糖基化黃酮類化合物與腸道菌群的相互作用影響機(jī)體健康的研究進(jìn)展

吳 方， 陳 桂， 曹 政， 雷和花， 陳 川， 張利民

黃酮類化合物在體內(nèi)與腸道微生物相互作用直接影響其代謝和生物活性。本文就黃酮類化合物與腸道菌群的相互作用影響機(jī)體健康的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 不同黃酮糖苷化合物的吸收與活性

多酚被認(rèn)為在人類健康中扮演著重要的角色，特別是預(yù)防與生活方式相關(guān)的疾病，包括代謝綜合征、動(dòng)脈粥樣硬化、冠心病和骨質(zhì)疏松癥等[1-3]。黃酮類是主要的膳食多酚，廣泛存在于中草藥、水果和蔬菜等植物中，具有多種生物效應(yīng)，如抗炎、抗氧化、抗病毒、抗菌、心血管和化學(xué)預(yù)防等[4]。黃酮糖苷類天然產(chǎn)物是植物中黃酮類化合物的主要存在形式，常見的糖基配體有葡萄糖基、鼠李糖基、新橙皮糖基和蕓香糖基(見圖1)。有研究表明，不同黃酮類化合物的基本結(jié)構(gòu)，即苷元的結(jié)構(gòu)以及糖的類型對(duì)其生物利用度有很大的影響，而生物利用度是決定其體內(nèi)活性的關(guān)鍵因素[5]。大多數(shù)黃酮苷元及部分黃酮糖苷類化合物在水中存在溶解性差、生物利用度低等問(wèn)題，從而導(dǎo)致人體對(duì)黃酮類藥物吸收慢、藥效不顯著，極大地限制了其臨床應(yīng)用，給黃酮類新藥的尋找與開發(fā)帶來(lái)相當(dāng)大的困難。已有研究表明小腸是黃酮單糖苷類物質(zhì)吸收的重要部位，小腸中的β-葡萄糖苷酶可水解黃酮單糖苷，苷元再進(jìn)一步在相關(guān)酶的作用下形成葡萄糖醛酸等代謝物進(jìn)入體循環(huán)中，這明顯提高了黃酮類物質(zhì)的生物利用度[6]。因β-葡萄糖苷酶不能水解非單糖苷類黃酮苷(例如蘆丁苷)，這些多糖苷的黃酮苷類大多在盲腸和結(jié)腸中被微生物分解為可吸收的苷元[7]。此外，當(dāng)黃酮苷元直接進(jìn)入體內(nèi)，例如橙皮素，大部分的橙皮素是直接通過(guò)與P糖蛋白結(jié)合后通過(guò)尿液直接排出，導(dǎo)致其生物利用度低[8]。相關(guān)研究表明，對(duì)黃酮類化合物進(jìn)行糖基化修飾是提高其水溶性，改善其生物利用度的有效方法之一[9]。da Silva等[10]用鼠李糖苷酶處理橙皮苷和柚皮苷進(jìn)行去糖基化后變成橙皮素-7-葡萄糖苷和柚皮素-7-葡萄糖苷，發(fā)現(xiàn)去糖基化后產(chǎn)物的抗氧化活性相比于橙皮苷和柚皮苷有了明顯增加。Jiang等[11]發(fā)現(xiàn)葛根素-7-O葡萄糖苷比葛根素具有更高的血液濃度，且在血液中的平均停留時(shí)間更長(zhǎng)。此外，有學(xué)者研究了槲皮素及其不同類型糖苷衍生物在大鼠體內(nèi)的生物利用度，他們給予大鼠直接口服槲皮素、槲皮素-3-O-蘆丁苷、槲皮素-3-O-葡萄糖苷、槲皮素-3-O-麥芽糖苷、槲皮素3-龍膽苷、α-單葡萄糖基蘆丁、α-低葡萄糖基蘆丁和酶修飾異槲皮苷(α-低聚葡萄糖基異槲皮苷)，發(fā)現(xiàn)槲皮素-3-O-麥芽糖苷、槲皮素-3-O-葡萄糖苷和α-低聚葡萄糖基異槲皮苷的Cmax、AUC0-12和生物利用度均顯著高于槲皮素。然而槲皮素3-龍膽苷和槲皮素-3-O-蘆丁苷的Cmax、AUC0-12和生物利用度均明顯低于槲皮素。槲皮素-3-O-葡萄糖苷葡萄糖基團(tuán)α-鍵的延長(zhǎng)提高了其生物利用度[12-14]。通過(guò)給予大鼠口服等摩爾劑量的毛蕊異黃酮葡萄糖苷和毛蕊異黃酮，發(fā)現(xiàn)前者在血漿和組織中的暴露量比后者高，提示毛蕊異黃酮葡萄糖苷可作為毛蕊異黃酮的前藥，且可能具有更高的生物利用度[15]。綜上所述，與苷元相比，黃酮苷類在血漿中的含量較高，在血液中的平均停留時(shí)間更長(zhǎng)，且黃酮單糖苷類的生物利用度存在比非單糖苷類高的潛在可能。

