以腸道菌群為靶點的海藻多糖干預代謝綜合征的研究進展

左吉卉，閻利萍，吳明江，佟海濱

(溫州大學生命與環境科學學院，浙江溫州 325000)

流行病學研究表明，從飲食中攝入海藻與降低2型糖尿病、心血管疾病和高脂血癥等慢性疾病的患病率之間存在關聯[1-4]。海藻多糖是一種膳食纖維，不能被人的消化酶降解，但可以被腸道菌群酵解成短鏈脂肪酸(SCFAs)和其他活性成分，可以靶向腸道、肝臟、胰腺等器官，減輕代謝綜合征的病理癥狀[5-6]。本研究對各類海藻多糖通過腸道菌群途徑防治代謝綜合征的研究進展綜述。

1 海藻多糖

膳食多糖作為一種功能性食品成分受到人們的廣泛關注。目前，研究人員對陸生植物的復雜碳水化合物(如低聚果糖、菊粉、低聚半乳糖、纖維素、阿拉伯木聚糖和果膠)的研究較深入[7]，而對海藻多糖的研究則較少。海藻種類豐富(約有2.5萬～3萬種)，海藻的多糖含量極高(占干重的20%～70%)[8]。因此，海藻多糖是海洋生物中最為豐富和亟待開發的資源。研究表明，從海藻中提取的多糖可以調節腸道功能，包括促進發酵、抑制病原體的粘附和侵襲，以及治療炎癥性腸病[9]。此外，一些海藻多糖還表現出抗凝血[10]、抗病毒、抗腫瘤[11]、抗炎[12]、免疫調節、降血脂[13]或抗氧化活性[14]的功能。因此，海藻多糖是近年來海藻化合物研究的熱點，成為開發海洋藥物的重要資源。Raposo等[15]認為，多數海藻多糖對人胃腸道分泌的消化酶有抵抗性，可以被視為膳食纖維，最終會到達遠端腸道，在菌群的作用下進行酵解，成為共生細菌的營養物質。經過腸道菌群和宿主之間長期的共同進化，腸道微生物已經進化出多種策略來降解膳食多糖，通過多種編碼不同碳水化合物水解活性酶的基因，用于降解和發酵腸道內的抗性多糖[16-17]。近年來，研究主要集中在通過海藻多糖的益生元作用，研究發現，海藻多糖，例如藻酸鹽、瓊脂糖等，體外益生元活性優于低聚果糖[18]，能有效緩解多種慢性代謝性疾病，并可作為癌癥的輔助治療手段。根據所含色素種類可將海藻分成紅藻、褐藻及綠藻，來源不同的海藻多糖在結構特征和生物活性上差異較大，它們對人類腸道菌群的影響也不同[8]。利用海藻多糖，如巖藻聚糖硫酸酯、海藻酸鹽、昆布多糖等開展的動物實驗表明[6，19]，這些多糖可以刺激腸道中有益細菌(如雙歧桿菌、擬桿菌、乳桿菌)的生長，并通過提高SCFAs的產生來改善腸道環境。重要的是，腸道菌群發酵或降解的代謝物(SCFAs等)可以靶向腸道、肝臟、胰腺等器官，調節胃腸道激素分泌，控制血糖，改善血脂，緩解胰島素抵抗和炎癥。

