抗性淀粉：健康益处、食物来源、与肠道菌群的关联

谷禾健康

目前越来越多营养概念诸如”低碳水化合物饮食”正在流行，然而，所有的碳水化合物都是不好的吗? 其实并非如此。

其中，抗性淀粉就是一种特殊的碳水化合物，它与我们通常所熟知的淀粉有区别。抗性淀粉之所以得名，是因为它能够抵抗人体消化酶的作用，逃离被吸收的命运，直接进入肠道。这种特性使得抗性淀粉拥有许多健康功效，它不仅能调节血糖，还能促进有益菌的生长，改善肠道功能，甚至还能增强饱腹感，帮助控制体重。

抗性淀粉天然存在于豆类（如扁豆、鹰嘴豆）、某些谷物（如大麦、燕麦）、块茎（如土豆、山药）等食物中。此外，各种食品加工和烹饪方法可以提高食品中的抗性淀粉含量，进一步使这种淀粉的潜在膳食来源多样化。

作为一种膳食纤维，抗性淀粉可以作为微生物发酵的底物，例如拟杆菌属，瘤胃球菌，双歧杆菌等可以发酵抗性淀粉。

一些肠道细菌促进抗性淀粉发酵产生短链脂肪酸。短链脂肪酸的主要功能是改善肠上皮屏障的完整性，缓解局部和全身炎症，产生全身效应，影响代谢健康、免疫功能，甚至可能影响大脑健康。

目前代谢性疾病负担正在增加，一些膳食可以通过调节肠道菌群干预疾病，其中抗性淀粉也很重要，它结合了传统和科学，促使研究人员和消费者重新审视传统饮食习惯并认识到其潜在的健康影响。

本文探讨了抗性淀粉和肠道微生物组之间复杂的相互作用，包括抗性淀粉影响微生物群落的机制、这些相互作用对健康的影响。此外，还讨论了富含抗性淀粉的饮食对肠道健康的影响。随着对肠道菌群在健康和疾病中的作用了解越来越多，强调从天然来源获取抗性淀粉的饮食将会不断增长，为营养干预提供新途径。

01
抗性淀粉（RS）

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什么是抗性淀粉？

抗性淀粉（RS）是一种不被人体消化酶分解的淀粉，被认为是膳食纤维。

淀粉作为葡萄糖的储存形式天然存在于植物中。食品中的淀粉可分为慢消化淀粉（SDS）、快速消化淀粉（RDS）或抗性淀粉（RS）。

一般淀粉在小肠中迅速分解并转化为葡萄糖，并迅速吸收到血液中，而抗性淀粉则抵抗正常消化，因此得名。它不会分解成葡萄糖，而是不受干扰地通过消化道，直到到达结肠。

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淀粉的生化结构和分类

首先，淀粉的基本结构基于两种不同的葡萄糖聚合物——直链淀粉和支链淀粉。

直链淀粉主要是由α-1,4-葡萄糖单元组成的线性分子，与支链淀粉的分支结构形成对比，支链淀粉还包含α-1,6键连接。

这两种组分的比例及它们在淀粉颗粒内的排列方式显著影响淀粉的可消化性。这些分子越密集、排列越紧密，消化酶就越难接近它们。

• 直链淀粉含量与抗性淀粉形成呈正相关。线性直链淀粉链通过氢键彼此结合，使它们不易水解。
• 淀粉颗粒中支链淀粉分子的比例高，使得表面积更大，因此分子更容易受到淀粉分解攻击。

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抗性淀粉的膳食来源

抗性淀粉（RS）是一种独特的膳食纤维，不是在小肠中消化，而是在大肠中发酵。不同食物类别（包括谷物、豆类、块茎和某些加工食品）中抗性淀粉的含量差异很大。

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谷物，特别是大麦、燕麦和全麦等全谷类食物，是抗性淀粉的重要来源，尤其是在它们经过最低限度加工的情况下。比如，煮熟并冷却大米会增加其抗性淀粉含量，这是由于直链淀粉的逆淀粉化作用。

扁豆、鹰嘴豆等豆类也富含抗性淀粉。它们的抗性淀粉含量归因于它们的高直链淀粉和支链淀粉比率，这有助于它们缓慢的消化率。烹饪和冷却过程进一步增加了其抗性淀粉含量。

块茎，包括马铃薯和山药，含有抗性淀粉，尤其是在煮熟和冷却时，这是一个诱导淀粉回生的过程。这使得冷土豆沙拉等菜肴成为良好的抗性淀粉来源。

某些加工食品，特别是那些由全谷物制成或含有 抗性淀粉作为成分的食品，可能是重要的抗性淀粉来源。经过挤压烹饪等过程的全麦面包和意大利面保留了大量的抗性淀粉。

了解这些来源及其抗性淀粉含量对于饮食计划和营养优化至关重要。

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抗性淀粉的类型

在此基础上，抗性淀粉可以根据其起源和特性大致分为四种主要类型：

RS1型（RS1）：由于食物基质和蛋白质外壳形成的保护屏障，这种形式的 RS 在物理上无法被酶接近。常见的来源包括全谷物和种子。

RS2型（RS2）：RS2 的特点是其天然颗粒形式，主要存在于某些生食中。例子包括生土豆、青香蕉、高直链淀粉玉米。这些来源的高直链淀粉含量导致紧密堆积的颗粒结构，限制了酶的获取。

RS3型（RS3）：也称为逆行淀粉，当某些食物煮熟然后冷却时会形成 RS3。这种冷却过程导致淀粉分子的重新排列和重结晶，进一步使它们对酶分解具有抵抗力。煮熟和冷却的土豆、意大利面和米饭等食物是 RS3 的主要来源。

RS4型（RS4）：这种类型包括食品中天然不存在的化学改性淀粉，例如一些商业生产的面包和糕点。各种工业过程在淀粉分子中引入交联或取代，以增强其对消化的抵抗力。

部分分类有:

RS5型（RS5）: 这是一个较新的类别。它需要通过加热和冷却含有特定脂质（例如脂肪或蜡）的淀粉类食品的过程产生的抗性淀粉。例如含有脂肪成分的面包或含有人工制造的淀粉-脂质复合物的食物。

虽然这些类别有助于讨论和研究，但许多现实世界的食物都含有抗性淀粉类型的混合物。此外，食品加工方法，储存条件和其他食品成分的存在等因素可以显着调节这些食品中的抗性淀粉含量。

抗性淀粉的潜在健康益处和生理影响主要来自其在大肠中的发酵。然而，这些益处的程度和特异性可能因抗性淀粉类型而异。例如，不同的抗性淀粉类型可能优先促进特定微生物物种的生长或导致挥发性脂肪酸的产生速率不同。

总之，抗性淀粉的生化结构和分类对于确定其与肠道微生物组的相互作用以及随后的健康结果至关重要。全面了解这些基础方面对于旨在利用抗性淀粉潜在益处的饮食干预的研究和应用至关重要。

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抗性淀粉的健康益处

保持血糖稳定

由于抗性淀粉消化缓慢，因此可以保持血糖水平稳定。这可以帮助减少餐后血糖峰值，这对糖尿病患者特别有益。

抗性淀粉具有第二餐的效果：根据一项小型研究的结果，早餐吃抗性淀粉可以降低午餐时的血糖。

2022年1月发表在《Frontiers in Nutrition》 的一篇评论指出，在饮食中添加抗性淀粉是一种简单的生活方式调整，可以帮助糖尿病管理。

促进心脏健康

2018年6月《Nutrition Research》发表的荟萃分析结果，抗性淀粉可以通过降低胆固醇水平有益于心脏健康。它还可以改善血糖控制，正如2017年《Nutrition Journal》上发表的一项针对超重成年人的小型研究所证明的那样，它通过促进肠道中健康细菌的生长来实现这一点，这些细菌产生具有有益作用的短链脂肪酸。

根据2022年3月发表在《国际分子科学杂志》上的一篇评论，短链脂肪酸有助于调节交感神经系统。抗性淀粉可能有助于治疗因神经系统过度活跃而加剧的心脏病，例如慢性心力衰竭、高血压和冠状动脉疾病。

减肥效果

抗性淀粉非常有饱腹感，可能会降低食欲。与其他碳水化合物相比，它的热量也较低，通过这些方式，抗性淀粉可能有助于减肥。

虽然早期研究表明抗性淀粉可能在减肥中发挥作用，但还需要进一步的研究来证实任何此类益处。2017 年《营养杂志》上发表的研究表明，每天吃 30 克抗性淀粉，持续六周，18 名超重成年人减少饥饿激素和无意识地吃零食，但不会改变身体成分。

支持肠道健康

抗性淀粉的作用类似于纤维，而纤维会被肠道中的健康细菌发酵。“这些有益的肠道细菌可以产生短链脂肪酸，这对肠道健康有帮助。

例如，短链脂肪酸可以帮助保持肠道内壁坚固，并有助于粘液产生和炎症，还可能有助于降低结直肠癌的风险。这在后面章节我们会详细阐述。

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应该吃多少抗性淀粉？

成人每天应摄入约15克抗性淀粉。然而，据估计大多数人每天的摄入可能不到这个量。

抗性淀粉食品含量表

（每100克食品的平均含量）

注：如果要增加摄入量时，请逐步增加，一下子吃太多可能会腹胀和胀气。

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食品加工的作用

挤压烹饪，广泛用于生产即食谷类食品和零食，可以增加最终产品的抗性淀粉含量，取决于应用的条件，诸如含水量、螺杆速度和温度等参数可以进行调整以优化抗性淀粉的形成。

退火过程涉及水化淀粉颗粒而不使其明胶化，已发现这一过程可以增加一些谷物中的抗性淀粉含量。

发酵，是各种文化中历史悠久的烹饪和保鲜方法，具有提高抗性淀粉水平的固有能力。这一过程通常涉及有益细菌或酵母分解和发酵糖类，可以改变淀粉结构，使更多的淀粉对消化具有抗性。例如，将谷物发酵制成酸面包或某些传统非洲菜肴不仅赋予了独特的风味，还增加了它们的抗性淀粉含量。

虽然探索和应用这些方法可以显著增加抗性淀粉含量，但必须考虑更广泛的营养后果。并非所有增加抗性淀粉的方法都是普遍有益的。有些加工方法可能会剥夺食物的重要营养素，或引入不良化合物。

在增强抗性淀粉获得肠道健康益处，和确保食物整体营养价值保持完整之间取得平衡至关重要。

02
抗性淀粉与肠道菌群相互作用

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抗性淀粉在结肠中发酵的机制

抗性淀粉（RS）与肠道微生物组之间错综复杂的相互作用主要发生在结肠，结肠是大多数未消化碳水化合物达到代谢目的的地方。

肠道微生物群发酵抗性淀粉

人类结肠内有着丰富多样、复杂的微生物群，对发酵未消化膳食成分，尤其是抗性淀粉，起着至关重要的作用。

抵达结肠后，抗性淀粉将被居住在肠道的微生物群体进行厌氧发酵。这一发酵过程导致了短链脂肪酸的产生，主要是乙酸、丙酸和丁酸，以及氢气、甲烷和二氧化碳等气体。

在短链脂肪酸中，丁酸在结肠健康中发挥着关键作用。作为结肠细胞的主要能源来源，丁酸还具有抗炎性能，加强结肠防御屏障，并潜在降低结肠癌的风险。此外，短链脂肪酸通过调节肠道pH值，有利于有益菌的生长，同时抑制致病菌株的增殖。

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选择性发酵：抗性淀粉增多→有益菌随之增加

抗性淀粉发酵的另一个有趣的方面是其选择性。并非所有肠道微生物都能够有效发酵抗性淀粉；特定菌群，特别是来自拟杆菌门和厚壁菌门的细菌群，是主要的抗性淀粉发酵者。

这种选择性发酵会导致肠道微生物组成的变化。持续的抗性淀粉摄入可以促进这些抗性淀粉发酵细菌的增殖，使肠道富含有益微生物，进一步提高发酵效率和短链脂肪酸的产生。因此，抗性淀粉和肠道微生物群之间的动态相互作用有望进行有针对性的干预，有可能通过饮食策略调节肠道微生物组成和活性。

抗性淀粉为微生物发酵提供了底物，作为回报，肠道微生物会产生有益于宿主健康的代谢物。

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抗性淀粉发酵中的关键微生物群

前面我们了解了结肠中抗性淀粉发酵的机制，这里了解这一过程中的关键微生物参与者也很重要。

拟杆菌门

积极参与抗性淀粉发酵的主要群体属于拟杆菌门，尤其是拟杆菌属，拟杆菌的代谢能力使它们能够在各种复杂的碳水化合物中茁壮成长，包括抗性淀粉。它们的酶库有助于将抗性淀粉分解成更简单的单元，然后发酵以产生短链脂肪酸。

厚壁菌门

抗性淀粉发酵的另一个重要贡献者是厚壁菌门，尤其是瘤胃球菌属，瘤胃球菌是这一领域的关键物种，因其在启动抗性淀粉降解方面的无与伦比的效率。瘤胃球菌（R. bromii）进行的初步降解使抗性淀粉更易于其他微生物群进一步发酵。考虑到在摄入富含抗性淀粉饮食的个体中的统治地位，其重要性变得明显。此外，瘤胃球菌的丰度较高与改善的肠道健康状况相关，表明其潜在的保护作用。

放线菌门

虽然拟杆菌门和厚壁菌门脱颖而出，但另一个门放线菌门通过双歧杆菌属促进抗性淀粉发酵。双歧杆菌是备受推崇的益生菌，已知具有无数的健康益处。在抗性淀粉的背景下，双歧杆菌发酵它以产生短链脂肪酸，从而降低肠道 pH 值，从而创造不利于病原菌的环境。此外，抗性淀粉的双歧杆菌效应，即补充抗性淀粉导致双歧杆菌增加，已在各种研究中得到充分证明。

产甲烷古细菌

古菌，特别是产甲烷的Methanobrevibacter smithii，在抗性淀粉发酵领域也发挥作用。

M. smithii消耗其他微生物在抗性淀粉发酵过程中产生的氢气，将其转化为甲烷。这种氢气的去除至关重要，因为它防止了结肠中氢气的积累，否则可能会阻碍发酵过程。因此，M. smithii通过维持其他发酵者的适宜环境，间接支持抗性淀粉发酵过。

总而言之，结肠中的抗性淀粉发酵并不是归因于单个微生物分类群的孤立过程。这是一项涉及多个微生物群体的协同合作，每个微生物群体都为该过程及其健康益处做出了独特的贡献。

只有少数菌群如瘤胃球菌和青春双歧杆菌能够利用淀粉，这些细菌本身并不直接产生丁酸盐，而是依靠与其他肠道细菌的交叉喂养相互作用来产生丁酸盐。

他们的集体行动强调了肠道是一个代谢“器官”的概念，其中饮食成分，主要是抗性淀粉，以协调的方式代谢。

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肠道菌群协同酶利用抗性淀粉

丁酸梭菌（Clostridium butyricum）是一种降解抗性淀粉的菌，能够在多种类型和来源的抗性淀粉上生长，在这个过程中产生大量的丁酸盐。它通过使用一种酶系统来实现这一点，该酶系统虽然是迄今为止在能够降解抗性淀粉的细菌中发现的最简单的酶系统，但在抗性淀粉的消化过程中表现出高度的协同作用和功能多样性。在一个生物体中，消化抗性淀粉和丁酸生产的结合有可能绕过交叉喂养网络的复杂性，而交叉喂养网络通常是抗性淀粉消耗过程中生产丁酸所必需的。

这种独特的性状组合表明，它可能作为一种与抗性淀粉协同使用的菌株，促进更广泛的丁酸反应，从而为更多人群解锁这种益生元的健康益处。

doi.org/10.1016/j.jff.2022.105094

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影响抗性淀粉-微生物组相互作用的因素

我们了解到肠道微生物群领域及其与抗性淀粉的错综复杂互动是广阔而多层次的。抗性淀粉可以影响肠道微生物群的组成和功能，但同样明显的是，这些影响的程度和性质受到各种因素的调节。揭示这些因素可以增进我们对肠道健康复杂性的理解，并帮助更有效地定制膳食和治疗干预措施。

个体肠道微生物群的基线组成

一个主要决定因素是个体肠道微生物群的基线组成。每个人的肠道微生物群具有独特的特征，受到遗传、早期生活暴露、抗生素和饮食模式等因素的影响。引入膳食时，抗性淀粉可能会因个体肠道微生物的起始点而在个体之间产生不同效应。例如，基线拟杆菌水平较低的个体，在摄入抗性淀粉后，可能会比那些已经拥有更高丰度的个体出现这些细菌增加更显著。

不同类型的抗性淀粉会被特定菌群优先代谢

消费的抗性淀粉类型是另一个重要因素。根据其物理化学性质和来源，抗性淀粉有多种类型：RS1、RS2、RS3、RS4。每种类型可能会被特定微生物类群优先代谢。例如，瘤胃球菌对高直链淀粉玉米中的RS2表现出明显的偏好，而某些拟杆菌物种可能更青睐来自逆行淀粉的RS3。因此，膳食中包含的抗性淀粉类型可以引导微生物群变化的轨迹。

其他营养素的影响

抗性淀粉消费的膳食背景也不容忽视。其他膳食纤维、蛋白质、脂肪和微量营养素的存在可以影响抗性淀粉的可获得性和发酵性。例如，富含可溶性纤维的饮食可能通过促进有益菌（如乳杆菌）的生长来放大抗性淀粉的益生效应。相反，富含蛋白质的饮食可能会使一些结肠细菌转向蛋白质发酵，产生像氨之类的潜在有害化合物。

抗性淀粉摄入的持续时间

抗性淀粉摄入的持续时间也起着关键作用。初始引入抗性淀粉可能会导致微生物群组成的快速变化。然而，随着摄入时间的延长，微生物群可能会稳定下来，表明适应性。长期摄入抗性淀粉可以导致更具弹性和多样化的微生物群，这些微生物群更能抵抗干扰和潜在的菌群失调。

其他宿主相关因素

最后，宿主相关因素，如年龄、健康状况和遗传，调节着抗性淀粉与微生物群的相互作用。与微生物群的年龄相关变化、肠道传输时间的差异和酶活性可能会影响抗性淀粉在肠道中的发酵。同样，患有肠道紊乱症状如肠易激综合征（IBS）或炎症性肠病（IBD）的个体可能对抗性淀粉有不同反应，鉴于这些情况下肠道环境和微生物群的组成发生了改变。

总之，抗性淀粉与肠道微生物群之间的互动是一个受多种因素影响的动态过程。认识和理解这些因素对于个性化营养策略旨在利用抗性淀粉的肠道健康益处是至关重要的。这些见解呼唤着在营养和肠道健康领域采取更个性化的方法，更胜于一刀切的建议。

03
抗性淀粉对肠道健康和完整性的影响

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抗性淀粉和肠道屏障功能

抗性淀粉已成为膳食的关键成分，其影响远远超出了其营养价值。抗性淀粉最重要的作用之一在于它能够维持肠道的屏障功能。这种错综复杂的粘膜细胞和细胞间连接是我们全身健康的关键，可防止病原体入侵并维持代谢平衡。鉴于肠道相关疾病的负担不断加重，了解抗性淀粉如何影响这一屏障可以为疾病预防和治疗干预提供关键的见解。

肠道屏障是一个动态和反应灵敏的系统，而不是一个静态的实体。在其核心，上皮细胞形成前线，作为对管腔环境的主要防御。

抗性淀粉促进粘蛋白分泌

抗性淀粉通过支持细胞更新和促进粘蛋白的分泌来增强上皮屏障，粘蛋白是一种糖蛋白，可润滑和保护上皮表面免受潜在病原体和研磨性食物颗粒的侵害。粘蛋白层不仅形成保护毯，还为共生细菌提供栖息地，有助于宿主和微生物群之间的双向关系。

