可以比較不同底物的選擇性增殖能力[17]。此外，還可以進一步分析和比較不同底物代謝產生短鏈脂肪酸（short chain fatty acid,SCFA）的能力[17]。

連續培養也可用于益生素的研究。通過ITF-恒化培養比較不同的分析方法分析結果的差異，發現傳統微生物培養法和分子生物學方法分析結果有所差異，分子生物學方法可獲得更多動態信息。采用分子生物學方法，發現在連續培養中雙歧桿菌在6 h時達到最高，而隨后到達低pH值的穩定狀態時乳桿菌數量最多。SCFA分析與分子生物學方法的結果類似[17]。以糞漿接種時，連續培養結果顯示，雙歧桿菌和乳桿菌更易利用ITF，而擬桿菌難以利用ITF[17]。

三段腸道體外模型（升結腸、橫結腸和降結腸）[23]進一步證實了其他體外模型的結果，并發現ITF和半乳聚糖的主要發酵部位為升結腸。半乳聚糖聚合度越低、濃度越小，越傾向于近端結腸發酵，反之則在遠端結腸發酵。人體消化道微生態體外模擬系統的實驗結果同樣表明，ITF可以促進腸道菌群中雙歧桿菌和乳桿菌數量增加，伴隨有SCFA的增加[24]。

益生素的益生作用需通過體內實驗最終證實。16 S rDNADGGE（denaturing gradient gel electrophoresis，DGGE，變性梯度凝膠電泳）、原位熒光雜交（fluorescent in situ hybridization，FISH）、功能性宏基因組學等分子生物學手段的廣泛應用，使得復雜腸道菌群的分析變得更加準確可行[5,25-26]。通過志愿者體內實驗，采用對照性飲食，分析益生素應用前后的腸道菌群組成來評估其益生效果，部分實驗結果見表2[17]。值得注意的是，功能性宏基因組學分析表明，腸道菌群中存在可以代謝利用FOS、GOS等益生素的未知細菌，而其對人體健康有利或有害尚不清楚[25]。因此，原本認為具有特定選擇性作用的益生素可能發揮更廣譜的促進作用，這一改變對健康的影響尚需進一步評估。

3 合生素

合生素（synbiotics）是益生菌和益生素的組合。嚴格意義上，合生素中的益生素必須促進內含的益生菌，例如低聚果糖和雙歧桿菌的組合，而低聚果糖和干酪乳桿菌的組合則無此促進作用。然而，合生素在體內發揮作用時，內含的益生素可能會找到內源的效應菌，因此也能分別發揮其益生菌和益生素的作用，但是缺少協同效應。不同人群的腸道菌群組成對益生菌發揮效果影響較大[26]，因此合理組合益生素和益生菌發揮協同作用還是很有必要的。

表2 益生素對人體腸道/糞便菌群的影響Tab. 2 Effects of prebiotics on the intestinal microbiota of healthy volunteers

益生菌、益生素和合生素等腸道菌群調節制劑，正從早期的保健調節應用逐步廣泛應用到炎癥性腸病、腸易激綜合征甚至是結腸癌等疾病的治療過程。廣泛使用抗生素會導致腸道菌群紊亂和耐藥性傳播現在已成為共識，而益生菌、益生素和合生素等預防和治療手段，可以維持和改善腸道菌群，降低耐藥性傳播的風險?；趯δc道菌群與人體健康關系認識的深入，腸道菌群調節制劑會持續成為研究的熱點。

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Research progress in the modulators of intestinal microbiota

FANG Xiao1,2, DUAN Rong-shuai2, WANG Feng-shan1△
(1. School of Pharmaceutical Science, Shandong University, Jinan 250012，China; 2. Shandong Institute of Commerce and Technology, Jinan 250103,China)

Intestinal microbiota is closely related to the human health. The unhealthy state is often associated with disorders in intestinal microbiota. Intestinal microbiota modulators such as probiotics, prebiotics and synbiotics, which can restore and improve intestinal microbiota balance, are thus drawing wide attention. This paper reviewed the research progress of modulators of intestinal microbiota.

intestinal microbiota; probiotics; prebiotics; synbiotics; oligosaccharide

R 285；TQ 464.1

A

1005-1678(2014)01-0142-04

房曉，女，實驗師，研究方向：多糖類藥物研究，E-mail: fx 410@163.com；王鳳山，通信作者，E-mail:fswang@sdu.edu.cn。