膳食纖維與短鏈脂肪酸對腸道微生物以及宿主健康的影響

馮 焱 ， 閆麗歡，馮江浩， 李建慧

(1.山西農業大學生命科學院，山西 太谷 030801； 2.山西農業大學動物科技學院，山西 太谷 030801)

隨著生活水平的提高，飲食結構發生了質的變化，肉類食品所占比重不斷攀升，導致肥胖人群比例居高不下，隨之而來的是“富貴病”風險影響巨大。腸道作為人體內最大的消化器官和免疫器官，其腸道微生物存在與宿主有著重要的“唇齒相依，榮辱與共”的關聯，在維持宿主健康方面發揮著舉足輕重的作用。正常機體的腸道內存在100多種微生物[1]。由于不同的生活環境和飲食習慣，造成腸道微生物組成多元化，同時腸道微生物也存在明顯的個體差異[2]。有趣的是，腸道最初的細菌定植在很大程度上取決于輸送方式，自然分娩的嬰兒首先接種的細菌通常存在于陰道和糞便中的微生物群，如乳酸菌(Lactobacillus)和普氏菌(Prevotella)，而剖腹產出生的嬰兒接種的細菌則來自皮膚和環境[3]。腸道微生物主要由兩部分構成，一是定植在腸道黏膜內構成較穩定的自身微生物，二是可以由飲食從外界攝入通常在腸道內存在時間較短的外來微生物的影響[2]。通過膳食纖維干預，可以明顯改善腸道微生物的組成及結構多樣性，對體重也有顯著的控制效果[4]。研究膳食纖維對腸道微生物的影響，了解微生物演替和可能的潛在機制，以及由其代謝產生的短鏈脂肪酸對宿主的作用，為進一步探究飲食，腸道微生物及宿主三者間關系提供參考。

1 膳食纖維及其對宿主腸道微生物區系的調控作用

Kaye等[5]研究表明，經過腸道微生物消化的膳食纖維，會通過短鏈脂肪酸來調節血壓和心臟機能，阻止高血壓的發生。該研究首次從機制上證實膳食纖維可以直接調節心血管健康，讓兩者的關系從相關性變成因果。眾多的研究證實，腸道微生物的功能不僅僅是消化食物，同時能夠合成機體必需的氨基酸以維持機體健康。有研究發現，腸道微生物的組成及代謝產物對宿主的免疫系統成熟和炎性反應有重要的影響。如果腸內部免疫系統崩潰，會引起慢性腸炎疾病，例如克羅恩病和潰瘍性結腸炎[6]。而短鏈脂肪酸(SCFA)作為由膳食纖維經腸道微生物發酵后的主要產物也有相當重要的功能，膳食纖維不僅能夠降低肥胖宿主的體重，而且對免疫功能也有侵染[7-8]。宿主通過飲食干預對腸道菌群結構和功能的調節作用直接影響自身的代謝狀況。高纖維日糧為腸道微生物群提供大量可發酵底物，直接或間接調節宿主的健康成為當今研究的焦點之一。

1.1 膳食纖維的功能

膳食纖維(DF)是一類不能夠被機體自身消化吸收的短鏈糖類物質，但能夠刺激某些腸道微生物并被分解，分解產物能夠被人體利用，因而DF也被稱為益生元。世界衛生組織和各國營養學界對膳食纖維的攝入給出了統一的建議，即每人每天攝入量在25～35 g。但中國成人平均每人每日攝入膳食纖維僅為13.3 g，導致慢性病、心血管疾病與日攀升。DF能夠在腸道內被微生物分解為SCFA，一方面能夠被腸道吸收進入到宿主體內，另一方面改變腸道環境，抑制有害菌群生長[9]。對于DF現在研究較多的是菊粉，這是一個涵蓋不同聚合度的線性β-(2,1)果糖和果糖的化合物的統稱[10]。DF具有許多親水基團，因此對于水有很強的吸附能力，能夠吸附水分子增大體積，從而產生飽腹感，減少采食。此外其表面還有一些活性基團能夠吸附腸道內的膽固醇等物質，加快腸道食糜排空速度，縮短有毒物質在腸道內的滯留時間，抑制腸道對其吸收。