抗性淀粉正向调节紧密连接蛋白

紧密连接蛋白，结合上皮细胞的微观结构，对于维持屏障完整性至关重要。这些蛋白质决定了屏障的渗透性，决定了哪些物质被允许通过，哪些物质仍然被排除在外。在“肠漏”的情况下，这些蛋白质会受到损害，导致肠道通透性增加。这种情况会允许不需要的物质（包括病原体和毒素）进入血液，引发全身炎症。研究表明，抗性淀粉正向调节这些蛋白质。抗性淀粉发酵产生短链脂肪酸，特别是丁酸盐，在上调紧密连接蛋白的表达、强化肠道屏障方面发挥作用。

抗性淀粉间接影响局部免疫反应

驻留在肠道粘膜内的免疫细胞为屏障的防御机制增加了另一层。在这里，抗性淀粉展示了其免疫调节能力。通过改变肠道微生物群组成，抗性淀粉间接影响局部免疫反应。它促进有益细菌的生长，进而与免疫细胞相互作用，指导它们的功能。这种串扰确保了潜在病原体的迅速消除，同时保持了对膳食抗原和共生微生物的耐受性。

抗性淀粉通过神经，免疫，血管等相互作用，间接提供保护

除了这些直接影响外，抗性淀粉诱导的肠道微生物群变化也会影响肠脑轴。肠道和中枢神经系统之间的这种双向沟通渠道对整体健康至关重要。肠道屏障功能的破坏与神经系统疾病有关，强调了抗性淀粉等膳食成分在神经保护中的重要性。

此外，肠道内的血管结构，包括血液和淋巴管，在屏障功能中发挥作用。它们确保营养吸收和免疫细胞运输。抗性淀粉通过其代谢物调节血管内皮屏障，优化营养吸收并确保有效的免疫监测。

总之，抗性淀粉与肠道屏障的细胞、免疫和血管成分错综复杂的相互作用，为应对环境挑战提供了强大的防御能力。拥抱抗性淀粉的治疗潜力可以重新定义面向胃肠道健康及其他方面的策略。

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抗性淀粉调节肠道炎症

炎症是免疫系统对病原体、伤害或有害刺激发起的保护性反应，当放松管制时，可能会成为一把双刃剑。特别是在肠道内，持续的炎症会加剧从炎症性肠病发展到结直肠癌等多种疾病。人们的注意力已经转向可以调节炎症的饮食成分，其中抗性淀粉已成为一个至关重要的参与者。

抗性淀粉促进抗炎短链脂肪酸 (丁酸盐) 产生

与其他淀粉不同，抗性淀粉在小肠中抵抗消化，基本完好无损地到达结肠。一旦进入结肠，抗性淀粉就会充当某些有益肠道细菌的底物，导致短链脂肪酸的产生，主要是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。值得注意的是，丁酸盐因其显着的抗炎作用而得到认可。丁酸盐通过抑制促炎细胞因子的产生来发挥作用，例如TNF-α和IL-6，它们在炎症传播中起着核心作用。

抗性淀粉影响免疫细胞分化

抗性淀粉发酵和随后的短链脂肪酸产生已被证明会影响免疫细胞分化，尤其是调节性 T 细胞（Tregs）。这些细胞在维持肠道免疫稳态方面起着不可或缺的作用。Tregs数量的增加与炎症减少有关，这证明了它们抑制异常免疫反应的能力。短链脂肪酸，特别是丙酸盐，影响幼稚T细胞分化为Tregs，确保肠道内平衡的免疫反应。

抗性淀粉影响肠道神经系统

肠道神经系统功能微妙，确保肠道蠕动和分泌，同时与免疫系统密切相互作用。肠道神经系统的破坏会导致肠道运动障碍，从而为细菌过度生长和炎症创造有利的环境。抗性淀粉通过其代谢物，尤其是丁酸盐，影响肠道神经系统功能。它有助于维持肠道神经元的健康和功能，随后促进肠道的定期肌肉收缩，最大限度地减少细菌停滞和炎症的机会。

抗性淀粉维持平衡的肠道pH值

此外，抗性淀粉可以通过调节肠道的 pH 值来影响肠道炎症。抗性淀粉发酵产生的短链脂肪酸导致结肠中的微酸性环境。这种酸度阻止了病原菌的生长，同时促进了有益共生细菌的增殖。这两个细菌群之间的平衡对于维持肠道健康至关重要，任何向致病性优势的转变，称为生态失调，都可能引发炎症。通过维持酸性 pH 值，抗性淀粉间接阻止炎症的发生和发展。

总之，抗性淀粉在调节肠道炎症中的复杂作用揭示了其潜在的治疗应用。它能够改变微生物组成，促进抗炎短链脂肪酸的产生，影响免疫细胞分化，并维持平衡的肠道pH值，这表明其在确保肠道稳态方面的多方面方法。随着肠道相关炎症的患病率不断上升，利用抗性淀粉的益处可以为提供预防和治疗潜力的新型饮食干预铺平道路。

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抗性淀粉与免疫系统的相互作用

肠道和免疫系统之间的界面是人体内最具活力的相互作用之一。我们整个免疫系统的近70%都存在于肠道内，随时准备对来自食物和病原体的各种抗原做出反应。正是在这种背景下，抗性淀粉等膳食成分占据了中心位置。抗性淀粉不仅仅是消化过程中的旁观者，它还以多种方式塑造和影响肠道的免疫反应。

抗性淀粉发酵产物，减少促炎细胞因子

抗性淀粉天然抵抗上消化道的消化，到达结肠基本保持不变。在结肠中，抗性淀粉由特定菌群发酵，导致短链脂肪酸的产生增加，主要是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。除了作为结肠细胞的能量底物外，这些短链脂肪酸还调节各种免疫细胞功能。例如，短链脂肪酸可以降低炎性细胞因子的表达并增加抗炎介质，从而有效地抑制过度的免疫反应。特别是丁酸盐对中性粒细胞功能具有深远的影响，并减少炎症介质如TNF-α和IL-6的产生。

肠道相关淋巴组织 （GALT） 是免疫系统不可或缺的一部分，在维持肠道稳态方面起着至关重要的作用。在 GALT 内，树突状细胞不断对肠道的管腔内容物进行采样。这些细胞在遇到细菌代谢物（如抗性淀粉发酵产生的短链脂肪酸）时，其活性受到调节，导致调节性T细胞的产生增加，这些T细胞在控制炎症和自身免疫方面起着关键作用。此外，已经注意到短链脂肪酸对巨噬细胞的直接影响，观察到抗炎细胞因子产生增加和促炎细胞因子产生减少。

抗性淀粉增强屏障功能，减少LPS易位

抗性淀粉发酵产物会影响肠道屏障的完整性。维持肠上皮层连续性的紧密连接蛋白被短链脂肪酸上调，从而增强屏障功能，并减少细菌内毒素如脂多糖（LPS）进入体循环的易位。LPS易位减少导致内毒素血症相关免疫激活减少，有益于整体健康。

抗性淀粉促进有益菌生长，IgA升高

抗性淀粉作为一种益生元，选择性地滋养有益菌，进而积极调节免疫反应。例如，双歧杆菌和乳酸杆菌等有益细菌的富集通常与抗性淀粉消耗有关，与免疫球蛋白 A（IgA）的产生增强有关，IgA是粘膜防御中的一抗。升高的IgA水平在中和病原体和维持粘膜稳态方面起着关键作用。

从本质上讲，抗性淀粉与免疫系统之间的相互作用强调了饮食、微生物群和免疫力之间复杂的相互作用。通过其发酵产物和肠道微生物群的调节，抗性淀粉有可能成为调节免疫反应和维持肠道健康的重要膳食成分。它带来了全身益处，并为免疫调节的饮食策略开辟了途径。

04
抗性淀粉在其他疾病防控中的作用

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代谢综合征

抗性淀粉越来越被认为是一种重要的膳食成分，不仅因为它对肠道健康的直接影响，还因为它更广泛的代谢影响，特别是与代谢综合征有关。代谢综合征是一组疾病，包括血压升高、高血糖、腰部脂肪过多以及胆固醇或甘油三酯水平异常，会增加患心脏病、中风和糖尿病的风险。抗性淀粉减轻代谢综合征方面的潜力主要归因于其肠道微生物群发酵产物，如乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。

尤其是丁酸盐，在维持肠道屏障完整性方面发挥着重要作用，并具有抗炎特性，这对于对抗与代谢综合征相关的炎症过程至关重要。丁酸盐还通过增强结肠中的能量消耗和脂肪氧化，与改善胰岛素敏感性有关，胰岛素敏感性是代谢综合征的关键因素。此外，丙酸盐具有糖异生作用，有可能调节血糖水平，这对患有或有2型糖尿病风险的人至关重要。

此外，抗性淀粉在食欲调节中的作用也值得一提。随着短链脂肪酸的产生，它们会刺激厌食激素的释放，如肽YY（PYY）和胰高血糖素样肽-1（GLP-1），从而增加饱腹感并减少卡路里摄入量。这种食欲调节作用，加上对血脂和血压的潜在益处，使抗性淀粉消费成为预防或管理代谢综合征的有前途的策略。

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体重管理和肥胖

体重管理和肥胖的全球挑战与饮食成分及其代谢结果有着内在的联系。肥胖的增加伴随着 2 型糖尿病、心血管疾病和几种癌症风险的增加，使其成为最重要的健康问题。从这个角度来看，抗性淀粉不仅作为一种膳食纤维脱颖而出，而且作为对抗肥胖症的潜在变革性膳食成分脱颖而出。

一些研究表明，抗性淀粉可能对体重管理有直接影响。一个主要机制是食物的热效应，这是消化和加工食物时消耗的能量的量度。抗性淀粉对立即消化具有抵抗力，往往会增加这种热效应，导致在大肠发酵过程中消耗更高的能量。这不仅有助于负能量平衡，还会影响脂肪储存并增强脂肪氧化，这对体重管理至关重要。此外，如前几节所述，抗性淀粉发酵导致短链脂肪酸的产生，短链脂肪酸通过释放 PYY 和 GLP-1 等激素在控制食欲方面发挥积极作用。调节食欲等同于减少热量摄入，这是体重管理的一个重要方面。

此外，抗性淀粉与改善肠道健康有关，这对肥胖有间接影响。健康的肠道生物群与更瘦的表型有关。当肠道微生物群发酵抗性淀粉时，它会导致微生物组成的变化，有利于与肥胖呈负相关的有益菌。

近日，一项针对 37 名超重或肥胖参与者的随机安慰剂对照交叉设计试验(ChiCTR-TTRCC-13003333) 中，研究人员测试了抗性淀粉作为膳食补充剂是否会影响肥胖相关的结果。

研究表明补充抗性淀粉 8 周有助于实现体重减轻（平均 -2.8 公斤）并改善体重超重个体的胰岛素抵抗。

补充青春双歧杆菌（一种与减轻研究参与者肥胖显著相关的物种）可以保护雄性小鼠免受饮食引起的肥胖。从机制上讲，抗性淀粉诱导的肠道微生物群变化会改变胆汁酸分布，通过恢复肠道屏障来减少炎症，并通过调节ANGPTL4抑制脂质吸收，提高脂肪组织对FGF21的敏感性。

次级胆汁酸，例如甘氨脱氧胆酸、脱氧胆酸、甘氨胆酸和牛磺脱氧胆酸，对于提高胰岛素敏感性和改善肝脂肪变性具有重要作用。胆盐水解酶负责次级胆汁酸的去偶联。补充抗性淀粉降低了胆盐水解酶的产生，增加了次级胆汁酸的水平。

抗性淀粉至少可以部分通过青春双歧杆菌促进体重减轻，并且肠道微生物群对于抗性淀粉的作用至关重要。

因此，持续食用富含抗性淀粉的食物可能会导致肠道环境不太容易使体重增加和肥胖。

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糖尿病和血糖控制

糖尿病是一种以慢性高血糖为特征的代谢紊乱，是一个不断升级的全球健康问题，具有从个人健康恶化到国家经济负担的多方面影响。鉴于发病率不断上升，迫切需要饮食干预来缓解或可能逆转这种疾病的进展。抗性淀粉是一种引人注目的膳食成分，其多种代谢影响与糖尿病管理和血糖控制有关。

糖尿病管理的核心是调节餐后血糖和胰岛素反应。摄入抗性淀粉似乎有利地调节这些反应。与快速消化的淀粉不同，抗性淀粉不会直接导致餐后血糖峰值，因为它绕过了小肠的消化，它在大肠中的发酵会产生短链脂肪酸。特别是，丙酸盐可促进肝脏葡萄糖产生调节，降低餐后葡萄糖偏移的风险。此外，丁酸盐在促进胰高血糖素样肽-1（GLP-1）分泌中的作用。

注：GLP-1是一种增强胰岛素分泌和减少胰高血糖素释放的激素，协调血糖水平。

此外，长期服用抗性淀粉与提高胰岛素敏感性有关，这是 2 型糖尿病发病机制的关键因素。研究表明，食用富含抗性淀粉的饮食的胰岛素抵抗个体表现出胰岛素敏感性的显著改善。这种改善被认为与短链脂肪酸的抗炎特性有关，尤其是丁酸盐，以及它在减少氧化应激中的作用，氧化应激有助于胰岛素抵抗。此外，抗性淀粉培养有益肠道微生物群组成的能力对代谢健康有间接影响，进一步强调了其在糖尿病管理中的潜在作用。

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高血脂

莲子抗性淀粉抑制高脂血症大鼠中下列菌群的生长：

• Romboutsia
• Bacillus
• Blautia
• norank_f__Muribaculaceae
• norank_f__Eubacteria_coprostanoligenes_group

莲子抗性淀粉促进初级胆汁酸(CA、CDCA 、β-MCA)和次级胆汁酸(LCA、UDCA)的产生，降低高脂血症中TCA、DeHydro-LCA、isoLCA、LCA-3-S、THDCA的含量。

Blautia、norank_f__Muribaculaceae、norank_f__Eubacteria_coprostanoligenes_group与 DeHydro-LCA、isoLCA、TCA、LCA-3-S、 TCHO、TG和 LDL-C呈正相关。

莲子抗性淀粉通过调节肠道菌群并加速肝脏中胆固醇分解为胆汁酸来改善血脂水平。

doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134599

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神经认知

认知能力下降是衰老的常见后果。缺乏纤维和高饱和脂肪的饮食模式会引发促炎症途径和代谢功能障碍，从而加剧认知障碍。新的证据强调了富含纤维的饮食对神经认知的益处以及肠道-微生物-大脑信号传导的关键作用。

经过为期20周的饮食方案，包括含有5%重量比来自芸豆(PTB)、黑眼豆(BEP)、扁豆(LEN)、鹰嘴豆(CKP)或菊糖纤维(INU)的抗性淀粉的西式饮食(实验组)，与不含抗性淀粉的西式饮食(对照组)，发现抗性淀粉特别是来自扁豆的抗性淀粉，可以改善西式饮食引起的认知障碍。

从机理上看，抗性淀粉通过改善肠道菌群-代谢组，包括增加短链脂肪酸和降低支链氨基酸水平，从而改善神经认知功能评估。这种肠道菌群-代谢物-大脑信号级联抑制了神经炎症、细胞衰老和血清瘦素/胰岛素水平，同时通过改善肝功能增强脂质代谢。总的来说，数据证明了抗性淀粉的益生菌效应可通过调节肠-脑轴改善神经认知功能。

doi.org/10.3389/fnut.2024.1322201

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溃疡性结肠炎

溃疡性结肠炎是一种复杂的炎症性疾病，发病率不断上升。一项研究通过酶法分离方法从紫甘薯中获得抗性淀粉(PSPRS)。然后，研究了PSPRS的结构特性及其对葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎的保护功能。

结构表征结果表明，PSPRS的结晶度从C_A型转变为A型，并且在酶水解过程中层状结构被完全破坏。与结肠炎小鼠相比，PSPRS给药以剂量依赖性方式显著改善病理表型和结肠炎症。

ELISA 结果表明，给予PSPRS的结肠炎小鼠表现出较高的 IL-10 和 IgA 水平，但较低的 TNF-α、IL-1β 和 IL-6 水平。同时，高剂量（300 mg/kg）的PSPRS显著增加了乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐的产生。

16S rDNA高通量测序结果显示，PSPRS治疗组中厚壁菌门与拟杆菌门的比例以及潜在益生菌水平显著增加，如乳杆菌、Alloprevotella, 毛螺菌科_NK4A136_组、双歧杆菌。同时，高剂量 PSPRS 显著抑制了拟杆菌属、葡萄球菌属和阿克曼氏菌等有害细菌 (p < 0.05)。因此，PSPRS有潜力成为促进肠道健康、缓解溃疡性结肠炎的功能食品。

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慢性肾病

慢性肾病是与心血管疾病、发病率和死亡率风险增加相关的主要健康问题。最近的研究表明，慢性肾病的进展可能与肠道菌群的变化有关。抗性淀粉是一种膳食纤维，可以作为微生物发酵的底物。一些研究发现补充抗性淀粉可以改善慢性肾病患者的肠道菌群紊乱。

在 2022 年随机对照试验的荟萃分析中，发现补充抗性淀粉可以降低患有透析患者血液中硫酸吲哚酚、磷、IL-6和尿酸的水平。

抗性淀粉还对肠道环境产生有益影响，包括增加Ruminococcus bromide。

Ruminococcus brucei是厚壁菌门的主要成员之一，是一种主要的抗性淀粉发酵菌株。通过其针对抗性淀粉的特殊活性，Ruminococcus brucei从淀粉中释放能量以逃避宿主酶的消化。此外，摄入富含抗性淀粉的食物可以增加肠道短链脂肪酸水平，调节微生物代谢物，并改善葡萄糖稳态和胰岛素敏感性。

通过摄入抗性淀粉，胆固醇和甘油三酯降低，胰岛素敏感性提高，可以大大降低代谢综合征的发生率。慢性肾病患者也可能受益于更好的葡萄糖代谢、血脂水平和更好的体重管理。

05
如何补充抗性淀粉？注意事项

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富含抗性淀粉的食物：益处和注意事项

近年来，富含抗性淀粉（RS）的食物因其多方面的健康益处而受到越来越多的关注，从肠道健康到调节全身新陈代谢。

益处

作为一种必需的膳食成分，抗性淀粉与典型的淀粉不同，主要是由于其对小肠消化的抵抗力，它基本上完好无损地到达大肠，在那里它作为微生物发酵的底物，产生有益的代谢物，如短链脂肪酸。

抗性淀粉中天然丰富的食物包括青香蕉、豆类、全谷物和某些类型的煮熟然后冷却的食物，如土豆和米饭。食用此类食物的好处之一是它们有可能增强血糖控制。富含抗性淀粉的食物具有较低的升糖指数，转化为较慢的餐后血糖升高。这一特性对患有糖尿病等代谢紊乱的人特别有益。此外，抗性淀粉发酵产生的短链脂肪酸，特别是丁酸盐，丁酸盐是结肠细胞的主要能量来源，并具有抗炎特性，使其对结肠健康不可或缺。

注意事项

抗性淀粉摄入量的快速和大量增加会导致胃肠道不适，包括腹胀、胀气和排便习惯改变。通常建议逐渐将富含抗性淀粉的食物引入饮食中，以使肠道微生物群有时间适应。此外，患有某些健康状况的人，例如患有肠易激综合征（IBS）或特定碳水化合物不耐受的人，应谨慎对待富含抗性淀粉的食物，并在专业指导下。抗性淀粉的发酵有时会加剧这些人的症状。

总之，虽然富含抗性淀粉的食物具有许多健康益处，尤其是在肠道健康和代谢调节方面，但个人应注意摄入饮食中的抗性淀粉的来源和数量。

最好取得平衡：优化健康益处，同时最大限度地减少潜在的不利影响。

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抗性淀粉与饮食模式

抗性淀粉的作用超越了其个人益处，使其成为各种饮食模式和制度的关键成分。

地中海饮食

例如，当考虑因其保护心脏的益处而广受赞誉的地中海饮食时，我们发现豆类，抗性淀粉的天然来源，是其成分的基石。经常食用豆类，其丰富的抗性淀粉含量不仅有助于增强肠道健康，还有助于与这种饮食模式相关的心脏保护作用，因为抗性淀粉具有调节餐后血糖反应的潜力。

