微生物代謝產物影響腸道微生態系統的研究進展

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(1.遼寧晟啟昊天生物醫藥科技有限公司,遼寧沈陽 110000;2.國家中醫藥管理局亞健康干預技術實驗室,湖南長沙 410128;3.華南協同創新研究院,廣州東莞 523808;4.通標標準技術服務有限公司大連分公司,遼寧大連 116000)

人體腸道內動態定植了機體最龐大的微生態系統,腸道微生物菌群與人體健康關系的研究被2013年的“Science”雜志列入十大科學進展,“人類—微生物代謝軸”與機體健康的相關性為人們普遍認同。2007年底美國發起人類微生物組計劃(HMP),繼而歐盟及中國學者開展人體腸道宏基因組計劃(MetaHIT),腸道微生物的相關研究持續增長。

近年來,隨著健康意識的提升,現今人們通常會服用活體益生菌、益生元等微生態制劑來調節腸道微生態平衡[1-2],目前國內市場共有31個國產和進口活菌藥品,如培菲康、促菌生、麗珠腸樂、媽咪愛等,共涉及枯草桿菌、雙歧桿菌、酪酸梭菌等16個菌種。但目前益生菌的安全性及功能性評價體系有待完善,且受宿主腸道菌群定植抗力等因素影響,口服活菌的生物利用度、效果穩定性不容樂觀,并有傳遞耐藥基因的風險[3]。相較而言,非活菌體的菌群代謝產物能夠耐受胃、小腸環境,直接進入大腸被腸道益生菌利用,具有化學結構明確、劑量參數安全、吸收性分布性良好、易于儲藏等優點[4]。有學者提出后生素(postbiotic)概念,將代謝產物用于糾正腸道菌群紊亂[5]。本文將對微生物代謝產物及其與機體的共代謝產物對腸道微生態平衡的影響進行綜述。

1 腸道微生態概述

人體與外界相通的腔道內及體表,分布有大量微生物,形成胃腸道、口腔、泌尿和皮膚等微生態系統,其中腸道內約有100 萬億細菌,占機體微生物總量78%,是機體最主要的微生態系統[6]。腸道微生態系統由腸道中的微生物及宿主微環境如組織、細胞、代謝產物等組成。

廣義的腸道微生物包括細菌、真菌與病毒,而通常所指的腸道微生物專指細菌,歸屬于厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門、疣微菌門、梭桿菌門、藍細菌門以及螺旋體門、VadinBE97菌門[7]。其中,厚壁菌門和擬桿菌門屬優勢菌門,占腸道微生物菌群的98%以上,而變形菌門、放線菌門、梭桿菌門和疣微菌門數量及種類較為弱勢。腸道微生物菌群根據其在腸道中的層次可分為腔菌群和膜菌群(或被稱作浮游菌群和生物膜菌群);根據其生理功能及與宿主的關系,可分為共生菌、條件致病菌和病原菌;根據其生長環境及對氧的耐受程度,可分為專性厭氧菌、兼性厭氧菌和需氧菌。其中共生菌多為專性厭氧菌,占比99%以上[8]。

腸道微生物菌群與宿主在長期的協同進化下相互適用,達到動態平衡,作為一個獨特的微生物器官參與調節宿主的消化吸收、能量代謝、免疫反應等[9]。若在外環境影響下,腸道微生物與宿主之間的平衡被打破,腸道菌群結構由生理性組合轉變為病理性組合,將使腸道抵御病原體的能力下降,進而導致自身免疫性疾病、過敏反應、肥胖、糖尿病、炎癥性腸疾病(inflammatory bowel disease,IBD)等疾病的發生[10]。

2 腸道微生物代謝活動及代謝產物

腸道菌群可以利用上消化道不被消化吸收的食物殘渣、消化道細胞分泌物及死亡脫落的上皮細胞等作為代謝底物,進行代謝及生物合成[11]。腸道菌群代謝活動能夠影響宿主的整體生理代謝特性,菌群與宿主之間存在活躍的代謝交換及“共代謝”過程[12]。遺傳背景、年齡、飲食結構、底物滯留時間等能夠影響腸道菌群代謝活動,通過不同的代謝途徑產生不同的微生物代謝產物[13]。其中,遺傳因素對宿主的飲食偏好、腸道結構功能起決定作用,而飲食結構能夠快速改變腸道菌群結構組成及腸道代謝活動,從而影響代謝產物的產生。例如地中海飲食模式低脂肪、高膳食纖維,則其模式人群腸道菌群豐度高、SCFAs含量高;典型西方飲食模式高脂肪、高糖低纖維,則其模式人群腸道中擬桿菌門、雙歧桿菌數量少,厚壁菌門數量增多,梭桿菌等潛在致病菌數量增多,SCFAs含量減少[14-15]。