1.2 膳食纖維與腸道微生物互作

對歐洲188項不同的研究表明，其中大部分是隨機的(96%)，研究對象是被認為健康的17歲以上成年人(81%)。研究檢驗膳食纖維對9個預先定義的生理健康領域中的至少一個的影響，從“膳食纖維-微生物-生理軸”的介入中獲取數據[11-12]，可能是低碳水化合物的飲食導致微生物群落多樣性的逐步喪失，造成生態失衡，病原菌的擴散，微生物組成的變化，某種物種豐度的增加或減少，微生物功能能力的變化。也有研究者認為，高脂肪、低發酵膳食纖維的飲食會使微生物群轉向一種與腸道炎癥風險增加相關的更不健康的模式。因此，DF誘導的腸道菌群調控其對健康和疾病的潛在影響而引起研究者的興趣。然而，目前還不清楚這些變化如何可預測其發生方式(圖1)。

圖1 膳食纖維-微生物群-生理軸[16]

Dewulf等[13]試驗表明，給30個受試的肥胖婦女在飲食中添加菊粉類的果糖，通過為期3個月的觀察以及對其腸道微生物的16S rRNA的檢測發現，在飲食中添加菊粉類果糖的受試者其腸道微生物的組成中厚壁菌門(Firmicutes)和放線菌門(Actinobacteria)的相對豐度有所增加，擬桿菌門(Bacteroides)減少，其它的菌屬雙歧桿菌(Bifidobacterium)，糞桿菌(Faecalibacterium)，以及普拉梭桿菌(Prausnitzii)的相對豐度提升，同時也觀察到其與血液中的脂多糖呈現負相關。試驗通過對某些細菌種類與代謝內毒素血癥或代謝組學特征之間的相關性分析，證實菊粉類果糖的攝入選擇性地改變肥胖女性腸道菌群的組成，從而導致宿主代謝的適度改變。Reimer等[4]在為期12周的試驗中發現，對飲食中添加菊粉類果糖的受試者糞便進行測定，菊粉類果糖能夠增加腸道內的雙歧桿菌的相對豐度，與對照組相比，添加菊粉類果糖中，受試者的食欲、饑餓感與預期的食物消耗都有明顯的降低。Ho等[14]對I型糖尿病兒童添加濃縮的低聚果糖菊粉3～6個月，酮酸癥沒有明顯改善，但C-肽明顯增多，腸道的通透性也顯著增加。結果表明，飲食中攝入菊粉類低聚果糖可改變腸道菌群的結構，對于肥胖患者能夠增加其腸道微生物的豐度，降低食物的攝入，體重下降，對于I型糖尿病患者來說能夠增加C-肽含量，對胰島細胞功能有一定幫助，同時也改善腸道內微環境。Miyamoto等[15]發現，在高脂飼喂小鼠飲食中添加大麥β-葡聚糖可顯著提高腸道中的放線菌和雙歧桿菌的數量。Bai等[16]在高脂誘導肥胖大鼠飲食中添加苦瓜粉，能夠顯著提高疣微菌門(Verrucomicrobia)以及一些產丁酸鹽菌(BlautiaandAllobaculum)的數量。Barczynska等[17]的試驗表明，馬鈴薯糊精可使高脂飲食誘導的肥胖大鼠腸道中乳酸桿菌、雙歧桿菌、普雷沃氏菌(Prevotella)和擬桿菌數量提高，對梭菌屬(Clostridium)數量有顯著抑制。Ferrario等[18]研究表明，菊粉和抗性淀粉可增加腸道中擬桿菌門，普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)和瘤胃球菌屬(Ruminococcus)的數量，降低變形菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門數量，可以作為改善腸道微生物菌群結構的理想食物佐劑。