1.1 海藻酸鹽

海藻酸鹽是一種凝膠多糖，是褐藻細胞壁的結構成分，包括水溶性的褐藻酸鈉和不溶于水的褐藻酸及其衍生物[20]。海藻酸鹽是由α-L-古羅糖醛酸(G)和β-D-露糖醛酸(M)以1→4糖苷鍵連接而成的線性聚合物。研究表明，海藻酸鹽及其低分子量衍生物作為一種膳食纖維，可被腸道擬桿菌(Bacteroidesovatus)發酵，并可刺激腸道克雷伯菌、普氏桿菌、雙歧桿菌(Bifidobacteriumspp.)和乳酸菌(Lactobacillusspp.)的生長[21-22]。海藻酸鹽發酵產生大量的SCFAs[23-24]，包括乙酸、丙酸、丁酸等，可影響糖脂質代謝。海藻酸鹽也能抑制腐敗物質的產生和病原菌如幽門螺旋桿菌的生長[25]。此外，膳食補充海藻酸鹽可以通過延遲胃排空、刺激胃舒張受體和減弱營養吸收等，從而增加飽腹感，減少能量攝入并減輕體重[26]。Liu等[27]研究發現，聚甘露糖醛酸(藻酸鹽的衍生物)通過改變腸道菌群結構，顯著增加腸道中雙歧桿菌屬和羅伊氏乳桿菌屬的豐度，可以預防飲食誘導的肥胖癥，并改善葡萄糖耐量和緩解炎癥。Nakata等[25]發現，海藻酸鹽因其良好的膠凝特性和粘度，可以通過發酵改變腸道菌群組成，減少幽門螺桿菌數量，來抑制腸道內大豆蛋白腐敗代謝物吲哚的產生，研究表明，大量的吲哚會誘發結腸癌的發生。Kuda等[28]研究表明，分子量為50 kDa的解聚海藻酸鹽有效地抑制了傷寒沙門氏菌在人腸上皮細胞和BALB/c小鼠腸道中的粘附和侵襲。Li等[29]用藻酸鹽可使飲食擾亂的BALB/c小鼠腸道菌群恢復正常，特別是提高了有益菌Lactobacillus和Akkermansiamuciniphila的豐度，腸道菌群的改變可以提高營養物質的利用率，增加SCFAs的產生，從而調節體內脂質代謝，減輕代謝綜合征。高粘度的海藻酸鹽飲食(2.5%)導致SCFAs濃度顯著增加，SCFAs通過內源性受體游離脂肪酸受體FFAR2和FFAR3調節腸道激素和厭食性腸肽的釋放，如胰高血糖素樣肽-1 (GLP-1)、肽YY (PYY)、膽囊收縮素(CCK)、肥胖抑制素等，進而抑制能量攝入來調節餐后血糖和胰島素血癥[23-24]。此外，Velagapudi等[30]發現，GLP-1和PYY可以顯著減慢胃腸道的傳輸時間，從而改變腸道菌群的分布。總的來說，膳食中的海藻酸鹽，尤其是具有高粘度的海藻酸鹽，通過與腸道菌群的相互作用下，發揮對宿主健康的有益作用，緩解肥胖、糖尿病等代謝綜合征的發生[31]。

1.2 巖藻聚糖硫酸酯

巖藻聚糖硫酸酯是一種硫酸化多糖，主要存在于可食用的褐藻和棘皮動物中。天然巖藻聚糖硫酸酯存在兩類典型的結構，第一類主鏈由巖藻糖以α-1，3糖苷鍵的重復單元連接而成；第二類主鏈由巖藻糖以α-1，3和α-1，4糖苷鍵交替連接的重復單元構成[32]。作為高度硫酸化的大分子，巖藻聚糖硫酸酯不能被人體消化酶降解[33]，但它可以作為益生元調節腸道生態。越來越多的研究發現，補充巖藻聚糖硫酸酯可以改變腸道菌群結構，促進有益菌生長，減輕患肥胖、高脂血癥和糖尿病的風險[34]。研究發現，巖藻聚糖硫酸酯可以增加近端和遠端結腸中乳酸菌屬的豐度[35]。同時，Zaporozhets等[36]的研究證實，巖藻聚糖硫酸酯可以促進雙歧桿菌(如B.longumB379M和B.bifidum791B)的生長。Shang[37]研究表明，兩種結構不同巖藻聚糖硫酸酯均可維持腸道菌群結構的平衡，提高乳酸菌屬和瘤胃球菌屬的豐度，降低了條件致病菌Peptococcusspp.的數量，進而降低了血清脂多糖結合蛋白水平，緩解了腸道內細菌抗原負荷和系統炎癥。隨后，該團隊進一步證明巖藻聚糖硫酸酯可以增加有益菌Akkermansiamuciniphila在腸道中的豐度，以及提高產生SCFAs細菌Blautiaspp.、Alloprevotellaspp.和Bacteroidesspp.的豐度，進而改善胰島素耐受性、空腹血糖水平，緩解代謝綜合征[38]。同時，我們的研究發現[39]，巖藻聚糖硫酸酯可以改善糖尿病小鼠的癥狀與腸道菌群的改變有關，降低了糖尿病相關腸道菌群如Ruminococcaceae、Peptostreptococcaceae、Oscillibacter、Peptococcaceae的相對豐度，其中Oscillibacterspp.與腸道通透性增加及炎癥有關，與糖尿病的發生發展呈正相關?？偠灾?，上述研究證明，巖藻聚糖硫酸酯作為腸道微生物調節劑，可通過選擇性地促進有益菌的生長調節腸道菌群，促進腸道健康，進而改善胰島素耐受性、系統炎癥，緩解代謝綜合征。雖然使用巖藻聚糖硫酸酯治療腸道菌群失調相關疾病具有廣闊的前景，但需要注意的是，并不是所有的巖藻聚糖硫酸酯對腸道生態都有益[40]。例如，泡葉藻來源的巖藻聚糖硫酸酯能夠促進腸道內乳酸菌屬的生長，而海帶巖藻聚糖硫酸酯無該作用。因此，在研究巖藻聚糖硫酸酯其對腸道生態的影響時，必須注意其化學結構和藻類來源。

