植物益生元對腸道菌群的調節及對機體糖代謝吸收的影響

郭 曄 ， 邢志凱 ， 李 蒙 ， 胡曉璐 ， 吳 霞 ， 陳歷水 ， 米雙利

（1.中國科學院 北京基因組研究所 精準基因組醫學重點實驗室，北京 100101；2.中國科學院大學，北京 100049；3.首都醫科大學 中醫藥學院 中醫絡病研究北京市重點實驗室，北京 100069；4.中糧營養健康研究院，品牌食品研發中心，北京 102209）

腸道微生物是與人或動物在消化道共生的生命群體。人類的小腸、結腸、直腸都含有微生物，這些微生物一起構成腸道微生物群，其中結腸每克含有1 011～1 021個活的微生物，是微生物含量最多的部分。在健康個體中，微生物群與宿主互為共生關系，可以改善腸道完整性，輔助機體營養代謝吸收，并與病原生物競爭[1-4]。乳酸雙歧桿菌和乳酸桿菌屬被認為對宿主健康有益，其可以表達免疫調節和病原體拮抗分子，對宿主健康有極大的調節作用[2]。這些有益微生物會對某些化合物進行靶向代謝為宿主提供益處，這種靶向代謝被稱為“益生元效應”[5]。益生元是指由腸道有益菌選擇性發酵的膳食纖維，其中最常見的食品級益生元就是植物益生元。

植物益生元來源于各種天然植物，是一種可食用只能被人體腸道有益菌群利用，但不能被人體消化吸收的物質。在食品行業中，植物益生元作為一種食品組分（膳食補充劑），可以選擇性地刺激一種或幾種腸道有益菌生長，調節胃腸菌群平衡、改善腸道微環境、抑制有害菌群的增殖，從而對宿主產生有益的影響，改善宿主健康狀態[6-8]。常用的商品化植物益生元包括低聚果糖、菊粉、低聚異麥芽糖、低聚木糖、抗性糊精和柑橘纖維等。其中只有低聚果糖和菊粉這兩類植物益生元對腸道菌群調節的研究最為廣泛。低聚果糖可以特異性增殖機體腸道中的雙歧桿菌，從而使腸道環境變為酸性，抑制有害菌群的增殖，促進腸蠕動[9-10]。菊粉可以通過調節腸道菌群結構，促進機體對礦物質的吸收和脂質代謝[11]。另外，一些研究表明菊粉對血脂和血糖代謝具有調控作用。菊粉的補充量和人體空腹胰島素濃度的降低呈正相關，可以降低病人空腹血糖量，可以改善病人血糖代謝[12]。可見，菊粉作為常用植物益生元的一種，對人類機體糖代謝和吸收有一定的調節作用。研究植物益生元與腸道菌群的相互作用關系，對于闡明植物益生元調控機體糖代謝和吸收作用機制是很好的補充。通過查閱近年來的國內外文獻，闡述了植物益生元對腸道菌群的調控作用及其對機體糖代謝和吸收的影響作用。

1 針對腸道菌群的基因組學研究方法

1.1 宏基因組測序技術

由于腸道菌群物種繁多、數量龐大，使膳食影響腸道菌群結構變化的研究面臨著很大的挑戰。例如，腸道內所有的菌群不能全部被分離并培養。因此，傳統的細菌培養技術不能系統性地分析菌群總體結構的變化與機體微環境改變的關系。為了克服這一局限性，更深入研究腸道菌群之間的功能活性、相互作用關系及其與機體腸道微環境之間的關系，宏基因組測序技術于1998年被正式開發并應用[13]。這一技術是以腸道菌群樣本中所有微生物的總和為研究對象，直接從腸道內容物中分離所有微生物DNA進行測序，然后可對所得數據進行物種種屬、作用通路、基因功能的分析；并通過對不同樣本的測序數據比較分析，研究微生物內部、微生物與環境和宿主的調控作用關系[13-14]。目前，已有研究利用該技術深入解析了腸道菌群結構，并闡明菌群變化對宿主代謝的調控。例如，Xu J等人[15]運用基因組測序技術，發現多形擬桿菌可以編碼272種碳水化合物活性酶，他們的研究證實在高膳食纖維飲食中，擬桿菌的多糖水解酶對代謝的關鍵作用。該研究很好地說明，通過基因組學的技術，可以不經分離培養就能明確腸道菌群在宿主機體中對營養代謝的作用，從而使他們的研究成為2003年關于腸道菌群研究的最成功的案例之一。然而，宏基因組測序雖然也可以預測基因表達，但在特定時空下并非所有存在的基因都表達[16]。因此，單純的運用宏基因組測序技術不能在特定時間點，對樣本腸道菌群中有表達的基因進行研究；不能很好地為腸道微生物動態變化研究提供實時監測結果，對這一類研究有一定的局限性。

