食源性天然產物中多糖干預炎癥性腸病的研究進展

陳國偉，邱春紅，田靈敏,*，白衛濱

（1.暨南大學理工學院食品科學與工程系，廣東 廣州 510632 ；2.山東大學基礎醫學院細胞與神經生物學系，山東 濟南 250012 ）

隨著食物精加工和生活飲食習慣的改變，現代人的腸道健康狀況不容樂觀，腸道疾病發病率不斷增加[1]。近年來，食源性天然產物漸受推崇，多糖類物質作為生物活性大分子受到了廣泛的關注并被證明有益于腸道健康[1]。多糖類物質是由10 個以上的單糖分子通過糖苷鍵連接而成的長鏈聚合物，一般以水溶性和非水溶性兩種形式廣泛存在于谷物、果蔬、豆類、菌類和草藥等食源性物質中，它們在小腸內幾乎不被消化吸收，直到大腸中才被共生微生物菌群發酵，具有抗氧化、清除自由基、抗炎、維持腸內穩態和預防相關慢性疾病的作用[2]。

炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）主要包括潰瘍性結腸炎和克羅恩病兩種，是以腸道炎癥和上皮損傷為病理特征的慢性復發性疾病，難以根治，對人體健康構成嚴重威脅[1]。近年來，IBD發病率呈逐年上升趨勢，逐漸演變為全球性疾病。此外，流行病學資料顯示，慢性結腸炎的持續時間和嚴重程度是與誘發結腸炎相關性結直腸癌有關的重要危險因素[3]。

研究表明，多糖類物質對IBD有顯著的預防和干預作用[2]，但是干預機制還不夠明確，并且不同分子質量的多糖具有不同的生物活性[4]。因此，本文主要闡述食源性天然產物中多糖類物質直接或間接干預IBD發展的部分干預機制，以期為科學制定IBD的膳食干預提供一定的理論依據。

1 多糖對IBD的直接干預機制

1.1 減少嗜中性粒細胞浸潤

動物實驗證明，中性粒細胞參與損傷IBD動物結腸組織并導致髓過氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）活性上升[5-6]。而在IBD患者結腸黏膜中也出現大量的嗜中性粒細胞積聚和MPO活性增加現象[7-8]。因此，MPO被視為嗜中性粒細胞浸潤到損傷組織的標志物[9-10]。

大量研究表明，多糖類物質能夠降低MPO活性，抑制MPO與H2O2和Cl-的反應，減少反應產生的強氧化劑次氯酸鹽等含量，從而對IBD患者的結腸組織起到一定的保護作用[11-12]。Brito等[13]利用從海藻中提取的高分子質量（124 kDa）硫酸化多糖（sulfated polysaccharide，PLS）干預三硝基苯磺酸（trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS）誘導的結腸炎大鼠。結果表明，PLS能夠明顯降低TNBS誘導的大鼠結腸炎組織中MPO活性，推測PLS由于具有多個硫酸根自由基特殊結構而呈現抗氧化活性，其可能通過阻止嗜中性粒細胞向炎癥結腸組織的遷移產生保護作用。Popov等[14]利用蔓越莓中提取的高分子質量（100～300 kDa）多糖干預乙酸誘導的結腸炎小鼠，發現多糖干預后小鼠腹腔中性粒細胞和巨噬細胞黏附力略有下降，顯著降低炎癥小鼠結腸中MPO活性，延遲嗜中性粒細胞向腸壁流入，從而抑制由嗜中性粒細胞積聚導致的結腸黏膜侵蝕和破壞，減輕結腸黏膜的損傷程度。這些研究表明多糖類物質進入體內后對防止嗜中性粒細胞浸潤引起的腸道損傷有重要的保護作用。

1.2 抑制氧化應激及脂質過氧化

大量研究表明，食源性物質中的多糖能夠抑制氧化應激及脂質過氧化產物。氧化應激是指體內氧化與抗氧化作用的失衡，此時機體產生大量活性氧簇（reactive oxygen species，ROS），包括超氧陰離子自由基（O2-?）、過氧化氫（H2O2）和羥自由基（?OH）等。這些ROS代謝物的過度釋放是組織損傷和炎癥發生的一個重要機制[15]。丙二醛（malonaldehyde，MDA）作為脂質過氧化產物，其含量在IBD結腸組織中顯著增加[16-17]。MDA可通過與賴氨酸氨基、組氨酸咪唑基團或半胱氨酸巰基反應而引起蛋白質損傷，進而反映機體過氧化損傷和炎癥的程度[18-19]。

