腸道菌群與天然植物提取物相互作用的研究進展

周巧儀,方炳虎,郜禮陽,鐘永輝,凌彩金*

(1.廣東省農業(yè)科學院 茶葉研究所 廣東省茶樹資源創(chuàng)新利用重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.華南農業(yè)大學 獸醫(yī)學院，廣東 廣州 510642；3.梅州市梅縣區(qū)農業(yè)科學研究所，廣東 梅州 514000)

隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，動物處于高強度的集約化生產狀態(tài)下，導致動物感染疾病的概率不斷增加，抗生素耐藥性、藥物殘留等問題也日益明顯?？股亻L期大量使用不僅使細菌產生耐藥性，同時也影響動物腸道微生態(tài)平衡，而且易在動物產品及環(huán)境中殘留，影響人類健康。在新的養(yǎng)殖理念下，天然植物飼料添加劑得到了快速的發(fā)展，目前我國飼料原料目錄中收錄了117種可飼用天然植物種類，其功能涉及提高動物生產性能、增強免疫力、提高產品品質、改善肉質風味等。

天然植物中含有多種有效成分，包括多酚、多糖、醌類、萜類、皂苷、生物堿等，可在植物種子、漿果、根、根莖、葉子、樹皮和花等部位提取。植物提取物具有較強的生物活性，如免疫調節(jié)、抗感染、抗凝血、增強抗氧化能力、抗炎、改善胃腸道健康等作用[1]。國內外對于植物提取物的研究取得了一定進展，但發(fā)揮作用的物質基礎及其機制不明確，一直是限制其發(fā)展的主要原因。

腸道菌群是寄居于宿主體內的共生微生物群體，在人及動物機體生理活動中起著多種作用，因此被認為是“被遺忘的器官”，其受到飲食、環(huán)境、疾病和藥物等多種因素的影響。大量研究表明，腸道菌群與宿主的健康方面存在著密切關系[2]。通過以腸道菌群為媒介，探討植物提取物對宿主機體健康或疾病的影響，有助于進一步揭示植物提取物的作用機制。近年來，腸道菌群和植物提取物活性成分間的相互作用越來越被重視并深入研究。例如，腸道是藥物的轉化代謝場所，腸道菌群可將植物提取物進行轉化代謝，代謝產物與其前體相比，可能具有不同的生物活性和毒性。植物提取物還可通過調節(jié)腸道菌群的結構組成，恢復腸道穩(wěn)態(tài)，從而改善因疾病引起的功能障礙和相關的病理條件?；谏鲜鲭p重作用，腸道菌群可參與植物提取物中多種成分的協(xié)同或拮抗作用。基于此，現(xiàn)總結腸道菌群與宿主健康的關系，討論植物提取物和腸道菌群相互作用，以期為植物提取物的藥效藥理學作用及其作用機制提供參考。

1 腸道菌群與宿主健康

腸道菌群是位于宿主胃腸道的復雜微生物群落。人類很早就認識到腸道菌群的存在，然而由于培養(yǎng)條件、檢測技術等限制，對其具體的結構成分、功能及作用認識尚未詳細揭示。隨著美國國立衛(wèi)生研究院人類微生物組計劃(the human microbiome project，HMP)和歐盟人類腸道宏基因組計劃(Meta HIT)及中國、加拿大、法國等腸道菌群項目的啟動，加之代謝組學、宏基因組學、宏轉錄組學等技術的不斷革新，腸道菌群與宿主健康之間的關系在世界范圍內被密切關注。

