短雙歧桿菌的生物學特性及益生功能研究進展

王元弛，黃 玲，張旭光，張學榮

（湯臣倍健股份有限公司，廣州 珠海 510663）

0 引言

1899年，Tissier首次在母乳喂養嬰兒的糞便中分離得到雙歧桿菌，隨著研究的深入和基因測序技術的成熟，目前已發現79個種及亞種的雙歧桿菌（http://www.bacterio.net）。1971年，短雙歧桿菌從嬰兒糞便中分離到并命名，研究表明其具有增強免疫功能、調節腸道菌群平衡、預防及治療疾病等益生功能。綜述了短雙歧桿菌定植黏附、耐氧耐酸等生物學特性及其益生功能的研究應用。

1 短雙歧桿菌生物學特性

短雙歧桿菌是一種革蘭氏陽性、無芽孢、無運動、專性厭氧細菌，具有多種形態特征包括短桿、分叉Y形桿、V形桿等，且在不同營養環境下存在差異。其在溫度35～40℃，pH值6.5～7.0下最適生長。低于25℃，高于45℃，pH值高于8.5則不生長。

1.1 定植黏附

益生菌能夠通過人體胃腸道，附著于腸道黏膜表面存活并增殖。從而對調節宿主代謝及能量平衡、抵抗病原體定植、促進腸道成熟和免疫系統發育等方面發揮重要作用[1-4]。研究人員發現短雙歧桿菌UCC2003能夠產生神經絲氨酸蛋白酶抑制劑，保護細胞外的蛋白質及菌毛的黏附能力[5]，從而實現其在宿主體內的定植黏附。Mogna L等人[6]和Shimakawa Y等人[7]發現攝入短雙歧桿菌B632和短雙歧桿菌BR03的志愿者糞便中短雙歧桿菌含量顯著增加。由此可證明短雙歧桿菌可在人體腸道內成功定植黏附。

1.2 耐氧機制

短雙歧桿菌為嚴格厭氧細菌，而菌株之間的氧氣敏感性存在差異。研究人員對氧氣與短雙歧桿菌存活的關系進行了大量研究，發現活性氧化物（超氧化物、過氧化氫、羥基自由基） 的產生造成了短雙歧桿菌氧中毒，從而導致細胞死亡[8]。而需氧菌可以通過某些酶（超氧化物歧化酶、過氧化氫酶） 分解這些活性氧化物，是防御氧中毒的主要成分[9]。之前有研究表明，在厭氧菌中可能缺乏這2種酶而造成氧中毒。然而一些研究發現，NADH氧化酶和NADH過氧化物酶的活性決定了短雙歧桿菌對氧氣的耐受能力。Shimamura S等人[10]研究雙歧桿菌氧敏感性背后的酶促機制，發現NADH氧化酶和NADH過氧化物酶水平與菌株耐氧性之間存在相關性，氧敏感菌株中NADH氧化酶和NADH過氧化物酶活性較低。Shin S Y[11]研究證實氧氣最敏感的雙歧桿菌菌株暴露在有氧環境環境中，NADH氧化酶和NADH過氧化物酶活性最低，氧氣耐受性最強菌株的NADH氧化酶和NADH過氧化物活性最高[12]。因此，探索這2種酶與短雙歧桿菌耐氧性之間的相關性將具有重要意義。

雙歧桿菌的氧代謝途徑[12]見圖1。

1.3 耐酸機制

多數短雙歧桿菌對酸耐受性差[13]，當其暴露于各種酸性環境（發酵乳制品、胃腸液），菌體活力會受到較大影響，不利于其益生特性發揮。Yang X等人[14]基于轉錄組學和生理學數據，揭示出耐酸菌株短雙歧桿菌BB8dpH具有高耐酸性的原因。研究認為，短雙歧桿菌BB8dpH是通過基因、轉錄和生理過程等多水平調控來實現的。首先，短雙歧桿菌BB8dpH通過增加肽聚糖 （PGN） 和胞外多糖（EPS） 的合成和降低支鏈氨基酸（BCAA） 分泌量來增強細胞膜能力，以防止H+進入細胞。其次，當H+進入細胞質時，其細胞通過升高細胞質內醋酸/乳酸比率，增加碳水化合物的攝入量，增強細胞內谷氨酸、谷氨酰胺和組氨酸合成來調節細胞內酸性環境。此外，發現一些差異基因（DEG） 與短雙歧桿菌BB8dpH細胞在酸性環境中蛋白質的合成和肽的攝入改變有關。總體來說，上述研究有助于理解短雙歧桿菌耐酸性的原因，為進一步研究短雙歧桿菌耐酸性機制提供了理論指導。

