基于腸道菌群的海藻多糖對部分疾病影響的研究進展

張 宵，劉 楊，滕 博，張杰良

（汕頭大學(xué)理學(xué)院生物系，廣東汕頭 515063）

腸道菌群是人體胃腸道內(nèi)存在的細菌、真菌、病毒等群體的總稱，大約有1×1014個微生物定植于胃腸道中，其中，厚壁菌（Firmicutes）和擬桿菌屬（Bacteroides）等占腸道菌群優(yōu)勢菌種的98%以上，變形桿菌屬（Proteus）、放線菌屬（Actinomycetes）、梭狀芽孢桿菌（Clostridium）和疣微球菌（Micrococcus verrucos）的數(shù)量和種類相對較少[1]。腸道菌群的穩(wěn)定平衡對人體健康至關(guān)重要。正常情況下，腸道菌群保持著一種相對平衡的狀態(tài)，以維持機體健康。一旦這種平衡打破，腸道菌群失調(diào)，就會影響人體健康，甚至引發(fā)一系列疾病，如炎癥性腸病[2]、腸易激綜合征[3]、結(jié)腸炎[4]、糖尿病和心血管疾病[5?6]等。

海藻是海洋中最豐富的的資源之一，中國每年野生海藻的收獲量占全球的27%，栽培海藻的收獲量占全球的72%，是全球海藻生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者[7]。由于海藻富含蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸、礦物鹽和多糖等多種生物活性物質(zhì)，世界上許多地方都在培育海藻。多糖是海藻中一類分子量大、化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然化合物，具有抗腫瘤、抗病毒、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、降血糖等多種生物活性[8?10]，依據(jù)其來源，主要分為紅藻多糖、綠藻多糖和褐藻多糖[11]。近年來，海藻多糖對腸道菌群調(diào)節(jié)作用的研究逐漸受到重視。研究發(fā)現(xiàn)，由于人體內(nèi)缺乏多糖水解酶，大多數(shù)的多糖不能被人體直接消化和吸收，而機體的腸道菌群對多糖的吸收發(fā)揮著重要的作用[12]。一方面，腸道菌群可以將多糖降解為單糖和/或低聚糖，促進機體對多糖的消化和吸收，并產(chǎn)生具有生物活性的代謝產(chǎn)物（如短鏈脂肪酸，short-chain fatty acids，SCFAs）；另一方面，多糖可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群的組成和比例，促進有益菌的生長，抑制有害菌的增殖，使腸道菌群保持穩(wěn)態(tài)平衡，從而改善機體的健康狀況，達到治療疾病的作用。Cui等[13]表明石花菜多糖（Gelidium pacificumOkamura polysaccharide，GPOP）能增加擬桿菌屬和考拉桿菌屬（Phascolarctobacterium）的相對豐度，減少瘤胃球菌（Ruminococcus）和幽門螺桿菌（Helicobacter pylori）的相對豐度，抑制小鼠體重增加，這表明GPOP能有效治療肥胖及其他腸道相關(guān)疾病。Lekshmi等[14]發(fā)現(xiàn)從可食用的褐藻（Padina tetrastromatica）中分離得到的硫酸巖藻多糖具有改善心血管疾病的作用。Ying等[15]研究表明口服巖藻聚糖提取物能有效預(yù)防葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導(dǎo)的急性結(jié)腸炎。綜上所述，海藻多糖在疾病的預(yù)防和治療方面具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，本文總結(jié)了海藻多糖對腸道菌群的調(diào)節(jié)作用以及其對腸道代謝疾病、心血管疾病和腸道疾病等疾病的影響，以期為海藻多糖對疾病的預(yù)防和治療提供科學(xué)依據(jù)。