腸道菌群對宿主健康和疾病的影響存在著密切的關系?，F(xiàn)有研究認為，腸道菌群可通過多種途徑影響宿主行為，如腸-腦軸、腸-肝軸、腸-腦-皮膚軸、腸-肌肉軸、原位腸道等，一方面可通過復雜的調控機制與宿主相互作用，調節(jié)宿主代謝、免疫、胃腸道穩(wěn)態(tài)等；另一方面還可通過微生物競爭作用來抵御外來病原菌的入侵[3]，這些功能作用相互關聯(lián)，相互促進，從而維持機體穩(wěn)態(tài)。其對腸道菌群的生理作用歸結為以下四個方面：(1)參與宿主代謝。腸道菌群的代謝能力強于宿主細胞，可參與丙酮酸[4]、氨基酸[5]、脂質[4]等營養(yǎng)物質的代謝。此外，腸道菌群代謝物可以通過多種信號通路直接或間接地影響宿主的生理機能[6]。短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)是腸道菌群重要的代謝產物之一，參與調節(jié)內分泌、免疫以及神經系統(tǒng)等生理功能，在維持腸道穩(wěn)態(tài)、改善多種疾病狀態(tài)等方面發(fā)揮著重要的作用。(2)調節(jié)免疫系統(tǒng)。腸道菌群能調節(jié)腸道免疫系統(tǒng)狀態(tài)，促進宿主天然和適應性免疫反應。在無菌動物模型中觀察到的多方面免疫缺陷和腸道菌群定植后的病理改善直接證實了這一點[7]。也有研究表明，腸道菌群參與宿主免疫系統(tǒng)的某些機制，促進宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育。包括刺激杯狀細胞分泌黏蛋白保護黏膜層完整性，以及通過樹突狀細胞識別細菌多糖，導致CD4+T細胞擴張，誘導腸道黏膜淋巴組織的發(fā)育分化[8]。(3)維持胃腸道穩(wěn)態(tài)。除了系統(tǒng)免疫外，腸道菌群還參與黏膜免疫，維持腸道生態(tài)系統(tǒng)平衡。一方面，腸道菌群通過調節(jié)腸道樹突狀細胞耐受性表型防止過度免疫反應來保護自己；另一方面，腸道菌群可通過激活樹突狀細胞，刺激主要腸黏膜上免疫球蛋白A (IgA)的產生，從而抑制細菌群的過度生長。通過競爭性排斥和誘導抗菌物質的產生，有效抵御病原體入侵從而維持腸道內共生菌穩(wěn)態(tài)；(4)影響大腦功能和宿主行為。腸道菌群可通過神經途徑(神經遞質)、免疫途徑(細胞因子)、內分泌途徑(激素)，與中樞神經系統(tǒng)進行信息聯(lián)系，從而影響大腦功能和宿主行為。如腸道菌群可通過調節(jié)色氨酸代謝，產生刺激神經組織的SCFAs和5-羥色胺等，影響大腦功能和行為。

近年來，越來越多的研究表明，宿主腸道菌群與糖尿病、癌癥、腸炎、急慢性腹瀉等多種疾病密切相關，這些疾病可通過調節(jié)腸道菌群從而改善病理狀況[9-10]。但是，腸道菌群在疾病發(fā)生中的具體作用機制仍不清楚。盡管還沒有徹底了解其機理和原因，但這些發(fā)現(xiàn)也為臨床疾病治療提供了新的策略，通過干預腸道菌群的結構組成，實現(xiàn)預防和治療相關疾病的目的。

2 植物提取物與腸道菌群的相互作用

2.1 腸道菌群會轉化植物的化學成分在臨床應用上，天然植物提取物通常以口服的途徑進入胃腸道，與腸道菌群密切接觸。腸道菌群可通過水解、氧化、還原等作用，將天然植物提取物有效成分轉化代謝成與其前體具有不同的生物利用度、生物活性或毒性的物質[11]。如苷類在植物提取物中含量較為豐富，但因其結構中氫鍵數量多，極性大，難以被腸道吸收。但苷類能夠被腸道菌群介導的去糖基化、葡萄糖醛酸途徑水解，生成的次級代謝物極性低，從而被腸道吸收；腸道菌群可以通過去甲基化、脫羥基化等作用將小檗堿轉化為具有更高親脂性的物質，包括二氫小檗堿、小檗紅堿、藥根堿等，與小檗堿相比更易被機體吸收，發(fā)揮藥理作用[12]。另一方面，植物成分被腸道菌群代謝后可產生毒性不同的代謝物。烏頭堿經口服給藥后，毒性較高，會引起機體急性中毒。腸道菌群可通過乙酰化、酯化作用將烏頭堿代謝成苯甲酰烏頭原堿、脂烏頭堿，顯著降低代謝產物的毒性[13]。

