植物多酚與腸道微生物群的相互作用及其對代謝性疾病影響的研究進展

趙 媚，常 凌，宋澤和，賀 喜

（湖南農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，飼料安全與高效利用教育部工程研究中心，湖南家禽安全生產(chǎn)工程技術研究中心，湖南畜禽安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128）

據(jù)統(tǒng)計，到2 0 3 5 年，代謝綜合征（m e t a b o l i c syndrome，MetS）的患病率將會增加到53%[1]，如何有效地控制MetS已經(jīng)成為一個世界性的熱點問題。MetS是多種代謝紊亂的集合，如高血糖、胰島素抵抗、氧化應激、高血壓、血脂異常等。MetS的發(fā)展最終會導致肥胖、炎癥、肝病、腎病、糖尿病、心肌病、骨關節(jié)炎和神經(jīng)變性等代謝性疾病的發(fā)生[2]。

腸道微生物群是動物機體消化、代謝和維生素合成等生理功能的重要組成部分。代謝性疾病可以改變腸道微生物群的組成和功能[3]，相反，腸道微生物群通過能量的吸收、脂質(zhì)和葡萄糖的代謝、肝臟和脂肪組織中脂肪的儲存等途徑來調(diào)節(jié)代謝紊亂[4-7]。但是目前尚不清楚是腸道微生物群的改變導致了代謝性疾病的發(fā)生，還是代謝性疾病導致腸道微生物群的變化[8]。

除了代謝性疾病的影響外，日糧飲食也是調(diào)節(jié)腸道微生物群組成和功能的一個重要因素[9-11]。高脂飲食可以減少微生物的多樣性，增加致病菌的數(shù)量[12-13]。植物多酚可以刺激腸道中有益菌數(shù)量的增加，并抑制致病菌的增殖和擴散。植物多酚還可以通過抑制食欲、改善脂肪的代謝和抑制胰脂肪酶活性來調(diào)控機體體質(zhì)量。同時，腸道微生物群能夠將膳食多酚代謝成為簡單化合物，具有更高的生物活性和吸收效率[14-16]。因此，本文主要以植物多酚和腸道微生物群為對象，綜述兩者之間的相互作用并探討它們對代謝性疾病的影響。

表 1 植物多酚的特性、代謝和生物活性Table 1 Characteristics, metabolism and biological activity of plant polyphenols

1 植物多酚的分類

多酚是植物的次生代謝產(chǎn)物，廣泛存在于水果、蔬菜以及植物衍生食品（如可可、巧克力、茶葉、咖啡以及葡萄酒等）中。基于多酚化學結構的復雜性，可以將其分為黃酮類化合物和非黃酮類化合物。黃酮類化合物又可分為6 個亞類：黃酮類、黃烷酮類、黃酮醇類、黃烷-3-醇類、花青素和異黃酮類。非黃酮類化合物相比黃酮類具有更多的亞類，包括酚酸、木脂素和二苯乙烯等[17]。

多酚一般通過與糖或有機酸結合的形式，或者以未結合的低聚物形式存在于食物中，約5%～10%的多酚（具有單體和二聚體結構）可能會被小腸直接吸收。釋放的苷元可以通過被動擴散進入腸細胞。苷元吸收之后，先后在腸細胞和肝細胞中進行生物轉化。如一些聚合物能夠特異性地被α-鼠李糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖醛酸酶等裂解成單體[18]，完成第一階段代謝；這些初步代謝后的酚酸被吸收之后，通過門靜脈循環(huán)到達肝臟，經(jīng)歷第二階段的轉化：多酚苷元和酚酸與葡萄糖醛酸鹽、硫酸鹽和/或甲基部分進行結合，然后被分配到器官中并隨尿液排出體外。此外，植物多酚的代謝和轉化離不開結腸微生物菌群，這將會在下文詳細描述。植物多酚的特性、代謝和生物活性見表1。

2 腸道微生物群與代謝性疾病

導致代謝性疾病的原因有很多，但研究表明環(huán)境因素相比遺傳因素有更顯著的相關性[48]，而腸道微生物群就是環(huán)境因素之一，腸道菌群在機體中除了消化的作用外，還會產(chǎn)生一些機體無法產(chǎn)生的酶來促進多糖、植物多酚的分解和一些維生素的產(chǎn)生等[49]，有助于宿主的腸道健康。并且代謝性疾病與腸道微生物群呈正相關關系。

