益生菌的生理功能及抑癌和抑菌機制的研究進展

張文曉，肖純凌

（沈陽醫學院基礎醫學院，遼寧省環境污染與健康重點實驗室，遼寧 沈陽 110034）

益生菌屬于細菌的類別，但它們和細菌又具有不同的特征。糧食及農業組織和世界衛生組織定義了益生菌微生物的以下特征：（1）益生菌應按分類保存在國際認可的培養物中；（2）食用前必須經過培養，處理和儲存后才能保持活力和穩定；（3）它們可以抵抗胃酸、膽汁和胰酶的消化；（4）它們在攝入人體之后，必須通過黏附于腸上皮或通過其他機制誘導宿主反應；（5）食用后必須對宿主產生功能或臨床益處；（6）食用后能夠保持人體的安全性［1］。研究指出使用益生菌和益生元對人體健康有益處，益生菌的生理功能大體上可被概括為保護、免疫、抑菌、平衡和營養，此外，它還可以預防和治療多種疾病［2］。本文就益生菌的生理功能及其抑癌、抑菌機制進行綜述。

1 益生菌的生理功能

1.1 免疫調節作用 益生菌在正常定植于宿主體內后，可以上調體內免疫球蛋白、抗菌蛋白的數量，提高吞噬細胞和自然殺傷細胞的活性來增強機體的先天免疫力；可以通過改善抗原呈遞B 細胞和T 淋巴細胞的功能來增強機體的獲得性免疫［3-4］。

1.2 改善腸道菌群結構和維持腸道菌群平衡 腸道微生態系統是人體內最大的微生態系統，里面存在有大量且不同種類的微生物菌群，這些微生物絕大多數是細菌。益生菌可以改善腸道菌群的結構，如乳酸菌、雙歧桿菌和鏈球菌三種益生菌通過協同作用增加厚壁菌門和放線菌的數量，同時減少擬桿菌門和變形桿菌的來改善腸道菌群的結構［5］。腸道中菌群的平衡是通過不同菌種之間的拮抗和共生，微生物和宿主之間的相互作用關系來達到腸道微生態的平衡，益生菌在進入宿主體內繁殖后，可以分泌一系列的代謝產物，如細菌素、過氧化氫和有機酸等來抑制致病菌的活性，從而和宿主腸道中的其他菌種共同維持腸道菌群的動態平衡［6-8］。

1.3 抑菌作用 自從抗生素時代到來之后，耐藥微生物也隨之出現［9］，抗菌素耐藥性（AMR）已成為21世紀的主要公共衛生問題之一［10］，多重耐藥菌株導致的疾病感染率在全世界范圍內不斷增加［7］，迫切的需要尋找抗生素的替代療法，而益生菌治療被廣泛認為是一種有希望的替代療法［11］。有研究表明，不同種類的乳酸桿菌對經典抗生素抗性細菌MRSA 和其他新興的抗生素抗性微生物具有顯著的抑制作用［12］。Bhola 等［7］通過體外實驗分析了乳酸桿菌菌株的抗菌活性，并且評估了其抑制臨床分離的MDR微生物的能力，研究把植物乳桿菌、嗜酸乳桿菌和干酪乳桿菌三種菌株單獨以及各自組合通過改良瓊脂擴散實驗分別確定了它們的全細胞液、無細胞上清液、細胞裂解液對標準金黃色葡萄球菌NCIM2127和其他9株葡萄球菌的隨機臨床分離株均具有不同抑制作用，且植物乳桿菌、嗜酸乳桿菌和干酪乳桿菌以1∶1∶1這樣的組合形式抑菌效果最好。除了用于多重耐藥菌株感染的治療，益生菌也對人類致病的普通菌株具有抑制作用。Glück 等［13］的研究發現人體定期攝入益生菌可以減少定植于鼻部的致病菌，如金黃色葡萄球菌、肺炎鏈球菌和β-溶血性鏈球菌。Prabhurajeshwar 等［14］從凝乳樣品中分離得到的16株乳酸桿菌（T1-T16），然后利用瓊脂孔擴散法測試了它們對金黃色葡萄球菌（MTCC 96）、糞腸球菌（MTCC439）、肺炎克雷伯菌（MTCC 432）、銅綠假單胞菌（MTCC 7925）、大腸桿菌（MTCC 443）、鼠傷寒沙門氏菌（MTCC734）和志賀氏菌的抑制作用，發現這些乳酸桿菌對測試病原體均有抑制作用，抑菌圈平均直徑為15～25 mm。