旧石器饮食

旧石器时代的饮食，俗称旧石器饮食，是另一个有趣的领域，其中抗性淀粉找到了相关性。对旧石器饮食的当代解释集中在块茎和某些根的消费上，当通过特定方法制备时，例如烹饪后冷却，这些根会富含抗性淀粉。这证实了我们的祖先可能已经消耗了大量的抗性淀粉，为他们的肠道微生物群提供了可发酵的底物。从理论上讲，肠道微生物与其宿主之间的共生关系已经共同进化了数千年，而抗性淀粉可能是推动这一进化过程的关键饮食元素。

低碳和生酮饮食

低碳水化合物和生酮饮食，在减肥和代谢健康方面很受欢迎，通常会限制淀粉的摄入。然而，将抗性淀粉整合到这些饮食中可以提供明显的优势。由于抗性淀粉不表现出与普通淀粉相同的消化率，因此它的加入不会显著提高血糖水平。这意味着这种饮食的人可以获得抗性淀粉的好处，例如增强肠道健康和饱腹感，而不会影响酮症或低碳水化合物方案的状态。从根本上说，抗性淀粉允许当代饮食方法之间的共生关系，重点是减肥或代谢益处，以及滋养肠道微生物群的古老进化重要性。

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抗性淀粉摄入和膳食整合的实用建议

将抗性淀粉纳入饮食中不仅要承认其生理益处，还要了解其最佳摄入量并融入各种饮食中，以最大限度地发挥其潜力。随着越来越多的证据描绘抗性淀粉的多方面优势，从调节肠道微生物群到调节血糖水平，向更广泛的公众提供可操作的指南变得至关重要。

循序渐进

首先，身体可能需要一些时间来适应饮食中添加抗性淀粉。因此，需要循序渐进逐步添加。

添加少量抗性淀粉。例如，早餐中加入一根绿色香蕉，午餐中加入四分之一杯扁豆。

食物中获取

最好从食物中获取抗性淀粉，常见的食物补充包括：青香蕉、豆类（豌豆、扁豆）、全谷物（燕麦和大麦）、煮熟并冷却的米饭。

注：增加纤维摄入量时，要慢慢喝大量的水，以减少胃肠道副作用。

补充剂

补充性抗性淀粉通常以粉末形式服用，可混合到食品或饮料。如绿色香蕉粉、木薯粉等。

烹饪，可进一步提高抗性淀粉的含量

必须认识到并非所有抗性淀粉来源都是一样的。虽然豆类、全谷物和某些块茎天然富含抗性淀粉，但烹饪方法可以进一步调节其抗性淀粉含量。例如，烹饪然后冷却土豆或米饭等淀粉类食物可以增加其抗性淀粉含量，提供了一种直接的策略来提高饮食中的抗性淀粉水平，而无需任何剧烈变化。

抗性淀粉的推荐每日摄入量通常在 15-30 克之间。这可以通过多样化的饮食来实现，包括冷意大利面沙拉、隔夜燕麦或豆类菜肴等食物。

考虑个人的消化耐受性的重要性

抗性淀粉摄入量的突然激增会导致一些人的胃肠道不适。因此，谨慎的做法是在几周内逐渐增加抗性淀粉的摄入量，让肠道进行调整。此外，将富含抗性淀粉的食物与益生菌食物（如酸奶或开菲尔）相结合，可以产生协同效应，为有益的肠道细菌茁壮成长营造一个好的环境。与任何饮食改变一样，应根据个人口味、健康状况和饮食习惯定制抗性淀粉，确保方法既平衡又可持续。

06
结 语

抗性淀粉作为益生元可以调节肠道微生物群，对于肠道菌群失调相关的许多疾病包括炎症性肠病、肠易激综合征、结直肠癌等具有重要意义，为这些疾病辅助治疗的潜在用途奠定了基础。

抗性淀粉的另一个治疗意义在于其抗炎特性。慢性炎症在心血管疾病、2型糖尿病和某些癌症等多种疾病的发病和进展中发挥着关键作用。肠道微生物群发酵抗性淀粉会产生短链脂肪酸，尤其是具有抗炎作用的丁酸，可以抑制促炎细胞因子，使抗性淀粉成为减轻炎症引起的疾病的潜在候选者。

抗性淀粉也有望成为对抗肥胖和相关并发症的饮食策略。鉴于其调节饱腹感、提高胰岛素敏感性和调节脂质代谢的能力，抗性淀粉可以作为代谢综合征和相关病症的辅助或预防措施。例如，将抗性淀粉纳入饮食中可以改善糖耐量受损个体的餐后葡萄糖反应，强调其潜在的治疗相关性。

抗性淀粉在个性化营养方面的潜力也不容忽视，但仍需谨慎对待。剂量、持续时间和个体差异在决定抗性淀粉在任何治疗应用中的功效方面发挥着关键作用。

个体对抗性淀粉的反应可能存在很大差异。年龄、遗传、肠道微生物群组成和整体健康状况等因素会影响人们处理抗性淀粉摄入及益处。例如，摄入相同量抗性淀粉的两个人可能会表现出不同的餐后葡萄糖反应或结肠中不同的短链脂肪酸产生情况。此外，肠道微生物群将抗性淀粉发酵成有益代谢物的能力在个体之间可能有所不同，特别是在微生物群多样性高的人和微生物群较少的人之间差异较大。

这种个体差异突出了个性化营养方法的必要性。与其采取一刀切的抗性淀粉摄入建议，不如根据个人独特的代谢和菌群特征来定制饮食建议。随着深入探索个性化医疗时代，整合肠道菌群数据或许能为优化个人抗性淀粉摄入、获得健康效益提供更精准的建议。

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肥胖与代谢综合征，膳食纤维干预的相关进展

谷禾健康

肥胖和代谢综合征在全球范围内日益流行，是21世纪人类健康面临的重大威胁之一。据世界卫生组织(WHO)全球数据估计，目前全球约13%(即近65亿)成年人口受肥胖症影响。

肥胖和代谢综合征对健康的危害包括增加患心血管疾病、糖尿病和高血压的风险，影响身体的免疫系统和内分泌系统，还可能导致肝脏疾病等。

更令人担忧的是，模型预测到2030年，约五分之一的成年人将患有肥胖症，这些数字突显了寻求新疗法的迫切需要，这些新疗法将独特地利用肥胖和代谢综合征背后的复杂途径来促进体重减轻以及代谢和免疫系统的调节。

“肥胖”是指身体过度脂肪堆积，超过正常范围的体重。通常是由于摄入热量过多，消耗热量不足导致的。同时肥胖患者还伴有慢性低度炎症，以及肠内分泌和神经激素的失调。

体重通过激素、神经和代谢途径之间复杂的相互作用进行调节，并受到许多环境因素的影响。能量摄入和支出之间的不平衡可能是由于多种因素造成的，包括饮食行为的改变、异常的饱腹感或饥饿感以及低能量支出。

目前主要有两种新兴的治疗方式：通过肠道微生物群和膳食纤维。肠道微生物群通过涉及粘膜和全身免疫、激素和神经系统的多种机制，深刻影响能量稳态的各个方面。

膳食纤维对新陈代谢和肥胖的益处也已通过机制研究和临床试验得到证明，在本文，我们讨论了不同纤维的理化特性、纤维和肠道微生物群如何相互作用以调节体重稳态的最新发现，以及与使用膳食纤维作为补充策略。

了解膳食纤维沿胃肠道的生理效应，包括肠道微生物群的作用，将支持开发利用微生物群和临床特征来预测个体对纤维补充反应的精准医学方法，用于调节免疫、代谢和体重稳态。随着临床前和临床研究继续探索膳食纤维能够促进哪些与健康相关的微生物群和代谢物，对这种纤维-微生物群的相互作用将为开发基于纤维的精准营养提供框架，以实现更优化、个性化的肥胖和代谢综合征相关治疗。

01
关于肥胖你需要知道的

为了更好地预防和改善肥胖，我们需要先了解关于肥胖的一些知识。

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肥胖的病理生理学

✦ 肥胖患者肠内分泌和神经激素会失调

肥胖不仅仅是体重过高，其实是一种复杂的慢性进行性疾病，其特征是体内脂肪堆积过多以及肠内分泌和神经激素信号通路失调，从而增加食欲和能量储存。

✦ 肥胖还伴有慢性低度炎症

肥胖也被描述为一种慢性低度全身炎症，循环促炎细胞因子水平升高，对中枢神经系统(CNS)以及参与能量和代谢稳态的所有器官产生负面影响。

肥胖个体下丘脑尺寸的增加被认为是由于下丘脑炎症所致，这将加剧能量稳态失调。内脏脂肪组织和胃肠道失调似乎是全身炎症的主要原因。来自肥胖动物模型的大量证据支持肠道微生物群衍生的脂多糖数量增加通过增强细胞旁运动或通过乳糜微粒运输的跨细胞途径进入体循环的作用，从而启动许多炎症途径，进一步导致体重增加。

尽管来自人类研究的证据不如来自动物模型的结果清楚地表明肠道来源的脂多糖与肥胖之间的关联，但人体中的一些研究结果已将全身性脂多糖增加与肥胖联系起来，特别是与肥胖相关的代谢疾病风险。

此外，一些人类研究的结果表明，高水平的餐后内毒素血症先于2型糖尿病的发生，这表明存在潜在的致病作用。

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能量稳态的控制

在正常生理条件下，能量稳态通过调节饮食行为和能量储存的肠内分泌和神经激素信号通路受到严格控制。除了胰腺产生胰岛素和胰高血糖素之外，胃肠道和脂肪组织也会产生主要整合在下丘脑内的信号，以调节食物摄入和能量消耗。

✦ 肠内分泌激素有促食欲和抑制食欲两种作用

肠内分泌激素，由整个胃肠道中专门的肠内分泌细胞(EEC)响应营养和其他信号而释放。这些激素在胃肠道和远处器官中发挥局部作用，协调能量稳态的维持，包括饥饿、饱腹感、肠道屏障完整性、肠道转运、血糖控制和整体能量平衡。

肠内分泌激素的功能可根据其促食欲(刺激食欲)和厌食(抑制食欲)特性大致分类。胆囊收缩素(CCK)、肽 YY(PYY)、胰高血糖素样肽1(GLP1)、葡萄糖依赖性促胰岛素多肽(GIP)和胃泌酸调节素是主要由小肠EEC产生并在餐后释放以诱导饱腹感和减少食物的摄入。

从胃中释放的生长激素释放肽和从结肠中的EEC释放的胰岛素样因子5(INSL5)充当促食欲信号。瘦素和脂联素从脂肪组织中释放，也有助于调节饮食行为和能量稳态。

主要肠道激素及其对能量稳态的影响

Deehan EC,et al.Nat Rev Gastroenterol Hepatol.2024

✦ 进食速度和食物适口性也会影响能量摄入

然而，肠道源性食欲激素的水平并不一定与能量摄入相关；此外，一些研究表明，人类对急性饮食的激素反应并未表现出对常量营养素摄入量长期差异的实质性适应。这些发现表明，其他因素，例如食物能量密度和食物摄入速度以及食物的适口性，可能会增加人类的能量摄入。

✦ 中枢神经系统调节饥饿、饱腹感和能量储存

中枢神经系统是多种肠道源性激素的重要作用部位，也是通过整合涉及自主下丘脑回路、皮质执行回路和皮质边缘奖励通路的大脑网络来调节饥饿、饱腹感和能量储存的中枢调节器。

下丘脑的弓状核内有两个独立且相对的神经元群：促食欲NPY-AgRP神经元和促厌食POMC-CART神经元。

NPY-AgRP神经元被能量不足和信号(如生长激素释放肽)激活，以刺激食物摄入，并被胃肠道中营养物质的存在和饱足信号(如CCK和PYY)抑制。相比之下，瘦素等信号激活POMC-CART神经元会抑制进食，并由于释放与大脑黑皮质素受体结合的α-黑素细胞刺激激素而改变葡萄糖代谢。

✦ 肥胖患者的能量信号受损导致易暴饮暴食

有证据表明，肥胖成人中营养信号的受损会导致暴饮暴食和肥胖。在一项针对健康体重个体和肥胖个体的单盲、随机、对照交叉研究中，结果显示，肥胖个体在大脑对摄入营养素的反应中表现出整体和营养特异性受损。因此肠道和脂肪源性激素以及中枢神经系统共同是能量稳态治疗操纵的基本目标。

过去二十年的研究表明，肥胖代谢特征的特征是人类血清胆囊收缩素、胰岛淀粉样多肽、胃饥饿素、INSL5和胰岛素水平升高，同时瘦素、GLP1和PYY水平降低。

重要的是，这些血浆激素水平被发现随着减肥手术后肥胖的解决而恢复正常，从而强调了它们作为关键治疗靶点的作用。

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基于药物的疗法

✦ 激素药物的疗法会受到胃肠道耐受性的影响

针对肥胖的内源性神经分泌机制的药物是治疗肥胖和代谢综合征最有效的长期药物疗法。GLP1激动剂(索马鲁肽、利拉鲁肽和西他列汀)已被证明对持续减肥和改善心脏代谢功能具有良好功效。

使用作用于GIP、GLP1或胰高血糖素受体的双重和三重激素受体激动剂的临床试验已显示出在减肥和改善代谢参数方面的卓越功效。

然而，这些基于肠降血糖素的疗法的使用目前受到高成本、有限的医疗保健覆盖范围和胃肠道耐受性问题的限制。此外，人们还担心这些药物对肠道功能的长期影响。

✦ 基于饮食的疗法将是未来的趋势

由于这些限制，人们越来越有兴趣开发替代性肠促胰岛素靶向疗法，特别是基于饮食的方法，通过使肠促胰岛素激素(如GLP1和GIP)水平正常化来治疗肥胖并预防肥胖相关代谢功能障碍的发生。

02
膳食纤维和代谢健康

在动物模型和人类中进行的大量研究表明膳食纤维摄入对宿主代谢和减肥有好处，因此增加膳食纤维摄入量作为一种基于饮食的肥胖疗法已引起广泛关注。

膳食纤维是碳水化合物的一种聚合物，主要存在于植物食物中，可抵抗哺乳动物基因组中编码的酶的消化；它们到达近端结肠，在其中经历肠道微生物群不同速率和程度的糖分解发酵。

✦ 目前大部分人群膳食纤维摄入不足

膳食纤维的生理益处多种多样，取决于其理化特性和摄入量，膳食纤维的推荐膳食摄入量为每1000kcal 14克(成年女性每天25克，成年男性每天38克)。然而，目前大部分人群通常每天摄入的纤维少于15克，即推荐量的一半左右。

✦ 肠道微生物在纤维代谢促进健康中起重要作用

几项大型前瞻性研究已经证明了纤维消耗与代谢健康之间的关联，目前的工作强调了肠道微生物群在将膳食纤维摄入与有益效果联系起来。

越来越多的证据表明，肠道微生物群通过涉及免疫、激素和神经系统影响的多种机制，深刻影响能量稳态的各个方面，并且肠道菌群失调或肠道微生物类群的异常组成可能会导致能量代谢紊乱并对脂肪组织、肌肉和肝脏造成影响。

肠道微生物群发酵纤维会释放出多种代谢物，包括短链脂肪酸、酚类和吲哚化合物、支链脂肪酸、乳酸、琥珀酸和各种气体(氢气、二氧化碳、甲烷、一氧化氮和含硫化合物)。

肠道微生物产生代谢物的途径和前体对饮食摄入具有高度适应性；因此，通过特定的饮食干预措施(例如膳食纤维)来针对微生物代谢是改善代谢功能障碍和肥胖的关键因素。

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短链脂肪酸

短链脂肪酸是通过微生物可接触的膳食纤维发酵产生的主要代谢物，人体肠腔中主要短链脂肪酸的相对比约为乙酸盐(60)：丙酸盐(20)：丁酸盐(20)。

短链脂肪酸可以通过与G蛋白偶联受体相互作用并抑制组蛋白脱乙酰化来介导多种局部和外周效应，从而导致基因表达的表观遗传调节变化。

丁酸盐在结肠中被结肠细胞用作能量来源，而丙酸盐和乙酸盐通过门静脉吸收到肝脏，其中丙酸盐主要用作糖异生和脂肪生成的底物；相反，乙酸盐以更高的量进入体循环。

✦ 短链脂肪酸影响激素分泌从而改善葡萄糖代谢

除了纤维对胃排空和抑制消化的影响已得到充分证明外，增加饮食中的纤维含量可能会通过产生短链脂肪酸来帮助减肥和葡萄糖代谢。

大量体外和小鼠研究表明，短链脂肪酸通过G蛋白偶联受体GPR41和GPR43(也称为FFAR3和FFAR2)直接刺激肠道肠内分泌细胞分泌胰高血糖素样肽-1(GLP-1)和肽YY(PYY)。

体内研究表明，急性直肠输注醋酸盐或短链脂肪酸混合物会增加PYY和GLP1的全身水平。此外，一项人体研究表明，与单独使用菊粉相比，在20名健康成年人中，急性口服菊粉丙酸盐会增加全身PYY和GLP1的水平，并减少食物摄入量，这表明丙酸盐水平增加在调节血糖新陈代谢方面发挥着作用。

✦ 短链脂肪酸影响神经系统抑制食欲和能量摄入

短链脂肪酸还可以直接与肠神经系统相互作用，从而允许肠道来源的短链脂肪酸向大脑直接发出信号。小鼠研究表明，短链脂肪酸给药可通过中枢神经系统相关机制抑制食欲和能量摄入。

此外，体外和小鼠研究表明，短链脂肪酸可以通过多种机制增强血脑屏障，包括减少氧化和促炎途径以及增加紧密连接蛋白。

在小鼠研究中，乙酸盐和丁酸盐已被证明可以穿过血脑屏障并刺激迷走神经和下丘脑，从而调节食物摄入量和饱腹感。使用功能性磁共振成像的人体研究表明，结肠丙酸盐输送减少了与食物渴望相关的大脑区域的活动，并减少了食物摄入量。

需要注意的是，尽管在人脑和脑脊液中发现了可测量浓度的短链脂肪酸，但人脑对循环短链脂肪酸的摄取似乎有限，这表明一些记录在案的循环短链脂肪酸对大脑活动的影响可能是这是由于短链脂肪酸诱导的与免疫和内分泌系统的相互作用，而不是大脑内的直接相互作用。

短链脂肪酸对能量稳态的作用机制

Deehan EC,et al.Nat Rev Gastroenterol Hepatol.2024

✦ 短链脂肪酸影响脂肪的分解和积累

在培养的小鼠和人类脂肪细胞中，乙酸盐和丙酸盐已被证明能够以G蛋白偶联受体依赖性方式促进脂肪分解并抑制脂肪生成，从而可能减少非脂肪组织和脂肪组织中的全身脂质循环和脂肪积累，同时还提高胰岛素敏感性。

在人类研究中，短链脂肪酸的直肠给药已证明可以促进全身脂肪分解，并且在体外培养的人类脂肪细胞中，短链脂肪酸也已被证明可以刺激瘦素分泌。短链脂肪酸还可以减少人类外植体脂肪组织的促炎细胞因子分泌，因此可能有助于减少与肥胖相关的全身低度炎症。

注意：仍然存在一些不确定性

然而，尽管大量工作支持短链脂肪酸在调节体重增加和宿主代谢方面具有潜在的有益作用，但该领域关于短链脂肪酸在肥胖中的作用仍然存在很大的不确定性，因为许多影响主要体现在小鼠模型无法在人类研究中复制。

事实上，据报道短链脂肪酸水平升高和降低都与肥胖有关。然而，大多数人类研究测量粪便样本中的 短链脂肪酸，这反映了生产、吸收和利用的净结果，并不一定反映可能更相关的全身水平。

为了支持这一观点，对160名BMI在19.2 kg/m2至41kg/m2且葡萄糖代谢正常或受损的参与者进行的横断面研究中证明，全身短链脂肪酸水平与空腹甘油呈负相关。三酰甘油和游离脂肪酸，与空腹GLP1呈正相关，而粪便水平与这些参数均无关联。此外还发现循环醋酸盐与胰岛素敏感性之间呈负相关，而丙酸盐与胰岛素敏感性呈正相关。