多糖類物質能夠顯著降低IBD結腸組織中ROS和MDA水平，減輕結腸的損傷程度。Liu Bo等[17]檢測了從燕麥中分離出的β-葡聚糖（具有β-D-(1-3)和β-D-(1-4)結構）對葡聚糖硫酸鈉（dextran sulfate sodium，DSS）誘導的潰瘍性結腸炎小鼠的干預作用，在觀測不同劑量（50、100 mg/kg）β-葡聚糖對結腸炎小鼠MDA的抑制作用時，發現燕麥β-葡聚糖能夠顯著減少結腸組織中脂質過氧化導致的MDA和亞硝酸鹽的產生，減輕DSS對結腸的損傷程度，且干預效果呈劑量依賴性。Nemoto等[20]發現植物乳酸桿菌Sanriku-SU7發酵的Mekabu（一種可食性藻類）多糖水溶液干預腸炎小鼠后其腹瀉和便血情況消失，并且結腸長度恢復至正常水平；體外研究進一步發現發酵多糖水溶液使暴露于H2O2的HT-29-luc細胞存活率增加至約70%，抑制了H2O2對細胞的毒害作用，并且能清除O2-?，與體內實驗結果一致。由此表明植物乳酸桿菌Sanriku-SU7發酵的Mekabu多糖水溶液能夠改善IBD小鼠結腸狀況并保護人腸上皮細胞HT-29-luc免受ROS的損傷。從海藻（Hypnea musciformis）中提取的PLS能夠明顯降低TNBS造模大鼠結腸組織中MDA的含量，并且能降低腸黏膜中NO3-/NO2-的濃度，抑制誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）和過氧亞硝酸鹽的過度產生，在體內發揮有效的化學保護作用，從而改善TNBS引起的結腸損傷[13]。這些研究表明，多糖類物質在炎癥過程中對ROS代謝產物以及脂質過氧化產物有極強的抑制作用，能夠防止這些產物在IBD發展過程中對結腸組織造成持續損傷。

1.3 保護抗氧化系統

由吞噬細胞浸潤引起的自由基產量急劇增加和抗氧化防御系統受損導致的腸內穩態失衡是IBD發病過程中腸道損傷的重要原因[21-22]。結腸內的抗氧化物質主要包括抗壞血酸和還原型谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）等非酶抗氧化劑，以及超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GPx）等抗氧化酶。多糖類物質能保護抗氧化防御系統，防止ROS類物質對機體產生毒害作用。

圖1 多糖類物質對腸上皮細胞抗氧化防御系統的保護機制[22]Fig. 1 Protective mechanisms of polysaccharides on antioxidant defense system of intestinal epithelial cells[22]

研究證明，多糖類物質可以恢復抗氧化劑的耗竭，提高GSH/氧化型谷胱甘肽（oxidised glutathione，GSSG）的比值，增強機體抵抗ROS引起損傷的能力，從而提升總抗氧化能力，減輕IBD中結腸的損傷程度[23]。B?aszczyk等[24]利用從燕麥纖維中提取的兩種不同摩爾質量（2 179 700、69 700 g/mol）的β-葡聚糖干預脂多糖誘導的腸炎大鼠，發現β-葡聚糖可顯著影響脾臟中SOD、GPx活力和GSH、GSSG的濃度，增強機體抗氧化能力。在此過程中，β-葡聚糖抗氧化活性可能與充當自由基猝滅劑分子的異頭氫活性有關。此外，與低分子質量β-葡聚糖相比，高分子質量β-葡聚糖在消化道中形成的黏性凝膠可以保護胃腸道免受潛在毒性因素刺激，為黏膜再生創造了有利環境，從而保護抗氧化系統功能的完整性。Kofuji等[25]的研究表明β-葡聚糖清除?OH的活性隨分子質量的降低而降低。這些研究結果表明β-葡聚糖具有保護抗氧化系統的功能，并且其分子質量影響β-葡聚糖抗氧化能力。?engül等[26]利用乳酸菌等有益菌菌株產生的胞外多糖（exopolysaccharide，EPS）干預乙酸誘導的結腸炎大鼠，發現產生EPS的益生菌菌株能夠提高炎癥大鼠結腸中GSH含量和SOD、CAT、GPx等抗氧化酶活性，并通過非酶機制——金屬離子螯合作用對鎂、鐵離子進行有效清除，以改善結腸抗氧化狀態（圖1），其機制可能是EPS為細胞間遺傳物質交換提供了良好的環境，直接調節細胞信號傳導，從而增強細胞抗氧化能力或者抑制炎癥。也有研究表明，EPS聚合物在體外也顯示出強烈的清除自由基、螯合金屬離子等抗氧化能力[27]。這些研究表明，產生EPS的益生菌菌株能夠有效改善結腸氧化損傷，但由于作用機制尚未明確，臨床上的使用仍然存在爭議。

