巖藻多糖對腸道屏障的保護作用研究

邱霞 王發合 秦益民 孫占一 余俊紅 尹花

腸道不僅是營養物質攝取利用的重要場所，也是阻止致病菌及毒素等有害物質進入機體的先天性屏障。腸道屏障包括以上皮細胞為主的物理屏障，以腸液、黏液蛋白及消化酶為主的化學屏障，以免疫細胞和免疫因子為主的免疫屏障和內源性細菌構成的微生物屏障[1]。腸道屏障主要具有兩個功能，一方面作為屏障可以阻擋進入腸腔的外來抗原、微生物及其產生的有毒有害物質吸收入體內；另一方面作為機體選擇性的過濾器，將攝入的營養物質、電解質和水從腸腔內轉移到機體代謝循環中[2]。腸道屏障功能出現異常與多種疾病發生發展密切相關。腸道屏障功能受損會導致營養物質的消化吸收功能紊亂、機體生長緩慢、免疫能力下降、增強對病原微生物的易感性，從而引起各種疾病。為了保障腸道屏障功能，科學家通過應用某些天然產物改善腸道pH值，調節腸道微生態，激活內源酶，最終調動和激發自身免疫系統，達到維護腸道健康的作用[3]。

巖藻多糖(fucoidan)是一種特有的含有硫酸基的活性多糖，主要存在于海帶、裙帶菜等褐藻的細胞壁基質、細胞間隙及分泌的黏液中，作為食源性天然產物，具有多種生物學活性[4]。近年來研究發現巖藻多糖通過修復腸黏膜、增強免疫功能、調節腸道菌群等來維護腸道健康，對腸道物理、化學、免疫和微生物屏障均有一定的保護作用[5]，本文主要針對巖藻多糖保護腸道屏障的作用和機制進行綜述。

1 巖藻多糖對腸道物理屏障的作用

1.1 腸道物理屏障的結構功能 腸道物理屏障包括腸道動力功能和腸道上皮細胞及細胞間的連接，是腸道抵御外界環境的第一道防線，對腸道屏障結構和功能具有重要的意義。腸道上皮細胞間的連接包括緊密連接、黏附連接和橋粒等結構，其中緊密連接位于腸道上皮細胞外膜的頂端，是一細長的帶狀樣結構，可以阻斷腸腔中的細菌和毒素等大分子物質通過細胞間隙進入到血液循環中。緊密連接是最重要的細胞間結構，決定著整個腸道物理屏障的功能。它具有高度的動態穩定性，其通透性受到胞內外信號的調節和機體飲食、疾病、應激等的影響[6]。

1.2 巖藻多糖促進腸動力 腸道的波狀收縮形成腸蠕動，是腸道物理屏障的重要組成部分，食物由胃初步消化后進入到小腸，小腸在吸收營養物質時產生蠕動，食物在小腸被消化后進入到大腸等待被排出體外引起大腸蠕動。腸動力與人體健康密切相關，腸蠕動增加使腸鳴音亢進會引起腹瀉等癥狀，而蠕動減少則引起腸張力降低導致便秘等疾病。Matayoshi等[7]采用雙盲隨機臨床試驗進行了巖藻多糖改善便秘的功效研究，試驗結果顯示，每日服用1 g巖藻多糖持續4周可明顯改善便秘患者的排便天數、排便次數、排便軟硬指數和排便體積，如服用巖藻多糖持續8周效果更加明顯，并且試驗期間沒有發現任何副作用。認為服用海蘊巖藻多糖可以促進腸道蠕動，改善便秘，具有很好的調理腸道機械屏障的功效。

