益生菌在免疫、代謝及神經(jīng)情緒失調(diào)預防和治療方面的功能活性及機制研究進展

徐 煜

（潤盈生物工程（上海）有限公司，上海 200436）

腸道菌群可以調(diào)節(jié)人體的免疫及代謝功能，并通過腸-腦軸影響人的情緒[1]。益生菌作為腸道菌群的重要組成部分，參與腸道菌群調(diào)節(jié)，這為益生菌用于免疫、代謝及神經(jīng)情緒疾病的預防和治療提供了理論可能[2]。長期以來，益生菌使用的安全性毋庸置疑，益生菌健康市場的發(fā)展越來越快，也加速了益生菌應用領域的拓展研究。本文對當前人們比較關心的免疫、代謝和精神情緒失調(diào)預防和治療中與益生菌相關的研究進行梳理，包括對益生菌在關節(jié)炎、過敏、心血管疾病、痛風、肥胖、焦慮和抑郁等方面益生活性的總結。

1 益生菌在免疫相關疾病中的益生活性

1.1 自身免疫類疾病

自身免疫系統(tǒng)的異常會帶來一些免疫性疾病，如類風濕性關節(jié)炎（rheumatoid arthritis，RA），攝入某些益生菌能改善RA。對于RA小鼠模型，口服和腹膜接種瑞士乳桿菌SBT2171均能減少模型小鼠關節(jié)腫脹，使其體質量減輕，血清中II型膠原質特異性抗體水平降低[3]。機制研究表明，瑞士乳桿菌通過細胞免疫，進而抑制膠原質關節(jié)炎的癥狀。不僅益生菌活菌能改善RA，有研究還發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌細胞壁提取物也能改善弗氏佐劑誘發(fā)的大鼠關節(jié)炎[4]。對弗氏佐劑誘發(fā)的關節(jié)炎大鼠喂養(yǎng)植物乳桿菌細胞壁提取物2 周后，能明顯改善大鼠腳爪體積、關節(jié)炎指數(shù)、關節(jié)僵硬度、步態(tài)紅細胞沉降率、血清C-反應蛋白水平、類風濕因子及血清腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）等指標，表現(xiàn)出抗RA活性。其中的機制尚不清楚，可能是細胞壁的某些成分刺激了免疫系統(tǒng)的反應[4]。

益生菌的免疫調(diào)節(jié)作用不僅可以改善RA的癥狀，還對和RA類似機理的其他疾病癥狀，如自身免疫腦脊髓炎（autoimmune encephalomyelitis，EAE）和多發(fā)性硬化，也有改善效果[5]。在多發(fā)性硬化和EAE中，疾病的主要原因是T細胞免疫分化簇4（cluster of differentiation，CD4+）異常，而在風濕性關節(jié)炎和膠原性關節(jié)炎中，則是抗體調(diào)節(jié)免疫異常。對多發(fā)性硬化模型小鼠腹膜腔注入瑞士乳桿菌SBT2171，可以顯著降低小鼠EAE臨床評分和發(fā)生率。進一步的實驗表明，瑞士乳桿菌SBT2171在疾病炎癥高峰時也下調(diào)了脊髓中的致病性免疫細胞，特別是Th17細胞的數(shù)量，并下調(diào)了腹股溝淋巴結中白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）（對Th17分化重要的炎癥細胞因子）的水平。瑞士乳桿菌SBT2171的作用機制可能是通過下調(diào)IL-6及后期Th17的分化和脊髓浸潤，最終減輕EAE的癥狀[5]。