2.1 腸道微生物群與肥胖

肥胖形成與減肥過程均與腸道菌群密切相關。?ak-Go??b等[50]對肥胖人群和正常人群取樣進行炎癥標志物檢測分析和腸道微生物群定量分析，發(fā)現(xiàn)肥胖人群腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、可溶性腫瘤壞死因子受體1（soluble tumor necrosis factor receptor 1，sTNFR1）、sTNFR2和白細胞介素（interleukin，IL）-6的水平高于正常人群，并且肥胖組中sTNFR1和連蛋白血漿水平與菌落計數(shù)呈正相關，連蛋白血漿水平與每日能量攝入和血糖濃度呈正相關，此外，在肥胖人群中，連蛋白水平與腸道菌群促進的全身輕度炎癥相關[51]。Furet等[52]對經(jīng)過腹胃鏡Roux-en-Y胃旁路手術的肥胖患者（其中含有7 例II型糖尿病（type 2 diabetes，T2D）患者）進行實時定量聚合酶鏈式反應檢測發(fā)現(xiàn)，肥胖組擬桿菌屬/普氏菌屬（Bacteroides/Prevotella）的比值較低；糖尿病患者經(jīng)過胃旁路手術3 個月之后，腸道大腸桿菌（Escherichia coli）數(shù)量增加，乳酸菌數(shù)量減少，此外，普拉梭菌屬（Faecalibacterium prausnitzii）數(shù)量較少，其與一些輕度炎癥的增加呈負相關。而Maya-Lucas等[53]利用鳥槍法宏基因組測序技術觀察到肥胖兒童腸道中普雷沃菌屬（Prevotellaspp.）的豐度較高，巨單胞菌屬（Megamonasspp.）數(shù)量增加，但顫螺旋菌屬（Oscillospiraceae）數(shù)量減少，其與血清膽固醇水平呈負相關；此外，還檢測到肥胖兒童糞便中人皰疹病毒4型的數(shù)量是正常兒童的19 倍。Fleissner等[54]則研究了高脂飲食對無菌小鼠和常規(guī)小鼠的影響，結果發(fā)現(xiàn)常規(guī)小鼠組中高脂飲食處理（21.4 kJ/g）和西方飲食處理（21.5 kJ/g）的厚壁菌門（Firmicutes）比例均升高，主要是韋榮球菌科（Erysipelotrichaceae）的大量繁殖，而擬桿菌門（Bacteroidetes）的比例則降低。B?ckhed等[55]利用糞群移植的方法進行研究，結果發(fā)現(xiàn)移植了微生物群（取自常規(guī)飼養(yǎng)小鼠的盲腸）的無菌小鼠兩周內(nèi)進食量減少，但增加了其體內(nèi)脂肪含量（約60%）和胰島素抵抗。微生物群可以促進腸道內(nèi)單糖的吸收，從而誘導肝臟脂肪的新生，表明腸道菌群是一個重要的環(huán)境因素，其會影響飲食中能量的收集和宿主體內(nèi)的能量貯存。

2.2 腸道微生物群與糖尿病

腸道微生物群異常、腸黏膜屏障滲漏和腸道免疫反應的改變及相互作用是導致I型糖尿病（type 1 diabetes，T1D）等疾病的重要因素[56]。Giongo等[57]對8 個患有T1D的兒童進行糞便16S rRNA擴增和焦磷酸測序，結果發(fā)現(xiàn)T1D兒童糞便中厚壁菌屬（Firmicutessp.）數(shù)量減少，擬桿菌屬（Bacteroidetessp.）數(shù)量增加。與免疫相關的微生物群數(shù)量在T1D兒童和正常兒童中具有顯著差異，T1D兒童糞便中梭狀芽孢桿菌（Clostridium）、擬桿菌屬和韋榮氏球菌屬（Veillonella）的數(shù)量增加，乳酸桿菌（Lactobacillus）、雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）、同型產(chǎn)乙酸菌/直腸真桿菌（Blautia coccoides/Eubacterium rectale）的比值和普雷沃菌屬的數(shù)量均減少[58-59]。

Brugman等[60]建立糖尿病模型BB-DP大鼠，利用熒光原位雜交技術觀察與抗生素治療組的腸道菌群差異，發(fā)現(xiàn)T1D的發(fā)病機制與高豐度擬桿菌屬相關，并且發(fā)現(xiàn)抗生素治療對腸道菌群的調(diào)節(jié)降低了糖尿病的發(fā)病率并延遲了糖尿病的發(fā)作時間。

