猴頭菇多糖結構及調節腸道菌群作用研究進展

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(上海工程技術大學 化學化工學院,上海,201620)2(上海雷允上藥業有限公司,上海,201401) 3(復旦大學 藥學院,上海,201203)

人體腸道中寄生有約100萬億微生物,是一個復雜的生態系統。作為人類“第二基因組”, 腸道菌群可參與調節宿主代謝和免疫,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定和多樣化的物種結構?，F代社會飲食和生活方式的改變、抗生素濫用等導致腸道微生物群穩態失調和功能變化,與許多疾病的發生密切相關[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有兩千多年的歷史。猴頭菇主要含有多糖、蛋白質、維生素、礦物質和膳食纖維等成分,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注[5]。本文總結了不同來源猴頭菇多糖的結構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節免疫、抗炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)、影響神經系統、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域的應用現狀和前景,為猴頭菇多糖調控腸道微生物穩態的深入探索提供了理論依據,也為該類益生元制劑的開發利用提供了參考。

1 猴頭菇多糖的結構特征及對腸道菌群組成的影響

1.1 猴頭菇多糖的結構特征

自上世紀70年代猴頭菇多糖的結構被首次報道以來[6],國內外研究人員在其分離和結構鑒定方面進行了大量工作。通過整合化學分析、色譜和光譜技術等方法,目前已從人工培養或野生的猴頭菇子實體、菌絲體和發酵培養液中分離和鑒定了許多不同結構的多糖。HE等[7]系統綜述了已報道的三十余種猴頭菇多糖的結構,提供了有關其分子質量、單糖組成、糖基連接方式等信息。

從猴頭菇子實體、菌絲體和發酵培養液中得到的多糖在結構上具有不同特征。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現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相結合[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構也具有影響。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量巖藻半乳聚糖[13-14]。

與子實體不同的是,猴頭菇發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,分子質量約為3.1 kDa,具有α-D-Glc(1→3)和β-D-Glc(1→3)骨架結構,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成。關于猴頭菇發酵菌絲體分離的均多糖的報道較少。

從猴頭菇培養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,得到一種低分子質量多糖HEB-AP Fr I,具有β-1,3支鏈-β-1,2-甘露聚糖結構。SHANG等[19]采用超濾和凝膠滲透色譜方法,從猴頭菇發酵濃縮液中分離得到一種分子質量為46.9 kDa的均多糖,結構為無支鏈的α-D-葡聚糖,重復單元為{[-(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

猴頭菇多糖結構復雜,對腸道菌群的調節作用差異很大。迄今為止,關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,猴頭菇多糖結構與腸道菌群組成之間的關系尚未得出明確結論。表1總結了已報道的猴頭菇多糖結構及對腸道菌群的影響。

表1 猴頭菇多糖的來源、結構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節作用與其分子質量、單糖組成、糖苷鍵類型、分支度、官能團以及形成復合物等密切相關。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)連接出現頻率最高。然而,能夠刺激特定腸道細菌的多糖結構及其水解后的特征多糖譜尚不明確,阻礙了該領域的進一步研究。因此,圍繞腸道菌群調控作用的猴頭菇多糖的構效關系研究亟待深入。

2 猴頭菇多糖調節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揮多種健康促進作用,其益生功效涉及調節免疫、抗炎癥性腸病、影響神經系統、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揮作用。

2.1 免疫調節作用

越來越多研究表明真菌多糖對人體免疫系統具有顯著的低毒或無毒作用。真菌多糖可以激活免疫相關細胞,促進細胞因子和趨化因子的產生,在免疫調節中發揮多種作用。猴頭菇多糖是一種潛在的天然免疫調節劑,可通過NF-кB、MAPK和PI3K/Akt信號通調節免疫功能。免疫熒光染色顯示,猴頭菇多糖的酶解產物可顯著促進巨噬細胞對NO、CD40和CD86的吞噬作用,增強環磷酰胺誘導免疫抑制小鼠的免疫調節功能[24]。小鼠巨噬細胞(RAW264.7)和人腸上皮細胞系(Caco-2)模型也顯示,猴頭菇多糖能促進NO、IL-6、IL-10、TNF-α的產生,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SCFA細菌含量。

SCFA是腸道微生物發酵膳食纖維的最終產物,是聯系腸道菌群與宿主的重要橋梁。SCFA具有改善腸道黏膜屏障、刺激免疫抑制細胞因子生成的作用[31],是調節和維持宿主免疫系統的信號分子[32]。SCFA中的乙酸、丙酸和丁酸可抑制促炎細胞因子的產生,激活Treg細胞,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,發揮抗炎作用[8]。猴頭菇多糖能顯著提高環磷酰胺誘導的免疫抑制小鼠模型的產SCFA細菌水平[34]。此外,猴頭菇多糖與微納米技術相結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節作用。例如,多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs)封裝猴頭菇多糖可有效調節小鼠免疫應答反應,顯著提高免疫球蛋白水平,促進脾臟淋巴細胞活化[35];硒化猴頭菇多糖的聚乳酸-羥基乙酸共聚物納米顆?？稍鰪姾镱^菇多糖的免疫活性,顯著增強巨噬細胞吞噬作用以及CD40和CD86的表達[36]。