雖然動物模型實驗表明了益生菌對免疫性疾病改善的潛在效果，但是益生菌對免疫性疾病發(fā)揮作用的人體臨床研究較少，需要進一步研究。

1.2 過敏防護

在季節(jié)變換的時候，容易發(fā)生上呼吸道過敏反應，特別是少年兒童容易患季節(jié)性過敏性鼻炎。補充益生菌可以減輕過敏反應，改善生活質量。臨床實驗表明，加氏乳桿菌GS-13、兩歧雙歧桿菌G9-1和長雙歧桿菌MM-2能提高鼻結膜炎型鼻炎患者在季節(jié)性過敏期間的生活質量，但相關的機制尚不清楚[6]，可能與益生菌參與的免疫調(diào)節(jié)有關。益生菌對白樺花粉致過敏性鼻炎小鼠模型的研究表明，植物乳桿菌CJLP133和植物乳桿菌CJLP243可以減少小鼠支氣管肺泡灌洗液和引流淋巴結標本免疫細胞數(shù)量，增加Th1型細胞因子干擾素-c（interferon-c，IFN-c）分泌，并減少Th2型細胞因子（IL-4、IL-5和IL-13）分泌[7]。同時，植物乳桿菌CJLP133和植物乳桿菌CJLP243的攝入可降低小鼠血清IL-4、IL-5、IL-13、血清免疫球蛋白E（immunoglobulin E，IgE）和白樺花粉特異性血清IgG1水平，增加IFN-c和白樺花粉特異性血清IgG2a的分泌。通過增強Th1型免疫應答，恢復Th1/Th2平衡，使得白樺花粉致敏小鼠鼻炎癥狀減輕，進而達到治療效果。在人體內(nèi)的機制可能也是通過類似免疫調(diào)節(jié)實現(xiàn)對呼吸道過敏的治療和預防，這需要進一步研究。

水產(chǎn)品經(jīng)常含有過敏蛋白，導致食物過敏，益生菌的攝入能夠預防和治療這些過敏反應。例如，嬰兒雙歧桿菌13.085能預防與治療BALB/c小鼠對蝦原肌球蛋白的過敏反應[8]。其作用機制可能是通過平衡Treg/Th17細胞亞群數(shù)量，促進Treg型細胞因子表達，抑制Th17型細胞因子分泌，從而阻斷炎性抗體及組胺釋放。貝類是世界上主要的致敏源之一，熱帶肌球蛋白是貝類中最主要的過敏蛋白?？诜嫔p歧桿菌14.518可以有效抑制熱帶肌球蛋白誘導的小鼠變應性反應[9]。進一步研究的結果表明，雙歧桿菌14.518刺激了樹突狀細胞的成熟，樹突狀細胞在腸道相關淋巴組織中聚集，進而誘導調(diào)節(jié)性T細胞分化，抑制Th2免疫反應。

麥麩質敏感人群在攝入麥類食物時可能會引發(fā)胃腸道紊亂，導致脂瀉病。益生菌可以成功用于相關腸胃紊亂的治療，然而對相關機理的了解卻很缺乏。對麥麩質敏感模式小鼠NOD/DQ8的體內(nèi)實驗表明，長雙歧桿菌NCC2705能夠產(chǎn)生一種絲氨酸蛋白酶阻抑物，這種阻抑物類似人體絲氨酸蛋白酶阻抑物——彈力素，可以阻止NOD/DQ8小鼠由醇溶蛋白引起的脂瀉病[10]。這一結果表明共生長雙歧桿菌產(chǎn)生的絲氨酸蛋白酶阻抑物的有益作用，為進一步了解益生菌治療麩質相關的腸道紊亂提供了機理基礎。