1.3 巖藻多糖改善小腸組織形態 小腸壁的內表面有大量的環形皺襞，皺襞上有許多絨毛狀的突起，叫小腸絨毛。小腸絨毛可增大小腸吸收的面積近600倍，起到過濾物質的作用。小腸絨毛長度和腸隱窩深度是衡量小腸消化吸收功能的兩項重要指標，二者的比值顯示小腸的綜合功能狀況。腸隱窩深度代表細胞的生成率，隱窩越淺細胞成熟度越好，分泌功能越好；隱窩深度增加表明腸道分泌功能變差。化療藥物環磷酰胺可造成腸黏膜物理屏障的損傷。小腸切片結果顯示，空白組腸絨毛排列緊密，結構完整，且長度較長；而環磷酰胺模型組腸絨毛排列松散，長度變短，而且小腸絨毛長度和腸隱窩深度比值(V/C)顯著下降。研究人員從海地瓜中分離巖藻多糖，分析其對損傷的腸道黏膜的作用，發現每日服用巖藻多糖可以減緩環磷酰胺誘導的腸道黏膜物理屏障的損傷。實驗結果發現巖藻多糖干預后受到環磷酰胺損傷的小腸組織形態得到明顯改善，小腸絨毛長度有不同程度的增長，其中分子量為50 kD組改善效果更加顯著；另外，巖藻多糖及其酶解產物對V/C比值也有不同程度的改善作用，其中50 kD組改善效果更加顯著[8]。研究人員對乳腺癌大鼠模型的腸道物理屏障結構進行分析發現，空白組大鼠腸道的絨毛比較平滑，其腺體也是正常的，而模型組大鼠的腸壁物理屏障結構受損明顯，小腸絨毛剝落，丟失了絨毛結構，同時V/C的比值也明顯降低。給這些大鼠每日服用巖藻多糖后，發現小腸絨毛的形態學結構得到明顯改善，腸壁結構清晰，趨于完整，說明巖藻多糖可以一定程度上修復受損腸黏膜，增加緊密連接蛋白的表達，緩解腸道黏膜物理屏障的損傷[9]。

1.4 巖藻多糖修復腸道上皮細胞損傷 炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一種病因未明的腸道非特異性炎癥性疾病，包括克羅恩病和潰瘍性結腸炎，其腸道的病理改變主要表現為腸道物理屏障的損傷破壞。多項動物實驗顯示，巖藻多糖對人正常結腸上皮細胞增生有一定的促進作用，可明顯緩解炎癥性腸病模型組動物的相關癥狀，改善腸道病理評分，減輕腸黏膜物理屏障的損傷[10]。科學家發現腸道物理屏障損傷的致病機制可能是異常的細胞信號通路破壞了腸上皮細胞分化的關鍵基因[11]。Notch 1信號通路是介導結腸上皮細胞的分化過程的重要通路之一，Hes-1靶基因被激活之后，Notch 1信號傳導，誘導腸道祖/干細胞增生，調控結腸上皮細胞的分化，促進結腸上皮細胞再生，修復腸道上皮細胞的損傷，緩解腸道黏膜屏障的破壞。研究發現炎癥性腸病患者的易感性增加可能與缺乏Notch 1信號有關[11]。由于炎癥性腸病是慢性復發性疾病，現階段治療藥物效果有限，患者病情常遷延不愈，具有較高的復發率，生活質量受到嚴重影響。醫務工作者一直在尋找治療炎癥性腸病的新方案，食源性天然產物中多糖類物質對腸道的保護作用近期受到科學家的廣泛關注。國外一項動物實驗研究[12]發現低分子量的巖藻多糖可以修復新霉素損傷的斑馬魚毛細胞，其機制可能與調節Notch信號通路相關。林媛[13]通過加入脂多糖構建人結腸上皮細胞炎性損傷的細胞模型；分別用低、中、高(50、100、200 μg/L)濃度巖藻多糖體外培養細胞觀察巖藻多糖對炎癥損傷細胞模型的影響。實驗結果顯示巖藻多糖干預組的細胞存活率顯著上升，且與巖藻多糖培養基濃度呈正相關，說明巖藻多糖對炎癥損傷所造成的腸道細胞增生率降低具有顯著緩解作用，而且作用效果呈劑量依賴性。