1 海藻多糖對腸道菌群的調(diào)節(jié)作用

近年來，隨著人們對腸道微生物關(guān)注程度的增加，如何調(diào)節(jié)腸道菌群來促進機體健康也備受關(guān)注。研究表明，海藻多糖作為益生活性物質(zhì)，具有調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡的作用，促進擬桿菌（Bacteroides）、雙歧桿菌（Bifidobacterium）和乳桿菌（Lactobacillus）等有益菌的增殖，提高SCFAs的產(chǎn)量[16?17]。

1.1 體外調(diào)節(jié)腸道菌群

體外模擬酵解是一種包含多種模型設(shè)計的創(chuàng)新性技術(shù)，可以使一個完整的腸道菌群在一段模型特定的時間內(nèi)穩(wěn)定培養(yǎng)，既能研究腸道微生物種類的存在，也能研究其相關(guān)的功能。由于體外模擬實驗不需要考慮腸道微環(huán)境的復(fù)雜性以及不受倫理道德的約束，近年來開始成為研究者對體內(nèi)代謝研究的一種有效的方法[18]。Xu等[19]用超聲波-微波輔助提取法得到壇紫菜多糖（Porphyra haitanensispolysaccharides，PHP），通過將壇紫菜多糖與腸道菌群進行體外培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)壇紫菜多糖能夠促進擬桿菌屬的增殖，抑制變形菌門（Proteobacteria）（特別是大腸/志賀氏桿菌，Escherichia_Shigella）的生長，改變腸道菌群的組成和比例。Zhang等[20]發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)的腸道菌群可以發(fā)酵昆布多糖（Saccharina japonicapolysaccharides，SJP）和昆布低聚糖（Saccharina japonicaoligosaccharides，SJO），與昆布多糖相比，昆布低聚糖更容易被腸道菌群酵解利用，產(chǎn)生更多的SCFAs，主要包括乙酸、丙酸和正丁酸；多糖和低聚糖都能夠促進擬桿菌屬的生長，減少變形菌和厚壁菌的數(shù)量；發(fā)酵后的昆布多糖分子量從1.38×105Da下降到3.81×104Da；熒光輔助糖電泳發(fā)現(xiàn)昆布多糖被降解為低聚糖，昆布低聚糖被酵解為單糖，結(jié)果表明低聚糖更有利于益生菌的增殖和有機酸的產(chǎn)生。Kong等[21]對腸道菌群進行體外培養(yǎng)，并分別添加不同質(zhì)量的滸苔多糖（Enteromorpha proliferapolysaccharides，EPP）和低、高分子量（Mw<30 kD為低分子量，Mw>30 kD為高分子量）的昆布多糖（Laminaria japonicapolysaccharides，LJP），發(fā)現(xiàn)低分子量的昆布多糖（MWCOL）能產(chǎn)生更多的乳酸，高分子量的昆布多糖（MWCOH）有利于丁酸的產(chǎn)生；相比于對照組，滸苔多糖產(chǎn)生的總短鏈脂肪酸很低，這表明滸苔多糖不容易被腸道菌群酵解；昆布多糖和滸苔多糖都能夠促進有益菌的增殖，包括腸桿菌（Enterobacter）、腸球菌（Enterococcus）、乳桿菌和雙歧桿菌。Di等[22]通過體外發(fā)酵研究紅江蘺多糖（Gracilaria rubrapolysaccharides，GRPS）對腸道菌群的調(diào)節(jié)作用，發(fā)現(xiàn)GRPS能夠顯著提高擬桿菌、普氏菌（Prevotella）和考拉桿菌（Phascolarctobacterium）的相對豐度，降低與肥胖密切相關(guān)的厚壁菌與擬桿菌的比值。綜上所述，多糖對腸道菌群的影響與多糖的種類、分子量大小有關(guān)。