而導致T2D的主要原因是肥胖相關的胰島素抵抗。Larsen等[61]為了評估T2D患者和正常人之間腸道微生物群的組成差異，采用實時定量聚合酶鏈式反應和16S rRNA擴增測序對18 例T2D成人男性患者和18 例正常成人男性的糞便進行微生物群分析，結果發(fā)現(xiàn)T2D患者糞便中的厚壁菌和梭狀芽胞桿菌數(shù)量減少，相反的是，β-變形菌（Betaproteobacteria）高度富集且與血糖濃度呈顯著正相關。對于T2D女性患者而言，Karlsson等[62]發(fā)現(xiàn)除了梭狀芽孢桿菌豐度減少外，另外4 種乳酸菌豐度反而有所增加，腸道菌群的失調(diào)與T2D女性患者體內(nèi)空腹血糖濃度以及糖化血紅蛋白、胰島素、高密度脂蛋白、血漿甘油三酯和脂聯(lián)素水平等都有相關性。在此基礎上，Qin Junjie等[63]制定了全基因組關聯(lián)研究方案，對345 名中國T2D患者進行深度鳥槍法宏基因組測序后發(fā)現(xiàn)，T2D患者的直腸真桿菌、普拉氏梭桿菌（Faecalibacteriumprausnitzii）、梭狀芽胞桿菌SS3/4、羅斯拜瑞氏菌（Roseburia intestinalis）和食葡糖羅斯拜瑞氏菌（Roseburia inulinivorans）等產(chǎn)丁酸菌的數(shù)量減少，但是患者腸道中機會致病菌（如Hathewayi梭菌（Clostridium hathewayi）、共生梭菌（Clostridium symbiosum）、多枝梭菌（Erysipelatoclostridium ramosum）、糞擬桿菌（Bacteroides caccae）、遲緩埃格特菌（Eggerthellalenta）和大腸桿菌）的數(shù)量增多；此外，患者腸道的黏蛋白降解菌——艾克曼菌（Akkermansia）和硫酸鹽還原菌——脫硫弧菌屬（Desulfovibriosp. 3_1_syn3）的數(shù)量也有所增加。腸道微生物群與糖的膜轉運、支鏈氨基酸轉運、甲烷代謝、硫酸鹽還原、外源性降解和代謝相關。基于這些腸道微生物標記物，可能為以后T2D患者的分類針對性治療有幫助。

2.3 腸道微生物群與其他代謝性疾病

除了肥胖和糖尿病之外，心血管疾病、高血壓和非酒精性脂肪肝病等也與腸道菌群相關。Wang Zeneng等[64]以無菌小鼠為研究對象，通過代謝組學研究證實腸道菌群促進了脂質(zhì)向膽堿的微生物代謝、三甲胺N-氧化物（trimethylamine-N-oxide，TMAO）和甜菜堿類的生成，增加了心肌梗死的風險。向無菌小鼠補充膳食膽堿和腸道菌群可以促進TMAO的產(chǎn)生，TMAO與心血管疾病動脈粥樣硬化相關[65]。Yang Tao等[66]對高血壓大鼠模型和高血壓患者的糞便樣本進行細菌基因組分析后，發(fā)現(xiàn)自發(fā)性高血壓大鼠與患者的糞便微生物豐度、多樣性和均勻度都降低，其中自發(fā)性高血壓大鼠的厚壁菌和擬桿菌數(shù)量的比值增加，而產(chǎn)乙酸和丁酸的細菌減少。Jiang Weiwei等[67]發(fā)現(xiàn)非酒精性脂肪肝患者糞便中的大腸桿菌、厭氧桿菌（Anaerobacter）、乳酸桿菌和鏈球菌（Streptococcus）的數(shù)量均高于健康人，白細胞分化抗原（cluster of differentiation 4，CD）4+、CD8+T淋巴細胞數(shù)量減少，而TNF-α、IL-6、干擾素-γ（interferon-γ，IFN-γ）水平升高，并且與健康人相比，非酒精性脂肪肝患者腸道絨毛排列不規(guī)則、緊密連接處變寬。此外，Liu等[68]發(fā)現(xiàn)另外一種名為植物乳桿菌的乳酸桿菌具有益生菌的作用，對MetS、糖尿病和腦健康具有很好的療效。