動物實驗結果顯示了益生菌在預防和治療過敏性反應中的應用潛力，但益生菌對人體過敏反應的預防和治療效果仍需要進一步研究。

2 益生菌在代謝類疾病預防和治療中的活性

2.1 治療骨質疏松

在老年人群體中，骨質疏松是主要的健康關切之一，特別是在絕經(jīng)的女性中。許多50 歲以上的老年婦女骨密度流失，并受骨質脆弱困擾。益生菌的攝入和補充能增強骨強度，減少骨流失。在卵巢切除誘發(fā)的（ovariectomized，OVX）骨流失小鼠模型中，補充瑞士乳桿菌ATCC27558可以上調(diào)體內(nèi)矮個相關轉錄因子2和骨形態(tài)發(fā)生蛋白2基因的表達，增加血清中的骨鈣蛋白，增加骨體積/總體積和小梁厚度，減少血清C端肽和總孔隙率，最終增進OVX小鼠的骨健康[11]。嗜酸乳桿菌的補充同樣也能增強OVX小鼠的骨小梁和皮質骨厚度，并伴隨骨密度和骨異質性增加；進一步的機理研究表明，補充嗜酸乳桿菌的效用來源于其對宿主體內(nèi)抑制破骨Th17細胞和增加抗破骨Treg細胞的Treg/Th17平衡調(diào)節(jié)[12]。同時，嗜酸乳桿菌的攝入還抑制了破骨細胞因子（IL-6、IL-17、TNF-α、核因子-κB配體受體激活劑）的表達，增加了抗破骨細胞因子（IL-10、IFN-γ）的表達。此外，一項對75～80 歲婦女補充羅伊氏乳桿菌ATCCPTA6475對骨流失影響的臨床研究表明，補充羅伊氏乳桿菌ATCCPTA6475 12 個月后，和對照組相比，補充益生菌組減少了總體積骨密度流失[13]。上述實驗結果均證明，益生菌作為骨質保護物質在治療絕經(jīng)期后的骨質疏松、增強骨健康中的應用潛力。

2.2 痛風防護

人體內(nèi)尿酸（serum uric acid，SUA）濃度過高會導致痛風患病風險。益生菌能夠降低人體血清中的SUA水平[14]。格氏乳桿菌PA-3不僅能在高SUA受試者中表現(xiàn)出降低血清SUA水平的能力，同樣也能在痛風患者體內(nèi)降低SUA的水平[15]，然而，降低SUA水平的機制還不清楚。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，格氏乳桿菌PA-3除了能和腺嘌呤/次黃苷結合，還能和鳥嘌呤-5’-單磷酸及鳥嘌呤結合[16]。其動物實驗表明，格氏乳桿菌PA-3可以降低食品中主要嘌呤的吸收。推測格氏乳桿菌PA-3可能同時減少了人類飲食中嘌呤的過度吸收，從而保護這些人免于高SUA血癥。目前，益生菌對SUA降低作用的報道還相對較少。

2.3 減輕肥胖

腸道菌群與肥胖的關系引起人們的極大興趣。補充益生菌能調(diào)節(jié)腸道菌群，改善代謝癥狀。益生菌調(diào)節(jié)肥胖的報道較多。例如，高脂飲食小鼠補充益生菌植物乳桿菌和發(fā)酵乳桿菌后，能調(diào)節(jié)免疫功能，顯著降低IL-6和內(nèi)毒素含量，并減少肝臟脂肪變性和脂肪載體的體積[17]。格氏乳桿菌在上小腸內(nèi)還能調(diào)節(jié)葡萄糖吸收作用，通過影響長鏈乙酰輔酶A合成酶3（long-chain acetyl coenzyme A synthetase 3，ACSL3）依賴的葡萄糖脂肪酸響應通路，削弱對脂肪的吸收[18]。腸道菌群和肥胖關系密切，對菌群變化的檢測除了傳統(tǒng)的16S基因組DNA分析外，也有新的研究報道，通過進一步檢測菌群16S核糖體RNA信息，并且對RNA數(shù)據(jù)進行分析，可以得到更高豐度的操作分類單元，進而更能體現(xiàn)活性微生物的變化[19]。新型分析手段的應用，能更加深入了解腸道菌群與脂肪代謝的密切聯(lián)系。

2.4 心血管保健

在心血管保健方面，益生菌對于降血壓、降血脂和改善動脈粥樣硬化都有諸多益生作用。益生菌發(fā)酵牛乳能水解酪蛋白，產(chǎn)生降壓肽，具有降低血壓的功能。瑞士乳桿菌發(fā)酵牛乳時往往能產(chǎn)生血管緊張素轉換酶（angiotensin converting enzyme，ACE）抑制肽，具有降血壓的效用[20]。進一步的研究表明，除了瑞士乳桿菌，植物乳桿菌69發(fā)酵山羊乳也能產(chǎn)生ACE抑制肽，植物乳桿菌69發(fā)酵的山羊乳經(jīng)胃腸道消化后，仍然能保持較高的ACE抑制活性[21]。