1.2 體內(nèi)調(diào)節(jié)腸道菌群

許多多糖不能在口腔、胃和小腸中消化吸收，但其可以被大腸中的腸道微生物分解利用，產(chǎn)生酸性代謝產(chǎn)物SCFAs，從而降低腸道微環(huán)境的pH，促進腸道益生菌的增殖，抑制致病菌的生長[23]。劉萍等[24]發(fā)現(xiàn)褐藻糖膠（Fucoidan）能顯著提高斷奶仔豬盲腸中擬桿菌屬的相對豐度和多樣性，降低促炎細胞因子IL-22的含量。An等[25]用藻酸鹽（Alginate）和昆布多糖（Laminaran）灌喂正常小鼠14 d后，發(fā)現(xiàn)兩種多糖對小鼠的體重沒有影響，但是增加了盲腸和糞便的重量；與空白對照組相比，兩種多糖都能夠提高盲腸有機酸（特別是丙酸）的含量，增加小鼠盲腸內(nèi)厚壁菌的相對豐度；同時藻酸鹽可有效提高放線菌門（Actinobacteria）的相對豐度，昆布多糖能顯著提高變形菌門的相對豐度。Shang等[26]聯(lián)合采用高通量測序與生物信息學(xué)分析方法研究得到，巖藻糖在破壞條件致病菌（如消化球菌，Peptococcus）的基礎(chǔ)上，可顯著提高無菌小鼠中有益菌群的相對豐度，其中包括乳酸桿菌（Lactobacillus）和瘤胃菌科（Ruminococcaceae）。這些結(jié)果表明海藻多糖有望通過促進腸道益生菌的增殖，抑制有害菌的生長，從而改善機體腸道微生物的組成和比例。

2 海藻多糖對疾病的影響

2.1 海藻多糖對代謝疾病的影響

2.1.1 對肥胖的作用 肥胖（Obesity）是由食物攝入過多或機體代謝改變而導(dǎo)致體內(nèi)脂肪，特別是甘油三脂積聚過多造成體重過重的一種狀態(tài)。腸道菌群在肥胖的發(fā)生發(fā)展過程中起著重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，肥胖者腸道中厚壁菌與擬桿菌的比值高于體重正常者，而雙歧桿菌和擬桿菌數(shù)量比體重正常者少[27]。厚壁菌能將多糖轉(zhuǎn)化為易吸收的單糖類和代謝產(chǎn)物SCFAs，產(chǎn)生更多可吸收的能量，致使體重增加。此外，腸道菌群的產(chǎn)物和代謝物可作用于遠端器官（如脂肪組織、肝臟、大腦等），影響肥胖相關(guān)病理生理過程[28]。因此，對腸道菌群的組成和比例進行調(diào)節(jié)，可以有效控制肥胖患者的體重。

Sun等[29]研究發(fā)現(xiàn)，龍須菜多糖（Gracilaria lemaneiformispolysaccharides，GLP）可以降低高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠體重，修復(fù)高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠腸道損傷；降低總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、甘油三脂和丙二醛的水平，提高高密度脂蛋白膽固醇的水平；增加擬桿菌門的相對豐度，降低厚壁菌門的相對豐度。上述結(jié)果表明，龍須菜多糖可通過改善高脂飲食導(dǎo)致的血脂水平異常，抑制脂肪的堆積，改善高脂飲食誘導(dǎo)的腸道菌群失調(diào)。Duan等[30]用高脂飲食誘導(dǎo)小鼠肥胖，發(fā)現(xiàn)小鼠體重增加，厚壁菌門數(shù)量上升、擬桿菌門數(shù)量下降；添加昆布多糖組小鼠的腸道菌群接近正常組小鼠，菌群多樣性增加；肝臟和附睪脂肪組織減少，血清總膽固醇、甘油三脂、丙二醛、低密度脂蛋白的水平均下降，高密度脂蛋白水平上升；同時，增加與肥胖負相關(guān)的細菌數(shù)量，如擬桿菌、瘤胃菌，上調(diào)G蛋白偶聯(lián)受體（GPR41和GPR43）的表達。段萌萌等[31]也發(fā)現(xiàn)昆布多糖可以降低肥胖小鼠的體重，改善與肥胖相關(guān)的生化指標，如降低丙二醛、膽固醇和甘油三脂的含量，增加擬桿菌門的數(shù)量，減少厚壁菌門的數(shù)量。繆志剛等[32]用高脂飼料建立小鼠肥胖模型，發(fā)現(xiàn)草葉馬尾藻多糖（Sargassum graminifoliumpolysaccharides，SGP）能抑制肥胖小鼠腸道大腸桿菌（Escherichia coli）的增殖，促進乳桿菌與雙歧桿菌的生長。

