益生菌在肥胖動(dòng)物模型中的研究進(jìn)展

洪 青，劉振民，李 楠

（光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，乳業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200436）

肥胖是機(jī)體能量攝入與消耗不平衡，從而堆積過(guò)多脂肪，導(dǎo)致體質(zhì)量增加的結(jié)果，通常會(huì)誘發(fā)糖尿病、心血管疾病、非酒精性脂肪肝和癌癥等[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，宿主基因、代謝方式和飲食習(xí)慣等因素對(duì)肥胖的形成均有影響[3]。近年來(lái)，腸道菌群通過(guò)調(diào)控宿主營(yíng)養(yǎng)攝取和能量代謝平衡影響脂肪細(xì)胞進(jìn)行脂肪儲(chǔ)存的分子機(jī)制得到越來(lái)越多的研究人員關(guān)注，但深層作用機(jī)制尚未被揭示。本文綜述近年來(lái)益生菌對(duì)肥胖動(dòng)物模型治療的改善作用，為闡明治療肥胖的分子機(jī)制提供參考。

1 影響肥胖的主要因素

肥胖或超重一般通過(guò)計(jì)算體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）進(jìn)行確定，世界衛(wèi)生組織認(rèn)為，BMI為25.0～29.9 kg/m2為超重，超過(guò)30.0 kg/m2為肥胖[4]。張瑩等[5]對(duì)中國(guó)成年人肥胖影響因素進(jìn)行Meta分析發(fā)現(xiàn)，高脂飲食、飲酒和年齡是中國(guó)成人肥胖的危險(xiǎn)因素。高脂飲食會(huì)使機(jī)體攝入過(guò)多食物，能量攝入大于消耗，導(dǎo)致肥胖。乙醇刺激下丘腦引起神經(jīng)內(nèi)分泌紊亂，增加食欲，導(dǎo)致能量攝入過(guò)多。成人肥胖發(fā)生率隨年齡增長(zhǎng)而提高，40～65 歲年齡段達(dá)到最高。2004年，B?ckhed等[6]研究表明，腸道菌群能夠影響機(jī)體脂肪存儲(chǔ)，與傳統(tǒng)喂養(yǎng)小鼠相比，無(wú)菌鼠擁有更少的總脂肪含量，移植菌群至腸道后，腸道菌群數(shù)量恢復(fù)，攝入能量后，無(wú)菌鼠總脂肪含量上升57%，在不影響食物攝入和能量消耗的前提下，胰島素耐受性提高。但腸道菌群促進(jìn)宿主代謝紊亂的具體機(jī)制尚未完全闡明。目前，關(guān)于腸道微生物影響機(jī)體肥胖的主要機(jī)制包括消化水解食物進(jìn)行能量吸收、促進(jìn)機(jī)體合成脂蛋白脂酶等調(diào)控脂肪存儲(chǔ)的蛋白酶基因表達(dá)以及通過(guò)代謝產(chǎn)生的短鏈脂肪酸、膽堿、膽汁酸、腸肽和微生物-腸-腦軸等影響能量吸收分子信號(hào)通路[7-8]。

2 肥胖與腸道菌群

肥胖患者腸道菌群的變化在動(dòng)物模型和臨床人體實(shí)驗(yàn)中均有報(bào)道。與正常人群相比，肥胖患者腸道中厚壁菌門與擬桿菌門比值較高，雙歧桿菌和擬桿菌門豐度較低。Liu Ruixin等[9]利用宏基因組和代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)中國(guó)肥胖和體質(zhì)量正常人群的腸道微生物和血清進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)肥胖患者的腸道菌群豐度更高，但多形擬桿菌豐度顯著降低，減肥手術(shù)后腸道中多形擬桿菌豐度上升，血清谷氨酸濃度下降。Chen Yungtsung等[10]發(fā)現(xiàn)，肥胖模型組小鼠中疣微菌門和變形菌門豐度提高，而擬桿菌門和軟壁菌門豐度下降，將肥胖病人的腸道菌群移植至小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)小鼠表現(xiàn)出與肥胖病人相似的癥狀[11]。Wang Jingjing等[12]在肥胖小鼠腸道菌群中發(fā)現(xiàn)，厚壁菌門和變形菌門的豐度增加，擬桿菌門和放線菌門豐度減少。喂食益生菌干預(yù)后，擬桿菌門與厚壁菌門比值顯著上升。這一結(jié)果暗示了肥胖與腸道菌群的改變具有相關(guān)性，通過(guò)益生菌制劑喂食干預(yù)可改善腸道菌群紊亂，從而達(dá)到緩解或改善肥胖的目的。

