Tag Archive 肠道微生物

利用饮食精准干预肠道微生物群

谷禾健康

自身免疫性疾病,包括炎症性肠病、多发性硬化和类风湿性关节炎,具有不同的临床表现,但肠道微生物群紊乱和肠道屏障功能障碍的潜在模式相同。但宿主因素的个体差异使得统一的方法不太可能。

我们往往会有这样的错觉:“自然”的东西一定是对健康有益的。我们是不是只要吃最原始的食物就能恢复健康?

事实上,优化人类健康的途径并不像照搬我们祖先的饮食或增加我们对微生物的接触那样简单。归根结底,过去和现在的环境是根本不同的,也许是不可逆转的。

因此,针对微生物群的饮食干预的目标不应是回到祖先的状态,而是操纵微生物群,优化宿主健康,直接适应日益工业化的世界。

本文介绍了关于饮食-局部炎症中的微生物群相互作用、肠道微生物群失衡和宿主免疫失调的知识。通过了解并结合个别饮食成分对微生物代谢输出和宿主生理的影响,研究了基于饮食的自身免疫性疾病预防和治疗的潜力。讨论了针对肠道微生物群的工具,如粪便微生物群移植、益生菌和正交小生境工程等。这些方法强调了在自身免疫性疾病不断增加的情况下,利用饮食精确操纵肠道微生物组的途径。

01 肠道微生物群与宿主免疫

在肠道中,对微生物威胁作出适当反应的免疫平衡行为,对共生微生物和自身抗原的耐受,在生命早期尤其重要,这是定植微生物群和宿主免疫系统相互作用的窗口,引发促炎或抗炎倾向,可能对终身健康产生影响。

★ 婴儿期影响菌群的因素

看过我们文章的都知道,早期生活因素,如剖腹产、配方奶粉喂养和抗生素的使用,可能会干扰微生物群生长过程。

婴儿期母乳中的人乳低聚糖有助于双歧杆菌的定植,双歧杆菌在早期肠道微生物群中占主导地位,产生岩藻糖、乙酸盐、丙酮酸盐和1,2-丙二醇,通过交叉喂养支持微生物群的扩增,有助于对共生细菌的免疫耐受。

人类通常在6个月大时开始转变为固体食物饮食,自此菌群显著扩大,产生更多数量和种类的代谢物(例如,丁酸盐,它促进结肠粘液屏障的成熟,并阻止具有高致病潜力的细菌的生长)。

★ 抗性淀粉缓解系统性红斑狼疮

在一项涉及149名健康志愿者的研究中,脂多糖通过诱导TLR4耐受来抑制先天免疫过程。微生物抗原对TLR的不当刺激也可能影响自身免疫疾病的进展,并为其修复提供线索,如系统性红斑狼疮过度表达TLR7的小鼠模型中,通过添加抗性淀粉来改变微生物代谢产物和分类组成,狼疮进展得到缓解

★ 微生物变化引起的免疫反应

在自身免疫性疾病患者中也发现了由微生物引起的适应性免疫反应失调。哺乳动物肠道中的共生微生物群,尤其是梭菌群IV和XIVa,它们将膳食纤维代谢成丁酸盐以诱导Treg细胞发育,与小鼠模型中的结肠炎严重程度呈负相关

通常,自身免疫性疾病患者表现出产生耐受性IL-10的CD25 FOXP3 T细胞的丰度降低,自身反应性效应性T细胞亚群(如TH1细胞和TH17细胞)的丰度增加,从而使Treg细胞与效应性T细胞的比率偏离稳态水平。这些改变可能通过过度产生促炎细胞因子(如TNF和IL-17)进一步促进肠道通透性的增加,这些促炎细胞因子可调节紧密连接蛋白的表达

自身免疫疾病共同的潜在驱动因素鼓励通过饮食干预或微生物群调节策略(下文讨论)来进行肠道微生物群工程,以将肠道微生物群转变为功能多样的“健康”状态。

02 饮食与肠道微生物群

饮食可直接影响肠道微生物群,调节其组成或代谢输出,从而可能促进疾病或形成稳态。

膳食碳水化合物发酵

在一项针对34名健康人参与者的每日抽样研究中,通过多次24小时食品召回评估,饮食占微生物组分变化的44%,另外三分之一的变化与性别、BMI和年龄等因素有关。

在分析的主要食物组中,谷物水果纤维与微生物成分的相关性最强

纤维与疾病之间的联系

益生元和后生元

国际益生菌和益生元科学协会定义,益生元是一种基质,具有被宿主微生物选择性利用及由此产生健康效益的特征。

★不同参数(如数量,溶解度等)影响纤维效果

使用一种灵长类小鼠模型,发现缺乏纤维的肠道微生物群以宿主粘蛋白聚糖为能源,导致肠道粘液屏障减少,并增加对肠道病原菌Citrobacter rodentium的易感性。然而,14种不同纯化益生元或其他高溶解度多糖(而非复杂的植物纤维)的混合物在喂食小鼠时无法阻止结肠粘液屏障的降解。

此外,富含纯化可溶性纤维(例如菊粉、低聚果糖或果胶)的食物可导致先前存在微生物群紊乱的小鼠肝细胞癌。这些发现表明,为了发挥最佳效果,可以考虑其他参数,如天然食品中天然膳食纤维或原纤维浓缩物的数量、溶解度和复杂分支形式

在炎症性疾病的背景下,继续研究确定的纤维类型的影响,并使用高质量的随机试验,对于提供可操作的、经证实的工具来利用饮食对自身免疫性疾病的微生物群介导的影响至关重要。

★ 纤维补充不是越多越好

在一项对39名健康志愿者进行的为期17周的随机前瞻性研究中,高纤维饮食改变了CAZyme谱;然而,丁酸水平在干预后没有显著变化。相反,摄入的纤维量与粪便总碳水化合物密切相关,这表明参与者的肠道微生物群无法完全降解饮食中的纤维。这些发现提醒人们,如果纤维降解途径饱和盲目增加纤维摄入可能不会转化为增加短链脂肪酸的生成。

★ 发病率——微生物群比单纯饮食更容易预测

在一项前瞻性队列研究中,对170776名妇女进行了26年的随访,结果表明,水果和蔬菜纤维与克罗恩病发病率呈负相关,但奇怪的是,其他纤维来源或溃疡性结肠炎发病率并非如此。另一项跟踪401326名参与者7年的研究发现IBD发病率与纤维摄入之间没有关联。这些发现提示,潜在微生物群的差异,特别是降解纤维生成短链脂肪酸的能力,可能比单纯饮食更好地预测疾病发生率。

★ 疾病发生前,短链脂肪酸生成力已受损

为此,对127例溃疡性结肠炎患者进行的研究表明,与健康对照组相比,患者体内关键产丁酸菌Roseburia hominisFaecalibacterium prausnitzii丰度降低,且这些细菌的丰度与疾病活动性呈负相关,这一发现在结肠粘膜刷毛细菌的靶向分析中得到了独立证实。总之,这些观察结果表明,在溃疡性结肠炎患者中,微生物短链脂肪酸生成受损可能先于疾病发生。

鉴于这些联系以及短链脂肪酸在维持免疫稳态和肠道屏障功能中的作用,人们有兴趣利用微生物衍生代谢物的有益宿主调节作用,包括“后生元”。例如,由主要降解物(如双歧杆菌)发酵的膳食纤维产生乙酸盐和其他中间产物,然后通过定义的结肠细菌亚群将其转化为丁酸酯。

丁酸盐

在小鼠和人类细胞系中,丁酸不足可导致产生粘蛋白的杯状细胞从β-氧化转变为厌氧糖酵解,从而对杯状细胞分化和构成结肠粘液层大部分的糖蛋白MUC2的合成产生负面影响。这种代谢变化还增加了氧气和硝酸盐的利用率,从而形成了一个正反馈回路,增加的氧气不利于专性厌氧菌,即短链脂肪酸的主要产生者。此外,丁酸盐可与G蛋白偶联受体(例如,GPR41、GPR43和GPR109A)结合,下调炎性细胞因子转录并促进Treg细胞分化。

丙酸盐

丙酸盐,另一种重要的短链脂肪酸,参与肝脏的糖异生,促进饱腹感和降低胆固醇。在一项概念证明研究中,143例多发性硬化症患者在补充丙酸和现有疗法后获得缓解,功能性Treg细胞增加,TH1和TH17细胞减少。尽管这种补充中的微生物组调节机制尚不清楚,但应答患者肠道微生物组的转录组学特征与与Treg诱导正相关的基因相对应,而与Treg细胞诱导负相关的基因被抑制,在无反应的患者中观察到相反的趋势。

Wolter M, et al., Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2021

排除或消除饮食

通过微生物组优化短链脂肪酸的生产可能是一种有希望的联合治疗策略;然而,评估宿主和微生物生物标志物(疾病状态的可测量的生化或生理指标)的迭代过程必须适应疾病状态,因为在疾病活跃期间,许多IBD患者在食用高纤维食物后报告腹胀和过量气体。

虽然在疾病活跃期或外科手术期间禁用复合碳水化合物,但它们仍可能在预防或延长缓解期方面发挥作用。各种排除或消除饮食,如专门为IBD患者提供的专用肠内营养(EEN)或部分肠内营养(PEN),不应完全忽视纤维,而应利用疾病活跃或缓解状态下即将进行的研究。例如,EEN和PEN是流行的治疗性饮食,它们缺乏纤维,能够诱导80-90%的克罗恩病患者病情缓解。

在所有患者中,EEN与一致的分类转变无关,但它似乎通过改变结肠微生物群的代谢输出,使其发酵成蛋白质而不是碳水化合物,从而增加克罗恩病的缓解率。这种功能转变对疾病结果的机制性影响尚未完全阐明;目前尚不清楚以下哪一项会缓解:排除纤维、缺乏另一种饮食成分、细菌密度或多样性降低,或这些因素的某种组合。

或者,通过肠道生态系统重建观察到的间歇性禁食对多发性硬化症进展的保护作用,也可能为EEN治疗的成功提供见解。

用于治疗的饮食

自身免疫方案饮食:基于古饮食,该方案强调食用营养丰富的新鲜或发酵食品,并消除可能引发炎症的食物组。在维持阶段,特定食物的逐渐重新引入因个体食物耐受性而异。

全部或部分肠内营养(EEN或PEN): 一种液态元素(氨基酸型)、半元素(寡肽)或聚合物(全蛋白基)配方饮食,不含固体食物(EEN)或限制摄入(PEN)1-3个月,以减少食物抗原暴露,促进肠道愈合。

克罗恩病排除饮食(CDED):为克罗恩病患者量身定制的缓解饮食,这种全食物饮食与PEN饮食一起使用,以减少暴露于可能对宿主免疫、肠道屏障功能和/或微生物群产生负面影响的饮食成分。

特殊碳水化合物饮食(SCD):最初是为治疗腹腔疾病而开发的,这种饮食通常用于帮助治疗IBD,允许大多数水果、一些蔬菜、坚果、肉类和鸡蛋,同时避免所有谷物、食糖、食品添加剂和大多数乳制品。

低FODMAP饮食:这种饮食强调限制可发酵低聚糖、双糖、单糖和多元醇(FODMAP),并分阶段进行——消除、重新引入和维持——以确定引发疾病症状的食物,并促进个性化饮食的发展。

生酮饮食:这种低碳水化合物、高脂肪的饮食会导致酮症,酮症是一种代谢状态,在这种状态下,脂肪(而不是葡萄糖)会被降解以产生能量。酮体的产生可以消耗双歧杆菌并降低促炎性T辅助细胞17的水平。

通过考虑这些消除饮食成功的微生物组介导机制,我们也许能够改进饮食干预措施。这种适应可能对提高患者依从性和持续缓解很重要,因为EEN配方饮食很难长期维持,甚至在与抗生素联用时可能对克罗恩病患者有害

诱导缓解后,如克罗恩病排除饮食中所建议,可能建议选择性地用耐受性良好的纤维混合物补充EEN。在对78名克罗恩病儿童进行的随机对照试验中,CDED导致变形菌门降低,炎症和病情缓解的患者比例高于单独用EEN的患者。

为了支持这一发现,对患有活动性结肠炎的Il10−/−小鼠给予含明确纤维混合物的EEN,可降低疾病活动度和结肠炎。这一发现还伴随着固有层中CD4 FOXP3 Treg 细胞群的增加,盲肠中总短链脂肪酸水平的增加,以及屏障功能恢复的各种其他迹象,促使人们考虑在活动性炎症患者中是否建议使用特定纤维。

尽管如此,干预的重点不应局限于碳水化合物。许多饮食和饮食成分以微生物群依赖的方式共同影响宿主健康。

西方饮食(其特点是大量摄入脂肪、蛋白质、糖、盐和加工食品)与伴随的导致自身免疫疾病发展的微生物变化之间的联系越来越明显,但要解开设计治疗性饮食的机制并不那么简单。研究表明,在影响肠道微生物群改变的因素中,饮食是一种潜在的强有力的工具,可以直接改变微生物群,使其达到健康状态。

人体宿主、肠道菌群和饮食的时间趋势

Wolter M, et al., Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2021

在游牧时代,人类饮食主要受季节性影响,相应的肠道菌群也存在相当明显的季节性变化。
当进入农业社会后,随着粮食种植,季节性变化逐渐减少,植物性饮食增加,但食物多样性在减少,相应的疾病以传染性疾病为主。
进入工业化之后,肉类饮食增加,加工食物快速增加,伴随的是自体免疫疾病的开始上升。进入信息时代后,随着抗菌药物的大量使用,自身免疫疾病快速增加并成为主要疾病类型,同时植物性饮食快速下降,肉类消费和加工食品达到最高。
我们希望通过进一步认知菌群和饮食的关系,有效规划饮食从而辅助微生物群的改善,减少抗菌药物使用,增加植物性饮食并改善摄入的多样性,减少加工食品的比例,最终减少自身免疫性疾病的发生。

蛋白质腐败

膳食蛋白质是另一种关键的大量营养素,也可以进行细菌发酵,产生影响宿主功能和细菌组成的关键代谢产物。

在消化过程中,膳食蛋白质首先被宿主酶水解成肽,游离氨基酸在小肠中被吸收。未被吸收的肽和氨基酸可到达结肠,在结肠中由共生微生物发酵,根据体外和体内测量,估计产生17–38%的结肠短链脂肪酸。肠道微生物群的蛋白质降解为宿主提供必需的游离氨基酸,支链脂肪酸(BCFA)可作为结肠细胞的替代能源

然而,这一过程可能对局部肠道环境有害,因为有毒的代谢副产物如氨、硫化氢和酚的释放,增加了小鼠上皮细胞的通透性,降低了体外细胞活力。

★ 不同来源蛋白质作用不同

在IBD小鼠模型中,动物源性蛋白质通过促炎单核细胞加重结肠炎,而富含植物蛋白的饮食或无菌小鼠中未观察到这种情况,这表明动物蛋白的微生物代谢物导致过度炎症

因此,将蛋白质类型或来源(例如,麸质或酪蛋白)个性化为个体患者的微生物群组成对于限制炎症代谢物的产生至关重要。

Wolter M, et al., Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2021

重要的是要考虑不同的蛋白质来源如大豆可能不容易在小肠中降解,因此增加的底物到达结肠,在那里它可以发酵。

★ 特定蛋白质对微生物组和代谢产物的影响各不相同

因为并非所有蛋白质都同样适合发酵,也并非所有细菌都配备了适当的酶途径。例如:

• 尽管所有氨基酸都经过氨释放脱氨作用,但只有支链氨基酸(缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸)产生支链脂肪酸;

• 硫酸化氨基酸有利于硫酸盐还原菌的增殖以提供硫化氢,这一过程在溃疡性结肠炎患者中升高

• 根据使用人类微生物组数据的代谢模型,肠杆菌属和大肠杆菌属优先发酵芳香氨基酸以产生酚类物质。例如,色氨酸是一种基本的芳香族氨基酸,主要由宿主酶代谢;然而,它也可以通过具有良好特征的吲哚途径被肠道微生物群代谢。其代谢产物为宿主芳基烃受体提供配体,降低促炎细胞因子和趋化因子的表达,促进IL-22的产生,IL-22刺激上皮细胞释放调节小鼠微生物组生长的抗菌肽。

与这些免疫代谢过程一致,饮食中补充色氨酸或产生色氨酸的乳酸杆菌菌株缓解各种小鼠模型中的实验性结肠炎。相反,饮食色氨酸可能通过增加循环自身反应性CD4+T细胞数量并促进其通过血脑屏障迁移而加剧实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE),EAE是多发性硬化症的临床前小鼠模型。

因此,虽然膳食色氨酸已被提议作为缓解IBD患者结肠炎的治疗策略,但其微生物群介导的作用可能是器官特异性和疾病特异性的

膳食脂肪代谢

除了作为肠道微生物的潜在营养源外,膳食脂肪还通过增加宿主胆汁酸的产生来改变微生物的组成,这可以促进具有高致病潜力菌的生长,如沃氏嗜胆菌Bilophila wadsworthia

★ 脂肪改变微生物群,调节此生胆汁酸

由膳食脂肪引起的肠道微生物群组成改变也可以节微生物来源的次生胆汁酸的丰度。例如,食用富含不饱和脂肪的核桃,会在健康成年人的肠道中富集粪杆菌、玫瑰杆菌和梭菌,从而减少微生物来源的、促炎症的次生胆汁酸。

★ 高脂饮食也可通过增加LPS暴露影响宿主健康

已经在小鼠中证明,高脂肪饮食也可以通过增加LPS暴露影响宿主健康,LPS可诱导宿主促炎性TLR4信号通路,导致代谢性内毒素血症的低度全身炎症。考虑到在IBD患者中观察到的LPS水平与疾病严重程度之间的强烈相关性,以及LPS与T1DM之间已证实的联系,这种代谢性内毒素血症可能对自身免疫活动的开始产生深远的影响。

自身免疫疾病和稳态中的饮食-肠道微生物-宿主轴

Wolter M, et al., Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2021

LPS暴露升高与疾病相关的详细机制仍有待充分阐明;然而,基于对小鼠的研究,它可能是多因素的,包括:革兰氏阴性杆菌的丰度增加,这是一种具有更强免疫原性的改变的LPS来源;抑制LPS诱导炎症的细菌减少,如双歧杆菌;以及宿主因素,如由于脂肪或微生物活动的直接影响而增加的肠道通透性。

★ 特定类型的脂肪对于精确设计非常重要

未定义的高脂肪饮食通常用于人类微生物群研究,然而,特定类型的脂肪对肠道微生物群和宿主健康结果有重大影响。尽管西方高脂肪饮食支持有害的微生物转移,但对于定义的脂肪类型,如ω-3多不饱和脂肪酸或复杂的脂肪源,如核桃,存在许多有益微生物变化的例子。

Wolter M, et al., Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2021

此外,在一项没有评估临床参数的研究中,多发性硬化症患者在服用生酮饮食(低碳水化合物高脂肪)6个月后,表现出包括直肠真杆菌Eubacterium rectale 和Faecalibacterium prausnitzii 在内的细菌水平恢复,这被认为反映了适当的发酵能力。

与右旋糖酐硫酸钠(DSS)中的低碳水化合物饮食相比,生酮饮食以类似的微生物组依赖方式减轻了结肠炎-诱导结肠炎小鼠模型。此外,在生酮饮食中产生酮体,特别是β-羟基丁酸盐,可消耗双歧杆菌并降低人类的TH17细胞水平,在自身免疫性癫痫儿童中观察到类似的生酮饮食诱导TH17细胞减少。

这些发现挑战了高脂肪饮食作为促炎症饮食的全面分类,但强调了需要进一步研究特定饮食脂肪如何调节肠道微生物组或宿主-微生物组的相互作用(例如,通过直接改变免疫系统,然后反馈给肠道微生物组,反之亦然)。分析特定类型的脂肪及其对微生物组的影响是使用膳食脂肪精确设计微生物组的关键

食品加工

食品加工通常随着人类历史的发展而增加,包括一系列可能是热加工(例如烹饪或膨化)、机械加工(例如研磨、切片或搅打)或化学加工(例如氢化或乳化),或者涉及添加剂的使用。这些操作通常用于延长保质期改善外观或味道

食品加工也可能使小肠中的营养物质消化饱和,对结肠微生物群的资源可用性影响不明确。

★ 生 v.s. 熟 (作用不同)

烹饪是最早的食品加工实例之一,对营养物质的消化率有着重要影响,Carmoty等人通过对小鼠和人类的控制喂养研究证明了这一点。他们发现,与煮熟的块茎相比,食用富含淀粉的生块茎会破坏肠道微生物群,降低细菌的丰度,并上调异源代谢的微生物途径。这些发现指向了挖掘生食物中具有治疗用途的成分的可能性,因为微生物的外生代谢可能对宿主有益或有毒,或者它可以修改药物,这取决于肠道微生物组成。

★ 不同烹饪、保存方式影响微生物组

另一项研究发现,将全麦面粉置于蒸煮-冷冻循环中会显著增加抗性淀粉的百分比,从而导致体外发酵过程中丙酸盐和双歧杆菌水平的增加。由于这些温度循环而增加的营养物质的生物利用度或化学变化很少是饮食设计中的因素,但鉴于生、熟和冷冻食品可能以不同方式影响微生物组的发现,这些过程可能需要更仔细地考虑。

★ 添加剂——损害紧密连接完整性和增加肠道通透性

在过去的一个世纪里,使用添加剂进行的有针对性的食品改性(通常用于保存、颜色或质地改性或口味增强)大幅增加。这是通过损害紧密连接完整性和增加肠道通透性来部分解释自身免疫相关上升的原因。

事实上,避免加工食品在许多用于调节自身免疫疾病进展的排除或消除饮食中是常见的,包括AIP饮食、特定碳水化合物饮食和低发酵低聚糖、双糖、单糖和多元醇(FODMAP)饮食。

Wolter M, et al., Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2021

★ 乳化剂—— 利于促炎微生物群生长

在具有结肠炎遗传易感性的小鼠模型中,暴露于两种常见乳化剂,羧甲基纤维素和聚山梨酯80,增加了粘液层的通透性,增加了细菌对粘膜的粘附性,并有利于更具促炎性的微生物群。

★ 误将乳化剂当膳食纤维

羧甲基纤维素在化学上来源于纤维素,在结构上被认为是一种纤维,因此,它有助于增加欧洲营养标签上的膳食纤维含量。这可能会误导那些打算根据标签值增加膳食纤维摄入量的消费者。监管机构对此类添加剂的安全性评估也没有纳入潜在的微生物群介导的健康影响,可能是因为这一研究相对较新。然而,在动物模型和患者团体的研究表明,食品添加剂可能比现行规定更具破坏性,强调需要考虑它们对微生物和宿主的影响。

总的来说,越来越多研究强调了碳水化合物、脂肪、蛋白质、植物化学物质、微量营养素和食品添加剂对微生物组成和代谢产物的影响。随着这些年测序技术的爆炸式发展,我们能够更深入地了解肠道内的复杂菌群及其在健康和疾病中的作用,但有针对性的个性化营养措施却跟不上。需要适应性、个性化的研究方法和工具来量身定制饮食计划或确定潜在的微生物目标,以缓解自身免疫性疾病患者的病情。

03 微生物群调节方法

由于在诊断为各种自身免疫性疾病的患者中观察到微生物多样性较低,因此丰富多样性是一种普遍建议的策略,有可能最大限度地提高人类肠道微生物组的健康效益。

然而,将“健康”微生物群等同于高度多样化微生物群这样的过度简化,可能掩盖了潜在的生物标志物或来自疾病潜在驱动因素的信号。布鲁索的警告:不要依赖多样性指标,在没有探索潜在机制的情况下,在疾病背景下将一个微生物群标记为“失调”。

基于最大化有益微生物生理学(微生物已实现的代谢或物理特性)和最小化有害影响的方法可以避免这种陷阱,前提是可以定义适当的生理目标。为此,机器学习方法是在自身免疫疾病背景下利用现有宏基因组和代谢组学数据的强大工具。这些目标还可以提供基于遗传、环境因素和存在于个体中的潜在微生物群的个性化干预的机会。

在患者队列和动物模型中的现有研究支持使用定制饮食或特定饮食成分来调节各种疾病环境中的肠道微生物群和宿主反应。

Wolter M, et al., Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2021

许多宿主因素,包括基因和预先存在的肠道微生物群组成,可以影响个体对饮食的反应。鉴于越来越多的证据表明,与饮食或治疗相关的个性化肠道微生物群反应,我们必须积极将更动态的方法纳入当前的自身免疫性疾病治疗方案中,利用疾病或缓解状态的潜在机制知识,最大限度地提高现有饮食疗法在特定个体中的成功率。例如,在个性化营养学中,个体可能会跟踪饮食,通过纳入相关的协变量,如疾病状态、治疗方案、微生物组和其他生物标记物,预测性建模工具可用于建议食用或避免食用特定结果的食物。

肠道微生物组工程工具的个性化应用方法

Wolter M, et al., Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2021

★ 设计定制饮食改变血糖水平

在一项针对800名健康人的里程碑式研究中,Zeevi等人设计了一种机器学习算法,通过考虑与葡萄糖反应密切相关的个人健康指标来推荐定制饮食。将该模型扩展到100名个体的队列中,同样允许有针对性地降低血糖反应,这表明通过考虑一组个性化因素,可以简化此类饮食的设计。设计定制饮食以引起血糖水平预期变化的能力只是冰山一角;在将这项工作扩展到其他非代谢性疾病时,机制上的见解应该为生物标记物的选择提供信息,以制定个性化的饮食建议。

★ 自适应平台试验有望进一步治疗自身免疫性疾病

提高我们对饮食-微生物组在健康和疾病中相互作用的理解的方法可能涉及提供饮食饮食成分的人类队列,以根据反应对患者进行分层,同时也纳入相关因素以帮助理解干预效果的差异。

为此,自适应平台试验有望进一步治疗自身免疫性疾病,因为在试验设计中建立了测试治疗方案以确定应答者亚群的迭代过程。然而,为了产生机理知识,对小鼠模型的研究对于验证或激发人类转化工作仍然是不可或缺的。这一策略将有助于深入了解饮食-微生物组-宿主轴,并确定新的干预选择。

★ 研究时要考虑空间异质性

出于实用性考虑,许多研究根据粪便样本中检测到的分类群推断肠道微生物群的组成,但宿主特征和胃肠道微生物生理学的细微变化可能与体内稳态密切相关。例如,居住在粘液或结肠隐窝中的细菌,如Akkermansia muciniphila或不动杆菌属,与多发性硬化症和病原体诱导的结肠炎有关,但它们在粪便衍生微生物组中的丰度可能低于在结肠粘膜中的实际丰度。然而,临床相关部位的微生物群调查,如结肠黏膜,需要侵入性活检,因此小鼠模型可以很容易地研究肠道微生物组成的空间异质性

没有一种单一的方法足以理解疾病驱动因素并改善健康结果;必须利用所有相关的模式生物、系统(如电子、体外或体内)和方法(如还原论或生态学)。

04 饮食辅助疗法

有许多新兴技术旨在通过引入具有新的或失去的有益功能的细菌,或通过消除具有有害功能的细菌,使肠道微生物群达到功能健康状态。这些技术的一个子集,如粪菌移植(FMT)或正交小生境工程,显示出与特定饮食或饮食补充剂结合使用的高潜力,以解决其一些局限性或潜在放大其效果。将特定饮食添加到这些技术中增加了另一个可修改的变量,有可能提供更高程度的系统控制,并提高处理个性化反应的能力。

这里介绍和讨论了在自身免疫性疾病的背景下设计肠道微生物组的新方法,这些方法已经与饮食或饮食补充相结合进行了探索

粪菌移植和饮食

尽管粪菌移植成功的机制尚未完全解决,但该程序有可能与特定饮食或膳食补充剂结合使用,更有效。

粪菌移植试图通过将健康供者的粪便物质转移到肠道微生物群紊乱的患者肠道,重新建立一种多样的、稳态的微生物群组成。关于粪菌移植在我们的很多文章里都有提到,此处不详述。

在这里我们将重点关注饮食在粪菌移植成功中的潜在作用。

鉴于饮食对微生物组的显著影响,接受移植的患者的营养习惯对移植成功和持久性的影响是一个潜在的重要话题。

尽管大部分未经探索,但有两种直观的方法:

1. 接受者的饮食可以设计为复制提供者的饮食,从而最大限度地提高供体微生物群的传递保真度

2. 接受者可以考虑一种支持潜在有益菌的饮食,如克罗恩病排除饮食或菊粉型果糖补充,以支持产短链脂肪酸的Roseburia 或Faecalibacterium

一项随机临床试验比较了20例活动性溃疡性结肠炎患者在补充或不补充果胶的情况下粪菌移植的有效性,表明补充果胶可能改善移植微生物群的持久性;然而,需要进一步的研究,包括足够数量的患者和合适的对照,以更好地了解饮食对提高粪菌移植成功率的潜力。

单独使用粪菌移植可能部分足以提供疾病缓解特性或诱导缓解,但在肺气肿小鼠模型中,给小鼠喂食高纤维饮食结合粪菌移植可对微生物组分和短链脂肪酸输出产生额外的有益影响。在肥胖小鼠模型中观察到,肠道微生物组的有益和疾病缓解作用可通过粪菌移植(例如,从食用富含植物化学物质饮食的供体)传播到食用高脂肪或高糖饮食的受体,这也提出了一个问题,即是否修改供体的饮食,应该进一步研究,而不仅仅是接受者的饮食。

最后,在供体肠道微生物群组成不清楚的情况下,设计支持粪菌移植饮食的能力可能会受到限制。因此,应考虑使用从健康捐献者粪便中提取的特定细菌培养物。

益生菌-饮食组合和合生元

独立于粪菌移植,对预先存在的肠道微生物群直接施用单一微生物菌株或菌株联合体,如益生菌制剂VSL#3,是IBD广泛探索的治疗选择。

在服用益生菌时,有两个主要考虑因素:

第一,可能是最重要的,是益生菌的微生物组成

第二,选择益生菌所在食品的基质或胶囊

无论是单一的益生菌物种还是一个群落的口服给药已经被广泛地探索。这种方法对实验性IBD的各种小鼠模型以及溃疡性结肠炎患者有效,但在克罗恩病患者中无效,克罗恩病需要长期缓解或积极诱导缓解。由于益生菌在治疗自身免疫性疾病,特别是IBD方面的应用和潜力已在其他文章中详细阐述。

在此讨论益生菌与膳食补充剂的结合以及它们的传递基质

输送微生物的基质可以有不同的形式,最常见的是食品基质,如酸奶、谷物棒和果汁,或保护性乳液或生物聚合物中的封装。选择给药基质至关重要,因为益生菌使用的主要限制是通过胃肠道时的细菌活力和定植抗性,这是内源性微生物群的特性,可防止以前不存在于微生物群中的新细菌定植。

★ 营养利用度

由于营养限制是定植抵抗背后的核心机制之一,并且如前所述,基于饮食的营养利用度对肠道微生物群产生重大影响,提供益生菌的食物或饮料的选择对益生菌菌株的活力和持续植入有相当大的影响。

★ 环境压力因素

这一过程不仅是由于营养素的可用性,而且还由于环境压力因素,如生产和储存期间的pH值、氧气和温度,以及胃的高酸度和通过胃肠道时肠道中胆汁酸的存在。尽管研究最广泛的食品基质是乳制品,但人们一直在努力探索不同的食品基质,如谷物、水果、蔬菜和肉制品。

★ 合生元

益生元和益生菌可以组合成所谓的合生元,合生元可以定义为互补或协同。

互补合生元包括益生元和益生菌,它们相互独立地产生健康益处。

协同合生元旨在最大限度地发挥益生菌的有益功能。

协同设计背后的原理是:益生元可以提高益生菌抵抗环境压力的生存能力;益生菌确保肠道微生物群以有益的方式代谢益生元的能力;益生元可以通过开辟一种新的营养生态位,支持益生菌植入宿主微生物群。

虽然使用合生元的人类研究才刚刚开始出现,但某些组合已被发现是有效的,并用于治疗自身免疫性疾病。

在IBD的背景下,双歧杆菌和乳酸杆菌车前草、低聚果糖和菊糖的结合显示出良好的前景。

类似地,添加菊粉嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌和双歧双歧杆菌的混合物对类风湿性关节炎患者产生有益效果,乳酸杆菌产孢菌与麦芽糊精和低聚果糖的组合对T1DM患者有益。

另一种提高生存能力和定植的方法是将细菌包埋在保护性乳液或生物聚合物中

这种封装不仅可以保护细菌免受环境危害,并有可能实现特定部位的释放,还可以通过将细菌封装在含有益生元的基质中,创造复杂的合生元结构;例如,海藻酸钠-菊糖-黄原胶或聚(乳酸-共-乙醇酸)-海藻酸钠胶囊。

正交小生境工程

正交小生境工程是合生元概念的一种演变,因为微生物-底物关系是利用细菌在宿主菌群中的持续植入。虽然合生元的益生元部分通常由普通营养素组成,但在正交小生境工程中,利用未使用或不常见的营养素,为细菌稳定植入宿主微生物群创造专属小生境。例如,降解卟啉(一种海藻多糖)的能力被用来稳定地将一种人类共生细菌移植到小鼠肠道中。

尽管目前的研究仅限于小鼠,但利用这些不常见的代谢途径,可以通过间歇性或持续的饮食补充精确控制植入的细菌。

Wolter M, et al., Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2021

虽然人类肠道微生物群降解海藻的能力比最初假设的更为普遍,但正交小生境工程在克服肠道微生物群中细菌持续植入的挑战方面有着巨大的希望,特别是考虑到利用的广泛潜在基因。

新的生态位,如琼脂糖、卟啉或卡拉胶降解,可用于帮助植入有益菌,这些细菌可以是野生型、原始菌株的改良版本,也可以是参与利用正交营养素的基因已转移的不同菌株。

★ 概念性应用

正交小生境工程的一个概念性应用是筛选工业化过程中丧失有益功能的细菌,这些细菌仍然与我们的现代生活方式相关,并将其重新引入人类肠道。这种细菌丢失的一个例子是经过充分研究的益生菌罗伊氏乳杆菌Lactobacillus reuteri,其对系统性红斑狼疮和多发性硬化症的免疫调节作用已经在小鼠模型中进行了研究。

另一个概念性应用是在重组细菌中引入罕见的营养利用途径,设计用于产生治疗性化合物,如用于IBD治疗的IL-10或防御素-5。使用不常见的营养素利用途径可以精确控制定植的剂量和持续时间,从而使治疗能够专门针对个别患者的需要进行调整。

然而,这种方法的长期可操作性可能是具有挑战性的,因为持续喂养会随着时间的推移降低植入细菌的活性。对这种现象的一种可能解释是,这种喂养可能会促进小生境分配,从而通过IgA结合将植入的细菌限制在结肠隐窝中,从而减少了与底物的接触。此外,还存在通过水平基因转移将这种特性传播给其他肠道细菌的风险,这可能导致特异性降低或反应完全改变。

05 挑战和未来方向

这一研究领域涉及具有众多变量的高度复杂的相互作用,例如肠道微生物组内出现的相互作用,这些相互作用进一步受到宿主基因组、免疫系统和多种生活方式因素的影响,每一个都可能是不完整的特征。

因此,即将进行的研究应该具有双重目标,即识别一般和亚群体特异性的生物标志物,以提供最佳治疗,并解决拟议干预措施的各种应对措施背后的根本机制。

随着可用工具的完善,微生物领域可以从基于相关性的研究转向旨在揭示机制的研究,从而开发新的以微生物为重点的治疗方案。

“诸事利弊共存”

1. 在实现疾病中肠道微生物群的饮食驱动操作方面仍面临许多挑战。人体肠道微生物组的弹性是健康条件下的有利属性,这意味着将小鼠模型的发现转化为人类时,干预的效果可能不如预期的明显

2. 肠道微生物组的相对稳定性可能会阻碍对自身免疫性疾病患者的组成或功能进行持久改变的努力,尤其是如果不解决稳定疾病状态的潜在驱动因素。虽然饮食是引起微生物变化的有效工具,但停止饮食通常会导致恢复到以前的微生物状态。因此,干预可能需要持续进行,这带来了确保遵守方案的额外挑战。通过将饮食干预与其他微生物组调节方法相结合,这种变化可能更稳定;然而,这一预测仍有待研究。

3. 对稳定群落的重复采样应减少典型微生物波动产生的背景噪音,从而揭示特定疾病的特征。通过了解基线微生物群,在单个患者中提出和测试有效治疗可能确实更容易。

因此,随着方法的发展,将有价值的机理知识从动物模型转化为人类或将其扩展到研究较少的疾病的研究对于完善饮食在微生物组工程中的应用至关重要。

06 结 语

微生物群驱动的屏障功能障碍是各种自身免疫疾病的基础,这一观点鼓励更密切地检查这些功能变化,以恢复有益的宿主-微生物群相互作用。

“精准——时代的召唤”

研究人员和临床医生必须考虑到这样一个事实,即许多宿主、环境甚至时间因素可能会在个体基础上决定“完美”的微生物组,并积极地将一种更动态、更量身定制的方法纳入当前的治疗方案。

通过实施精准医学方法和对驱动疾病的潜在机制的认识,可以提高现有治疗的成功率。我们正处于微生物组工程时代的前沿,但为了有效地实现这一转变,必须优先研究对饮食干预的个性化反应以及形成微生物组的精确机制。

主要参考文献:

Fugger, L., Jensen, L. T . & Rossjohn, J. Challenges, progress, and prospects of developing therapies to treat autoimmune diseases. Cell 181, 63–80 (2020).