2 巖藻多糖對腸道免疫屏障的作用

2.1 腸道免疫屏障的結構功能 腸道是體內最大的免疫器官，腸道黏膜的25%由淋巴樣組織構成，在腸道免疫屏障抵抗病菌侵襲的過程中發揮重要作用，其中淋巴細胞、巨噬細胞、肥大細胞等是免疫應答的誘導和活化部位。自然殺傷細胞、效應T淋巴細胞、效應B淋巴細胞、漿細胞等是腸道免疫的效應細胞，通過分泌效應因子等途徑發揮特異性細胞免疫和非特異性細胞免疫功能。分泌型免疫球蛋白A(SIgA)在腸道固有層產生后經腸道上皮細胞加工后分泌到腸腔中，可阻斷細菌、毒素和病毒等抗原在黏膜上的黏附，起到清除抗原的作用，在腸道免疫的效應分子中起著關鍵作用。腸道中的黏膜免疫反應由腸黏膜表面附著的抗原引發，外部抗原進入腸道后接觸誘導部位，腸道黏膜中的淋巴濾泡集結將抗原物質轉移到巨噬細胞，巨噬細胞對抗原進行加工，并將抗原轉給輔助性T淋巴細胞，然后激活B淋巴細胞使其分化增生產生大量的分泌型IgA轉運到腸腔后發揮生理功效。有些淋巴細胞游走到其他組織器官的黏膜表面，激活機體的黏膜免疫系統形成共擁黏膜免疫系統，同時激活系統免疫，抵抗病原微生物的入侵從而維持機體的健康狀況[1]。

2.2 巖藻多糖激活腸道免疫細胞 研究人員[13]通過一系列科學實驗發現巖藻多糖可刺激免疫活性細胞增生、分化、成熟，調節腸道輔助性T細胞Th1/Th2的比值，保護腸道的免疫屏障，減輕機體的炎癥反應。Xue等發現巖藻多糖對DMBA誘發的乳腺癌大鼠的腸道免疫屏障損傷具有一定的保護作用，能使大鼠腸道緊密連接蛋白occludin和ZO-1的表達增加[9]。與此一致的是，Shang等發現巖藻多糖能夠減少機體抗原負荷，緩解宿主的炎癥反應，增加免疫球蛋白A(IgA)的表達，降低血清脂多糖結合蛋白水平[14]。O'Shea等對葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導的豬結腸炎實驗動物模型進行巖藻多糖灌胃干預，觀察巖藻多糖對結腸炎病理改變的影響，發現巖藻多糖可改善豬的體質量、近端結腸病理評分及腹瀉評分，同時降低了結腸IL-6 mRNA豐度[15]。

2.3 巖藻多糖調節細胞因子的表達 腸道黏膜免疫系統誘導細胞和效應細胞產生IL-1，IL-6，IL-8，TNF-α 等 致 炎 細 胞 因 子 和IL-4，IL-10，IL-13，TGF等抗炎細胞因子，這兩種細胞因子在腸道免疫屏障防御方面發揮重要作用，二者的數量和功能異常或者平衡失調，與某些疾病的發生發展密切相關。越來越多的實驗證據表明巖藻多糖能夠調節腸黏膜中某些細胞因子的表達。Park等[16]研究發現巖藻多糖通過抑制巨噬細胞分泌IL-1β、IL-13、TNF-α、IL-6、IFN-γ等炎癥因子，發揮其增強腸道免疫屏障功能，提高機體抗炎作用。TNF-α在炎癥細胞信號轉導中起著重要作用，消化內科醫生應用TNF-α抑制劑改善急性結腸炎患者癥狀。實驗結果表明巖藻多糖能阻斷體外共同培養的腸道炎癥模型中的巨噬細胞源性TNF-α的產生，對TNF-α信號有明顯的抑制作用，考慮巖藻多糖作為TNF-α抑制劑輔助治療結腸炎的可能性[17]。趨化因子在炎癥反應中的主要作用是趨化細胞的遷移，吳俊仙等[10]研究發現口服巖藻多糖可以抑制趨化因子的表達，從而減輕腸道炎癥反應。巖藻多糖還能通過增加細胞因子IL-6和IL-10的表達增加IgA的表達，從而增強腸道的獲得性免疫[5]。科學家通過體內外實驗還發現巖藻多糖可以直接與免疫細胞toll樣受體作用，產生粘蛋白增強免疫應答[18]。