1.3 昆布多糖

昆布多糖作為一種線性多糖[41]，易被腸道菌群發酵。Salyers等[42]通過離體培養證明了擬桿菌屬中的特定腸道細菌，如B.thetaiotaomicron、B.distasonis、B.fragilis可以通過產生昆布多糖酶和β-葡糖苷酶來代謝昆布多糖。給予大鼠昆布多糖會影響腸道黏液的組成，并增加SCFAs的產生[35，43]，尤其是丁酸。昆布多糖也可通過影響腸道內細菌的粘附、轉運，腸道內pH以及SCFAs產生來調節腸道代謝，刺激有益菌的生長，并抑制潛在致病菌的生長。An等[43]發現，飼喂昆布多糖的大鼠，盲腸重量和盲腸SCFAs濃度顯著增加。Lynch等[35]發現，給予昆布多糖減少了豬胃腸道中革蘭氏陰性致病菌陰溝腸桿菌(Enterobacteriumspp.)的數量，刺激腸道中雙歧桿菌和乳桿菌的生長。此外，添加昆布多糖還能顯著增加豬結腸中SCFAs的濃度，這與在大鼠和小鼠模型中觀察到的結果一致。Nguyen等[44]利用飲食誘導肥胖小鼠模型，發現補充昆布多糖，能夠增加碳水化合物水解酶活性，如糖苷水解酶和多糖裂解酶，減緩模型小鼠體重的增加，通過減少厚壁菌門相對于擬桿菌的比例，降低了肥胖發生的風險。當Wister大鼠飼喂富含昆布多糖的飼料時，腐敗導致的代謝物如吲哚、H2S和苯酚顯著減少[43]。這一結果隨后在體外和大鼠模型中得到證實[25]，補充昆布多糖可減少大豆蛋白在腸道腐敗代謝中產生的有害化合物(氨、吲哚和苯酚)，該作用可能與昆布多糖發酵增加盲腸乳酸和總有機酸含量，降低腸道內pH有關。此外，昆布多糖還增加了腸道中Clostridiumspp.，Clostridialesspp.，Parabacteroidesdstasonis的豐度。補充昆布多糖促進了有益菌的生長，如雙歧桿菌等，與非酒精性脂肪肝炎、肝癌和糖尿病呈負相關，抑制了腸道中致病菌生長，如陰溝腸桿菌，該菌豐度與宿主血液中LPS含量及體內炎癥水平呈現顯著的正相關。總而言之，上述研究證明了昆布多糖對腸道健康的有益作用，通過重塑腸道菌群結構，以減少患肥胖、炎癥等慢性疾病的風險，為使用昆布多糖作為益生元制劑提供了基礎，是治療代謝疾病的一種潛在的策略。

1.4 瓊脂糖

瓊脂糖是一種線狀多糖，主要從紅藻中提取，如江蘺屬和石花菜屬(Gracilariaspp.，Gelidiumspp.)[45]。目前，瓊脂糖作為增稠劑、穩定劑、質地改良劑和脂肪替代劑，廣泛用于食品工業中。瓊脂糖不能被腸道酶消化，最終進入腸道遠端，被腸道菌群發酵代謝。Li等[46]從人體中分離出了腸道內的一種共生細菌BacteroidesuniformisL8，具有強大的降解瓊脂糖和瓊脂寡糖的能力，產生d-半乳糖。紅藻多糖也可增加腸道中SCFAs的產生，刺激有益菌的生長，并抑制潛在致病菌的生長[47]。Hu等[48]發現，與連續14天喂食5% (w/v)低聚果糖的小鼠相比，連續7天喂食2.5% (w/v)瓊脂寡糖的小鼠顯著增加了乳酸菌(Lactobacillusspp.)和雙歧桿菌(Bifidobacteriumspp.)的豐度。Ramnani等[49]研究發現，低分子量瓊脂糖(～64.64 kDa)可以促進體外培養的雙歧桿菌生長，如B.adolescentisATCC15703和B.infantisATCC15697，增加培養基中SCFAs的濃度。Zhang等[50]關注了瓊脂寡糖在減輕高強度運動引起的疲勞以及對腸道菌群的影響。瓊脂寡糖能夠減輕疲勞及其相關的胃腸道疾病，并顯著增加了擬桿菌門細菌的豐度，降低了變形桿菌門細菌的豐度。此外，與之前的結果一致[49]，瓊脂寡糖增加了腸道中SCFAs濃度。同時，Wang等[51]研究發現，補充奇數的瓊脂寡糖可以改善糖尿病小鼠的炎癥和葡萄糖代謝，該作用與重塑腸道菌群有關。總之，瓊脂寡糖可以作為一種新型的益生元，通過調節腸道微生物來預防高強度運動引起的疲勞，并可作為治療糖尿病的潛在藥物。