总体而言，研究短链脂肪酸对宿主代谢的生理影响的可用人体体内数据仍然有限。由于纤维、肠道微生物群和人体新陈代谢之间相互作用的复杂性，目前尚不清楚增加纤维摄入量的有益影响是由于微生物代谢和某些代谢物(例如短链脂肪酸)的产生或其他有据可查的影响而产生的纤维的变化，包括运输时间、营养吸收或粪便膨胀和结合的改变。

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乳酸和琥珀酸

除了短链脂肪酸之外，肠道微生物群还在膳食纤维发酵过程中产生乳酸和琥珀酸，然而，这些代谢物通常被认为是微生物生产短链脂肪酸的中间体。

✦ 肥胖和代谢综合征患者乳酸和琥珀酸含量增加

乳酸和琥珀酸以低浓度存在于血液和组织中，与没有肥胖的人相比，在肥胖和代谢综合征患者中检测到的水平有所增加。乳酸是宿主衍生的葡萄糖代谢产物，当糖酵解通量超过线粒体氧化时，血液中的乳酸会增加。

✦ 乳酸可能作为活性信号分子减少促炎反应

因此，乳酸可以被认为是葡萄糖代谢受损的生物标志物。此外，体外和小鼠研究表明，乳酸可以作为活性信号分子，调节脂肪细胞功能和代谢，并通过GPR81依赖性和非GPR81依赖性来减少脂肪组织和免疫细胞功能中的促炎症反应。

由于这些有益的发现，有人建议通过增加纤维摄入量和由此产生的乳酸产量来靶向GPR81可能代表肥胖和代谢紊乱的新治疗靶点。

✦ 琥珀酸作为代谢稳态的一种信号分子

尽管琥珀酸传统上被认为是三羧酸循环的代谢物，但目前的研究已证明琥珀酸可作为参与应激和组织损伤的代谢信号。

肠腔中琥珀酸含量较低，但对小鼠的研究发现，细胞外琥珀酸的浓度随着纤维摄入量的增加而增加。琥珀酸可以通过与几种不同细胞类型(包括脂肪细胞和免疫细胞)上的琥珀酸受体1(SUCNR1；也称为GPR91)结合而充当信号分子。

在人类中，横断面研究报告称，血浆琥珀酸水平、肥胖和葡萄糖代谢损伤之间存在负相关。据报道，琥珀酸还可以充当生热激活剂和褐变剂，并且对脂肪分解具有影响。

一项使用脂肪细胞特异性Sucnr1敲除小鼠和从肥胖人群中分离出的人类脂肪细胞的研究发现，通过与SUCNR1相互作用调节脂肪细胞中的生物钟和瘦素表达，琥珀酸诱导的代谢效应具有新功能。

✦ 琥珀酸可能有助于解释代谢与炎症之间的联系

还有强有力的证据表明琥珀酸-SUCNR1信号传导可以充当代谢应激和炎症之间的联系。

利用人类原代巨噬细胞证明，细胞外琥珀酸可以诱导巨噬细胞产生抗炎作用。有趣的是，肥胖与全身琥珀酸水平高有关，但脂肪组织驻留巨噬细胞中琥珀酸受体的表达减少，这可能有助于解释为什么肥胖患者往往无法控制炎症。

在小鼠模型中，研究表明，肠道微生物群响应补充低聚果糖 的饮食而产生的琥珀酸增加，通过充当肠道糖异生的底物并随后减少肝脏葡萄糖的产生来改善血糖控制和能量代谢。

随着越来越多的研究检查琥珀酸诱导的生理效应，它可能有助于阐明细胞外琥珀酸的作用及其在调节宿主代谢中的局部和全身作用模式以及如何最好地针对这些途径。

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肠道气体

✦ 微生物发酵膳食纤维产生的气体会导致一些胃肠道症状

膳食纤维经微生物发酵还会进一步产生H2、CO2和CH4等气体。然而，纤维发酵过程中气体产量的增加可能会引起不良症状，并且是个体不耐受高水平纤维的主要原因之一。

因此，还需要进行更多研究来增加肠道气体对宿主生理和代谢影响的了解，使用纤维和大量营养素的饮食控制来减轻患有与产气相关的胃肠道疾病的患者症状。

03
膳食纤维对胃肠道的生理作用

了解膳食纤维在胃肠道中的生理效应机制，包括其与肠道微生物群的作用，将有助于开发基于膳食纤维的补充策略，以调节免疫、代谢和体重稳态。

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膳食纤维的异同

所有膳食纤维的共同特征是它们的低聚或多聚碳水化合物结构可抵抗小肠的消化，并且如果分离和合成，则对人类健康显示出生理益处。然而，纤维之间的化学和物理结构以及理化特性存在巨大的异质性。

常见分离和合成的商业膳食纤维

Deehan EC,et al.Nat Rev Gastroenterol Hepatol.2024

✦ 膳食纤维的差异会影响其对人体的作用

具有较长、无支链的线性碳水化合物结构(如纤维素)通常不溶于水性溶剂，阻碍了人类肠道微生物群对其进行发酵，使较少的微生物能够接触到这种结构。

相比之下，具有混合连接或支链的低聚合物和聚合物通常可溶于水，更容易被肠道微生物接近。因此，随着聚合度的增加，可溶性纤维倾向于将水和其他化合物截留在聚合物内和聚合物之间，从而以浓度依赖性方式增加粘度。分子量也会影响微生物的发酵和短链脂肪酸生产速率；然而，分子量与发酵之间的关系取决于纤维结构，且不一定是线性的。

尽管纤维通常根据物理化学性质(例如溶解度、粘度、结合能力或发酵性)进行分类，但这种分类并不能反映离散纤维结构所表现出的全部性质。

例如，来自高粱或稻米等草类的阿拉伯木聚糖低聚物或简单结构的聚合物很容易发酵，而复杂结构的阿拉伯木聚糖要么在整个结肠中缓慢发酵，要么很难被人类肠道微生物群作用。

因此，了解纤维的结构和理化特性，尤其是分离或合成后的纤维，对于更精确地应用纤维来治疗肥胖至关重要。

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近端胃肠道的生理反应

膳食纤维的理化特性影响它们在胃肠道中的作用，从而决定它们对炎症、代谢和能量稳态的影响。

✦ 粘性纤维和较大纤维会增加饱腹感并减少摄入

从口腔开始，粘性纤维和大纤维颗粒(如谷类麸皮)可以通过获得更坚硬和耐嚼的食物基质来延长咀嚼和口腔感官暴露，从而改变内分泌相对饱腹感的反应并减少能量摄入。

当食品应用中热量密集的糖和脂肪减少时，菊粉、低聚果糖和微纤丝纤维等纤维也可以保持感官特性(如甜味和口感)。天然食品中的纤维基质进一步充当唾液淀粉酶等消化酶的屏障。咀嚼过程中这些三维植物细胞壁结构的维持影响细胞内成分(如淀粉)沿胃肠道的生物利用度。

增加食糜粘度的纤维，例如较高分子量的混合连接或支化聚合物和微纤丝纤维，可促进胃扩张并延迟胃排空。小肠腔内增加的食糜粘度通过限制营养物质向粘膜扩散和内源性消化酶的活性进一步延迟营养物质吸收，这通过触发回肠破裂进一步减慢近端胃肠传输。

✦ 纤维结构影响脂质的吸收和利用率

除了粘度之外，某些纤维结构还可以结合或捕获化合物，例如常量营养素和微量营养素、酚类和胆汁酸，从而延迟或阻止小肠吸收。胆汁酸与膳食纤维的结合会干扰胆汁酸的肠肝循环并阻碍胶束形成，从而减少脂质的吸收和利用率。

此外，增加纤维结合胆汁酸向大肠的输送可能会导致微生物胆汁盐水解酶和 7α-脱羟酶将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸。对人类和小鼠的研究以及使用分离的人类胰岛和哺乳动物培养细胞的体外实验表明，这些次级胆汁酸通过多种膜和核受体(包括G蛋白偶联胆汁酸受体(TGR5)和法尼醇X受体，导致饱腹感增加、肝糖原合成、肝脏、棕色脂肪和肌肉组织中的胰岛素分泌和能量消耗。

一项针对肥胖和2型糖尿病患者(n=23)的研究证明，将结合胆汁酸输送到回结肠区域可降低餐后血糖和空腹胰岛素水平，并增加GLP1分泌，这支持了胆汁酸在葡萄糖代谢中的作用。

✦ 膳食纤维会影响小肠对营养的反应

尽管了解甚少，但膳食纤维可能会进一步改变驻留的小肠微生物群，在大鼠模型中显示这种相互作用会影响小肠营养感应，特别是低聚果糖诱导的脂质感应，从而促进肠内分泌细胞(EEC)释放GLP1以增加饱腹感。

在培养细胞、动物模型和人类中进行的大量工作也表明微生物代谢物与胃肠道味觉受体表达和活性的改变有关，从而导致味觉偏好和食物摄入的改变。

最后，所有膳食纤维，无论是天然存在的、分离的还是合成的，都可以通过简单地用不可消化的碳水化合物代替一部分可消化的化合物来减少能量摄入，这与能够在不改变感官特性的情况下在食物中实现更高水平的较低粘性纤维相关。

总体而言，小肠的营养吸收率受到结构依赖性的影响，增加了纤维消耗的阻碍。这有助于促进饱腹感，减弱餐后血糖、血脂和炎症反应，而这些反应通常在肥胖症中失调。

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结肠和肠道微生物群

纤维摄入量的增加相当于未吸收的营养物质增加，这些营养物质到达近端结肠并可供人体肠道微生物群利用。

膳食纤维对胃肠道的生理影响

Deehan EC,et al.Nat Rev Gastroenterol Hepatol.2024

✦ 微生物对膳食纤维作用改善排便和减轻炎症

与小肠中的化合物结合的纤维进一步在结肠中被作用，使底物和其他生长因子接近利用它们的特定微生物。肠道微生物群对发酵缓慢或发酵不良的化学和物理结构，如大纤维颗粒、纤维素或车前草，通过刺激蠕动、粘膜分泌和抑制水的重吸收来提供其他胃肠道益处，这已被证明可以增加体积和软化人类粪便。

这些纤维通过抑制微生物发酵可能减少结肠转运时间，促进结合化合物的排泄并减轻全身炎症。尽管可发酵纤维还可以通过增加微生物生物量以及产生短链脂肪酸和气体来影响结肠转运时间，但纤维发酵的主要生理效应归因于假定有益微生物的结构特异性扩张以及随后结肠内短链脂肪酸和其他代谢物的产生。

✦ 富含膳食纤维的饮食使肠道微生物群更丰富

纤维到达结肠时会引发微生物群落内复杂的交互作用，这些群落共同获取、降解和利用代谢产物，最终丰富了成员多样性。

初级降解和次级发酵释放短链脂肪酸、气体和其他代谢产物，被代谢物利用者进一步转化，影响与结肠细胞的相互作用。

消耗可发酵纤维支持多种微生物群成员，解释了纤维结构多样的饮食与多样化微生物群的关联，这是健康肠道微生物组的特征。

结肠中成员的富集和代谢产物的促进取决于纤维结构、个体群落和生态因素，如结肠微环境。研究表明，特定饮食可增加能量利用，降低脂肪含量，并提高胰高血糖素样肽-1(GLP-1)，而食物摄入量无显著变化。

✦ 复杂结构的膳食纤维增加结肠远端的短链脂肪酸产量对代谢有利

尽管纤维发酵过程中微生物群落产生的副产物主要发生在结肠近端，但通过消耗具有结晶或复杂结构的纤维可以减慢发酵速率，从而减轻肠道气体的产生并将短链脂肪酸输出转移到远端。

研究表明，增加短链脂肪酸远端产量可通过上调PYY和GLP1等肠内分泌激素，对人类的饱腹感、血糖和能量代谢产生有利影响。

事实上，在肥胖男性中，远端结肠中施用的醋酸盐增加了脂肪氧化和循环PYY；然而，当在近端结肠中施用醋酸盐时，没有看到效果。尽管向增加脂肪氧化和PYY产生的转变意味着有利的能量代谢，但仍需要进一步研究来确定是否可以通过增加远端结肠中纤维发酵和短链脂肪酸的产生来减少体重和肥胖。

✦ 远端结肠可能是未来治疗肥胖的靶点

糖分解发酵向远端结肠的扩展和延伸进一步减少了膳食和粘膜蛋白质的发酵。蛋白水解发酵的抑制部分是由于肠道微生物对碳水化合物而非氨基酸的普遍偏好，以及乳酸和纤维发酵过程中结肠pH值降低抑制蛋白水解酶。

人类蛋白水解发酵的减少可能会随后降低被认为有害和促炎的病原体(例如脱硫弧菌)和代谢物(例如氨或对甲酚)的水平。纤维和蛋白质发酵之间的平衡已在人类身上得到证实，因为增加抗性淀粉的剂量以及将饮食模式从高蛋白、低碳水化合物转变为体重维持饮食已被证明可以增加粪便中的短链脂肪酸并减少支链脂肪酸，支链氨基酸发酵产生的代谢物。

促进结肠中短链脂肪酸的产生可能会通过刺激粘液分泌、上调紧密连接蛋白、增加抗菌肽浓度和调节结肠上皮增殖来增强胃肠道屏障完整性，共同减轻细菌脂多糖的易位和随之而来的代谢性内毒素血症。总之，这些结果支持将远端结肠作为控制肥胖的治疗靶点。

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其他因素的影响

除了膳食纤维结构之外，还有一些生态因素会影响纤维发酵过程中促进健康相关的微生物和代谢物的产生。

✦ 结肠转运时间影响微生物群和宿主代谢

结肠转运时间被认为是影响肠道微生物群和宿主代谢的关键因素，转运时间较慢与纤维发酵速率降低和短链脂肪酸减少、远端结肠pH值和蛋白水解发酵增加以及肠道对粪便能量的回收减少。

体外实验进一步表明，结肠pH值的降低可通过选择对酸敏感的微生物(如拟杆菌)来塑造参与纤维结构发酵的独特微生物群落。由于参与结肠纤维发酵的大多数共生微生物是专性厌氧菌，因此如在炎症中观察到的那样，结肠微环境中氧浓度的增加，也通过支持耐氧微生物(例如大肠杆菌)的大量繁殖来形成特殊菌群成员。

✦ 不同人群对补充膳食纤维会产生个性化反应

由于生态因素影响微生物对膳食纤维的个体化反应，因此在实施基于可发酵纤维的治疗策略来预防和治疗肥胖和代谢综合征时，需要从个人生态角度出发。

据报道，纤维引起的肠道微生物群变化仅限于少数主要反应类群，而其余成员和代谢副产物则发生更多个性化变化。

例如，数十年的人类研究证实，低聚果糖和低聚半乳糖等益生元寡糖可通过选择性促进经常用作益生菌的乳酸菌和双歧杆菌来增加乳酸和乙酸，从而为人类带来健康益处。

丁酸盐生产菌

体外研究还表明，厌氧丁酸菌、真杆菌、粪杆菌等丁酸盐生产菌可以通过乳酸和乙酸的交叉喂养或通过利用抗结晶淀粉、木聚糖和菊粉等底物来富集。

丙酸盐生产菌

另外，丙酸盐生产者，如拟杆菌属、副拟杆菌属、葡萄杆菌属和韦荣球菌属，可以通过交叉饲喂乳酸和琥珀酸盐或通过降解底物(如酯化抗性淀粉、果胶和木聚糖)来富集。

下一代益生菌

下一代益生菌有望改善患有肥胖和代谢综合征的成年人的代谢，其中包括Akkermansia muciniphila或Anaerobutyricum soehngenii ，这两种细菌已被证明可以通过补充纤维来丰富。

小结

因此，可发酵膳食纤维可用于选择性地扩大肠道微生物群内与健康相关的类群。然而，仍需要进行更多研究来阐明与肥胖和代谢功能障碍有因果关系的其他共生微生物和代谢物，并可通过选择膳食纤维来靶向。

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拓展：肠脑轴的调节

肠脑轴连接肠道和中枢神经系统，促进双向通讯。这一过程牵涉到肠神经系统、迷走神经、内源性大麻素系统以及神经免疫和神经内分泌通路。

肠道代谢产物可直接调节神经系统活动，通过作用于肠神经元、迷走神经和交感神经末梢，或者经体循环传输至大脑。

★ 肠道微生物产生的多种神经递质会影响食欲

此外，肠道微生物还产生多种神经递质，如血清素、多巴胺、乙酰胆碱和GABA(γ－氨基丁酸)，这些物质通过迷走神经在肠神经系统或中枢神经系统内发挥作用。一项小鼠研究指出，细菌肽聚糖片段与大脑下丘脑神经元上的NOD2相互作用，调节食物消耗和体温，进而影响食欲。

研究者还发现，从肥胖小鼠体内提取的微生物移植到瘦小鼠体内，可影响大脑奖励系统，与微生物代谢产物3-3′-羟苯基丙酸存在因果关系，影响多巴胺能和阿片类标记物，进而调节食欲行为和动机。进一步分析显示，嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansia)、Muribaculum、普雷沃氏菌(Prevotellaceae)和副拟杆菌(Parabacteroides)的水平与3-3′-羟苯基丙酸血浆水平相关。

肥胖症中微生物群与肠道之间的相互作用

Deehan EC,et al.Nat Rev Gastroenterol Hepatol.2024

这些研究共同表明，肠道微生物群与宿主相互作用，通过不同的自主神经和体细胞神经内分泌途径改变新陈代谢，并且肥胖患者的这些相互作用发生了实质性改变。实际上，每个途径都代表了可以通过饮食干预(例如增加纤维摄入量)进行调节的潜在途径。

扩展阅读：

体重增长：目前为止我们所知道的一切（更新你的减肥工具箱）

04
治疗肥胖的精准医学方法

治疗肥胖症的精准医学方法是通过个性化的诊断和治疗方案来帮助患者减肥和改善健康状况。这种方法结合了先进的科学技术和专业知识，以确保每位患者都能得到最有效的治疗。

通过精准医学方法，医生可以根据患者的基因、生活方式、肠道微生物群和其他因素制定个性化的治疗计划，从而更好地管理和治疗肥胖。

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根据微生物组进行个性化饮食治疗

对于减肥饮食干预的反应存在着高度的个体差异，这种差异可以归因于多种因素，包括遗传背景、微生物群组成以及生活方式因素(如进餐时间、睡眠、锻炼和昼夜节律)。为了实现减肥效果，需要确定影响个体对饮食干预反应的关键因素，并制定个性化的营养策略。

✦ 肠道微生物群是预测减肥效果的良好指标

研究表明，基线微生物宏基因组谱，尤其是与纤维降解相关的几个基因的存在，与随后的体重减轻密切相关。在一项为期6个月的减重研究中，研究人员发现，个体的肠道微生物群是预测体重减轻效果的一项重要指标。

特定的肠道细菌，如布劳特氏菌(Blautia wexlerae)和多氏拟杆菌(Bacteroides dorei)，在含量丰富的个体往往能更好地预测体重减轻效果。

此外，体重减轻与活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)、马赛拟杆菌(Bacteroides Massiliensis)和芬氏拟杆菌(Bacteroides Finegoldii)相关。

✦ 具有高发酵肠道微生物水平时增加纤维摄入有利于减肥

这些微生物群，如阿克曼氏菌和普雷沃氏菌，由于其处理植物来源复杂纤维的能力，与富含纤维的饮食密切相关。相比之下，食用低纤维饮食的个体通常具有更高水平的拟杆菌；而食用高纤维饮食的人群普雷沃氏菌更丰富。在人类减肥试验中，与普雷沃氏菌水平较高的个体相比，以拟杆菌为主的个体在摄入富含纤维的饮食时通常不太可能减肥或维持体重减轻效果。

这些发现表明，高水平发酵代谢的肠道微生物群(如普雷沃氏菌)可能更有利于减肥，尤其是在增加纤维摄入量时。

最后，试验(n=1002)的数据显示，肠道微生物群组成是餐后脂质和血糖反应，以及空腹心血管代谢标志物的良好预测因子。然而，必须指出的是，肠道微生物群组成仅解释了餐后甘油三酯、葡萄糖和C肽升高的5-7%变化，其他因素也在其中起作用。