1.4 抑制促炎癥細胞因子表達

炎癥在促進IBD發生方面發揮重要作用[28]。在IBD病變的腸黏膜中，樹突狀細胞和巨噬細胞是其關鍵的抗原呈遞細胞，這些細胞在響應共生微生物群和Toll樣受體（Toll-like receptors，TLR）信號傳導時被激活，產生大量的促炎癥細胞因子，如IL-1、IL-6、TNF等[29-31]，促進組織損傷和病情發展。

圖2 多糖類物質對IBD發病機制中細胞因子的作用[29-31]Fig. 2 Regulatory effect of polysaccharides on cytokines during the progression of in flammatory bowel disease[29-31]

多糖類物質可以抑制IBD炎癥組織中的IL-1β、IL-6、TNF-α等促炎癥因子的表達（圖1、2）。Zhou Yan等[9]研究表明，乳果糖（4G-β-D-半乳糖基蔗糖）對TNBS誘導的結腸炎大鼠有免疫調節作用，能刺激產生輔助性T細胞（helper T cell，Th）2型細胞因子來重新平衡Th1/Th2型細胞因子，降低TNF-α的含量，減輕上皮細胞損傷和腸黏膜潰瘍。Cho等[32]采用從隔山消（Cynanchum wilfordii）中提取的高分子粗多糖HMFO（分子質量范圍在11.8～520.4 kDa之間）干預DSS誘導的小鼠潰瘍性結腸炎模型，發現HMFO能夠有效降低血清中IL-6、TNF-α、IL-12、IL-18等促炎癥細胞因子的含量，顯著下調環氧化酶-2（cyclo-oxygenase-2，COX-2）表達；COX-2是治療和預防IBD重要的分子靶點，抑制其表達和活性可以減輕結腸損傷程度。Tian Zhiqiang等[33]用黃芪多糖干預TNBS誘導的結腸炎大鼠，發現其能抑制核苷酸結合寡聚化結構域（nucleotide binding oligomerization domain，NOD）樣受體家族3炎癥小體，防止其激活Caspase1。阻止IL-1β和IL-18的成熟和分泌可以防止由其積聚導致的組織損傷，保護受損腸道上皮屏障[34]。此外，Yang Min等[35]的研究表明黃芪多糖可通過調節TNF-α、IL-1β和活化T細胞核因子c4的表達有效改善TNBS誘導的大鼠實驗性結腸炎，阻止TNF-α過表達導致的腸道上皮屏障損傷。這些研究表明多糖類物質可以通過調節多種信號通路抑制促炎癥細胞因子表達，對實驗性結腸炎產生免疫治療作用，保護受損結腸組織。

1.5 促進抗炎細胞因子表達

多糖類物質能夠在驗證過程中促進抗炎細胞因子表達，調節免疫系統動態平衡，保護因IBD導致的結腸損傷。IL-10是一種多效調節性細胞因子，可抑制抗原呈遞和隨后促炎癥細胞因子的釋放[36]，增加IL-1受體拮抗劑、可溶性TNF-α受體和基質金屬蛋白酶組織抑制劑等抗炎蛋白的表達[37]，從而減輕炎癥反應，保護腸道上皮屏障。調節性T（regulatory T，Treg）細胞通過抑制炎性細胞的增殖和促炎癥細胞因子的產生在腸道炎癥控制中起關鍵作用[38-39]，但缺乏IL-10的Treg細胞則不能抑制IBD，表明在這種情況下IL-10是淋巴細胞發揮作用所必須的[40]。