小鼠的消化道和腸道（小腸和大腸）組織的組成與人類相似，杯狀細(xì)胞和潘式細(xì)胞在人體和小鼠的腸道完整性和宿主-微生物群平衡中發(fā)揮同樣的作用。然而，人類和小鼠依然存在著重要的差異，因此，將對(duì)二者的研究進(jìn)行比較時(shí)必須十分謹(jǐn)慎。目前，利用益生菌改善肥胖老鼠模型的研究報(bào)道越來(lái)越多。常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)用鼠有C57BL/6 J小鼠、BALB/c小鼠、Wistar大鼠及ICR小鼠等，絕大部分選擇使用雄鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[13-14]。常見(jiàn)肥胖老鼠模型的構(gòu)建絕大部分都是食物誘導(dǎo)肥胖模型，少量研究使用谷氨酸鈉誘導(dǎo)模型。

3 食物誘導(dǎo)小鼠肥胖模型

食物誘導(dǎo)小鼠肥胖與人體肥胖的產(chǎn)生最為接近，模型構(gòu)建主要包括高脂肪和高碳水化合物誘導(dǎo)2 種方法，其中高脂飼料肥胖模型是目前肥胖及其相關(guān)疾病研究使用最多的模型。益生菌治療、緩解非高脂飼料肥胖小鼠的作用機(jī)制主要有以下幾類。

3.1 緊密連接蛋白

緊密連接蛋白在腸道通透性中扮演重要角色，高脂飲食會(huì)導(dǎo)致腸道微生物組成發(fā)生變化，使得緊密連接蛋白表達(dá)量過(guò)低，腸道通透性改變，調(diào)節(jié)腸肽和胰高血糖素樣肽GLP-1分泌，激活脂多糖Toll樣受體-4軸，介導(dǎo)肥胖與胰島素抵抗的發(fā)生，從而改變脂肪組織和肝臟的脂肪酸代謝和組成[15-16]。植物乳桿菌Sc52可以調(diào)節(jié)脂多糖誘導(dǎo)的ICR小鼠D-乳酸和二胺氧化酶的水平，腸組織中緊密連接蛋白Occludin和Claudin-1的表達(dá)量上調(diào)，改善腸道通透性，提高小鼠腸道中的乙酸和丁酸含量，增加小鼠腸道中乳桿菌、雙歧桿菌等有益菌的數(shù)量，抑制有害微生物的生長(zhǎng)，改善腸道屏障損傷[17]。

3.2 脂多糖

腸道菌群中革蘭氏陰性菌的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是肥胖引發(fā)的Ⅱ型糖尿病等慢性疾病發(fā)生的重要因素。肥胖小鼠腸道菌群中革蘭氏陰性菌比例增加，LPS含量升高。利用LPS進(jìn)行干預(yù)造模常見(jiàn)于Ⅱ型糖尿病肥胖模型，進(jìn)行炎癥和胰島素抵抗治療研究。部分益生菌通過(guò)在腸道定植，調(diào)節(jié)腸道菌群平衡，能顯著降低血糖水平，降低胰島素抵抗，減少脂肪肝形成，如嗜酸乳桿菌ATTC5220[18]和羅伊氏乳桿菌GMNL-263[19]等。