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基于表型的干预措施

将基于精准医学的方法应用于肥胖和代谢紊乱的另一种方法是根据个体的潜在病理生理学和行为特征使用针对表型的干预措施。

肥胖表型通常可分为四类：异常饱腹感、异常餐后饱腹感、情绪性进食和异常静息能量消耗。针对每种表型进行了可行性试验，比如通过使高纤维饱腹感异常的个体饮食，可以关闭大脑饥饿中枢并实现最大的胃扩张。支持这一概念的是，与接受标准治疗的参与者相比，接受表型定制生活方式干预的参与者减重更多，代谢和临床参数改善更显著。

✦ 根据不同表型采取饮食会有更好的效果

在一项为期12周的饮食干预试验中，患有肌肉胰岛素抵抗或肝脏胰岛素抵抗的人被随机分配到高单不饱和脂肪酸饮食或低脂肪、高蛋白和高纤维饮食。具有肌肉胰岛素抵抗的个体(n =149)在食用低脂肪、高蛋白和高纤维饮食时代谢参数有更多改善，而具有肝脏胰岛素抵抗的个体食用高单不饱和饮食时，肝脏胰岛素抵抗(n=93)有更大的改善。

需要注意的是，另一种基于代谢表型的方法根据CORDIOPREV-DIAB试验显示出相互矛盾的结果。可能是由于研究人群的差异或饮食干预措施的组成差异造成的，说明了基于某些表型设计精准饮食干预措施的还存在一些挑战。

通过营养干预进行个性化葡萄糖优化研究旨在测试这种通过根据组织特异性胰岛素抵抗表型调节膳食营养素含量来改善葡萄糖稳态参数和心脏代谢健康的方法。

尽管开发个性化营养干预措施存在相关的挑战，但这些原理验证研究总体上支持使用基于生物和表型因素开发个性化饮食干预措施的基本概念。

此外，了解肠道微生物及其基因途径如何与饮食成分相互作用可能有助于设计更有效的个性化疗法，并有可能提高饮食干预减肥的成功率。

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基于纤维的策略

膳食纤维的结构和理化多样性为开发基于纤维的策略提供了潜力，还能从一定程度上改善肥胖和代谢综合征药物和手术疗法。

富含纤维的天然食品，如全谷物、蔬菜、水果、豆类、坚果和种子，为以肥胖为中心的医学营养疗法提供了非淀粉多糖和抗性淀粉的混合来源，分离和合成的浓缩和均匀特征纤维为针对代谢综合征病理生理学的营养保健品开发提供了途径。

✦ 膳食纤维对于控制肥胖有重要作用

几种纯化的食品级膳食纤维已经作为食品成分或补充剂在市场上销售，其中许多可以被选定的微生物群落获取、降解和利用。

一项包含22项随机对照试验、总共1428名参与者的系统回顾和荟萃分析表明，使用分离的可溶性膳食纤维补充剂(菊粉、低聚果糖、抗性玉米糊精、瓜尔豆胶、亚麻籽粘液、海藻酸盐粉、葡甘露聚糖和黄原胶)的个体至少12周后， 与对照干预措施相比 ，体重减轻和代谢功能改善显著更高(可消化的碳水化合物)，支持补充分离纤维在控制肥胖中的作用。

然而，体重的减少相对适度(平均差-1.25公斤)，表明单独分离的可溶性纤维可能无法实现实质性的体重减轻。

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补充膳食纤维需要和个体特征相匹配

使用基于膳食纤维的策略相关挑战在于需要什么剂量才能产生有益效果以及个人对这些剂量的反应如何？

通常，小鼠和大鼠模型中使用的剂量转化为人类每日摄入量>100 g ，这可能会导致严重的副作用。事实上，一项对18名参与者进行的纵向、随机交叉研究表明，补充30克菊粉会增加促炎细胞因子(如IL-6和TGFβ)以及肝酶的水平。

另一项结合使用人体组织样本、人体结肠活检离体培养和细胞培养模型的研究表明，饮食中的β-果聚糖可引发人体巨噬细胞和患有活动性肠道炎症的炎症性肠病患者的活检样本中的促炎症反应。研究人员推测，在缺乏发酵纤维(如β-果聚糖)所需的特定微生物类群(如罗氏菌属和普氏粪杆菌)的个体中，这些未发酵的纤维可能会在胃肠道中诱发炎症反应。

这些研究强调了基于将特定纤维混合物与宿主现有微生物功能特征相匹配的个性化饮食疗法的必要性。

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将纤维与健康相关微生物群结合

了解膳食纤维如何沿着胃肠道表现并与人体肠道微生物群相互作用后，可以根据纤维独特的理化特性、对肠道微生物群的影响以及对饱腹感、血糖、血脂或炎症反应的影响来合理选择纤维。

✦ 根据对肠道微生物群的影响等选择合适的纤维

一个商业化的例子是PolyGlycopleX，它是海藻酸钠、魔芋胶和黄原胶的混合物，协同相互作用形成高粘性和凝胶形成的多糖复合物，先前已证明可以促进饱腹感并降低总胆固醇水平。

注：人们可以推测，将PolyGlycopleX与有利于丙酸产生的可发酵纤维混合物配对可能会增强临床反应，因为人类补充丙酸已被证明对饱腹感和胆固醇代谢有良好的影响。

39名患有高心脏代谢疾病风险的成年人服用含有七种可发酵纤维的专有混合物，可以改善葡萄糖和胆固醇代谢的替代标志物，并显著调节肠道微生物群的组成和功能特征。

快速(菊粉)和缓慢(抗性淀粉)发酵纤维的混合物，旨在将乙酸盐的产生扩展到远端结肠，也被证明可以在健康个体的餐后促进能量消耗并减弱血糖反应，但有趣的是，它并没有患有糖尿病前期的个体。

这些结果强调了微生物发酵能力的改变以及正常体重个体和肥胖或代谢功能障碍个体之间短链脂肪酸代谢的差异会影响对纤维补充剂的反应。

✦ 纤维引起的微生物变化会影响代谢、信号传导

虽然纤维混合物是一种新兴方法，可以部分克服对纤维补充的个性化反应，但仍需要精心设计的临床前和临床研究来开发和确定此类纤维混合物单独以及与治疗肥胖症和代谢综合征的护理标准相结合的功效。

对14名成年人进行的受控饮食研究中使用特定的纤维组合，证明不同的纤维组合在微生物功能基因表达和生长中引发了共同的和纤维特异性的反应。

例如，豌豆纤维和菊粉或豌豆纤维、菊粉、橙纤维和大麦麸的组合都促进了多种拟杆菌的生长，并增加了阿拉伯低聚糖和低聚木糖利用的途径。

此外，纤维诱导的特定微生物基因的变化可能与宿主葡萄糖代谢、钙调神经磷酸酶和AKT信号传导、细胞凋亡、激肽释放酶-激肽蛋白酶和免疫过程的变化相关。

尽管体外研究进一步证明了离散纤维结构能够操纵肠道微生物组的潜力，但仍需要在人体中进行额外的随机对照试验来确认纤维补充剂的生理效应。

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协同合生元或粪菌移植

膳食纤维和健康相关细菌基因组之间的联系表明，活体微生物的施用，无论是益生菌、活体生物治疗药物还是粪菌移植，都可能与选择性发酵的膳食纤维相互作用。

与将益生菌和益生元结合在一起的互补合生元不同，这种精确配对是协同合生元开发的基础，其中精确开发底物以供共同施用的活微生物选择性利用，从而为宿主带来健康益处。

✦ 膳食纤维协同合生元改善代谢和肥胖

一些早期的临床前和临床研究结果表明，协同合生元可能并不总是可预测地相互作用以促进健康。例如，根据三氯蔗糖与乳果糖的比率估计，在94名肥胖个体中补充益生元低聚半乳糖、益生菌青春双歧杆菌或协同合生元已被证明可以类似地增强肠道屏障完整性。

然而，根据系统评价和荟萃分析的报告，合生元补充剂，或益生元(或多种益生元)和益生菌(或多种益生菌)的一般配对，已显示出减轻体重和纠正肥胖代谢失调的希望。

一个例子是Pendulum Glucose Control，它是菊粉、低聚果糖、嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansia muciniphila)、拜氏梭菌、丁酸梭菌和婴儿双歧杆菌专有混合物，已被证明可以改善2型糖尿病患者的葡萄糖代谢，这些患者单独通过饮食和运动治疗。

✦ 膳食纤维的摄入与粪菌移植的效果会相互影响

整个粪便微生物群落的管理可能会进一步受益于精确膳食纤维的共同管理，这些纤维支持群落内与健康相关的成员或调节防止微生物植入的环境限制。

在一项研究中，粪菌移植与不可获取的微晶纤维素 (n=17) 配对，但不是可发酵纤维混合物(n=17)(抗性麦芽糖糊精、IV型抗性淀粉和阿拉伯胶)，改善了接受者中肥胖和代谢综合征患者的胰岛素敏感性。

微晶纤维素是一种食品添加剂，也常用作药物包衣材料。它是一种水溶性纤维素衍生物，具有优异的增稠、乳化、稳定等功能。在食品工业中，微晶纤维素常用于调制冰淇淋、奶油、果冻等产品；在药物制剂中，微晶纤维素常用作控释药物的包衣剂。

补充微晶纤维素有助于增加群落丰富度以及几种与健康相关的类群的植入或富集，例如Akkermansia、Christensenellaceae和Phascolarctobacter，这可能是通过将结肠环境转向更有利的条件，例如减少肠道炎症。

捐赠者在获得粪便之前的饮食会进一步影响粪菌移植的功效。例如，与遵循地中海减肥(n=16)或健康饮食指南(n=19)饮食后接受自体粪菌移植胶囊的个体相比，含有绿茶和较高膳食纤维的地中海饮食在粪菌移植后8个月可减弱体重增加。

总体而言，将益生菌、活生物治疗和粪菌移植疗法与具有离散结构的新型纯化的膳食纤维相结合，将有助于开发创新的营养保健品和药物疗法，通过平衡失调的肠道微生物群来针对代谢综合征的病理生理学。

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肠道微生物群衍生的短链脂肪酸调节胃肠道肿瘤免疫：一种新的治疗策略？

谷禾健康

癌症是重要的死亡原因之一，影响着全球至少数百万人。据世界卫生组织统计，发现全球范围内癌症负担正在迅速增加。

癌症的发展不仅仅是癌细胞的生长和增殖，其肿瘤微环境(TME)也与之共同进化，主要参与肿瘤的发生、发展、转移和治疗反应。

肿瘤微环境包含肿瘤细胞、肿瘤浸润免疫细胞、肿瘤相关其他细胞、细胞外基质、非细胞成分和非癌性宿主细胞，微生物群也是肿瘤微环境中的细胞成分之一，发挥着重要且不可替代的作用，因为微生物群落可以调节各种生物过程，包括细胞代谢、生理学和免疫反应等。

谷禾以前的文章曾多次讲述，肠道菌群与肿瘤尤其是胃肠道肿瘤的发生、发展密切相关。肠道微生物群可以通过调节细菌的特定生物活性代谢物来影响肠道微环境。例如短链脂肪酸(SCFA)作为肠道细菌发酵产生的典型代谢物，在肠道稳态和人体健康中发挥着关键作用。

短链脂肪酸可以调节能量代谢、增强肠道屏障并发挥抗炎作用。短链脂肪酸作为免疫功能的关键调节剂，可以调节T细胞、B细胞、巨噬细胞和其他免疫细胞。短链脂肪酸由于与G蛋白偶联受体(GPCRs)的结合或对组蛋白脱乙酰酶(HDACs)的抑制，可以影响免疫反应的信号转导途径，调节免疫相关炎症介质的释放，从而调节肿瘤免疫微环境。

近年来，短链脂肪酸对肿瘤微环境的影响被广泛研究。在结直肠癌和胰腺癌实验模型中，已证明丁酸盐可以增强CD8+ T细胞的抗肿瘤作用。此外，独特组成的微生物群可能还有助于诊断和定位恶性肿瘤，全面了解肠道微生物群及其代谢物与肿瘤微环境之间的相互作用有望成为诊断、治疗和预防肿瘤的新方法。

在本文中，我们(1)讲述了微生物群及其代谢物短链脂肪酸对肿瘤微环境和宿主免疫的影响；(2)短链脂肪酸在癌症发生、发展和治疗方面的相互作用；(3)介绍基于微生物群的癌症诊断和预后；(4)讨论了靶向微生物-短链脂肪酸轴调整肿瘤微环境以最大限度地提高癌症治疗效果的各种方法，包括粪便微生物移植、饮食调整和施用益生菌。这将为未来基于肠道菌群和肿瘤微环境的癌症靶向治疗奠定基础。

01
肠道微生物与肿瘤微环境

什么是肿瘤微环境？

肿瘤微环境(TME)是指肿瘤细胞及其周围的局部环境，包括周围的血管、免疫细胞、细胞外基质、细胞间信号分子等。

肿瘤细胞和肿瘤微环境之间永久的相互关系不仅为肿瘤细胞提供了生长和扩散所需的物质和信息，还显著影响肿瘤的发生、进展、转移和治疗反应。

肿瘤微环境的组成部分

Feng P,et al.Front Microbiol.2024

▸ 前沿资料

最近，具有抗肿瘤能力的常规药物包括阿司匹林、塞来昔布、β-肾上腺素能拮抗剂、二甲双胍和他汀类药物，通过靶向肿瘤微环境成分显示出在联合治疗中的潜在用途。

★ 微生物群是肿瘤微环境的一个组成部分

肿瘤微环境是一个复杂的环境，其中微生物群被认为是一种新颖但必不可少的元素。微生物群在功能上减少肿瘤细胞代谢，例如炎症、基因毒素的产生以及具有各种特征的细菌代谢物的产生。

越来越多的证据表明，肿瘤微环境中微生物群及其代谢物之间的相互作用可以影响宿主免疫和肠上皮，最终驱动或抑制肿瘤生长。

研究报告称，肠道细菌可以调节人体免疫细胞的激活，使其迁移到肿瘤微环境来消除肿瘤细胞。此外，肠道微生物群和肿瘤微环境之间复杂的相互作用可能会使肿瘤细胞逃避免疫系统并增殖。了解这个系统将为癌症的预防、诊断和治疗带来希望。

肿瘤微环境在癌症免疫治疗中的作用

肿瘤微环境(TME)中肿瘤相关巨噬细胞(TAM)和其他免疫抑制细胞的大量积累对癌症的进展和治疗效果有重要影响。

★ 肿瘤微环境的免疫细胞影响癌症进展和治疗效果

CD163是一种标志物，主要表达在巨噬细胞表面，尤其是在肿瘤相关巨噬细胞(TAM)上。CD163阳性的TAM在肿瘤微环境中的高表达与免疫抑制环境的形成有关，这种环境可以促进肿瘤的生长和扩散，并且与病人的不良临床结果相关。

当CD163+ TAM的消耗导致免疫抑制减少，意味着通过减少这些免疫抑制性的巨噬细胞，可以增强细胞毒性T细胞(CTLs)的浸润和活性，从而有助于控制肿瘤的发展。这是当前癌症免疫治疗研究的一个重要方向，即通过调节肿瘤微环境中的免疫细胞组成来增强机体对肿瘤的免疫反应。

简而言之，CD163阳性的表达通常与肿瘤微环境中的免疫抑制状态相关，通过靶向这些细胞，可以改善免疫系统对肿瘤的攻击能力，为癌症治疗提供新的策略。

Feng P,et al.Front Microbiol.2024

★ 非细胞成分也调节癌细胞的增殖和治疗效果

肿瘤微环境的非细胞成分对于癌症进展、侵袭性和化疗耐药性也至关重要。细胞外基质的硬度促进肿瘤细胞存活和增殖，同时上调整合素信号传导。

透明质酸是一种CD44受体，在各种癌症的肿瘤微环境中含量丰富。它们的相互作用激活促癌信号通路并诱导非编码RNA种类的上调，例如miR-10b/miR-302/miR-21和lncRNA。在胰腺癌中，间质与不同的透明质酸高度反应，导致间质液压力升高，从而导致血管塌陷和化疗效果不佳。

注：使用重组透明质酸酶靶向胰腺肿瘤中的酶已被证明可以降解透明质酸并通过减少转移和提高生存率来增强治疗效果。

此外，肠道菌群的分泌成分也与肿瘤微环境有关。例如，外膜囊泡(OMV)可以将肿瘤微环境重新编程为pro-TH1模式，而代谢物(如丁酸盐和烟酸)可以介导结肠上皮中IL-18的Gpr109a依赖性诱导，抑制结肠炎和结肠癌症。

肠道微生物群对肿瘤微环境的影响

肠道微生物群对于宿主免疫系统的发育、维持和生长至关重要。肠道生态系统可以通过影响骨髓的流入、免疫环境、淋巴细胞以及炎症和代谢模式来影响局部和远处的肿瘤。

肠道微生物群参与多种细胞内信号通路的调节

Sun J,et al.ISME J.2023

★ 肠道微生物群是肿瘤微环境的重要调节剂

肠道微生物群正在成为结直肠癌、胃癌和肝癌等各种癌症中肿瘤微环境的关键调节剂。例如，之前的一项研究报告称，具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)等细菌可以通过抑制人类免疫反应来增强肿瘤生长。

此外，乳腺癌和卵巢癌与微生物群中的特定生物特征有关，例如卷曲乳杆菌(Lactobacillus crispatus)的丰度，它与癌症的发生呈负相关。

★ 肠道微生物群的代谢物影响肿瘤治疗

先前的研究发现，肠道微生物群代谢活动的产物显著影响与肥胖、血脂和能量稳态相关的宿主代谢途径。因此，揭示肠道微生物群的代谢物和亚代谢物如何影响免疫细胞并重塑肿瘤微环境可以极大地促进肿瘤治疗的发展。

肠道微生物群的代谢物进入宿主细胞并与人体免疫反应相互作用，促进各种肿瘤抑制和免疫调节分子的产生。它们还通过维持上皮屏障和肠道的完整性来抑制炎症。

肠道微生物代谢物，如短链脂肪酸和肌苷，直接或间接与肿瘤微环境相互作用，重塑它，从而影响癌症过程。短链脂肪酸有助于维持肠道稳态和调节肠道屏障功能。

肠道微生物代谢物影响抗癌免疫

Sun J,et al.ISME J.2023

此外，一些脂肪酸和胆酸与炎症有关。丁酸盐等短链脂肪酸可由普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)产生，控制血管生成并减少促血管生成因子的表达。因此，增加丁酸盐浓度被认为可以减缓并阻止癌症的生长。

相反，脱氧胆酸和石胆酸可通过增加活性氧的产生而导致DNA损伤。最近的研究表明，肠道细菌假长双歧杆菌(B.pseudolongum)可以产生肌苷，在外源IFN-g存在的情况下驱动Th1细胞分化。

★ 影响免疫治疗的效果

此外，假长双歧杆菌(B.pseudolongum)通过与T细胞上的腺苷A2A受体相互作用，与免疫检查点治疗(例如抗CTLA-4和抗PD-L1)的反应相关。

CTLA-4和PD-L1是免疫检查点疗法的主要靶点，该疗法涉及膜结合分子，这些分子在初始刺激后会阻碍不受限制的T细胞反应。因此，癌细胞可以通过利用这种机制来逃避免疫监视。

然而，在重新激活低效T细胞的同时，免疫检查点抑制剂(ICIs)可以恢复对肿瘤抗原的反应。临床研究和临床前试验表明，肠道微生物群影响免疫检查点抑制剂的疗效，从而解释了患者对ICI反应的显著差异。因此，深入了解肠道微生物群、其代谢物和宿主免疫系统如何相互作用以重塑和调节肿瘤微环境，有望推动癌症免疫治疗的发展。

总体而言，肠道微生物群对肿瘤微环境的影响很复杂，目前尚未完全了解。然而研究表明，在控制肠道微生物以影响癌症治疗的有效性和改善患者预后方面具有潜在的应用前景。

02
短链脂肪酸在人体的作用

近年来，微生物和微生物的代谢产物对宿主的影响越来越受到人们的关注。

短链脂肪酸由少于6个碳原子组成，是共生细菌通过膳食纤维在胃肠道中发酵产生的典型代谢产物，已被广泛研究。短链脂肪酸的产生是一个复杂的过程，由多种细菌在结肠中进行。在所有短链脂肪酸中，乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐最具代表性。