多糖類物質具有廣泛的生物學活性，能調節抗原呈遞細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞、自然殺傷細胞、嗜中性粒細胞、樹突狀細胞和多種細胞因子，在免疫反應中發揮著重要作用[41-42]。Daguet等[43]利用人類腸道微生物生態系統模擬器研究發現，一種高分子質量（200 kDa）雜多糖（阿拉伯半乳聚糖）在結腸中能逐漸發酵，在結腸的遠端提供微生物發酵的底物，對腸道炎癥具有潛在的積極作用。它能升高人克隆結腸腺癌細胞Caco-2的跨膜上皮電阻約50%，降低NF-κB的活性，刺激IL-10的產生，抵抗炎癥并抑制遠端結腸通透性的增加，維持腸道上皮屏障完整性。Majumder等[44]利用異麥芽糖糊精（isomaltodextrin mitigates，IMD）干預DSS誘導的結腸炎小鼠，發現IMD增加抗炎癥細胞因子IL-10的表達，其具體機制可能是通過抑制TLR-4的表達發揮抗炎作用，由此表明抑制TLR-4表達可能是減少炎癥反應的潛在方法。Lee等[45]利用細菌β-(1,3)葡聚糖（分子質量約300 kDa）干預DSS誘導的結腸炎小鼠，發現用β-(1,3)葡聚糖處理的小鼠抗炎癥細胞因子IL-10的基因表達顯著增加，并且在腸系膜淋巴結和結腸中恢復了Treg細胞數量；而在Treg缺陷小鼠中，β-(1,3)葡聚糖干預并不能恢復Treg細胞數量，相關炎癥指標沒有減輕，由此說明細菌β-(1,3)葡聚糖可能具有治療胃腸疾病的潛力，其作用機制可能是通過恢復Treg細胞數量維持腸道免疫穩態，從而起到治療IBD作用。

2 多糖通過調節腸道微生物和代謝產物干預IBD

近年來，大量研究表明攝入膳食纖維可以影響腸道微生物的組成[46]。膳食纖維為腸道微生物菌群提供了重要能量來源，可以直接或間接影響腸道黏膜免疫應答。腸道微生物在維持結腸穩態和局部以及全身免疫中發揮著重要的作用[47-48]，可以簡單分為“有益”細菌和“有害”細菌。“有益”細菌能夠抑制“有害”細菌的生長，刺激免疫系統產生對機體有利的免疫，誘導產生短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA），幫助消化和吸收營養物質并合成維生素；“有害”細菌抑制SCFA產生并促進促炎癥因子和有害物質的產生（圖3）[49-51]。有研究表明，緊密黏附在腸上皮上的分段絲狀桿菌能誘導Th17反應，并增加結腸中Treg細胞數量[52]，同時單一定植的脆弱擬桿菌可促進Treg細胞增殖并誘導IL-10產生，兩者共同作用抑制化學誘導的結腸炎[53]。這表明微生物菌群能夠驅動宿主免疫反應并減弱疾病易感性。

圖3 多糖類物質影響IBD可能的分子機制[50]Fig. 3 Molecular mechanisms of the effect of polysaccharides on IBD[50]

研究表明，復合碳水化合物會增加有益菌雙歧桿菌（Bifidobacterium longum、Bifidobacterium breve、Bifidobacterium thetaiotaomicron）的水平[54]，并能調節腸道微環境，降低腸道pH值，刺激腸道中巨噬細胞和淋巴細胞，對抗炎癥性疾病。腸道菌群與生化因子的相關分析表明，丁酸菌、螺旋菌、乳酸菌和雙歧桿菌等保護性細菌的相對豐度與IL-10等抗炎癥細胞因子的表達呈顯著正相關；而普雷沃氏菌（Prevotella）、瘤胃球菌（Ruminococcus）、擬桿菌屬（Bacteroides）相對豐度與IL-23、TNF-α、IL-1β、IL-6和IFN-γ等促炎癥細胞因子的表達呈正相關。Ren Yilin等[55]利用從猴頭菇中提取的多糖干預DSS誘導的小鼠結腸炎模型，發現多糖能夠提高結腸炎小鼠細菌群落α-多樣性指數，一定程度上抑制DSS誘導的結腸炎小鼠中致病菌的生長；多糖降低了Arthrobacter spp.、Methylibium sp.、Succinivibrio sp.的數量，有效緩解DSS誘導的腸道菌群紊亂，表明猴頭菇中的多糖能夠減少致病菌，對穩定并改善腸道微生態環境有積極作用，且能夠為炎癥性疾病提供良好的預防和治療作用。Chang等[56]發現靈芝菌絲體中提取的高分子質量（大于300 kDa）多糖能顯著降低小鼠中Escherichia fergusonii、腸球菌等菌群的豐度，表明多糖類物質能降低腸道微生物有害菌群比例，減輕有害菌群對結腸黏液屏障的損傷。