益生菌能減輕高脂飼料喂養(yǎng)大鼠的高脂血癥癥狀。植物乳桿菌NCU116通過調(diào)整氨基酸、膽汁、脂肪代謝和葡萄糖代謝途徑，可以改善高脂血癥大鼠的癥狀[22]。這一功效機制經(jīng)由基于超高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜的代謝組學方法證實。凝結芽孢桿菌和植物乳桿菌能在小鼠口服后穿過腸胃道上端存活，并定植在結腸[23]。這些益生菌能在高血脂癥條件下降低大鼠甘油三酯和膽固醇水平，降低致動脈粥樣硬化指數(shù)。除了改善高血脂癥狀，臨床實驗還表明，動物雙歧桿菌亞種乳雙歧桿菌LKM512可以通過減少腸道菌群中三甲胺產(chǎn)生菌的數(shù)量，來降低健康受試者患動脈粥樣硬化的風險[24]。

2.5 糖尿病防護

代謝癥候群是導致災難性疾病的根本原因，其中包括2型糖尿病。益生菌的攝入可以通過多種途徑調(diào)節(jié)葡萄糖代謝，改善糖尿病癥狀。高脂喂養(yǎng)的嚙齒動物攝入格氏乳桿菌后，在調(diào)節(jié)腸道菌群的同時，還能恢復上小腸細胞ACSL3的表達，影響ACSL3依賴的脂肪酸響應通路，從而調(diào)節(jié)上小腸的葡萄糖代謝平衡[18]。高脂飲食會過度激活雷帕霉素靶點通路，導致小鼠體質量、葡萄糖水平和甘油三酯水平的增加；攝入約氏乳桿菌N6.2和植物酚類化合物，能下調(diào)雷帕霉素靶點通路的激活，進而降低代謝疾病發(fā)生的潛在風險[25]。

益生菌和果蔬發(fā)酵產(chǎn)物改善高血糖的研究也是關注熱點。植物乳桿菌NCU116發(fā)酵苦瓜多糖能改變苦瓜多糖的生化特征、單糖組成、分子質量和黏性[26]。曲托菌素誘導的2型糖尿病小鼠攝入發(fā)酵苦瓜多糖后，能顯著減輕糖尿病小鼠的高血糖、高胰島素癥、高血脂和氧化壓力，同時能明顯增加小鼠腸道菌群（Lactococcus laudensis和Prevotella loescheii）多樣性和豐度。攝入發(fā)酵乳桿菌HP3發(fā)酵猴頭菌制備的菌汁，可以改善鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠的高血糖水平、胰島素水平和恢復過程[27]。發(fā)酵猴頭菌菌汁可以改變糖化血紅蛋白水平，降低炎癥細胞因子水平，促進糖尿病大鼠IL-10和轉化生長因子-b1的產(chǎn)生。

3 益生菌在神經(jīng)及情緒調(diào)節(jié)中的相關活性

3.1 改善記憶認知

研究表明，益生菌的使用不僅對周圍組織具有有益影響，而且通過微生物群-腸-腦軸對中樞神經(jīng)系統(tǒng)和行為也有有益影響。阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）模型小鼠口服短雙歧桿菌A1，可以預防小鼠認知功能障礙[28]。短雙歧桿菌A1菌體或部分組分能改善AD小鼠的認知能力下降。同時，食用短雙歧桿菌A1可抑制淀粉樣蛋白-β誘導的海馬炎癥和免疫反應基因的表達。這些發(fā)現(xiàn)表明，短雙歧桿菌A1對AD小鼠的認知障礙具有治療潛力。從人體糞便菌群中分離的抗炎約氏乳桿菌CJLJ103，能夠改善腸道菌群失衡導致的接觸過度脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）而引發(fā)的大腸炎和記憶損害[29]。抗炎約氏乳桿菌CJLJ103在調(diào)節(jié)腸道免疫的同時，還抑制了LPS誘發(fā)的海馬中核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）的活化，促進LPS抑制的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子表達，從而改善記憶損傷。