Wolter M, Grant ET, Boudaud M, Steimle A, Pereira GV, Martens EC, Desai MS. Leveraging diet to engineer the gut microbiome. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2021 Sep 27.

Scher, J. U., Nayak, R. R., Ubeda, C., T urnbaugh, P . J. & Abramson, S. B. Pharmacomicrobiomics in inflammatory arthritis: gut microbiome as modulator of therapeutic response. Nat. Rev. Rheumatol. 16, 282–292 (2020)

Johnson, A. J. et al. Daily sampling reveals personalized diet- microbiome associations in humans. Cell Host Microbe 25, 789–802.e5 (2019).

Horwat P, Kopeć S, Garczyk A, Kaliciak I, Staręga Z, Drogowski K, Mardas M, Stelmach-Mardas M. Influence of Enteral Nutrition on Gut Microbiota Composition in Patients with Crohn’s Disease: A Systematic Review. Nutrients. 2020 Aug 23;12(9):2551.

Wastyk HC, Fragiadakis GK, Perelman D, Dahan D, Merrill BD, Yu FB, Topf M, Gonzalez CG, Van Treuren W, Han S, Robinson JL, Elias JE, Sonnenburg ED, Gardner CD, Sonnenburg JL. Gut-microbiota-targeted diets modulate human immune status. Cell. 2021 Aug 5;184(16):4137-4153.

膳食多酚与肠道微生物群的互作对人体健康的影响

谷禾健康

在过去的 20 年中,膳食(多)酚类化合物作为具有预防慢性疾病的抗氧化剂受到了关注。而临床试验中证据很弱,主要因为个体间的差异很大。多酚的生物利用度低(5%–10% 被小肠吸收)。这些化合物的生物利用度严格取决于肠道微生物的酶促机制

最近,鉴定参与肠道多酚转化的细菌越来越受到关注。已经表征了几种催化酚类物质代谢的菌群及其分解代谢途径。大多数描述的参与多酚转化的属是双歧杆菌、拟杆菌和厚壁菌。微生物会受到外部因素(例如饮食、药物和体育锻炼)、宿主的地理分布和个体差异的影响。肠道微生物群组成的年龄相关变化可能会影响某些营养素的生物利用度,包括其代谢活性介质。

特定的代谢型会产生对健康影响的生物活性代谢物代谢型还可以反映肠道微生物群的组成和代谢状态,并且可能是通过肠道微生物群介导的潜在多酚健康影响的生物标志物。

基于最近的研究成果,本文将综合介绍膳食多酚以及其生物利用转化与肠道菌群的互作对人体健康的影响,为我们如何结合肠道微生物群选择和摄入膳食多酚提供一些视野。

01 膳食多酚及其有益作用

膳食多酚是一组生物活性植物化学物质,主要存在于各种水果、蔬菜、种子、草药和饮料(啤酒、葡萄酒、果汁、咖啡、茶和巧克力)中,少量存在于干豆类和谷物中。食物中,这些化合物具有多种生态作用,从抵御生物和非生物压力因素到界内交流

基于中心吡喃环的氧化态将黄铜类细分为几个亚类

类黄酮类黄酮主要是黄烷醇、黄酮、花色素、黄烷酮、黄酮醇和异黄酮

非类黄酮

非黄酮类化合物主要类别是酚酸,可细分为苯甲酸衍生物,例如没食子酸和原儿茶酸,肉桂酸衍生物,包括香豆酸、咖啡酸、阿魏酸

第二个主要组主要由芪类组成,白藜芦醇是主要代表,以顺式和反式异构形式存在。另一个重要的非黄酮类化合物是由两个苯丙烷单元氧化二聚产生的木脂素

黄烷醇是食物中最常见的类黄酮形式,其最丰富的来源是洋葱、西兰花、茶、苹果、红酒、蓝莓、杏仁和开心果

黄烷酮丰富的食物包括橘类水果,如柠檬、葡萄柚和橙子

花青素是存在于红色水果和蔬菜(例如覆盆子、接骨木莓、草莓、石榴、卷心菜、红洋葱)中的水溶性黄酮类化合物。黄酮来源的有针叶樱桃、杏、橄榄油、蜂蜜、苹果、木瓜和芒果

异黄酮是主要存在于豆科植物中的生物活性化合物,少量(浓度低于 0.1 毫克/千克)存在于杏、干枣、醋栗、芒果、李子、新鲜椰子和芝麻,而发现二苯乙烯存在于葡萄、红酒和浆果中。

红色、深色水果和蔬菜,如草莓和黑莓、黑萝卜、洋葱和茶,是也是酚酸的重要来源。

红葡萄酒中常含有芪,豆制品中常含有异黄酮。 亚麻籽和芸苔属蔬菜中含有大量木脂素; 其他,如松脂醇、落叶松脂醇通常也存在于许多食物中。

Davinelli S &Scapagnini G. Biofactors. 2021

多酚是有效的抗氧化化合物,能够抗氧化应激和慢性炎症。许多研究都集中在它们的有益抗炎、镇痛活性和抗菌、血管舒张、抗过敏和抗癌作用。最近的研究表明,有益作用还与多酚与主要细胞信号传导和基因调控途径相互作用以及调节肠道微生物群的能力有关。例如,多酚可以通过抑制特定细菌种类的生长来影响F/B比。事实上,已经通过体外、离体和动物试验证明了不同酚类化合物(尤其是黄酮类化合物)的一系列药理作用然而,这些化合物的健康影响取决于它们的生物利用度,以及它们被吸收、代谢和从体内清除也很重要。

02 膳食多酚的摄入量、生物利用度和稳定性

2.1 摄入量

众所周知,测量膳食摄入量是困难的,单一的方法无法完美地估计膳食摄入量,尤其是在关注微量营养素和生物活性化合物(如多酚)时。对此,最近的一项研究估计整个人群(包括北美和南美、欧洲、亚洲和澳大利亚)的总多酚摄入量约为 900 毫克/天;该值因受试者目标群体的差异而异。此外,发现膳食多酚的主要来源水果和蔬菜、咖啡、茶和红酒

多酚摄入量可能受到其他几个因素的影响,例如饮食习惯、人口特征(例如性别、年龄和文化因素)和地理区域。总体而言,与男性相比,女性摄入量更高,这首先是在考虑能量标准化时。在这方面,与男性相比,女性是水果和蔬菜的消费意愿更强烈,而男性是饮料和咖啡的更高消费者。

2.2 利用度

在了解其生物利用度之前,我们先看下膳食多酚的代谢过程。

由于其复杂的结构和高分子量,只有5-10% 摄入的膳食多酚可在小肠中直接吸收。

而大部分(90-95%)是以其完整形式到达结肠,并依次进行肠道发酵

产生的多酚代谢物在吸收后将通过门静脉到达肝脏并进一步经历广泛降解形成活性代谢产物(甲基化、葡萄苷酸化和硫酸化)。

此后,代谢产物将进入系统循环并到达目标组织和细胞,剩余和未使用的代谢产物通过尿液排泄。

膳食多酚的代谢

Vemana Gowd, et al.,Trends in Food Science & Technology, 2019

多酚摄入量生物可及性和生物利用度密切相关。在这方面,胃肠消化过程中食物基质中多酚的释放,即生物可及性,将对生物利用度产生重大影响,即酚类化合物的潜在吸收可用于随后的代谢途径。事实上,在植物性食物中,多酚等生物活性化合物被包裹在由膳食纤维形成的复杂大分子网络中,通常在胃肠道消化不同阶段释放。通过这种方式,它们可以在小肠和/或大肠中被吸收,从而发挥其真正的生物效应

根据与其他食物基质成分发生的分子相互作用,可以增强或减弱多酚的生物可及性和生物利用度。因此,为了评估多酚的生物利用度,一些研究论文深化了对纤维与这些植物化学物质之间可能相互作用的研究。膳食纤维可能作为一种“控制机制”,用于监测消化道不同部位(下部或上部)生物可及的多酚部分

大多数黄酮类物质在小肠中吸收较差,在大肠中代谢率较高。异黄酮似乎是吸收最好的膳食类黄酮;儿茶素、黄烷酮和黄酮醇糖苷是中间体,而原花青素、黄烷-3-醇没食子酸酯和花青素的吸收最差。

膳食多酚的生物利用度主要取决于肠道微生物群的组成

Westfall S, et al., Front Neurosci. 2019

膳食多酚与肠道微生物群的调节有关,这些微生物将多酚转化为活性和生物可利用的代谢物;因此,肠道微生物群的变化会影响多酚活性

肠道细菌显示出不同的去糖基化活性,因此释放的苷元可能在较小程度上被吸收,更有可能降解为更简单的酚类衍生物 。结肠微生物群对黄酮苷元的降解涉及 C 环裂解和影响官能团的反应,如脱羟基、脱甲基或脱羧

很明显,膳食多酚的有益作用似乎更多是由于在胃肠道中形成的酚类代谢物,主要来自肠道细菌的作用而不是食物中发现的原始形式

结肠微生物群主要负责将母体酚结构分解成一系列低分子量的代谢物。这些微生物衍生的酚类物质比食物中发现的原始化合物更易吸收,对个体健康更有益。

2.3 稳定性

膳食多酚及其肠道微生物群代谢物通常被归类为抗氧化剂。然而,它们与酶、转录因子和受体相互作用的能力强烈表明它们可能充当信号分子,并在细胞和分子水平上发挥其有益作用。已发现这些化合物与血管疾病和神经变性,以及血脂、眼部疾病和血压的改善有关。

肠道微生物群通过多酶促反应影响膳食多酚的稳定性,包括去糖基化、硫酸化、葡糖醛酸化、苯并-γ-吡喃酮系统的 C环裂解、脱羟基、脱羧和氢化。

首先,大多数O-糖苷被转移到苷元,进一步结合到O-葡萄糖醛酸和/或O-硫酸盐形式。然后肠道微生物进行分解代谢转化,如芳环的碳碳分离、烯烃部分的脱羧、氢化和脱羟基。例如,槲皮素 3-O-葡萄糖苷被肠道细菌转化为间苯三酚、2,4,6-三羟基苯甲酸和原儿茶酸。花青素经常被肠道微生物群代谢形成 2,4,6-三羟基苯乙酸和原儿茶酸姜黄素被分解代谢为氢化物,O-葡萄糖醛酸、去甲基和O-硫酸盐形式。肠道微生物群通过脱羟基和分子内缩合将鞣花酸转化为尿石素。花青素葡萄糖苷主要在人结肠中转化为 3,4-二羟基苯甲酸

03 肠道微生物对多酚的生物转化

多酚产生健康益处的能力可能至少部分是由于与肠道微生物群的双向串扰。与肠道微生物群的相互作用导致母体化合物的生化转化为更具生物利用度的代谢物

肠道微生物群进行的三个主要分解代谢过程是水解、裂解和还原反应。 在这些分解代谢反应之后,释放的苷元可能进行 II 期代谢并被肠道微生物群转化为简单的酚类衍生物,从而促进身体吸收

下面,我们将简要讨论由肠道微生物群介导的多酚的主要分解代谢反应。

3.1 水解作用

由于它们以糖苷的形式存在,多酚的生物利用度是有限的,尤其是鼠李糖苷它不能被人体肠道酶水解。因此,这些多酚在吸收前需要被肠道微生物酶水解。 一些研究报道了乳杆菌和双歧杆菌菌株从黄酮类鼠李糖苷中释放鼠李糖。

然而,其他肠道细菌,如拟杆菌、肠球菌和肠杆菌,也显示出这种活性。例如,芦丁和地奥司明被肠球菌、拟杆菌、厚壁菌和布劳特氏菌水解,导致槲皮素和地奥司米丁以其苷元形式释放。 尽管开环异落叶松树脂二葡糖苷(一种常见的亚麻籽木脂素)在胃肠道、乳杆菌和双歧杆菌可以增强其水解,提高生物利用度。另一个很好的例子是动物双歧杆菌,它参与绿原酸水解释放咖啡酸。鞣花单宁(Ellagitannins),一个典型的例子,可水解的单宁,在上消化道消化过程中自发水解成鞣花酸。

3.2 裂解作用

肠道微生物群对多酚的关键分解代谢活动是碳环的打开C C键的断裂和甲基醚的去除。这些反应是由肠道细菌(例如梭状芽孢杆菌)和 Coriobacteriaceae的成员进行的。 在类黄酮的情况下,水解后释放的苷元通过 C 环裂解被分解代谢。 例如,类黄酮 C 环裂解将异黄酮黄豆苷元转化为 O-desmethylangolensin 和雌马酚。

【注:O-Desmethylangolensin 是大豆异黄酮经过肠道微生物代谢的代谢物,具有抗氧化活性。】

黄豆苷元生物转化为雌马酚(一种具有植物雌激素样活性的代谢物)严格依赖于肠道微生物群的组成。

Eggerthella菌和一些 Slackia属的细菌是产雌马酚的细菌。涉及 Cring 打开和 CC 键断裂的微生物分解代谢活动也与不可吸收的低聚黄酮类化合物转化为更具生物利用度的酚类代谢物高度相关。大多数到达结肠的绿原酸,水解发生时,环裂解导致咖啡酸奎宁酸的释放。鞣花酸转化为尿石素M5,一种鞣花单宁的微生物代谢物,涉及内酯开环和脱羧反应。这些反应由属于Gordonibacter 属的菌株催化

3.3 还原反应

多酚的不同还原反应,如双键加氢、羰基还原和脱羟基,也由道微生物催化。这些微生物还原的主要多酚底物包括鞣花酸、咖啡酸和异黄酮。已经确定了许多负责这些反应的肠道微生物。例如,黄豆苷元的苷元被称为 MRG-1 的 Coprobacillus 菌株还原为二氢黄豆苷元。然后,二氢黄豆苷元被 Eggerthella 菌株氢化成雌马酚。肠道细菌可以以非常特殊的方式从酚类分子中去除羟基,这一特征已在鞣花酸的分解代谢中得到深入研究,其中涉及用于生产不同的尿石素谱。在人类中,有特定的代谢型负责合成尿石素,并且已经表征了参与这种代谢转化的细菌种类。

Gordonibacter urolithinfaciens 和 Gordonibacter pamelaeae 能够提供尿石素,而最近发现的Ellagibacter isourolithinifaciens可以产生异尿石素, 肠道细菌,例如梭状芽孢杆菌属的成员,对于催化二羟基反应和转化也是必不可少的,将木脂素转化为肠木脂素(例如,肠二醇和肠内酯)。

04 膳食多酚对宿主肠道微生物群的调节

对菌群构成影响

一般来说,口服多酚在上消化道的吸收相对较低;很大一部分多酚积聚在结肠中,影响和改变肠道微生物群的组成。摄入多酚可能通过促进有益细菌的生长和/或抑制有害细菌的生长来调节肠道微生物群,从而使宿主受益。随机,双盲,安慰剂对照的人类试验表明,经口摄入没食子儿茶素-3-没食子酸酯和白藜芦醇,持续12周显著降低超重男性拟杆菌的粪便丰度和趋向于降低Faecalibacterium prausnitzii 的丰度。

在高脂饮食中补充膳食葡萄多酚导致肠道微生物群落结构发生显著变化,包括厚壁菌门与拟杆菌门的比例降低以及AKK菌的大量繁殖。膳食多酚促进肠道细菌Akkermansia muciniphila 的生长并减轻高脂饮食诱导的代谢综合征。

Vemana Gowd, et al.,Trends in Food Science & Technology, 2019

槲皮素膳食给药(30毫克/千克体重/天)中,通过降低厚壁菌/拟杆菌比率和降低肥胖关联细菌。除了纯多酚外,富含多酚的食物/提取物的给药也改变了肠道微生物群的组成。犬类摄入绿茶多酚提取物 18 周可抑制拟杆菌和梭杆菌的丰度,并增加厚壁菌门 。

用偶氮甲烷/DSS 治疗小鼠 12 周后,来自黑树莓的膳食花青素(饮食中 3.5 和 7.0 μmol/g,相当于饮食中 5% 和 10% 冻干黑树莓粉中的花青素含量)增加了粪便中有益菌丰度,如Faecalibacterium prausnitzii、乳酸杆菌和直肠真杆菌,并减少病原体的丰度,如脱硫弧菌属和肠球菌属

同样,在最近的一项研究中,将野生蓝莓多酚提取物和从蓝莓中分离的部分(包括聚合度小于四个酚酸和黄酮醇的低聚原花青素)给药于高脂肪高蔗糖饮食诱导的肥胖小鼠促进了多酚降解细菌Adlercreutzia equilifaciens的生长,表明将这些细菌纳入多酚代谢可能通过产生参与这些过程的生物活性分子来改善肥胖和糖尿病的代谢紊乱

人类试验中多酚和富含多酚的食物对菌群失调的调节

Molinari R,et al., Biofactors. 2021

短链脂肪酸

肠道微生物群可以利用未消化的食物产生短链脂肪酸,如乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐,这些短链脂肪酸在维持人类健康方面发挥着重要作用。补充多酚可以通过改变肠道微生物群的组成和功能来改变短链脂肪酸的产生。绿原酸、咖啡酸、芦丁和槲皮素的体外发酵显著增加了丙酸和丁酸的产量,咖啡酸发酵显示丁酸和丙酸的产量增加最高。相反,在人类中使用波森莓饮料和在高脂肪饮食治疗的大鼠中使用反式白藜芦醇对短链脂肪酸的产生没有造成显著差异。

不同类型的多酚、实验模型和肠道微生物群的复杂性可能是造成差异的潜在原因

  • 橙皮苷 v.s. 橙皮素

在另一项研究中,评估了橙皮苷(饮食中 1%)及其苷元橙皮素(饮食中 0.5%)对大鼠肠道微生物群产生短链脂肪酸的影响。已经发现,橙皮素的摄入显着提高了盲肠总短链脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸),而橙皮苷与对照饮食相比没有显着影响,这归因于它们对生产和活性的可能不同影响微生物酶

  • 不同苹果品种及苹果制品

短链脂肪酸的生产受到来自两个苹果品种(Marie Ménard 和 Avrolles 品种)的不同冻干苹果制品(水果、酶解水果、分离的细胞壁、分离的原花青素或苹果酒)的原花青素的影响。与其他制剂相比,未消化的冻干苹果显示出更高的短链脂肪酸产量。此外,发现长链原花青素的存在能够抑制短链脂肪酸的产生,这很可能取决于对细胞壁降解微生物酶的抑制

  • 绿茶提取物 v.s. 红茶提取物

2018年日本的一项研究发现喂食脱咖啡因绿茶或红茶提取物的 Wistar 大鼠的盲肠中短链脂肪酸的水平已以不同的方式受两种提取物的影响。

与对照饮食相比,施用 10g/kg 的绿茶提取物限制了短链脂肪酸的产生,而饲喂 10 g/kg 的红茶提取物不会显着影响盲肠食糜中的短链脂肪酸水平。值得注意的是,含有绿茶提取物的饮食导致大部分未消化的淀粉从粪便中排出,这表明红茶提取物可能对胰腺α-淀粉酶有抑制作用,导致盲肠中有更多的淀粉可用于生产短链脂肪酸

粘液产生和腔内含氧量

结肠粘液是抵抗肠道病原体的第一道屏障,这可能归因于粘蛋白和糖蛋白的凝胶形成特性。黏液屏障的耗竭会导致大量病原体侵蚀,导致结肠炎症,因此黏液屏障的完整性对结肠健康至关重要。

发现多酚能够促进粘液的分泌。蔓越莓原花青素通过增加白细胞介素IL-4和IL-13促进粘液分泌,刺激杯状细胞增殖和 MUC2 产生。多酚处理可以促进特定细菌的生长,例如Akkermansia ,这些降解粘蛋白的细菌刺激了粘蛋白的产生。此外,多酚可通过抑制粘液腐蚀细菌的生长来防止粘液腐蚀。例如,石榴皮提取物抑制了柠檬酸杆菌(一种可以降解粘液的病原体)的过度生长,从而减少了柠檬酸杆菌感染小鼠的结肠。

多酚可能会促进肠道微生物群组成的整体平衡,以保持粘液的完整性,尽管多酚可能不会抑制特定的粘蛋白降解细菌。例如,槲皮素的给药改变了肠道微生物群组成的平衡,并维持了结肠炎小鼠粘液的完整性,尽管槲皮素并没有显着抑制啮齿类柠檬酸杆菌的生长。总的来说,这些发现表明多酚可以通过刺激粘蛋白的分泌、抑制粘液降解细菌的生长、改善肠道微生物群组成的平衡从而减少粘液的损伤来维持粘液的完整性。

氧化还原稳态对于维持正常的细胞代谢和功能很重要。活性氧 (ROS) 的过度产生导致氧化应激,这与炎症有关。抑制大肠中 ROS 的过度产生对结肠健康具有重要意义。重要的是,氧化还原状态可以改变肠道微生物群的组成。具有较高的ROS产生在小鼠的小肠相关联的多种氧化还原状态显示较低的香农的多样性。在衰老模型中,小鼠年龄越大,ROS 产生越多,香农多样性降低,梭菌减少,拟杆菌门S24-7菌增加。

N-乙酰半胱氨酸对小鼠ROS 的消除增加了与S24-7减少和厚壁菌门增加相关的香农多样性。多酚可直接与 ROS 反应并清除ROS维持全身氧化还原稳态,最终改善肠道微生物群的平衡。例如,柿子醋多酚抑制 HepG2 细胞(肝癌细胞)中 ROS 的过度产生。β-胡萝卜素和葡萄多酚提取物降低肠道中的 ROS 水平,绿茶多酚减少了 Pb 诱导的 ROS 生成。此外,共生细菌和肠上皮细胞之间的相互作用可以触发 ROS 的产生。

鼠李糖乳杆菌刺激肠上皮细胞局部 ROS 的产生,导致 Ubc12 等关键酶的氧化,从而抑制 NF-κB 活化并随后减少炎症反应。因此,多酚对乳酸杆菌的富集或其对上皮细胞的粘附能力增加,例如田菁花提取物和苹果皮提取物,显示调节 ROS 生成和炎症反应的潜力。

肠道免疫系统和炎症

肠道免疫系统具有多种细胞类型。肠道免疫可以分为由上皮细胞和抗原呈递细胞 (APC) 组成的先天成分,以及由淋巴细胞组成的适应性成分。自适应成分本身可以分为响应的诱导和效应位点。诱导位点基本上是派尔斑,即孤立的淋巴滤泡。效应位点是遍布整个粘膜高度的免疫细胞。

适应性免疫系统由高度特化的全身细胞和消除或抑制病原体生长的过程组成。适应性免疫细胞最初是通过树突状细胞 (DC) 的交叉引发来刺激的。适应性免疫系统的细胞涉及各种细胞类型,例如淋巴细胞的主要类型 T 细胞和 B 细胞

在肠道中,即使没有感染,也会在基础水平激活 T 淋巴细胞。这种激活在很大程度上依赖于肠道细菌,并在维持肠道稳态方面发挥作用。特别是,Th17 和 Treg 之间存在良好的平衡。当这种平衡被打破时,就会导致不受控制的肠道炎症,例如克罗恩病。

【温馨提示:接下来几段内容涉及一些关于免疫的专业名词缩写,如不熟悉可先查阅了解,此处不详述】

多酚在适应性免疫系统/微生物群中的作用

肠道慢性炎症综合征和肠道微生物群之间的关系与免疫系统功能障碍和各种促炎细胞因子的产生密切相关。因此,通过饮食化合物(如多酚)单独或与益生菌联合调节免疫细胞可能是对抗这些疾病的好策略。

2018 年一项研究表明,含有一种富含多种不同多酚的工程番茄果实的饮食能够改变健康小鼠的肠道微生物组成,并部分限制宿主炎症反应

非常有趣的是,多酚干预 2 周后小鼠的黄杆菌Oscillospira的相对数量下降。作者强调了粘膜能量代谢的下调、微生物特征的变化和肠道炎症的减弱,这些事件可能是云莓喂养小鼠与越橘喂养小鼠相比腺瘤尺寸较小的原因。

更具体地说,云莓饮食降低了上皮内与总粘膜 CD3+的比例T 淋巴细胞,非常有趣的是,浆果喂养改变了盲肠内容物中的主要细菌多样性,其中越橘喂养的小鼠的微生物特征被确定比其他治疗更加多样化。尤其毛螺菌科,毛螺菌科通常被认为是共生菌或有益菌。此外,云莓喂养小鼠的微生物特征与较小的腺瘤大小相关并聚集在一起,表明肠道微生物群受到云莓喂养的调节,腺瘤的生长减慢

此外,其他研究表明,即使存在其他营养物质(如蛋白质和碳水化合物),flavan-3-ol 单体(黄烷-3-醇)(如表儿茶素和儿茶素)也可能影响肠道微生物群。据观察,儿茶素显着阻碍了溶组织梭菌的生长,并加强了大肠杆菌球状梭菌以及直肠真杆菌组成员的生长,而双歧杆菌和乳杆菌属的生长则受到了抑制。

肠道微生物群产生耐受性反应,影响肠道 DCs 并抑制 Th17 细胞抗炎途径,可以通过能够调节肠道微生物群并随后减弱炎症途径的多酚来改善。多酚可以直接改变 CD4+ T 细胞的活化和极化。例如,当用姜黄素处理小鼠时,观察到粘膜 CD4+ T 细胞和 B 细胞增加,腺瘤形成减少。

此外,白藜芦醇和姜黄素能够改变 B 细胞的活性,这可以通过显着抑制淋巴因子分泌、抗体产生和增殖来证明 。分子机制似乎包括几种转录因子,例如信号转导和转录激活因子 (STAT) 和核因子-κB (NFκB) 的成员及细胞表面受体表达的调节(如CD28/CTLA-4).

事实上,白藜芦醇和姜黄素可以降低 CD28 和 CD80 的表达,同时增加 CTLA-4 和 IL-10 的产生。这种调节很重要,因为可以通过改变 CD28/CTLA-4 的表达来减少或增强 T 细胞受体信号,已知 IL-10 会限制免疫反应。核因子也包括在内,因为激活的CD4+T细胞中的NF-κB p65 核易位在姜黄素饮食中受到抑制。

姜黄素调节人 CD4+ T 细胞中的STAT4 激活并降低它们在 Th1 细胞中的分化能力。Th17 的极化似乎也受苹果多酚的调节。它们减少了与鼠硫酸葡聚糖诱导的结肠炎相关的 T 细胞 IL-17 的产生。此外,关于实验性自身免疫性脑炎,白藜芦醇增加了IL-17 + /IL-10 + /Th17 细胞的产生

因此,从这些数据可以推断,多酚可能通过对 T 细胞的直接和间接作用来减轻 Th1 和 Th17 炎症过程,而人类白细胞抗原 (HLA) II 类介导的恶性 B 细胞免疫识别可以增强。此外,在另一个背景下显示白藜芦醇可以改变 Th17 分化过程。事实上,白藜芦醇使转录因子 STAT3 脱乙酰化,该因子无法产生视黄酸相关孤儿受体-γt(RORγt),这是淋巴细胞分化过程中必不可少的转录核因子。这样,白藜芦醇和其他多酚可以通过阻断白介素相关的 Th17 和破坏 Th17 极化来作用于各种炎症性疾病。通过免疫反应状态的作用,多酚在一定程度上决定了患有各种疾病的患者的治疗结果,尤其是炎症成分起主要作用的疾病。

多酚在肠道适应性免疫反应中的另一个潜在作用可能是它们对 Treg 细胞的作用,Treg 细胞在保持免疫耐受和抑制自身免疫方面发挥关键作用。Treg 细胞有助于逃避免疫监视,抑制 CD4 +、CD8 + T 细胞、DC、成骨细胞、巨噬细胞、B 细胞、NK 细胞和肥大细胞等细胞群,从而避免免疫病理、过敏或自身免疫性疾病,并有助于发展对器官移植的免疫耐受性。生化分析表明 TGFβ 和 FoxP3 存在于多酚作用中,TGFβ 的产生被白藜芦醇下调 、姜黄素和染料木素,诱导Treg 细胞活性的抑制。姜黄素下调 CD4+ CD25+ Treg细胞中FoxP3抑制功能和表达。

有趣的是,在小鼠肠道中,姜黄素处理的 DC 诱导幼稚 CD4 + T 细胞分化为类似 Treg 细胞,包括产生 IL-10 的细菌抗原特异性 Tr1 细胞和 CD4 + CD25 + FoxP3 + Treg。

事实上,在 TGFβ 存在的情况下,CD4+ CD25 – T 细胞可以通过 T 细胞受体 (TCR) 刺激转化为 CD25 + Treg ,并且在高剂量的 IL-10 存在下,抗原特异性 Tr1 细胞可以由抗原诱导。这种调节性T细胞抑制抗原特异性T细胞活化的体外和抑制由于抗原特异性致病性T细胞的结肠炎体内

相反,在非肿瘤环境中,表没食子儿茶素-没食子酸酯 (EGCG) 可以作为 DNA 甲基转移酶 (DNMT) 抑制剂并诱导 FoxP3 表达以及增加体内Treg 数量。此外,IL-10 在染料木素和姜黄素的存在时被下调,随后,效应 T 细胞破坏癌细胞的能力增强,针对肿瘤的 2 型免疫反应增强。另一个例子,当在C57BL/6 小鼠大脑中动脉闭塞发病后立即应用 3 天时,白藜芦醇提供了 Th1 和 Th2 之间的平衡,朝向 Th2 极化,并使 Treg 和 Th17 之间的平衡向 Treg 倾斜。

小肠固有层,并通过在缺血后 3 天改变肠道菌群来减弱小肠促炎细胞因子的表达 

多酚在先天免疫系统/微生物群中的作用

先天免疫系统,也称为非特异性免疫系统和二级防线,涉及以非特异性方式保护宿主免受其他生物体感染的细胞和机制。

当先天免疫系统感知到有关肠道微生物群落代谢状态的信息时,先天免疫系统会发送信号以在组织水平上适应宿主生理机能。此外,肠道微生物组的组成和功能可能受先天免疫系统的调节。基于人类和小鼠研究的遗传发现表明,先天免疫系统显着调节微生物群的组成和个体间差异。已证明 TLR、Nod 样受体和 C 型凝集素等先天免疫途径在宿主-微生物群共生中发挥重要作用。例如,在先天免疫缺陷小鼠模型中,例如没有 NOD2、NLRP6 或 TLR5 的小鼠,已经报道了微生物组成的改变,也称为生态失调。相应地,先天免疫系统可能通过促进有益微生物的生长来维持稳定的肠道微生物群落。

尽管有大量关于巨噬细胞和多酚的研究涉及癌症、自身免疫性疾病、炎症和冠心病等不同领域,但很少有研究关注多酚对巨噬细胞与肠道微生物群的影响。例如,山茶科山茶属Camellia sinensis(乌龙茶、白茶、黄色茶、绿色茶、黑茶和红茶)和山苍子(鹰茶)显著减少促炎细胞因子(肿瘤坏死因子-α、IL-6 和 IL-12) 并增加脂多糖刺激的 RAW 264.7 巨噬细胞和 DSS 诱导的结肠炎小鼠模型中的抗炎细胞因子 (IL-10)。

这些茶提取物对肠道微生物群起到益生元的作用,因为它们增加了潜在有益细菌(如双歧杆菌和粪杆菌)的数量,并减少了潜在有害细菌(如粘螺菌和拟杆菌)的数量。

绿原酸通过抑制活性 NF 显着抑制 IFNγ、肿瘤坏死因子 α (TNFα) 和 IL-6 的分泌以及 CD177+ 中性粒细胞、CD3+ T 细胞和 F4/80⁺ 巨噬细胞的结肠浸润-κB 信号通路。同样,芦荟代谢产物衍生物,一种含有多酚类蒽醌的芦荟叶,可减少小鼠腹腔巨噬细胞产生的一氧化氮 (NO)、TNFα 和 IL-12。此外,芦荟的给药显着降低了巨噬细胞产生的 NO 水平,并在 脂多糖诱导的败血症小鼠中表现出对败血症相关死亡的保护作用。

在先天反应中发挥重要作用的其他免疫细胞是 DC。最近的一项研究表明,用姜黄素纳米颗粒处理会增加粪便中的丁酸水平和产生丁酸的细菌的数量。这与结肠粘膜中 CD4 + Foxp3 +调节性 T 细胞和 CD103 + CD8α 调节性 DC 的扩增增加有关,因此可以成为治疗炎症性疾病的有希望的治疗选择。这一点很重要,因为 DC 的可塑性可能使它们能够根据肠道微环境中接收到的信号调整其功能,特别是通过微生物群 。

生化分析揭示了涉及转录因子 STAT 和 NF-κB、激酶、环加氧酶 (COX) 的常见机制。事实上,多酚会阻碍 COX-2 表达、前列腺素 E2 (PGE2) 的产生、激活以及 STAT1 与干扰素调节因子 1 (IRF-1) 启动子响应 IFNγ 的 DNA 结合。多酚的作用可由激酶等不同因素提供,因为多酚预处理的 DC 抑制脂多糖 诱导的 MAPK,如 p38、JNK、ERK1/2 和 NF-κB p65 易位。

这些数据共同表明,多酚可以通过破坏 T 细胞分化、限制 DC 成熟或抑制巨噬细胞,以及随后产生促炎细胞因子的能力作用于免疫细胞。这些事件可能会促进耐受性状态,并可能限制各种病理生理障碍中的炎症过程

肠道老化和衰老

老龄化是一个生理过程,只要人口老龄化和寿命更长,它就会对社会构成巨大挑战。营养与衰老密切相关,因此良好的饮食习惯可以使衰老过程更健康。在这方面的突出点是肠道微生物群的组成随着衰老和相关疾病结果发生显著变化。肠道微生物群组成的年龄相关变化导致微生物群多样性降低,亚优势种、某些变形菌和蛋白水解菌的丰度增加,而糖分解菌的减少、优势种的丰度、厚壁菌门与硬壁菌门的比例增加。

尽管生活方式、地域和个体间存在差异,但老年人、年轻人和中年人的肠道微生物群组成差异很大。 在老年人中,随着促炎细菌的积累和有益微生物水平的降低,肠道微生物群的组成的多样性显著下降。 此外,老年人的成分变化通常与衰老相关病理的发生同时发生。肠道微生物群和饮食之间的相互作用是衰老和营养研究的一个非常有趣的领域,也是创新治疗工具的潜在目标。

Davinelli S &Scapagnini G. Biofactors. 2021

多酚在衰老中的作用已被广泛记录服用富含多酚的食物或富含这些化合物的提取物可能会降低与年龄相关疾病相关的风险因素。 多酚是潜在的抗衰老剂,因为它们能够调节许多衰老标志,包括端粒磨损、细胞衰老、自噬、氧化损伤和炎症。 尽管多酚与老化肠道微生物群之间相互作用的证据仍然有限,但越来越多的研究表明,多酚对肠道常驻菌群发挥调节作用,促进衰老过程中的肠道健康。

膳食多酚对老化肠道微生物群的潜在调节作用

肠道微生物群在衰老通常会破坏的各种生理过程中起着关键的稳态作用。

尽管关于衰老肠道的数据有限,但越来越多的临床前研究证据表明,膳食多酚治疗可以调节微生物群落的组成并预防与衰老相关的肠道菌群失调。 例如,在柠檬和芒果中发现的几种多酚已被确定为促进属于不同属的促进健康的细菌的生长,如双歧杆菌、乳杆菌、阿克曼氏菌和克里斯滕菌科