除了腸道菌群外，它們的基因也能編碼糖苷水解酶、多糖裂解酶、碳水化合物酯酶等，極大地增強了腸道菌群轉化代謝藥物的能力。如結腸中的優(yōu)勢菌群主要為擬桿菌門及厚壁菌門。擬桿菌門中的菌屬能編碼α，β-葡糖苷酶、β-葡糖醛酸糖苷酶、淀粉酶等在內的200多種糖苷水解酶及多糖裂解酶，使其具有強大的多糖分解能力。腸道菌群能通過酶的作用將植物多糖發(fā)酵得到SCFAs。SCFAs主要包括乙酸、丙酸、丁酸鹽、戊酸，是“菌群-腸-腦軸”中具有功能性的關鍵信號分子，在調節(jié)宿主代謝、免疫系統(tǒng)和細胞增殖方面具有重要作用[14-15]。

2.2 植物提取物可調控腸道菌群的結構組成生理狀態(tài)下，腸道菌群與宿主之間維持著良好的動態(tài)平衡。當平衡失調，在不同分類水平上會發(fā)生菌種比例失衡。植物提取物可通過調節(jié)腸道菌群的結構組成和代謝，從而在治療疾病方面起著關鍵作用。目前研究發(fā)現(xiàn)，植物提取物對腸道菌群的影響主要為促進或抑制作用。

天然植物提取物能促進腸道細菌生長，發(fā)揮益生元的作用，選擇性地刺激共生有益細菌的生長，如乳酸桿菌、雙歧桿菌等。植物提取物的益生元作用來源于植物多酚[16]、植物多糖等碳水化合物和糖苷成分。WU等[17]通過水平糞便微生物移植(FMT)、抗生素治療和16S rDNA微生物群分析方法，考察了在高脂飲食小鼠模型中蟲草菌絲及其多糖提取物對小鼠腸道微生物的影響，認為腸道菌群與冬蟲夏草多糖發(fā)揮治療肥胖的作用具有因果關系。冬蟲夏草菌絲及其多糖組分，可促進古氏副擬桿菌等特定腸道菌生長，從而改善小鼠肥胖和相關代謝紊亂問題。同時，研究還表明腸道中古氏副擬桿菌與肥胖程度存在負相關關系。但使用不同濃度的天然植物提取物對宿主腸道菌群的影響也不一致。陳融等[18]通過研究不同濃度的葛根多糖對小鼠腸道菌群的影響，發(fā)現(xiàn)葛根多糖能顯著提高腸道菌群多樣性，其中低濃度葛根多糖組更為顯著，能使腸道致病菌屬(棒狀桿菌屬、葡萄球菌屬和產堿桿菌屬)顯著降低，提高有益菌屬(顫螺旋菌屬、糞球菌屬、厭氧棍狀菌屬)。多項研究也證明了植物多糖可調節(jié)腸道菌群組成和代謝，其作用與劑量有關[19-20]。

除了植物多糖外，天然植物提取物中生物堿也具有潛在益生元作用。GONG等[21]通過采用糖尿病大鼠模型研究了葛根芩連湯(GQD)及其有效成分小檗堿(BBR)的降血糖作用。認為GQD及BBR處理均可調節(jié)腸道菌群的組成，富集糞桿菌屬、羅斯菌屬等丁酸鹽產生菌，并顯著提高了糞便中的SCFAs水平。此外，GQD及BBR治療后，胰島中血清促炎細胞因子的濃度和免疫相關基因(包括Nfkb1、Stat1和Ifnrg1)的表達顯著降低，表明GQD及BBR均可緩解系統(tǒng)性及局部炎癥。為了進一步觀察腸道菌群在BBR治療中的作用，有研究人員使用了抗生素干預腸道菌群的試驗方法，評估了BBR的治療效果，結果表明，與陽性對照組和單用抗生素組相比，抗生素和BBR聯(lián)合使用后空腹血糖也降低，但降低幅度不及單用BBR組，表明BBR的降血糖作用不僅受到其自身藥理學的影響，可能還受到腸道菌群的影響。同時，BBR能誘導腸道微生物群的結構比例變化，增加腸道菌群的豐富度和多樣性[22]。