2.4 巖藻多糖促進免疫效應細胞 巖藻多糖通過促進免疫效應細胞，調節腸道免疫屏障，提高機體免疫能力，從而在抑制腸道腫瘤，緩解化療副作用中具有輔助治療作用。科學家體外試驗表明不同來源的巖藻多糖可激發人體免疫效應細胞活性，下調胰島素樣生長因子Ⅰ受體(IGFR)信號通路、阻滯細胞周期、介導腫瘤細胞凋亡，從而抑制多種人結直腸癌細胞[9]。Usoltseva等[4]體外細胞實驗發現，來源于波利團扇藻的巖藻多糖及其衍生物對人結直腸腺癌上皮細胞和人結腸癌細胞的生長具有明顯抑制作用。研究發現巖藻多糖可以不依賴于p53基因，單獨發揮其抑癌作用，當然也可以協同p53基因發揮抑癌作用。Chen等[19]發現巖藻多糖對結腸癌細胞內質網蛋白-29的表達有抑制作用，對凋亡蛋白Bax表達有促進作用，從而誘導結腸癌細胞的凋亡。Kim等[20]發現巖藻多糖通過死亡受體和線粒體介導途徑影響細胞凋亡信號通路誘導結腸癌細胞凋亡。Azuma等分別給結腸癌小鼠模型喂食高分子量(300 ～330 kDa)、中分子量(110～138 kDa)及低分子量(6.5 ～40 kDa)的巖藻多糖，發現中分子量巖藻多糖對結腸癌腫瘤細胞的抑制作用最顯著，高分子量巖藻多糖組干預的結腸癌小鼠的生存期最長，結果顯示巖藻多糖可以提升小鼠脾臟中自然殺傷細胞的數量，增加小鼠機體的免疫力，產生有效的抗腫瘤作用[21]。

3 巖藻多糖對腸道微生物屏障的作用

3.1 腸道微生物屏障的結構功能 人體腸道內存在大量共生菌附著在腸道表面黏膜層上，刺激腸道上皮細胞分泌多種物質，與宿主形成動態穩定的微生態系統，稱為腸道微生物屏障。正常生理狀態下，腸道微生態的正常菌群及其代謝物參與人體所需維生素和氨基酸等物質的合成與代謝，促進機體對營養物質的消化吸收，通過競爭性黏附等機制抑制病原菌的定植和繁殖，提高人類抵抗腸道病原菌引起的感染性疾病的能力。腸道菌群的穩定性遭到破壞會降低腸道抵抗條件致病菌定植的能力。腸道微生物屏障在維持人體健康中起重要作用，是維持人體健康的必要因素，也反映了機體內環境穩定的狀態[1]。Fasano等[22]發現腸道菌群協同腸道物理屏障和免疫屏障，調控腸道黏膜緊密連接，調節黏膜樹突狀細胞蛋白量，激活NF-κB，抑制促炎細胞因子，參與宿主免疫。多項研究證明，人體腸道菌群組成和功能受到包括飲食等多種因素的影響，腸道菌群在代謝性疾病中發揮重要作用，菌群失調是肥胖、糖尿病、高脂血癥、高血壓等多種疾病發生發展的重要危險因素[23]。

3.2 巖藻多糖重塑腸道菌群 巖藻多糖是對多種細菌有抑制作用的海藻多糖，抑菌活性的大小同巖藻多糖的分子量和硫酸基與糖醛酸的含量有關，分子量越低、糖醛酸含量越高、葡萄糖含量越低，其抑菌活性越強。體外實驗研究發現海帶來源的巖藻多糖在解聚為低分子量巖藻多糖后對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌均有抑制作用，并且對大腸埃希菌具有更強的抑制作用[24]。進一步研究其作用機制，發現巖藻多糖可以與細菌細胞膜蛋白結合，破壞磷脂雙分子層和細胞膜的完整性，改變細胞膜蛋白的結構，破壞細菌的細胞膜。