圖1 常見糖基配體的結(jié)構(gòu)圖

2 腸道菌群與類黃酮糖苷化合物之間的關(guān)系

腸道是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，擁有密集多樣的微生物群落，稱為腸道菌群，與宿主共同進(jìn)化，形成互惠關(guān)系[16]。腸道微生物群含有大量不同類型的酶，它們?cè)陲嬍硵z入的化合物進(jìn)入結(jié)腸之前對(duì)其進(jìn)行修飾。除了幾種羥化酶，包括糖苷酶、葡萄糖醛酸酶、硫酸鹽酶、酰胺酶和酯酶之外，還有微生物酶催化各種類型的反應(yīng)，包括氧化、還原、脫羧、去甲基化、異構(gòu)化和環(huán)裂解反應(yīng)[17]。近年來(lái)，腸道微生物的變化成為越來(lái)越多疾病及藥物的研究熱點(diǎn)。正常腸道菌群的生態(tài)失調(diào)可導(dǎo)致胃炎、炎癥性腸綜合征、腹瀉和結(jié)直腸癌等疾病。此外，隨著生活節(jié)奏的加快，越來(lái)越多的人在生活中有不良飲食習(xí)慣、缺乏鍛煉、壓力過(guò)大等情況，而這會(huì)引起機(jī)體菌群持續(xù)性的改變，導(dǎo)致一系列的疾病風(fēng)險(xiǎn)，例如神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病和肥胖等[18]。因此，研究藥物與腸道菌群之間的作用顯得越來(lái)越重要。由于黃酮糖苷類化合物的結(jié)構(gòu)特性，腸道及微生物成為影響其吸收的重要因素，微生物群開始被認(rèn)為是一種代謝器官，促進(jìn)糖基化黃酮化合物的代謝，進(jìn)而影響其生物利用度和所顯示的生物效應(yīng)[19-20]。有研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)體外厭氧培養(yǎng)，毛蕊異黃酮葡萄糖苷可被大鼠腸道菌群快速完全水解，產(chǎn)生的毛蕊異黃酮在腸道菌群中高度穩(wěn)定。此外，體內(nèi)研究也發(fā)現(xiàn)微生物轉(zhuǎn)化和肝臟葡萄糖醛酸化是毛蕊異黃酮葡萄糖苷代謝物(毛蕊異黃酮-3′-O-葡萄糖醛酸)代謝至大鼠全身的關(guān)鍵[21]。另有研究發(fā)現(xiàn)人體腸道微生物對(duì)芹菜素-7-葡萄糖苷的代謝具有較大影響，其主要是通過(guò)影響宿主形成的黃酮及其衍生代謝物的轉(zhuǎn)化，從而影響芹菜素-7-葡萄糖苷在宿主體內(nèi)的生物活性[22]。不僅腸道微生物可以影響黃酮糖苷的代謝與生物活性，相對(duì)應(yīng)的攝入類黃酮也可以調(diào)節(jié)腸道微生物群落。其中腸道微生物雙歧桿菌和乳酸桿菌能產(chǎn)生β-葡萄糖苷酶，它能有效水解類黃酮苷，產(chǎn)生苷元和葡萄糖[23]。淫羊藿次苷I(淫羊藿素-7-O-葡萄糖苷)是從淫羊藿中分離得到的一種新型化合物，有研究發(fā)現(xiàn)口服淫羊藿次苷I可以改善荷瘤小鼠盲腸內(nèi)容物的菌群結(jié)構(gòu)，并且顯著回調(diào)小鼠盲腸內(nèi)容物中乳酸菌和雙歧桿菌的豐度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)腸道菌群及其衍生代謝產(chǎn)物，改善宿主腸道屏障和免疫功能的作用[24]。