3.3 短鏈脂肪酸

短鏈脂肪酸通過(guò)調(diào)節(jié)能量攝入和代謝進(jìn)行體質(zhì)量干預(yù)。短鏈脂肪酸作為能量底物激活腸上皮細(xì)胞G蛋白受體GPR41和GPR43，刺激YY肽和GLP-1分泌，延緩和抑制腸道能動(dòng)性，提高能量吸收[20]。菌株種屬不同，產(chǎn)生短鏈脂肪酸的種類與比例也不一樣，不同短鏈脂肪酸比例可能會(huì)影響能量的吸收效率。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸和丙酸鹽在肥胖小鼠中具有影響能量吸收和抵抗胰島素等特性，產(chǎn)丁酸的微生物數(shù)量與體質(zhì)量成反比[21]。腸道主要細(xì)菌門類中，擬桿菌門主要產(chǎn)乙酸和丙酸，厚壁菌門主要產(chǎn)丁酸。針對(duì)高脂飼料誘導(dǎo)的肥胖小鼠，Chen Yungtsung等[10]喂食馬里乳桿菌（Lactobacillus mali）APS1 3 周后，發(fā)現(xiàn)馬里乳桿菌APS1能夠干預(yù)加速小鼠體質(zhì)量降低，減少能量攝入和脂肪積累，改善脂肪肝，促進(jìn)腸道菌群向肥胖前狀態(tài)轉(zhuǎn)化，肥胖相關(guān)細(xì)菌分類群豐度發(fā)生改變，鏈球菌科和厭氧棍狀菌屬減少、馬里乳桿菌增加，肥胖相關(guān)菌群代謝物改變，短鏈脂肪酸增加，經(jīng)腸-肝軸影響肝臟相關(guān)代謝物水平改變，調(diào)節(jié)脂代謝方式、增加能耗、抑制食欲。

3.4 單磷酸腺苷酸活化蛋白激酶

單磷酸腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）具有協(xié)調(diào)機(jī)體代謝和能量平衡的作用，脂肪細(xì)胞分泌一些與代謝相關(guān)的激素因子，如脂聯(lián)素、瘦素等，可以激活A(yù)MPK，達(dá)到抑制脂肪沉積的作用。Zhang Min等[22]通過(guò)鼠李糖乳桿菌LGG對(duì)肥胖小鼠進(jìn)行干預(yù)，發(fā)現(xiàn)可以有效激活A(yù)MPK途徑，降低脂肪酸合成酶和乙酰輔酶A羧化酶的活性，改善慢性酒精性脂肪肝的癥狀，抑制高脂誘導(dǎo)小鼠肥胖的形成。宋晨[23]發(fā)現(xiàn)，副干酪乳桿菌M5和棒狀乳桿菌T12能有效調(diào)節(jié)脂肪因子的表達(dá)，下調(diào)過(guò)氧化物酶體增殖劑激活受體γ（peroxisome proliferators-activated receptors γ，PPAR-γ）、腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）及脂肪酸合酶（atty acid synthetase，F(xiàn)AS）等脂肪因子的表達(dá)量，對(duì)高脂膳食誘導(dǎo)BALB/c小鼠的肥胖和血脂升高具有抑制作用，通過(guò)抑制肝臟脂質(zhì)積累及氧化應(yīng)激抑制非酒精性脂肪肝的發(fā)生，腸道中厚壁桿菌與擬桿菌門的比值上升，趨于正常水平。

3.5 膽汁酸

肝臟合成的初級(jí)膽汁酸主要是膽酸和鵝脫氧膽酸，其與?；撬岷透拾彼峤Y(jié)合形成結(jié)合膽汁酸。體內(nèi)膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸是清除膽固醇的重要形式，對(duì)機(jī)體維持膽固醇平衡發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。膽汁酸作為腸道信號(hào)分子，能激活腸道肝臟和脂肪組織中的受體，如法尼酯X受體（farnesoid X receptor，F(xiàn)XR）和G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體5（G-protein-coupled bile acid receptor 5，TGR5）。FXR和TGR5已被證實(shí)可調(diào)節(jié)糖脂代謝。通過(guò)激活FXR、誘導(dǎo)TGR5刺激GLP-1分泌，提高胰島素抵抗性和肝臟代謝能力，大鼠腸道中Acetatifactor和擬桿菌豐度上升，?；撬帷⒊衫w維細(xì)胞生長(zhǎng)因子水平升高[24]。高脂誘導(dǎo)的肥胖小鼠補(bǔ)充膽酸后，體質(zhì)量下降，胰島素抵抗能力顯著提高，同時(shí)體內(nèi)膽汁酸代謝能力上升[25]。