2.1.2 對糖尿病的作用 糖尿病（Diabetes）是一種以慢性高血糖為特征的代謝性疾病，與腸道菌群關(guān)系密切。研究表明，腸道菌群失調(diào)是糖尿病的重要誘因[33]。腸道菌群可通過多種途徑參與糖尿病的發(fā)生和發(fā)展，如：調(diào)節(jié)能量代謝、炎癥反應(yīng)及其他化合物代謝途徑等[34]。與正常人相比，糖尿病患者腸道中雙歧桿菌、擬桿菌和乳酸桿菌的數(shù)量減少，腸球菌、腸桿菌和厚壁菌的數(shù)量顯著增加[35]。雙歧桿菌、擬桿菌和乳酸桿菌分別是產(chǎn)乙酸、丙酸和丁酸的主要細菌，這也就是說糖尿病患者產(chǎn)SCFAs的數(shù)量會減少。SCFAs作為腸道菌群的代謝產(chǎn)物，可以降低脂肪和肝臟組織的過氧化物酶體增殖物激活受體活性，提高胰島素感性，在糖尿病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。

Cheng等[36]用鏈唑霉素（STZ）構(gòu)建小鼠糖尿病模型，發(fā)現(xiàn)巖藻聚糖（Fucoidan）能有效改善糖尿病小鼠的癥狀，使小鼠空腹血糖水平、飲食、飲水量降低；修復(fù)肝組織損傷，抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)；增加糖尿病小鼠腸道菌群的多樣性，提高擬桿菌的豐度，降低厚壁菌的豐度，同時上調(diào)擬桿菌與厚壁菌的比值。Yang等[37]發(fā)現(xiàn)馬尾藻低聚糖（Sargassum confusumoligosaccharides，SCO）能明顯降低空腹血糖水平，保護肝臟細胞的結(jié)構(gòu)；提高乳酸桿菌和梭菌XIVa（Clostridium XIVa）的豐度，降低擬桿菌、支原體（Allobaculum）和梭菌IV（Clostridium IV）的豐度；同時可以通過JNK-IRS1/PI3K信號通路發(fā)揮抗糖尿病的作用。

2.2 海藻多糖對心血管疾病的影響

動脈粥樣硬化（Arteriosclerosis，AS）是最常見的心血管系統(tǒng)疾病，其主要特征為脂質(zhì)和復(fù)合糖類在動脈內(nèi)壁的異常聚集，在發(fā)展過程中受多種機制的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物SCFAs能夠影響宿主三甲胺（TMA）/氧化三甲胺（TMAO）代謝途徑，從而參與動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展[38]。LEfSe（Linear discriminant analysis Effect Size）分析檢測發(fā)現(xiàn)，相比于正常小鼠，動脈粥樣硬化小鼠腸道內(nèi)擬桿菌門和厚壁菌門的比例降低，疣微菌門（Verrucomicrobia）的相對豐度顯著提高[39]。對人體糞便樣本的體外研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過富含巖藻聚糖的褐藻（Ascophyllum nodosum）處理后，擬桿菌門與厚壁菌門的比值提高[40]。Nguyen等[41]發(fā)現(xiàn)，昆布多糖可以改變高脂飲食小鼠的腸道菌群組成和比例，攝入昆布多糖的小鼠，其腸道菌群中擬桿菌、副桿菌（Parabacteroides）和梭菌XIVa的數(shù)量增加。腸道菌群的改變可導(dǎo)致碳水化合物活性酶（CAZymes）水平的改變，包括與人類體重指數(shù)下降相關(guān)的酶的增加，這表明昆布多糖可以改變高脂飲食對小鼠的影響。此外，昆布多糖可以減少結(jié)腸內(nèi)腸桿菌的數(shù)量[42]。而研究發(fā)現(xiàn)，動脈粥樣硬化性心血管疾病患者體內(nèi)的的腸桿菌科（Enterobacteriaceae）和鏈球菌屬（Streptococcusspp.）的數(shù)量高于正常人。這表明海藻多糖能夠調(diào)節(jié)腸道菌群，減少高脂飲食對動脈粥樣硬化的影響。