1.5 綠藻多糖

研究表明，補充綠藻多糖可以增加SCFAs的產量，刺激有益菌的生長，如Akkermansiamuciniphila[52]，而抑制潛在病原菌的生長[53]。此外。綠藻多糖能夠降低雌性小鼠血清中的脂多糖結合蛋白含量，減少遠端結腸的炎性浸潤，改善糖尿病小鼠癥狀[54]。滸苔(Enteromorphaprolifera)是一種藥食兩用的綠藻，用于治療高脂血癥與炎癥相關疾病[55]。Lin等[56]研究發現，滸苔多糖可以改善肥胖和糖尿病癥狀，降低空腹血糖和胰島素水平，增加胰島β細胞的數量，改善胰島素敏感性指數。鑒于腸道菌群在肥胖癥和高脂血癥發病機制中的重要作用[57]，研究滸苔多糖是否能被特定的腸道微生物發酵和利用很有必要。Kong等[58]研究發現，滸苔多糖易被人腸道菌群發酵，產生SCFAs，并增加腸道內雙歧桿菌和乳桿菌的豐度。Shang等[52]利用16S rRNA高通量測序研究了滸苔多糖對C57BL/6J小鼠腸道菌群的影響，發現滸苔多糖能顯著改變腸道菌群結構，促進腸道益生菌的生長。但有趣的是，滸苔多糖對雄性和雌性小鼠腸道菌群的影響不同，滸苔多糖增加雌性小鼠腸道內雙歧桿菌屬和Akkermansiamuciniphila的豐度，降低了腸道內細菌抗原負荷，而在雄性小鼠中，滸苔多糖增加了腸道內乳酸桿菌的數量。研究表明，滸苔多糖對維持腸道生態的有益作用，為滸苔多糖作為一種新型的腸道菌群調節劑，用于促進健康和疾病管理奠定了基礎(附表)。

附表 海藻多糖對腸道微生物群的影響

2 結論與展望

海藻多糖具有廣泛的生物活性，現已在全世界范圍廣泛用作食品添加劑，健康食品和藥物[59]。海藻多糖不能直接被吸收，也不能被消化酶水解。但它們會被腸道內的特定微生物降解和發酵，產生SCFAs等代謝產物，SCFAs易被吸收并對宿主產生積極的生理效應。在發酵過程中，不同來源的海藻多糖為腸道中特定的微生物(如雙歧桿菌和乳酸菌)提供獨特的碳源[60]，進而改變和重塑腸道菌群的結構。近年來，大量研究表明，腸道微生物群與肥胖、糖尿病、癌癥和其他疾病的發展密切相關[61]，因此，大量研究以腸道菌群為靶標，探討海藻多糖干預代謝相關疾病的潛在作用機制。近期研究發現，海藻多糖可以刺激有益菌的生長，如擬桿菌、雙歧桿菌、乳酸菌等[62]。海藻多糖作為膳食纖維在腸道中的最終發酵產物為SCFAs[63]，不同微生物發酵產生不同種類的SCFAs，作用于各自靶點，具體機制仍不清楚，迫切需要進一步研究。雖然近年來已經有大量證據表明海藻多糖具有益生元作用，但這些研究均使用模擬人類結腸的體外消化系統或動物模型進行。實驗動物，如小鼠或大鼠，在腸道菌群組成、免疫功能、飲食、新陳代謝等關鍵方面與人類有著廣泛的差異，因此利用動物模型得到的結論推斷到人體未必正確，需要通過人體臨床試驗來確定海藻多糖治療代謝綜合征的有效劑量和可行性。離體復制人腸道菌群系統，無法反映人結腸環境的高度動態變化。此外，這些研究未能建立重塑腸道菌群與緩解代謝性疾病之間的因果關系。有必要使用無菌小鼠或糞便移植等手段進行確證。