  • 柠檬多酚

据报道,长期摄入柠檬多酚可将寿命延长 3 周,并改善肠道微生物群与衰老相关的变化。 这些抗衰老作用拟杆菌属、乳杆菌属普氏菌属的积极变化有关。 他们还发现 F/B 比率有所改善,正如所讨论的,这表明肠道菌群失调与衰老相关。 据报道,越橘花青素提取物的摄入有效地调节了衰老大鼠的肠道组成,包括调节 F/B 比。食用越橘花青素后,属于乳酸杆菌属、拟杆菌属和异芽孢杆菌属的有益肠道细菌的生长被诱导。 同样的提取物还抑制了对肠道有害的细菌生长,例如 Euryarchaeota 组中的物种。因此,越橘花青素提取物成功应用于调节衰老大鼠的肠道微生物群。

  • 葡萄中酚类成分

在另一项研究长期(14 个月)摄入葡萄渣中的酚类成分对大鼠肠道微生物群的影响中发现,这种长期给药选择性地将肠道微生物群调节为更健康的表型益生菌的比例更高,梭状芽孢杆菌含量更低。因此,长期食用酚类化合物可以减少肠道细菌数量与年龄相关的变化

  • 儿茶素、花青素

多项动物研究还表明,服用儿茶素、花青素和原花青素可促进乳杆菌、双歧杆菌、阿克曼氏菌、罗斯布里亚菌和粪杆菌属的生长。在许多情况下,这些益生元效应伴随着短链脂肪酸(例如丁酸盐)产量增加和炎症介质浓度的降低。其他酚类化合物,例如木脂素和芪,在动物模型中增加了乳杆菌双歧杆菌的丰度。

  • 白藜芦醇

食用白藜芦醇可减轻结肠炎小鼠模型中的炎症状态并恢复微生物群多样性。新的证据表明,红酒中的白藜芦醇能通过支持短链脂肪酸的产生来预防阿尔茨海默病 (AD),短链脂肪酸会干扰有毒的 β-淀粉样蛋白聚集体形成。在AD背景下,白藜芦醇的消耗与较高比例的有益菌有关,例如 F. prausnitziiAkkermansia 物种和具有脑抗炎特性的产丁酸盐细菌。

  • 姜黄素

姜黄素是一种从姜黄(姜黄)根茎中分离出来的著名多酚化合物,近年来因其调节肠道微生物群组成的能力而备受关注。

在阿尔茨海默病的动物模型中,发现姜黄素治疗通过减少海马中淀粉样斑块的负担来改善认知能力。同样,姜黄素水平显着降低了拟杆菌科、普氏菌科和乳杆菌科的存在,这些菌与阿尔茨海默病发展有关。 在去卵巢的大鼠(即更年期模型)中,姜黄素能够部分逆转多样性的变化 肠道微生物群,增加 F/B 比并降低 Anaerotruncus 和 Helicobacter 属的丰度。

癌症可以被认为是一种与年龄有关的疾病,因为大多数癌症的发病率随着年龄的增长而增加。已经清楚地证明,姜黄素治疗降低了在癌症患者中发现的与癌症相关的分类群的微生物丰度(例如普氏菌属、冠状杆菌属和瘤胃球菌属)。

  • 其他多酚

此外,其他多酚已表现出作为化学预防剂的潜力。 在转基因小鼠模型中观察到,新橙皮苷是一种源自柑橘类水果的黄酮类化合物,可通过调节肠道微生物群来预防结直肠肿瘤的发生

在人类中,多酚的不同排泄特征可能与肠道微生物群组成的年龄相关变化有关。研究年龄是否影响膳食多酚的代谢,这可能与预防慢性病有关。年轻(23-43 岁)和年长(51-76 岁)的受试者遵循 3 天低多酚饮食和 3 天高多酚饮食。作者发现与年长的人相比年轻的人在摄入低多酚和高多酚饮食后,尿液中酚类物质的浓度更高。

一些饮食中含有大量的多酚,例如地中海饮食植物性饮食(例如 鱼素食、半素食 和 蛋奶素)膳食多酚对与年龄相关的肠道菌群失调的影响是有限的,多酚或富含多酚的饮食的益处可能是由肠道微生物群反应介导的,这种反应可以减少与年龄相关的功能衰退的影响并改善肠道微生物群的改变

最近一项针对 20 名 65 岁以上肥胖女性的小型干预研究显示,坚持地中海饮食可显著抵消在肥胖受试者中观察到的较低水平的 AkkermansiaParabacteroides 和 短链脂肪酸产生菌。该干预措施还降低了通常与肥胖相关的柯林斯氏菌的丰度。

在一项通过多酚进行微生物组操作以管理老年人的肠漏的随机、对照、交叉试验中,富含多酚的饮食模式显着改善了 60 岁以上受试者的肠道通透性和血清 zonulin 水平。同样,纤维发酵显著增加干预后观察到产生丁酸盐的细菌。瘤胃球菌科成员和粪杆菌属细菌受饮食干预的影响最大。在一项临床试验中,39 名 60 岁以上的绝经后妇女连续 2 年每天摄入 100 毫克膳食异黄酮。补充剂增加了球状梭菌,直肠真杆菌、乳酸杆菌,肠球菌群和双歧杆菌属。

综上所述,这些结果表明多酚可以调节老年受试者的肠道微生物群,从而有助于维持肠道稳态并改善人类衰老

05 通过膳食多酚靶向肠道微生物促进宿主健康

Vemana Gowd, et al.,Trends in Food Science & Technology, 2019

糖尿病

糖尿病是21世纪全球关注的健康问题之一,并且还在快速增长。2019 年,全球糖尿病患者人数估计为 4.63 亿,预计到 2045 年这一数字将达到 7 亿。

胰岛素是负责血糖调节的关键激素,在正常情况下,胰岛 β 细胞分泌的胰岛素会减少肝脏的葡萄糖输出,并增加骨骼肌和脂肪组织的葡萄糖摄取。这种状态被称为正常血糖——胰岛素作用和胰岛素分泌之间的平衡。

然而,如果肝脏、骨骼肌或脂肪组织的胰腺 β 细胞功能障碍和/或胰岛素抵抗,全身葡萄糖浓度会增加(高血糖)。

  • 糖尿病患者的菌群变化

最近的证据表明,糖尿病人和非糖尿病人的肠道微生物群的数量和组成存在差异。中国 2 型糖尿病成人的粪便微生物群组成结果表明,血糖水平与拟杆菌:硬壁菌的比例以及拟杆菌-普氏菌、球状梭菌-直肠真细菌的比例呈显著正相关。同样,与非糖尿病志愿者相比,发现糖尿病志愿者中的β 变形菌属丰富,血浆葡萄糖水平之间呈正相关。此外,厚壁菌门和梭菌纲的比例在糖尿病组明显减少

另一项对欧洲 2 型糖尿病女性进行的类似研究表明,条件致病性梭状芽孢杆菌的数量增加,而丁酸盐形成细菌Roseburia的数量减少,这导致患有糖尿病的个体的胰岛素敏感性得到改善。

  • 多酚改善糖尿病

蔓越莓提取物:

根据主要在啮齿动物模型中的临床前实验推测,多酚可能直接取决于其吸收率或间接(即通过调节肠道微生物群)表现出抗糖尿病活性口服富含多酚的蔓越莓提取物(200 毫克/千克/天)8 周显着改善了代谢综合征相关的适应症,包括高脂高糖喂养小鼠的胰岛素敏感性,获得的有益效果归因于肠道中Akkermansia spp的比例增加。

石斛:

石斛富含多酚提取物通过几种可能的机制改善小鼠糖尿病的症状和并发症,一是通过减少炎症和氧化应激,二是增强肠道微生物群平衡

黄芩素:

在另一项体外研究中,来自两个小鼠组的肠道微生物群都将黄芩素(主要的黄酮糖苷)转化为(黄芩素)去糖基化。有趣的是,与健康粪便样品相比,黄芩苷的代谢物具有更好的吸收率,有助于治疗 2 型糖尿病

黑莓:

由于微生物发酵过程中产生的代谢物具有更高的生物活性,因此发现黑莓的人体肠道微生物代谢物具有更高的抗糖尿病活性。通过这种方式,加入黑莓后,HepG2 细胞中的葡萄糖消耗和糖原含量显着增加

癌症

多酚在癌症中的积极作用已被广泛报道。从癌症的角度来看,几种分子、富含多酚的食物,甚至饮食模式都可能令人感兴趣姜黄素是这些富含多酚的食物之一。姜黄素对减少结肠肿瘤负荷的化学预防作用与保持高微生物多样性有关。另一方面,姜黄素通过靶向癌症干细胞亚群增强对基于 5-FU 的化疗的化学敏感性的有趣作用。

  • 前列腺癌

癌症中一些最有趣的证据来自前列腺癌。前列腺癌是男性第二大常见癌症,其外部因素包括营养,严重影响前列腺癌风险。已经证明,食用大量 flavan-3-ol 和富含鞣花单宁的产品,如绿茶和石榴制剂,似乎可以降低患前列腺癌的风险

在动物研究中,经口摄入其中一些产品已被证明可以抑制前列腺癌的发展,并且有流行病学证据。尽管如此,石榴提取物在前列腺癌患者中的临床试验并未提供明确的结果。缺乏积极影响的原因可能是体内活性浓度较低或多酚与微生物群的相互作用。从这个意义上说,鞣花单宁和绿茶 flavan-3-ols 都被肠道微生物群分解代谢,其中主要的生物可利用产物是尿石素 A (uroA) 和 (聚) 羟苯基-γ-戊内酯 (M4)。

  • 结直肠癌

结直肠癌(CRC)已被记录为常见的癌症类型之一。CRC的常规治疗包括手术和化疗。不幸的是,化疗会引起细胞毒性作用、耐药性和不良反应。

大量科学证据已将西方饮食模式与 CRC 风险增加联系起来,而地中海饮食和素食与 CRC 风险较低相关。地中海饮食中广泛存在的一些酚类化合物是阿魏酸(来自全谷物)、儿茶素(来自核桃和苹果)、羟基酪醇(来自橄榄油)和柚皮素(来自西红柿)。

饮食中存在的特定饮食成分,如姜黄素、表没食子儿茶素没食子酸酯、白藜芦醇和羟基酪醇已被提议作为化学预防剂,能够通过调节在 CRC 发病中起关键作用的生物学机制来延缓 CRC 的发展。

白藜芦醇(一种从中草药虎杖中提取的多酚),已被证明对结直肠癌具有凋亡和抗增殖作用,影响 MALAT1 (转移相关肺腺癌转录本1) 表达抑制侵袭和转移。表没食子儿茶素没食子酸酯已在结肠癌细胞系中进行了研究,它通过抑制 Akt、p38MAPK、细胞周期蛋白 D1 以及下调 ErbB2、ErbB3 和 EGFR 来诱导生长抑制。葡萄籽提取物诱导细胞凋亡并抑制 CaCo-2 细胞的活力。

黑树莓干预(饮食中含有 10% 的黑树莓)对肠道荷瘤小鼠的影响。已经表明,黑树莓给药改变了健康小鼠和荷瘤小鼠的肠道微生物组成,这可能对结直肠癌的发生和进展具有保护作用。

肥胖

体重指数 (BMI) 等于或大于 30 变得越来越普遍,特别是在发达国家,由于人们采用了少动的现代生活方式且饮食不健康,会导致体内获得和消耗的能量不平衡,因此多余的能量会导致体内脂肪储存过多。然而,不应只将肥胖视为影响某些人的美容问题,更重要的是肥胖与多种健康问题(如 2 型糖尿病、冠心病、某些类型的癌症和睡眠呼吸)之间存在关联。肥胖的发生是由影响能量摄入和消耗的环境、遗传和生理因素的相互作用决定的。

肠道微生物群是参与肥胖发展的环境因素之一。先前的研究表明,肠道微生物群在脂肪量的形成和能量稳态的改变中起着重要作用。

对无菌小鼠(在没有任何微生物的情况下生长的无菌小鼠)进行的几项研究表明,无菌小鼠比肠道中含有微生物群的小鼠更瘦。此外,发现肥胖微生物组从饮食中获取能量的能力更高,最重要的是,当将肥胖小鼠的肠道微生物群移植到无菌小鼠时,这会导致比瘦小鼠移植时更高的脂肪沉积。

人体研究还表明,肠道微生物组成会因肥胖而发生变化。与瘦人相比,肥胖者的厚壁菌:拟杆菌比率增加,并且该比率随着个人通过两种低热量饮食减轻体重而降低。然而,这在其他研究中并没有被观察到。

几个研究小组研究了酚类化合物对肥胖肠道微生物群的调节,以解释酚类化合物与肠道微生物群之间的相互作用。很明显,膳食多酚及其代谢物通过刺激有益细菌的生长改变肠道微生物组成,同时抑制病原体细菌,从而对促进肠道健康产生积极影响乌龙茶、红茶和绿茶中的多酚已被证明通过增加双歧杆菌属、乳杆菌属来显著影响微生物组成属和肠球菌属。同时增加短链脂肪酸的产生,减少普氏菌、拟杆菌的产生。

李子中的酚类化合物与肠道微生物群的调节(例如,粪杆菌属、乳杆菌属和拟杆菌属的增加)一起限制体重增加,并减少肥胖大鼠的粪便短链脂肪酸,槲皮素类似。

另一方面,肥胖通常被认为是一种慢性低度炎症。这种情况涉及炎症细胞因子(如 TNF-α、IL-1β 和 CCL2)在脂肪组织中的积累,以及巨噬细胞、肥大细胞和自然杀伤 T 细胞的增加。发现肥胖小鼠的炎症通过产生胰高血糖素样肽 2 被下调,胰高血糖素样肽 2 降低了肠道通透性,从而减少了脂多糖的易位,同时改变了肠道微生物群。因此,肥胖的炎症标志物可以通过多酚的结肠发酵来抑制,多酚已被证明可以促进双歧杆菌的生长

心血管疾病

世界卫生组织建议一项重要的生活方式改变就是增加水果、蔬菜和纤维的摄入量,以降低患心血管疾病等非传染性疾病的风险心血管疾病,包括中风、心力衰竭和高血压,是发达国家最常见的死亡原因。目前的研究强调了多酚在预防此类疾病方面的新兴作用,作为人类饮食的一部分,并将摄入多酚含量高的食物(即可可、茶、酒、水果和蔬菜)与减少心血管疾病相关联。据报道,高多酚摄入量,尤其是芪和木脂素,与死亡率降低相关。

食用羟基肉桂酸和类黄酮的食物来源可降低高血压,这是心血管疾病的主要危险因素之一。同样,对巴西人口咖啡消费量的分析显示,与高血压呈负相关咖啡是影响酚酸摄入量的主要食物。最近的研究报告称,摄入 flavan-3-ol 含量高的食物(如茶、坚果、可可、葡萄和豆类)对血压和胆固醇水平有积极影响。从 1975 年到 2010 年,对 953 名参与者进行了一项关于食用黑巧克力和可可对心血管有益的研究。巧克力摄入量与 2 型糖尿病呈负相关,可降低发生中风或缺血性心脏病的可能性。

心血管疾病风险相关的因素之一是三甲胺 N-氧化物 (TMAO),这是一种由结肠微生物群(如变形杆菌、空气杆菌、梭状芽孢杆菌和志贺氏菌)代谢左旋肉碱和胆碱产生的氧化胺。几种含有大量左旋肉碱、卵磷脂和胆碱的食物,如红肉、鸡蛋和咸水鱼,已被认为是 TMAO 的膳食来源。通过定期摄入抗氧化剂和抗菌食物(如多酚)来改变肠道微生物群,是降低心血管疾病风险的目标之一。例如,白藜芦醇抑制变形杆菌毒力因子的表达。鞣花单宁是悬钩子属和草莓属果实中的主要酚类化合物,对选定的革兰氏阴性肠道细菌(如梭状芽孢杆菌)的生长显示出参与 TMAO 代谢。一个在体内对小鼠模型的研究表明白藜芦醇在TMAO水平的降低的能力,修改菌群组合物与在增加乳杆菌属和双歧杆菌生长。研究表明,富含多酚(特别是白藜芦醇)的葡萄渣的新型营养制剂,能够重塑微生物群并降低健康受试者的 TMAO 水平以及心血管疾病的风险。

多酚摄入对局部的有益影响

来自体外和体内研究、临床试验和荟萃分析的新证据表明,定期摄入多酚可以改善人类健康并降低慢性和炎症性疾病的风险炎症过程在许多病理状况的发展和进展中起着核心作用,例如炎症性肠病 (IBD)。IBD 的全球发病率和流行率使其成为全球疾病。在 IBD 中,慢性炎症会导致粘膜破坏以及 ROS 的大量产生,并可能导致癌症的发生、进展和转移扩散。多酚是有效的抗炎化合物,可以为 IBD 管理提供一个有趣的替代候选者。对草莓花青素进行的研究强调了它们的抗 IBD 作用,主要归因于它们的自由基清除和抗炎特性

浆果和苹果对结肠癌的保护作用已在小鼠模型中得到证实,特别是绿茶多酚被发现可增强抗氧化反应,减少炎症标志物(IL-6、TNF-α 和血清淀粉样蛋白 A),以类似于柳氮磺胺吡啶( IBD 治疗中使用的常规药物)的流行病学、临床前和临床研究一直强调肠道微生物群、大肠炎症和结肠直肠之间的重要关系

浆果以其原花青素含量高为特征,因其促进健康,主要针对高血压、出血和一般氧化作用。柿子中存在的黄酮类化合物漆黄素也通过降低结肠炎结肠组织中 COX-2 和 iNOS 的表达降低结肠炎的严重程度。结肠炎是结直肠癌的诱发因素之一,食用柿子作为黄酮类化合物的来源对于预防它很重要。

多酚提取物的发酵对菌群的影响

de los Reyes-Gavilán CG,et al., Biomed Res Int. 2015

06 响应多酚消耗的个体间差异:寻找造成影响的推定驱动因素

对药物给药的临床反应因人而异。同样,越来越多的证据表明某些膳食(多)酚的代谢存在个体差异,例如异黄酮、黄烷酮、茶儿茶素、鞣花单宁等。与此同时,由于获得的结果的标准偏差很大,其他研究也开始对观察到的效果的统计显着性提出争议

在这方面,广泛的(多)酚结构被认为是影响其代谢的关键因素,并且可能是对 CVD 风险生物标志物影响的广泛可变性背后的原因。然而,尽管膳食(多)酚在结构上不同,但许多具有相同的多目标作用机制

多酚消耗的反应存在显着的个体差异。总的来说,这避免了声称多酚对整个人群产生健康影响的说法,这可能是欧洲食品安全局拒绝多酚的许多健康声明的原因。相反,许多特定变量的参与导致我们提出个性化的饮食建议,这些建议考虑个人条件(性别、年龄、基因组成、生活方式、生理状态和肠道微生物群)和其他方面(食物基质和加工、饮食模式等)。似乎并非所有这些条件和方面都必须同等贡献。然而,每个贡献者的可能重要性权重是未知的

在过去的十年中,多酚与肠道微生物群之间的双向相互作用由多酚调节微生物群和由微生物群代谢多酚作为解决肠道菌群问题的新部分引起了人们的关注。 在寻找参与最终(多)苯酚健康影响的主要参与者时,越来越多的证据已经确定其衍生的微生物代谢物可能与建立(多)苯酚的生物活性有关。然而,肠道微生物群和膳食(多)酚之间的双向相互作用也是检测到的个体差异的主要驱动因素

除了摄入的(多)酚和/或其衍生微生物衍生物可能发挥的生物活性外,每个人的肠道微生物群,包括参与(多)酚代谢的微生物群,也与解释最终影响有关。例如,黄豆苷元衍生的代谢物雌马酚被认为比其黄豆苷元前体更具生物活性,并且似乎在一些能够产生雌马酚的个体(即“雌马酚生产者”)中占主导地位。同样,血液中存在尿石素最初被认为是食用含有非生物可利用的尿石素前体鞣花单宁的食物后观察到的影响背后的合理解释。然而,并非所有个体都会产生相同的尿石素,也并非具有相同的相关肠道微生物群。虽然已经全面确定了影响个人对多酚消费反应的决定因素,作用与摄入多酚和/或其衍生代谢物之间的关系尚无定论。

将观察到的活动与循环(或排泄)酚类代谢物或其微生物衍生物同时存在联系起来的研究可能受到许多变量的影响,这些变量阻止了既定的因果关系。在这方面,虽然局部影响可能对系统水平产生影响,并且反之亦然,摄入的(多)酚作用的可能部位,即胃肠道或全身,可能是寻找可能的因果关系的第一个标准。

07 总结

多酚的摄入量和生物利用度决定了它们对健康的影响。尽管我们的饮食中含有大量多酚,但这些单个多酚分子的血浆浓度很少超过微摩尔水平。然而,关于血浆抗氧化能力的研究表明,血浆中仍然存在大量酚类化合物,主要以代谢物的形式存在,可能在组织中产生或通过肠道微生物群的作用产生。迄今为止,已经进行了几项研究,以了解结肠微生物群对多酚的生物转化并确定相关微生物。另一方面,还评估了酚类化合物对肠道微生物群组成的调节,以呈现酚类物质和肠道微生物群之间的相互作用。

基于这些研究,很明显,膳食多酚及其代谢物通过像益生元一样发挥作用并以积极的方式调节肠道微生物组成,从而促进肠道健康,其中有益微生物的生长受到刺激,而病原体受到抑制。多酚存在于多种健康食品中,包括蔬菜、水果等。临床前和临床研究的证据表明益生元对多酚有影响。富含多酚的植物、它们的提取物,甚至单个化合物对肠道健康的积极影响,可用作预防或治疗与氧化应激和炎症相关的各种疾病的替代方法。鉴于多酚在消化和吸收过程中可能会发生显着变化,并且变化的形式可能具有不同的生物学特性和作用力,因此未来的研究还应考虑其肠道菌群及其代谢行为,这可能会影响健康和疾病的改善治疗结果。

主要参考文献

Davinelli S, Scapagnini G. Interactions between dietary polyphenols and aging gut microbiota: A review. Biofactors. 2021 Sep 24. doi: 10.1002/biof.1785. Epub ahead of print. PMID: 34559427.

Gizem Catalkaya,Koen Venema,Luigi Lucini,et al., Interaction of dietary polyphenols and gut microbiota: Microbial metabolism of polyphenols, influence on the gut microbiota, and implications on host health. Food frontiers. 2020 June 22

Iglesias-Aguirre CE, Cortés-Martín A, Ávila-Gálvez MÁ, Giménez-Bastida JA, Selma MV, González-Sarrías A, Espín JC. Main drivers of (poly)phenol effects on human health: metabolite production and/or gut microbiota-associated metabotypes? Food Funct. 2021 Sep 24. doi: 10.1039/d1fo02033a. Epub ahead of print. PMID: 34558584.

Westfall S, Pasinetti GM. The Gut Microbiota Links Dietary Polyphenols With Management of Psychiatric Mood Disorders. Front Neurosci. 2019;13:1196.

Vg A , Nk A , Mris A , et al. Dietary polyphenols to combat the metabolic diseases via altering gut microbiota[J]. Trends in Food Science & Technology, 2019, 93:81-93.

Jamar G, Estadella D, Pisani LP. Contribution of anthocyanin-rich foods in obesity control through gut microbiota interactions. Biofactors. 2017 Jul 8;43(4):507-516.

Roopchand DE, Carmody RN, Kuhn P, Moskal K, Rojas-Silva P, Turnbaugh PJ, Raskin I. Dietary Polyphenols Promote Growth of the Gut Bacterium Akkermansia muciniphila and Attenuate High-Fat Diet-Induced Metabolic Syndrome. Diabetes. 2015 Aug;64(8):2847-58. doi: 10.2337/db14-1916.

Molinari R, Merendino N, Costantini L. Polyphenols as modulators of pre-established gut microbiota dysbiosis: State-of-the-art. Biofactors. 2021 Aug 16.


肠道气体带来什么影响,饮食如何对其产生作用?

谷禾健康

在开始本文之前,首先祝祖国母亲生日快乐!

是祖国的繁荣昌盛

成就我们无限可能

目光所致皆为华夏

五星闪耀皆为信仰

-正文-

我们知道肠道微生物群影响健康。然而肠道的内部工作机制较为复杂,不仅有各种微生物,也包括它们产生的气体,比如二氧化碳、氢、甲烷和硫化氢以及各种微量气体,都是由肠道内的化学相互作用和微生物群产生的。

分析这些肠道气体及其对饮食变化的反应可以揭示肠道微生物群的产物和功能及其对人类健康的影响。更好地理解肠道内产生气体的复杂相互作用将提高我们预防、诊断、治疗和监测许多胃肠道疾病的能力。

本文主要概述了肠道气体的生理学及其在胃肠道疾病中的作用,并讨论了目前对肠道主要气体成分、其产生来源及其与饮食摄入的关系的认识。

01肠道气体生理学

了解肠道气体的生理学,无论是由微生物发酵还是化学活动产生的,是了解其对人类健康影响的第一步。

气体和食物沿着肠道的运输

» 气体成分

主要的肠道气体

氮气(N2)、氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)、甲烷(CH4)

其他气体(以微量浓度存在):

硫化氢(H2S)、一氧化氮(NO)和含硫化合物等

» 肠道气体产生与分布

肠道气体可溶解在肠道的液体成分中,或以气体形式保留在顶空气体中。气体可能通过吞食进入肠道,也可能通过内部化学反应或细菌发酵产生

在肠道中,氧气(完全)和N2(大部分)来自吞食的空气(尽管少量N2是通过结肠中蛋白质的微生物反硝化作用产生的)。由于N2在通过肠道期间未被吸收或代谢,因此其水平在整个胃肠道内保持合理稳定。

相反,肠道在整个长度内变得越来越无氧,随着管腔微生物数量的增加,氧气浓度逐步降低;因此,结肠中的氧气浓度非常低。(见下图 ↓↓)

  • 胃和小肠

胃和小肠中的二氧化碳部分是通过化学反应产生的,虽然一些吞咽的呼吸性二氧化碳确实会与胃中的气体成分混合。

  • 近端小肠

在近端小肠中,碳酸氢盐(HCO3), 由胰腺分泌,与十二指肠胃食糜中的盐酸(HCl)发生化学反应,使管腔内pH值从酸性(~3)增加到接近中性(~7.4),并产生CO2.

  • 远端小肠和结肠

在远端小肠和结肠中,肠道气体的产生主要来自微生物群。

氢气和二氧化碳:大多是在碳水化合物发酵过程中释放的(在较小程度上是内源性蛋白质和膳食蛋白质造成)

甲烷:是由大肠内古菌代谢二氧化碳和氢气产生的

硫化氢、含硫微量气体:是在蛋白质发酵过程中产生的,由硫还原菌还原硫酸盐和亚硫酸盐。

个体之间气体产生模式的巨大差异,并且与肠道微生物群的性质和可用底物有关。产气的底物主要是饮食,但粘液和糖蛋白的内源性分泌也起作用。

» 腔内微生物群和肠道气体

肠道微生物群是小肠和结肠产气的来源,其组成在个体内部和个体之间存在相当大的多样性。

虽然肠道微生物群的丰度比率差异很大,但五门涵盖了每人约160种的绝大多数,其中大多数属于拟杆菌门和厚壁菌门

  • 拟杆菌属细菌利用多种底物来产生气体和进行一般代谢。
  • 虽然厚壁菌门的细菌占结肠内物种多样性的一半以上,但它们的全部功能,特别是在发酵和产气方面,尚未得到充分的探索。

许多因素影响肠道微生物群的组成。由于功能和微环境的变化,胃肠道中的位置决定了存在的微生物的数量和类型

胃中的微生物含量较低,且大多限制在每毫升约103个微生物细胞,而微生物数量沿肠道长度增加,在结肠中达到每毫升1010–1012个微生物细胞。

宿主因素,尤其是早期接触,在决定个体中发现的独特细菌组合方面起着关键作用。由于两岁后肠道菌群组成更加稳定,所以两岁前后的气体分布有很大的不同。所产生的气体的体积和分布在很大程度上取决于细菌和基质的丰度

在健康人的胃肠道中,小肠近端产生的气体含量最低,而回肠和结肠的气体含量明显增加

尽管微生物成分多样,但肠道微生物群总体具有类似于器官的关键功能特征。膳食碳水化合物的微生物发酵主要导致气体和短链脂肪酸的形成,后者直接影响宿主的健康。肠道微生物群还产生一系列具有不同功能的酶,包括复杂饮食基质的降解,从而影响气体分布。不同人群有不同情况,下一章节了解下病理生理学中的肠道气体。

02 肠道病理生理学中的肠道气体

阐明胃肠道症状和肠道气体之间的精确关系是未来生成气体特征库的关键,这些特征库可用于预防、诊断和监测胃肠道疾病。

◢ 胃肠道症状

胃肠道气体通常被认为是引起多种胃肠道症状的原因,这些症状可能发生在健康人或胃肠道疾病患者身上。

  • 排出气体——打嗝放屁

过度打嗝可能是由于非自愿吸入食道的空气排出(胃上打嗝)或吞咽的空气或气体饮料排出(胃打嗝)。

排气(胀气)是正常现象,但如果(或被认为)过多和/或恶臭,则可能是一个问题。过度胀气是吃了富含不易消化可高度发酵的碳水化合物的食物的症状之一。

然而,一般来说,腹胀伴或不伴腹痛与产气过量无关,而是内脏敏感性改变的表现,或者在某些个体中,通过蠕动推进清除腔中气体的能力。

例如,在健康人和IBS患者中,服用乳果糖(一种不可消化的双糖)与结肠产气(如呼吸中H2水平显著增加所示)和腹胀有关,但只有IBS患者出现疼痛和腹胀症状。在摄入菊粉(一种高度发酵的益生元)后也有类似的发现,之后MRI显示的气态结肠扩张与IBS患者的疼痛有关,但在健康人中没有。

总的来说,排气(放P)的一些原因如下:

  • 气体积聚

滞留在结肠中的未消化食物残渣会增加结肠细菌的发酵,从而产生气体。

  • 吞咽空气

吞咽空气的无意识习惯会在胃中积聚,但最终会以胀气的形式逃逸。肌肉发生变化后,空气会被排入胃中,这些变化允许吸入空气,并且试图通过打嗝排出空气的尝试无效。

  • 低胃酸

这种胃酸过少的情况会抑制消化运动并引发消化紊乱,从而增加细菌发酵。在胃酸过低的情况下,未消化的食物颗粒会被某些细菌代谢,从而导致腹胀和排气。

  • 便秘

食物在消化系统中停留的时间越长,细菌发酵和肠道气体产生过多的风险就越大。

  • 肠道微生物群异常

产生的气体取决于肠道微生物群的健康状况。存在于消化系统中的支持性细菌和有害细菌的组成因人而异。这种微生物组组成会容易产生过多的气体。

肠道气体也可能对肠道产生直接影响,除了通过所谓的气体传递素效应增加肠道容积的作用外。例如,CH4在减缓胃肠运动中的作用或H2S在调节运动和内脏敏感性中的作用已被记录。

◢ 胃肠道疾病

微生物群和气体分子在胃肠道炎症和功能性疾病的发病机制中也具有重要作用。肠道缺氧和气态条件的调节会影响肠道微生物群及其功能。这种方法有可能改变短链脂肪酸的产生,短链脂肪酸具有多种稳态、抗炎、抗伤害和抗致癌作用。

粘膜通透性决定胃肠道内容物和体液交换的效率,并受食物分解和加工的影响

在肠道中,氧化还原相关的气体物质是由化学反应、酶反应和细菌活动产生的,而这些反应反过来又改变了肠道粘膜的微生物生态系统。由于肠道的粘膜表面被各种微生物定植,异常的粘膜定植可导致局部粘膜和免疫系统的改变,进而导致胃肠道疾病的发病机制

摄入可能改变微生物群落结构的膳食成分,单独或添加益生元和益生菌,可以潜在地逆转黏膜定殖肠道菌群的病理变化

此外,肠粘膜的健康对热应激高度敏感,热应激可改变粘膜血流。血流量越高,通过粘膜溶解到血液中的气体越多,从而能够通过血流量更有效地清除肠道气体。通过使用提高气体渗透性的膳食添加剂,如肉桂,可以改善粘膜完整性。

IBD

与健康对照组相比,IBD患者的H2S、NO和VOCs(如氨、胺、戊烷、乙烷、丙烷、辛烯、甲基己烷和癸烯)水平有所升高

已证明,饮食中的氨基酸组成和蛋白质消化率在改变IBD患者粪便中的VOC分布方面具有关键作用。此外,H2S通过其对平滑肌的作用参与结肠顺应性的调节,并与结肠伤害性感受和IBD有关。

03 特定气体与肠道内稳态

肠道气体由化学或肠道微生物群产生,根据其类型,可能对肠道内环境稳定产生一系列影响。

二氧化碳 (CO2

当胰腺中含有HCO3时,上消化道会产生CO2 与胃中的盐酸反应,大部分被吸收和/或排出。每次摄入食物后,在胃中或肠道其他部分(未被微生物群缓冲)都会产生CO2

此外,CO2是远端小肠和结肠中碳水化合物细菌发酵过程中产生的主要气体

二氧化碳是一种惰性气体,因此,除了通过体积相关效应进行机械刺激外,可能没有其他特殊作用。与其他气体相比,它被被动吸收到循环中的速度相对较快,然后通过呼气排出

氢气 (H2

细菌发酵是肠道产生H2的主要来源,产氢气的菌:

罗氏菌属Roseburia,瘤胃球菌属Ruminococcus,真杆菌属Eubacterium,梭状芽孢杆菌属,拟杆菌属

当肠道厌氧菌使用未完全氧化的营养基质(如丙酮酸盐)作为末端电子受体,部分减少它们以产生能量时,就会发生发酵;还原的吡啶和黄嘌呤核苷酸被再氧化以维持氧化还原平衡(下图)。

细菌产氢的其他途径包括丙酮酸裂解成甲酸盐或丙酮酸通过丙酮酸合成酶(如丙酮酸-铁氧还蛋白氧化还原酶)和氢化酶的活性生成。

氢气的产生通过三个主要机制进行调节。

1. H2分压的增加在热力学上限制了进一步发酵

2. H2的产生是通过粘膜吸收部分排泄来平衡的,然后通过肺排出体外。

3. 三类主要的氢营养(利用H2)微生物将H2转化为其他化学物质,如CH4(通过产甲烷古菌)、H2S(通过硫酸盐还原菌)、乙酸盐(通过还原性丙酮)。

▲ 微生物将氢气转化为甲烷

Methanobrevibacter smithii是人类肠道微生物组中数量最多的产甲烷菌,在粪便中的含量高达 109 CFU/g. 研究表明,在结肠样本中发现产甲烷菌的比例范围从 < 103到超过 10CFU/g粪便。

最近,发现了一种新的甲烷形成途径,它使用细菌铁固氮酶从 CO2 中产生甲烷。纯铁固氮酶存在于多种微生物中,可能通过向厌氧代谢CH4的古菌和好氧嗜甲烷菌提供CH4,作为碳源和能量源,在调节微生物群落结构中发挥重要作用。

▲ 微生物将氢气转化为硫化物

在结肠中,产甲烷菌并不是唯一能够利用 H2的微生物群。硫酸盐还原菌能够还原硫酸盐作为其末端电子受体,形成硫化氢气体(H2S 或 HS)。这种生化途径能够利用来自众多电子供体的还原当量,包括:乳酸、丙酮酸、乙醇、甲酸、短链脂肪酸和氨基酸。与产甲烷类似,硫酸盐还原为硫化氢气体是通过电子传递链进行的。

脱硫弧菌属中发现了对 H2具有最高活性和亲和力的硫酸盐还原菌,其含量为104 –1011 CFU/g 湿重。

  • 在利用氢气方面,硫酸盐还原菌胜过产甲烷菌

由于肠道微生物群中的硫酸盐还原菌和产甲烷菌竞争相同的 H2 ,决定性因素是用于硫化氢生产的硫酸盐的可用性。然而,从能量上讲,硫化氢生成是比甲烷生成更有利的反应。人类粪便样本的筛选试验表明,患者通常携带产甲烷菌或硫酸盐还原菌,但在H2丰富的情况下,有报告称两者都存在并具有活性

在小鼠模型中比较产甲烷菌和H2S生成的体内研究证实,当产甲烷菌和H2S生成菌都存在时,并且在可用硫酸盐丰富的地方,H2S生成占主导地位可行的产甲烷菌低于检测限值。通过减少可用硫酸盐的数量,甲烷生成已被证明是可回收的,这表明H2S生产和甲烷生成之间存在直接的反向联系,并证实硫酸盐还原菌在利用氢气方面胜过甲烷生成菌

▲ 微生物将氢气转化为乙酸盐

利用肠道微生物发酵产生的H2的第三种机制是通过产乙酸作用,这是细菌利用分子H2作为还原当量来源将CO2还原为乙酸盐的途径

WLP是一种多步骤酶促途径,利用八种还原当量和两种CO2形成醋酸盐(下图)。整个反应产生的能量甚至低于产甲烷或硫化物生成,ΔG′=−95kJ/mol. 在乙酰辅酶A最终底物水平磷酸化为乙酸盐期间,ATP由ADP生成。

然而,最近有人提出,它可能是一种再生氧化吡啶核苷酸和Fd以维持细胞内氧化还原平衡的方法,而不是作为能量产生途径的乙酸生成。许多产乙酸细菌存在于电子受体稀缺的厌氧环境中,产乙酸细菌通过WLP将CO2用作电子受体的能力使其具有竞争优势。此外,大多数丙酮能够使用许多不同的电子受体和电子供体,使它们能够很好地适应其环境的能量和氧化还原要求。

微生物群产生的H2可通过饮食调节。例如,难以消化的膳食碳水化合物的发酵通常会增加H2的产生(在下一章节详述)。H2与其他气体的比率也可能因膳食发酵基质的可用性而不同。例如,纤维素和玉米麸皮可增加H2产量,但不影响CH4产量。

甲烷 (CH4

当产甲烷古细菌使用H2或甲酸盐作为电子供体还原CO2或甲醇时,会产生管腔CH4.