2.1 碳水化合物代謝產物

碳水化合物發酵是腸道微生物的核心代謝活動,能夠促使結腸能量及碳源再利用,發酵底物主要為低聚果糖、木糖醇、膳食纖維等復雜難消化的膳食糖類。經微生物水解,形成單糖、寡糖、乳酸、乙醇、有機酸等中間代謝產物,并最終形成代謝終產物短鏈脂肪酸(short chain fatty acid,SCFA)[16]。SCFA是由1～6個碳原子構成的有機羧酸,包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、己酸及異己酸等,其中,乙酸、丙酸、丁酸占腸道總SCFAs 95%以上,濃度比例3∶1∶1。健康人體每日可產生約50～100 mmol SCFAs[17]。

2.2 蛋白質、肽、氨基酸的代謝產物

結腸中的糖類發酵大多發生在結腸近端,隨食糜移動至結腸末端時糖類耗盡,腸道微生物酵解蛋白質、氨基酸等底物代謝獲得SCFAs[18];纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等支鏈氨基酸脫氨基生成異丁酸、異戊酸、2-甲基丁酸等支鏈脂肪酸及氨;苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等芳香族氨基酸代謝產生酚類、吲哚類化合物;蛋氨酸、胱氨酸等含硫氨基酸在硫酸鹽還原菌作用下生成硫化氫[19];肽和氨基酸在擬桿菌屬、梭菌屬、雙歧桿菌屬、腸桿菌屬、乳酸桿菌屬和鏈球菌屬細菌的作用下脫羧基生成組胺、酪胺、色胺、尸胺、腐胺、亞精胺、精胺等生物胺類物質[20];另外,在蛋白質不足的情況下,腸道菌群還可以利用氮源合成5-羥色胺及賴氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等人體必需氨基酸并補償機體需求。

2.3 膳食脂肪代謝產物

腸道菌群能夠通過多種途徑參與機體能量及脂肪代謝。膳食脂肪的來源有動物脂肪、植物脂肪、微生物脂肪及結構脂質,不同的膳食脂肪結構組成會影響腸道微生物的組成及數量,產生不同的代謝產物,進而影響宿主的代謝及健康。部分膳食脂肪的代謝終產物為SCFAs;卵磷脂、膳食肉堿、磷脂酰膽堿等經腸道菌群酶解產生高水平三甲胺,經肝腸循環后氧化生成三甲胺-N-氧化物[21];膽固醇在腸道微生物的氧化作用下生成膽固烯酮,進而降解為類固醇及膽固烷醇;在膽汁酸的肝腸循環中,腸道厭氧微生物能夠通過解偶聯、脫氫、差向異構化、脫羥基反應將少量初級游離型膽汁酸分解代謝為次級膽汁酸[22],膽汁酸的微生物轉化是宿主-菌群互相作用及共代謝的典型代表。

2.4 維生素及微量元素

人體腸道微生物能夠合成維生素C、K、生物素、煙酸、葉酸及B族維生素等多種維生素,補充機體維生素、維持機體維生素穩定。雙歧桿菌屬及乳酸桿菌屬能夠利用人腸道提供的 6-羥甲基-7,8-蝶呤焦磷酸(DHPPP)和對氨基苯甲酸(PABA)底物合成葉酸[23];枯草芽孢桿菌、大腸桿菌和沙門菌等可以合成維生素B2[24];某些腸道專性厭氧菌如擬桿菌屬、真細菌屬、丙酸菌屬和蛛網菌屬是合成維生素 K2的主要菌群[25]。另外,腸道微生物代謝產生的有機酸能夠絡合鈣、鐵、鎂等微量元素,部分代謝產物對微量元素的代謝路徑具有調控作用,進而影響微量元素的吸收利用率[26]。