實驗研究發現巖藻多糖可以改變腸道菌群結構，增加菌群多樣性，提高腸道菌群的豐度，具有保護腸道微生物屏障功能的作用[9]。Shi等發現每日飲食中添加50 mg/kg·bw巖藻多糖可以改變正常小鼠的腸道菌群，增加菌群多樣性，顯著增加小鼠腸道中益生菌Coprococcus、Rikenella、Butyricicoccus的數量和豐度，從而減輕CTX誘導的腸黏膜損傷[17]。Liu等[25]研究發現裙帶菜來源的巖藻多糖可以增加雄性SD大鼠腸道中放線菌(Actinobacteria)、腸桿菌屬(Enterobacter)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、普雷沃菌屬(Prevotella)、顫螺菌屬 (Oscillospira)、阿克曼菌(Akkermansia)和脫硫弧菌等的相對數量與豐度，降低變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、梭菌屬(Clostridium)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)、氣球菌屬(Aerococcus)和乳桿菌屬相對數量與豐度。同時發現巖藻多糖可提高小腸內容物中的細菌BSH酶活性和干酪乳桿菌DM8121的BSH活性。Shang等[14]采用高通量測序和生物信息學分析方法，研究了不同分子量巖藻多糖對腸道菌群的調節作用，發現巖藻多糖處理后顯著增加了乳酸桿菌和瘤球菌科等有益細菌的數量。這一系列研究提示巖藻多糖或可作為潛在的益生元調節腸道微生態，為臨床醫生和健康管理人員預防和治療相關代謝疾病帶來啟示。

3.3 巖藻多糖通過腸道菌群介導輔助治療疾病巖藻多糖可作為功能性食品和潛在益生元微生態調節劑，通過腸道菌群介導輔助治療某些疾病[26]。檢測發現膳食中補充巖藻多糖可以重塑腸道菌群，保持腸道微生物群的平衡組成，科學家認為巖藻多糖可以作為腸道微生物群調節劑用于促進健康和治療腸道功能紊亂，顯著降低宿主體內的抗原負荷和炎癥反應，減少血清脂多糖結合蛋白水平，保持機體腸道年輕態[16]。Chen等[19]研究發現巖藻多糖改善腸道菌群的同時緩解環磷酰胺導致的腸道黏膜損傷，逆轉腸黏膜在藥物治療期間的損害，這對腫瘤化療前后的營養干預具有很好的指導意義。

Liu等[25]檢測結果表明自裙帶菜提取的巖藻多糖通過腸道菌群的介導對高脂膳食誘導小鼠血脂異常具有改善作用。進一步研究發現血脂異常小鼠腸道中葡萄球菌的豐度較高，巖藻多糖可明顯減少該菌屬數量；巖藻多糖還可以顯著升高與肥胖呈負相關的擬普雷沃氏菌屬的豐度。Chen等[27]應用16S rRNA基因測序分析腸道菌群，研究發現補充巖藻多糖可以降低高脂膳食引起的棒狀桿菌、短桿菌和空氣球菌豐度和數量，有效恢復高脂膳食誘發的大鼠腸道菌群穩態破壞，改善血脂異常。

研究發現糖尿病前期和糖尿病患者的阿克曼菌顯著減少，而巖藻多糖干預糖尿病模型小鼠后此菌明顯富集，阿克曼菌失調癥得到顯著改善，胰島素抵抗等代謝紊亂得到逆轉[28]。認為巖藻多糖可能通過調節腸道菌群，降低炎癥水平，改善糖耐量，預防和延緩糖尿病的發生發展。此外，巖藻多糖可能還通過細菌物種的先天信號分子減少了脂多糖的產生，對糖尿病產生保護作用[9]。科學研究表明腸道微生物代謝物可以限制自身免疫T細胞的表達頻率，預防1型糖尿病[29]。越來越多的證據表明，微生物產生的短鏈脂肪酸在調節葡萄糖穩態方面具有獨特的作用，與糖尿病的發生發展呈顯著正相關[30]。而來源于羊棲菜的巖藻多糖提高了產生丁酸和乙酸的產生菌Alloprevoella的相對豐度，可能是未來治療糖尿病有前途的補充或者替代藥物之一[31]。

Shang等[14]實驗表明巖藻多糖可通過降低血清細菌脂多糖水平改善腸道菌群組成和功能，維持腸道菌群平衡，降低宿主體內的抗原負荷和炎癥反應，在慢性代謝性疾病中發揮正向調控作用。一項使用小鼠疾病模型的研究[32]證明巖藻多糖對飲食誘導代謝綜合征有類似有益作用。研究結果發現[32]，兩種日本紋層藻來源的巖藻多糖能顯著減少體質量的增長、降低空腹血糖、改善肝臟脂肪變性、緩解機體炎癥反應。進一步從腸道菌群的角度分析治療效果的機制，發現巖藻多糖可以豐富異丙戊菌、布勞提亞和擬桿菌等有助于宿主健康的有益菌，增加短鏈脂肪酸的產生，闡明了巖藻多糖作為一種抗代謝綜合征的功能食品應用可能性[32]。