短雙歧桿菌BB8dpH的耐酸性模型見圖2。

2 短雙歧桿菌益生功能

2.1 改善消化系統代謝

2.1.1 促進營養物質代謝和吸收

短雙歧桿菌能夠產生多種α-葡萄糖甘酶（Agl1， Agl2， Agl3， Mel）[15]， 可以促進木聚糖、 甘露糖、淀粉和黏蛋白等多糖物質代謝[16]，代謝碳水化合物生產短鏈脂肪酸（SCFA）、增加礦物質吸收、改善腸道功能紊亂[17]。有研究表明，攝入短雙歧桿菌DPC6330與棕櫚油酸、花生四烯酸、二十二碳六烯酸（DHA） 和α-亞麻酸的大鼠，發現脂肪組織中的二十碳烯酸和前額皮質中的棕櫚油酸含量及肝臟及大腦中二十碳五烯酸（EPA）和DHA濃度顯著增加[18-19]。以上研究表明，短雙歧桿菌不僅能夠自身合成多種營養物質，促進機體的營養合成和吸收，而且可在人體腸道菌群中起重要作用。

2.1.2 改善便秘

便秘是指排便次數減少，同時排便困難、糞便干結。正常人每日排便1～2次或1～2日排便1次，便秘患者每周排便少于3次，并且排便費力，糞質硬結、量少，其嚴重影響人們的生活質量。據調查，在發達國家中排便障礙、硬便等便秘問題已影響到12%～17%成人健康。研究表明，攝入短雙歧桿菌BR03的志愿者，顯著改善了每周排便次數與硬便等便秘問題，且對腹脹、肛門瘙癢、灼熱、疼痛等問題也有相應的改善作用[20]。長期攝入含有短雙歧桿菌Yakult發酵乳的健康年輕女性的排便次數、糞便稠度和糞便量顯著增加[21]。之前有研究表明，短雙歧桿菌可以改善便秘問題能夠分解腸道中不易分解的麩皮、纖維素、半纖維素、果膠、低聚果糖和低聚半乳糖等碳水化合物，產生SCFA，進而促進腸道蠕動刺激腸道黏膜，達到改善便秘的功效[22-23]。最新研究表明，短雙歧桿菌可增加糞便乙酸、水分含量、增加擬桿菌比例，從而增加乳桿菌的豐度、降低病原菌水平、促進胃腸道蠕動達到改善便秘的效果[24]。綜上研究，短雙歧桿菌具有調節腸道微生態環境，有助于分解碳水化合物，產生有益物質，增強腸道蠕動，從而改善便秘問題。

2.1.3 預防肥胖

肥胖已成為全球流行病，且是嚴重慢性疾病發病率增加的主要原因。越來越多的研究表明，腸道菌群與肥胖有關。攝入短雙歧桿菌B-3能夠增加短雙歧桿菌在腸道微生物的數量及比例，調節胰高血糖素相關因子，從而有效降低高脂飼料誘導小鼠的肥胖風險[25]。Minami J等人[26]評估了短雙歧桿菌B-3的攝入對肥胖成年人體質指數和血液參數的影響，結果表明攝入短雙歧桿菌B-3試驗組人群脂肪量顯著降低，且與肝功能和炎癥相關的指標也有所改善。這些研究表明攝入短雙歧桿菌能夠調節腸道菌群環境，從而起到預防肥胖和減肥的功效。

2.1.4 緩解克羅恩病

克羅恩病 （Crohn's disease，CD） 是一種炎癥性腸病，可能影響從口腔到肛門之間的任何胃腸道部位。大量動物和臨床試驗結果表明，腸道菌群失調是CD誘因之一。研究人員對CD患者攝入含有短雙歧桿菌制劑進行治療，結果表明高劑量短雙歧桿菌和益生元搭配可以安全有效緩解及治療CD病狀[27]，早期服用短雙歧桿制劑的CD患者結腸黏膜促炎細胞因子水平降低，從而改善CD病狀及降低手術后CD復發率[28]。攝入短雙歧桿菌對CD患者的病癥有緩解作用，將短雙歧桿菌作為預防、緩解和治療CD的研究對象具有巨大潛力。

2.1.5 改善壞死性小腸結腸炎

壞死性小腸結腸炎 （Necrotizing enterocolitis，NEC） 是一種多因素疾病，其中腸功能不成熟在其發病機制中起重要作用[29-30]，多發于嬰幼兒時期，是嬰幼兒最常見的急癥之一。研究發現，早產兒攝入含有短雙歧桿菌制劑，對于不同胎齡、胎兒生長受限和性別的早產兒均有顯著預防NEC效果，且NEC發病率和死亡率顯著降低[31]，改善了NEC患者病狀[32]。研究者推測，其原因是改善了腸道蠕動[32]，抑制了緊密連接蛋白相關因子的表達[33]。