2.5 藥物分子轉化代謝產物

腸道微生物對藥物分子的轉化代謝能夠影響藥物的毒性、有效性、生物利用率。首先,腸道微生物能夠直接參與口服藥物分子的水解及氧化還原,轉化為相應的藥理或毒理成分而發揮作用,研究表明,京尼平苷必須經腸內菌群分泌的β-葡萄糖苷酶水解成京尼平才能被吸收,從而發揮促進膽汁分泌的藥效[27],雌馬酚作為大豆異黃酮的次級代謝產物,其生物學活性較其原型大豆異黃酮普遍提升;其次,腸道菌群可以通過多種方式調節宿主的代謝酶和轉運體的表達,從而導致代謝和轉運藥物的能力發生變化,間接影響藥物代謝[28];再次,腸道菌群代謝物如丁酸、膽汁酸可以作為核受體配體,介導藥物代謝[29]。

2.6 其他代謝產物

微生物在生長代謝過程中能夠分泌胞外多糖(EPS),保護腸道益生菌抵御營養缺乏、脫水、噬菌體、有毒物質、滲透壓和拮抗物等不利條件,在其黏附定植、陽離子封存、生物膜形成、細胞識別等方面起重要作用。EPS是一種高分子量長鏈多糖聚合物,由醛糖或酮糖通過糖苷鍵連接而成,依據其與菌體的依附關系,可分為粘液多糖和莢膜多糖[30]。目前國內外產EPS的乳酸菌主要集中在雙歧桿菌屬、乳桿菌屬、球菌屬、鏈球菌屬及明串珠菌屬[31]。

細菌核糖體能夠合成一類對同種及親緣關系較近的物種具有抑制活性的活性多肽或前體多肽,稱作細菌抗菌肽或細菌素,它具有選擇性毒性,產生菌對細菌素具有自身免疫性[32]。目前已發現的細菌素被歸為四類:羊毛硫胺類細菌素,通常具有耐熱特性,如nisin;非羊毛硫胺類細菌素,通常對李斯特菌具有特異抗性,熱穩定性良好,如戊糖片球菌素;熱穩定性較差的細菌素,分子量>30 kDa,如乳酸菌細菌素lactacin B;由磷脂、脂肪酸鏈等特定基團與蛋白基團共同構成的細菌素,如腸膜明串珠菌產細菌素leuconocin S[33-35]。

腸道微生物還能夠產生許多免疫原性內毒素,如脂多糖,能夠誘發宿主的炎癥反應。脂多糖是革蘭氏陰性菌外膜的主要脂質成分,由Lipid A、核心寡糖、O抗原鏈構成,具有構成細菌阻滲層、藥物耐受性及作為免疫信號因子的作用,在細胞壁裂解后作為內毒素釋放出來,在炎癥反應中起激活劑作用[36]。

3 微生物代謝產物對腸道微生態平衡的調節作用

腸道菌群能夠通過其自身代謝產物的分泌產生,影響腸道菌群結構及腸道內環境,從而影響腸道的微生態平衡。

3.1 短鏈脂肪酸(SCFAs)調節腸道微生態平衡

SCFAs是腸道微生物代謝的主要產物之一,能夠參與多組代謝反應維持腸道微生態平衡及機體健康,其作用機制如下:

a.供能,尤其是丁酸能夠直接為腸道上皮細胞吸收,通過β氧化促進細胞增殖并減少凋亡,維持腸黏膜機械屏障;b.分子結構具有廣譜抗菌功效,水解降低腸道pH,維護腸道黏膜化學屏障,降低腸道氧化還原電位,提供厭氧環境,利于雙歧桿菌、乳桿菌等益生菌的定植生長并抑制病原菌定植生長;c.游離SCFAs能夠作為信號分子調節宿主的能量攝入和利用,調控腸道及機體免疫反應,參與腸道電阻及電解質調節進而影響腸道通透性;d.SCFAs作為調控因子,在消化道、代謝系統、神經系統、免疫系統、呼吸系統疾病的發生發展中起重要作用[37-39]。

3.2 乳酸調節腸道微生態平衡

乳酸是乳酸菌發酵終產物之一。它作為有機羧酸能夠解離產生H+,干擾致病菌膜蛋白電位,改變內外電勢,破壞細胞膜穩定性并導致細胞壁損傷,增加細胞通透性,造成內容物滲出;形成的乳酸鹽能夠改變微生態環境的水分活度;影響菌群生長環境,降低致病菌生長繁殖速率,延長細胞分裂增殖代時,具有明顯的抑菌、殺菌作用,從而影響腸道微生態平衡[40-41]。