短链脂肪酸对人体的基本作用

• 提供能量

当短链脂肪酸产生时，第一个功能是作为底物提供能量。大多数短链脂肪酸通过两种转运蛋白被结肠细胞吸收：单羧酸转运蛋白1(MCT-1)和钠偶联单羧酸转运蛋白1(SMCT-1)。

短链脂肪酸通过MCT-1以H+依赖性电中性方式转移，而短链脂肪酸阴离子通过SMCT-1运输。

• 调节生理反应

除了为结肠细胞提供能量外，短链脂肪酸还通过血液运输到全身的各个组织和器官，然后通过两种主要机制调节生物反应。

一方面，短链脂肪酸会降低组蛋白去乙酰化酶(HDAC)的活性或表达，从而导致组蛋白乙酰化增加。据报道，HDACs的异常激活存在于多种类型的癌症中。

另一方面，短链脂肪酸与G蛋白偶联受体(GPCR)结合，主要针对GPR41(更名为游离脂肪酸受体(FFAR)3)、GPR43(更名为FFAR2)和GPR109A，发挥相应的信号级联效应。一些研究表明GPCRs的异常表达或活性参与多种肿瘤进展。

短链脂肪酸调节炎症反应的机制

He M,et al.J Transl Med.2024

• 其他作用

既往研究总结了短链脂肪酸在调节能量代谢、保护肠道完整性、改善炎症反应等方面的作用，但短链脂肪酸对免疫系统的影响尚未引起足够的重视。一些作用罗列在下表中：

Dong Y,et al.Front Immunol.2023

短链脂肪酸对代谢稳态的影响

Dong Y,et al.Front Immunol.2023

在肿瘤免疫微环境中起重要作用

• 影响T细胞的分化

T细胞是肿瘤免疫微环境中的重要细胞，T细胞浸润减少或功能障碍会导致许多癌症治疗临床效果不佳。

由于幼稚T细胞在功能水平上表达时没有GPR41和GPR43，因此短链脂肪酸可以直接影响依赖于HDAC抑制剂活性的幼稚T细胞的分化。

通过这种方式，短链脂肪酸促进未成熟的CD4+ T细胞分化为不同的调节性T细胞和效应T细胞，这取决于不同的极化条件，比如细胞因子表型和免疫环境。

短链脂肪酸诱导mTOR-S6K和STAT3的激活，参与T细胞分化所需细胞因子的产生。无论极化条件如何，短链脂肪酸都会促进白细胞介素(IL)-10的表达，但只能在特定环境下促进IL-17或干扰素-γ (IFN-γ)的产生。

• 影响白细胞介素等细胞因子的含量

有趣的是，分化T细胞(例如辅助性T(Th)1细胞)中 IL-10的分泌取决于与GPR43的相互作用。此外，短链脂肪酸上调Blimp-1的表达，这与Th1细胞中IL-10的产生和T细胞功能的维持有关。

在高脂肪饮食治疗的小鼠中，IL-17和IFN-γ的水平升高，而转化生长因子-β(TGF-β)和IL-10的水平降低。这意味着T细胞向Th17和Th1细胞的分化程度较高，而向调节性T(Treg)细胞的分化程度较低，特别需要注意的是：短链脂肪酸可以扭转这种情况。

CD4+ T细胞和先天淋巴细胞中IL-22被发现可以通过短链脂肪酸进行调节。丁酸盐通过与GPR41结合增加转录因子HIF-1α和AhR的表达，同时伴随着STAT3和mTOR的激活。

同时，丁酸盐促进的HIF-1α与IL-22启动子的HRE结合涉及组蛋白乙酰化。CD4+ T细胞分化过程也受到表观遗传调控。不同的CD4+ T细胞亚群具有特定的转录因子，例如Th1细胞的T-bet、Th17细胞的RORγT和Treg细胞的FOXP3。丁酸盐通过乙酰化 H4K16增加分化的Th17细胞中RORγT的表达，但在Th17极化条件下对初始CD4+ T 细胞没有反应。

• 短链脂肪酸在抗肿瘤免疫中的其他作用

丁酸盐

低丁酸盐浓度以TGF-β1依赖性方式促进CD4+ T细胞向Foxp3+ Treg细胞分化，而高丁酸盐浓度无论在什么条件和亚群中都会诱导T-bet表达和IFN-γ释放。这似乎打破了我们对短链脂肪酸对粘膜免疫影响的传统认识。更重要的是，暴露于高浓度的短链脂肪酸，尤其是丁酸盐，可以抑制肠粘膜中CD4+ T细胞和其他CD4+ T细胞亚群的增殖和活化。这与组蛋白乙酰化和GPR43激活密切相关。

丁酸盐通过促进CD8+ T细胞作用参与抗肿瘤免疫。丁酸盐处理的细胞毒性T淋巴细胞(CTL)介导的抗肿瘤反应的促进作用依赖于一种称为ID2的转录调节因子，其水平在肿瘤微环境中的CD8+ T细胞中要高得多。丁酸通过抑制组蛋白脱乙酰酶(HDACs)的活性，诱导ID2表达并启动ID2-IL-12信号通路，从而提高奥沙利铂的化疗效果。

戊酸盐

戊酸通过抑制HDAC活性来增强CTL中IL-2、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、IFN-γ和其他效应分子的表达。

PVR/CD155 调节剂在恶性肿瘤中过度表达，并与具有Ig和ITIM结构域的T细胞免疫受体结合，介导免疫逃逸。

乙酸盐、丙酸盐

醋酸盐通过抑制PI3K/AKT通路抑制PVR/CD155水平，增强CD8+ T细胞的抗肿瘤能力。活化的γδ T细胞是IL-17的主要内源性来源。丙酸盐还通过抑制HDAC来抑制人γδ T细胞中IL-17、IL-22和其他细胞因子的分泌，从而防止癌症进展。

短链脂肪酸对肿瘤免疫微环境的影响

Dong Y,et al.Front Immunol.2023

03
短链脂肪酸与胃肠道肿瘤

密切相关的证据

实验研究和谷禾检测数据发现胃肠道肿瘤患者中短链脂肪酸和产生短链脂肪酸的细菌丰度明显较低，本节主要讲述短链脂肪酸可以通过多种机制影响胃肠道肿瘤的发展。而这也有助于未来将调节体内短链脂肪酸和肠道菌群的水平用作一种预防癌症或辅助治疗手段。

胃癌

• 短链脂肪酸可能用来评估胃癌的进展

在胃肠道化生或胃癌患者的血浆中检测到较低浓度的丙酸盐和丁酸盐。短链脂肪酸似乎可以用来评估胃癌的进展。

胃肠化生是指胃黏膜上皮转变为含有杯状细胞的肠黏膜上皮组织。肠上皮化生常见于慢性萎缩性胃炎，胃黏膜肠上皮化生属于胃的癌前病变。

此外，丁酸盐以剂量依赖性方式抑制KATO III细胞的增殖和迁移，这与其调节miRNA调控网络的作用有关。

• 影响胃癌治疗的效果

胃切除术后服用丁酸梭菌(C.butyricum)可以增加短链脂肪酸浓度，增强免疫力，减轻炎症，预防术后并发症。

体内实验证明，醋酸盐诱导胃癌细胞凋亡，随后体外实验证明氧化应激发挥了重要作用。大量摄入醋酸盐会增加胃癌细胞中活性氧的产生和MCT1的表达。

活性氧的过度表达上调了HCP1，两者均导致胃癌细胞对卟啉的摄入量增加。作为光动力疗法的光敏剂，卟啉的过度吸收增强了疗效。而作为HDAC抑制剂，丁酸盐修饰肿瘤抑制基因Per1和Per2并诱导它们在KATO III和NCI-N87中的表达。

与短链脂肪酸联合使用的传统疗法似乎具有更好的效果和更低的毒性。在裸鼠异种移植肿瘤模型中，丁酸盐-顺铂治疗抑制胃癌细胞的生长、迁移和侵袭，并依靠线粒体凋亡途径加速细胞凋亡。

此外，单独丁酸可以通过线粒体途径诱导胃癌细胞凋亡，这已在人细胞系BGC-823和SGC-7901中得到证实。

结直肠癌

先前的研究表明，结直肠癌高危人群中乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐的浓度显著降低，并且短链脂肪酸水平较低的个体结直肠癌的发病率高于健康个体。各种短链脂肪酸均表现出抗癌行为。

注：与单独治疗相比，这些化合物具有叠加效应。

1

乙酸盐

•常规浓度下乙酸会增强癌细胞的凋亡并减少增殖

乙酸可以增强癌细胞的凋亡并减少增殖，已在不同的结直肠癌细胞系中得到证实，因此它已成为结直肠癌治疗的关键因素。

在结直肠癌患者中，短链脂肪酸减少，乙酸盐代谢转化为乙酰辅酶A。过去的研究表明，乙酸盐介导的细胞凋亡依赖于部分溶酶体膜透化触发的溶酶体途径。然而，溶酶体依赖性选择性死亡途径中随后释放的组织蛋白酶D降低了乙酸盐的敏感性。因此，组织蛋白酶D抑制剂与乙酸盐联合可能比单独使用乙酸盐效果更佳。

•注意：在缺乏氧气和葡萄糖的情况下乙酸盐可能导致癌细胞增加

然而，在没有氧气的情况下，乙酸盐会增加癌细胞的增殖，这依赖于ACSS2的上调和HIF-2的激活。

同时，在葡萄糖缺乏的情况下，乙酸盐通过激活 ACSS2/HIF-2 信号通路促进HCT-116(结肠癌细胞)和HT-29(结肠癌细胞)衍生肿瘤的生长。

因此，乙酸盐的抗癌作用可以根据环境和浓度的变化而改变。

此外，乙酸盐作为PI3K/AKT信号驱动的免疫检查点配体PVR/CD155的调节剂，可以增强肿瘤微环境中CD8+ T细胞的功能反应，促进IFN-γ的产生，有望成为促进肿瘤免疫的相关药物。基于上述讨论，免疫检查点抑制剂(ICIs)的功效可能受益于乙酸盐。

2

丙酸盐

研究发现结直肠癌组织中丙酸盐含量降低，并且向SW480细胞(人结肠腺癌细胞)中添加丙酸盐显著抑制癌细胞生长。

•丙酸盐调节免疫刺激来消灭癌细胞

短链脂肪酸调节免疫刺激和抑制配体，并参与免疫细胞介导的杀伤。丙酸盐诱导的NKG2D配体MICA/B的上调既不依赖于HDACs的抑制，也不依赖于GPR41/GPR43受体的组合，而是依赖于线粒体活性，而丁酸盐则取决于其HDACs抑制剂活性。丙酸盐的这种作用与介导肿瘤抑制蛋白p21表达的PEPCK-M酶和mTORC2/PDK1/AKT通路密切相关。

•丙酸盐通过调节表观遗传导致癌细胞凋亡

除了免疫调节之外，表观遗传调节也是短链脂肪酸发挥抗癌作用的一个有前景的靶点。丙酸盐通过阻止p70 S6激酶磷酸化导致PRMT1表达下调，从而导致结直肠癌细胞选择性死亡。

此外，丙酸盐诱导HECTD2上调，导致EHMT2降解，从而促进下游TNFAIP1的表达并最终促进癌细胞凋亡。

在丙酸盐介导的抗癌治疗中，表观遗传修饰是不可忽视的。然而，最新的孟德尔随机化分析发现，没有强有力的证据证明粪便中丙酸盐浓度与结直肠癌风险之间的相关性。可能有必要全面检测短链脂肪酸及其产生细菌。

3

丁酸盐

研究发现，丁酸盐抑制结直肠癌细胞的增殖，但滋养正常结肠细胞的生长。

•丁酸盐相比其他短链脂肪酸对癌细胞具有更强的抑制作用

与其他短链脂肪酸相比，丁酸盐对结直肠癌细胞系具有更强的抑制作用。

一方面，丁酸可以抑制促炎介质TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8，上调抗炎因子IL-10；另一方面，丁酸可以通过促进CD8+ T细胞发挥作用来促进抗肿瘤免疫。

此外，丁酸盐通过促进上皮细胞增殖、增加粘液层和改善紧密连接来维持肠道屏障的完整性。

在HCT 116细胞(人结肠癌细胞)中，丁酸介导的细胞凋亡与p300-Wnt信号传导密不可分。其中，致癌Wnt信号基因表达模式下的结肠癌细胞比受体介导的Wnt信号基因表达模式下对丁酸盐更敏感。

•丁酸盐影响结直肠癌细胞周期从而促进凋亡

结直肠癌中肠道微生物群的结构和稳定性发生显著改变，并与其进展密切相关。丁酸盐的施用改善了微生态紊乱，反映在病原体减少、厚壁菌门与拟杆菌门的比例减少以及益生菌丰度增加。

与乙酸盐和丙酸盐相比，丁酸盐对结直肠癌细胞周期至关重要的调节网络具有更强的影响。丁酸调节癌症相关miRNA的表达，其中miR-139和miR-542是众所周知的代表。具体来说，它们作为丁酸盐的协作对象来调节细胞周期中的EIF4G2和BIRC5基因。

丁酸盐调节c-Myc/p21通路，诱导细胞周期停滞在G2期，其中包含27个凋亡相关基因。此外，丁酸盐在G1期触发细胞周期阻滞，需要复杂的lncRNA-miRNA-mRNA调控网络。

补充丁酸盐可逆转CSE1L的过度表达，并似乎与p53表现出协同作用，最终将癌细胞抑制在G1和G2/M期。

同时，丁酸诱导的p21和γ-H2AX增加以及细胞周期蛋白B1减少导致细胞周期停滞在 G2/M 期。

•丁酸盐抑制癌细胞的迁移

不仅如此，丁酸盐还通过上调miR-200c并抑制其直接靶点BMI-1对癌细胞迁移产生抑制作用。

BMI-1是诱导依赖于AKT/GSK-3β/snail通路的上皮间质转化(EMT)驱动癌症转移的重要调节因子，丁酸盐阻止了BMI-1的作用。

丁酸盐处理还降低了结直肠癌细胞而非正常结肠细胞中Trx-1的表达。研究证明，Trx-1与S100P的相互作用通过AKT介导的S100A4上调促进EMT。通过施用丁酸盐，类器官证明细胞外基质-整合素/PI3K-Akt 轴参与结直肠癌细胞形态变化和细胞凋亡。

丁酸盐阻止结直肠癌细胞的迁移和侵袭，本质上是由于组蛋白脱乙酰酶(HDAC3)的抑制，从而阻断了AKT1和ERK1/2的激活。

•丁酸盐还改变表观遗传和代谢发挥抗癌特性

与其他短链脂肪酸不同，丁酸盐逆转前列腺素EP4受体的过度表达和环氧合酶2的产生，以减少从正常细胞到癌症的表型改变。

此外，丁酸盐通过激活LKB1-AMPK/ACC信号通路和降解β-catenin诱导结直肠癌细胞自噬。

丁酸盐致力于改变结直肠癌细胞的表观遗传学和代谢谱，发挥其抗癌特性。通过调节KEAP1的DNA甲基化，丁酸阻断NRF2-ARE信号传导，从而增强其抗癌潜力。

线粒体代谢和相关代谢物的变化参与了丁酸盐对表观遗传学的调节。丁酸激活三羧酸循环相关酶IDH1和PDH，从而下游产物α-KG水平升高。

作为一种信号分子，α-KG影响与细胞凋亡相关的MSH2和MLH1去甲基化。同时，α-KG减弱DNA和组蛋白H3K4me3的甲基化，导致结直肠癌中Wnt信号通路受到抑制。

丁酸盐通过促进PKM2的四聚化和去磷酸化来诱导有氧糖酵解的抑制，从而逆转癌细胞中的代谢优势。对于结直肠癌细胞，丁酸盐引起的代谢变化反映在促进氧化代谢而不是糖酵解。

此外，铁死亡是铁依赖性细胞程序性死亡的方式，丁酸盐通过CD44/SLC7A11信号通路诱导结直肠癌细胞中的铁死亡。

肝细胞癌

肝细胞癌是一种发生于肝脏的恶性肿瘤，它是全球范围内最常见的癌症类型之一。作为一个重要的危险因素，乙型肝炎病毒(HBV)会促进肝细胞癌(HCC)的进展。

• 丁酸盐促进肝癌细胞的凋亡和自噬

丁酸盐通过抑制SIRT-1从而促进p53乙酰化，显著抑制人肝癌细胞(Hep G2.2.15)的增殖和驻留乙型肝炎病毒的复制。

HBx是乙型肝炎病毒(HBV)编码的致癌蛋白，可能通过多种方式导致肝细胞癌的加速发生和发展。随着HBx相关途径的下调，短链脂肪酸导致肿瘤抑制因子DAB2的表达增加，从而延缓肝细胞癌的进展。

先前的研究表明，丁酸盐通过增加活性氧的产生来抑制AKT/mTOR通路，从而促进人肝癌细胞的凋亡和自噬。

• 短链脂肪酸延缓了肝癌进展

通过粪便罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)移植进行干预的肝细胞癌小鼠似乎也可以延缓癌症进展。相关机制是罗伊氏乳杆菌代谢产生的乙酸盐通过抑制HDAC和诱导Sox乙酰化，抑制先天淋巴细胞的效应分子IL-17A的产生。

另外，PD-1抑制剂与短链脂肪酸联合使用，在肝癌小鼠中显示出增强的抗肿瘤作用。Lachnospiracea具有减少肝纤维化的作用，部分原因是短链脂肪酸介导的。

已证明口服短链脂肪酸可以抑制万古霉素治疗的小鼠纤维化。

• 增强常规化疗药物的效果

此外，丙酸盐可以增强常规化疗药物在肝细胞癌中的化疗效果。研究表明，丙酸盐通过激活GPR41诱导TNF-α表达，并增加顺铂诱导的caspase-3激活，从而介导肝癌细胞凋亡。

肝细胞癌患者体内丁酸产生菌16s RNA表达降低，补充丁酸可促进肝癌细胞凋亡并抑制增殖。更重要的是，丁酸盐可以增强索拉非尼的治疗潜力，通过减少HK2对c-myc信号传导的依赖，丁酸盐可以抵抗糖酵解，从而增强索拉非尼的功效。

对于接受仑伐替尼治疗的肝细胞癌患者，无腹泻等不良反应的患者丁酸代谢相对丰富且活跃。最新研究表明，补充乙酸盐可以诱导人肝癌细胞中NAT2的水平，类似于葡萄糖和胰岛素，从而导致代谢相关基因的变化。

不仅如此，丁酸盐在胆管癌细胞中也表现出同样的抗癌作用。丁酸盐和HDAC6抑制剂在防止增殖、迁移和上皮间质转化方面具有协同作用。

• 短链脂肪酸改善一些癌前病变症状

酒精性脂肪肝病(AFLD)和非酒精性脂肪肝病(NAFLD)可进展为肝硬化，最终可能发展为肝癌。丁酸盐抑制gasdermin D 介导的细胞焦亡，改善肠道屏障破坏和内毒素血症，从而减轻AFLD中的肝脏脂肪变性和炎症。

此外，丁酸盐通过LKB1-AMPK-Insig信号通路的调节诱导肝脂质谱的改变并减轻肝脂肪变性来治疗 NAFLD 。

总而言之，短链脂肪酸限制了肝细胞癌前阶段的进展。

胰腺癌

研究发现，与对照组相比，胰腺癌患者的丙酸盐和丁酸盐水平降低，粪便微生物群的组成发生改变。

• 短链脂肪酸增强了对肿瘤细胞的杀伤能力

短链脂肪酸以肿瘤特异性免疫细胞为目标，无论单独使用还是与其他肿瘤疗法联合使用，都显示出强大的抗癌作用。

研究表明，与组蛋白脱乙酰酶(HDACs)抑制相关，丁酸和戊酸上调IL-2、CD25和mTOR的产生，这些物质参与T细胞激活的调节。通过触发增强的效应分子，丁酸盐和戊酸盐还增加了细胞毒性T淋巴细胞的肿瘤杀伤能力。