由于天然植物提取物成分復雜和腸道微生物的多樣性，其對腸道菌群的抑制和促進作用總是同時發(fā)生，此機制可能有助于恢復腸道菌群的穩(wěn)態(tài)。此外，植物提取物對腸道菌群的調節(jié)很可能是復雜的微生物宿主相互作用的綜合結果。

2.3 腸道菌群參與天然植物及其有效組分多成分間的相互作用植物提取物與腸道菌群之間復雜的相互作用可能導致腸道細菌介導植物有效成分之間的交叉作用，主要表現(xiàn)為協(xié)同作用和拮抗作用。天然植物化合物有效組分之間具有協(xié)同作用。例如，植物多糖現(xiàn)被認為具有潛在的益生元作用，可選擇性地刺激某些益生菌的生長，從而恢復腸道菌群落的穩(wěn)態(tài)。此外，天然糖苷可被某些益生菌轉化為次生糖苷或苷元，與前體相比更利于機體吸收。這些研究結果均表明了植物提取物多糖雖然直接被機體吸收利用，但有可能作為益生元，通過促進益生菌的生長，改善腸道菌群結構，增強了植物提取物的代謝和吸收。ZHOU等[23]采用過度疲勞和急性冷應激模型，研究了口服人參多糖和人參皂甙后腸道菌群的變化。結果表明，人參多糖進入胃腸道后，改善了某些初級人參皂苷(人參皂苷Re和Rc)，以及次級人參皂苷(20(S)-Rg2、Rd和20(S)-Rg3)的腸道代謝，同時恢復腸道生態(tài)系統(tǒng)的平衡，特別是加強益生菌乳酸桿菌和擬桿菌的生長，這是人參皂甙的兩種主要代謝菌。該研究不僅證實了人參多糖的益生元作用，而且賦予了人參多糖在腸道微生物群介導的治療中新的間接作用。此外，植物提取物可通過調節(jié)腸道組織中吸收相關蛋白的表達[24]，從而影響宿主機體對其他植物組分的吸收利用。

黃酮類化合物在體內生物利用度低，其原因主要是Ⅱ相代謝和外排轉運在內的首過代謝。有研究發(fā)現(xiàn)，大豆可溶性多糖能夠通過下調 P-gp、MRP1和MRP2的蛋白表達，從而顯著提高大豆染料木黃酮在小鼠體內的吸收和生物利用度[25]。

除了協(xié)同作用外，植物提取物組分間也存在著拮抗作用。如黃連通過降低腸道菌群的代謝能力，從而降低了蒽醌類和黃酮類化合物的生物利用度。黃連的主要成分為BBR，具有廣泛的體外和體內抗菌活性，對多種革蘭陰性和革蘭陽性細菌均有抑菌作用。因此，BBR的抗菌活性在一定程度上抑制了腸道菌群的作用，從而降低了黃酮類等其他化合物的代謝吸收[26-27]。研究結果揭示了植物提取物各化合物之間的相互作用，以及植物提取物各組分之間的拮抗作用，有助于進一步完善現(xiàn)代化植物提取物化合物及其配方的篩選。

3 展望

關于植物提取物和腸道菌群之間的相互作用的研究仍處于起步階段，但最初的發(fā)現(xiàn)已經推進了對植物提取物科學基礎的理解。植物提取物與腸道菌群存在互動調控，可促進和抑制腸道細菌，以及腸道菌群參與植物提取物中多組分相互作用共同表明，腸道菌群可作為植物提取物發(fā)揮藥理作用的重要靶點。此外，腸道菌群能夠轉化植物有效成分，產生具有更高活性或生物利用度、毒性更低的物質，相對于前體化合物，代謝產物可能更具有開發(fā)成藥物的潛力，還可能降低藥物吸收前的個體差異，促進臨床的精準用藥，因此了解腸道菌群和植物提取物之間的相互作用將有助于篩選有效活性成分，開發(fā)新型藥物。