结肠产甲烷菌丰度的个体间差异很大

在人类胃肠道中,史密斯产甲烷短杆菌(Methanobrevibacter smithii)是负责将CO2和H2转化为甲烷的主要产甲烷菌。在呼吸中检测到甲烷导致将个体分类为“甲烷生产者”或“甲烷非生产者”。然而,由于在许多甲烷非产生者的粪便中仍发现产甲烷菌,这种分类似乎是人为的,甲烷的检测可能与呼吸中是否产生足够水平的甲烷有关。每克粪便中存在浓度>1×108菌落形成单位(CFU)的产甲烷菌已被认为是导致呼吸中甲烷可检测水平的必要条件。

CH4的产生也受饮食基质的数量和类型的影响

例如,在健康人群中,饮食中含有大量不易吸收和消化的可发酵短链碳水化合物(称为FODMAPs),导致CH4生成量显著减少,H2量相应增加(通过呼吸试验检测到)。这种效应在IBS患者中并不显著,IBS患者的气体总量减少与症状的产生高度相关。此外,摄入木聚糖和果胶会增加CH4的呼吸水平,而乳果糖则不会。

由于不同地区不同人群的肠道微生物群和饮食模式差异很大,因此被归类为CH4产生者的人口比例因种族而异也就不足为奇了。例如,一半的以色列成年人口和高比例的北非和中东个人是CH4生产商,而在西方人口中,只有三分之一的个人是CH4生产商。

在CH4生产者队列中,CH4产量随着年龄的增长而增加。事实上,在3岁之前没有检测到呼吸CH4,但从近0%增加到6%。以色列3-4岁年龄组为4%,8-14岁年龄组为18%,成人约为50%.

 CH4作为一种气体传递素也具有生理效应

事实上,CH4减缓结肠运动,与便秘有关。此外,由于CH4的存在将其“母体”分子(H2和CO2)占据的体积减少了约20%,因此减少了体积效应。CH4抑制胃肠运动,这一点可以从它与慢传输便秘的密切关系中看出。

在临床环境中,诊断试验中呼气中CH4谱的价值比H2更具争议性,但在诊断试验碳水化合物吸收不良(例如,IBS患者)时,当个体对不可消化的碳水化合物没有产生可测量的H2呼气水平时,CH4谱在诊断试验中具有作用。因此,CH4测量通常与H2分析一起使用,以提高诊断的整体准确性。

硫化氢 (H2S)

★ 硫化氢的产生

人体内硫化氢的生物生成主要通过两条途径进行:内源性专门酶和作为肠道微生物群内微生物代谢途径的终产物或中间产物。

◥ 途径一:来自微生物群的硫化氢

肠道微生物组代谢半胱氨酸和蛋氨酸,以产生含硫结构、代谢物、信号分子和细胞能量学。硫酸盐还原细菌利用硫代硫酸盐生成硫化氢。在结肠腔内,几种细菌能够将Cys转化为H2S。

许多菌群(梭杆菌属、梭菌属、大肠杆菌属、沙门氏菌属、克雷伯氏菌属、链球菌属、脱硫弧菌属、肠杆菌属)通过半胱氨酸脱硫酶将Cys转化为H2S、氨和丙酮酸。

特别是,大肠杆菌鼠伤寒沙门氏菌缺乏将蛋氨酸转化为半胱氨酸的酶。因此,这些物种不能使用蛋氨酸作为生长的来源。

相比之下,梭杆菌至少有四个基因编码催化H2S产生的不同酶。

微生物群的存在不仅与某些肠道(结肠和盲肠)中的游离H2S浓度较高有关,而且与血浆中的游离H2S浓度较高有关。

微生物群的存在对CSE活性和Cys生物利用度有影响

一种可能的解释是,细菌产物泄漏到血液中,并诱导产生H2S的酶。另一种可能性是,在常规小鼠的血液和组织中发现的H2S生物等效物的一部分是由肠腔中的硫代谢细菌产生的。此外,个人饮食的特点和组成可能会对肠道中的硫铝酸盐浓度产生影响。

◥ 途径二:内源性产生H2S的酶

哺乳动物内源性产生硫化氢由三种酶进行:

CBS、CSE、MST

注:CBS 胱硫醚β合酶;CSE 胱硫氨酸γ-裂解酶;

MST 3-巯基丙酮酸硫转移酶

CBS和CSE是转硫途径中依赖吡哆醛5’磷酸(PLP-)的酶,可将同型半胱氨酸转化为半胱氨酸。细胞中所有可用的同型半胱氨酸都来源于蛋氨酸分解代谢。

CBS催化丝氨酸(Ser)被同型半胱氨酸取代形成半胱硫氨酸。在下游,CSE在α,γ-消除反应中催化半胱硫氨酸转化为半胱氨酸,α-酮丁酸和氨。CBS和CSE参与多种副反应,产生信号分子硫化氢(H2S)作为副产物。在CBS和CSE催化的反应中,L-Cys和L-Hcy生成胱硫醚都会生成H2S。此外,CSE还分别催化底物组合Cys/Cys和Hcy/Hcy生成的产物镧硫氨酸和高镧硫氨酸,这两种底物组合都会生成H2S。硫醚代谢物镧硫氨酸和高镧硫氨酸被认为是CBS缺乏患者产生硫化氢的生物标志物。

第三种PLP依赖性途径涉及具有半胱氨酸转氨酶(CAT)活性的天冬氨酸转氨酶(AAT)。与PLP非依赖性酶3-巯基丙酮酸硫转移酶(MST)结合,可生成硫酸盐硫,还原后可释放硫化氢。

  • CBS 主要表达于脑、肝、肾和胰腺。
  • CSE 主要表达于肝脏、肾脏、胸主动脉、回肠、门静脉、子宫、大脑、胰岛和胎盘。最近的研究,CSE是外周血管系统中H2S的主要来源,在大脑中表现出适度的存在和活动。
  • MST 主要表达于肝脏、肾脏、心脏、肺、胸腺、睾丸、胸主动脉和大脑。

一旦进入循环,H2S主要通过肾脏以游离或结合硫酸盐的形式排出。

◥ 其他途径

红细胞还通过无机和有机多硫化物产生硫化氢据估计,红细胞在恒定浓度为170µmol/(L cells)/min的时候可产生H2S。人类红细胞通过葡萄糖支持、巯基和谷胱甘肽依赖反应将大蒜衍生的有机多硫化物转化为H2S。

线粒体酶半胱氨酰tRNA合成酶(CARS2)在催化Cys转化为Cys-per/多硫化物物种中起主要作用。

用NADPH作为电子源,硫氧还蛋白和GSH酶机制可有效地还原Cys/多硫化物。因此,这些非标准酶途径可能有助于细胞产生大量H2S。

血液中也显示H2S的非酶生成,对前体代谢物半胱氨酸具有特异性。该反应对全身基础H2S浓度的影响很小,但在以释放铁升高为特征的病理条件下(如溶血性和出血性疾病)可能是有害的。

★ 硫化氢的分解

硫化氢的分解代谢主要通过线粒体中的氧化途径发生,同时产生ATP。H2S氧化发生在多种哺乳动物组织中,包括肝脏、肾脏、心脏和结肠细胞

硫化氢的氧化途径

在线粒体基质中,SQR将H2S氧化为GSSG,并将衍生电子转移到呼吸链,从而减少辅酶Q并驱动ATP合成。GSSG通过SDO进一步氧化形成亚硫酸盐。或者,硫氰酸酯催化GSSG,形成硫代硫酸盐阴离子。下一步,产物亚硫酸盐和硫代硫酸盐阴离子被亚硫酸盐氧化酶氧化为硫酸盐。

SQR=硫化物醌氧化还原酶,SDO=过硫化物双加氧酶,

SO=亚硫酸盐氧化酶, GSSH=谷胱甘肽过硫化物

★ 与硫化氢有关的饮食影响

  • 维生素B6的缺乏降低粪便中硫化氢

研究表明,在饮食中缺乏维生素B6(一种CSE和CBS辅助因子)可使粪便中的硫化氢减少50%。饮食中维生素B6的缺乏显著降低了粪便中硫化氢的水平,可能是由于抑制了结肠组织中硫化氢的酶合成

在六周缺乏维生素B6的饮食后,粪便中的硫化氢水平恢复到了与对照组相同的水平。这表明,通过增加硫酸盐还原菌活性,无菌小鼠肠道中硫化氢的生成向非酶途径转移。

  • 多酚提取物

营养食品多酚(浆果提取物)可将H2S氧化为有效的抗氧化多硫化物,从而引发细胞保护作用。该机制表明,多酚会自动氧化为相应的半醌类物质,然后与H2S反应生成巯基,最终形成多硫化物和硫代硫酸盐。

★ 硫化氢对肠道的影响:双刃剑

H2S在低浓度下具有保护作用,但在高浓度下具有有害作用。这一悖论反映在:

一方面,H2S作为一种气体递质,可能有助于调节肠道的细胞过程,如炎症、运动、上皮分泌和痛觉。

H2S可用于治疗结肠炎,起到减少失调和帮助粘液层重建的作用。

而另一方面,H2S是一种有毒气体,在高浓度下被视为健康危害。

它对人体组织具有潜在毒性,尤其是与NO一起存在时,由于其损害β-氧化和脂质及蛋白质合成的综合作用,但它具有重要的细胞信号特性。

★ 硫化氢对心血管的影响

一项实验检测了结肠中H2S可用性的增加对大鼠血流动力学的影响。Na2S(一种H2S供体)结肠内给药可产生强效、持久的降压作用,其持续时间是此前报道的肠外输注后的数倍(>90分钟)。

有趣的是,高血压大鼠的动脉血压比正常大鼠下降更明显。此外,新霉素组大鼠硫代硫酸盐和磺胺硫含量显著降低,对Na2S的降压反应有增强趋势。这些数据表明,肠道来源的H2S可能产生全身效应,结肠H2S稳态的变化可能与高血压有关。

肠道细菌产生的硫化氢在血压控制中发挥作用

该研究中低血压的作用最可能是由于外周血管舒张和心率降低。相反,小肠血流的局部变化不是H2S依赖性低血压的可能原因。结肠内H2S供体的血流动力学影响伴随着门静脉而非外周血H2S氧化产物水平的升高。因此,肠道H2S的全身效应似乎是由一些肝脏依赖机制或结肠H2S对肠道神经系统的影响产生的。

硫化氢(H2S)对心血管作用的推测途径

(A) H2S穿过肠道-血液屏障(GBB),绕过肝脏(直肠丛),并靶向心脏和血管。

(B) H2S穿过GBB,影响与循环系统稳态相关的肝功能。

(C) H2S刺激肠神经系统的感觉纤维,该纤维投射到大脑中枢,通过自主神经系统控制循环系统。

一氧化氮 (NO)

一氧化氮是研究最多的生物递质之一。

目前有明确证据表明,肠道细菌通过厌氧反硝化作用也会产生NO,溃疡性结肠炎患者的NO水平升高

首先是硝酸盐亚硝酸盐NO途径。硝酸盐被共生口腔细菌还原为亚硝酸盐,肠道细菌通过非酶酸性还原或亚硝酸盐还原酶进一步还原亚硝酸盐。最后,肠粘膜表达NO合酶,该合酶合成NO将l-精氨酸转化为l-瓜氨酸。NO的循环效应主要是通过各种组织的酶促生成来评估的。

研究还发现,益生菌乳酸杆菌双歧杆菌通过降低肠道pH值,增加非酶亚硝酸盐还原,在肠道NO生成中发挥作用。相比之下,脱硫弧菌将NO转化为硝酸盐。

许多研究表明内源性产生的NO广泛参与自主神经系统和肠道神经系统,以及其在胃肠道稳态中的功能。

NO在动脉和静脉中形成,有助于控制血流。证据表明NO作为炎症介质促进胃肠平滑肌的非肾上腺素能非胆碱能抑制。

NO也可能在肠道中作为神经递质或神经调节剂发挥作用,而内源性NO可能介导胃粘膜保护和调节胃粘膜血流。刺激NO生成的药物已被用于预防急性粘膜损伤,虽然目前还不知道这种治疗策略的进展。

一氧化碳 (CO)

许多研究表明一氧化碳在循环系统中所起的作用的重要性。与 NO 和 H2S 类似,已发现 CO 具有血管舒张和心脏保护作用

CO 是在血红素加氧酶 (H2O) 催化的反应中产生的。诱导型 H2O (HO-1) 和组成型 H2O (HO-2) 主要用于哺乳动物组织中的内源性 CO 产生。在胃肠系统中,CO 可能由表达 HO-1 的肠粘膜产生。此外,据报道,肠道微生物群(大肠杆菌)也表达 HO 同源物并在小鼠中诱导 HO-1 的结肠表达。肠道源性 CO 对体循环的可能影响仍有待阐明。

氨 (NH3)

哺乳动物的肠道内由几种细菌和胃肠道组织形成大量的氨(NH3)。事实上,肠道菌群脲酶对尿素的降解(约7 g/天)是体内约50%的总氨氮的来源。人体肠道中NH3的产生速率为4-10 g/天。未结合的NH3或随粪便(~5 ~ 25 μg/g)排出,或被肠道菌群转化为氨基酸,或被GBB吸收。健康人血浆游离NH3浓度约为35 μmol/L。循环NH3可以在肝脏中转化为尿素或谷氨酰胺,也可以随尿液排出(2-3毫克/天)。

与高氨血症相关的肝脏疾病和相关的神经毒性作用已经得到了很好的描述,肝功能衰竭患者经常使用抗生素治疗,如新霉素,以清除肠道污染,减少细菌产生NH3

一些证据表明,NH3可能会影响循环系统的控制。例如,有报道称NH3对离体大鼠心脏有正性肌力作用。此外,已有研究发现,健康成人吸入NH3可导致脑血管扩张,但不影响动脉血压。最后,肝衰竭患者血浆NH3水平升高。

以上是对几种主要的肠道气体的产生及其功能的阐述,下一章节我们来了解饮食对气体分布的影响。

04 饮食对气体分布的影响

迄今为止,习惯性饮食已被证明对肠道微生物群的组成有重大影响,因此,长期内对气体分布有重大影响。此外,已经证明,通过使用大幅度增加的饮食基质的短期饮食变化,肠道微生物生态系统的调节是可能的。

食物特别是其组成的大量营养素(膳食碳水化合物、蛋白质和脂肪)及其个体微量营养素——通过多种机制改变胃肠道分泌、吸收和运动,直接或间接地影响肠道

这些效应可能是非特异性机械感受器反应的结果,继发于管腔拉伸。然而,这种机械感受器反应也可能是由食物的体积效应、管腔含水量(由于食物的渗透效应而增加)、食物中包含的气体(例如碳酸饮料)、吞食的空气(N2没有被吸收或代谢,有证据表明它主要向远端移动)或腔内产生气体(化学反应或细菌发酵)引起的。

摄入食物后肠道扩张也会导致内脏-躯体反射,这可能会改变前壁肌肉组织和膈肌的激活,并相应改变腹腔容积,可能导致胃肠道症状。然而,肠易激综合征发病机制中气体产量和容量增加的直接作用仍存在争议。

在与食物摄入相关的潜在气体来源中,只有从空气中吞下的N2和肠道发酵产生的气体可能会使肠道膨胀。虽然吞咽的空气在临床上很难调节,但在大多数IBS患者中,选择易发酵、缓慢吸收或难以消化的短链碳水化合物含量较低的食物会导致气体生成减少(如呼吸中H2排泄减少所示)和症状改善。

 食物的选择影响排气

食物选择对每个肛门通过的肠道气体量有重大影响.例如,当在饮食中限制发酵底物时,健康个体和功能性肠道疾病患者每天的总排气量平均<300ml。当健康志愿者被喂食富含可发酵、不可消化基质(包括每天200克烤豆)的饮食时,这一体积增加到每天500–1500毫升

食物的选择也会影响肠胃的气味,这通常与蛋白质发酵的程度以及随后产生的含硫微量气体有关。

因此,通过调节大量营养素摄入(膳食碳水化合物、蛋白质和脂肪)进行饮食操作可以改变肠道气体分布。下面详细了解这三大类营养物质。

膳食碳水化合物

膳食碳水化合物是不同长度和大小的碳基分子。在一般的西方饮食中,估计每天有40克的膳食碳水化合物在小肠中逃逸宿主酶消化和吸收,到达肠道的发酵部分。

☞ 小肠

在小肠中,只有单糖被直接吸收,吸收过程的效率因单糖而异。例如,葡萄糖和半乳糖被迅速吸收,而果糖被缓慢吸收,除非存在至少等摩尔浓度的葡萄糖。当过量的果糖负荷过大、通过小肠的速度过快或小肠吸收糖的能力减弱时,就会发生果糖吸收不良,这是一种生理上的正常事件。从淀粉酶介导的淀粉消化过程中释放的膳食双糖(如乳糖和蔗糖)和低聚糖需要在吸收前通过刷状缘酶消化。因此,当这些酶的活性较低时,它们的吸收就会失败,如乳糖酶或蔗糖酶-异麦芽糖酶缺乏。

其他低聚糖(如低聚果糖和低聚半乳糖)和非淀粉多糖由于小肠中缺乏合适的水解酶而不能消化,因此根本不能被吸收。

☞ 结肠

未被吸收的碳水化合物到达富含细菌的结肠,在那里可以发酵。一般来说,短链碳水化合物的发酵速度比长链碳水化合物(即聚合度(DP)大于10的碳水化合物)更快在较短的时间内产生更多的气体

非淀粉多糖的溶解度和发酵性差异很大。碳水化合物结构的这种异质性,以及由此导致的小肠对碳水化合物的处理和在结肠中的命运,导致了三个功能概念:FODMAP、纤维和益生元概念。

✔ FODMAP

FODMAP是短链(DP<10)、缓慢吸收或难以消化的碳水化合物,易于发酵。在肠道中,FODMAP具有渗透活性,导致小肠管腔含水量增加,并在近端结肠中发酵,产生气体。因此,由于过量含水量或气体产生的体积效应,摄入FODMAP与管腔扩张有关。

当内脏过敏出现时,摄入FODMAP可能会出现腹痛、腹胀和排便习惯改变等症状。过量摄入FODMAPs可促进H2的生成而不是CH4,减少FODMAPs可促进CH4的生成而不是H2,可能与H2的生成速率有关。减少FODMAPs的饮食摄入现在是缓解此类症状的关键循证饮食疗法。

✔ 纤维

纤维有许多定义,但通常包括DP大于2的吸收不良或难以消化的碳水化合物,因此包括许多FODMAP。

纤维在胃肠道松动中起着关键作用,特别是通过扩大细菌数量和在管腔内保留水分,以及通过增加管腔传输速度,引起结肠内容物膨胀

然而,纤维在溶解度、发酵性和链长方面具有高度的异质性,因此它们对结肠生理学有着广泛的影响。

了解纤维在大肠中的发酵位置是了解如何在临床实践中使用它们的关键

纤维发酵的位置最终取决于其链长以及是否与其他类型的纤维一起施用。如果单独服用,容易发酵的低聚糖和高度发酵的长链纤维,如某些形式的抗性淀粉和燕麦麸皮,大部分在近端结肠中发酵

相反,缓慢发酵的纤维,如麦麸纤维,在整个结肠内发酵。建议摄入缓慢可发酵或不可发酵的纤维(如不可发酵的可溶性纤维梧桐和甲基纤维素)以及易发酵的纤维(如高直链淀粉),以将纤维发酵的位置向远端移动,改善大肠各区域的发酵分布。

益生元

益生元被定义为“宿主微生物选择性利用的具有健康益处的底物”。目前,益生元主要局限于低聚果糖、低聚半乳糖、低聚木糖、菊糖和抗性淀粉,在较小程度上,因为大多数纤维导致细菌的非特异性增殖。益生元的代谢(发酵)主要释放气体。

因此,为了达到临床效果(如促进松弛、减少气体形成或改变肠道微生物群的相对组成),对膳食碳水化合物和肠道气体的调控需要考虑多个方面。

膳食蛋白质

大部分膳食蛋白质被上消化道的内在酶分解并吸收,估计每天有12-18克剩余的未消化残余蛋白质到达结肠。

在结肠中,这些蛋白质的代谢通过两条主要途径进行。细菌可以分解结肠中的蛋白质,并利用产生的氨基酸生物合成结构蛋白质或其他细菌蛋白质。或者,蛋白质可以由细菌发酵,这一过程产生的代谢物比碳水化合物发酵产生的代谢物更加多样化。例如,在缺乏氧气的情况下,梭菌属梭杆菌属(严格或兼性厌氧细菌)可以利用氨基酸进行发酵。该工艺的产出包括短链脂肪酸、支链脂肪酸(如异丁酸、2-甲基丁酸和异戊酸)、H2、CO2和氨以及少量H2S、甲硫醇、酚、醇和有机酸的生产。

暴露于膳食蛋白质会改变微生物组的多样性和组成。然而,增加蛋白质输送到肠道微生物群的主要影响似乎是改变参与氨基酸降解的微生物的代谢特征。

在蛋白质发酵产生的气体代谢物中,粪便中的氨浓度可能被用作有价值的蒸汽生物标记物,因为氨浓度会随着蛋白质摄入量的增加而增加(10–30 mmol/l)。

H2S也是蛋白质发酵的一个潜在有用的生物标志物,因为它的管腔浓度在食用富含肉类的食物的人身上增加,并且在体外新鲜排出的粪便中添加半胱氨酸会显著刺激H2S的产生。然而,了解蛋白质发酵对宿主生理学和病理生理学的影响仍处于早期阶段,进一步了解需要良好控制的人类干预研究。

膳食脂肪

由于多达7%的膳食脂肪在小肠中未被吸收,肠道微生物群暴露于相当数量的膳食脂质中。迄今为止,只有少数研究调查了膳食脂肪对人体肠道微生物群的影响,几乎没有一项研究关注气体的产生。

据报道,高脂肪饮食的摄入与人类粪便短链脂肪酸水平和双歧杆菌数量的大幅下降有关;然而,在这项研究中,碳水化合物的摄入没有得到控制。

在小鼠中,高脂肪饮食引起的微生物群变化似乎是可逆的,不太可能归因于肥胖表型本身。在小鼠中,高脂肪饮食也会引起肠道的低度炎症。这种变化可能会改变气体剖面,但这一假设需要未来的具体研究。

05 结 语

目前,对肠道气体分布及其随时间和整个肠道长度的变化的了解还较为肤浅,主要是因为大多数肠道气体测量方法要么是间接的,要么是高度侵入性的。了解这些气体分布将增强我们对食物和药物对人体影响的认识。肠道气体的评估可能是未来具有较高诊断和/或监测价值的疾病生物标记物。

通过肠道菌群检测,了解与气体产生相关菌的代谢,也可以侧面反映肠道气体的情况,在预防、诊断和干预疾病的所有阶段可将其正确利用作为参考。

附录:8种减少气体的方法

1. 缓慢而有意识地进食

快速进食而不正确咀嚼食物会刺激消化系统并产生气体。

有意识地进食不仅可以进入放松状态,从而确保健康的消化,还可以:

  • 限制意外空气的摄入;
  • 增加代谢食物所需的唾液酶分泌物的消化开始阶段;
  • 通过咀嚼分解食物成分,使食物残渣更有可能顺利通过,从而减少气体。

2. 两餐之间多喝水

通过在两餐之间充分补水,确保食物通过消化道的适当运动。水合作用是清除体内废物的关键,因为它可以润滑纤维,使其膨胀,防止其在消化道中停滞,可以最大限度地减少发酵并减少气体形成。

虽然全天喝大量的水是必不可少的,但请尽量避免在进餐时喝水。与进食相结合,水会稀释为代谢食物而分泌的消化液,并可能导致问题。

3. 使用消除饮食

消除饮食可以帮助你深入了解哪些食物可能导致胀气症状。这个过程将使你从饮食中去除引发气体的常见食物罪魁祸首,包括:

  • FODMAPS(可发酵的低聚糖、二糖、单糖和多元醇),例如大蒜、豆类、小麦和洋葱
  • 含硫蔬菜,如羽衣甘蓝、抱子甘蓝和西兰花
  • 豆子
  • 乳制品
  • 高纤维淀粉类食物,如土豆和玉米
  • 高脂肪、人造和加工食品

4. 解决胃酸水平

胃酸在消化的各个阶段都是必不可少的。胃酸负责:

  • 食品杀菌
  • 激活消化酶
  • 刺激内因子分泌
  • 打开幽门括约肌
  • 关闭食管括约肌
  • 激活胆汁分泌
  • 分解蛋白质

如果没有适当的胃酸水平,我们就无法对食物进行消毒、杀死不需要的微生物以及有效地消化和同化食物。这会给整个消化系统带来更多压力,并导致微生物发酵。

微生物发酵的天然副产物是气体。当我们不能有效地代谢硫时,就会放出非常“有味道”的气体。

5. 消化酶

消化酶可以帮助分解可以喂养细菌并产生气体的食物成分。这些消化酶可以以补充剂的形式存在,并且存在于许多未加工和发酵的食品和饮料中,例如苹果醋。

这些酶会分解糖类、核酸、氨基酸和脂肪酸,使它们更容易被人体吸收。例如,胀气和腹胀是胰酶缺乏的症状,胰酶可以得到多种消化酶的支持,例如淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶 。

6. 益生菌

超过 500 种不同种类的细菌存在于人类肠道中,益生菌可用于补充健康细菌的浓度。益生菌的天然食物来源:椰子水开菲尔、康普茶、酸奶以及酸菜和泡菜等发酵蔬菜。

改善肠道菌群的平衡对于减少有害微生物的占有率至关重要,有害微生物会导致过多气体积累。

7. 天然植物类

茴香种子、豆蔻果实、肉桂、姜、芹菜种子、甘草、香芹籽、薄荷、橙皮

8. 镁

镁可能是最容易被忽视的矿物质之一,你可能需要它来改善消化并减少气体的产生和排出。镁对于支持 300 多种酶过程的活动至关重要,包括沿胃肠道作为肌肉松弛剂。

镁在健康的肠道蠕动中起着重要作用,通过刺激消化系统中的肌肉和通过镁移动发酵食物,有效地有助于减少气体积聚。

主要参考文献:

Tomasova L, Konopelski P, Ufnal M. Gut Bacteria and Hydrogen Sulfide: The New Old Players in Circulatory System Homeostasis. Molecules. 2016;21(11):1558. Published 2016 Nov 17.

Hylemon PB, Harris SC, Ridlon JM. Metabolism of hydrogen gases and bile acids in the gut microbiome. FEBS Lett. 2018 Jun;592(12):2070-2082.

Y ao, C. K., Muir, J. G. & Gibson, P . R. Review article: insights into colonic protein fermentation, its modulation and potential health implications. Aliment. Pharmacol. Ther. 43, 181–196 (2016).

Gottlieb, K., Wacher, V., Sliman, J. & Pimentel, M. Review article: inhibition of methanogenic archaea by statins as a targeted management strategy for constipation and related disorders. Aliment. Pharmacol. Ther. 43, 197–212 (2016)

Kalantar-Zadeh K, Berean KJ, Burgell RE, Muir JG, Gibson PR. Intestinal gases: influence on gut disorders and the role of dietary manipulations. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2019 Dec;16(12):733-747.

Ong, A. M. L. et al. Diaphragmatic breathing reduces belching and proton pump inhibitor refractory gastroesophageal reflux symptoms. Clin. Gastroenterol. Hepatol. 16, 407–416.e2 (2018).

Blachier F, Beaumont M, Kim E. Cysteine-derived hydrogen sulfide and gut health: a matter of endogenous or bacterial origin. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2019 Jan;22(1):68-75.

Myszkowska J, Derevenkov I, Makarov SV, Spiekerkoetter U, Hannibal L. Biosynthesis, Quantification and Genetic Diseases of the Smallest Signaling Thiol Metabolite: Hydrogen Sulfide. Antioxidants (Basel). 2021 Jul 1;10(7):1065.

Betesh AL, et al. Is achlorhydria a cause of iron deficiency anemia? Am J Clin Nutr. 2015 Jul; 102(1): 9-19

Szabo C. A timeline of hydrogen sulfide (H2S) research: From environmental toxin to biological mediator. Biochem. Pharmacol. 2018;149:5–19.

什么是肠漏综合征,它如何影响健康?

谷禾健康

出于消化和吸收的目的,哺乳动物已经形成了一个非常复杂且高度专业化的胃肠系统,由粘膜屏障维持。

越来越多的数据强调了肠道屏障和肠道通透性健康和疾病的重要作用。然而,这些术语定义不明确,其评估存在争议,临床意义也没有明确确定。

肠漏症正在成为一种流行病。虽然它尚未被医学界广泛认可,但全球数亿人可能患有与肠漏综合征相关的症状和疾病。

本文讨论的是关于粘膜屏障及其在疾病预防和治疗中的作用的知识。

首先,定义相关术语“肠到屏障”、 “肠道通透性”、“肠漏”

其次,描述了影响肠道通透性的肠道屏障的关键要素。这个屏障代表了一个巨大的粘膜表面,数十亿细菌面对着身体最大的免疫系统。一方面,完整的肠道屏障保护人体免受微生物和毒素的侵袭,另一方面,这个屏障必须打开以吸收必需的液体和营养。这两个看起来矛盾的目标是通过肠道屏障组成的复杂解剖和功能结构来实现统一的,这正是我们常听说的“肠道通透性”

第三,描述了饮食和细菌对肠道通透性的调节。特别是,必须考虑潜在的屏障破坏因素,例如肠道灌注不足、感染和毒素,还必须考虑选择过量的营养物质、药物和其他生活方式因素

第四,讨论肠道菌群对肠道通透性的互相影响,以及与通透性增加相关的特定疾病,例如危重病、炎症性肠病、乳糜泻、食物过敏、肠易激综合征,以及肥胖和代谢疾病。所有这些疾病都以炎症为特征,炎症可能由管腔成分易位到宿主中引发。

最后,讨论了评估肠道通透性的方法。手段差异很大,可能评估屏障的不同功能组件。

01 什么是肠道屏障和肠道通透性

“肠道屏障”和“肠道通透性”描述了同一解剖结构的两个不同方面。

“肠道通透性”是一个术语,主要由电生理学家使用动物或人类的组织外植体在 Ussing 室中研究上皮通透性而形成。

注:Ussing Chamber(尤斯室,也叫尤斯灌流室)是研究跨上皮转运的工具,可用于包括离子转运、营养物质转运及药物转运等的研究。通过跨上皮转运的研究,可以了解上皮的离子通道机制、营养成分及药物透过上皮的吸收、影响上皮屏障功能以及通透性的因素等等。来源:百度百科

“肠道屏障”用来描述将内部环境与管腔环境分开的复杂结构。物理屏障包括由血管内皮、上皮细胞和粘液层组成。除了这个物理屏障之外,化学物质也参与了屏障功能。它们由消化分泌物、免疫分子、细胞产物如细胞因子、炎症介质和抗菌肽组成,主要由小肠隐窝中的潘氏细胞(Paneth cell)产生。

肠道屏障基本上将肠道内容物与身体分开。它由单层细胞(上皮细胞、传感细胞以及产生酶和神经递质的细胞)组成。这些细胞通过紧密连接(TJ)蛋白连接起来。

肠道屏障是一个动态实体,由多个元素组成,与各种刺激相互作用并做出反应。

首先,在管腔中,细菌和抗原被胆汁、胃酸和胰液降解共生细菌通过产生抗微生物物质抑制病原体的定植。

屏障的另一个要素是由未搅拌的水层、糖萼和粘液层组成的小环境,它们通过免疫球蛋白 A (IgA) 分泌以及糖萼和粘液提供的物理屏障防止细菌粘附。由顶端连接复合物连接的上皮细胞具有运输管腔内容物的能力,但它们也通过分泌氯化物和抗菌肽对有害刺激作出反应。

▃ 皮层

上皮层的潘氏细胞,它们在隐窝中数量最多,当暴露于革兰氏阳性和阴性细菌或细菌产物(如脂多糖)时,也会产生大量防御素和其他几种抗生素肽和蛋白质

▃ 固有层

在上皮之外,固有层提供基于先天性和获得性免疫细胞的防御,这些细胞分泌 IgA、细胞因子、趋化因子和肥大细胞蛋白酶,以及由肠道神经系统介导的内分泌和分泌运动机制,导致肠道推进运动。一些重要的递质是血清素 (5-HT)、组胺和大麻素。

▃ 粘液层

粘液层由两部分组成:内部牢固粘附层,其中细菌稀少,分泌的肽具有抗菌功能(例如防御素、溶菌酶);和较厚且松散粘附的外层细菌和细菌产物丰富

结肠中的粘液层比小肠中的粘液层厚,深度可能超过 800 微米,这与整个绒毛的高度(范围 500-1600 微米)相差不远。

▌ 我们为什么需要肠道屏障?

肠道屏障覆盖约 400 m2的表面,需要大约 40% 的身体能量消耗。它可以防止水和电解质的流失以及抗原和微生物进入体内,同时允许宿主和环境之间的分子交换以及饮食中营养物质的吸收。

哺乳动物肠黏膜的特殊适应性实现了两个看似相反的功能:首先,允许与肠道共生体和平共存不引起慢性炎症;其次,根据病原体的威胁提供防御反应。它是一个复杂的多层系统,由外部“物理”屏障和内部“功能”免疫屏障组成。

这两个屏障的相互作用能够保持平衡的渗透率。要理解这个复杂的屏障,不仅需要考虑其成分的功能,还需要考虑细菌和其他管腔成分与宿主细胞和受体的相互作用过程。实验数据表明,在生命早期,甚至可能在生命后期,破坏与肠道共生体的和平共存,会导致严重的免疫缺陷和疾病风险

▌ 肠道屏障的发育

事实上,肠道微生物群和肠道屏障的发育过程是重叠的。生命最初几天的肠道微生物群不稳定,其组成也不是特别多样化。然而,到三岁时,微生物群的组成类似于成年人的特征。其他几个因素也可能影响微生物群发展的轨迹,包括胎龄、分娩方式、喂养类型、抗生素使用,以及与家人和宠物接触。

肠道屏障作为屏障,可以被肠道微生物群或其代谢物调节,但这个机制是复杂的。最近的证据还表明,非编码 RNA(例如 microRNA)作为宿主上皮细胞、免疫细胞和肠道微生物群之间相互作用的重要中介具有新的作用。肠道微生物群的改变与肠道和肠外疾病的肠道屏障功能障碍有关。

肠道屏障动态发育过程中与肠道微生物群发生广泛和持续的相互作用,破坏肠道微生物群可能会对关键屏障功能的维持产生影响。

文献中有几个例子证明了细菌及其产物对肠道屏障结构或功能的不同影响。双歧杆菌在小鼠实验性坏死性小肠结肠炎中增强屏障功能, 酵母S. boulardii在不同病理状态下对肠道菌群的改变和上皮屏障缺陷具有有益的作用,不同的大肠杆菌菌株对肠道菌群具有相反的作用

▌ 肠道屏障和肠道通透性有什么区别?