2.2 加強免疫系統調控

2.2.1 增強宿主免疫能力

短雙歧桿菌在嬰兒和成人腸道內定植黏附后，能夠提高自然殺傷細胞活力、增強細胞因子表達水平、促進免疫球蛋白的表達，從而增強機體免疫系統的功能[34-35]。短雙歧桿菌CNCM I-4035和短雙歧桿菌M16能夠影響腸道免疫應答，免受傷寒沙門氏菌高感染性因子侵害，下調促炎因子水平[36]，從而降低新生兒炎癥的發生率，增強免疫調節作用[37]。另一方面，短雙歧桿菌UCC2003能夠代謝產生胞外多糖（EPS），從而降低病原菌在宿主腸道內的定植水平，并在免疫反應中起重要作用[38]。攝入含有短雙歧桿菌制劑，能夠刺激免疫球蛋白IgA生成，促進白細胞介素4、白細胞介素10等細胞因子增加，從而發揮免疫調節作用[39]，改善在母乳喂養時的嬰幼兒黏膜免疫能力[40]。研究表明，攝入短雙歧桿菌能夠產生抗菌物質，降低病原體定植水平，增強屏障功能及上皮細胞信號轉導的調節和先天性和適應性免疫調節[35，41]，以增強宿主免疫能力。

2.2.2 抗過敏

過敏反應，是由免疫系統對環境中通常無害的物質刺激時所發生的組織損傷或功能紊亂的反應。有研究發現攝入含有短雙歧桿菌的配方奶粉和混合制劑可降低特應性高風險嬰兒的牛奶蛋白致敏比例，并可以提高牛奶過敏嬰兒的口服耐受性，降低具有家族史潛在過敏性疾病嬰兒的發病率[42]，預防嬰兒過敏性皮炎、過敏性濕疹、哮喘和降低患病風險[43-44]。改善成人過敏性皮炎[45]，且可以改善屋塵螨引起的呼吸道過敏性炎癥，其中和低聚果糖的組合在預防屋塵螨引起呼吸道炎癥方面最有效[46]。研究表明，短雙歧桿菌具有改善食物引起過敏性疾病的潛力并對不同類型過敏性疾病的預防改善均有積極作用，這為預防及改善過敏性疾病提供了新思路。

2.2.3 減輕全身炎癥反應綜合征

全身炎癥反應綜合征（Systemic inflammatory response syndrome，SIRS） 是機體因感染等因素導致的嚴重損傷而產生全身性的非特異性炎癥反應，最終導致機體失控所表現的一組臨床癥狀。Shimizu K等人[47]通過研究攝入短雙歧桿菌和低聚半乳糖SIRS患者時，發現雙歧桿菌數量顯著增加；糞便中乙酸、丙酸和丁酸含量顯著升高；腸炎、肺炎和細菌感染等感染性并發癥的發生率顯著降低。研究人員認為，嚴重SIRS的病狀與異常腸道菌群環境相關，而攝入含有短雙歧桿菌合生元有助于改善嚴重SIRS患者的腸道菌群惡化并減少感染并發癥。腸道菌群失衡與諸多疾病顯著相關[48-49]，復雜的腸道菌群可以預防致病性傳染因子的侵害[50]，而攝入短雙歧桿菌能夠幫助提高腸道菌群多樣性，改善腸道菌群，進而減輕及改善SIRS病狀。

2.3 改善神經系統調節

2.3.1 緩解焦慮

焦慮是一種由神經調控而產生內心混亂、不愉快情緒狀態。越來越多的研究表明，腦-腸-微生物軸在調節情緒、大腦和行為方面起著關鍵作用[51-53]。已證明益生菌具有減輕焦慮、抑郁等相關功效。攝入短雙歧桿菌1205具有減輕及改善BALB/c小鼠焦慮情緒、緩解壓力等功效[54]，其改善效果比抗焦慮藥依他普侖更明顯[55]。上述研究結果表明，短雙歧桿菌具有改善焦慮情緒緩解壓力作用，開辟了緩解焦慮的新途徑，進一步研究短雙歧桿菌減緩焦慮癥狀的機制具有重要意義。

2.3.2 改善阿爾茲海默癥

阿爾茨海默癥 （Alzheimer's disease，AD） 是一種不可逆轉的神經退行性疾病，逐漸導致認知障礙并最終導致癡呆。有研究發現，攝入短雙歧桿菌A1對AD小鼠具有預防及改善AD認知障礙的作用[56]。研究人員認為，攝入短雙歧桿菌能增強線粒體功能，提高代謝能力進而加強腦儲備能力，并可能降低tau和Aβ水平，進而起到減緩、改善AD癥狀的功效[57]。短雙歧桿菌相比傳統藥物相對安全、成本較低且具有相似療效，在AD的預防及改善方面具有廣闊的前景。

3 結語

國內外對短雙歧桿菌的研究已有數十年，其應用前景廣闊，既可作為膳食補充劑，又可作為保健食品的功能成分[46，58-59]。大量動物和臨床試驗研究表明，短雙歧桿菌具有改善消化系統代謝、加強免疫系統調控、改善神經系統調節，以及安全無副作用等特點，已被廣泛認可。但其耐酸耐氧性差，當其暴露于各種酸性、有氧環境，菌體活力會受到較大影響，不利于其益生特性發揮，阻礙了生產及商業應用步伐。因此，進一步研究短雙歧桿菌耐酸耐氧等生物學特性及益生特性，已成為具有巨大發展前景的研究課題，對短雙歧桿菌的益生功能進一步發揮和開發更好益生菌產品具有重大意義。