3.3 蛋白類代謝產物調節腸道微生態平衡

高蛋白飲食會促進腸道有害發酵產物的生成,威脅腸道健康,但適量的蛋白類底物能夠為機體反應提供氮源等多種元素,維持腸道微生態平衡及機體代謝。硫酸對甲酚、硫酸吲哚酚是腸道微生物代謝產生的腸源性尿毒素,能夠使腸道菌群紊亂、腸壁通透性增加,破壞腸道微生態平衡,甚至影響機體代謝,造成心臟、腎臟疾病的發生[42]。高紅肉消耗人群糞便中硫化物、氮亞硝基化合物、甲酚的濃度升高,與潰瘍性結腸炎的發生相關,生理濃度的H2S卻有助于維持正常細胞能量代謝[43]。色氨酸代謝產物吲哚乙酸在結腸中的過量聚集,能夠導致上皮細胞損傷引發結腸癌,吲哚-3-丙酸卻有助于改變抗生素和富含色氨酸飲食導致的體重增加[44]。另外,苯丙酸、尸胺等能夠與人G蛋白偶聯受體互作,調控免疫應答,影響腸道健康[45]。

3.4 脂質代謝產物調節腸道微生態平衡

膳食脂肪是機體主要能量來源,然而腸道脂肪的過度發酵代謝可刺激促炎信號級聯反應、誘導細胞氧化凋亡進而破壞腸道屏障及腸道微生態平衡。作為機體與菌群共代謝產物膽汁酸在肝臟-回腸間循環,能夠乳化并促進膳食脂質的吸收,作為特異信號分子與膽汁酸受體結合,參與腸道脂質代謝、糖代謝、能量代謝的調控,膽汁酸代謝系統與腸道微生態系統的相互作用與消化道疾病、代謝性疾病的發生密切相關[46]。氧化三甲胺能夠通過調節膽汁酸代謝進而調控腸道脂質代謝,并作為滲透劑和蛋白質穩定劑,維持機體細胞穩定[47]。

3.5 藥物分子轉化代謝產物調節腸道微生態平衡

腸道菌群對藥物分子的代謝轉化是藥物分子發揮藥理作用的主要影響因素之一。腸道菌群通過產生不同代謝酶,發生水解、脫羧、還原、雜環裂解、芳香化、脫烷基等反應,參與到不同類型的藥物代謝轉化中,進而影響藥物的活性、有效性及毒性。另外,中藥能夠通過調節腸道微生態平衡來發揮藥效作用。中藥以多成分、多途徑、多系統、多靶點參與維持腸道微生態平衡,進而影響機體健康,如服用四物湯能夠調整腸道微生物組成、修復腸粘膜損傷、治療腸道菌群紊亂造成的脾虛氣弱癥狀[48]。

3.6 胞外多糖(EPS)調節腸道微生態平衡

微生物胞外多糖具有抑菌、營養、抗氧化、抗腫瘤、免疫調節等多種生物學特性,對于腸道微生態平衡的維持具有重要意義。EPS可以提高菌株對腸道表面的非特異性粘附能力,并通過空間排阻降低致病菌的粘附作用,如雙歧桿菌EPS對腸球菌、腸桿菌的生長具有明顯的抑制作用[49-50]。乳酸菌EPS具有益生元特性,選擇性被益生菌發酵為腸道菌群提供營養,促進潛在益生菌的生長與增殖,調節腸道菌群多樣性[51]。另外,乳酸菌EPS能夠通過非特異免疫及特異免疫反應激活免疫細胞、淋巴細胞調節腸道免疫[52]。

3.7 細菌素調節腸道微生態平衡

細菌素主要通過抑制病原菌、病毒的生長繁殖來維護腸道微生態平衡。一類為膜破壞模式,通過靜電作用于目標菌細胞壁及被膜,增加通透性,使細胞破裂內容物外泄;另一類細菌素穿過目標菌細胞膜靶向作用于特異性酶或DNA,使酶失活或抑制蛋白質、氨基酸的合成,影響核酸的合成及修復[53]。研究發現,Blautia producta BPSCSK菌株的代謝產物羊毛硫抗生素能夠抑制耐萬古霉素腸球菌(VRE)定植,幫助菌群紊亂患者重建對VRE的抗性[54]。