这两个术语已被用作同义词,虽然它们可能不是同一个意思。这些参数的明确定义作为评估它们的手段是强制性的,以避免未来混淆并评估它们对疾病预防和疾病治疗的影响

事实上,肠道通透性是一种屏障特征,与肠道共生微生物群以及粘膜免疫系统的要素密切相关。许多因素可以改变肠道通透性,例如肠道微生物群的改变、粘液层的改变和上皮损伤,导致肠腔内容物易位到肠壁内层。此外,生活方式和饮食因素如酒精和高能量食物可以增加肠道通透性,如酒精和高能量西式饮食。

肠道通透性、肠道微生物群和粘膜免疫学之间的关系

Bischoff et al. BMC Gastroenterol. 2014

▌ 什么是肠漏?

定义“肠漏”可能不太准确,肠漏对肠道屏障允许潜在有害化合物进入血液的情况的名称。它不是普遍认为的医学症状,而是对一系列症状的推测性解释

越来越多的研究表明肠漏是指将肠壁固定在一起的紧密连接处变得松散。

肠道使用绒毛突起来控制通过肠道进入血液的物质。看起来像毛发覆盖的小手指。绒毛会捕获漂浮在肠道中的微量营养素,这些微量营养素已从摄入的食物中分解而来。绒毛和微绒毛将这些微量营养素推向肠壁上的微小开口,直接进入血液。然后,血液将这种营养输送到体内的其它部位细胞

当肠道渗漏时,肠道细菌及其产物可能会逃离肠道,这可能会产生炎症并导致组织损伤。同样,食物来源的抗原(蛋白质或部分消化的蛋白质)可以通过肠道并促进局部或全身免疫反应

为了更好地说明这个过程,可以把它想象成一座吊桥。肠道天然具有半渗透性,可以让微小的船只(微量营养素)穿过肠壁并进入血液。外部因素,包括某些食物、感染、毒素和压力,可以破坏肠壁的紧密连接,使吊桥打开。一旦发生这种情况,肠道就“漏水”了。

当肠道漏水时,原本不打算通过的很大的船只(毒素、微生物和未消化的食物颗粒)可能会逃逸到血液中。这时候免疫系统将这些外来入侵者标记为病原体并攻击它们

02 影响肠道通透性的关键元素

影响肠道屏障的几个重要分子和机制。

单层上皮细胞形成管腔和粘膜组织之间的主要物理屏障

在上皮细胞水平,从肠细胞的顶端到基底区域,存在三组细胞间连接:紧密连接[闭塞小带(ZO)]、粘附连接(zonulaadherens)和桥粒。它们一起构成顶端连接复合体,它支持致密的微绒毛刷状缘并调节上皮屏障功能和细胞间运输

细胞旁空间被紧密连接(TJ)封闭,紧密连接通过连接复合物中的claudin和其他蛋白质的组成来调节水离子和小分子的流动。

紧密连接的下方是粘附连接(AJ),它在细胞-细胞信号传导和上皮恢复以及支持上皮稳定的桥粒中都很重要。

TJ 复合物由膜内蛋白、occludin 和 claudin 家族的不同成员组成,具体取决于在细胞旁空间内相互连接的组织和位置。

Occludin、claudins 和 tricellulin 通过细胞质支架蛋白(如 Zonula occludens 蛋白)将相邻细胞与肌动蛋白细胞骨架连接起来。

Tricullin 和 occludin 以及一种名为 marvelD3 的新蛋白质可以部分地相互替代,但如果这三者都下调或缺乏,则会发生严重泄漏。

claudin是一个紧密连接蛋白家族,由密封分子和气孔组成,促进水和电解质的损失。

occludens蛋白(ZO-1, ZO-2和ZO-3)是重要的胞内紧密连接蛋白,连接细胞骨架和跨膜紧密连接蛋白。

◆ claudin是跨膜蛋白,主要负责肠道屏障功能

肠道微生物群是这一上皮屏障的中枢调节因子。在炎症性肠病 (IBD) 中再次证明了完整上皮 TJ 的重要性。例如,对克罗恩病 (CD) 患者的研究表明,乙状结肠活检中TJ复杂性受损,伴随着封闭 claudin-3、-5 和 -8 和 occludin 的表达降低以及 claudin-5 和-8 关闭 TJ。在溃疡性结肠炎 (UC) 中观察到类似的变化,包括 claudin-1 和 -4 以及 occludin 的下调,但成孔 claudin-2 的上调。

▼ 杯状细胞

杯状细胞分泌的粘蛋白被高度糖基化并聚合成巨大的网状结构。粘蛋白 2 是大肠和小肠分泌粘蛋白的主要成分,在保持肠道微生物与上皮表面保持一定距离方面起着关键作用。

共生肠道微生物群的定植仅限于外部“松散”粘液层,并与粘蛋白糖蛋白的各种寡糖相互作用,而“内部”粘附的粘液层基本上没有细菌。在 IBD 和人类的实验模型中,粘液层变得更容易被细菌渗透,因此被认为是这种疾病和可能的其他肠道疾病的关键病因。

除了表面粘蛋白外,上皮的顶端表面还受到由膜系留粘蛋白组成的糖萼保护。它们也被糖基化并在被微生物结合后释放,作为防止定植的防御机制。

最近已经认识到,细胞脱落位点代表了肠道物理屏障的第三个位点。

粘膜屏障及其细胞间连接的解剖结构和组成

Mu Q, et al.,Front Immunol. 2017

▼ 肠上皮细胞

肠道上皮大约每 5 天更新一次。在结肠中的绒毛和上皮表面的尖端,完全分化的细胞经历细胞凋亡并被挤出到管腔中。

肠上皮是体内最具活力的上皮细胞之一,上皮细胞来自隐窝基底的干细胞,在小肠和结肠表面的情况下迁移到绒毛尖端和结肠表面。这种细胞挤压过程可能会损害上皮的完整性

最近的研究表明,在生理健康条件下,上皮细胞的拉伸会触发上皮细胞的挤压,这可以通过拉伸敏感的阳离子通道 Piezo 的激活来检测。这触发了涉及鞘氨醇 1 激酶、S1P 受体和 Rho 激酶的信号转导通路。该通路由来自紧密连接的蛋白质重新分布触发,以包围脱落细胞并填充挤出完成后留下的间隙,从而维持屏障。这种机制似乎非常强大,因此屏障很少在细胞脱落部位失效。

炎症细胞因子如 TNFα 通常会增加细胞脱落的速度。在这些情况下,紧密连接的重新分布并不总是密封脱落细胞留下的间隙。因为从一个位点脱落了不止一个上皮细胞,很可能留下的间隙太大而无法被紧密连接蛋白的重新分布堵塞

重要的一点是,通过未密封的间隙的流动方向可以流入或流出肠壁局部压力、电化学和渗透梯度决定了流动方向。与紧密连接相反,细胞脱落部位的缺陷太宽,无法产生局部向内直接渗透梯度。相反,流动方向由内腔和上皮下层之间的向内渗透和电化学梯度以及由静水压力和蠕动产生的向外静水梯度的平衡决定。因此,流动方向是高度不稳定的,并且可以很容易地通过改变腔内内容物的渗透压而改变,这将在混合过程中随着食物沿肠道向下移动。

其他结构,如血管、平滑肌细胞层和肠神经系统 (ENS) 的组成部分,通过调节黏膜以及在发生危险时启动特定防御程序的能力来构成肠道屏障。

由肠道中的肠嗜铬细胞产生的血清素/5-羟色胺 (5-HT) 和由粘膜肥大细胞产生的组胺在肠道中充当促炎介质并调节肠道通透性。

  • 肠道通透性与致病菌

许多致病菌与肠道屏障的特定元素相互作用,强调了细菌-宿主相互作用在健康和疾病中的重要性。例如,上皮紧密连接(TJ)可被多种致病菌改变。这些作用可能是由于TJ蛋白(如occludin)的直接修饰,或者是由不同的激酶介导的对周围连接肌动球蛋白环的影响。

致病菌和抗生素的使用可能会通过增强黏液降解或抑制正常的共生黏液生成触发器来扰乱肠道黏液层。

03 肠道通透性增加或肠漏综合征的迹象和症状

替代医学将肠漏综合征与以下情况联系起来:

1) 自身免疫性疾病

人类和动物研究发现肠道通透性增加与以下疾病有关: I型糖尿病、自身免疫性肝炎、强直性脊柱炎、乳糜泻 、类风湿性关节炎、狼疮等。

有科学家认为,功能失调的肠道屏障可能是导致自身免疫性疾病的重要原因。

肠漏可能是自身免疫性疾病中出现的全身免疫激活和Th1 7 / Treg 细胞失衡的来源。

这一假设的支持者指出,在遗传上易患自身免疫性疾病的人中,只有不到 10% 的人实际上会患上疾病。这意味着环境因素在自身免疫性疾病的发展中很重要。

遗传易感人群中,肠漏可能会让外来炎症因子进入体内。然后,药物可能会引发自身免疫性疾病的发生和发展

研究表明,阻断 zonulin(一种打开紧密连接的蛋白质)可能有助于降低肠道通透性。在一项对大鼠的研究中,它能够逆转 1 型糖尿病

在一项对 342 名采用无麸质饮食的乳糜泻患者进行的临床试验中,拉唑肽(一种阻断 zonulin 的药物)比单独的无麸质饮食能更好地减少乳糜泻的体征和症状

患有自身免疫性疾病的人往往肠道通透性增加,因此一些研究人员推测自身免疫可能是由某些化合物进入血液引起的。

2) 炎症性肠病 (IBD)

研究表明,患有炎症性肠病(克罗恩病或溃疡性结肠炎)的人可能会破坏肠道屏障。

在一项针对 110 名 IBD 患者的研究中,肠道通透性受损与持续的肠道症状有关。通透性增加与更严重的腹泻相关

◥ 可遗传:

这种肠道通透性的增加可能部分是遗传的。一项研究表明,大多数克罗恩病患者的肠道通透性增加。然而,30% 的健康亲属(223 名健康受试者)也增加了

◥ 阿司匹林加剧肠漏:

根据一项类似的研究,阿司匹林可能会进一步加剧克罗恩病患者及其亲属的“肠漏”

肠屏障功能障碍是 克罗恩病 和 溃疡性结肠炎 的主要特征。早在 20 年前就发现肠道通透性增加先于 CD 的临床表现,但不足以引起疾病,表明还涉及其他因素。

在一项针对 23 名克罗恩病患者的研究中,一种阻断 TNF-α(一种炎症促进细胞因子)的疗法恢复了肠道通透性

患有炎症性肠病的人可能会破坏肠道屏障;通透性增加与更严重的腹泻有关。

3) 肠易激综合征 (IBS)

IBS 患者的肠道通透性也可能增加。

在一项小规模研究中,当 36 名疑似食物不耐受的 IBS 患者食用了有问题的食物时,根据显微镜检查,与对照组相比,这些食物破坏了他们的肠道屏障

已发现肠道屏障功能障碍不仅在 IBD 中起致病作用,而且在 IBS 中也起致病作用。最重要的是,现在有证据表明肠道通透性增加与 IBS 中的低度炎症、内脏超敏反应和疼痛有关。在腹泻型 IBS (IBS-D) 中,电子显微镜研究显示上皮细胞之间的细胞骨架凝结和扩大的细胞间隙,为 IBS 肠道通透性增加提供了形态学基础。发现这些结构变化与肥大细胞激活和症状(包括腹泻和疼痛严重程度)相关。这些数据证实并扩展了来自 Ussing 室实验的早期观察结果,显示 IBS 患者结肠组织中细胞旁通透性增加。

所描述的肠道通透性形态功能变化的主要原因仍有待确定。潜在因素包括肠道食物过敏、遗传和表观遗传因素、肠道微生物群的变化。不管原因如何,粘膜屏障缺陷决定了挑战粘膜免疫系统的抗原物质的流动增加。有趣的是,几项研究提供了证据表明 IBS 中的低级别免疫激活和炎症分子的释放,从而维持肠道通透性的增加。

4) 慢性疲劳综合症

一些科学家认为,慢性疲劳综合征患者的严重疲劳和脑雾可能是肠道通透性增加的原因

一项针对 41 名慢性疲劳综合征患者的研究表明,超过一半的患者在服用据称有助于肠道屏障功能的补充剂(如谷氨酰胺和锌)后得到改善。

5) 神经系统疾病

在以下疾病中报道了肠道通透性增加:

  • 多发性硬化症;
  • 精神分裂症(有儿童乳糜泻病史的人患精神分裂症的风险可能增加);
  • 阿尔茨海默病 ;
  • 帕金森病

在这一点上,不可能在这些研究中梳理原因和结果。胃肠失调可能先于神经系统疾病,并且可能在这些疾病的早期发展中起作用。另一方面,肠道通透性增加也可能只是这些疾病的症状之一。

据报道,患有多发性硬化症、精神分裂症、阿尔茨海默氏症和帕金森氏症的人肠道通透性增加,但这种明显联系的原因尚不清楚。

6) 抑郁症

一项针对 112 名抑郁症患者(和 28 名对照者)的研究表明,抑郁症患者的肠道细菌抗体更多,表明存在“肠漏”。

一项针对 60 名酗酒者的研究发现,肠漏症患者更容易出现抑郁和焦虑。

7) 自闭症

一些研究(53 名患者和 73 名对照组)表明,自闭症患者的肠道通透性更高 。

另一项研究发现,自闭症患者及其一级亲属更有可能具有更高的肠道通透性。

然而,2个其他研究(140位受试者)发现,在孤独症儿童无异常肠通透性。

Kelly JR et al., Front Cell Neurosci. 2015

8) 过敏

一项针对 41 名食物过敏或食物敏感患者的研究表明,他们的肠道通透性增加。事实上,肠道通透性较高的人有更严重的过敏症状

研究表明,那些对食物过敏的人在吃了触发性食物后会出现肠道渗漏。然而,当他们采用消除饮食时,他们的肠道通透性在基线时也增加了。

一项针对 131 名在消除饮食中没有症状的过敏儿童的研究表明,大约三分之一的儿童肠道通透性增加。

9) 哮喘

研究表明,过敏性和非过敏性哮喘患者的肠道通透性可能更高。

10) 湿疹、牛皮癣和痤疮

一些科学家认为,肠道通透性增加可能是人们患有痤疮的原因之一。然而,需要更多的证据来验证这一理论。

在一项针对 15 人的小型研究中,牛皮癣患者的肠道通透性高于对照组。

在另一项研究中,18 名湿疹患者发现肠道屏障受损。

11) 肥胖

肥胖的人可能有肠漏。两项研究,一项涉及 40 名受试者,另一项涉及 55 名受试者,表明腰围较大且代谢较差的受试者肠道通透性较高

在123名男性中,较高的肠道通透性与较高的 BMI、炎症增加 (IL-6) 和较低的胰岛素敏感性相关

肥胖和代谢疾病中微生物群的改变有助于增加从营养素中获取能量。特别是,从食物碳水化合物中获取能量取决于微生物群,因为在肥胖个体中发现增加的特定细菌提供宿主细胞不表达的酶,并允许消化或多或少难以消化的碳水化合物。

改变的肠道屏障和随后少量细菌或细菌产物的易位是导致代谢性疾病低度炎症特征的一种重要机制,可能与随后的肝脏、肌肉和心肌等器官浸润有关。富含脂肪和糖的西式饮食以某种方式改变肠道屏障,导致门静脉通透性增强和内毒素水平升高

这种改变的结果是细菌和细菌产物对组织的浸润增强,随后组织炎症和脂肪堆积,这首先可以在肝脏中观察到,然后在肌肉或心肌等其他组织中观察到。在用富含能量的西式饮食喂养后,也可以在外周血和脂肪组织中观察到细菌或细菌产物,这一观察结果可能能够定义代谢疾病中肠道屏障功能障碍的新细菌生物标志物

然而,屏障功能障碍和微生物群改变这两种改变不一定相关,但可以独立发生。这些发现为肥胖和代谢疾病的病理生理学提供了一个新概念,可能在饮食和药物水平上提供新的治疗策略。

12) 糖尿病

在一项对 130 名糖尿病患者和 161 名对照组进行比较的研究中,肠漏与 2 型糖尿病有关。

同样,另一项研究发现,88 名孕妇的肠道通透性增加(高 zonulin)与妊娠诱发的糖尿病之间存在联系。

13) 肝病

在一项包括 39 名患有脂肪肝的儿童和 21 名对照组的研究中,研究人员发现脂肪肝儿童的肠道通透性增加。此外,肠道通透性较高的人往往有更严重的疾病症状。

研究进一步表明,肝硬化患者还可能有肠道通透性增加和肠道屏障功能障碍。

一些科学家认为,肠漏可能解释了为什么并非所有酗酒者都会出现肝损伤。他们推测,肠漏可能是酗酒者发生慢性肝损伤的必要因素。

细菌感染是肝硬化患者发病率和死亡率的主要原因。感染使肝硬化患者的死亡率增加 4 倍。活细菌从肠腔穿过肠壁到达肠系膜淋巴结 (MLN) 和其他部位。肝脏接收含有这些微生物产物的门静脉血,并作为其过滤和解毒的初始部位。这些防御机制在肝硬化中受损,最终导致这些产物的溢出和各种炎症介质的分泌

14) 阻塞性睡眠呼吸暂停

在一项包括 38 名 OSA 患者和 38 名对照者的小型研究中,阻塞性睡眠呼吸暂停 (OSA) 患者发生肠漏的风险较高。

15) 癌症

几项研究表明,患有癌症的人可能会增加肠道通透性。

在易患癌症的小鼠中,高脂肪饮食会破坏间隙连接蛋白,从而增加肠道通透性。这导致炎症增加并加速肿瘤的发展。

04 什么会导致肠道渗透性增加?

以下部分基于来自小规模人类和动物研究的有限证据。虽然其中许多研究很有趣,但需要大规模的临床试验来继续证实这些发现。

1) 不良饮食

动物研究发现,不健康的饮食会造成肠道屏障失衡。

这些饮食包括:

低纤维饮食

饱和脂肪含量高的饮食

高脂肪和高糖饮食(典型的西方饮食)

富含乳化剂的加工食品的饮食

在一项针对 100 名超重孕妇的观察性研究中,饮食更健康(更多omega-3脂肪酸、纤维、维生素和矿物质)的女性肠道通透性往往较低(通过 zonulin 测量)。

在小鼠中,高脂肪饮食通过减少紧密连接蛋白的产生来增加肠道通透性。某些饮食选择与肠道通透性增加有关,包括低纤维、高饱和脂肪、高糖和高加工食品的饮食。

2) 凝集素

凝集素是特别集中在种子(谷物、豆类、坚果)和块茎(马铃薯)中的蛋白质

凝集素可以通过刺激免疫系统而有益。然而,研究表明它们也可能与肠道内壁细胞表面结合并扰乱肠道屏障。

动物研究表明,当凝集素导致肠漏时,饮食和细菌抗原(炎症因子)都可能渗入血液并激活免疫系统。

此外,在人类肠道细胞中,一些饮食来源的凝集素(如小麦)可能会通过增加 zonulin 直接打开紧密连接。然而,与从健康人获得的肠道细胞相比,乳糜泻患者的肠道细胞产生的肠道通透性要高得多。

3) 慢性压力

研究表明,来自 HPA 轴的应激激素,如CRH,可以增加肠道通透性并引起炎症。

在23名健康志愿者进行的研究中表明,公开讲话带来压力,如增加了应激激素测量皮质醇,增加肠通透性。

母体分离和其他类型的压力会增加大鼠的肠道通透性。

此外,年轻时经历过母性分离的老鼠在成年后经历社会压力时也更容易发生肠漏

应激激素与人类和动物肠道通透性增加有关。

4) 受伤

一项对 29 名重症监护患者的人体研究表明,创伤后 72 至 96 小时肠道通透性增加。损伤越严重,肠道通透性的增加就越大。

在同一项研究中,肠道通透性增加较大的患者发生全身炎症、多器官功能障碍和感染的风险较高。

同样,研究表明,烧伤会增加动物和人类的肠道通透性。

在一项动物研究中,烧伤的小鼠扰乱了微生物群(特别是缺乏产生丁酸盐的细菌)并增加了肠道通透性。

研究表明,患有脑外伤的小鼠和大鼠的肠道通透性也增加。

肠道通透性在受伤后的数小时和数天内趋于增加;这种增加与炎症、器官功能障碍和感染有关。

5) 剧烈运动

运动可能会增加肠道通透性。当我们运动时,血液进入肌肉并远离胃部,肠道的氧气供应减少

研究表明,当肠道的血液供应减少一半以上时,肠道通透性就会增加。作为参考,以 70% 最大容量锻炼的人会减少 60% 到 70% 的肠道血流量。在 100% 的最大容量时,血流量减少 80%。

一些科学家认为,长时间高强度运动的人可能会损害肠道屏障的完整性。这将使他们面临更大的慢性炎症和疾病风险

在一项针对 20 名运动员的研究中,以 70% 的容量跑步增加了肠道通透性,这在那些已经患有肠道相关症状的人中更为明显 。

在另一项涉及 10 人的研究中,以 70% 的容量骑自行车会增加肠道渗漏和进入血液的过敏原数量。

两项分别针对 37 和 38 名士兵的研究表明,高强度的战斗训练会增加肠道通透性以及肠道相关症状的发生率和严重程度。

然而,一项针对 11 名训练有素的运动员的研究表明,肠道适应了运动。因此,肠道通透性没有受到影响。

这表明肠道屏障可能像训练肌肉一样被“训练”。

人们在剧烈运动后可能会增加肠道通透性,更高强度的运动与更“渗漏”的肠道有关。然而,这种联系在一项针对训练有素的运动员的小型研究中并不成立。

6) 酒精

酒精可能会破坏肠道屏障功能并增加肠道通透性。

一项针对 36 名酗酒者的研究表明,酗酒者的肠道通透性更高,在饮酒后可持续长达 2 周。

另一项研究表明,一周适度饮用红酒对健康人来说是安全的。然而,它增加了 14 名非活动性炎症性肠病 (IBD) 患者的肠道通透性。

一些有害细菌,包括大肠杆菌,会产生酒精。某些科学家提出,酒精可能是这些细菌破坏肠道屏障功能的原因 。

大量饮酒被认为会增加肠道通透性。

7) 细菌失衡(生态失调)

肠道屏障充当可能被肠道细菌修饰的屏障。

研究表明,肠道微生物群的紊乱可能导致各种紊乱和疾病的肠道屏障功能障碍。

在一项针对 100 名超重孕妇的研究中,那些肠道渗漏(较高 zonulin)的孕妇的肠道细菌多样性较低。然而,这一切都是基于联想和猜测。

8) 感染

一些有害细菌可能会通过改变紧密连接来增加肠道通透性,从而进入人体 。

在细胞和动物研究中,幽门螺杆菌通过作用于紧密连接蛋白直接增加肠道通透性。

研究表明,其他类型的感染也可能增加肠道通透性。例如:

疟疾患者的肠道通透性可能增加(通过乳果糖-甘露醇试验测量)。

绦虫寄生虫可导致大鼠肠道渗漏。

在一项基于细胞的研究中,念珠菌增加了肠道通透性。

某些有害细菌可能会直接攻击肠道屏障的紧密连接以增加通透性。

9) 炎症

分子研究表明炎症可能通过增加肠道通透性的TNF-α,IL-1β,IFN-γ,NF-KB,和其它细胞因子。

10) 药物,包括非甾体抗炎药

常规非甾体抗炎药会在摄入后 24 小时内增加人体肠道通透性。当这些药物长期服用时,这一点更加明显。

根据对硬化患者的研究,胃酸抑制药物 (PPI) 也可能增加肠道通透性。然而,也有研究表明恰恰相反。在 14 名囊性纤维化患者中,PPI 似乎降低了肠道通透性。

11) 一些补充剂

一项针对 28 名健康女性志愿者的研究表明,维生素 C可能会增加肠道通透性(乳果糖-甘露醇试验),并且当将维生素 C 添加到阿司匹林时,这种效果可能会叠加。

然而,我们不知道这种影响有多持久或有多有意义。

同样,一项针对 153 名儿童的研究表明,补铁可以增加肠道通透性(乳果糖-甘露醇试验)。

12) 营养缺乏

分子,细胞和动物研究表明,锌对维持肠道屏障重要作用。

一项针对 25 名儿童的研究发现,扰乱的锌平衡可能与肠道通透性异常有关(通过乳果糖-甘露醇测试测量)。

动物研究进一步表明,维生素(尤其是 A 和 D)对于肠道屏障的正常功能是必需的:

甲维生素A缺陷型饮食障碍大鼠肠屏障。

缺乏维生素 D的小鼠对肠道屏障破坏更敏感。然而,需要额外的研究来检查这是否也适用于人类。

维生素 A 和 D 以及锌似乎是肠道屏障正常功能所必需的。

13) 昼夜节律紊乱

昼夜节律对于维持肠道屏障可能很重要

一项对 22名工人的观察性研究表明,与白班工人相比,夜班工人更容易出现酒精引起的肠漏症。

遗传或环境因素导致的昼夜节律紊乱导致小鼠肠道渗漏。这些小鼠也更容易受到酒精造成的进一步肠道损伤。

14) 辐射

暴露于辐射,如放射治疗,会增加人体肠道通透性

在动物研究中,辐射迅速破坏了小鼠的紧密连接并增加了猴子的肠道通透性。

15) 化疗

化疗增加人体肠道通透性;然而,确切的机制仍然没有被完全理解。

16) 出生和婴儿期

研究表明,婴儿的肠道可能自然更容易渗漏,这使他们能够从母乳中吸收免疫物质。

此外,研究表明,早产儿在出生后的头 2 天内比足月儿更容易漏肠。

17) 配方奶与母乳喂养

一项针对 62 名早产儿的研究表明,与那些接受少量或不接受母乳(<25%)(乳果糖-甘露醇测试)的婴儿相比,那些主要以母乳喂养的婴儿 (>75%) 的肠道通透性较低。

18) 老化

随着年龄的增长,肠道屏障可能会减弱。研究表明,老年人的肠道通透性(zonulin 测量)较高。

然而,一项针对 215 名成年人的研究表明,肠道屏障本身不会随着年龄的增长而恶化。相反,在该研究中,它由于慢性炎症和随着年龄增长而变得更加常见的轻微疾病而恶化。

在 18 名老年人中,高肠道通透性与更高的炎症标志物有关:TNF-α 和IL-6。它还与较低的肌肉力量和较少的习惯性体育活动有关。

首先,它与药物胃肠道吸收有关。
其次,老年人肠道通透性较高可能有助于解释炎症老化现象。炎症老化是衰老的典型慢性低度炎症,被描述为 NFkB 通路的复杂相互作用。
第三,随着年龄的增长,肠道通透性增加在心血管疾病的病理学中也很重要,因为在存在低度炎症的情况下,患心肌梗塞或中风的风险会增加。与心血管风险相关的低度炎症在机制上与炎症衰老不同,但也可能由肠道渗漏增加引发。

05 评估肠道通透性的方法(生物标志物、组织学)

肠道通透性和完整性可以通过多种方式测量。用于渗透性和完整性评估的技术因环境(体外与体内测量)、物种(人类或动物模型)、用于评估的标记分子(离子、不同大小的碳水化合物、大分子和抗原、细菌产品和细菌),以及用于测量标记分子(外周血、门静脉血、尿液)的隔室。Ussing 室被广泛用于人类和动物研究。这种测量肠道通透性的体外方法需要肠道组织标本,活检或手术标本。

➴ Ussing室

Ussing 室允许测量短路电流,作为穿过肠上皮的活性离子传输的指标。

最近的研究表明,如 Ussing 室中所评估的,管腔因素,例如营养素、细菌和包括益生菌在内的细菌产品,可以恢复先前因感染或慢性炎症而受损的肠道通透性。

➴ 渗透性测定

渗透性测定通常使用大尺寸的寡糖,例如 1500 或 4000 kD 的乳果糖或高 MW-PEG,以及小尺寸的糖,例如甘露醇、L-鼠李糖或 400 kD 的低 MW-PEG,或其他难消化的探针,例如51Cr-EDTA 口服给药。只有当肠道屏障功能受损时,大分子才被认为穿过细胞旁肠道途径。在屏障功能丧失的情况下,此类探针会穿过肠道屏障,出现在循环中,并可在肾脏排泄后在尿液中检测到。

细菌相关标志物

➴ LPS 测量

尽管众所周知,由于外周血中可检测到的水平较低,该测定存在技术限制,但一些研究已成功使用 LPS 测定来显示内毒素血症,主要发生在脓毒症患者中。在肥胖和代谢综合征患者中也发现 LPS 水平升高 ,这可能表明由于肠道屏障功能衰竭,细菌从肠腔转移到循环系统。它需要对测量进行仔细的标准化。

➴ 乳果糖-甘露醇测试

该测试在人类和动物研究中使用时间最长。

乳果糖和甘露醇是不会在消化道中分解的糖。甘露醇较小,可通过肠道吸收。乳果糖较大,只有在肠道通透性增加时才会被吸收。然后可以在尿液中测量乳果糖与甘露醇的水平。

➴ Zonulin血液测试

Zonulin 是一种导致紧密连接打开的蛋白质。一些科学家认为,更多的 zonulin 可能意味着肠道通透性更高。他们还表明,zonulin 可能是由 zonulin 通路问题引起的肠漏和自身免疫性疾病的标志物。

更准确的测试之一是酶联免疫吸附试验 (ELISA)。这会测试血液中的 zonulin 水平,它提供了肠道通透性多少的生物标志物。Zonulin 是一种化学物质,可向肠壁紧密连接发出信号,打开肠壁,产生肠通透性或肠漏。高于正常水平的 zonulin 是肠道渗漏的指标。zonulin 的最佳水平为 22.3 至 161.1 ng/mL。

➴ 食物敏感性或针对食物的抗体

对于完整的肠道,免疫系统不应暴露于肠道内容物,因此,不应该有很多针对食物的抗体。推论,如果你有很多针对各种食物的抗体,你可能有一定的肠漏。

虽然这里的逻辑似乎很可靠,但缺少显示肠漏症和食物敏感性之间因果关系的临床研究。从好的方面来说,你可能会从了解自己对哪些食物过敏(如果有)中受益。

➴ 循环内毒素核心抗体 (EndoCAb)

作为内毒素测量的替代方案,如果在门静脉血浆中测量会产生最好的结果,循环 EndoCAb 的测量允许量化针对内毒素内核的免疫球蛋白(IgG、IgM 和 IgA)已被提议用于肠道屏障的急性期损害。该内核由疏水部分、脂质 A 组成,该部分与核心寡糖相连。脂质 A 在整个革兰氏阴性菌群中高度保守。此外,正是这部分被认为是造成内毒素毒性的原因。

迄今为止,该方法的局限性在于它仅在术后患者中成功实施,而在慢性病患者中未成功。

➴ 血浆 D-乳酸

D-乳酸是许多细菌产生的发酵产物,包括存在于人类胃肠道中的细菌。在健康个体中发现低循环水平的 D-乳酸,但在肠道屏障功能丧失的情况下,这些水平将由于跨肠粘膜易位增加而升高。各种研究提出了血浆 D-乳酸和肠道通透性之间的关系,例如在接受开放主动脉手术和缺血性结肠损伤的患者中。然而,在细菌过度生长的情况下应谨慎解释结果,因为细菌的增加可能导致未消化的碳水化合物发酵增加为 D-乳酸。

➴ 粪便丁酸盐浓度

短链脂肪酸(如丁酸盐)的产生取决于益生元和其他饮食因素,以及肠道微生物群的组成和活性。已经表明,丁酸盐减少了细胞模型中的细菌易位 ,并改变了紧密连接蛋白 claudin-1 和 claudin-2 的表达,有利于保护屏障。因此,丁酸缺乏可以作为肠道屏障功能受损的间接指标。

细菌来源的溶血素是一种可损害肠道屏障的促炎毒素,导致肠道溶血素浓度升高的条件会增强肠道通透性 。然而,到目前为止,丁酸盐和溶血素测定对于渗透性评估的建立还很差。

➴ 脂肪肝的评估

细菌或细菌产物(如 LPS)从肠道转移到肝脏被认为是肝脏炎症和脂肪肝疾病的触发因素。我们可以证明 LPS 易位确实会诱导小鼠肝脏脂肪变性,这表明肠道通透性增强与通过组织学检查、磁共振断层扫描或超声检查评估的脂肪肝疾病有关。或者,脂肪肝疾病可以通过呼气试验呼出的三种挥发性细菌化合物的组合进行评估,并通过气相色谱-质谱法进行分析 。必须考虑到 LPS 可能不是导致脂肪肝疾病的唯一机制,这限制了这种方法的特异性。

➴ 分析肠道粘液中的细菌含量

最近,已经表明,在以肠道屏障受损为特征的条件下,腔内细菌会进入通常无法通过共生体进入的结肠内粘液。因此,活检组织内结肠粘液中细菌的测量可以作为肠道屏障功能和通透性的新标志物。然而,需要对这种分析进行更好的标准化,以将其确立为一种新型的评估手段。

➴ 渗透性测定

与经典的渗透性测定相比,细菌相关标志物作为人类肠道渗透性的标志物显然较少;然而,它们可能反映了肠道屏障的不同特征这一事实引起了极大的兴趣,并且可能在未来变得更加相关。

➴ 上皮细胞完整性的生物标志物

瓜氨酸的血浆水平,一种未掺入蛋白质的氨基酸,但由小肠肠细胞从谷氨酰胺中产生,已被提议作为功能性肠细胞质量的标志物。

小肠上皮细胞团的损失会导致肠道通透性受损和瓜氨酸的循环水平下降,正如在强化清髓治疗后患有严重口腔和胃肠道粘膜炎的造血干细胞移植受者中所显示的那样。

最近,瓜氨酸被确定为儿科患者化疗引起的粘膜屏障损伤的重要标志物。最有趣的是,与糖渗透性试验相比,瓜氨酸试验的灵敏度和特异性似乎更好。

除了以上方法之外,还可以通过肠道菌群检测来评估肠道屏障的完整性。

肠道菌群检测

肠道菌群中的部分菌可以降解利用粘液多糖,如Akk菌,当其丰度过高时以及缺乏膳食纤维时可能削减肠粘膜。

此外,如Ruminococcus gnavus,Ruminococcus torques,Bacteroides thetaiotaomicron,Bacteroides caccae和Bacteroides fragilis等几种菌与肠道上皮内侧形成的保护性粘蛋白层的降解有关,可分泌多种粘蛋白降解酶:α-和β-半乳糖苷酶,α-岩藻糖苷酶,α-甘露糖苷酶,N-乙酰葡糖胺酶和O-乙酰半胱氨酸酶。

除了上述粘膜破坏之外部分菌群代谢物可调节粘膜修复和缓解炎症,如H2S。通过分析菌群的代谢水平也可以了解这些影响肠粘膜修复调节能力相关的水平。

肠道屏障的破坏也会诱发体内炎症,反过来可以改变和影响特定菌群,分析炎症和短链脂肪酸是否缺乏,也是肠道屏障完整度在菌群方面的表现。

06 如何预防肠漏

1.有益的生活方式和饮食改变

研究表明,压力可能会增加肠道通透性。管理压力水平是潜在改善肠道屏障功能和整体健康的一种方法。

健康的昼夜节律也可能有助于保持肠道健康。

酒精会增加肠道通透性,如果你有肠道问题最好避免。即使是适度食用也可以增加肠道炎症患者的肠道通透性。

如果对某些食物敏感(例如麸质),那可能需要避免食用有问题的食物。但请确保饮食整体健康且均衡,以避免营养不足。

饮食和生活方式的选择可以增加或减少肠道通透性。管理压力可能是最重要的因素。

2.适度运动

在 30 名最初肠道通透性增加的糖尿病患者中,6 个月的定期运动改善了肠道渗漏并减少了低度炎症。

游泳增加了大鼠的紧密连接蛋白水平。

在小鼠中,每天游泳 30 分钟可保持低肠道通透性。它还可以预防慢性压力引起的肠道屏障功能障碍。

3.维生素和矿物质

确保您没有缺乏正常肠道屏障和免疫功能所需的维生素和矿物质。这些包括维生素 A(视黄醇)、维生素 D、锌和维生素 B。

维生素A

一项对 79 名儿童进行的临床试验表明,维生素 A 可降低肠道通透性。

维生素D

维生素 D有助于维持肠道屏障。

在一项针对 27 名处于缓解期的克罗恩病患者的研究中,维生素 D 有助于维持低肠道通透性。

维生素 D 还降低了小鼠肠道屏障对酒精的敏感性。

维生素B

烟酸(维生素 B3)会降低酒精引起的烟酸缺乏症患者的肠道通透性。

锌恢复了克罗恩病患者的肠道通透性,可能是通过维持紧密连接 。

在 12 名缓解的克罗恩病患者中,接受锌治疗的患者(10 名患者)具有正常的肠道通透性并且没有复发。其余 2 人肠道通透性增加,其中 1 人复发。

在一项针对 58 名腹泻儿童的研究中,低水平的锌可改善肠道通透性。

在缺乏的情况下,补充某些营养素(包括锌和维生素 A、D 和 B)可能有助于恢复肠道屏障功能。

4.益生菌

益生菌可能有助于减少肠道渗漏。一些科学家建议它们可以加强紧密连接并恢复肠道屏障的完整性。

在 30 名 IBS 患者的临床试验中,含有益生菌的发酵乳降低了肠道通透性。

益生菌包括嗜热链球菌,保加利亚乳杆菌,乳杆菌,和长双歧杆菌。

以下益生菌有助于改善动物和细胞研究中的“肠漏”:

鼠李糖乳杆菌GG

嗜酸乳杆菌和嗜热链球菌

植物乳杆菌

副干酪乳杆菌

L.gasseri

婴儿双歧杆菌

L. helveticus和B. longum

植物乳杆菌和罗伊氏乳杆菌

以上益生菌补充因人而异,其中主要与个人肠道菌群有关,因为肠道菌群和肠道屏障被认为是相互作用的。但是在动物研究中,某些益生菌补充剂会降低肠道通透性。

5.益生元/纤维

益生元是刺激肠道有益细菌生长的纤维。

在 20 名健康志愿者中,富含菊粉的意大利面保留了肠道屏障并减少了 zonulin。

在 32 名脂肪肝患者中,高纤维饮食降低了肠道通透性和血连蛋白水平,并改善了肝功能。

益生元低聚半乳糖 (GOS) 可改善胰腺炎大鼠的肠道屏障功能。益生元降低了肥胖和糖尿病小鼠的肠道通透性并改善了紧密连接的完整性。

益生元是促进健康肠道细菌的纤维,可能有助于改善肠道屏障功能。

6.谷氨酰胺

研究表明,谷氨酰胺可能有助于维持肠道屏障功能。

在一项针对 80 名营养不良儿童的研究中,谷氨酰胺对 101 名早产儿的肠道完整性有益,并增加了肠道屏障功能。

一项针对 51 名癌症患者的研究表明,谷氨酰胺可以对抗化疗引起的肠道通透性增加。谷氨酰胺减少了辐射引起的肠道损伤,并在大鼠中保持较低的肠道通透性。

7.其他

没有临床证据支持使用下面列出的任何食物和补充剂来改善肠道通透性。以下是对现有动物和细胞研究的总结,可指导进一步的研究工作。但是,下面列出的研究不应被解释为支持任何健康益处。

  • 发酵食品(大麦,大豆,泡菜)在小鼠和大鼠降低肠通透性与IBD状炎症。
  • Omega-3有助于改善炎症小鼠和化疗后的肠道屏障功能。
  • 姜黄素改善了大鼠、小鼠和人类细胞的肠道屏障功能。
  • 丁酸盐有助于保护患有肠道炎症的大鼠和喂食高脂肪饮食或接受化疗的小鼠的肠道屏障。
  • 褪黑激素改善了糖尿病大鼠和饮酒大鼠以及患有 IBD 样肠道炎症的小鼠或接受非甾体抗炎药治疗的小鼠的肠道屏障功能。
  • 银杏叶通过恢复紧密连接帮助恢复大鼠的肠道屏障。
  • 硫辛酸可降低断奶后大鼠的肠道通透性。
  • 槲皮素保护肠道屏障免受诱导的大鼠损伤。
  • 萝卜硫素在西兰花芽中含量很高,可增强小鼠的肠道屏障。

07 结 语

尽管有许多悬而未决的问题,肠道通透性成为基础科学和临床医生越来越感兴趣的领域,因为它可能是疾病预防和治疗的一个有价值的新目标。

考虑到肠道通透性的生理和临床作用的重要性,未来需要生物标志物,不仅可以反映肠道功能丧失,还可以反映通透性本身和与通透性相关的功能。

总之,肠道通透性是肠道屏障功能的一个特征,越来越被认为与健康和疾病相关,因此,这个话题值得更多的持续关注。

主要参考文献:

Bischoff SC, Barbara G, Buurman W, et al. Intestinal permeability–a new target for disease prevention and therapy. BMC Gastroenterol. 2014;14:189. Published 2014 Nov 18. doi:10.1186/s12876-014-0189-7

Mu Q, Kirby J, Reilly CM, Luo XM. Leaky Gut As a Danger Signal for Autoimmune Diseases. Front Immunol. 2017;8:598. Published 2017 May 23. doi:10.3389/fimmu.2017.00598

Fasano A. Intestinal permeability and its regulation by zonulin: diagnostic and therapeutic implications. Clin Gastroenterol Hepatol. 2012;10(10):1096-1100.doi:10.1016/j.cgh.2012.08.012

Fasano A. Zonulin and its regulation of intestinal barrier function: the biological door to inflammation, autoimmunity, and cancer. Physiol Rev. 2011 Jan;91(1):151-75. doi: 10.1152/physrev.00003.2008. PMID: 21248165.