由此可見，類黃酮糖苷與腸道菌群具有相互作用。首先，黃酮類化合物可被腸道微生物代謝，從而提高其生物利用度。其次，黃酮類化合物可調(diào)節(jié)腸道微生物種群結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步影響宿主代謝。膳食中的黃酮類化合物與腸道微生物之間的這種相互關(guān)系往往增強(qiáng)了黃酮類化合物的生物活性，因?yàn)樗鼈兊拇x物可能比它們的母體化合物具有更高的生物活性。由于黃酮糖苷中糖基配體的不同，微生物對(duì)其影響也不盡相同。許多研究發(fā)現(xiàn)，黃酮類物質(zhì)的糖苷形式比苷元形式與腸道菌群的相互作用更為顯著。一些體外研究發(fā)現(xiàn)，黃酮苷元相比于黃酮糖苷具有更高的抗氧化能力，但是體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻與之不同，苷元的生物活性在許多方面不如黃酮糖苷[20]。這與黃酮糖苷在體內(nèi)的代謝密切相關(guān)，而由于黃酮糖苷的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致腸道微生物在其代謝過(guò)程中起到重要影響。前面討論了不同黃酮糖苷類物質(zhì)在體內(nèi)的吸收過(guò)程，黃酮單糖苷類物質(zhì)主要在小腸段被水解為苷元吸收，水解脫落的糖基則進(jìn)入大腸中，被微生物分解利用。而一些雙糖苷的黃酮類化合物則主要在大腸段經(jīng)由微生物代謝的相關(guān)酶水解后被吸收代謝。類黃酮糖苷與微生物之間的這種相互影響有利于進(jìn)一步研究不同類型的類黃酮糖苷的生物學(xué)意義，在基于腸道菌群研究的基礎(chǔ)上探索類黃酮糖苷對(duì)于疾病的作用機(jī)制。肥胖現(xiàn)在成為越來(lái)越值得關(guān)注的健康問(wèn)題，有研究發(fā)現(xiàn)，黃酮類化合物可以通過(guò)調(diào)節(jié)腸道炎癥相關(guān)的微生物群的組成，發(fā)揮對(duì)肥胖等相關(guān)疾病的保護(hù)作用[25]。長(zhǎng)期補(bǔ)充膳食中的異槲皮素和可溶性菊粉纖維可以通過(guò)有益性地改變腸道菌群來(lái)介導(dǎo)減緩高脂飲食小鼠代謝綜合征的發(fā)展[26]。此外，類黃酮的攝入還與心血管疾病及腸道微生物之間有密切關(guān)系。黃酮類化合物通過(guò)腸道微生物代謝轉(zhuǎn)化后，在預(yù)防和治療心血管疾病方面具有潛在價(jià)值[27]?？偠灾?，腸道微生物與類黃酮糖苷在類黃酮糖苷的代謝及相關(guān)的代謝性疾病上存在著相互作用，這有利于進(jìn)一步了解類黃酮糖苷的作用機(jī)制，有針對(duì)性地采取干預(yù)措施，以改善腸道微生物組成，從而預(yù)防或治療代謝疾病。