2.3 海藻多糖對腸道疾病的影響

炎癥性腸病（Inflammatory bowel disease，IBD）是一種病因尚不明確的慢性腸道炎癥性疾病，主要包括潰瘍性結(jié)腸炎（UC）和克羅恩病（CD）。IBD患者相比于正常人，腸道菌群的多樣性降低，乳桿菌、雙歧桿菌、擬桿菌等有益菌數(shù)量減少，致病菌如變形桿菌和放線菌的數(shù)量增加[43?44]。研究發(fā)現(xiàn)，CD患者的腸桿菌數(shù)量降低，UC患者腸道中的柔嫩梭菌群（Faecalibacterium prausnitzii）和人羅斯拜瑞氏菌（Roseburia hominis）數(shù)量降低[45]。腸道致病菌可破壞腸道粘膜屏障，其分泌的腸毒素會使腸道通透性進一步增加，使致病菌可以直接侵害腸上皮細胞。當致病菌過度定值于腸上皮細胞時，腸上皮細胞的能量代謝減弱，導(dǎo)致上皮細胞受損，就會使腸道發(fā)生炎癥反應(yīng)。大量研究表明，海藻多糖作為生物體中重要的大分子物質(zhì)之一，對治療腸道疾病，保障腸道健康具有重要的作用[46?47]。

Xue等[48]研究巖藻聚糖對1，2-二甲基苯肼（1,2-dimethylhydrazine）誘導(dǎo)潰瘍性結(jié)腸炎小鼠的影響，發(fā)現(xiàn)小鼠結(jié)腸中炎性細胞因子IL-17、IL-23水平下降，IFN-γ、IL-4和IL-10水平上升；結(jié)腸組織中β-連環(huán)蛋白和下游目標基因C-Myc、CyclinD1及Survivin的表達下降；二胺氧化酶、脂多糖表達下降，緊密連接蛋白Claudin1、Claudin2和ZO-1表達上調(diào)；普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）數(shù)量減少，瘤胃菌科和乳桿菌科數(shù)量明顯增加；丁酸和戊酸數(shù)量明顯增多。O’Shea等[49]發(fā)現(xiàn)昆布多糖和巖藻聚糖可提高結(jié)腸炎豬的體重，降低炎癥細胞因子IL-6的相對表達和腸桿菌科的豐度。結(jié)果表明海藻多糖有助于有效預(yù)防腸道損傷的發(fā)生。孫占一等[50]發(fā)現(xiàn)巖藻多糖可以抑制幽門螺桿菌的增殖，保護胃黏膜，治療胃潰瘍及胃部相關(guān)疾病。