Biljana Novkovic, What is Leaky Gut Syndrome? + Causes & Symptoms,2020,1 selfhacked

Bjarnason I, MacPherson A, Hollander D. Intestinal permeability: an overview. Gastroenterology. 1995 May;108(5):1566-81. doi: 10.1016/0016-5085(95)90708-4. PMID: 7729650.

Catassi C, Fabiani E, Rätsch IM, et al. Is the sugar intestinal permeability test a reliable investigation for coeliac disease screening?. Gut. 1997;40(2):215-217. doi:10.1136/gut.40.2.215

Mokkala K, Röytiö H, Munukka E, Pietilä S, Ekblad U, Rönnemaa T, Eerola E, Laiho A, Laitinen K. Gut Microbiota Richness and Composition and Dietary Intake of Overweight Pregnant Women Are Related to Serum Zonulin Concentration, a Marker for Intestinal Permeability. J Nutr. 2016 Sep;146(9):1694-700. doi: 10.3945/jn.116.235358. Epub 2016 Jul 27. PMID: 27466607.

Cani PD, Bibiloni R, Knauf C, Waget A, Neyrinck AM, Delzenne NM, Burcelin R. Changes in gut microbiota control metabolic endotoxemia-induced inflammation in high-fat diet-induced obesity and diabetes in mice. Diabetes. 2008 Jun;57(6):1470-81.

Zonulin, regulation of tight junctions, and autoimmune diseases . Alessio Fasano. U.S. National Library of Medicine. 2013.

Leaky Gut As a Danger Signal for Autoimmune Diseases. Qinghui Mu, Jay Kirby, Christopher M. Reilly, and Xin M. Luo. Frontiers in Immunology. 2017.

Wasting and intestinal barrier function in children taking alanyl-glutamine-supplemented enteral formula. Noélia L Lima, Alberto M Soares, Rosa M S Mota, Helena S A Monteiro, Richard L Guerrant, and Aldo A M Lima. PubMed. 2007.

Glutamine and the regulation of intestinal permeability: from bench to bedside . Najate Achamrah 1, Pierre Déchelotte, and Moïse Coëffier. PubMed. 2017.

Effect of glutamine on Th1 and Th2 cytokine responses of human peripheral blood mononuclear cells. W K Chang, K D Yang, M F Shaio. PubMed. 2001.

Is glutamine a conditionally essential amino acid?. J M Lacey, D W Wilmore. PubMed. 1990.

Arabinogalactan The Immune And Gut Enhancer. Dr. Alex Jimenez. El Paso’s Functional Health & Wellness Clinic. 2020.

Aloe vera: Potential candidate in health management via modulation of biological activities. Arshad H. Rahmani, Yousef H. Aldebasi, Sauda Srikar, Amjad A. Khan, and Salah M. Aly. U.S. National Library of Medicine. 2015.

Science Direct: Gut Flora in Health and Disease

Science Direct: Potential of Selected Lactic Acid Bacteria to Produce Food Compatible Antifungal Metabolites

Science Direct: A Novel Eukaryotic Cell Culture Model to Study Antiviral Activity of Potential Probiotic Bacteria

Furness JB, Kunze WA, Clerc N. Nutrient tasting and signaling mechanisms in the gut. II. The intestine as a sensory organ: neural, endocrine, and immune responses. Am J Physiol. 1999 Nov;277(5 Pt 1):G922-8. PMID: 10564096

Mead MN. Contaminants in Human Milk: Weighing the Risks against the Benefits of Breastfeeding. Environmental Health Perspectives. 2008;116(10):A426-A434.

Maes M, Leunis JC. Normalization of leaky gut in chronic fatigue syndrome (CFS) is accompanied by a clinical improvement: effects of age, duration of illness and the translocation of LPS from gram-negative bacteria. Neuro Endocrinol Lett. 2008 Dec;29(6):902-10. PMID: 19112401

Grönlund MM, Lehtonen OP, Eerola E, Kero P. Fecal microflora in healthy infants born by different methods of delivery: permanent changes in intestinal flora after cesarean delivery. J Pediatr Gastroenterol Nutr. 1999 Jan;28(1):19-25. PMID: 9890463

Fouhy, C.M. Guinane, S. Hussey, R. Wall, C.A. Ryan, E.M. Dempsey, B. Murphy, R.P. Ross, G.F. Fitzgerald, C. Stanton, and P.D. Cotter, 2012. High-throughput sequencing reveals the incomplete, short-term recovery of infant gut microbiota following parenteral antibiotic treatment with ampicillin and gentamicin. Antim. Agents Chemother. 56:5811-5820.

Hassan T. Pharmacologic considerations for patients taking oral contraceptives. Conn Dent Stud J. 1987 Mar;7:7-8. PMID: 3155374

Chassaing B, Koren O, Goodrich JK, et al. Dietary emulsifiers impact the mouse gut microbiota promoting colitis and metabolic syndrome [published correction appears in Nature. 2016 Aug 11;536(7615):238]. Nature. 2015;519(7541):92-96. doi:10.1038/nature14232

Vanuytsel T, van Wanrooy S, Vanheel H, Vanormelingen C, Verschueren S, Houben E, Salim Rasoel S, Tόth J, Holvoet L, Farré R, Van Oudenhove L, Boeckxstaens G, Verbeke K, Tack J. Psychological stress and corticotropin-releasing hormone increase intestinal permeability in humans by a mast cell-dependent mechanism. Gut. 2014 Aug;63(8):1293-9. doi: 10.1136/gutjnl-2013-305690. Epub 2013 Oct 23. PMID: 24153250.

Moussaoui N, Braniste V, Ait-Belgnaoui A, Gabanou M, Sekkal S, Olier M, Théodorou V, Martin PG, Houdeau E. Changes in intestinal glucocorticoid sensitivity in early life shape the risk of epithelial barrier defect in maternal-deprived rats. PLoS One. 2014 Feb 20;9(2):e88382. doi: 10.1371/journal.pone.0088382. PMID: 24586321; PMCID: PMC3930527.

Faries PL, Simon RJ, Martella AT, Lee MJ, Machiedo GW. Intestinal permeability correlates with severity of injury in trauma patients. J Trauma. 1998 Jun;44(6):1031-5; discussion 1035-6. doi: 10.1097/00005373-199806000-00016. PMID: 9637159.

van Nieuwenhoven MA, Brouns F, Brummer RJ. Gastrointestinal profile of symptomatic athletes at rest and during physical exercise. Eur J Appl Physiol. 2004 Apr;91(4):429-34. doi: 10.1007/s00421-003-1007-z. Epub 2003 Nov 22. PMID: 14634826.

Phua LC, Wilder-Smith CH, Tan YM, Gopalakrishnan T, Wong RK, Li X, Kan ME, Lu J, Keshavarzian A, Chan EC. Gastrointestinal Symptoms and Altered Intestinal Permeability Induced by Combat Training Are Associated with Distinct Metabotypic Changes. J Proteome Res. 2015 Nov 6;14(11):4734-42. doi: 10.1021/acs.jproteome.5b00603. Epub 2015 Oct 27. PMID: 26506213.

Swanson GR, Tieu V, Shaikh M, Forsyth C, Keshavarzian A. Is moderate red wine consumption safe in inactive inflammatory bowel disease? Digestion. 2011;84(3):238-44. doi: 10.1159/000329403. Epub 2011 Aug 26. PMID: 21876358; PMCID: PMC3180655.

Bjarnason I, Takeuchi K. Intestinal permeability in the pathogenesis of NSAID-induced enteropathy. J Gastroenterol. 2009;44 Suppl 19:23-9. doi: 10.1007/s00535-008-2266-6. Epub 2009 Jan 16. PMID: 19148789.

Al-Sadi R, Boivin M, Ma T. Mechanism of cytokine modulation of epithelial tight junction barrier. Front Biosci (Landmark Ed). 2009;14:2765-2778. Published 2009 Jan 1. doi:10.2741/3413

Nchito M, Friis H, Michaelsen KF, Mubila L, Olsen A. Iron supplementation increases small intestine permeability in primary schoolchildren in Lusaka, Zambia. Trans R Soc Trop Med Hyg. 2006 Aug;100(8):791-4. doi: 10.1016/j.trstmh.2005.10.016. Epub 2006 Mar 15. PMID: 16540136.

Swanson GR, Gorenz A, Shaikh M, Desai V, Kaminsky T, Van Den Berg J, Murphy T, Raeisi S, Fogg L, Vitaterna MH, Forsyth C, Turek F, Burgess HJ, Keshavarzian A. Night workers with circadian misalignment are susceptible to alcohol-induced intestinal hyperpermeability with social drinking. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2016 Jul 1;311(1):G192-201. doi: 10.1152/ajpgi.00087.2016. Epub 2016 May 19. PMID: 27198191; PMCID: PMC4967173.

Weaver LT, Laker MF, Nelson R. Intestinal permeability in the newborn. Arch Dis Child. 1984;59(3):236-241. doi:10.1136/adc.59.3.236

Valentini L, Ramminger S, Haas V, et al. Small intestinal permeability in older adults. Physiol Rep. 2014;2(4):e00281. Published 2014 Apr 22. doi:10.14814/phy2.281

Fukui H. Gut-liver axis in liver cirrhosis: How to manage leaky gut and endotoxemia. World J Hepatol. 2015;7(3):425-442. doi:10.4254/wjh.v7.i3.425

Overman EL, Rivier JE, Moeser AJ. CRF induces intestinal epithelial barrier injury via the release of mast cell proteases and TNF-α. PLoS One. 2012;7(6):e39935. doi: 10.1371/journal.pone.0039935. Epub 2012 Jun 29. PMID: 22768175; PMCID: PMC3386952.

Teerapornpuntakit J, Dorkkam N, Wongdee K, Krishnamra N, Charoenphandhu N. Endurance swimming stimulates transepithelial calcium transport and alters the expression of genes related to calcium absorption in the intestine of rats. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2009 Apr;296(4):E775-86. doi: 10.1152/ajpendo.90904.2008. Epub 2009 Jan 27. PMID: 19176351.

Kong J, Zhang Z, Musch MW, Ning G, Sun J, Hart J, Bissonnette M, Li YC. Novel role of the vitamin D receptor in maintaining the integrity of the intestinal mucosal barrier. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2008 Jan;294(1):G208-16. doi: 10.1152/ajpgi.00398.2007. Epub 2007 Oct 25. PMID: 17962355.

Varella Morandi Junqueira-Franco M, Ernesto Troncon L, Garcia Chiarello P, do Rosário Del Lama Unamuno M, Afonso Jordao A, Vannucchi H. Intestinal permeability and oxidative stress in patients with alcoholic pellagra. Clin Nutr. 2006 Dec;25(6):977-83. doi: 10.1016/j.clnu.2006.03.010. Epub 2006 May 18. PMID: 16713031.

Tran CD, Hawkes J, Graham RD, Kitchen JL, Symonds EL, Davidson GP, Butler RN. Zinc-fortified oral rehydration solution improved intestinal permeability and small intestinal mucosal recovery. Clin Pediatr (Phila). 2015 Jun;54(7):676-82. doi: 10.1177/0009922814562665. Epub 2014 Dec 16. PMID: 25520366.

Johnson-Henry KC, Donato KA, Shen-Tu G, Gordanpour M, Sherman PM. Lactobacillus rhamnosus strain GG prevents enterohemorrhagic Escherichia coli O157:H7-induced changes in epithelial barrier function. Infect Immun. 2008;76(4):1340-1348. doi:10.1128/IAI.00778-07

Ahrne S, Hagslatt ML. Effect of lactobacilli on paracellular permeability in the gut. Nutrients. 2011;3(1):104-117. doi:10.3390/nu3010104

Zhong Y, Cai D, Cai W, Geng S, Chen L, Han T. Protective effect of galactooligosaccharide-supplemented enteral nutrition on intestinal barrier function in rats with severe acute pancreatitis. Clin Nutr. 2009 Oct;28(5):575-80. doi: 10.1016/j.clnu.2009.04.026. Epub 2009 Jun 13. PMID: 19525042.

Fan P, Tan Y, Jin K, Lin C, Xia S, Han B, Zhang F, Wu L, Ma X. Supplemental lipoic acid relieves post-weaning diarrhoea by decreasing intestinal permeability in rats. J Anim Physiol Anim Nutr (Berl). 2017 Feb;101(1):136-146. doi: 10.1111/jpn.12427. Epub 2015 Dec 31. PMID: 26717901.

Núñez C, Márquez A, Varadé J, Martínez A, Polanco I, Maluenda C, Fernández-Arquero M, de la Concha EG, Urcelay E. No evidence of association of the MYO9B polymorphisms with celiac disease in the Spanish population. Tissue Antigens. 2006 Dec;68(6):489-92. doi: 10.1111/j.1399-0039.2006.00699.x. PMID: 17176439.

Prager M, Büttner J, Haas V, Baumgart DC, Sturm A, Zeitz M, Büning C. The JAK2 variant rs10758669 in Crohn’s disease: altering the intestinal barrier as one mechanism of action. Int J Colorectal Dis. 2012 May;27(5):565-73. doi: 10.1007/s00384-011-1345-y. Epub 2011 Nov 9. PMID: 22065112.

2型糖尿病如何做到可防可控?肠道菌群发挥重要作用

谷禾健康

2型糖尿病是一种血糖水平升高(高血糖)的慢性代谢疾病,主要由胰岛素抵抗和胰岛素分泌不足引起。2型糖尿病全球患病率在不断上升。

截止到2020年,根据美国糖尿病学会评估标准,糖尿病患病率已达到12.8%。其实在我国成年人中,已经有将近一半的人存在血糖异常,未来极有可能发展为2型糖尿病。如果不加干预治疗,会引发许多不良后果。

很多研究表明,肠道菌群在宿主的代谢和疾病状态中起着重要的作用。特别是2型糖尿病,其病因复杂,包括肥胖、慢性低度炎症,受肠道微生物群和微生物代谢产物的调节。

本文将从肠道菌群的角度了解其与2型糖尿病的关系;肠道菌群及其代谢物对葡萄糖代谢、免疫系统的影响;
从影响肠道菌群变化的因素来了解各种干预措施,包括药物,饮食,益生菌/益生元,粪菌移植,间接性禁食等方式。

01 2型糖尿病

葡萄糖主要通过食用的食物和饮料进入人体。胰腺会产生一种叫做胰岛素的激素,以帮助血液中的葡萄糖进入肌肉、脂肪和肝脏,用作能量。

  • 胰岛素如何将血液中糖分控制在正常水平?

胰岛素通过血液循环进入不同组织。组织大多数细胞表面有一种结构,叫胰岛素受体。当胰岛素流过时,会附着在胰岛素受体上,就像钥匙打开锁一样,糖可以进入细胞内,细胞获得能量维持正常运作,血液中糖分就会回落到正常水平。

  • 2型糖尿病如何形成?

2型糖尿病患者身上,细胞对胰岛素没有反应,这种情况就叫胰岛素抵抗。胰岛素没有了“钥匙”的作用,不能有效开启细胞上的“锁”,或者“锁”的数量也减少了,由此,糖分就不能进入细胞有效利用,被挡在了细胞外面,只好在血液中积累,血糖就升高了。

刚开始的时候,胰腺会觉得自己使不上力,于是不甘心开始拼命工作,产生更多的胰岛素来克服这种抵抗。

随着时间的推移,胰腺开始累了,力不从心,不能产生更多的胰岛素,这时候就是2型糖尿病开始了。

02 2型糖尿病患者的微生物群

肠道微生物群可以直接或间接地影响人类健康,肠道微生物群失调可能会增加促炎疾病的患病率,如肥胖、炎症性肠病、2 型糖尿病、关节炎和癌症。

2型糖尿病人群中个体微生物群的差异

Cunningham A L et al., Gut Pathog, 2021

在2型糖尿病患者普遍具有相对高丰度的特定属:Blautia、Coprococcus、Sporobacter、Abiotrophia、Peptostreptococcus、Parasutterella、Collinsella

2型糖尿病患者中,产生丁酸菌特别缺乏,特别是梭菌目,包括:

Ruminococcus、Subdoligranulum,Eubacterium rectale、Faecali prausnitzii、Roseburia intestinalis 、

Roseburia inulinivorans

2型糖尿病患者中,其他明显较少的菌属有:

拟杆菌属、普雷沃氏菌属双歧杆菌属

  • 双歧杆菌减少

双歧杆菌属具有显著的健康益处,包括改善肠道通透性,从而降低内毒素的循环水平并减少全身炎症。这与改善宿主的糖耐量和葡萄糖诱导的胰岛素分泌,并减少炎症有关。

  • 乳杆菌属增加

来自欧洲的女性2型糖尿病患者队列显示了乳酸杆菌Lactobacillus增加,五种梭菌的丰度下降。

在另外两项研究中也有类似的结论。乳杆菌属的增加较低的空腹血糖水平改善的糖化血红蛋白(HbA1c)水平正相关。这两种菌都与BMI指数没有关系。给糖尿病啮齿动物补充丁酸梭菌可以改善循环血糖水平,降低全身胰岛素抵抗和炎症,增加线粒体代谢,显著减少肠道破坏

  • Akkermansia菌减少

Akkermansia muciniphilaFaecali prausnitzii这两种菌为2型糖尿病的发展提供了保护。

Akkermansia菌维持粘蛋白层的完整性减少炎症方面起着关键作用。粘蛋白是大型、高度糖基化的蛋白质,参与GIT的腔内保护,导致细菌移位减少,并改善脂肪储存、脂肪组织代谢和葡萄糖稳态。给啮齿动物补充低聚果糖(使Akkermansia二次增加)或直接用Akkermansia治疗可以改善它们的整体代谢状态。

  • Faecali prausnitzii 减少

2型糖尿病的Faecali prausnitzii丰度降低,2型糖尿病的治疗似乎也直接导致了Faecali prausnitzii丰度的增加、全身炎症的二次减少和胰岛素抵抗的改善。

2型糖尿病前期菌群变化

2型糖尿病前期患者在其微生物群落中也有类似的发现,包括微生物多样性降低Akkermansia菌梭状芽孢杆菌属数量的减少瘤胃球菌属链球菌增多

如果可以确定2型糖尿病的“共同”微生物群分布,就有可能在机器学习预测模型中利用微生物生物标志物和临床参数,以可靠的诊断准确性区分2型糖尿病风险患者。其次,如果该模型被证明是成功的,所选择的微生物生物标志物可以用于监测患者的血糖控制和新疗法的引入。

03 肠道菌群对葡萄糖和胰岛素代谢的影响

肠道微生物群具有通过多种机制改变宿主葡萄糖稳态的能力,包括:

  • 发酵过程中代谢物产生及其产生的次级效应;
  • 炎症级联反应的激活导致细胞因子的释放;
  • 破坏肠粘膜屏障的渗透性,允许毒素流入;
  • 通过肠促胰岛素分泌的直接信号作用。

2型糖尿病患者表现出糖的膜转运、支链氨基酸(BCAA)转运、甲烷代谢、异生素降解和代谢以及硫酸盐还原的富集。同一队列显示细菌趋化性、鞭毛装配、丁酸盐生物合成以及辅因子和维生素代谢水平降低

微生物群对葡萄糖稳态的影响

Cunningham A L et al., Gut Pathog, 2021

04 肠道微生物群代谢物

短链脂肪酸、BCAAs、琥珀酸盐、吲哚、咪唑都是肠道厌氧发酵过程中产生的微生物代谢产物,是微生物-宿主信号通路的核心成分

这些代谢物主要由微生物群产生,如Akkermansia、普雷沃氏菌属Prevotella、瘤胃球菌属Ruminococus、粪杆菌属Faecalibacterium、真细菌属Eubacterium、Roseburia、梭菌属Clostridium、拟杆菌属、乳杆菌属、链球菌属、丙酸杆菌属Propionibacterium、梭杆菌属Fusobacterium。2型糖尿病病患者体内这些特殊微生物群的大部分已经耗尽。

Huda MN, et al., Front Endocrinol (Lausanne). 2021

丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐是膳食纤维肠道发酵产生的最丰富的短链脂肪酸。乙酸盐和丙酸盐主要由拟杆菌门产生,而丁酸盐由厚壁菌门产生。短链脂肪酸被肠粘膜细胞直接用作能量来源,或转移到体循环中,为宿主产生重要的能量来源,并具有作为信号分子的能力。

短链脂肪酸如何影响葡萄糖代谢?

短链脂肪酸通过与选定的G蛋白偶联受体的偶联作用强烈影响葡萄糖代谢。这些主要在脂肪组织、肠道和免疫细胞中表达。GPR43和GPR119刺激促进肠内分泌L细胞分泌肠促胰岛素GLP-1。GLP-1增强葡萄糖诱导的β细胞胰岛素释放,抑制胰高血糖素分泌,保护β细胞免于凋亡,促进β细胞增殖并延长肠转运时间。

丁酸盐和丙酸盐对受体GPR41的刺激具有通过两种不同的作用机制诱导肠道糖异生的能力。

  • 首先,作为GPR41激动剂,增强肠道糖异生基因表达
  • 其次,通过涉及GPR41的肠-脑神经回路

短链脂肪酸还可以直接影响肝脏葡萄糖代谢,减少糖酵解和糖异生,增加糖原合成,降低血浆脂肪酸浓度。干细胞因子具有激活副交感神经活性的能力,从而增加食欲促进葡萄糖刺激的胰岛素分泌

短链脂肪酸通过AMP激活蛋白激酶(AMPK)活性的作用,通过增加葡萄糖转运蛋白4型(GLUT4)的表达来增强外周葡萄糖摄取。其次,在骨骼肌中,短链脂肪酸具有减少糖酵解的能力,导致葡萄糖-6-磷酸的二次积累,从而导致更大的糖原合成

▇ 乙酸盐

乙酸盐是最丰富的短链脂肪酸,被肠上皮吸收,通过门静脉输送到肝脏,并最终分布到外周组织,在那里被代谢。全身性乙酸盐具有穿过血脑屏障的能力,在那里它可以激活乙酰辅酶a羧化酶,导致神经肽表达增强,从而诱导下丘脑神经元激活并抑制食欲

▇ 丁酸盐

丁酸盐是结肠细胞的主要底物和能量来源,提供结肠粘膜至少60-70%的能量需求,对其增殖和分化至关重要。丁酸盐在维持结肠上皮稳态中发挥重要作用,主要是利用其抗炎特性,从而防止氧化应激产生活性氧和氮。在口服葡萄糖耐量试验期间,大量产生丁酸盐的微生物群与改善的胰岛素反应有关(这表明β细胞功能改善)。

餐后血浆丁酸浓度升高与丁酸肠杆菌Intestinimonas butyriciproducens 、Akkermansia muciniphila的丰度增加有关。值得注意的是,通过口服葡萄糖胰岛素敏感性(OGIS)模型评估,丁酸盐浓度与餐后胰岛素敏感性直接相关。

▇ 丙酸盐

肠道产生的丙酸盐是已知的糖异生的首选前体,其中约50%以这种方式利用。丙酸盐进入三羧酸(TCA)循环,通过三个连续的反应转化为琥珀酰辅酶a,生成的琥珀酰辅酶a重新进入TCA循环,并转化为草酰乙酸,即糖异生前体。

肠道丙酸酯释放增加与β细胞功能增强和葡萄糖刺激的胰岛素分泌有关,与GLP-1水平的变化无关。丙酸盐还通过直接抑制炎性细胞因子诱导的细胞凋亡为人类胰岛提供保护。

最后,用肠道丙酸盐补充超重患者导致能量摄入减少和肥胖,并且肽YY (PYY)和GLP-1的血浆水平升高。

膳食纤维的细菌发酵产生大量琥珀酸,通过激活肠道糖异生来改善血糖控制,对于丁酸和丙酸也是如此。

▇ 必需氨基酸

据报道,包括碱性氨基酸和芳香族氨基酸在内的少量必需氨基酸增加与未来发展2型糖尿病的风险增加五倍有关。血中碱性成纤维细胞生长因子水平升高也被证明是胰岛素抵抗的特征,与两种特定的细菌相关,即普雷沃氏菌拟杆菌

胰岛素抵抗患者表现出丰富的支链氨基酸生物合成,并被发现缺乏编码这些特定氨基酸的细菌内向转运蛋白的基因。在啮齿类动物中,普雷沃氏菌可诱导胰岛素抵抗,加剧葡萄糖耐受,并增加支链氨基酸水平。

▇ 吲哚丙酸

吲哚丙酸是细菌芳香族氨基酸分解代谢产生的代谢产物,与膳食纤维摄入高度相关,似乎可以降低患2型糖尿病的风险。它提供了有效的自由基清除活性,提示它可以保护胰腺β细胞免受与代谢和氧化应激相关的损伤。它还可能通过抑制电压门控钾通道,触发GLP-1分泌,参与调节肠内分泌L细胞的肠促胰岛素分泌

由肠道微生物群降解组氨酸产生的咪唑丙酸盐,通过作为细胞内胰岛素受体信号级联的抑制剂损害了细胞正确响应胰岛素的能力。

▇ 胆汁酸

胆汁酸是类固醇羧酸,主要通过限速酶7α‐羟化酶(CYP7A1)的作用从胆固醇衍生而来,然后在分泌到胆汁中之前与甘氨酸或牛磺酸结合。超过95%在末端回肠和结肠通过肠肝循环被重吸收。

胆汁酸的主要功能是小肠内脂类和脂溶性维生素的消化和吸收

乳酸杆菌、双歧杆菌、肠杆菌、拟杆菌、梭菌是影响胆汁酸合成、修饰和信号传导的主要肠道微生物群。它们具有通过解偶联过程控制初级胆汁酸(胆酸和鹅去氧胆酸)转化为次级胆汁酸(脱氧胆酸和石胆酸)的能力,以及代谢天然存在的FXR拮抗剂牛磺β-胆酸的能力。反过来,胆汁酸由于其强大的抗微生物活性,通过抑制细菌在肠道中的定居和生长来促进肠道稳态

除了在肠道消化和吸收中的作用外,胆汁酸还具有发挥激素作用的重要代谢作用的能力。

Xie C,et al., Nutrients. 2021

胆汁酸可以利用FXR和G蛋白受体5 (TGR-5)通过受体偶联信号调节葡萄糖代谢。FXR偶联只有通过原发性胆汁酸才有可能,并且具有减少糖异生、促进肝糖原产生、抑制GLP-1释放和刺激成纤维细胞生长因子(FGF-19)从回肠分泌的能力。

FXR信号抑制糖异生基因的表达,如那些编码磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、果糖-1,6-双磷酸酶-1和葡萄糖-6-磷酸酶的基因。FGF-19通过降低CYP7A1的表达、抑制葡萄糖产生和诱导糖原合成来调节BA的合成。TGR-5(仅通过二级BAs结合)偶联导致肠L细胞分泌GLP-1,增加葡萄糖刺激的胰岛素释放,并促进前胰高血糖素转化为GLP-1。

在骨骼肌和棕色脂肪组织中,BATGR5信号通过刺激2型碘甲状腺原氨酸脱碘酶促进甲状腺素(T4)转化为具有生物活性的三碘甲状腺原氨酸(T3),导致更大的能量消耗。两种受体的偶联促进胰腺β细胞产生胰岛素

研究表明,使用钡螯合剂操纵钡池可以改善2型糖尿病患者的血糖控制。钡螯合剂在肠内结合钡,形成不可吸收的复合物,导致肠肝循环中断。胆汁酸螯合剂降血糖作用的潜在机制知之甚少,但据信涉及胆汁酸库组成的破坏、增强肝脏葡萄糖代谢、增加肠促胰岛素激素的释放和诱导肠道微生物群组成的改变

05 菌群缺失导致胃肠屏障功能受损

肠粘膜内层作为与潜在有害物质不良相互作用的预防性屏障,在免疫系统的调节中起着不可或缺的作用。

众所周知,2型糖尿病具有显著增强的肠道通透性,允许细菌穿过肠道上皮移位,导致引发低度炎症的宿主代谢性内毒素血症。由此产生的影响可以引发β细胞破坏胰岛素抵抗

如前所述,粪杆菌属Faecalibacterium、罗氏菌属Roseburia、双歧杆菌属都被认为具有防止细菌移位降低肠道通透性的能力。众所周知,2型糖尿病患者体内这些特殊微生物群的丰度已经耗尽。

06 炎 症 应 答

2型糖尿病的特征是慢性低度炎症状态,伴有大量炎症介质的异常表达和产生。患有2型糖尿病的个体产丁酸盐菌群数量减少,导致肠道轻度炎症

肠道微生物通过脂多糖(LPS)的活性激活宿主炎症胰岛素抵抗,脂多糖是革兰氏阴性菌细胞壁的重要组成部分。细菌片段和脂多糖被先天toll样受体(TLRs)识别,特别是TLR4,触发细胞内信号通路NF-κB的激活和促炎细胞因子的释放。LPS的释放还通过与在巨噬细胞和树突状细胞上表达的NLRP3炎症体和NOD样受体(NLRs)的高亲和力偶联来刺激局部免疫反应。炎性NF-κB级联中血清激酶(Jnk和IKK)的激活诱导胰岛素受体底物丝氨酸磷酸化,恶化胰岛素抵抗。

促炎细胞因子的释放会破坏葡萄糖代谢和胰岛素信号。2型糖尿病患者表现出肿瘤坏死因子-α水平升高,这与糖耐量改变、胰岛素抵抗增强和胰岛功能障碍密切相关。肿瘤坏死因子-α具有上调细胞因子信号转导抑制因子-3 (SOCS-3)转录的能力,该抑制因子与胰岛素受体的酪氨酸-960偶联,防止胰岛素受体结合。这导致IRS-1的降解和胰岛素信号通路的破坏

白细胞介素-1 (IL-1)是白细胞介素家族的一种炎性细胞因子,具有降低IRS-1表达、抑制GLUT-4向质膜移位和减少胰岛素刺激葡萄糖摄取的潜力。最近的研究表明,IL-1受体拮抗剂(IL-1RA)和IL-1β特异性抗体治疗改善了2型糖尿病患者的糖代谢和胰岛素分泌。

IL-6已被确定为2型糖尿病的独立预测因子。它对IRS-1、GLUT4和过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARs)的基因转录产生长期抑制作用,并显著降低胰岛素刺激的酪氨酸磷酸化和胰岛素刺激的葡萄糖转运

以上部分是微生物群的改变直接或间接影响2型糖尿病的发展,那么微生物群会受到哪些因素的影响呢?