2 短鏈脂肪酸對宿主健康的影響

不可消化的碳水化合物在腸道內主要被分解成為乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等，可能在能量穩態、免疫功能和宿主微生物信號傳導等方面發揮作用，被腸道上皮細胞尤其是盲腸上皮吸收，占腸道內所有SCFA的95%以上，同時也產生不易被人體消化的乳酸[19-20]。在不同腸段SCFA的含量也不盡相同，在小腸與大腸內都有發現乙酸鹽和丙酸鹽，丁酸鹽則主要在結腸和盲腸內被發現[21]。腸道內微生物發酵產生的SCFA會通過血液運輸到人體內肝臟等器官，對保持健康有積極效應。不同的腸道細菌通過多種代謝途徑產生，作用于不同的載體或細胞，并發揮相應的調節代謝作用(見表1)。

表1 SCFAs的產生途徑[23]

近年來，研究證明SCFA在免疫方面的效力，對維持腸道內免疫反應以及個體免疫反應都有重要的意義。SCFA可作能量物質，同時也是信號分子。它的產生與攝入食物中的DF關系密切，腸道內SCFA是由食物中不能被機體分解的DF由腸道內的微生物發酵產生，DF為腸道內的微生物提供足夠的能量。當食物中的膳食纖維不足時，腸道微生物的發酵活性降低。研究證實，長期攝入高脂肪、高蔗糖的食物會導致腸道內的某些菌群消失[22]。腸道內的免疫反應要保持在一個平衡狀態。研究發現，SCFA對于個體的免疫系統也有重要作用。Park等[7]研究SCFA能夠直接影響T細胞分化，促進T細胞分化為Th1和Th17等效應T細胞，通過對GPR41或GPR43依賴的HDAC抑制劑的激活以及之后對mTOR-S6K的激活來促進T細胞的分化和細胞因子的表達。

SCFA主要是由腸道微生物代謝產生，可通過“腦-腸軸”發揮作用，影響宿主的身體狀態，同時取決于腸道內菌群組成、消化時間(在腸道運轉的時間)、宿主-微生物代謝通量以及宿主食物中的纖維含量[24]。SCFA是腸道微生物影響宿主健康的一種方式。例如，丁酸鹽可以抑制大腸炎癥以及大腸癌[25]，通過抑制組蛋白去乙酰化酶(HDAC)來改變許多不同功能的基因表達。從而控制細胞分化，增殖以及凋亡的基因。此外，丁酸鹽在癌細胞內濃度為正常細胞內的3倍，可作為HDAC的抑制劑，有效抑制HDAC活性[26]。而在正常的結腸上皮細胞以及干細胞內丁酸鹽可以正常代謝，不會受到因丁酸鹽濃度過高引起的細胞抑制以及功能的損傷[27]。由擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、普氏菌屬(prausnitzii)以及瘤胃球菌屬產生的乙酸鹽可通過血腦屏障作用于大腦[28-30]。Gao等[31]的試驗表明，給高脂飼料喂養的小鼠添加乙酸鹽，能夠增加代謝能力，使其增加能量消耗，從而使其對肥胖具有一定抵抗能力。丙酸鹽可促進肝臟內的糖異生作用，降低體內血液中的膽固醇含量，對于體重的控制也有積極影響[32]。研究證實丙酸和丁酸能夠誘導細胞的分化和凋亡，影響某些癌癥的發生[33]。Chambers等[8]給成年超重者長期于飲食中添加丙酸鹽，同樣可以控制體重，顯著降低受試者體重的增加速率。

3 展望

隨著研究者對DF與動物健康關系的認知不斷深入，DF作為一類能夠改善腸道微生物菌群結構的物質，從不同的角度對于腸道菌群活性重新定位和認知，通過個性化微生物組學分析越來越明確。對于DF發揮作用方式，主要是通過被微生物代謝為SCFAs而促進一些菌的生長，改變腸道環境，抑制另一些菌的生長和供能，兩者之間存在競爭互作關系，其對于宿主健康和免疫功能方面的作用影響深遠。SCFAs與DF二者間的作用機制需要進一步深入探究。