3.6 菌群移植

菌群移植是指將健康宿主腸道中的特定功能菌群移植到患者的腸道內(nèi)，重建腸道微生態(tài)，達(dá)到治療腸道疾病的目的。將體質(zhì)量差異較大的雙胞胎糞便微生物移植到無(wú)菌小鼠中，在同樣的飲食條件下，接受肥胖同卵雙胞胎糞便微生物移植的小鼠比接受不肥胖同卵雙胞胎糞便微生物移植的小鼠體質(zhì)量增加更多[11]。郭上齊等[26]發(fā)現(xiàn)，菌群移植能夠調(diào)節(jié)肥胖大鼠的血脂含量，Lee指數(shù)、肝指數(shù)、TNF-α、血清甘油三酯和膽固醇水平均顯著下降，并具有減輕脂肪肝變性和內(nèi)毒素血癥的作用。阿克曼氏菌AKK（Akkermansia muciniphila）是一種存在于哺乳動(dòng)物腸道內(nèi)的微生物，以腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生的黏蛋白為唯一碳源、氮源和能源物質(zhì)。AKK菌在肥胖小鼠中豐度下降，通過(guò)灌胃、糞便移植等手段能恢復(fù)AKK菌豐度，對(duì)機(jī)體具有調(diào)節(jié)免疫、控制肥胖、緩解高血脂和動(dòng)脈粥樣硬化等作用[27-28]。

3.7 其他代謝產(chǎn)物

益生菌在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的其他有益物質(zhì)也能有效降低體質(zhì)量和脂肪堆積。Xie等[29]制備的發(fā)酵大豆粉牛乳能夠顯著改善高脂飼料肥胖小鼠體質(zhì)量和脂肪堆積，抑制因高脂肥胖引起的總脂蛋白和低密度脂蛋白、膽固醇、丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶、葡萄糖和C肽水平的升高，這是由于經(jīng)植物乳桿菌P1201發(fā)酵后，大豆粉牛乳中含有豐富的共軛亞油酸，同時(shí)水解β-葡萄糖苷異黃酮，生成大豆異黃酮苷元。Lee等[30]發(fā)現(xiàn)，副干酪乳桿菌NTU 101和植物乳桿菌NTU 102發(fā)酵的豆乳制品能顯著抑制3T3-L1細(xì)胞分化和游離脂肪酸的積累，對(duì)高脂飲食Wistar大鼠的肥胖具有改善作用。與未發(fā)酵豆乳組相比，食用5 周益生菌發(fā)酵豆乳制品可以明顯提高高脂飲食誘導(dǎo)大鼠的血清瘦素水平，這是由于發(fā)酵后豆乳制品中黃豆苷元和染料木黃酮的水平提高。Park等[31]利用植物乳桿菌Q180對(duì)高脂飼料喂養(yǎng)的雄性SD肥胖大鼠進(jìn)行模型構(gòu)建與評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，與肥胖大鼠組比，喂食乳酸菌8 周后，大鼠體質(zhì)量增長(zhǎng)率降低，附睪脂肪、甘油三酯和瘦素水平明顯降低，同時(shí)脂肪組織的數(shù)量也顯著下降。

然而在一些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，食用益生菌導(dǎo)致體質(zhì)量或脂肪增加的現(xiàn)象也有報(bào)道。植物乳桿菌DSM15313喂食高脂膳食誘導(dǎo)的C57BL/6J肥胖小鼠，其體質(zhì)量顯著增加，但空腹血糖水平顯著下降，胰島素、脂質(zhì)水平和盲腸脂肪酸含量無(wú)明顯變化[32]；單獨(dú)喂食低聚果糖或與動(dòng)物雙歧桿菌BB12聯(lián)用混合喂食SD大鼠后，能顯著降低肥胖大鼠血糖水平，提高胰島素抵抗能力，體質(zhì)量和脂肪含量下降，肥胖癥狀得到改善，但單獨(dú)喂食動(dòng)物雙歧桿菌BB12卻會(huì)導(dǎo)致脂肪和體質(zhì)量增加[33]；對(duì)于食用益生菌的動(dòng)物，體質(zhì)量反而增加的可能原因是這些益生菌刺激和促進(jìn)了腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，導(dǎo)致脂肪聚集。也有研究人員提出，在進(jìn)行模型構(gòu)建或灌胃時(shí)，益生菌的基質(zhì)載體選擇、發(fā)酵特性、劑量、作用時(shí)間及目標(biāo)對(duì)象等因素均能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，評(píng)估益生菌治療肥胖效果時(shí)，需嚴(yán)格控制好研究對(duì)象、研究方法（測(cè)量指標(biāo)、干預(yù)時(shí)間及干預(yù)方式）、益生菌（種屬、劑量）等關(guān)鍵指標(biāo)，但總體而言，益生菌制劑在動(dòng)物模型肥胖治療上有一定的效果。