短链脂肪酸在过继性免疫治疗方面也显示出良好的前景。用丁酸盐或戊酸盐预处理的细胞在胰腺癌小鼠模型中显示出更好的治疗效果。

• 短链脂肪酸干扰胰腺癌的进展并减轻相关损伤

另一项研究表明，丁酸盐通过逆转胰腺腺癌患者的CD11b细胞的免疫抑制功能并增强CD8+ T细胞的免疫功能来延缓癌症的发展。

短链脂肪酸的影响不仅限于肿瘤微环境，还延伸至肿瘤相关基因。丁酸盐处理后，在AsPC-1细胞(人转移胰腺腺癌细胞)中可以观察到通过抑制组蛋白脱乙酰酶(HDACs)活性介导的p16INK4a、p14ARF和p15INK4b的上调。

在BxPC-3(人原位胰腺癌细胞)和PANC-1(胰腺癌细胞)细胞系中，丁酸盐单独或与吉西他滨联合使用可抑制增殖并诱导细胞凋亡。特别是联合用药减轻了吉西他滨引起的胃肠粘膜、肝、肾损伤。由于HDAC的抑制作用，丁酸盐还调节肿瘤微环境相关成分。

拓展：基于微生物群的癌症诊断和预后

癌症通常是在通过触诊或成像技术识别肿块后进行诊断，然后进行活检以确认细胞恶性肿瘤。断层扫描检测技术，包括PET-CT、MRI和CT，可以有效地识别体内的宏观病变。

基于微生物的癌症诊断

此外，研究已经证实，肠道微生物群动态可能有助于诊断和定位恶性肿瘤，例如根据胃肠道来源的解没食子链球菌菌血症。大多数基于微生物的癌症诊断侧重于对呼吸消化道内的肿瘤进行测序，包括结直肠癌、胰腺癌和肺癌。

有人提出，不同的癌症类型可能在呼吸消化道外具有独特组成的微生物群。一项研究了30多种癌症的瘤内微生物群，应用基于血液的诊断，并提供七种不同癌症中微生物瘤内空间分布和细胞内定位的视觉证据。

2017年的一项研究提出了结直肠癌粪便微生物组的宏基因组分析，以识别和验证不同种族群体中的细菌生物标志物。这项研究纳入了来自中国、丹麦、法国和奥地利的结直肠癌患者和对照样本，并强调了粪便宏基因组生物标志物在早期结直肠癌诊断中的潜力。

此后，更多的研究发现，粪便微生物DNA标记可以单独或与粪便免疫化学测试结合使用，作为新的测试来筛查无症状受试者的结直肠肿瘤。

此外，收集了41名肺癌患者和40名健康志愿者的粪便样本，并使用16S rRNA基因测序分析了肠道微生物群。他们发现， 肺癌患者中的放线菌属(Actinomyces)、韦荣球菌属(Veillonella)、巨球菌属(Megasphaera)、肠球菌属(Enterococcus)和梭菌属(Clostridioides)比健康个体更丰富。他们进一步证明肠道微生物及其相关代谢物是肺癌的潜在生物标志物和治疗靶点。

检查肠道微生物群的变化及其作为胰腺癌患者生物标志物的潜力。他们比较了患有癌前病变的胰腺癌患者、非酒精性脂肪肝患者和健康对照者的微生物群，发现了与胰腺癌相关的独特肠道微生物群特征。

主要特征是梭菌科、毛螺菌科的存在，瘤胃球菌科的缺乏，以及韦荣球菌科、阿克曼氏菌和Odoribacter的过度增加。

目前，已经开发了几种基于细菌的肿瘤检测策略，包括使用将肿瘤靶向细菌的特异性与生物标志物检测的敏感性相结合的工程细菌。使用远程诱导基因开关对减毒细菌进行工程改造，释放外源报告蛋白 ZsGreen。

Feng P,et al.Front Microbiol.2024

体内和体外实验均表明，这些细菌可以通过对释放的ZsGreen的系统测量来识别肿瘤。尽管基于细菌的癌症诊断是一种有前景的策略，但它面临着一些挑战，例如相对于宿主的生物量较低以及试剂或环境污染物的干扰。因此，将基于肠道微生物群的方法与传统诊断技术(包括基因组测序、qPCR、免疫组织化学和电子显微镜)相结合，可以提供更准确、更有效的癌症诊断。

基于微生物的癌症诊断已成为一个新领域，专注于根据各种癌症或不同肿瘤阶段肠道微生物群的特定生物特征来设计或开发新策略。此外，深度学习和机器学习算法能够识别表明癌症的微生物特征，这是精准医学的基础。基于微生物的癌症诊断还具有改善癌症筛查和早期检测工作的潜力，有望为各种癌症开发更准确、更有效的诊断工具，并最终改善患者的治疗结果。

肠道微生物群作为潜在预后标志物

在预后方面，许多研究表明肠道微生物群可以作为癌症的潜在预后标志物。在一项结直肠癌患者预后模型的研究中，风险模型与结直肠癌患者的免疫状态和肠道微生物群相关，并且微生物组分析显示，高风险患者中拟杆菌(Bacteroidetes)和放线菌(Actinobacteria)的相对丰度低于低风险患者。

具核梭杆菌作为结直肠癌患者的预后标志物

研究发现肠道中高水平的具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)和脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)与结直肠癌患者术后预后不良相关。具核梭杆菌作为结直肠癌患者预后标志物的作用已被多次证明。

例如，收集了100个结直肠癌组织和72个正常粘膜组织，并确定具核梭杆菌水平有助于预测结直肠癌患者的临床结果，发现IV期结直肠癌患者具有较高水平的具核梭杆菌。

此外，研究证明特定的肠道微生物群与接受nabuliumab治疗的肝细胞癌患者的预后相关。具体而言，普雷沃氏菌/拟杆菌比率可用作纳武单抗治疗肝细胞癌的预后预测因子；该比率越高，疗效越好。

纳武单抗(nabuliumab)是一种人类免疫球蛋白G4单克隆抗体。纳武利尤单抗主要治疗三种疾病，包括非小细胞肺癌、头颈部鳞状细胞癌、胃或胃食管连接部腺癌。

04
靶向微生物-短链脂肪酸轴

治疗胃肠道肿瘤

微生物与抗癌疗法的结合早在19世纪就开始了，当时首次尝试将灭活的链球菌注射到人体肿瘤组织中来治愈癌症。此前的研究表明，微生物制剂直接注射到肿瘤组织或口服给药，可以对肿瘤细胞产生直接的细胞毒性作用或刺激机体局部抗肿瘤免疫反应。

最近的研究发现，传统的放疗、化疗和免疫疗法可以改变患者的肠道微生物群，而菌群的组成可以深刻影响这些治疗的疗效和副作用，包括癌症复发、耐药性和对肠道菌群的附带损害。

Feng P, et al.Front Microbiol.2024

施用益生菌

益生菌是一类存在于宿主体内并对宿主有益的细菌，给癌症患者服用益生菌的目的是重新激活患者受损的肠道微生物群，从而重建失败的共生微生物组的水平和功能。

益生菌在癌症辅助治疗中的作用

Sun J,et al.ISME J.2023

• 改善受损的肠道微生物群

益生菌还可以通过增加肠道微生物群的丰度、调节一些有助于产生致癌化合物的酶的活性以及改善肠道屏障来对抗胃肠道肿瘤。

23项随机对照试验表明，补充多种益生菌可改善结直肠癌患者的症状并提高生活质量，并减少传统治疗的不良反应。

• 增加短链脂肪酸的含量

增加短链脂肪酸的产量是一个关键途径。从人初乳中筛选出潜在益生菌唾液链球菌(Streptococcus salivarius)，可抑制结直肠癌细胞增殖55%以上。唾液链球菌直接粘附并诱导癌细胞凋亡，促进短链脂肪酸的产生，并调节活化的B和T淋巴细胞。

丁酸梭菌(C.butyricum)依赖丁酸盐抑制胃肠道肿瘤的进展。C. butyricum调节Wnt/β-catenin的信号传导，减少高脂饮食诱导的结直肠癌，通过抑制NF-κB通路抑制结肠炎相关结肠癌，并增强免疫检查点抑制剂(ICIs)对肺癌的疗效。

一些产生短链脂肪酸的细菌有助于抗癌的例子

费氏丙酸杆菌(Propionibacterium freudenreichii)

通过产生作用于线粒体的丙酸和乙酸来诱导结直肠癌细胞的内在凋亡。

乳酸片球菌(Pediococcus acidilactici UAMS)是一种高产丁酸细菌，它能抑制人结肠癌细胞(HT29)和

SW480细胞(人结肠腺癌细胞)的增殖。

肠道Roseburia intestinalis、普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)、植物乳杆菌(Lactiplantibacillus plantarum)和Eubacterium callanderi也已被证明可增强结直肠癌中的抗癌免疫反应，同时产生丁酸盐。

用VSL#3益生菌治疗增加了丙酸盐和丁酸盐的水平，导致通过CCL20/CCR6轴募集Th17细胞，以减轻黑色素瘤的肺转移。鼠李糖乳杆菌GG ATCC 53103、罗伊氏乳杆菌DSM 17938、约氏乳杆菌LC1和其他益生菌不仅抑制结直肠癌细胞增殖，而且改善了化疗反应。

因此，补充益生菌可以在一定程度上增加短链脂肪酸，进而在癌症预防和治疗中发挥重要作用。

通过饮食成分改善

对于微生物群的组成和代谢功能，饮食可能是一种强大的调节剂。

• 摄入更多的膳食纤维可以降低结直肠癌等疾病的风险

膳食纤维作为短链脂肪酸的前体。研究证实，摄入更多膳食纤维可以降低患包括结直肠癌在内的多种疾病的风险。膳食纤维摄入量与患结直肠腺瘤和结直肠癌的几率之间存在统计学上显著且强烈的相关性。

作为代表性的膳食纤维，果胶显著增加了肠道微生物群的多样性，特别是产生丁酸的细菌，并促进肿瘤免疫微环境中的T细胞浸润，从而增强抗程序性死亡-1(抗PD-1)单克隆抗体(mAb)效果。

肥胖女性在一段时间内摄入富含菊粉和低聚果糖的混合物后，体内产生丁酸盐的细菌增多，还降低了餐后血糖水平。

• Omega-3等不饱和脂肪酸改善癌症治疗

Omega-3多不饱和脂肪酸(PUFA)人体不能合成，必须从食物中摄取，已被证明可以改善高脂血症、冠心病和动脉粥样硬化。每天服用更多的多不饱和脂肪酸时，可以观察到产生丁酸的细菌丰度增加。

与此同时，乳杆菌等益生菌增加，具核梭杆菌减少。研究表明，一些多不饱和脂肪酸可以辅助化疗药物5-氟尿嘧啶(5-FU)和奥沙利铂治疗结直肠癌并减少副作用。

• 益生元的摄入与结直肠癌呈负相关

益生元是不被宿主消化吸收、能选择性促进肠道内益生菌代谢和增殖的食物成分。常见的益生元包括菊粉、低聚果糖、半乳糖和一些藻类。益生元在癌症的发展中也发挥着重要作用。

最近进行的一项病例对照研究，包括1953名经组织学证实的结直肠癌患者和4154名对照者，发现结直肠癌风险与饮食中半乳糖摄入量呈负相关。

粪菌移植

除了补充益生菌、益生元外，粪菌移植也可能是增加短链脂肪酸、抵抗胃肠道肿瘤的一种选择。

• 粪菌移植有助于抗癌治疗的效果

在致癌物质诱导的常规小鼠或无菌小鼠中，来自结直肠癌患者的粪菌移植降低了肠道微生物群的丰富度并促进了胃肠道肿瘤的形成。

右旋糖酐硫酸钠或氧化偶氮甲烷的治疗可以在实验室小鼠中诱导结直肠癌，而从野生小鼠到实验小鼠的粪菌移植可以改善这一过程。

尽管没有临床证据表明粪菌移植可以直接治疗结直肠癌，但一项研究表明粪菌移植可以帮助提高化疗的疗效。将健康供体小鼠的粪便移植到FOLFOX治疗的小鼠体内，可以恢复FOLFOX治疗后破坏的肠道微生物群的组成，并减轻腹泻和肠粘膜炎症的严重程度。此外，粪菌移植通过增加微生物群多样性和调节免疫功能来增强抗PD-1治疗效果。

粪菌移植是塑造微生物组最直接的方式，通过粪菌移植直接增加产生短链脂肪酸的细菌，为胃肠道癌症的治疗提供了广阔的前景。

!

短链脂肪酸调节对化疗和免疫疗法的反应

短链脂肪酸还可以调节肿瘤对放化疗和免疫疗法的反应。临床研究发现，术前新辅助放化疗后，有反应的结直肠癌患者粪便中产生丁酸的细菌和短链脂肪酸水平比未接受治疗的患者更丰富。

• 丁酸盐协同增强抗癌作用

丁酸盐可作为奥沙利铂的增效剂，协同增强抗癌作用。丁酸盐通过调节CD8+ T细胞直接促进奥沙利铂的化疗疗效。

此外，与结直肠癌中无反应患者相比，有反应患者血清中的丁酸盐水平较高。与单独放疗相比，放疗-丁酸盐组合显著增强了抗癌效果。丁酸盐可以通过促进FOXO3A介导的转录来诱导细胞周期停滞，同时保护正常细胞免受辐射损伤。由于HDACs抑制剂已被证明可以增强放疗的敏感性，因此推测丁酸盐可能是因为抑制HDACs而增强了放疗的疗效。

丁酸盐还可以通过GPR109a-AKT信号通路增强5-氟尿嘧啶(5-FU)的功效。同时，短链脂肪酸降低了5-FU的促炎作用，并增加了粘膜中紧密连接蛋白的表达。

然而，产丁酸细菌的异常活性和患者体内过量的丁酸会导致对化疗药物的耐药性。结果表明，对丁酸盐具有抗性的结直肠癌细胞系表现出明显的化学抗性。

结语

通过调节自身免疫细胞和免疫分子来靶向杀伤肿瘤细胞，同时减少对正常组织的损伤，已成为肿瘤免疫治疗的代表。

人类肠道微生物群在肿瘤生长、发展和治疗中发挥着关键作用。肠道菌群、宿主免疫系统和肿瘤之间的相互作用可以为调整肠道菌群以优化肿瘤微环境和增强癌症免疫治疗提供有价值的见解。

短链脂肪酸是肠道微生物群的重要产物，已被证明可以改变免疫细胞的分化和功能以及细胞因子的产生和释放，通过多种信号通路控制肿瘤的生长和转移并诱导细胞凋亡。此外，短链脂肪酸还有助于提高放疗和化疗的治疗效果，减少不良反应。

未来，个性化医疗可能会结合基于微生物组的诊断和治疗策略。以肿瘤免疫为目标，补充微生物源性 短链脂肪酸已成为诊断、治疗和预防肿瘤的新方法。可重点关注益生菌和粪便微生物移植以及合理的饮食，提高短链脂肪酸水平，调节胃肠道微生态，激活有效的抗癌作用。

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膳食锌缺乏或过量对人体肠道菌群的扰动

谷禾健康

锌与肠道微生物

锌(Zn)是人体必需的微量元素，是人体中第二丰富的矿物质。锌在细胞和器官功能中起着关键的催化、调节和结构作用。

★ 膳食锌缺乏或过量均不健康

锌缺乏与发育不良、免疫功能低下、味觉丧失、不良妊娠结局、脱发、皮肤损伤和神经行为异常有关。

世界卫生组织估计，全球三分之一的人口面临锌缺乏症的风险，他们的饮食锌摄入量不足或食物中锌的生物利用度低。

不过需要注意不可在没有医嘱下擅自过量补充，导致锌的摄入量超过既定的营养需求。锌摄入过量也不利于健康，容易导致氧化应激增加、长期记忆受损、肠道吸收和分泌能力改变以及内脏脂肪增加。

近年来的几项体内研究表明，膳食锌摄入缺乏或过量会影响肠道菌群的组成和功能，进而对人体健康产生一定的影响。

本文主要讲述锌缺乏或锌超载情况下细菌类群的一些改变，短链脂肪酸生成变化，细菌金属抗性和抗生素抗性基因增加，以及锌相关转运蛋白的变化。

有助于进一步了解膳食锌对人体肠道微生物组的影响，并阐明利用肠道微生物组作为潜在锌状态生物标志物的适用性。帮助人们更好地控制锌的摄入量来塑造自身健康。

锌的重要性

锌（Zinc）是一种化学元素，也是第四”常见”的金属。在现代工业中，锌是电池制造上不可替代、相当重要的金属。

锌还是人体必需的微量元素之一，起着极其重要的作用。

•维持正常食欲，利于生长发育

缺锌会导致味觉下降，锌会影响舌黏膜的正常功能，缺锌时味觉敏感度会比较差，可能还会因此而产生食欲不振或厌食等。长时间厌食会影响营养物质吸收，产生营养不良。

锌有助于生长发育、智力发育，缺乏锌会对我们的身体，特别是生长发育造成严重影响。所以，补充足够的锌是必须的。

•增强人体免疫力

锌是免疫器官胸腺发育的营养素，只有锌充足才能有效保证胸腺发育，正常分化T淋巴细胞，促进细胞免疫功能。失调的锌稳态会损害整体免疫功能，从而增加对感染的易感性。

锌还以类似于钙的方式作为免疫反应的离子调节剂，通过作为细胞内信使参与信号通路。

锌在单核/巨噬细胞信号传导中的作用

Kim B,et al.Mol Cells.2021

•影响伤口恢复

锌作为许多转录因子和酶系统的辅助因子，包括锌依赖性基质金属蛋白酶，可在伤口修复过程中增强自体清创和角质形成细胞迁移。

缺锌易导致皮肤疾患，患口腔溃疡，受损伤口不易愈合，青春期痤疮等。

★ 锌对肠道微生物有重要影响

肠道微生物在宿主营养状况中发挥着重要作用，在免疫、与宿主细胞相互作用、代谢不可消化的营养素和合成必需维生素等方面发挥着关键作用。

锌结合蛋白占细菌蛋白质组的5%，突出了细菌定植胃肠道的主要锌。锌是一种重要的营养物质和抗菌剂，近年来的研究发现，膳食中锌含量的不同导致肠道微生物的组成和功能产生改变，进而对人体健康产生一系列影响。

膳食锌(锌缺乏或锌过量)对肠道菌群的影响

向上滑动阅览

Cheng J,et al.Crit Rev Food Sci Nutr.2023

接下来跟随谷禾了解一下膳食锌缺乏和过量情况下肠道微生物的具体改变

锌缺乏与肠道微生物

1. 在缺锌条件下，发现能够有效竞争锌的细菌(即肠杆菌科和瘤胃球菌科以及肠球菌属和脱硫弧菌属)增殖。

2. 与碳水化合物和糖代谢相关的微生物代谢途径的表达改变已被发现与锌缺乏相关，其中细菌可以将碳水化合物和糖代谢为短链脂肪酸。

3. 粘蛋白相关细菌丰度的改变(即粘嗜阿克曼氏菌和异源杆菌)也与锌缺乏有关。肠道粘蛋白由粘多糖和糖蛋白组成，细菌可以以这种粘蛋白为食并产生短链脂肪酸。

与锌缺乏相关的潜在结果包括细菌的定植和生长，这些细菌可以有效地竞争锌。

4. 此外，锌缺乏可能导致产生短链脂肪酸的细菌(即Blautia和Ruminococcus)的丰度降低。短链脂肪酸浓度与肠道pH值相关，由于短链脂肪酸含量降低导致的pH值升高会降低锌的溶解度，从而降低锌的生物利用度和吸收。

