腸道菌群與植物多糖相關(guān)性研究進(jìn)展

邱霞 張健 李可昌 孫占一 申培麗 王發(fā)合

摘 要：對(duì)植物多糖與腸道菌群相關(guān)性的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為植物多糖的研究與利用提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：腸道菌群;植物多糖;疾病

腸道菌群參與碳水化合物和膽汁酸等物質(zhì)的代謝，合成維生素等人體必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，抑制致病微生物，維持腸道微生態(tài)平衡，調(diào)節(jié)人體免疫系統(tǒng)，在人體健康中發(fā)揮著重要的作用[1-4]。Backhed等[5]研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群參與大分子多糖的利用及降解，具有某些人類器官不具備的生理功能。腸道菌群產(chǎn)生的活性酶將多糖降解轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸（SCFA）和乙酸、丙酸和丁酸等其他代謝產(chǎn)物[6-7]。SCFA具有能修復(fù)結(jié)腸上皮細(xì)胞、參與機(jī)體能量代謝和抑制致病菌定植等作用;乙酸在結(jié)腸內(nèi)被吸收，為肌肉提供能源或促進(jìn)脂肪組織的合成;丙酸通過(guò)抑制3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A的活性調(diào)節(jié)機(jī)體膽固醇含量;異丁酸為纖維分解菌的生長(zhǎng)因子，可促進(jìn)纖維素的消化;丁酸是結(jié)腸上皮細(xì)胞的主要能量來(lái)源，其重要性強(qiáng)于葡萄糖和谷氨酞胺。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，人體許多疾病，如肥胖[8]、糖尿病[9]、冠心病[10]、帕金森病[11]、神經(jīng)精神疾病[12]等都與腸道菌群密切相關(guān)。腸道菌群可通過(guò)參與多糖的代謝，使多糖的活性成分發(fā)生變化，從而在多糖治療疾病的機(jī)制方面起到介導(dǎo)作用。植物多糖是指從自然界植物體中提取的多糖，因其來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，具有重要的生物學(xué)活性，無(wú)毒副作用，逐漸受到人們的重視，本文綜述了植物多糖與腸道菌群相關(guān)性的研究現(xiàn)狀，為植物多糖的開(kāi)發(fā)和在人體相關(guān)疾病中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 植物多糖對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)作用

醫(yī)學(xué)家根據(jù)腸道菌群與宿主的相互關(guān)系，將腸道菌群分為三類：共生菌，是腸道中的優(yōu)勢(shì)菌群，在維持腸道微生態(tài)環(huán)境中起重要作用;條件致病菌，當(dāng)腸道菌群紊亂或機(jī)體抵抗力降低時(shí)具有致病性;病原菌包括與共生菌維持腸道的動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)病原菌數(shù)量超過(guò)一定數(shù)量，平衡被打破則會(huì)引起機(jī)體疾病[13]。

1.1 塑造腸道菌群

大量研究表明，植物多糖具有促進(jìn)有益菌群增殖，抑制有害菌群生長(zhǎng)，保護(hù)腸粘膜屏障的作用。Clarke等[14]觀察到多糖能使腸道內(nèi)的雙歧桿菌等益生菌數(shù)量保持在一定水平，有效促進(jìn)腸道內(nèi)雙歧桿菌增殖，并產(chǎn)生SCFA，增加腸粘膜屏障功能。其機(jī)制可能是植物多糖能阻止細(xì)菌與腸粘膜上皮細(xì)胞結(jié)合，抑制條件致病菌定植，維持腸黏膜的通透性，降低細(xì)菌移位風(fēng)險(xiǎn)，從而避免機(jī)體發(fā)生炎性反應(yīng)。史艷莉等[15]探討魔芋甘露聚糖對(duì)運(yùn)動(dòng)應(yīng)激大鼠腸粘膜損傷的保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充魔芋甘露聚糖可以調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)應(yīng)激導(dǎo)致的腸道微生態(tài)失調(diào)狀態(tài)，減少腸粘膜屏障的損傷，防治胃腸綜合征。其可能機(jī)制是植物多糖能促進(jìn)雙歧桿菌與乳酸桿菌等腸道有益菌的大量繁殖，使其形成腸道中的優(yōu)勢(shì)菌群，抑制有害菌和腸內(nèi)大腸桿菌等固有致病菌的生長(zhǎng)繁殖，發(fā)揮正常腸道菌群的腸道屏障作用。張海燕[16]考察了山藥多糖對(duì)部分腸道菌群體外生存活性的影響，發(fā)現(xiàn)山藥多糖有扶植雙歧桿菌、乳酸桿菌生長(zhǎng)，抑制大腸桿菌和糞腸球菌生長(zhǎng)的作用，而且不同濃度山藥多糖對(duì)各菌種的體外生長(zhǎng)活性影響并不相同。任貝貝[17]通過(guò)模擬腸道微生物酵解系統(tǒng)研究鼠尾藻多糖對(duì)腸道菌群的影響，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵48 h后，鼠尾藻多糖可增加擬桿菌門(mén)豐度，減小厚壁菌門(mén)豐度，升高柔嫩梭菌屬、糞球菌屬的比例，這有利于多糖代謝產(chǎn)物SCFA的產(chǎn)生，認(rèn)為鼠尾藻多糖在大腸和結(jié)腸中被降解吸收，從而改善腸道菌群代謝和主要腸道菌群的豐度，起到降血糖作用。任新秀[18]早期研究發(fā)現(xiàn)，滸苔多糖能夠改善腸道菌群，對(duì)便秘造成的結(jié)腸粘膜損傷具有恢復(fù)作用。后期采用腹腔注射順鉑造成小鼠腸道菌群紊亂模型，研究滸苔多糖對(duì)順鉑造成的腸道粘膜損傷的干預(yù)作用，發(fā)現(xiàn)滸苔多糖可增加小鼠腸壁定植菌中乳酸桿菌的比例，抑制順鉑誘導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)菌屬——大腸桿菌志賀菌屬，說(shuō)明滸苔多糖作為一種益生元，能夠提高益生菌，有效阻止致病菌的入侵和繁殖，從而降低順鉑造成的腸道屏障損傷。