3 腸道菌群與類黃酮糖苷化合物的靶向代謝組學(xué)研究

除了腸道微生物本身外，微生物直接影響的宿主代謝物如膽汁酸以及微生物衍生的代謝產(chǎn)物，短鏈脂肪酸和色氨酸(tryptophan)代謝產(chǎn)物，均具有各自的生物學(xué)功能，可調(diào)節(jié)多種代謝綜合征，如肥胖、糖尿病和高血壓[16，28-29](見圖2)。它們構(gòu)造了腸道菌群的組成，并為宿主細(xì)胞和腸道菌群提供能量來(lái)源。宿主基因組和微生物組(即腸道微生物群的基因組)共同產(chǎn)生這些的代謝物可作為重要的信號(hào)傳遞因子和能量基質(zhì)參與到宿主的生命活動(dòng)中，調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)和代謝表型，并影響疾病的危險(xiǎn)因素和對(duì)治療的反應(yīng)[30]。

圖2 飲食攝入的黃酮類化合物通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群及其宿主代謝改善代謝性疾病的示意圖

3.1類黃酮糖苷影響宿主腸道菌群及宿主膽汁酸代謝 膽汁酸主要在肝臟中合成，轉(zhuǎn)運(yùn)至腸道后再通過(guò)重吸收進(jìn)入腸上皮細(xì)胞，而后在循環(huán)系統(tǒng)的作用下再回到肝細(xì)胞，形成了一個(gè)完整的肝腸循環(huán)[31]。在遠(yuǎn)端小腸和結(jié)腸中，膽汁酸受到腸道菌群膽鹽水解酶(bile salt hydrolase,BSH)的解偶聯(lián)作用，從而阻止結(jié)合型膽汁酸在肝腸循環(huán)中的主動(dòng)攝取。解偶聯(lián)后的膽汁酸經(jīng)過(guò)微生物轉(zhuǎn)化，包括脫羥基、差向異構(gòu)化和氧化產(chǎn)生一系列的次級(jí)膽汁酸[32]。因此，腸道微生物對(duì)于膽汁酸的代謝具有重要意義。此外，膽汁酸的變化也與代謝性疾病和惡性腫瘤等疾病有關(guān)[32]。柚皮苷是來(lái)自柑橘中的一類主要類黃酮糖苷，有研究發(fā)現(xiàn)，柚皮苷可以通過(guò)“腸道菌群-肝臟-膽固醇”軸來(lái)調(diào)節(jié)Apoe基因敲除小鼠的膽固醇代謝從而緩解動(dòng)脈粥樣硬化，其中主要通過(guò)抑制腸道法尼醇X受體(farnesoid X receptor,FXR)/成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子15(fibroblast growth factor 15,FGF15)信號(hào)通路來(lái)調(diào)節(jié)膽汁酸合成途徑中的限速酶細(xì)胞色素P450 7A1(cytochrome P450 7A1,CYP7A1)，從而促進(jìn)膽汁酸的合成及排出[33]。