1.4 營養作用 一些益生菌，如植物乳桿菌、羅伊氏乳桿菌，可以合成人體生長發育所必需的B族維生素和氨基酸，促進多種礦物元素的吸收，同時可以產生酯酶、脂肪酶和輔酶A、輔酶Q、NAD 和NADP 等物質，從而對人體的營養健康發揮很大的作用［15］。

1.5 降低膽固醇的含量 有研究發現，食用含益生菌的乳制品可以降低血液中的膽固醇含量，這可能有助于預防肥胖、糖尿病、心血管疾病和腦卒中［15］。在一項關于益生菌降低人體膽固醇含量的臨床隨機對照實驗中，45 例臨床無癥狀的高膽固醇血癥參與者食用了含有抗氧化和抗動脈粥樣硬化功能的益生菌發酵乳桿菌ME-3，持續4 周之后，血清總膽固醇含量降低，高密度脂蛋白的水平升高，差異有統計學意義［16］。

1.6 其他生理功能 益生菌除了預防和治療腸道相關疾病，也可以減緩癌癥、過敏這些慢性疾病的進程，減緩感染HIV 個體的癥狀，降低呼吸道感染的發生率［17-18］。據報道，乳酸菌菌株還可以產生抗氧化劑，這些抗氧化劑可以清除自由基，例如超氧陰離子和羥基自由基，保護機體免受氧化損傷［19］。

2 益生菌抑癌機制

隨著時代的發展，醫學和科學技術水平雖然不斷提高，但癌癥依舊是威脅全世界人類健康的殺手。益生菌治療已被證明可有效預防和治療癌癥的發生［20］。迄今為止，已報道并建立了幾種通過益生菌預防和治療癌癥的機制。

2.1 降解潛在致癌物和防止DNA損傷 環境致癌物如N-亞硝胺等暴露會導致各種形式的DNA 損傷，例如DNA 鏈斷裂、氧化損傷以及DNA-DNA或DNA-蛋白質交聯等，從而誘導腫瘤的形成［21-22］。已有研究發現，乳酸桿菌和雙歧桿菌會抑制致癌化合物形成腫瘤的能力［23］。在一項對雄性SD大鼠的體內實驗中，嗜酸乳桿菌和抗性淀粉的組合可以促進大鼠結腸癌引發劑誘導的DNA損傷的凋亡反應［24］。

2.2 增強人體的免疫功能和減少炎癥反應 有研究表明，益生菌可以增強癌癥患者的免疫系統［18］。Lakritz 等［25］報 道 羅 伊 氏 乳 桿 菌ATCCPTA-6475 可以通過觸發CD4+和CD25+淋巴細胞的免疫反應，抑制野生型和FVB 株erbB2（HER2）突變小鼠的乳腺癌發生。幽門螺桿菌感染是導致胃癌發生的重要因素。幽門螺桿菌相關的致癌途徑之一是“炎癥-萎縮-腸化生-異型增生-腺癌”［26］。Lee 等［27］發現，幽門螺桿菌或其脂多糖刺激AGS 細胞后，可以顯著地增加炎癥介質，如TNF-α、IL-8、誘導型一氧化氮合酶（NOS）和COX-2 的表達，而植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌和嗜酸乳桿菌預處理細胞后顯著地抑制了這些介質的表達，且益生菌給藥后可通過STAT-1/STAT-3激活和JAK2 失活而激活SOCS 抗炎信號傳導，從而發揮抗炎作用。

2.3 抗腫瘤或抗誘變化合物的產生 益生菌在代謝的過程中會產生抗菌化合物短鏈脂肪酸，有證據顯示短鏈脂肪酸在調節消化道上皮細胞增殖/凋亡平衡中起關鍵作用。癌細胞因為不會發生凋亡，所以它們可以在體內不斷地增殖。在這方面，乳酸桿菌和丙酸桿菌已經被證明可以產生有助于促進凋亡發生的短鏈脂肪酸，因此它們可被用于癌癥的預防和治療［20］。

3 益生菌抑菌機制

3.1 益生菌與致病菌競爭營養物質 營養物質是細菌生長繁殖所必需的條件之一。有些致病菌如艱難梭菌僅僅依靠攝取單糖來獲取生長繁殖所需要的原料和能量，而益生菌可能會消耗人體內大多數可以利用的單糖，所以致病菌的生長繁殖將會受到抑制，從而降低胃腸道疾病的發生率［28］。