2.2 IBD

腸道菌群紊亂可導致宿主腸道黏膜屏障破壞,增加脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)分泌。LPS通過腸系膜靜脈進入循環系統,作用于靶器官和組織,引起腸道炎癥,甚至誘發癌變[37]。研究表明,猴頭菇多糖可逆轉IBD、潰瘍性結腸炎(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。乳酸桿菌可通過調節腸道菌群、刺激自然殺傷細胞(NK細胞)、巨噬細胞和T淋巴細胞緩解葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎[38]。短雙歧桿菌通過降低腫瘤壞死因子TNF-α、白細胞介素IL-1β、IL-6水平及恢復腸道菌群平衡改善結腸炎癥狀[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境分析了猴頭菇多糖對這3種菌在胃腸道模擬環境中的生長影響,結果表明,0.3%～0.5%(體積分數)的猴頭菇多糖可促進胃腸道益生菌的生長,而7%(體積分數)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腸炎大鼠模型的乙酸和丁酸水平。

2.3 對神經系統疾病的作用

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)患者的腸道菌群與健康人不同,厚壁菌門數量減少,擬桿菌門增加,雙歧桿菌減少,一些腸道細菌在屬水平上的變化與AD腦脊液中的生物標志物存在顯著相關[41]。LIU等[42]的研究發現,與健康人相比,遺忘性輕度認知障礙及癡呆患者的糞便微生物多樣性降低,臨床AD嚴重程度評分與微生物組改變之間存在顯著相關,變形菌門中的γ -變形桿菌、腸桿菌目(Enterobacteriales)等促炎細菌的富集與AD患者相關。腸道菌群降解多糖產生的SCFA不僅能維持腸道屏障功能和腸道穩態,還能直接或間接影響腦功能。丙酸可增加腸來源的調節性T細胞數量,進一步通過增加髓鞘合成對中樞神經系統產生影響[43]。猴頭菇提取物有助于維持腸道菌群的穩定性和多樣性,促進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菌數量,減少腸桿菌科(Enterobacteriaceae)等機會致病菌數量,調節宿主代謝和胰島素水平,減緩AD進展。此外,CHENG等[44]報道了分子質量分別為1.7×105、1.1×105Da 的2種猴頭菇多糖(HEPS)對淀粉樣蛋白β誘導的大鼠嗜鉻細胞瘤細胞(PC12)的神經毒性具有保護作用。猴頭菇多糖可清除活性氧,減少磷酸化p38 MAPK/CHOP參與內質網應激信號通路介導的神經元死亡[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酵成具有免疫調節活性的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,調節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 猴頭菇多糖調節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[51]。猴頭菇多糖對H.pylori有較強抑制作用[52]。ZHU等[29]發現Bi3+-猴頭菇多糖(BiHEP)復合物與枸櫞酸鉍鉀有相似的抗H.pylori活性,可減少鉍中毒風險及鉍劑引發的癲癇、肌陣攣等不良反應。迄今為止,關于猴頭菇多糖通過調節腸道菌群組成及其代謝發揮抗H.pylori感染作用尚未見報道,本課題組在此方面進行了系統性工作,研究結果正在整理報道。

3 猴頭菇多糖的應用

由于猴頭菇多糖的健康促進作用,目前已開發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明專利。一些含有猴頭菇多糖的復合真菌多糖制劑以及中藥復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品。王利麗等[62]報道了鮮猴頭菌口服液能顯著增強小鼠學習記憶能力,提高免疫抑制小鼠細胞免疫應答水平,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,具有良好的市場應用前景。

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

同時,猴頭菇多糖在功能性飼糧開發上也有良好的應用前景。在飼糧中添加猴頭菇多糖能改善營養物質利用,促進肉仔雞生長[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,降低病原體感染風險[60]。

4 結論與展望

猴頭菇多糖不能在胃和小腸中分解,很難被人體吸收,只能通過大腸內微生物發酵。本文總結了猴頭菇多糖的結構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揮健康促進作用的機制與應用研究進展。然而,猴頭菇多糖調節腸道菌群的構效關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,關于猴頭菇多糖調節腸道菌群產生的代謝物對促進宿主健康的作用值得進一步深入探討。高質量的臨床試驗以及通過宏基因組學、代謝組學、脂質組學等系統生物學方法進一步挖掘其潛在分子機制,并進行深入實驗驗證,將有助于系統闡明猴頭菇多糖的健康促進作用機制。此外,設計由猴頭菇多糖和其他成分如猴頭菇活性蛋白[63-64]組成的復合配方,通過靶向多種作用途徑和維護腸道微生物穩態,可能對相關疾病預防和管理起到協同作用。