1.2 干預(yù)腸道菌群代謝

多糖進(jìn)入機(jī)體后，不能被小腸消化吸收，而是進(jìn)入大腸促進(jìn)某些腸道菌群增殖，增加腸道菌群的豐富度和多樣性;同時(shí)腸道菌群可對(duì)多糖進(jìn)行酵解和利用，促使腸道菌群產(chǎn)生SCFA、五羥色胺等有益產(chǎn)物，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生抗氧化、減輕炎癥反應(yīng)等作用[19]。其中，SCFA可上調(diào)緊密連接蛋白和閉合蛋白等的表達(dá)，恢復(fù)腸黏膜正常通透性，減少內(nèi)毒素，降低炎性反應(yīng)，維護(hù)機(jī)體健康[20]。張俊楠[21]利用代謝組學(xué)研究手段分析鐵皮石斛多糖對(duì)腸道菌群生長(zhǎng)過(guò)程中代謝產(chǎn)物的影響，發(fā)現(xiàn)鐵皮石斛多糖可有效升高腸道中SCFA和支鏈氨基酸等多糖代謝物的代謝水平，證明鐵皮石斛多糖的益生元效應(yīng)的機(jī)制與干預(yù)腸道菌群代謝水平相關(guān)。

1.3 調(diào)節(jié)腸道菌群紊亂

研究發(fā)現(xiàn)，老年人與年輕成年人的腸道菌群的種類數(shù)量等并不相同，老年人腸道中的雙歧桿菌和乳酸菌等有益菌數(shù)量明顯減少，而且研究發(fā)現(xiàn)老年人腸道中幾乎沒(méi)有瘤胃球菌的存在，而此菌種具有分解纖維素的功能;同時(shí)研究人員還發(fā)現(xiàn)，老年人整體菌群的數(shù)量和豐度也明顯降低[22]。胡晨熙等[23]通過(guò)高通量16SRNA測(cè)序等手段研究發(fā)現(xiàn)，羊棲菜多糖可在一定程度上改善衰老小鼠腸道菌群的組成與結(jié)構(gòu)，恢復(fù)因衰老引起的某些有益菌的降低，抑制致病菌的定植，提高衰老小鼠腸道菌群的豐度和多樣性，使老年小鼠的腸道菌群與中年小鼠相似，推測(cè)羊棲菜多糖調(diào)節(jié)腸道菌群紊亂和改善腸道菌群結(jié)構(gòu)是其延緩衰老的作用機(jī)制之一。Shang等[24]為了解巖藻多糖對(duì)高脂飲食誘導(dǎo)代謝綜合征的治療效果的機(jī)理，觀察到口服巖藻多糖可豐富腸道中擬桿菌等有益菌群，證明巖藻多糖可通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群來(lái)延緩衰老和改善代謝性疾病的癥狀，闡明了巖藻多糖作為一種功能食品的新應(yīng)用，并從腸道菌群的角度，為植物多糖發(fā)揮系統(tǒng)治療作用的機(jī)制提供了新的見(jiàn)解。