1.2 宏轉錄組測序技術

宏轉錄組測序的開發和應用彌補了宏基因組測序的研究局限性。宏轉錄組測序可以從RNA/轉錄層面上，實時監測在特定時間點，以所有腸道菌群的RNA為研究對象，進行整個微生物群落內不同種群基因的表達水平和調控作用的研究；并分析在不同時間、不同組別樣本中差異基因的表達。宏轉錄組測序可以實現樣本間差異表達基因分析、功能基因挖掘、轉錄本的發現、轉錄圖譜的繪制和可變剪接預測等作用。被運用到微生物研究領域后，還可以被用來分析菌群群落中微生物的脅迫響應、優勢菌群的代謝途徑和特定功能基因的篩選[17-18]。例如，Wu S等人[19]使用了宏轉錄組測序的技術，對草魚腸道菌群的基因表達進行了分析并發現，存在最多的菌群集中在厚壁菌門。而且，根據比較多個樣本的轉錄組測序數據，他們發現，這些菌群的主要作用是促進草魚機體對糖類的吸收代謝；并發現菌群改變對糖代謝的調控是通過胞內多糖降解作用實現的，而不是以往傳統認為的纖維素的消化作用。

1.3 基因組學多重測序是研究腸道菌群對機體調控作用的有效手段

采用宏基因組測序和宏轉錄組測序相結合的方式進行腸道菌群的研究，可將腸道菌群樣本中所有微生物的總和作為研究對象，通過對所得數據進行物種種屬、作用通路、基因功能、測序數據組間和組內比較分析，不僅可以研究微生物內部、微生物與環境和宿主的調控作用關系；還可以進行整個微生物群落內不同種群基因的表達水平和調控作用的研究；并分析在不同時間、不同組別樣本中差異基因的表達。因此，同時結合宏基因組和宏轉錄組測序手段，對腸道菌群影響代謝機制的研究是目前最有效的途徑。

2 植物益生元對人類機體代謝的影響及對腸道菌群的調節

2.1 植物益生元對人類機體代謝的影響

大量研究表明，植物益生元對人類機體健康代謝有著重要影響。目前已有研究對常用的幾種植物益生元對人體代謝的影響進行了研究。

植物益生元通過飲食干預影響人類健康的研究見表1。

2.2 植物益生元是調節食用者腸道菌群結構的關鍵因素

表1 植物益生元通過飲食干預影響人類健康的研究

大量研究表明，食品的組分可以顯著改變食用者自身的腸道菌群結構，從而影響其機體的代謝、免疫、生理、生化、藥理等多方面的過程，對健康有不可忽視的作用[41-46]。膳食組分會影響宿主腸道菌群組成，食品中的營養物質經小腸消化吸收后，不能被小腸吸收的食物成分進入大腸后被腸菌代謝，生成不同的代謝物，不同代謝底物的優勢菌群會有顯著差異，進而也會影響腸菌的組成。例如，Ley R E等人[47]的研究結果顯示，在瘦型小鼠腸道菌群中的擬桿菌門的細菌數量比肥胖型小鼠腸道菌群中的數量高50%；厚壁菌門的細菌相應減少了。研究通過給肥胖型小鼠進行低能量飼料喂食之后，發現擬桿菌門的細菌含量有了明顯增加，而厚壁菌門也相應降低。另外，Cani P D等人[48]通過使用植物益生元（低聚果糖） 特異性地提高受試小鼠腸道內雙歧桿菌的數量，并發現肥胖小鼠的血液內毒素濃度因此降到了正常水平。這一研究證實通過植物益生元進行飲食誘導腸道益生菌的生長，可以使宿主對代謝性內毒素血癥產生一定的抵抗作用。由此可見，植物益生元作為膳食補充劑，同樣是決定腸道菌群的最重要因素之一。