2.4 海藻多糖對其他疾病的影響

便秘（Constipation）是一種以功能性胃腸紊亂為特征的疾病。腸道菌群紊亂是便秘發(fā)生和進展的重要原因，而便秘也會進一步加重病人腸道菌群紊亂[51]。程宇嬌等[52]分析了不同劑量的螺旋藻多糖（Spirulina platensispolysaccharides，PSP）對地芬諾酯誘導(dǎo)便秘小鼠的治療效果，發(fā)現(xiàn)低、中、高劑量組小鼠首次排黑便時間縮短，同時小鼠體重沒有明顯增長；PSP治療后，小鼠腸道內(nèi)木聚糖酶和蛋白酶活性恢復(fù)到正常組水平；在門分類水平上，擬桿菌門和疣微菌門豐度增加，厚壁菌門豐度降低；在科分類水平上，乳桿菌科（Lactobacillaceae）豐度增加；同時，PSP治療后葡萄糖激酶水平上調(diào)。研究表明螺旋藻多糖可通過改善腸道微生態(tài)，緩解小鼠便秘癥狀。Ren等[53]研究滸苔多糖（Enteromorpha polysaccharides，PEP）對洛派丁胺誘導(dǎo)腹瀉小鼠的保護機制，發(fā)現(xiàn)擬桿菌和變形菌的豐度增加，厚壁菌和放線菌的豐度降低；血清中一氧化氮（Nitric oxide，NO）濃度顯著降低；遠端結(jié)腸VIPR1表達水平下調(diào)，5-HT4表達水平上調(diào)；腸動力功能增強，便秘相關(guān)的腸炎癥得到緩解。蘇瑩瑩等[54]分別用裙帶菜多糖（Wakame polysaccharides，WP）及其寡糖（Wakame oligosaccharides，WO）治療便秘小鼠，發(fā)現(xiàn)腸道乳桿菌數(shù)量增加，裙帶菜多糖和低聚糖均能改善腸道菌群，緩解便秘，但裙帶菜低聚糖對便秘小鼠的治療效果不及裙帶菜多糖，這可能與多糖和低聚糖的分子量大小不同有關(guān)。

研究還發(fā)現(xiàn)，海藻多糖能夠通過改變腸道菌群的組成調(diào)節(jié)免疫。邵青玲等[55]給斷奶仔豬添加不同水平的海帶多糖（Kelp polysaccharides）和褐藻多糖（Alga polysaccharides）日糧，發(fā)現(xiàn)海帶多糖組能顯著降低大腸桿菌的數(shù)量，提高結(jié)腸組織抗炎細胞因子IL-10的表達；褐藻多糖可顯著降低腸桿菌的數(shù)量，提高異丁酸的含量，增強斷奶仔豬的免疫力，但是對促炎細胞因子的表達沒有顯著影響。

3 結(jié)論與展望

腸道微生態(tài)平衡是機體健康的基本保障。當腸道菌群失調(diào)時，導(dǎo)致一系列病理生理發(fā)生改變，從而引發(fā)各種疾病。而腸道菌群易受飲食習(xí)慣的調(diào)控。因此，可以通過合理的膳食對患者或亞健康狀態(tài)的人進行干預(yù)，達到改善某些疾病的目的。海藻多糖正是可以用來改善健康，預(yù)防腸道相關(guān)疾病的具有潛力的優(yōu)質(zhì)益生元。多糖可以作為人體腸道菌群的主要碳源，促進有益菌的生長，并通過其代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)腸道菌群。

隨著人們對海藻多糖調(diào)節(jié)腸道菌群的不斷深入研究，海藻多糖通過調(diào)節(jié)腸道菌群而發(fā)揮改善疾病的作用逐漸引起人們的重視。然而，這些研究仍處于起步階段，存在很多不足。多糖的種類、產(chǎn)地、提取方式不同，缺乏行之有效的質(zhì)量控制指標；此外，多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)特征關(guān)系到腸道菌對多糖的利用程度；同時海藻多糖通過調(diào)節(jié)腸道菌群而發(fā)揮治療代謝性疾病和腸道相關(guān)疾病的作用機制尚不清楚；臨床試驗研究較少，限制了海藻多糖在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，研究學(xué)者今后應(yīng)加強海藻多糖的結(jié)構(gòu)研究及其對腸道菌群的調(diào)節(jié)作用，揭示多糖通過調(diào)節(jié)腸道菌群而發(fā)揮治療代謝性疾病和腸道相關(guān)疾病的具體途徑，為更好的開發(fā)利用海藻多糖提供科學(xué)的理論依據(jù)。