4 腸道化學屏障對巖藻多糖的吸收作用

腸道化學屏障主要是由黏液層所構成，黏液層可改變腸道微生物的位點，防止它們與宿主腸道組織細胞的直接接觸。此外，腸道中產生的一些物質如膽汁膽鹽、黏多糖、溶菌酶和糖蛋白等也起到一定的化學屏障作用。化學屏障缺陷可導致腸道通透性增加，從而造成腸上皮細胞炎癥損傷，而且黏液層破壞的解剖部位與形態學上腸道損傷的部位相關[33]。腸上皮細胞緊密連接蛋白在腸道化學屏障中具有重要意義，其受損程度與腸黏膜的通透性成正相關。而黏膜通透性的增加為腸腔細菌、毒素等物質穿透腸黏膜而進入其他組織、器官或循環系統提供了機會，最終導致疾病。吳俊仙等研究發現口服巖藻多糖能上調腸上皮細胞緊密連接蛋白的表達，修復腸上皮黏膜的完整性，保護腸道化學屏障，說明巖藻多糖具有預防和輔助治療腸炎的作用[10]。

在腸道中，各種形式的膽汁酸充分發揮各自的生理功能。腸道上段膽汁酸與脂類的消化吸收有關。腸道下段膽汁酸自身發生變化：在腸內細菌作用下發生轉化，并在腸黏膜中大部分以原來的或轉化的形式按主動運輸或被動運輸機制被重新吸收，只有一小部分隨食物殘渣排出體外。研究發現[25]來自裙帶菜的巖藻多糖改善血脂異常模型動物血脂水平的作用機制，發現巖藻多糖可增加影響脂質代謝的肝臟膽汁酸合成限速酶CYP7A1，從而改善由高脂飲食造成的肝臟脂肪變性。還發現巖藻多糖通過降低與膽固醇生物合成相關基因的蛋白- 固醇調節元件結合蛋白2(SREBP-2)的表達降低肝臟TC和TG水平。SREBP-2可以通過誘導3羥基3甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMG-CoA Reductase，HMGCR)和膽固醇合成途徑的其他酶的基因轉錄，選擇性地激活膽固醇從頭合成。因此巖藻多糖可能通過介導HMGCR 和SREBP-2來改善血脂異常。

5 小結

腸道是人體最大的消化器官，每天攝入食物的99%靠腸道吸收。因此，腸道功能對機體健康和壽命具有舉足輕重的影響。腸道屏障功能出現異常導致營養物質的消化吸收功能紊亂、生長緩慢、抗病能力下降、對病原微生物的易感性增強，引起各種疾病的發生。巖藻多糖作為天然的功能食品在保護腸道物理屏障、化學屏障、免疫屏障和微生物屏障方面效果顯著。首先，巖藻多糖可以促進腸蠕動，改善小腸形態結構，修復腸道上皮細胞；其次，巖藻多糖能夠激活腸道免疫細胞，調節細胞因子的表達，促進免疫效應細胞；再次，巖藻多糖扶植腸道有益菌群的增生，抑制有害菌群的植入，調節腸道菌群的結構與代謝功能，通過腸道菌群介導預防治療疾病，最后，巖藻多糖減少腸道通透性，修復腸黏膜炎癥損傷，并調節膽汁酸合成影響脂質代謝。

由于巖藻多糖在胃和小腸內不能被消化降解，而被大腸內細菌降解后進行生物轉化發揮其生物學功能。不同的巖藻多糖的來源和提取方式不同，其分子量和巖藻糖組成等具有明顯差異，對腸道屏障的作用效果也存在一定的差別。未來需要更多的基礎研究和臨床研究驗證巖藻多糖保護腸道屏障的機制，探索其作為微生態調節劑的開發應用。隨著科學家的深入研究，巖藻多糖有望成為預防和治療胃腸道疾病和慢性代謝性疾病的替代藥物和功能食品。