3.2 益生菌與致病菌競爭黏附位點 益生菌的黏附能力是決定其在胃腸道定植和抑制病原體生長的關鍵因素［29］。細菌細胞壁中的黏附素在細菌與腸道的黏附中起著重要作用［30］。Neeser等［31］的研究結果表明，乳酸桿菌具有與細菌病原體相似的表面黏附素。Singh 等［29］使用Caco-2 細胞作為實驗模型，評估了益生菌羅伊氏乳桿菌對大腸桿菌ATCC25922、傷寒沙門氏菌NCDC113、李斯特菌ATCC53135 和糞腸球菌NCDC115 的競爭抑制作用，結果顯示益生菌均能有效抑制病原菌對Caco-2細胞的黏附，其中具有最高黏附能力的LR6 菌株通常顯示出更高的抑制病原體黏附于Caco-2 細胞的能力，這表明益生菌菌株的病原體抑制能力可能與其黏附能力有關，除了黏附素，益生菌表面相關蛋白在與致病菌競爭Caco-2 細胞的黏附位點中也發揮了很重要的作用。許多革蘭陰性菌表面有及其纖細的蛋白性絲狀物菌毛。同樣地，細菌的菌毛也可以增加細菌在黏膜表面的定植能力。一些乳酸桿菌能夠產生SpaCBA 這種類型的菌毛，它首先在鼠李糖乳桿菌中被識別，并且賦予鼠李糖乳桿菌高度的黏附能力，因此可能以此優勢來占據致病菌的黏附位點［32］。

3.3 益生菌與致病菌發生共聚集 益生菌除與宿主細胞發生黏附之外，也可以和不同種類的細菌發生附著，即對細菌的共聚集作用。Matsubara等［33］發現乳酸菌可以通過將病原體結合到共同聚集體中來抑制白色念珠菌生物膜的形成。J?rgensen等［34］在他們的研究中通過分光光度法和瓊脂抑制試驗評估了乳酸桿菌與酵母共聚集和抑制酵母生長的能力，結果表明羅伊氏乳桿菌菌株可以和酵母菌發生共聚集，從而形成了一種抑制白色念珠菌生長的環境。

3.4 產生有機酸和細菌素 益生菌可以通過分解代謝和合成代謝分別產生低分子化合物有機酸和高分子化合物細菌素來抑制病原體的生長。乳酸桿菌和雙歧桿菌可以發酵丙酮酸產生乳酸、乙酸、甲酸、琥珀酸、谷氨酸、檸檬酸和丁酸等，這些酸的作用模式是降低細胞內的pH，這將破壞病原體的pH平衡，抑制病原體，同時乳酸桿菌產生的代謝產物可能會導致周圍環境的氧化還原電位發生變化，造成對需氧致病菌的不利影響［35］。細菌素是各種細菌的合成代謝產物，是由核糖體合成的抗菌肽且對熱穩定。革蘭陰性菌產生的細菌素可能是通過改變細菌細胞膜的通透性和降解其核酸來殺死致病菌［36］。革蘭陽性菌如乳酸菌產生的細菌素主要通過兩種作用方式來消滅病原菌。其一是使細菌形成孔隙導致細菌細胞膜電位耗散和內容物流出，使細胞死亡；其二是通過干擾細菌細胞壁的合成導致細胞快速死亡［37］。

3.5 調節免疫系統 益生菌可以通過調節宿主的特異性和非特異性免疫來刺激免疫反應的發生［38］。適應性免疫應答取決于B 和T 淋巴細胞，它們對特定抗原具有特異性，而先天免疫系統對絕大多數病原體共有的稱為病原體相關分子模式（PAMP）的常見結構作出反應［39］。對病原體的主要反應是由與PAMP 結合的模式識別受體（PRR）產生的。PRR包含TLRs，它們是在各種免疫和非免疫細胞（如B 細胞、自然殺傷細胞、樹突狀細胞、巨噬細胞、成纖維細胞、上皮細胞和內皮細胞）上表達的跨膜蛋白。益生菌可以通過下調TLRs表達，分泌抑制TNF-α進入血液單核細胞的代謝產物以及抑制腸上皮細胞的NF-?B 信號傳導來抑制腸道炎癥。Gleeson 等［40］在耐力型休閑運動員的冬季訓練中，檢查了干酪乳桿菌Shirota在4個月的冬季訓練中的作用，并觀察到與安慰劑相比URTIs 顯著降低；此外，食用益生菌的人唾液中IgA濃度明顯更高，這表明了益生菌可以通過上調宿主體內的免疫球蛋白的數量來調節宿主的特異性免疫反應。

如今，益生菌已被廣泛地應用到醫療、食品、保健品等各方面，對人們的健康產生了一定的功效。目前國內外報道的益生菌大多數都是定植在腸道內的，其他部位的益生菌以及它們的功效和作用機制很少被提及。篩選、鑒定和開發應用除腸道以外的其他益生菌是今后我們要研究的重點內容。