影响肠道微生物群的因素

Huda MN, et al., Front Endocrinol (Lausanne). 2021

以上因素都会改变肠道微生物群,其中如益生元、益生菌、FMT和间歇性禁食,都被认为是2型糖尿病的潜在疗法。

一些2型糖尿病的药物改善循环血糖水平部分通过调节肠道微生物群,这进一步支持了肠道菌群作为2型糖尿病治疗的可能性。接下来我们看看它们如何调节肠道微生物群。

07 药物引起肠道微生物群变化

肠道微生物的组成在个体之间有很大的差异,并被内源性和外源性因素不断改变。地理和环境因素,如饮食、疾病、生活方式、卫生和药物都会导致变化。抗生素治疗能够在给药后几年内破坏肠道微生物群落。

在斯堪的纳维亚的2型糖尿病患者中发现的拟杆菌属、普雷沃氏菌属双歧杆菌属的数量明显较少,这表明抗生素暴露与随后的2型糖尿病发展之间存在很强的相关性。2型糖尿病的诊断与抗生素处方数量之间的关系需要进一步建立因果关系。

抗生素可能使患者更容易发展为2型糖尿病,然而,在确诊前几年,有2型糖尿病风险的患者可能更容易患病。

下面,来看看抗生素治疗对肠道微生物群的影响,以及由此对肥胖和胰岛素抵抗患者代谢参数的影响

万古霉素显著降低了微生物多样性,厚壁菌门丰度降低,变形菌数量增多,尤其是乳杆菌属,外周胰岛素敏感性下降。包括双胍类、α-葡萄糖苷酶抑制剂、肠促胰岛素类药物、胰高血糖素样肽1 (GLP-1)受体激动剂、二肽基肽酶-4抑制剂和噻唑烷二酮类在内的降糖药物都会影响肠道微生物群。

▇ 二甲双胍

二甲双胍是2型糖尿病患者最广泛使用的口服药物之一,不会有意改变肠道微生物群。

  • 二甲双胍增加有益菌

然而,越来越多的证据表明,微生物群可能会增强某些效应。二甲双胍增加了Akkermansia属、双歧杆菌属乳杆菌属的相对丰度。其他丰富的关联包括拟杆菌属、丁酸球菌属、普雷沃菌属、巨球菌属和丁酸杆菌属。这些特殊的微生物群都具有产生短链脂肪酸的能力

  • 二甲双胍改善菌群多样性

二甲双胍治疗可改善肠道微生物多样性,快速改变肠道菌群组成,通过增加短链脂肪酸的产生,促进内分泌细胞活性,调节胆红酸(BA)的周转,减少内毒素血症,改善肠道功能。

  • 二甲双胍治疗减少脆弱拟杆菌

短期二甲双胍治疗与脆弱拟杆菌的丰度显著降低相关,导致肠道中BA糖链酸水平的二次增加。GUDCA抑制肠法呢样X受体(FXR)信号传导,从而改善葡萄糖耐量。重新引入脆弱拟杆菌逆转了使用二甲双胍后葡萄糖代谢的改善。

二甲双胍治疗下的微生物转移有助于改善血糖控制和不良反应

Forslund K, et al., Nature. 2015

▇ 格列本脲

其他糖尿病药物还没有像二甲双胍治疗那样被广泛研究。格列本脲对肠道微生物群α多样性的影响很小。它增加了Paraprevotellaceae 和普氏菌属 Prevotella 的相对丰度。当与二甲双胍联合使用时,达帕利沙星或格列齐特均未显示能显著改变2型糖尿病患者的肠道微生物群。

▇ 利拉鲁肽

在高脂饮食(HFD)中,利拉鲁肽降低了肠道微生物的多样性,降低拟杆菌门、变形菌门和放线菌门的丰度。所有与肥胖相关的菌(Romboutsia,Ruminiclostridium,Erysipelotrichaceae)的相对丰度也有所下降,同时与瘦相关的菌Blautia和Coprococcus有所增加

接受GLP-1激动剂联合二甲双胍治疗的患者,Akkermansia丰度高于接受单一利拉鲁肽治疗的患者。

08 间接性禁食影响肠道菌群

间歇性禁食被定义为一种周期性的饮食限制,已被证明可以延长寿命,并降低罹患包括2型糖尿病在内的各种年龄相关疾病的风险

动物研究表明,间歇性禁食可改善机体组成、糖脂代谢、减少炎症和自噬,肠道菌群可能在这一过程中发挥关键作用。虽然大多数人类间歇性禁食研究显示了一个有益的影响,结果还不完全确定。

最近一项使用糖尿病小鼠的研究报告称,28天间歇性禁食干预通过增加气球菌Aerococcus、棒状杆菌Corynebacterium、Odoribacter、乳酸杆菌的丰度,减少链球菌、Rummeliibacillus和Candidatusarthromitu的丰度,重组了肠道微生物群,从而降低了血糖和胰岛素水平,改善能量代谢

间歇性禁食引起的细菌丰度变化与血浆次级胆汁酸浓度、绒毛长度增加、肠道渗漏减少、血浆LPS水平降低相关,提示轻度炎症改善。更重要的是,抗生素治疗抑制了间歇性禁食对2型糖尿病的影响,提示微生物群是间歇性禁食改善2型糖尿病的诱因

间歇性禁食的另一种选择是禁食模拟饮食法,它含有非常的热量和蛋白质。禁食模拟饮食法通过增加 ParabacteroidesBlautia的数量,减少普雷沃氏菌科、Alistipes、Ruminococcaceae属的数量,重建肠道微生物群,使血糖水平正常化,改善血糖高db/db小鼠的胰岛素敏感性和β细胞功能

该研究进一步强调了胰岛细胞和β细胞的缺失可以通过禁食模拟饮食法介导的改变肠道微生物群来预防,提示禁食模拟饮食法通过胰腺β细胞的功能来改善2型糖尿病。

综上,间歇性禁食可调节肠道菌群,改善2型糖尿病。然而,这些发现需要在人类队列中进行验证,使用纵向研究来确定间歇性禁食在影响2型糖尿病结果中的长期有效性。

09
益生元、益生菌和合生元

益生元、益生菌和合生元能够调节肠道微生物群组成,目的是为改善葡萄糖代谢创造环境。越来越多的文献支持临床使用添加益生元、益生菌和合生元来改善2型糖尿病患者的血糖控制。

然而,由于研究方法(研究时间、补充量、患者人口特征)之间的异质性,阻碍了研究的比较,而且研究可用性差、单个研究的规模相对较小以及明显缺乏微生物群数据,数据仍然有限,这是具有挑战性的。

▇ 益生菌

益生菌是活的微生物,当以足够的量给药时,对个体的健康有益。

证据表明,益生菌能够改善肠道微生物群,从而实现更好的2型糖尿病控制,同时增强肠道完整性、降低循环LPS、降低内质网应激和改善外周胰岛素敏感性

一项荟萃分析,重点是研究补充益生菌对2型糖尿病患者糖化血红蛋白水平、空腹血糖和胰岛素抵抗的影响。共纳入了15项随机对照试验,涉及902名患者。结果表明,益生菌可降低基线水平的糖化血红蛋白(p = 0.02)、FBG(p=0.003)和胰岛素抵抗(p < 0.00001)。

有限的研究评论了微生物群的变化。两项研究提到了添加益生菌后的微生物群分析,并报告了细菌组成的变化。嗜酸乳杆菌Lactobacillus acidophilus的丰度从干预前的接近不可检测的水平显著增加双歧杆菌属(4.5倍)和乳杆菌属(两倍)数量的显著增加

▇ 益生元

益生元是食物成分,如不易消化的多糖或纤维,通过选择性刺激一个或有限数量的肠道微生物群的生长和/或活性而有益地影响宿主。

补充益生元与改善血糖控制有关,然而,根据益生菌研究报告,方法学的异质性也很大,导致文献不确定。

迄今为止最全面的荟萃分析,包括33个随机对照试验,涉及1346名参与者,分布在健康、肥胖和2型糖尿病队列中。仅关注糖尿病前期和2型糖尿病队列,与对照组相比,补充后FBG、糖化血红蛋白水平、空腹胰岛素浓度和胰岛素敏感性的相对降低,分别为基线值的7.15、7.00、16.58和25.34%。建议每日补充剂量大于10 g,持续时间至少42天,以持续改善血糖指标。

目前尚不清楚观察到的影响是与肠道微生物群的改变有关,还是因为发酵底物的可用性更高。文献中一直缺乏微生物群分析,直接归因于葡萄糖水平的改善。

研究表明,补充益生元六周可产生显著的双歧杆菌效果,并提高粪便短链脂肪酸浓度,但未观察到对整体微生物多样性的影响。其次,补充益生元可以增加细菌多样性,如Shannon和inverse Simpson指数所评估的,并增加2型糖尿病患者的丰富度。然而,在饮食治疗12周后,没有观察到葡萄糖控制的统计学改善。

▇ 合生元

合生元:”包含活微生物和被宿主肠道微生物群选择性利用以赋予‘宿主健康益处’的底物的混合物”。

一种合生元给六十名高血压前期患者2型糖尿病(两种乳酸杆菌和双歧杆菌各一种,一种链球菌和酵母,以及300毫克低聚糖)。据报道,干预后乳酸杆菌属(32.6%)和双歧杆菌属(131.6%)均有所增加,肠道致病菌(44.6%)显著减少,空腹血糖(3.3%)和HbA1c水平(14%)也有所改善

越来越多的证据表明,添加益生元、益生菌和合生元可以改善血糖控制。需要进行详细的工作来设计稳健的方法,以确定这些积极的变化是否直接归因于肠道微生物群的改变和所涉及的复杂代谢机制。一旦这种关系被更好地理解,在2型糖尿病的管理中利用这些饮食补充的潜力就可以充分发挥。

10 粪菌移植治疗,有待深入研究

粪便微生物群移植(FMT)是将最低限度操作的预先筛选的供体粪便转移到已确定的“患病”患者的肠道中,目的是纠正异常生物状态增加整体多样性并恢复微生物群的功能。

被诊断为代谢综合征的男性受体在接受异源菌群6周后,胰岛素敏感性提高,产丁酸盐菌群(Roseburia肠胃炎种)丰度增加

其次,一项研究报告了代谢综合征患者,观察到异体粪菌移植后HbA1c水平显著降低,并与肠道微生物群组成的变化相关。异体粪菌移植之前参与者基线微生物组中基因丰富度的降低与临床结果的改善相关。

应该注意的是,这两项研究的临床益处随着时间的推移而恶化,并且存在相当大的个体差异

因此,粪菌移植治疗虽有希望,但还需进一步研究,例如:

  • 确定最佳供体微生物群特征;
  • 计算补充治疗所需的适当给药频率和阈值,以延长微生物群植入的寿命;
  • 受体宿主因子是否具有调节治疗效果的能力。

11 2型糖尿病的风险因素及预防措施

2型糖尿病是一种多因素疾病。这意味着不是仅仅停止吃糖或开始锻炼就可以来避免这种健康状况。
以下是一些可能影响患2型糖尿病风险的因素:

肥胖

肥胖或超重患2型糖尿病的风险很大

不良的饮食习惯

美国糖尿病协会(ADA)强调,吃太多不健康的食物会增加你患2型糖尿病的风险。研究表明,经常吃高热量、加工食品和饮料的饮食,而完整的、富含营养的食物却吃的少,这样的饮食习惯会显著增加患2型糖尿病的风险。

看电视时间过长

哈佛大学公共卫生学院指出,长时间看电视(和久坐)可能会增加肥胖、2型糖尿病和其他疾病的风险。

缺乏足够的锻炼

就像体脂与胰岛素和其他激素相互作用影响糖尿病的发展一样,肌肉也是如此。通过心血管运动和力量训练可以增加的肌肉量,在保护身体抵抗胰岛素抵抗和2型糖尿病方面发挥着作用。

睡眠习惯

美国国家睡眠基金会指出,睡眠障碍会增加对胰腺的需求,从而影响身体胰岛素和血糖的平衡。随着时间的推移,这会导致2型糖尿病。

多囊卵巢综合征(PCOS)

根据2017年8月发表在《临床内分泌与代谢杂志》上的一项研究,被诊断患有多囊卵巢综合征(一种激素失衡疾病)的女性比她的同龄人患2型糖尿病的风险更大。胰岛素抵抗和肥胖是这些疾病的共同特征。

45岁以上

根据ADA的说法,年龄越大,患2型糖尿病的可能性越大。但近年来,越来越多的儿童和青少年被诊断出患有前体糖尿病和2型糖尿病。

✦ 预 防

对于预防2型糖尿病,没有万无一失的方法,但是根据上述风险因素进行相应调整,保持健康的体重,遵循健康的饮食,定期锻炼,降低高胆固醇和高血压等可以帮助预防这种疾病。

▇ 饮食

因为某些食物,如碳水化合物,直接影响你的血糖,所以饮食是控制糖尿病最重要的因素之一

重要的并不是不吃,而是尽可能均衡饮食。

一种简单的标准餐盘法控制饮食:

盘子的一半:不含淀粉的蔬菜

盘子的四分之一:瘦肉蛋白

盘子的四分之一:谷物或淀粉类蔬菜

按照上述方式吃完饭,如果你还觉得饿,可以再吃一点不含淀粉的蔬菜。重要的是,一定要慢慢吃,享受食物

餐盘法可以帮助你增加纤维摄入量。富含纤维的食物可以帮助减缓血糖上升的速度。让你有饱腹感,潜在地促进减肥提高胰岛素敏感性。高纤维食物通常富含维生素和矿物质,也可以增加营养

已有研究证明,鼓励患者摄入高纤维饮食可以提高产生短链脂肪酸的菌群数量,从而通过增加GLP-1的产量来降低糖化血红蛋白水平。接受高纤维饮食的患者HbA1c水平比对照组下降更大,更高比例的患者实现了充分的血糖控制(HbA1c < 7%)。

注:糖化血红蛋白(HbA1c)是红细胞中的血红蛋白与血清中的糖类(主要指葡萄糖)通过非酶反应相结合的产物。

进一步的临床研究,摄入地中海饮食(富含纤维),也报告了高心脏代谢风险个体的葡萄糖和胰岛素敏感性的改善

因此,高纤维饮食用于控制2型糖尿病是可能的。

▇ 运动

运动对于利用胰岛素(帮助将糖分转移到细胞中)和降低血糖至关重要。通过运动,新陈代谢加快,身体就会逐渐熟练地燃烧卡路里。此外,锻炼有助于保持胆固醇含量,避免胆固醇过高和斑块的形成(这些斑块可能会阻碍血液顺利通过动脉)。

你可能会说工作生活很忙,找时间锻炼很困难,但不得不说,运动非常重要。试着让运动变得有趣,给自己足够的动力,或者把锻炼计划写在本上,比如说每周150分钟的运动量。

常见运动活动的生理成分

Andrew Williams et al., CLINICAL,2021

运动方式对2型糖尿病患者健康相关结果的影响

Andrew Williams et al., CLINICAL,2021

重要的是,要选择适合自己的运动方式,比如说肥胖的人可能会减少负重训练,从而减少与冲击相关的肌肉骨骼问题加重的风险。

有人认为,2型糖尿病患者在运动过程中发生不良事件的风险增加,但不良事件的发生率较低,定期运动的好处远远大于风险

注:不稳定型心绞痛、不稳定呼吸系统疾病、未经治疗的心力衰竭或心肌病、严重主动脉狭窄和未控制的糖尿病患者,运动需要遵医嘱

总之,运动计划必须是有目标的并且是自己感兴趣的,才能坚持下去。

▇ 肠道菌群健康检测

定期进行肠道菌群检测,了解2型糖尿病的患病风险,也是一种可行的预防措施。当发现风险较高就及时调整,不恐慌不焦虑,对自身健康状况了如指掌。

12
结 语

2型糖尿病是一种复杂的多系统疾病,如果不加以适当的识别和治疗,可能会出现并发症。特定的肠道微生物群可能通过葡萄糖代谢途径的改变来避免2型糖尿病的恶化。

随着对微生物群的了解逐渐深入,利用微生物群来识别“高危”人群以及通过微生物群靶向治疗成为可能。对于益生菌,益生元等治疗方案还需进一步研究,最终目标是在已确定的风险人群中简化早期干预,真正做到可防可控。

主要参考文献

Cunningham A L,Stephens J W,Harris D A,Gut microbiota influence in type 2 diabetes mellitus (T2DM).[J] .Gut Pathog, 2021, 13: 50.

Huda MN, Kim M, Bennett BJ. Modulating the Microbiota as a Therapeutic Intervention for Type 2 Diabetes. Front Endocrinol (Lausanne). 2021 Apr 7;12:632335. doi: 10.3389/fendo.2021.632335.

Al-Jameel SS. Association of diabetes and microbiota: An update. Saudi J Biol Sci. 2021;28(8):4446-4454. doi:10.1016/j.sjbs.2021.04.041

Muñoz-Garach A, Diaz-Perdigones C, Tinahones FJ. Gut microbiota and type 2 diabetes mellitus. Endocrinol Nutr. 2016 Dec;63(10):560-568.

Forslund K, Hildebrand F, Nielsen T, Falony G, et al. Disentangling type 2 diabetes and metformin treatment signatures in the human gut microbiota. Nature. 2015 Dec 10;528(7581):262-266.

Vitale M, Giacco R, Laiola M, et al. Acute and chronic improvement in postprandial glucose metabolism by a diet resembling the traditional Mediterranean dietary pattern: can SCFAs play a role? Clin Nutr. 2021;40(2):428–37

Tao YW, Gu YL, Mao XQ, Zhang L, Pei YF . Effects of probiotics on type II diabetes mellitus: a meta-analysis. J Transl Med. 2020;18(1):30

Zhang F , Wang M, Yang J, et al. Response of gut microbiota in type 2 diabetes to hypoglycemic agents. Endocrine. 2019;66(3):485–93.

Gérard C, Vidal H. Impact of gut microbiota on host glycemic control. Front Endocrinol (Lausanne). 2019;10:29.

Xie C, Huang W, Young RL, Jones KL, Horowitz M, Rayner CK, Wu T. Role of Bile Acids in the Regulation of Food Intake, and Their Dysregulation in Metabolic Disease. Nutrients. 2021 Mar 28;13(4):1104.

结直肠癌防治新策略——微生物群

谷禾健康

2020年8月的一则消息让人深感痛惜,漫威系列电影《美国队长3》中饰演黑豹的演员查德维克·博斯曼因患结肠癌去世,享年43岁。

结直肠癌 (CRC) 是全球第三大常见癌症,每年有超过 100 万新病例和 600,000 例死亡。更糟糕的是,该病有越来越年轻化的趋势,有报告称,与1950 年出生的人相比,1990 年之后出生的人患结肠癌的可能性是其两倍,患直肠癌的可能性是其四倍

科学家正在研究其原因,遗传因素在癌症发展中的作用相对较小(<10% 至 30%);而某些环境因素,例如食用大量加工食品、高脂饮食、纤维摄入不足、压力、炎症,甚至在儿童时期过度使用抗生素,这些可能是导致年轻一代结直肠癌风险显著增加的潜在原因。

以上所有因素都会改变肠道微生物群并诱导肠道微生态失调,从而导致宿主免疫系统低下进而发展为各种疾病。

肠道生态失调可分为三种类型:

有益菌的丧失

病原体或潜在有害物种的扩张

整体微生物多样性的丧失

在结直肠癌患者中这三种类型的失调都存在。

本文主要围绕肠道微生物群的改变与结直肠癌的关系展开讨论,也包含益生菌、益生元、合生元、后生元在结直肠癌中发挥的重要作用,以及结直肠癌的预防措施。

01 结直肠癌的症状

结直肠癌早期可能不容易被发现,很多情况直到晚期才引起症状。最常见的症状包括:

排便习惯的改变,例如腹泻、便秘或大便变窄,持续数天以上;

腹泻与便秘交替;

一种需要排便的感觉,但排便后也依然不能缓解这种感觉;

直肠出血,伴有鲜红色血液;

大便中带血,使粪便看起来发黑;

痉挛或腹痛;

虚弱或疲劳;

不明原因的体重减轻

02 结直肠癌中微生物群的变化

结直肠癌患者具有独特的粘膜相关微生物群。例如,结直肠癌对微生物群的影响通常以微生物多样性的增加为特征,这似乎随着癌症的发展而进展——晚期结直肠癌样本(III 期和 IV 期)通常比早期结直肠癌样本(I 期)表现出更高的丰度

黏 膜 菌 群

结直肠癌患者中,黏膜菌群变化如下:

在癌变状态出现之前,也可以观察到黏膜相关微生物群的差异。来自息肉受试者健康对照组的粘膜相关微生物群之间存在显着差异,这表明肠道微生物群从很早的阶段就参与了癌症的发展。

* 关于息肉和腺瘤:细胞的分化速度超过正常速度就会形成息肉,广义上来说,腺瘤就是息肉的恶变。

腺瘤组织的特征是变形杆菌梭杆菌的丰度增加

另一个大型队列多组学数据集表明,微生物组和代谢组的变化发生在结直肠癌发展的早期阶段,这可能具有病因学和诊断重要性。在成年早期至中期长期(≥2 个月)接触抗生素60 岁时患结直肠腺瘤的风险增加有关。在结直肠癌患者中观察到的微生物群改变不仅限于肿瘤部位;也可以在周围的健康组织中看到。

正常和腺瘤患者体内微生物群主要细菌科的分布

Aprile, F. et al., Cancers,2021  

 (箭头的长度与文献中得出的科学证据的强度有关)

粪便菌群

结直肠癌的发展通常与这些菌变化相关:

变形菌门梭杆菌门的促炎或致病物种的增加;厚壁菌门的有益菌的减少。

结直肠癌患者的粪便微生物群是动态的,在癌症进展过程中会发生特征性变化。在中国队列中,健康个体的粪便样本以拟杆菌门和厚壁菌门为主,其丰度随着息肉-腺瘤-癌的进展而减少。相比之下,变形菌门的丰度随着结肠癌的发展而增加。

特别是,厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、毛螺菌科(Lachnospiraceae)和脱硫弧菌属(Desulfovibrio)已被证明对早期结直肠癌具有特异性。

而与恶性肿瘤相关的菌有:Solobacterium消化链球菌属Peptostreptococcus、棒杆菌属Corynebacterium、Parvimonas、奈瑟氏菌属Neisseria、卟啉单胞菌属Porphyromonas、Gemella、产碱菌科Alcaligenaceae肠杆菌科Enterobacteriaceae

肠道细菌在结直肠癌发生和进展中的影响

Torres-Maravilla, E.et al.,Microorganisms2021

03 结直肠癌是怎么发生的?

本章节从炎症,DNA损伤,短链脂肪酸,胆汁酸代谢等多角度来阐述其与结直肠癌的关系,以及肠道微生物群在其中发挥的作用

有益菌和有害菌在结直肠癌环境中的作用

Torres-Maravilla, E.et al.,Microorganisms,2021

炎症

慢性炎症是结直肠癌的既定危险因素,炎症性肠病 (IBD) 患者始终比普通人群具有更高的结直肠癌风险,相应地,在结直肠癌患者中反复报道了促炎物种的增加。

· 具核梭杆菌 Fusobacterium nucleatum

它在小鼠模型中通过激活 TLR4 信号传导至 NF-κB 来增加结直肠癌细胞的增殖和结肠肿瘤发生,从而促进浸润特定促炎性骨髓细胞亚群转化为肿瘤 。

·  结直肠癌中的具核梭杆菌起源于口腔

超过 40% 的结直肠癌患者在肿瘤和唾液样本中都显示出相同的具核梭杆菌菌株。

在结直肠癌样本中显著富集的几种口腔共生细菌和致病菌,包括梭杆菌属、卟啉单胞菌属、细小单胞菌属、胃链球菌属、Gemella、Prevotella和Solobacterium

· 大肠杆菌

其他已知的与结直肠癌相关的促炎物种有产大肠杆菌素的大肠杆菌,它能增强结直肠癌早期肿瘤中的炎症活性氧(ROS)的产生

· 脆弱拟杆菌 Bactoroides fragilis

产肠毒素的脆弱拟杆菌Bactoroides fragilis,它通过Th17反应和NF-κB活化介导炎症,从而诱导骨髓细胞依赖的远端结肠肿瘤发生

肠道微生物群引起的肠道炎症导致结直肠癌发生

Torres-Maravilla, E.et al.,Microorganisms2021

· 促炎菌增加与有益菌减少相关

在结直肠癌中观察到的促炎菌种的增加与属于有益菌属瘤胃球菌属、双歧杆菌属、毛螺菌属、Oribacterium、脱硫弧菌属、梭菌属和乳杆菌属的抗炎菌种的减少相关。

· 菌群变化与代谢物浓度变化相关

此外,在结直肠癌中观察到的微生物群组成的变化也可能转化为代谢物浓度的变化。具体而言,一项代谢组学研究检测到结直肠癌中梭菌毛螺菌科丰度显着降低与代谢物对氨基苯甲酸和共轭亚油酸数量减少之间存在直接关联,这些代谢物具有抗炎和抗癌特性。

DNA 损伤

结直肠癌微生物群的某些菌能够直接诱导结肠上皮细胞的 DNA 损伤。例如,结直肠癌相关家族肠杆菌科中的一些菌株会产生ROS和大肠杆菌素,这是一种导致宿主结肠上皮细胞致癌突变的毒素 。这种毒素在致癌作用中的关键作用得到证实:产大肠杆菌素的大肠杆菌在 Apc Min/+中促进肿瘤发生;IL10 -/-小鼠以大肠杆菌素依赖性方式。潜在的突变过程可能是过去接触带有产生大肠杆菌素的pks致病岛的细菌的直接结果。

具核梭杆菌 F. nucleatum 的分子研究发现毒力蛋白FadA 及其参与上皮细胞转化促进结肠肿瘤发生。结直肠癌粪便宏基因组的meta分析证实了产生大肠杆菌素的基因簇pks和F. nucleatum的显着富集粘附素fadA。

结直肠癌患者的脱硫弧菌属的硫酸盐还原菌数量增加,这解释了在晚期结直肠癌异化硫酸还原酶亚基A的水平升高,该基因负责产生具有遗传毒性的硫化氢。

多项代谢组学分析报告称,与健康对照相比,结直肠癌粪便样本中的多胺(如腐胺和尸胺)增加,特别是,已知多胺亚精胺会增强大肠杆菌素相关的基因毒性

表观基因组失调可能是结直肠癌相关失调促进结肠癌发生的另一种方式。

短链脂肪酸

短链脂肪酸 (SCFA) 是多糖和不易消化的碳水化合物发酵的主要终产物,肠道微生物群依然可以利用它们。丁酸盐尤其具有一系列显著的促进结肠健康和抗肿瘤的特性;作为结肠细胞的首选能量来源,它保持粘膜完整性,减少促炎细胞因子,并诱导结直肠癌细胞系凋亡

结直肠癌和晚期结直肠腺瘤患者的粪便微生物群表明产丁酸细菌的丰度显着减少,且减少取决于结直肠癌进展。

粪便宏基因组的荟萃分析证实,负责结直肠癌中 短链脂肪酸产生的碳水化合物降解基因显著减少。微生物组和宏基因组的这些变化与结直肠癌患者中丁酸盐浓度的降低相吻合。

· 结合G 蛋白偶联受体 (GPCR),减少促炎细胞因子

除了作为能源,短链脂肪酸还作为配体结合结肠细胞和免疫细胞上的特定 G 蛋白偶联受体 (GPCR) 。因此,它们可以充当信号分子,通过 GPCR 减少促炎细胞因子的产生并增加大肠中调节性 T (Treg) 细胞的总数。

与短链脂肪酸特异性结合的主要 GPCR:

GPCR43 (FFAR2)、GPCR41 (FFAR3) 和 GPCR109A 

· 表观遗传效应——短链脂肪酸阻碍结直肠癌发生

组蛋白修饰的诱导,导致在细胞中NF-κB信号传导的抑制。

MUC4 表达的调节是短链脂肪酸阻碍结直肠癌发生的一个表观遗传学例证。由 MUC 基因编码的粘蛋白介导肿瘤与免疫细胞的相互作用,促进细胞增殖和转移。丁酸盐会降低结肠癌细胞系中 HNF-4α 的表达,进而降低 MUC4 的表达

短链脂肪酸表观遗传效应的一个独特机制是丁酸盐对脾酪氨酸激酶 (Syk) 的影响,这是一种在癌症进展中起关键作用的非受体酪氨酸激酶。

短链脂肪酸还能抑制COX-2酶,从而减少前列腺素的产生。它们一起帮助增加凋亡活性,减少肿瘤细胞的增殖,同时允许正常细胞增殖。

胆汁酸代谢

· 初级胆汁酸—>次级胆汁酸

初级胆汁酸在肝脏中合成,与牛磺酸或甘氨酸结合,并在肠道中释放。到达结肠后,胆汁酸被肠道微生物群的胆汁盐水解酶解偶联,随后被 7α-脱羟基细菌转化为危险的次级胆汁酸

肝脏中初级胆汁酸的合成和肠道细菌进行胆汁酸的生物转化

Jason M. Ridlon,et al.,  Gut Microbes,2016

· 次级胆汁酸升高—>结直肠癌

代谢组学分析证实,腺瘤和/或粘膜内癌中次级胆汁酸水平升高,包括脱氧胆酸 (DCA) 。在小鼠中,已发现 DCA 诱导肠道微生物群的改变,伴随着肠道屏障受损、低度炎症和结肠肿瘤。DCA 诱导的生态失调的特点是病原菌丰度增加有益菌丰度减少,微生物群落结构的这种变化本身就足以引起疾病。

与此同时,以抗癌特性著称的次级熊去氧胆酸(UDCA) 在结直肠癌患者中的含量较少

· 高脂肪低纤维饮食—>饮食改变—>抑制次级胆汁酸

一般来说,高脂肪和低纤维饮食早已被认为是结直肠癌的危险因素。具体而言,这种饮食与较低水平的结肠短链脂肪酸较高水平的结肠次级胆汁酸和粘膜增殖性癌症风险生物标志物相关。有意思的是,定向饮食改变(从高脂肪/低纤维饮食转变为低脂肪/高纤维饮食,反之亦然)导致癌症风险的粘膜生物标志物发生显着的相互变化,糖酵解发酵丁酸生成增加抑制低脂肪/高纤维饮食组中的次级胆汁酸合成。

04 用于结直肠癌诊断的菌群生物标志物

研究表明微生物组成发生了变化,伴随着微生物基因丰度和微生物相关代谢物的变化,这些变化都与恶性程度成正比。尚不清楚这些物种和代谢物是否直接导致肿瘤发生;如果不是,罪魁祸首可能是这些结构变化所创造的微环境,然后促进炎症、增殖和癌症进展。

无论如何,确定可重复的结直肠癌微生物生物标志物可能有助于设计用于结直肠癌诊断的非侵入性工具。例如,结直肠癌患者表现出促炎F. nucleatum的富集和降低的有益菌水平——这在区分结直肠癌样本和不同人群的对照方面表现良好,因此可能具有普遍用于非侵入性结直肠癌诊断的潜力。

· 寻求普遍特征,衍生代谢物作为早筛补充标志物

即使人类在肠道微生物群落的结构方面可能有所不同,但可能存在某些与结直肠癌相关的微生物失调的普遍特征。此外,肠道微生物群衍生代谢物(如 SCFA、胆汁酸和蛋白质衍生代谢物)的水平已反复报道与结直肠癌进展相关,并已被提议作为早期筛查结直肠癌补充生物标志物

· 潜在的预后标志物

除了提供诊断标志物外,肠道微生物群的分析也可能有助于结直肠癌的预后。例如,癌组织中具核梭菌F. nucleatum的富集与较短的生存期相关,因此可能作为潜在的预后标志物。

· 潜在检测/诊断方法——代谢组学特征相关性

另一种无创检测/诊断结直肠癌的潜在方法可能依赖于粪便样本代谢组学特征的相关性。除了短链脂肪酸(乙酸和丁酸盐),代谢产物如异种生物血红素、肽/氨基酸(脯氨酸和半胱氨酸)、维生素和辅助因子在结直肠癌样本中都显示出改变。

此外,结直肠癌宏基因组分析突出了蛋白质和粘蛋白分解代谢基因的富集,以及碳水化合物降解基因胆汁酸基因的消耗,这些基因可用作结直肠癌诊断的特征。

总的来说,需要进一步的研究来确定与结直肠癌普遍相关的微生物,以用于早期无创诊断和预后。

05 结直肠癌的微生物群干预 

目前,正在广泛寻找替代疗法以帮助治疗癌症。既然微生物群的失调与癌症风险和结直肠癌的发展密切相关,那么是否可以利用微生物的调节来帮助结直肠癌的治疗和预后?