3.2類黃酮糖苷影響宿主與腸道菌群的共生代謝物

短鏈脂肪酸主要包括由膳食纖維產(chǎn)生的乙酸、丙酸、丁酸和腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生的非消化碳水化合物，是腸內(nèi)細(xì)胞的主要能量來(lái)源，廣泛參與微生物生長(zhǎng)和宿主能量代謝。短鏈脂肪酸不僅為宿主提供能量，它還是調(diào)控生物過(guò)程的信號(hào)分子，由短鏈脂肪酸介導(dǎo)的G蛋白偶聯(lián)受體41/43(G-protein-coupled receptor 41/43,GPCR-41/43)信號(hào)與肥胖及其引起的代謝性疾病密切相關(guān)[34]。此外，短鏈脂肪酸可調(diào)節(jié)宿主的腸上皮黏液水平維持天然腸道屏障功能、調(diào)節(jié)腸道運(yùn)動(dòng)、腸腦軸及免疫功能等[35]。大量研究發(fā)現(xiàn)，黃酮類化合物在調(diào)節(jié)肥胖引起的腸道菌群紊亂中，短鏈脂肪酸起到了一定的介導(dǎo)作用。有研究發(fā)現(xiàn)黃芩苷可能通過(guò)影響短鏈脂肪酸的產(chǎn)生來(lái)改善高脂飼養(yǎng)誘導(dǎo)的小鼠糖脂代謝異常[36]。另有研究表明，橙皮素及其衍生物誘導(dǎo)的短鏈脂肪酸改變了微生物組成，從而使腹部脂肪組織積累顯著減少，脂肪酸合成、脂肪酸氧化和體內(nèi)脂肪分解的增加[37]。色氨酸在胃腸道中的代謝有三個(gè)主要途徑:(1)色氨酸直接通過(guò)腸道微生物直接轉(zhuǎn)化為吲哚及其衍生物；(2)在免疫細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞中在吲哚胺2，3-雙加氧酶(indoleamine 2,3 dioxygenase,IDO)1的作用下代謝為犬尿酸;(3)在腸嗜鉻細(xì)胞中通過(guò)色氨酸羥化酶1(tryptophan hydroxylase 1,TpH1)代謝為5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)[16]。其中由腸道微生物直接代謝而成的吲哚及其衍生物中，有許多是多環(huán)芳烴核受體(aryl hydrocarbon receptor,AhR)的配體，AhR信號(hào)通路被認(rèn)為是免疫應(yīng)答的關(guān)鍵組成部分，并且對(duì)腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定至關(guān)重要[38]。在一些代謝性疾病如肥胖、糖尿病和炎癥性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)中，由于腸道菌群的失調(diào)，引起機(jī)體AhR的配體減少[39]。在針對(duì)黃酮單糖苷的研究中發(fā)現(xiàn)，健康小鼠飲食攝入橙皮素單葡萄糖苷(hesperetin-7-O-glucoside)后，其糞便中色氨酸相關(guān)代謝物的水平發(fā)生變化，其中尤以吲哚-3-乙醇(indole-3-acetic acid,IAA)和吲哚-3-丙酸(indole-3-propionic acid,IPA)的上調(diào)最為顯著。與之相關(guān)的腸道菌乳酸菌(Lactobacillus)、瘤胃球菌(Ruminococcus)、假單胞菌(Pseudomonas)、丁酸蓖麻單胞菌(Butyricimonas)和嗜膽汁菌(Bilophila)也都發(fā)生了顯著性變化[40]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平和飲食條件得到了明顯改善，同時(shí)由飲食帶來(lái)的問(wèn)題也受到越來(lái)越多的關(guān)注，膳食黃酮也成為了一些研究的熱點(diǎn)。針對(duì)不同糖苷的類黃酮，總結(jié)其吸收和代謝的不同特征，進(jìn)一步論述了類黃酮糖苷與微生物及宿主之間的關(guān)系。不同類黃酮糖苷代謝及其作用機(jī)制的不同與其結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。腸道微生物作為其中較為重要的一環(huán)，對(duì)其代謝及生物活性有著重大的影響。與此同時(shí)，腸道微生物作為新的靶點(diǎn)和方向?yàn)槲磥?lái)進(jìn)一步研究不同類黃酮糖苷的作用機(jī)制提供了新的角度，從而進(jìn)一步發(fā)掘黃酮類物質(zhì)的生物活性，使其在調(diào)節(jié)人體健康的道路上具有更廣闊的前景。