2 腸道菌群介導(dǎo)植物多糖治療疾病

2.1 調(diào)控胰島素抵抗

研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食是誘發(fā)模式動(dòng)物產(chǎn)生胰島素抵抗的危險(xiǎn)因素之一[25-26]。脂多糖（LPS）是腸道內(nèi)的革蘭氏陰性菌的重要組成部分之一，Cani 等[27]認(rèn)為，腸道內(nèi)的革蘭氏陰性菌死亡后產(chǎn)生LPS，被吸收入循環(huán)系統(tǒng)，與固有免疫細(xì)胞表面的復(fù)合體相結(jié)合，分泌大量炎癥因子，觸發(fā)腸道產(chǎn)生低度慢性炎性反應(yīng)，從而干預(yù)胰島素受體信號(hào)通路，引起胰島素抵抗。腸道中的厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)細(xì)菌與胰島素抵抗呈正相關(guān)[28]。張偉男[29]進(jìn)行體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)表明，海帶多糖可能通過(guò)改變厚壁菌門(mén)與擬桿菌門(mén)細(xì)菌的比例改善高脂膳食誘導(dǎo)小鼠的胰島素抵抗;通過(guò)提高腸道內(nèi)阿克曼氏菌細(xì)菌的數(shù)量改善小鼠的腸道緊密性;通過(guò)增加小鼠腸道內(nèi)雙歧桿菌的數(shù)量改善小鼠內(nèi)毒素血癥;通過(guò)上調(diào)乳桿菌的相對(duì)豐度改善腸道通透性，抑制了TNF-α等細(xì)胞因子對(duì)腸道屏障功能的損傷。證明海帶多糖可被用作益生元，調(diào)節(jié)腸道菌群，減少炎癥反應(yīng)，最終達(dá)到干預(yù)胰島素抵抗的發(fā)生的目的[30]。

2.2 調(diào)節(jié)血脂水平

研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群結(jié)構(gòu)失衡可引起致病菌數(shù)量增加，增加內(nèi)毒素產(chǎn)生，影響腸上皮細(xì)胞的基因表達(dá)，使腸黏膜通透性增加，誘發(fā)持續(xù)的慢性炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致機(jī)體肥胖等代謝紊亂失調(diào)[31]。姚琪琪等[32]證明了高脂飲食與腸道菌群之間有密切關(guān)系，認(rèn)為人工干預(yù)調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)是治療高血脂引起的代謝性疾病的一條新思路。魯汶大學(xué)Cani 等[33]研究認(rèn)為，腸道菌群失衡所致內(nèi)毒素即LPS分泌增多，這可能是導(dǎo)致肥胖的重要誘因。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群的多樣性、豐度與機(jī)體的肥胖程度呈負(fù)相關(guān)[34]。Ridaura等[35]研究顯示，肥胖供體的菌群可一定程度調(diào)控受體動(dòng)物腸道菌群代謝，誘發(fā)與代謝率改變無(wú)明顯關(guān)系的肥胖表型的發(fā)生。

大量研究證實(shí)，補(bǔ)充復(fù)合植物多糖可顯著改善機(jī)體腸道微生態(tài)環(huán)境。石林林等[36]發(fā)現(xiàn)，麥冬多糖可使肥胖小鼠模型的腸道益生菌尤其是乳桿菌的數(shù)量有一定程度的增加，扶植腸道益生菌的生長(zhǎng)，提高腸道菌群多樣性，而且此效應(yīng)具有劑量依賴性。張靜[37]采用復(fù)合植物多糖灌胃的方式對(duì)高脂膳食誘導(dǎo)肥胖大鼠進(jìn)行干預(yù)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合植物多糖可以使腸道有益菌群Bifidobacteriaceae、Turicibacteraceae、Lactobacillaceae、Clostridiaceae、Veillonellaceae的含量顯著增加，其中Bifidobacteriaceae對(duì)腸黏膜屏障具有保護(hù)作用，Lactobacillaceae在大便中的濃度與體重指數(shù)呈正相關(guān);同時(shí)使腸道有害菌群Desulforibrionaceae、Helicobacteracea、Ruminococcaceae的含量顯著降低，其中Desulforibrionaceae產(chǎn)生內(nèi)毒素。說(shuō)明復(fù)合植物多糖可有效增加有益菌生長(zhǎng)，減少有害菌定植，保護(hù)腸黏膜屏障降低內(nèi)毒素的產(chǎn)生和炎癥反應(yīng)。這些研究確證了植物多糖通過(guò)腸道菌群介導(dǎo)抑制高脂膳食誘導(dǎo)的肥胖發(fā)生的機(jī)制，對(duì)進(jìn)一步尋求有效的減脂控體重措施具有重要意義。