益生菌的發(fā)酵產(chǎn)物對認知功能改善也有有益作用。瑞士乳桿菌發(fā)酵牛乳產(chǎn)生的多肽不僅含有降血壓的功能肽，同時也包含改善人體認知功能的多肽。Ohsawa等[30]研究發(fā)現(xiàn)瑞士乳桿菌發(fā)酵牛乳可以得到含11 個氨基酸的多肽（NIPPLTQTPVVPPFLQPE），其中一項隨機的雙盲對照臨床研究表明，含11 個氨基酸的多肽（NIPPLTQTPVVPPFLQPE）的發(fā)酵乳飲料可以提高健康日本中老年人的注意力和延遲記憶。

3.2 緩解抑郁及焦慮

長期的焦慮和壓力能導致行為、認知、生化和腸道微生物失常。腸道微生物能和宿主通過微生物-腸-腦軸交流，影響大腦和行為[2]。一種假設認為，服用益生菌能改善長期壓力誘導的萎靡不振，而許多動物及人體研究也證實了這種假設。瑞士乳桿菌NS8可以改善成年非特異性疾病SD大鼠由長期限制性應激誘發(fā)的行為性（焦慮和抑郁）以及認知功能失常，其效果接近甚至優(yōu)于5-羥色胺再攝取抑制劑西酞普蘭[1]。無菌小鼠模型長期攝入活的植物乳桿菌PS128顯著增加了空場實驗中的總運動距離，減少了在高架迷宮測試封閉臂中花費的時間，而攝入植物乳桿菌PS128對無菌小鼠的抑郁行為無顯著影響[31]。其機制研究表明，慢性攝入植物乳桿菌PS128可顯著增加紋狀體內(nèi)5-羥色胺和多巴胺的含量，但對前額葉皮質和海馬則無明顯影響。這些發(fā)現(xiàn)表明，每天攝入植物乳桿菌PS128可以改善類似焦慮的行為，并可能有助于改善神經(jīng)性精神障礙。

雄性C57BL/6小鼠口服鼠李糖乳桿菌JB-1? 28 d之后，將其置于長期社交挫折下，能夠降低壓力刺激下的焦慮行為，并阻止其與同類的社交沖突[32]。微生物治療減輕了壓力相關樹突細胞的激活，同時增加了IL-10調(diào)節(jié)T細胞數(shù)量。另外，鼠李糖乳桿菌JB-1?調(diào)節(jié)了壓力對糞便中含神經(jīng)活性及免疫調(diào)節(jié)活性代謝物的作用[32]。這些數(shù)據(jù)證明，盡管腸道微生物物種多樣，一些微生物菌株能保護某些應激誘導的行為和系統(tǒng)性免疫改變。Nishida等[33]研究表明，持續(xù)攝入格氏乳桿菌CP2305 4 周能改善健康年輕人及患有腸應激綜合征病人的壓力相關行為；研究證實，熱滅活及洗滌過的格氏乳桿菌CP2305攝入同時抑制了基底唾液醇釋放量的增加以及壓力相關mRNA（miR-144）的表達。除了改善副交感神經(jīng)活動，在壓力條件下，格氏乳桿菌CP2305使得腸排便習慣正常。這些結果表明，格氏乳桿菌CP2305具有神經(jīng)輔助作用。

4 結 語

諸多研究表明，益生菌對免疫、代謝及神經(jīng)情緒疾病的預防和治療具有功能活性，在食品領域具有良好的應用潛力，但是用于臨床治療還缺乏深入、有效的數(shù)據(jù)支持。主要表現(xiàn)在：1）動物活性的實驗機制闡明不夠深入，缺乏分子機制的闡釋；2）人體臨床實驗報道偏少，樣本量不足；3）存在菌株特異性，缺乏不同人群對菌株特異性響應機制的研究，缺少由于人體體質差異導致菌株功能活性差異的機理解釋。益生菌作為功能性成分用于食品開發(fā)中，將為國民身體健康及生活質量的進一步改善提供重要助力，有廣泛的市場前景。深入研究人體病癥和益生菌相互作用的機制，開發(fā)可用于臨床治療的菌株，是未來益生菌研究的重要方向。