4 谷氨酸鈉誘導(dǎo)肥胖動(dòng)物模型

谷氨酸鈉（monosodium glutamate，MSG）誘導(dǎo)肥胖動(dòng)物模型是一種典型的肥胖綜合癥胰島素抵抗模型，在幼鼠出生1 周內(nèi)皮下注射高濃度的MSG，導(dǎo)致下丘腦損傷而出現(xiàn)代謝性失調(diào)，主要包括高血糖MSG小鼠模型和胰島素抵抗MSG小鼠模型。MSG誘導(dǎo)肥胖動(dòng)物主要表現(xiàn)在脂肪堆積和Lee指數(shù)增加，但攝食量沒(méi)有增加。與正常ICR小鼠相比，高血糖MSG小鼠和胰島素抵抗MSG小鼠的胰腺/體質(zhì)量、棕色脂肪/體質(zhì)量及肝臟/體質(zhì)量比值較低。高血糖MSG小鼠的血胰島素水平顯著低于胰島素抵抗MSG小鼠[34]。

MSG所致肥胖與代謝異常有關(guān)，可用于研究?jī)?nèi)分泌失調(diào)在肥胖中的作用。目前醫(yī)學(xué)界發(fā)現(xiàn)，可以有效改善MSG小鼠肥胖和代謝紊亂的物質(zhì)或因子有京尼平苷、五甲基槲皮素和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21（fibroblast growth factor 21，F(xiàn)GF-21）等，而利用益生菌治療改善MSG肥胖小鼠模型的研究報(bào)道目前還很少。Maryana等[35]利用Wistar大鼠構(gòu)建MSG肥胖模型，進(jìn)行益生菌治療非酒精性脂肪肝疾病的研究，結(jié)果表明，由雙歧桿菌、乳桿菌、乳球菌和丙酸桿菌等14 種益生菌組成的Symbiter能顯著緩解脂肪肝和肝小葉炎癥。Savcheniuk[36]、Kobyliak[37]等將干酪乳桿菌IMVB-7280、動(dòng)物雙歧桿菌VKL和動(dòng)物雙歧桿菌VKB（2∶1∶1，5×109CFU/kg）對(duì)MSG小鼠進(jìn)行灌胃處理，發(fā)現(xiàn)總膽固醇、甘油三酯、超低密度脂蛋白和低密度膽固醇含量顯著下降，脂聯(lián)素含量下降58.8%，瘦素含量提高74.7%。隨后分別測(cè)定3 株菌的治療能力，發(fā)現(xiàn)干酪乳桿菌IMVB-7280對(duì)MSG小鼠具有優(yōu)異的降血脂和降低內(nèi)臟脂肪組織生成能力，動(dòng)物雙歧桿菌VKL和VKB緩解能力相對(duì)較弱，將3 株菌混合喂養(yǎng)MSG小鼠，發(fā)現(xiàn)菌株之間產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，治療效果顯著提升。

未來(lái)，將利用MSG動(dòng)物模型獲取的數(shù)據(jù)應(yīng)用到人體臨床實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以考慮含有MSG的產(chǎn)品，尤其是嬰兒或青少年人群研究對(duì)象，同時(shí)還需尋找更多的肥胖生物標(biāo)志物作為肥胖與代謝綜合征的預(yù)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

益生菌在人體和動(dòng)物腸道中的益生功能正被越來(lái)越多的人所接受。由于食物能量攝取過(guò)多和代謝引起的能量平衡問(wèn)題等引發(fā)的肥胖，宿主腸道微生物種類和數(shù)量發(fā)生變化，從而使得益生菌具有作為潛在靶點(diǎn)的可能性，通過(guò)改善腸道菌群豐度來(lái)治療和改善肥胖問(wèn)題。由于分子機(jī)制還未完全闡明，未來(lái)還需進(jìn)行更專業(yè)、更大規(guī)模的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)，尋找安全的益生菌進(jìn)行理論和機(jī)制研究。