与锌缺乏相关的潜在宿主和肠道菌群

Cheng J,et al.Crit Rev Food Sci Nutr.2023

六项研究比较了锌缺乏相对于锌充足对肠道菌群的影响，其中五项研究通过膳食锌控制诱导锌缺乏。

与锌充足对照组相比，锌缺乏组血浆/血清、指甲、羽毛、肝脏、睾丸和粪便锌含量降低。

锌缺乏组的实验对象大部分生物多样性下降，尤其是粘蛋白相关细菌丰度降低，短链脂肪酸的产量也减少，微生物相关代谢也在一定程度上减弱。

以上实验研究主要是基于小鼠，大鼠，鸡和猪等动物实验，关于人类的临床实验还较少，但是动物的实验也可以为人类提供一定的参考价值。

锌缺乏影响微生物多样性

关于与锌缺乏相关的肠道菌群调节，所有六项研究都评估了α-多样性和β-多样性。

✦α多样性

关于缺锌对肠道菌群α-多样性的影响，六项研究尚无共识。总的来说，三项研究发现α-多样性的改变与缺锌相关，三项研究没有发现变化，其中大多数研究采用了不同的α-多样性测量方法。

缺锌对α多样性的影响具有差异

在锌缺乏的情况下，一项研究发现α-多样性以性别依赖的方式增加或减少(雄性小鼠增加，雌性小鼠减少)。

同样，在人类研究中，缺锌对α-多样性的影响也存在差异。在学龄儿童中，锌缺乏导致α-多样性增加，而在锌缺乏的母乳和配方奶喂养的婴儿中，α-多样性降低。

虽然每项研究中生物多样性变化的差异可能与不同的研究对象有关，但还需要在人类和动物模型中进一步研究锌缺乏对肠道微生物群改变的影响。

✦β多样性变化暂不明确

进行的六项研究中有五项发现了与锌缺乏相关的β多样性变化。

然而，在第六项研究中没有发现β-多样性的变化，该研究使用了θYC距离测量。β多样性的变化并不一定表明细菌类群的有益或消极变化。

●门水平

在门水平上，锌缺乏与变形菌门(Proteobacteria)和黑色素杆菌(Melainabacteria)的增加以及厚壁菌门(Firmicutes)的减少有关。

注：其中变形菌丰度的增加被认为是生态失调和疾病风险的潜在诊断标准，因为在健康的人类肠道中发现了低变形菌丰度。而厚壁菌门的许多成员都是有益菌

这或许可以从一部分角度解释锌缺乏对健康的不利影响

短期缺锌与长期缺锌菌群改变不同

短期缺锌会降低疣微菌门(Verrucomicrobia)的丰度(主要是Akkermansia muciniphila属)，而长期缺锌则与疣微菌门丰度的增加有关。

菌群改变出现性别差异

发现与锌充足的野生型小鼠相比，通过ZnT7敲除诱导的锌缺乏导致了敲除（ZnT7-/-）和异质（ZnT7+/-）小鼠的红蝽菌科(Coriobacteriaceae)丰度和Allobaculum属丰度的增加，这种变化仅在雌性小鼠中发现。这表明锌的调节功能可能因性别而异。

注：因此锌对不同性别的人群影响可能不同

●属水平

在属水平上，研究发现双歧杆菌（Bifidobacterium）、希瓦式菌属（Shewanella）、Rheinheimera的减少与血浆锌水平相关。

除此之外还发现粪杆菌属（Faecalibaculum）增加，经黏液真杆菌属（Blautia）、乳杆菌（Lactobacillus）、Negativibacillus减少。

慢性缺锌的情况

在慢性锌缺乏的情况下，以下菌群丰度增加：

肠球菌（Enterococcus） ↑↑↑

肠杆菌（Enterobacteriaceae） ↑↑↑

瘤胃球菌科(Ruminococcaceae) ↑↑↑

而下列菌群丰度下降：

Clostridiales ↓↓↓

消化链球菌科(Peptostreptococcaceae) ↓↓↓

●物种水平

在物种水平上，Lachnospiraceae NK4A136和

真杆菌属（Eubacterium coprostanoligene）的丰度随着锌的缺乏而增加，而Ruminococcus gauvreauii的丰度随着锌的缺乏而降低。

此外还发现了一些菌群的增加和下降

增加的菌群：

吲哚梭菌(Clostridium indolis) ↑↑↑

未分类的某种拟杆菌 ↑↑↑，

减少的菌群：

酸奶瘤胃球菌(Ruminococcus lactaris) ↓↓↓

肠球菌(Enterococcus sp.) ↓↓↓

Clostridium lactatifermentans ↓↓↓

Clostridium clostridioformme ↓↓↓

// 注意

锌缺乏可能使得一些对人体有益的细菌丰度下降，而致病菌的丰度上升，从而对健康产生影响

虽然在上述研究中发现了从门到属水平的显著差异，但在一些学者的研究中，微生物群的相对丰度没有显著差异。

锌缺乏对菌群主要代谢产物——短链脂肪酸的影响

研究了锌缺乏与微生物代谢物(短链脂肪酸)生产和功能的变化。

✦锌缺乏影响短链脂肪酸的产量

锌缺乏时间不同对短链脂肪酸的影响不同

一项小鼠研究发现，短链脂肪酸产量在短期锌缺乏时增加，但在长期锌缺乏时减少。鸡的研究发现，相对于锌充足，锌缺乏会降低短链脂肪酸的产量。

具体而言，短期(4周)饮食锌不足会增加盲肠乙酸，并与各组短链脂肪酸产生细菌(Flavonifractor、Alistipes、Odoribacter、Anaerotruncus、 Alloprevotella、Bifidobacterium adolescentis、Paralactobacillus Leisner)呈正相关，表明在锌匮乏的条件下，肠道微生物群可以增加锌的利用率。

另一方面，长期锌不足(8周)与戊酸盐产量下降有关。发现与碳水化合物、氨基酸、萜类/聚酮、核苷酸代谢、聚糖生物合成和代谢以及异种生物降解和代谢相关的微生物代谢途径随着长期锌缺乏而降低。

✦短链脂肪酸浓度影响锌的利用与吸收

短链脂肪酸浓度与肠腔pH值相关，其中，由于短链脂肪酸含量增加而导致的pH值降低可增加锌的溶解度，从而增加锌的生物利用度和吸收。

说明锌与短链脂肪酸存在相互作用的关系

鉴于短链脂肪酸、宿主营养和肠上皮维持之间的联系，其中短链脂肪酸的产生与黏蛋白的产生有关，细菌发酵碳水化合物和抗性淀粉，短链脂肪酸被用作细菌能量来源。

一组研究人员发现锌缺乏导致乙酸盐产量下降，这可能是由于产生短链脂肪酸的细菌属，如梭状芽胞杆菌和瘤胃球菌的减少。

综上所述，锌缺乏情况下肠道菌群组成的改变及其相关代谢途径影响碳水化合物和糖基代谢、肠道黏蛋白降解，从而影响短链脂肪酸的产生。

锌缺乏与代谢通路变化

✦锌缺乏使微生物相关代谢减弱

在微生物代谢途径中，锌缺乏与碳水化合物代谢相关基因的表达降低有关、以及糖聚糖生物合成和代谢、核苷酸代谢、氨基酸代谢、抗生素耐药性、矿物质吸收、脂肪酸代谢、一级/二级胆汁酸合成和异种生物降解都有联系。

此外，发现与锌吸收、脂肪酸代谢和碳水化合物消化和发酵相关的KEGG途径表达减少，其中最后一种途径也可能导致短链脂肪酸产量减少，这与提高锌生物利用度有关，从而使锌缺乏状态持续存在。

注：基于人类疾病KEGG通路，分别在短期和长期锌缺乏症中发现了更多与物质依赖和心血管疾病相关的基因。

锌缺乏对肠道粘蛋白及相关菌的影响

额外的微生物类群改变与锌缺乏和肠粘蛋白丰富有关。由杯状细胞产生的黏液层由粘多糖和糖蛋白组成，并容纳有助于消化矿物质的肠道微生物群。

粘蛋白——黏蛋白关键特征是其形成凝胶的能力; 因此它们是大多数凝胶状分泌物的关键组成部分，提供润滑，细胞信号通路及化学屏障的功能。

✦锌缺乏影响粘蛋白相关细菌丰度

锌缺乏会影响与粘蛋白相关细菌丰度，例如嗜黏蛋白阿克曼菌的减少不利于肠道屏障的完整性，并在一定程度上影响乙酸和丙酸等短链脂肪酸的产生，从而对健康产生危害。下面是一些具体实验证据：

锌缺乏影响嗜黏蛋白阿克曼菌丰度

共生细菌以黏液蛋白为食并粘附在黏液蛋白上，与宿主相互作用并调节黏液蛋白基因的表达和分泌，与上皮细胞相互作用以维持黏液和上皮内稳态。

在短期锌缺乏的情况下，嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansia muciniphila）在统计学上显著下降，这与之前的研究一致，这些研究表明嗜黏蛋白阿克曼菌相对丰度较低与锌缺乏相关。

嗜黏蛋白阿克曼菌（A.muciniphila）存在于大肠黏液层，调节肠道屏障的完整性，其丰度与代谢性疾病和炎症性肠病发病率呈负相关。此外，嗜黏蛋白阿克曼菌是一种粘蛋白降解物，可将粘蛋白转化为乙酸和丙酸以供能量使用。

锌缺乏与其他影响粘蛋白丰度的菌群相关

同样，在缺乏锌的情况下，发现经黏液真杆菌属（Blautia）和乳酸杆菌属，以及粪杆菌(Faecalibaculum)属的增加，这些都是可能影响粘蛋白丰度的类群。

乳酸菌的减少可能会减少肠道黏蛋白，因为某些乳酸菌会刺激黏液蛋白2 (MUC2)的产生，黏液蛋白2是杯状细胞表达的主要肠道黏蛋白。

经黏液真杆菌属（Blautia）含量降低，经黏液真杆菌属含有粘蛋白降解基因是一种短链脂肪酸(丁酸和乙酸)生产者，其丰度可能预测锌状态的差异。

异杆菌属丰度增加有利于结肠上皮健康

研究发现，与锌充足野生型(ZnT7+/+)相比，通过敲除ZnT7诱导的锌缺乏导致敲除(ZnT7-/-)小鼠和异质性(ZnT7+/-)小鼠的异杆菌属（Allobaculum）丰度在雌性小鼠中均有所增加。黏蛋白密度(酸性和中性黏蛋白减少，杯状细胞数量减少)与异杆菌属（Allobaculum）相对丰度呈负相关。

异杆菌属（Allobaculum）与发酵碳水化合物(即粘蛋白)有关，以产生短链脂肪酸(乳酸和丁酸)，供异源菌群作为碳源利用，这表明异杆菌属（Allobaculum）丰度的增加可能与有利于结肠上皮健康的潜力有关。

小结

总的来说，锌缺乏通常会导致细菌生物多样性、从门到种水平的细菌丰度的降低、短链脂肪酸的产生减少以及与碳水化合物和糖基代谢相关的细菌代谢途径的减弱，锌相关蛋白基因表达也可能在一定程度上减弱。

注：这些变化影响了人体原本正常的代谢，可能导致一些疾病的产生。

注意

所有六项关于锌缺乏和肠道菌群改变影响的研究都使用了膳食锌作为锌源。对于α-多样性和短链脂肪酸产生的变化还缺乏共识，一个可能的解释可能是所使用的动物模型以及模型的生命阶段和性别的差异。

注：只有一项研究使用了大鼠模型，而所有其他研究都使用了小鼠模型。与其他研究相比，所使用的小鼠年龄最大，小鼠肠道菌群随着年龄的增长逐渐稳定。

三项研究仅使用男性受试者，一项研究仅使用女性受试者，两项研究同时使用女性和男性受试者，其中考虑到人类性别之间免疫功能的差异以及锌、免疫功能和肠道微生物组之间的联系，在设计阐明锌缺乏症对肠道微生物组组成和功能的影响的未来研究时，应考虑受试者的性别。

锌过量与肠道微生物

1.与高锌或锌过载相关的潜在结果包括具有高锌条件机制的细菌定殖和生长。

某些细菌具有通过有效的重金属排出系统来抵消高锌浓度的机制。在高锌条件下，发现了对增加金属锌暴露有进化适应的细菌(即梭状芽孢杆菌科、肠杆菌科和大肠杆菌)。

2.增加的细菌进化适应增加的金属暴露(金属抗性)，已发现与抗生素耐药性相关的微生物基因表达增加有关。

此外，高锌条件可能会潜在地增加耐药肠道微生物群，其中对高锌的进化适应以及抗生素和金属耐药基因的增选可能会由于水平基因转移而进一步延续这种耐药现象。

与高锌或锌过载相关的潜在宿主和肠道菌

Cheng J,et al.Crit Rev Food Sci Nutr.2023

★锌过量的危害

1.一般情况下，补锌过量可能会导致机体出现锌中毒，大部分人群可能会出现胃肠道症状，如恶心、呕吐等。

2.抵抗力下降：过高的血锌会抑制白细胞的吞噬作用和杀菌作用，使人体的抵抗力下降，容易遭受致病菌侵袭。

3.记忆力下降：对于不缺锌的人，额外补充有可能造成体内锌过量，从而引发代谢紊乱，甚至会对大脑造成损害，可能损伤大脑神经元，导致记忆力下降。

4.贫血：有些家长误把锌制品当作营养品，给婴儿长期大量服用，殊不知补锌过量同样会带来危害，会使体内的维生素C和铁的含量减少，抑制铁的吸收、利用，容易引起、加重缺铁性贫血。

下面具体讲述一下锌过量状态下肠道微生物具体发生的变化

五项研究比较了高膳食锌或锌过载相对于锌充足对肠道菌群的影响。

锌过量与相关代谢基因

与锌充足对照相比，高锌或锌过载导致锌相关蛋白基因表达有所改变。

✦高锌摄入降低锌转运蛋白ZIP4基因表达

ZIP4是锌从肠腔进入肠上皮细胞的主要导入物，由饮食中的锌调节，随着锌摄入的增加，ZIP4的表达下调。

两项研究发现，高锌摄入量会降低ZIP4基因的表达。还发现，高锌摄入的小鼠ZnT2表达增加(仅回肠)，MT1和MT2表达增加(回肠和结肠)，而其他测试的ZnT(4-7,9)和ZIP(1,3,5-11,13,14)蛋白的基因表达没有变化。

✦脂质代谢基因表达降低

与短链脂肪酸产量降低一致，与脂质代谢相关的微生物基因表达也在高锌和过量锌饲粮中被发现降低。

✦抗性基因表达增强

在微生物代谢途径中，高锌和过量膳食锌与抗生素耐药性相关基因的表达增加有关、传染病和金属离子结合，以及与脂代谢、异种生物降解和酶活性(果胶酯酶、α-葡糖醛酸酶、α-l-阿拉伯糠醛苷酶)相关的基因表达降低。

抗生素耐药性增强

将抗生素抗性基因丰度的增加与肠杆菌的增加联系起来，其中高氧化锌饲粮已普遍用于猪，并导致促进抗生素耐药性。

具体而言，在猪肠道中发现耐多药大肠杆菌的患病率增加，这归因于高氧化锌饮食。

研究发现，饮食中锌过量会增加肠球菌，其中肠球菌具有质粒编码的耐药基因，本质上对许多常见抗菌剂不那么敏感。

尽管没有研究微生物代谢基因，但考虑到细菌类群对锌增加的适应性增加，考虑到金属耐药基因和抗生素耐药基因的共同共存，有可能存在抗生素耐药细菌基因的增加。

总的来说，高锌或锌过载似乎潜在地增加了耐抗生素的肠道微生物群，其中对高锌的进化适应以及抗生素和金属耐药基因的增选可能会由于水平基因转移而进一步延续这种耐抗生素现象，从而导致人体的抗生素和金属耐药性增强。

锌过量影响微生物多样性

评估了与高锌或锌过载相关的肠道菌群调节的多样性测量;4项研究评估了α-多样性，5项研究评估了β-多样性。

✦高锌下α多样性降低

利用Pielou的均匀度α-多样性测量发现，α-多样性随着高锌而降低。通过1/Simpson多样性测量也发现，α-多样性随着Zn过载而降低。

此外，短期(4周)高饲粮锌或锌过载被发现不会显著影响α-多样性，长期高锌被发现不会改变(观察物种)或降低α-多样性，长期(8周)锌过载也不会改变α-多样性。

注：这可能取决于所使用的评估方法

α多样性下降,机会性病原体增多,双歧杆菌和拟杆菌显著减少,兼性厌氧菌、梭杆菌等增多，进而影响人体的的健康。

✦β多样性的变化未达成共识

关于高锌或锌过载对微生物组β-多样性的影响，在五项选定的研究中也没有共识，其中三项研究发现了与高锌或锌过量相关的β-多样性变化，并在其他两项研究中保持不变，尽管不同的研究使用了不同的距离测量。

疣微菌门的丰度与锌过载暴露时间有关

在小鼠中，高饲粮锌和锌过载在短期内增加了疣微菌门(Verrucomicrobia)丰度，但在长期暴露后会降低疣菌菌丰度，此前在仔猪中也有这种情况，其中长期高饲粮锌或锌过载会通过细菌金属间竞争、金属蛋白错金属、或与金属毒性和细菌金属稳态改变相关的氧化还原活性。

高锌显著增加了梭状芽孢杆菌科(Clostridiaceae)的丰度，其中梭状芽孢杆菌科被发现具有通过有效的重金属外排系统来抵消高锌浓度的机制，该系统可能是从携带重金属抗性基因的质粒转移而来的。

梭菌科更适应高锌的浓度

鉴于这些更强的抗锌机制，梭菌科可以适应高锌浓度，因此相对于其他细菌有更多的定殖。最后，在高膳食锌摄入量下，与金属离子结合和金属离子转运相关的微生物基因表达增加，支持了对高膳食锌环境具有特定进化适应的正向选择细菌类群的假设。

注：在所选研究中，在不同的分类水平上研究了肠道微生物群的组成和功能的变化。在这五项研究中都发现了细菌类群的显著变化，这些变化可以归因于微生物群对有效锌浓度增加的适应。

✦门水平

对于细菌类群的变化，在门水平上，两项研究发现高锌没有显著改变细菌丰度。

虽然在两项利用猪模型的研究中拟杆菌门(Bacteroidetes)丰度有所增加，但在门水平上的其他变化没有达成共识。

时间不同菌群丰度变化不同

研究发现短期(4周)高锌和锌过载会增加疣微菌门(Verrucomicrobia)的丰度，而长期暴露(8周)会降低疣微菌门(Verrucomicrobia)的丰度。

另一项研究发现，短期锌过载导致变形菌门丰度增加，长期锌过载导致放线菌门丰度增加。

✦科、属、种水平变化较小

与膳食锌含量过高或过量相关的科、属或种水平变化之间不明显。

在短期(4周)和长期(8周)暴露中，黑色素杆菌(Melainabacteria)与血清锌水平呈负相关，而Desulfovibrio sp. ABHU2SB与血清锌水平呈正相关。

✦锌过载时肠道菌群的具体变化

罗伊氏乳杆菌(L. reuteri)与短期锌过载呈负相关;然而，随着长期锌过载，该属与血清锌无显著相关性。

高锌显著增加了梭菌科（Clostridiaceae）丰度，降低了乳杆菌科（Lactobacillaceae）和肠杆菌科（Enterobacteraceae）丰度。

在利用猪模型的研究中发现， 普雷沃氏菌(Prevotella)和乳酸菌属增加，琥珀酸弧菌属(Succinivibrio) 减少。

另一组研究人员发现锌过载下列菌株丰度增加：

拟杆菌属（Bacteroides） ↑↑↑

副杆菌属（Parabacteroides） ↑↑↑

柯林斯菌属(Collinsella) ↑↑↑

醋弧菌属 （Acetivibrio） ↑↑↑

经黏液真杆菌属（Blautia） ↑↑↑

粪球菌属（Coprococcus） ↑↑↑

普拉梭菌（Faecalibacterium） ↑↑↑

霍尔德曼氏菌(Holdemania) ↑↑↑

Subdoligranulum ↑↑↑

Nestiinimonas ↑↑↑

Lachnoclostridium ↑↑↑

Pseudoflavonifractor ↑↑↑

而以下菌群减少：

巨型球菌属(Megasphaera) ↓↓↓

戴阿利斯特杆菌属 （Dialister） ↓↓↓

氨基酸球菌属（Acidaminococcus） ↓↓↓

瘤胃球菌(Ruminococcus) ↓↓↓

Treponema ↓↓↓