Chen等[38]通過(guò)給高脂飲食大鼠灌胃巖藻多糖，檢測(cè)血清生化指標(biāo)，應(yīng)用16S rRNA基因測(cè)序分析腸道菌群，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)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(shù)量的增加。他們認(rèn)為高脂膳食會(huì)破壞大鼠腸道菌群穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致菌群紊亂，而巖藻多糖則可以有效地恢復(fù)它們。Min Liu等[39]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，高血脂異常小鼠腸道中葡萄球菌具有較高豐度，經(jīng)巖藻多糖干預(yù)后，該菌屬數(shù)量明顯減少;擬普雷沃氏菌屬（Alloprevotella）的豐度與肥胖、糖尿病和代謝綜合征呈負(fù)相關(guān)[40]，而巖藻多糖可以顯著升高Alloprevotella的豐度。研究還發(fā)現(xiàn)，添加巖藻多糖能提高擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）和Alloprevotella的豐度，抑制厚壁菌門(mén)（Firmicutes）、葡萄球菌（Staphylococcus）和鏈球菌（Streptococcus）的數(shù)量。檢測(cè)結(jié)果表明，自裙帶菜提取的巖藻多糖通過(guò)腸道菌群的介導(dǎo)對(duì)高脂膳食誘導(dǎo)小鼠血脂異常具有改善作用。

2.3 保護(hù)腸道屏障

腸道微生物屏障和腸道物理屏障、化學(xué)屏障、免疫屏障共同構(gòu)成腸道屏障[41]。Fasano等[42]發(fā)現(xiàn)，腸道菌群與腸粘膜機(jī)械屏障和免疫屏障互相協(xié)同，調(diào)控腸粘膜緊密連接，參與宿主免疫，調(diào)節(jié)粘膜樹(shù)突狀細(xì)胞蛋白量，激活NF-κB，抑制促炎因子產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，多糖具有一定的調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)及提高機(jī)體免疫力的功效[43]。Sonnenburg等[44]發(fā)現(xiàn)，某些植物多糖可以刺激腸道黏膜免疫組織中分布的各類淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞，產(chǎn)生免疫作用，且具有毒副作用小和不造成殘留等優(yōu)勢(shì)。Ma等[45]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠口服杏鮑菇多糖可增加Porphyromonadaceae、Rikenellaceae、Bacteroidaceae 、 Lactobacillaceae 等有益菌的豐度，提高腸道菌群的多樣性，使小鼠免疫應(yīng)答顯著改變。Zuo等[46]發(fā)現(xiàn)，巖藻多糖能調(diào)節(jié)腸道輔助性T細(xì)胞Th1/Th2的比值，增加免疫球蛋白 A（IgA）的表達(dá)，顯著逆轉(zhuǎn)環(huán)磷酰胺對(duì)小鼠腸道造成的損傷，保護(hù)腸道的免疫屏障。Shi等[47]進(jìn)一步證明，巖藻多糖可以緩解環(huán)磷酰胺造成的腸道黏膜損傷，維護(hù)腸道屏障的完整性，降低炎癥因子的表達(dá)，具有增強(qiáng)機(jī)體免疫力的作用。巖藻多糖對(duì)二羥甲基丁酸（DMBA）誘發(fā)的乳腺癌大鼠的腸道屏障損傷也具有一定的保護(hù)作用，使大鼠腸道緊密連接蛋白 occludin和ZO-1的表達(dá)增加，逐漸恢復(fù)損傷的腸絨毛形態(tài)和結(jié)構(gòu)[48]。

3 結(jié)論

腸道菌群與植物多糖密切相關(guān)，植物多糖作為天然的微生態(tài)調(diào)節(jié)劑效果顯著。一方面，植物多糖選擇性扶植腸道有益菌群的增殖，抑制有害菌群的植入，調(diào)節(jié)腸道菌群的結(jié)構(gòu)與代謝功能;另一方面，由于大多數(shù)植物多糖不能被胃和小腸內(nèi)的消化降解，從而被大腸內(nèi)細(xì)菌降解后進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化發(fā)揮其生物學(xué)功能。由于不同的植物多糖的來(lái)源和提取方式不同，其分子量和單糖組成等具有明顯差異，對(duì)腸道菌群的也不一樣。從褐藻提取的巖藻多糖對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)作用尤為明顯，不但可以通過(guò)腸道菌群介導(dǎo)干預(yù)高脂血癥，而且具有保護(hù)腸道屏障、修復(fù)腸道黏膜的作用。植物多糖對(duì)扶植腸道益生菌菌群的生長(zhǎng)、改善機(jī)體免疫功能、調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)等方面有著顯著作用，以植物多糖作為微生態(tài)調(diào)節(jié)劑，其資源豐富、易保存、療效穩(wěn)定，值得進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用。

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