3 植物多酚和腸道菌群的相互作用與代謝性疾病

3.1 腸道菌群對植物多酚的轉化代謝

在機體結腸部位定植了許多微生物，如厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門和疣微菌門等[69]。在正常健康人體中，厚壁菌門和擬桿菌門占細菌種類的90%以上，但腸道微生物群的組成極易受到飲食、疾病和藥物的影響，其中飲食攝入的影響占主導地位，經(jīng)常食用富含碳水化合物食物的人群，腸道中的主要細菌是普氏菌屬，而食用富含動物蛋白和飽和脂肪較多的人群體內(nèi)主要是擬桿菌屬[70]。一些結構復雜的多酚（如縮合單寧和水解單寧），在到達機體結腸時幾乎沒有發(fā)生性質(zhì)上的變化，但能夠被腸道微生物群進一步代謝，發(fā)生C環(huán)裂解、脫羧、脫氫和去甲基化等反應，生成相對簡單的化合物，如酚酸和羥基肉桂酸酯[71]。聚合度大于3的低聚黃烷-3-醇、聚合黃酮醇（原花青素和濃縮單寧）、羥基肉桂酸酯、黃酮醇葡萄糖鼠李糖苷，如槲皮素-3-O-葡鼠李糖苷（蘆丁）等，不以原始形式被吸收，在結腸部位被腸道微生物代謝成酚酸和其他產(chǎn)物。其中原花青素被代謝產(chǎn)生如羥基苯甲酸、羥基苯乙酸、羥基苯丙酸、羥基苯戊酸或羥基肉桂酸等分子質(zhì)量較小的酚酸[72]。Theilmann等[73]研究發(fā)現(xiàn)，嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）可將植物糖苷轉化為苷元，苷元可進一步被其他細菌修飾轉化或者直接被宿主吸收利用。鉛黃腸球菌（Enterococcus casseliflavus）參與一些如槲皮素-3-O-葡萄糖苷等糖類的部分水解，產(chǎn)生乳酸、甲酸、乙酸和乙醇。此外，細枝真桿菌（Eubacterium ramulus）、氧化真桿菌（Eubacterium oxidoreducens）、Flavonifractor plautii和梭狀芽孢桿菌可能代謝槲皮素，產(chǎn)生短鏈脂肪酸、花旗松素和3,4-二羥苯基乙酸[74]。Tao Jinhua等[75]研究發(fā)現(xiàn)，真桿菌與黃酮類化合物的代謝相關，此外，在結腸中，羥基肉桂酸的產(chǎn)生也與一些乳酸桿菌和雙歧桿菌相關。人類腸道菌群中大腸桿菌4號、大腸桿菌34號、腸球菌45號（Enterococcussp. 45）和芽孢桿菌46號（Bacillussp. 46）具有比較廣泛的黃酮類化合物轉化能力，可以將蒙花苷（黃酮類化合物）轉化為金合歡素。Chen Yao等[76]在大鼠腸道中評估了3 種桑葚花青素（矢車菊素-3-葡萄糖苷、矢車菊素-3-蕓香糖苷、飛燕草素-3-蕓香糖苷）的代謝轉化。花青素在腸道發(fā)酵后的代謝組學分析表明，矢車菊素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3-蕓香糖苷被分解為原兒茶醛、香蘭酸、對香豆酸和2,4,6-三羥基苯甲醛，而飛燕草素-3-蕓香糖苷則被轉化為丁香酸、沒食子酸和2,4,6-三羥基苯甲醛。Mayta-Apaza等[77]利用一種體外胃腸發(fā)酵模型來代謝富含多酚（矢車菊素-糖基-蕓香糖苷、槲皮素-蕓香糖苷、綠原酸和新綠原酸）的酸櫻桃，代謝產(chǎn)物主要是4-羥基苯丙酸，而表兒茶素和4-羥基苯甲酸含量較低。Gowd等[78]最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，在體外的條件下，用提取的健康人體腸道微生物群對黑莓花青素提取物進行發(fā)酵代謝，能產(chǎn)生咖啡酸、3,4-二羥基苯甲酸、2,4,6-三羥基苯甲酸、香豆素、對香豆酸、阿魏酸、2,4,6-三羥基苯甲醛和沒食子酸。當機體攝入富含鞣花單寧的食物（如草莓、石榴、覆盆子和核桃等）之后，鞣花單寧會先在胃腸腔中通過水解作用產(chǎn)生鞣花酸[79-80]，鞣花酸的吸收率極低，它會到達結腸，被微生物（如假單胞雙歧桿菌P815、尿鏈球菌和棒狀戈登氏菌等[81]）進一步代謝，產(chǎn)生生物可利用的尿石素A、B和異尿石素A等[82]，然后可能會通過首過代謝被吸收或者隨尿液、糞便排出體外。尿石素類衍生物是鞣花酸的腸道微生物活性代謝產(chǎn)物，在體內(nèi)具有多種有益作用。但是鞣花單寧和鞣花酸代謝成尿石素類衍生物受到個體腸道微生物群差異的影響：在“尿石素A代謝型”個體中只產(chǎn)生尿石素A；而在“尿石素B代謝型”個體中，除了產(chǎn)生尿石素A之外，還會產(chǎn)生異尿石素A和/或尿石素B；在“尿石素0代謝型”個體中不產(chǎn)生任何尿石素，而其中發(fā)揮轉化作用的產(chǎn)尿石素戈登氏桿菌（Gordonibacter urolithinfacienssp.）和異尿石鞣花桿菌（Ellagibacter isourolithinifaciens）被發(fā)現(xiàn)占重要地位[83-84]，白藜蘆醇（3,4’,5-芪三酚）到達結腸部位主要被轉化為二氫白藜蘆醇（3,4-二羥基二苯乙烯）和輪孢霉素（3,4’-二羥基二芐基）[85]。