4 應用

微生物代謝產物對人體腸道微生態平衡乃至個體健康具有極其深遠的影響與作用。如今,國內外關于腸道菌群的代謝研究日趨增長,微生物發酵工程蓬勃發展,探索微生物代謝產物的應用轉化恰逢良機。目前微生物代謝產物的應用發展主要分為三大類:

a. 深入研究微生物代謝產物于機體內的代謝及作用機制,將腸道微生物作為治療靶點,通過改變腸道菌群結構組成及豐度、控制功效性代謝產物的靶向遞送及與其他藥物聯合應用于各類疾病的預防干預治療過程中。

研究發現,SCFAs及其鹽可以預防高脂引起的小鼠肥胖和胰島素抵抗,在糖尿病、肥胖等代謝性疾病的干預治療中發揮作用[55]。馮文林等[56]提出通過中醫藥調整SCFAs代謝進而影響5-羥色胺信號系統治療腸易激綜合征的治療思路。丁酸鹽能夠抑制腸道炎癥,目前已應用于克羅恩病、潰瘍性結腸炎等消化系統疾病的臨床治療中[57]。作為組蛋白去乙?；付∷猁}具有抑制受體表達、預防癌變的功能,目前已被用于一些惡性腫瘤的臨床治療[58]。某些特異微生物如植物乳桿菌、保加利亞乳桿菌的胞外多糖具有抗腫瘤、抗氧化等應用[59]。氧化三甲胺通過調控機體脂質代謝,導致動脈粥樣硬化、血栓形成,與心腦血管疾病、神經系統疾病(阿爾茲海默癥)的發病有極大關系[60]。諸多研究證實,黃酮、生物堿、蒽醌、單萜、皂苷等中藥化學成分的腸道菌群代謝產物具備藥效及生物活性,如大豆異黃酮的代謝產物S-雌馬酚、紅豆杉屬內生真菌(Taxomycesandreanae)的次生代謝產物紫杉醇[61],結合腸道微生物代謝反應研究中藥的代謝途徑及作用機制是當下中藥開發利用的新切入點。

b. 將其應用于食品工業及生物工業發酵工程,不斷開發微生物資源新型食品及食品添加劑。

乳酸鏈球菌素(Nisin)是一種新型、高效、安全的天然食品防腐劑,具有良好的熱穩定性及酸穩定性、水溶性及高效廣譜抑菌活性,廣泛應用于食品領域[62],至今已被50多個國家和地區批準使用,我國于1990年將其列入GB2760增補品種,目前已廣泛適用于乳及乳制品、預制肉制品、飲料等19類食品防腐保藏中。Γ-氨基丁酸是乳酸菌發酵的次級代謝產物,是一種小分子非蛋白質功能性氨基酸,具有調節中樞神經系統、緩解低血壓等功效[63],目前已有富集、強化Γ-氨基丁酸的辣木葉、巖茶、米酒、米糠、糙米發酵飲料產品問世。乳酸于食品工業可用作防腐劑、酸度調節劑,通過細胞循環發酵及同步糖化發酵提升乳酸生產率是微生物發酵生產乳酸的最新研究熱點。

c. 某些微生物代謝產物如透明質酸、半乳糖醛酸、花青素、兒茶素等因具有良好的生物親和性、親水性、抗氧化性能、抗炎癥性能[64],在化妝品、醫療美容領域具有極好的研發前景及應用價值。

5 展望

目前,國內外關于腸道菌群的代謝研究日趨增長,相關研究涉及宏基因組學、蛋白質組學、代謝組學等方向,匯集各類基礎領域及臨床、應用領域,使生物、醫藥、食品、畜牧、基因組等學科在此交匯,工程菌、糞菌移植等熱點技術的應用側面驗證了微生物代謝活動對腸道、機體健康的重要影響。隨著高通量測序技術、分子生物學技術、宏基因組測序技術的發展進步,針對腸道微生態系統的量化評估正逐步實現,營養、代謝等研究向精準化、個體化方向發展,甚至有望顛覆傳統醫療模式,更好的應對目前因生活節奏、運動習慣、飲食結構、環境等因素影響導致的國民健康素質堪憂的現狀。

綜上,深入研究腸道微生態作用機制,闡明微生物代謝產物對腸道微生態及機體健康的影響,不斷開發安全的新型功能性食品及診療手段,提升國民健康素質,促進健康產業成為經濟轉型新引擎,是當下微生物代謝產物未來研究和發展的重點。