此外，微生物發酵多糖類物質產生的例如乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等SCFA有助于調節腸內穩態，并可能通過表觀遺傳調控基因表達，降低人脂肪組織中促炎癥因子的產生。球形梭菌（Clostridium coccoides）是SCFA的主要生產者，其能發酵多糖產生丁酸鹽作為結腸細胞主要能量來源，已被證明可以保護結腸免受炎癥損傷[57-58]。Rose等[59]發現淀粉包埋的微球（含多糖類物質）在IBD患者的糞便微生物體外發酵過程中能調節SCFA含量，降低潛在有害菌如Bacteroides vulgatus和Veillonella等的豐度，其具體機制可能包括：淀粉包埋的微球表現出緩慢發酵的特征，有利于增加結腸遠端中有益發酵產物含量并改善結腸健康；產生SCFA有助于維持相對低的結腸pH值，防止潛在有害菌生長并降低葡萄糖醛酸酶、糖苷酶和7α羥化酶等共致癌酶的活性；產生丁酸鹽作為結腸上皮細胞的主要能量來源；作為抗炎劑抑制轉錄因子NF-κB的激活，抑制免疫炎癥反應和下調下游產物如促炎細胞因子IL-12和TNF含量；上調抗炎細胞因子IL-10含量。Chen Chun等[60]在研究桑葚多糖體外發酵對腸道微生物群組成及代謝產物影響時發現，隨著發酵時間的延長，培養基內的pH值降低，總SCFA產量顯著增加，并且桑葚多糖中的半乳糖和半乳糖醛酸發酵導致乙酸和丁酸產量增加，阿拉伯糖和葡萄糖發酵導致丙酸產量增加。這些研究表明，多糖類物質能夠影響腸道微生物及其代謝產物，但其具體機制仍需進一步探索。因此，調控腸道菌群組成或利用腸道菌群發酵多糖類物質的代謝產物可有效預防IBD，并緩解IBD患者在疾病發作期間腸道炎癥癥狀。

3 結 語

綜上所述，多糖類物質能直接或間接干預IBD的發展。目前已報道的文獻中，多糖類物質干預IBD的機制主要包括：通過多糖本身減少炎癥過程中嗜中性粒細胞浸潤；抑制氧化應激及脂質過氧化；保護抗氧化系統；抑制促炎癥細胞因子并促進抗炎反應；通過調節腸道微生物及其代謝產物發揮預防及治療IBD的作用；通過調節腸道微生物促進腸道黏膜黏附、增強特定組織的靶向性并減輕炎癥反應。但是，不同種類和不同分子質量的多糖對IBD的干預效果不同。大量研究表明，與低分子質量多糖相比，較高分子質量多糖在緩解IBD方面表現出更好的效果。盡管目前藥物治療能夠在一定程度上緩解IBD，但在許多臨床實踐中，IBD治療藥物都有導致腸道菌群穩態失衡及耐藥性增加、引起頭痛惡心及骨質疏松、消化不良、情緒紊亂等不良反應[50]。因此，亟待開發一種新的輔助治療策略，特別是應用于IBD早期階段；而飲食調整近年來已經顯示出有助于緩解疾病的潛力。

除多糖類物質本身可以發揮直接干預IBD的作用外，多糖調節微生物菌群驅動宿主免疫反應并改變疾病易感性這種作用機制可能成為一種全新的IBD干預方法，但是關于膳食對腸道微生物群的影響目前仍知之甚少。針對IBD潛在的預防治療措施主要有：鑒定已經存在于腸道中的有益微生物以保持胃腸道健康；尋找到某一類能夠產生有益代謝產物的腸道菌群，將其與多糖類物質結合起來作為功能性食品中的活性成分；通過多種技術手段使多糖類物質能在腸道內緩慢發酵，達到調節結腸遠端微生物群的效果。雖然本文中綜合體內外研究結果闡述了食源性天然產物中多糖類物質干預IBD的效果，但仍然需要進一步的研究揭示多糖在干預IBD及調節腸道菌群方面的潛在作用機制。作為食源性天然產物的多糖類物質具有廣泛的生物學活性，未來可能成為緩解IBD相關癥狀的有效方法，但是其具體機制尚未完全清楚，隨著人們對腸道微生物認識的不斷深入，通過飲食預防或控制腸道菌群在炎癥狀態下失衡可能成為治療IBD的潛在途徑。在某種程度上，多糖的分子質量及化學結構影響其生物學活性，多糖類物質與炎癥性疾病以及腸道微生物的構效關系將成為未來研究的方向。