2.3 腸道菌群與人體營養代謝有著密不可分的關系

腸道菌群可以發酵未消化的食物，參與宿主的能量代謝，與營養物質的吸收和代謝息息相關，為人體提供各種微量元素、必需氨基酸、一些抗菌多肽，分解體內一些毒素或有害物質，對人體健康產生潛在的影響，是膳食與人體健康的橋梁。特別是其對人體糖類代謝的調控作用。腸道菌群的變化已被證實有助于代謝性疾病的治療[48-49]。通過益生菌對體內特定的一種或多種腸道微生物數量進行調控，可以改善人體胰島素敏感性、調控血糖代謝、預防或延緩Ⅱ型糖尿病的發展[48，50]。2017年初，Palacios T等人[51]通過對60名罹患糖尿病的成年病人進行了12周的多品種腸道益生菌調節的臨床研究。研究所涉及益生菌包括乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬、酵母菌屬。研究發現，特異性提高病人腸道內這3種益生菌的數量對機體糖代謝的作用和病人直接服用二甲雙胍藥物的作用相同。因此，研究人員認為正確調節多種腸道益生菌數量來預防和治療糖尿病將成為未來臨床治療糖尿病的新的方式。

2.4 植物益生元對機體糖代謝和吸收的調節是通過調控腸道菌群完成的

運用于食品產業的植物益生元有很多種，包括低聚果糖、菊粉、低聚異麥芽糖、人參多糖、木聚糖、寡果糖、抗性糊精、柑橘纖維和果聚糖等。其中，研究最多、運用最廣泛的植物益生元就是低聚果糖和菊粉，不僅因為其口感甜味，又不被機體吸收，是很好的甜味劑替代物；更重要的是它們對腸道內病原菌生長的抑制作用和對機體糖類和脂類代謝的調節作用[52-55]。例如，低聚果糖及其單體衍生物可以抑制膽汁酸鹽對腸道內雙歧桿菌群的不良影響，并改變腸道微環境的pH值，抑制病原菌的生長[56-57]。其他幾類常被用作食品補充劑的植物益生元包括低聚異麥芽糖、低聚木糖、抗性糊精和柑橘纖維。這幾類植物益生元作為比低聚果糖和菊粉更新型的膳食補充劑，對機體的調節功能沒有低聚果糖和菊粉的研究廣泛。但它們都有可以調節腸道菌群結構的功能。例如，在肉雞的日糧中添加低聚木糖可以增加雞腸道中乳酸桿菌和梭狀芽孢桿菌數量，從而刺激機體將乳酸轉化為丁酸，進一步優化腸道健康[58]。但是，對這幾種植物益生元對機體腸道菌群結構的變化影響和調節作用功能的研究鮮少；而且對機體糖類、脂類的代謝和吸收的影響也沒有很明確的研究結論。

由于植物益生元對腸道菌群結構有影響，因此可以通過膳食補充劑有目的地對腸道益生菌數量進行調節，從而調節機體代謝[58-59]。由于腸道菌群結構的失衡已與某些生活方式相關的疾病有著越來越密切的關系，如肥胖、Ⅱ型糖尿病和一些自身免疫性疾病等[60-61]，調節腸道菌群結構平衡已經成為改善人體健康的新靶點[59-60]。飲食成為調節腸道菌群結構和機體代謝的一個重要的驅動因素。科學家對飲食干預調控腸道菌群對碳水化合物、蛋白質、脂類和糖類代謝的機制和影響進行了廣泛研究[60-61]。例如，在Larson N等人[62]的研究中發現，Ⅱ型糖尿病人的腸道內，擬桿菌門與厚壁菌門的比值與血糖水平呈正相關。這2個菌群數量的異常升高可以促進短鏈脂肪酸的產生，促進機體脂肪的生成和蓄積，從而誘發胰島素抵抗情況[63]；同時可以減慢腸道蠕動，影響機體對葡萄糖的吸收[64]。同時，Duncan S H等人[65]通過使用16s rRNA測序技術，發現來源于大麗花的菊粉的攝入可以選擇性地提高許多低G/C含量的革蘭氏陽性厭氧菌的數量。因此，通過對腸道菌群的結構、功能和作用基因的研究，可以為食品產業利用飲食干預改善機體健康提供相應的科學依據，并可以為精準選擇膳食補充劑提供科學參考。

3 結語

食品工業在未來的發展中，應該對膳食補充劑分類進行細化，并著眼于不同植物益生元對腸道菌群結構的調控和影響的研究上來。這是目前食品添加劑開發的一個非常重要的研究熱點。為了尋找更健康、更安全、更有效的膳食補充劑，通過確認每種植物益生元調控機體糖代謝的作用，可以解釋該益生元作為食品補充劑的必要性。這就需要更多的人群臨床試驗，特別是長期跟蹤的前瞻性試驗，可以更好地觀察在攝入植物益生元期間，人類機體發生的細微變化。結合基因組學的方法，可以更好地詮釋針對新的食品級植物益生元調控特征性腸道菌群的結構特征，能夠為其在食品工業的開發和利用提供新的指導建議，并體現其在精準膳食選擇方面的應用價值。