3.2 植物多酚對腸道微生物群調(diào)節(jié)和對代謝性疾病的影響

植物多酚的代謝與吸收離不開腸道菌群的參與，其代謝產(chǎn)物能夠發(fā)揮出對腸道微生物群和機體更有益的作用[86]。Wang Jing等[87]發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌ZLP001可以通過增強腸道上皮細胞的防御功能和調(diào)節(jié)腸道菌群來加強腸道屏障。同時Barroso等[88]的研究也證明了植物乳桿菌IFPL935菌株可以發(fā)揮黃烷-3-醇的代謝作用，其分別將紅葡萄酒多酚提取物與植物乳桿菌IFPL935添加到人體腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)中模擬發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)紅酒多酚導致結腸中細菌總數(shù)下降，其中擬桿菌、球形梭菌（Clostridium coccoides）/直腸真桿菌和雙歧桿菌受影響最大，但植物乳桿菌IFPL935的添加逆轉了細菌總數(shù)的下降趨勢，特別是恢復了乳桿菌和腸桿菌的數(shù)量，幫助多酚代謝能力低的個體提高其結腸微生物代謝多酚能力。Chen Manyun等[89]報道腸道菌群能夠介導三七總皂苷（三七皂苷和人參皂苷）的去糖基化，促進如人參皂苷K、人參皂苷F1、人參皂苷Rh2、原人參三醇和原人參二醇等代謝物的生成。

多酚類物質(zhì)可能會影響心血管疾病、T2D、腸道健康和癌癥等的多種代謝或信號通路。食用蔬菜和水果有助于保持身體的健康，這是由于多酚具有強大的抗氧化活性[90-91]，此外，多酚可以通過重塑腸道菌群來增強宿主-微生物之間的相互作用以達到減肥的效果。腸道微生物的組成差異會影響多酚及其代謝產(chǎn)物的生物利用度，許多體外、動物和疾病案例研究表明，植物多酚可以通過增加各種有益細菌種類的豐度和微生物群β-多樣性，同時減少機會致病菌的數(shù)量，抑制腸道失調(diào)。腸道菌群的調(diào)節(jié)有助于增加糖的降解代謝，改善腸道屏障功能和能量消耗，同時減少炎癥反應、胰島素抵抗、肥胖、體質(zhì)量增加和血脂異常等。這些改善最終有助于減少代謝性疾病及相關并發(fā)癥（表2和圖1）。

表 2 植物多酚對腸道微生物群的調(diào)節(jié)和代謝性疾病的影響Table 2 Effects of plant polyphenols on intestinal microbiota and metabolic diseases

圖 1 植物多酚與腸道菌群相互作用對代謝性疾病的影響[106]Fig. 1 Effect of interaction between plant polyphenols and intestinal microbiota on metabolic diseases[106]

4 結 語

植物多酚類物質(zhì)有助于通過延緩或預防代謝型疾病來維持機體的健康，如減少體質(zhì)量、降低血糖和血壓等。但是攝入單一的植物多酚很難調(diào)控所有代謝型疾病。因此，為了防止代謝性疾病的發(fā)生和發(fā)展，需要大量攝入富含多酚的食物。研究表明，植物多酚能顯著影響腸道微生物群，調(diào)節(jié)其菌落結構和功能。攝入植物多酚類有利于腸道微生物群的發(fā)展及其宿主的健康。目前，大多數(shù)研究集中于富含植物多酚食物的有益作用，而不是腸道微生物在新陳代謝和健康影響中的作用。因此，在這一研究領域迫切需要更加精確的微生物群研究，以確定腸道微生物群對植物多酚代謝的確切影響及其對健康的有益作用。此外，使用更精確的代謝組學方法可能有助于確定植物多酚循環(huán)代謝產(chǎn)物的有益作用和腸道微生物群介導的具體機制，以及對宿主整體產(chǎn)生的積極作用。這些結果將進一步協(xié)助測定各種水果和蔬菜中酚類代謝物的療效及其生物學特性，從而發(fā)現(xiàn)新的功能性植物多酚類食品和營養(yǎng)品來對抗代謝性疾病和相關并發(fā)癥。