接下来,对目前已有的益生菌,益生元,合生元,后生元在结直肠癌中的作用进行逐一分析。

益生菌

益生菌被定义为“活的微生物,当给予足够的量时,可以为宿主带来健康益处”。

益生菌的潜力不仅仅是调节肠道微生物群;它们已成为包括结直肠癌在内的多种疾病的宿主微生物组调节疗法的药物

很多时候我们知道益生菌有许多好处,但它通过哪几种途径影响?怎么调控?对于这些并不清楚。

目前已有的体内或体外关于结直肠癌使用益生菌的研究

Torres-Maravilla, E.et al.,Microorganisms,2021

许多研究已经探讨了益生菌菌株影响或与致病菌相互作用的方式,这些致病菌促进结直肠癌的发展,例如幽门螺杆菌、沙门氏菌、脆弱拟杆菌、具核梭菌和一些大肠杆菌菌株, 这些病原体能够降解肠道并释放剧毒化合物,从而破坏肠道稳态的平衡

益生菌正是通过降低环境的 pH 值、产生细菌素和降低促癌酶的水平来对抗这些致病菌的增殖。

· 益生菌和致病菌竞争

发现两种罗伊氏乳杆菌菌株ATCC PTA 6475 ATCC 53608减少肠病原性大肠杆菌(EPEC) 的感染。其机制可能与竞争排斥有关,即益生菌和致病菌株之间竞争上皮表面结合位点。通过与粘液层结合,罗伊氏乳杆菌可以对 EPEC 感染形成更强的物理屏障。

· 益生菌增强先天免疫功能

结直肠癌通常与免疫系统受损有关。TNF-α、IL-6、IL-1 和趋化因子通过促进血管生成和抑制免疫介导的肿瘤消除来诱导肿瘤生长,而树突细胞 (DC) 和自然杀伤 (NK) 细胞在早期防御癌症。益生菌可以增强先天免疫功能,包括中性粒细胞的吞噬活性和NK细胞的细胞毒活性;这种能力实际上可能是其抗感染或抗癌作用的根源乳酸菌(LAB) 菌株可调节髓样 DC 的成熟

微生物群和益生菌对结直肠癌的积极影响

Torres-Maravilla, E.et al.,Microorganisms,2021

益生菌促进巨噬细胞和树突状细胞分化,增强细胞毒性T细胞和NK细胞的活化。

· 益生菌介导抗肿瘤细胞因子 IL-18作用

促炎细胞因子为结直肠肿瘤发生提供关键保护,并且已经发现益生菌介导这种作用。抗肿瘤细胞因子 IL-18 通过 CD8 +细胞毒性 T 细胞 (Tc)、NK 细胞和 Th1 驱动的巨噬细胞活化的作用促进保护性宿主免疫。对IL-18缺陷的小鼠研究发现,乳酸乳球菌Lactococcus lactis subsp. cremoris C60可以恢复小肠固有层的T细胞群,从而导致CD4+ T细胞群中IFN-γ的产生反弹。除了 LAB 种类之外,酵母还能够免疫调节 IL-18 水平。

· 嗜酸乳杆菌 减少肿瘤数量

益生菌菌株还能够通过产生衍生分子细胞包膜成分来调节宿主免疫功能。大剂量嗜酸乳杆菌裂解物的给药显着减少了结肠炎相关结直肠癌模型中可见肿瘤的数量和平均体重。嗜酸乳杆菌裂解物作为免疫佐剂激活免疫反应。

· 益生菌对结直肠癌凋亡基因的调控

通过调控与细胞增殖和凋亡有关的基因影响结直肠癌。在 AOM/葡聚糖硫酸钠 (DSS) 治疗诱导的结直肠癌模型中,miR-155(诱导对化疗药物的抗性)水平显着增加

长双歧杆菌口服给结直肠癌小鼠导致 miR-155 以及 onco-miR-21a 的升高表达显着降低;此外,在健康和结直肠癌小鼠中,用长双歧杆菌治疗增加抑制肿瘤的 miR-145 和 miR-15a 的水平。鉴于 miR-21 的表达导致细胞增殖、血管内渗入、细胞迁移和转移增强,以及细胞凋亡率下降,这些共同导致癌症增强,因此益生菌对 miR-21 的影响特别有意义。

对益生菌罗伊氏乳杆菌的一项研究证明了来自热灭活的超声益生菌的高分子量分泌分子无细胞上清液成分的抗转移和抗增殖作用嗜酸乳杆菌20079胞外多糖(EPS) 通过细胞凋亡机制、免疫反应刺激和 NF-κB 炎症途径的失活对肿瘤细胞具有直接的细胞毒性作用。从酸奶中分离出的保加利亚乳杆菌B3 对结肠癌细胞 (HT-29) 具有抗癌作用。

· 益生菌菌株不存活也可发挥有益作用

据报道,死益生菌甚至细胞成分可以有效对抗癌症。植物乳杆菌的死菌株比活细菌能更好地抑制小鼠 AOM/DSS 诱导的结肠炎相关致癌作用。这是由于炎症抑制、细胞凋亡和增强 IgA 分泌的影响。死益生菌似乎比纯活益生菌更容易被 M 细胞吸收,从而产生更强的分泌免疫反应

宿主免疫系统与益生菌细胞成分之间的相互作用

Taverniti, V.et al., Genes Nutr. 2011

· 益生菌抑制表皮生长因子通路

一些益生菌与表皮生长因子受体 (EGFR)通路的抑制有关,表皮生长因子受体 (EGFR) 通路在结直肠癌相关信号传导中起重要作用。一些研究表明,在结直肠癌期间,EGFR 和 HER-2 基因的过表达导致该途径的失调,导致细胞增殖增加、细胞存活时间延长、抗凋亡作用和转移

总的来说,益生菌预防结直肠癌的一些机制包括改善宿主免疫应答、诱导细胞凋亡和抑制酪氨酸激酶信号通路。

益生元

一种选择性发酵的成分,允许在胃肠道微生物群的组成和/或活性方面进行特定修改,从而有益于宿主的健康和健康”。

益生元的好处包括对肠道病原体的抗菌活性、调节免疫系统、减少肠道炎症和结肠炎、预防结直肠癌、肠道稳态和调节宿主能量代谢。

· 菊粉调节肠道微生物群

益生元可以通过特定细菌的代谢对结肠产生有益健康的作用。研究表明,富含菊粉的食物可以增强拟杆菌中主要的丙酸盐生产者,这主要是由于拟杆菌科、卟啉单胞菌科,尤其是普氏菌科显著增加

菊粉还有助于减少厚壁菌门,这主要是由于较少的毛螺菌科。应该指出的是,厚壁菌门/拟杆菌门的高比例主要与炎症相关疾病有关,例如肥胖或糖尿病。因此,该研究中证明的较低比例表明菊粉具有保护作用。

此外,菊粉导致促炎菌群的大量减少,例如与脱硫弧菌属嗜胆菌属相关的菌群。

· 酚类化合物调节菌群

益生元酚类化合物如花青素、鞣花酸和鞣花单宁能够通过改变厚壁菌门、拟杆菌门和变形杆菌门的丰度来恢复所有群体细菌的生物多样性。

最常见的 NDO、低聚果糖 (FOS)、低聚半乳糖 (GOS) 和低聚木糖 (XOS) 会影响微生物群的组成,导致肠道双歧杆菌乳酸菌属数量增加。源自乳果糖的低聚半乳糖导致拟杆菌双歧杆菌增加厚壁菌减少。研究还表明,其他良好的丙酸盐生产者数量更多,例如ParaprevotellaParabacteroides属,两者都与健康益处相关,包括预防促炎性肠道疾病和结直肠癌。

· 发酵代谢物的生产——短链脂肪酸

前面章节我们已经了解短链脂肪酸能够通过多种机制严重影响结肠细胞的代谢、细胞代谢、宿主免疫反应和健康、信号通路、表观遗传学和基因表达。

· 直接作用

改变盲肠、结肠和粪便中细菌细胞的基因表达;增强结肠对微量营养素的吸收;外源代谢酶的调节。

金合欢胶是一种可溶性纤维益生元,可显着降低诱发结直肠癌的小鼠的β-葡萄糖醛酸酶水平

多酚可以抑制梭菌、拟杆菌丙酸杆菌的增殖,从而提高有益双歧杆菌乳酸杆菌的丰度。约10%的酚类成分是生物可利用的,其余部分被肠道菌群裂解成其他低分子量的酚类物质,可以被微生物群调节或吸收。

菊薯(Smallanthus sonchifolius)可以增加上皮粘液的产生并保持肠道紧密连接的完整性,从而防止细菌易位。

低聚糖等益生元可以通过模仿微绒毛乙二醇偶联物与细菌受体相互作用,从而阻止病原体附着在上皮细胞上,有效抑制病原体定植

枣多糖等益生元表明,它们可以影响某些有助于宿主健康的代谢途径,例如参与代谢的关键途径、ATP 结合盒 (ABC) 和双组分系统转运蛋白,以及 ABC 转运蛋白,包括那些预计会参与的转运蛋白糖和氨基酸代谢。

· 免疫调节

通过减少细胞增殖、刺激细胞凋亡的诱导、抑制血管生成和延迟转移过程来确保免疫防御和预防疾病。

菊薯可能有直接的免疫调节作用,并增加sIgA的水平。sIgA水平升高的原因是双歧杆菌属成员在盲肠中发酵的 FOS含量。菊薯补充剂对免疫系统有显著影响,这可以通过TNF-α/IL-10比例较低证明,代表了促炎细胞因子和抗炎细胞因子之间的平衡。一般来说,免疫系统的调节可以观察到更多的抗菌防御素、sIgA和抗炎细胞因子,主要是IL-10的产生

在一项结直肠癌患者的临床研究中,补充益生元显著增加了术前IgG和IgM水平。然而,术后补充IgG、IgA、总B淋巴细胞(CD19+)和抑制/细胞毒性T细胞(CD3+CD8+)水平均有所提高。益生元的使用增加了转铁蛋白的水平,缓解了身体的炎症反应。该研究的作者得出结论,术前一周推荐服用益生元来改善结直肠癌患者的血清免疫指标。

NVPS可以在体外激活巨噬细胞抑制结直肠癌。灵芝多糖(ghanoderma lucidum, GLP)与绞股蓝(Gynostemma pentaphyllum, gp)中提取的皂苷能明显改善小鼠炎症的肠道屏障。这种作用是通过减少息肉、将结肠M1转移到M2巨噬细胞、正向恢复e -钙粘蛋白/ n -钙粘蛋白比例、下调致癌信号分子来介导的。

合生元

“合生元”一词来描述具有协同作用的益生菌和益生元的组合。

在结直肠癌中,合生元已被证明通过多种不同的机制具有保护作用,包括调节肠道微生物群和免疫反应、减少炎症、生物合成具有抗肿瘤活性的化合物以及改善抗氧化系统。

例如,在结肠炎相关致癌模型中测试了益生菌 VSL#3 和菊薯(前面提到的益生元)共同给药效果

合生元显示出许多潜在的好处:它支持肠道屏障的完整性增加短链脂肪酸的浓度,以及参与内源性抗氧化防御系统的酶,并导致肠道微生物群的总体组成发生改变

· 合生元可增加 IL-2 和 IL-4 的分泌

前者对免疫细胞的调节有影响,与肿瘤大小呈负相关,而后者与TLR4的表达同时发生,导致先天免疫反应和抗肿瘤防御能力的提高

一项在在DMH/DSS大鼠模型的研究显示发芽糙米(GBR)与嗜酸乳杆菌/动物双歧杆菌亚种组合的保护作用。它可抑制肿瘤前病变(异常隐窖灶),并降低结肠中抗氧化酶(SOD)和凋亡相关蛋白(caspase-3和Bcl-2)的活性。作者推测,由于GBR是某些结肠细菌的良好底物,因此促进了结肠内的发酵和短链脂肪酸的产生,结肠上皮细胞可能利用增加的短链脂肪酸供应来产生额外的粘蛋白。通过这种方式,合生元可以调节结肠黏液的分泌及其在结直肠癌发生过程中的改变,以防止更先进的异常隐窝灶的形成。

同样,研究发现,食用含有B. longum (BB536-y)和低聚果糖的酸奶可以提高健康人粪便样本中的短链脂肪酸含量。该组合显著抑制了脆弱拟杆菌肠毒素的检测量。

· 另一种机制是通过改善抗氧化特性

例如,姜提取物与嗜酸乳杆菌菌株 MTCC 5401一起给药,对减少肠道炎症(即降低 TNF-α 和 IL-6 水平)和降低炎症相关基因Cox-2、iNOS和c-Myc的表达有积极作用。有趣的是,单独使用生姜提取物或 LAB 处理均没有对抗氧化特性产生任何影响。它们一起导致丙二醛(MDA,诱变剂和肿瘤促进剂)水平显著下降,超氧化物 (SOD) 和过氧化氢酶 (CAT) 水平显著增加

抗氧化剂表没食子儿茶素没食子酸酯 (EGCG) 已证明可用作乳酸菌属的益生元,因为与许多细菌不同,它们具有代谢酚酸(如 EGCG)所必需的苯酚脱羧酶和诱导酸苯酚还原酶活性。

柘木叶提取物与加氏乳杆菌组合从具有抗氧化活性的 β-酪蛋白和酚类化合物中释放生物活性肽。

乳酸菌和蔓越莓的组合。蔓越莓中的酚类化合物对某些乳酸菌株没有抑制作用,甚至可能作为益生菌的生长促进因子。从益生菌生物量(嗜酸乳杆菌CL1285,干酪乳杆菌LBC80R,鼠李糖乳杆菌CLR2)中提取的浓缩蔓越莓汁和细胞壁的组合对HT-29细胞有增强的抑制作用。此外,酚类化合物和益生菌生物量刺激了醌还原酶的活性,醌还原酶是一种II期解毒酶,提供了对有毒和活性化学物种的保护。

后生元

后生元是益生菌在细胞游离上清液中分泌的代谢产物的复杂混合物,包括酶、分泌的蛋白质、短链脂肪酸、维生素、分泌的生物表面活性剂、氨基酸、肽和有机酸,这些物质直接或间接地对宿主产生有益影响。

由于后生元不含活微生物,与它们的摄入量相关的风险最小化。在概念上类似于副益生菌制剂,即益生菌的灭活微生物细胞(完整或破裂,包含肽聚糖、磷壁酸和表面蛋白等细胞成分)或粗细胞提取物(即具有复杂的化学成分)。

鼠李糖乳杆菌(LR) KCTC 12202BP,已知它通过调节信号通路抑制细胞因子介导的小鼠和人肠上皮细胞凋亡。在裂解液中,研究人员鉴定了一种lr衍生的治疗性蛋白p8,该蛋白可抑制CRC增殖。

在益生菌L. casei ATCC334的条件培养基中发现了另一种肿瘤抑制分子铁铬。铁铬是一种铁载体,是结直肠癌细菌抗肿瘤功能的中介物,通过激活c-jun n -末端激酶诱导细胞凋亡。它能抑制癌细胞生长,但不能抑制炎症等癌前病变的出现。

下一代益生菌

· Akkermansia muciniphila

Akkermansia muciniphila可能有进一步的潜力用于抗癌免疫治疗,如靶向程序性细胞死亡蛋白1 (PD-1)的治疗。

一项关于对抗pd1治疗有反应和没有反应的患者的微生物群差异的调查发现了有趣的结果。A. muciniphila被发现在有反应者的微生物群中特别富集,其重要性通过将粪便微生物群移植到无菌小鼠中得到证实。A. muciniphila本身能够提高抗pd -1封锁的效力,给小鼠注射无反应菌群。鉴于针对PD-1蛋白及其配体PD-L1(程序性死亡配体1)的癌症免疫治疗日益普及,这一发现具有特别的相关性,该疗法已显示出对各种癌症患者的益处。

· Butyricicoccus pullicaecorum

目前正在研究的另一种新一代益生菌是丁酸球菌(Butyricicoccus pullicaecorum),它可以预防坏死性肠炎并减少盲肠和回肠中的致病菌数量,在一项人体干预试验中已报道其安全性

这种细菌也与结直肠癌有关,因为在晚期结直肠癌患者的粪便中,这种细菌明显较少。B. pullicaecorum的抗癌作用似乎与其高产量的丁酸盐有关,在DMH/DSS肿瘤发生的动物模型中,丁酸盐通过上调SLC5A8和GPR43抑制CRC细胞生长。已知SLC5A8和GPR43作为肿瘤抑制因子;缺乏SLC5A8的小鼠发生结直肠癌,而GPR43的激活可以预防结肠炎症和癌症。

· 合成益生菌

近日,研究人员发现,由戊糖片球菌Pediococcus pentosaceus和P8治疗蛋白组成的有效且稳定的合成益生菌可以减少结直肠癌,合成益生菌调节肠道微生物群缓解化学诱导的生态失调。

06 结直肠癌的预防

以下分别是结肠癌复发率高和低的人群偏爱食物:

综上,预防结直肠癌建议(仅供参考):

饮食

水果和蔬菜:例如绿叶蔬菜、芒果、浆果、哈密瓜等,多吃富含叶酸的食物。德克萨斯儿童医院临床营养师认为:叶酸含量低的饮食可能会增加患结肠癌的风险,并且还会加速那些结肠癌患者的病情恶化。

全谷类:全麦面食、面包、糙米、小米等。富含纤维和营养素,可能有助于对抗结肠直肠癌。

奶制品:乳制品与结直肠癌风险降低相关,可使结直肠癌风险降低13%-19%。低脂高钙乳制品,包括牛奶、奶酪、酸奶等。

生活方式

限制饮酒:饮酒与结直肠癌风险增加有关,且具有剂量依赖性,酒精的摄入量越高,结直肠癌的风险就越大。男性每天不超过两杯,女性尽可能不超过一杯。

戒烟:吸烟是结直肠癌的危险因素,为了身体健康,尽可能少吸烟或者不吸烟。

结 语

肠道微生物生态系统通过其代谢和免疫功能对人体生理产生相当大的影响。不仅是结直肠癌,还包括许多其他疾病与肠道微生物群之间存在深刻而根本的联系,因此调节肠道微生物群代表了一种有吸引力的治疗选择。

目前,各类已发表的期刊中,围绕着肠道菌群的各类疾病深入研究仍是一大热点,受关注程度还在不断上升,微生物方向的探索对于癌症治愈是有希望的。然而,肠道菌群复杂多样,与众多环境及疾病因素息息相关,解析肠道菌群与健康的关系,更大规模的队列需要研究,更多因果关系需要探索,更多机制等着进一步阐明。

为推动肠道菌群的健康及临床应用,谷禾基于自身检测和数据分析优势设立开放基金,希望联合来自各个领域和方向的研究人员以及合作者,帮助完成大样本队列的实验和检测以及后续的深度分析。最终早日实现肠道菌群在现实生活和临床应用中的落地。

谷禾健康目前已完成超过2000例的结直肠癌和进展期腺瘤临床样本检测,并基于肠道菌群构建预测模型。模型在结直肠癌患者中具有较高的检出率,同时也可有效检出部分肠息肉样本。我们在数万例样本的实际测试表明肠道菌群可以作为结直肠癌的有效标志物,结合机器学习和大规模样本数据将来可以更好的帮助我们预防和控制结直肠。

基金主要支持方向

基于上述目的和定位,支持方向为人体肠道菌群研究,具有实际临床意义或健康检测价值的实验设计或设想。不仅限于科研人员,也面向公众、团体和机构。方向可以包括:传染病、肿瘤、慢性病、药物、营养或发育等,并不仅限于疾病或诊疗,也可包括饮食、生活方式、生长发育或认知心理等方向。

基金支持内容:

基金为长期开放,随时申请,申请通过后签订项目合同,并随时公布入选项目清单,并会同时定期公布项目进展情况。

项目会分三个阶段,根据项目进展情况逐步推进,由谷禾专家团队评议是否进入下一个阶段。

基金不直接提供资金,谷禾会免费提供包括:

1、研究方案设计   2、取样保存盒   3、样本处理测序   4、数据分析报告   5、论文图表及撰写支持   6、应用模型构建

如有需要,点此申请开放基金

主要参考文献:

Taverniti, V.; Guglielmetti, S. The immunomodulatory properties of probiotic microorganisms beyond their viability (ghost probiotics: Proposal of paraprobiotic concept). Genes Nutr. 2011, 6, 261–274.

Aprile, F.; Bruno, G.; Palma, R.; Mascellino, M.T.; Panetta, C.; Scalese, G.; Oliva, A.; Severi, C.; Pontone, S. Microbiota Alterations in Precancerous Colon Lesions: A Systematic Review. Cancers 2021, 13, 3061.

Jason M. Ridlon, Spencer C. Harris, Shiva Bhowmik, Dae-Joong Kang & Phillip B. Hylemon (2016) Consequences of bile salt biotransformations by intestinal bacteria, Gut Microbes, 7:1, 22-39

Mahdavi, M.; Laforest-Lapointe, I.; Massé, E. Preventing Colorectal Cancer through Prebiotics. Microorganisms 2021, 9, 1325.

Saito, S.; Kakizaki, N.; Okuno, A.; Maekawa, T.; Tsuji, N.M. Lactococcus lactis subsp. Cremoris C60 restores T Cell Population in Small Intestinal Lamina Propria in Aged Interleukin-18 Deficient Mice. Nutrients 2020, 12, 3287.

Torres-Maravilla, E.; Boucard, A.-S.; Mohseni, A.H.; Taghinezhad-S, S.; Cortes-Perez, N.G.; Bermúdez-Humarán, L.G. Role of Gut Microbiota and Probiotics in Colorectal Cancer: Onset and Progression. Microorganisms 2021, 9, 1021.

Coker, O.O.; Wu, W.K.K.; Wong, S.H.; Sung, J.J.Y.; Yu, J. Altered Gut Archaea Composition and Interaction With Bacteria Are Associated With Colorectal Cancer. Gastroenterology 2020, 159, 1459–1470.

Lin, P.-Y.; Li, S.-C.; Lin, H.-P.; Shih, C.-K. Germinated brown rice combined with Lactobacillus acidophilus and Bifidobacterium animalis subsp. lactis inhibits colorectal carcinogenesis in rats. Food Sci. Nutr. 2019, 7, 216–224

An, B.C.; Ryu, Y.; Yoon, Y.S.; Choi, O.; Park, H.J.; Kim, T.Y.; Kim, S.I.; Kim, B.K.; Chung, M.J. Colorectal Cancer Therapy Using a Pediococcus pentosaceus SL4 Drug Delivery System Secreting Lactic Acid Bacteria-Derived Protein p8. Mol. Cells 2019, 42, 755–762

肠道微生物群的老化及其对宿主免疫力的影响

谷禾健康

虽然每个人都会老去,但是衰老的速度却不一定相同。生理年龄是每个人的遗传,环境和生活方式的影响。

人的一生,从出生到成年到老年,微生物组在免疫系统成熟,功能和调节中起着基本作用。免疫系统和微生物组形成一种互惠关系。

随着年龄的增长,免疫系统和肠道微生物组的组成和功能都会发生重大变化,这与对传染病的易感性增加有关。

01)免疫衰老的一般标志

02)衰老和肠道微生物组

03)微生物老化的衡量指标

04)微生物老化加快免疫衰老和虚弱

05)肠道微生物组对疫苗反应的影响

06)对抗与年龄相关宿主免疫力下降的营养策略

07)恢复肠道微生物稳态、减少炎症和免疫衰老

08)健康长寿的普适方式

01 免疫衰老的一般标志 

免疫衰老

“免疫衰老”是指在老年人中观察到的功能障碍,免疫反应有缺陷或异常。

与年龄相关的免疫反应的质量和数量的变化导致触发有效抗体和细胞反应抵御感染和疫苗的能力逐渐下降。

衰老的T淋巴细胞生物学研究十分突出,但所有造血源性细胞都显示出衰老的特征,包括功能失调的抗体产生B细胞、抗原呈递细胞、自然杀伤细胞和中性粒细胞。最早的造血祖细胞中也报告了表观遗传学改变,这可能解释了观察到的年龄相关的髓样细胞偏斜。

主要淋巴器官的老化(骨髓和胸腺磨损)、慢性抗原过载(如CMV)、肠道失调或炎症是免疫衰老的驱动因素,这些因素与遗传缺陷、细胞应激和/或细胞衰竭的累积一起,会导致免疫适应度随着年龄的增长而下降。

炎症 

炎症是一种高度控制的生理过程,对对抗病原体、清除碎屑和愈合损伤至关重要。

随着年龄的增长,由于基因、环境和生活方式因素的复杂和不断变化的相互作用,促炎和抗炎之间的动态平衡下降。

慢性炎症状态是发病和死亡的一个重要危险因素。包括慢性感染、缺乏运动、内脏肥胖、饮食、心理压力、睡眠不足或肠道失调等多种因素都会引发和维持炎症。

长期暴露于应激源会加速细胞衰老和先天免疫失调,这是炎症的一个主要特征,反映在局部和全身炎症介质与白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子TNF-α 水平持续升高,IL-1β,C-反应蛋白(CRP)在老年人中普遍存在。

尽管先天性单核-巨噬细胞网络的失调可能是炎症的中心,但新的证据表明衰老细胞(包括T细胞和B细胞)通过其衰老相关的分泌表型参与慢性低度炎症的关键作用。

而慢性表达或暴露于炎症刺激可能使预先激活的免疫细胞对进一步的刺激难以耐受,从而导致观察到的老年人感染性疾病的频率和严重程度增加

因此,先前存在的炎症已被证明是疫苗反应性的一个重要决定因素。

此外,炎症可能通过助长年龄相关疾病(包括代谢综合征、心血管疾病、肌细胞减少症、癌症和神经退行性疾病)而产生多种健康后果,因为大多数(如果不是所有)年龄相关疾病都具有炎症特征。

尽管衰老、炎症和慢性病之间存在着共同性,但生物医学研究继续巨额花费来单独解决这些疾病状态。这就提出了一个具有挑战性的问题,即:

针对慢性低度炎症或引起炎症的机制是否可能减缓衰老及其相关疾病

虽然临床前研究表明炎症是导致年龄相关疾病和免疫反应性降低的一个因素,但证实这一假设的人类数据在很大程度上是缺失的。

而最近一项CANTOS的研究(Canakinumab Anti-inflammatory Thrombosis Outcomes Study)为老年人带来了巨大的希望。

对10000多名既往有心肌梗死史的稳定患者进行卡那单抗(Canakinumab,一种针对白细胞介素-1β的人单克隆抗体)治疗,可显著降低参与者的全身低度炎症。

重要的是,治疗方案可以预防复发性血管事件和肺癌的发生。虽然这些研究唤起了人们对有效抗衰老疗法的希望,但通过靶向阻断关键炎症介质来减少全身炎症需要在对传染病的易感性方面谨慎平衡。

这些免疫指标包括基于炎症年龄评分的iAGE、依赖于免疫球蛋白糖基化的聚糖生长或南丁格尔健康指数,其中糖蛋白乙酰化的全身炎症预测呼吸道感染、心血管疾病和全因死亡率的长期风险。

随着老龄化社会的健康管理成为一个日益增长的经济负担,这种免疫指标代表了有希望的工具,以确定风险个人的早期药物或营养干预。

02 衰老和肠道微生物组

为了应对不断变化的环境,肠道微生物通过菌种组成和代谢功能的变化动态响应。这个过程受到宿主免疫系统的严格调控,想象宿主免疫系统是一位建筑师,通过允许共生细菌生长和占据粘膜生态位,同时选择性地消除或中和有害微生物,从而塑造肠道微生物群。

随着年龄的增长,免疫适应度逐渐下降,宿主与微生物动态信号交换的监测受到损害,从而对宿主健康和免疫造成广泛的功能后果(图1)。

图1 模型:微生物老化及其对宿主免疫的相关影响

Nabil Bosco & Mario Noti,Genes & Immunity, 2021

(1) 年龄相关的肠道微生物群落变化和相关的肠道组织功能下降可能加剧炎症

(2) 由全身低度炎症引起的慢性免疫刺激、代谢组和微生物刺激的变化导致免疫衰老

(3) 免疫功能受损(如胸腺退化、造血功能改变),导致老年人感染风险增加,老年人接种疫苗反应差

在人类中,年龄相关的菌群失调(微生物老化)特征是梭状芽孢杆菌双歧杆菌数量减少变形菌门以及肠杆菌科等病原菌数量过多。

肠道微生物群落结构的组装也可能取决于宿主器官的功能。考虑到肠道的组织功能和完整性受到与年龄相关的显著变化,如再生能力、上皮屏障形成、黏液层组成和蠕动的改变,随着我们年龄的增长,粘膜生态位的变化很可能导致了失调状态。

这种肠道完整性的亚临床改变可能会促进微生物向全身部位渗出,全身性低度炎症,慢性炎症的发生和过早死亡。然而,确定人类的因果关系仍然具有挑战性,下文将进行讨论。

虽然,我们已经开始了解细菌的分类组成和多样性是如何随着年龄的变化而变化的,但我们对细菌进化和与宿主适应性相关的功能后果的了解仍然有限。有两种可能的情况:

1  肠道微生物群落结构中与年龄相关的变化是宿主衰老过程中发生的生理组织适应的简单结果

2  与年龄相关的失调是细菌进化的产物,通过使特定菌群逃避免疫监视,直接触发宿主衰老

因此,更好地了解老化的宿主微生物群,对于推进以微生物组为基础的治疗方法来对抗老化和与年龄相关的疾病至关重要。

03 微生物老化的衡量指标

我们需要先了解这样的概念。

生理年龄:指人达到某一时序年龄时生理和其功能所反映出来的水平,是从医学、生物学角度来衡量的。

肠道年龄:是基于健康人群每个年龄段样本的菌群构成使用深度神经网络模型提取特征菌属并构建的预测模型。

谷禾健康-肠道年龄预测模型图

注: 谷禾报告中的肠道年龄是基于超过6万人群队列的深度学习模型构建的,伴随年龄的变化肠道菌群也会相应的改变。对于0~2岁的儿童,肠道年龄通常偏差小于3个月,3~5岁偏差在6个月以内,6~15岁偏差在1岁左右,16~50岁人群正常肠道年龄的偏差在3岁以内,50岁以上正常偏差在5岁以内。在正常偏差内年龄差异可以理解为年轻或衰老,超出正常偏差的年龄无论是超过或低于都可能是菌群异常或健康状况不佳。

真实年龄与肠道预测年龄在范围内的差异可以反映其肠道菌群的发育和衰老状况。

以下情况可能会导致肠道预测年龄完全偏离真实年龄,包括:肠道菌群紊乱,菌群结构过于单一,近期服用包括抗生素等可能严重干扰肠道菌群的药物,病原菌感染或者处于疾病状态。

04 微生物老化加快免疫衰老和虚弱?

肠道菌群失调可以触发先天性免疫反应和慢性低度炎症,导致许多与年龄有关的退化性疾病和不健康的衰老。肠道菌群通过各种生物分子,营养素信号独立途径和表观遗传机制与宿主进行交流。与年龄有关的肠道菌群失调会干扰这些交流,从而影响宿主的健康和寿命。

与年龄相关的肠道微生物组成的改变不仅发生在人类身上,也发生在实验室模型生物身上。这些控制遗传、年龄、饮食和微生物组本身的模型系统提供了强有力的科学证据,表明宿主生理或微生物进化的内在改变足以促进一种失调状态。

这些模式生物已经证明肠道微生物群有潜力有益地调节衰老过程,以促进宿主的健康和寿命。

黑腹果蝇

对黑腹果蝇的研究(一个经常被用来研究微生物动力学、肠道生理中与年龄相关的变化和生物体健康之间相互作用的衰老模型)——已经完美地证明了肠道生态失调不仅是年龄相关肠道屏障功能障碍、系统免疫激活和机体死亡的前兆,而且还预测了这些疾病的发生。

结果表明,在整个生命过程中保持在无菌条件下的果蝇显示出较低的衰老率,这表明在这些模型设置中防止与年龄相关的菌群失调可以限制炎症,改善免疫稳态,促进健康

非洲绿松石鳉鱼

利用自然短命的脊椎动物非洲绿松石鳉鱼(Nothobranchius furzeri)进一步证实了肠道微生物群在调节衰老过程中的影响。年轻的微生物群的慢性定植在中年鱼,诱导了长期有益的系统效应,导致脊椎动物的寿命延长。将年轻的供体微生物群定植在年老的鱼,与已知产生代谢产物的关键细菌属的存在有关,这些代谢产物既能维持免疫系统健康,又有抗炎作用。

小鼠

年轻小鼠菌群 → 早衰小鼠:特定菌发挥作用

将年轻供体的粪便微生物群移植到早衰小鼠中,可改善后者的健康状况和寿命,并将疣微菌门verrucomicrobia,Akkermansia muciniphila移植到早衰小鼠中,从而充分发挥有益作用。

此外,与年龄相关的Akkermansia muciniphila缺失与肠道完整性受损和胰岛素抵抗相关——这是一个通过微生物组-单核细胞-B细胞轴介导的过程。

除了对宿主代谢的影响,Akkermansia muciniphila还参与了调节抗原特异性T细胞反应和抗体产生来调节宿主免疫功能。

小鼠菌群 → 无菌小鼠:T细胞活化增加

用年轻或年老小鼠的肠道微生物群定植无菌(GF)小鼠。将老年供体微生物组移植给年轻小鼠足以促进肠道炎症、微生物产物向循环的渗漏慢性低级别炎症的发生。作为全身低度炎症的结果,全身免疫区的T细胞活化增加

年老菌群→年轻小鼠:巨噬细胞功能失调

另一项研究报告了类似的发现,在年轻的GF接受者中,移植一种老年微生物组可促进全身低度炎症。这些情况下的炎症进一步与巨噬细胞功能失调相关,巨噬细胞是炎症细胞因子的有力来源,其细菌杀灭活性较差。此外,基因或抗体介导的肿瘤坏死因子α(低度炎症的标志性细胞因子)的减少,可以预防年龄相关的肠道失调和相关的全身低度炎症。

年龄相关肠道免疫力下降:增加M细胞可恢复

最近的一项研究强调,年龄相关肠道免疫力下降可以通过操纵肠道微生物组增加M细胞数量来恢复。年老小鼠暴露于年轻的微生物群或鞭毛蛋白刺激都足以观察到这种效应:Peyer’s补丁中的M细胞成熟恢复,增强抗原摄取,年老小鼠肠道IgA反应增加。基于微生物组干预的M细胞修复确实依赖于肠道干细胞功能的改善,这表明修复老年肠道的再生能力可能对提高肠道免疫力有额外的好处。这些发现可能与改善口服疫苗应答或预防老年人胃肠道感染有关。

年龄相关肠道菌群改变影响造血

除了局部免疫调节外,年龄相关的肠道群落结构变化也可能对造血产生直接影响。对小鼠的研究表明,肠道微生物组的改变与造血系统的多谱系改变和多能祖细胞的抑制有关。

鉴于肠道微生物群通过促进造血功能密切参与了细菌感染的控制,与年龄相关的肠道微生物群平衡和多样性的变化可能导致老年人造血功能受损、更易感染和减少疫苗接种应答。然而,为了更好地理解年龄相关的生态失调对造血系统调节的影响,还需要更多的研究来支持这一假设。

总的来说,这些临床前模型系统的发现表明,校正与年龄相关的肠道菌群失调是有益的,为基于微生物组的治疗方法改善免疫系统功能、对抗衰老及相关疾病提供了理论依据。

虽然粪便微生物群移植(FMT)在动物模型中具有抗衰老特性(见上文),并且FMT已成功用于治疗男性复发性艰难梭菌感染,但在临床环境中提出FMT作为抗衰老策略仍存在一些障碍。更好地了解健康微生物组的特征(包括病毒组和真菌组)对于确保接受者的长期安全至关重要。

05 肠道微生物组对疫苗反应的影响

尽管我们对整个生命中肠道微生物群的理解取得了很大进步,但在疫苗学上的潜力尚未实现。鉴于微生物组严格调控免疫细胞的发育和功能,它可能最终影响疫苗的疗效。因此,由环境、社会经济、营养或卫生条件引起的肠道微生物群落结构的变化可以解释疫苗应答中的地理异质性。

对微生物群如何促进疫苗应答的机制更好地理解,可能有助于制定新的策略,以减少老年人感染性死亡。

直到最近,表明肠道微生物组影响疫苗接种反应的最佳证据来自使用无菌或缺乏微生物的小鼠的临床前模型系统。

研究人员探讨不同抗生素方案对抗原特异性体液免疫应答的影响,研究了克拉霉素、强力霉素和氨苄西林对小鼠破伤风类毒素(TT)、肺炎球菌多糖疫苗(PPV)、乙型肝炎病毒表面抗原(HBsAg)疫苗和减毒沙门氏菌活疫苗(Ty21a)的一级和二级抗体应答的影响。

有趣的是,抗原和抗生素的特异性反应都受到了影响。

克拉霉素和强力霉素抑制典型的T细胞依赖性和T细胞非依赖性抗体反应,而氨苄西林的效果较差或无效果。

此外,所有三种抗生素,特别是氨苄西林增强了对Ty21a-a减毒细菌粘膜疫苗模型的体液反应。在GF小鼠中进行疫苗接种实验的进一步工作证实了这些初步发现。

到目前为止,现有的研究主要集中在细菌,以及包括病毒、真菌、原生动物和古生菌在内的微生物群的其他组成部分。然而,仍然存在两个重要问题:

(一) 微生物群参与宿主免疫反应(特别是疫苗反应)的机制是什么?

(二) 这些发现对人类的影响是什么?

迄今为止,最令人信服的数据表明,肠道微生物群提供了佐剂的天然来源,能够调节宿主的系统和黏膜疫苗反应。

这一观点最初是在Nakaya等人的系统生物学报告中提出的,他们描述了在非佐剂流感疫苗接种三价灭活疫苗(TIV)后,人类toll样受体-5 (TLR5)的早期(第3天)和瞬时基因上调。TLR5的表达与TIV诱导的血凝抑制(HAI)滴度(滴度是稀释度的倒数)呈正相关。

随后,该研究小组证实TLR5对小鼠肠道微生物分泌的鞭毛蛋白的感应与TIV介导的应答有关。虽然直接给予鞭毛蛋白或有鞭毛的细菌移植可以提供天然佐剂来改善非佐剂流感疫苗的应答,但它不能与其他佐剂或活疫苗如破伤风-白喉-百日咳(Tdap)、黄热病(YF-17D)或重组乙型肝炎抗原(Recombivax HB)配合使用。

除TLR5外,另一种模式识别受体核苷酸结合寡聚结构域2 (NOD2)的特异性贡献,人血清白蛋白(HSA)抗原和霍乱毒素(CTX)佐剂鼻内刺激诱导的粘膜疫苗应答小鼠模型。在GF小鼠、抗生素处理小鼠或基因修饰缺乏NOD2信号的突变小鼠中,HSA特异性IgG反应持续下降。当这些动物接受一种被NOD2或表达MDP的细菌识别的肽聚糖MDP(muramyl dipeptide, MDP)时,HSA特异性IgG反应恢复。

虽然尚未使用人体相关疫苗,但这第二项工作表明,常驻微生物也可以增强用于粘膜疫苗接种方案的CTX的佐剂效果。需要进一步研究揭示肠道微生物群、其细胞壁成分或代谢物作为内源性疫苗佐剂的免疫能力,以放大对特定病原体的适应性免疫应答。

临床前和临床报告均观察到膳食纤维对功能免疫参数的积极影响,包括疫苗应答(表1),进一步支持基于其组成(细菌的性质)和或活性(分泌的代谢物的性质)的肠道微生物群的重要免疫调节潜力。

表1 益生元和/或益生菌临床干预试验探讨老年人免疫相关结果

Nabil Bosco & Mario Noti,Genes & Immunity, 2021

关于纤维消化产生的短链脂肪酸(SCFAs)免疫调节活性的大量文献证明了这一点。这些代谢物在局部或全身释放,参与宿主的一般生理过程。

肠道微生物组组成和功能的动态变化也可以解释疫苗应答中观察到的地理异质性。研究人员还报道了成人和老年人接种流感疫苗后体液免疫反应的显著差异(超过100倍)。

宿主遗传、营养状况、母乳喂养习惯以及卫生条件和/或之前接触过病原体,被提出用来解释疫苗免疫原性的差异。然而,近年来研究宿主微生物群的技术进步为这一领域提供了新的思路。

粪便微生物群特征研究表明,肠道菌群组成可能影响口服脊髓灰质炎、卡介苗、破伤风类毒素和乙肝病毒的疫苗接种效果。

此外,在某些国家的儿童中,小肠细菌过度生长(SIBO)的流行率高。SIBO还可能限制疫苗的性能,因为相关的吸收不良、肠道微生物群和宿主免疫细胞之间争夺关键营养物质以及或通过渗漏的肠道系统释放微生物分子。从南非收集的样本中观察到反应迟钝的全血细胞(标准TLR刺激试验),并将来自北美和欧洲儿童的年龄匹配样本进行了比较。

上述人体研究仅存在相关性。

最近进行了三项研究,以确定婴儿和成人肠道微生物群失调和疫苗应答之间的因果关系。

在第一个大型(n = 754)和良好对照的研究中,广谱抗生素治疗(阿奇霉素)减少了致病性肠道细菌的流行,但没有改善印度婴儿的口服脊髓灰质炎疫苗接种。

接下来,Harris等人在开放标签试验中使用广谱抗生素(万古霉素)或广谱抗生素(万古霉素、环丙沙星和甲硝唑)治疗66名荷兰健康成人,并研究TT、口服轮状病毒(RV)和多糖肺炎球菌(Pneumo23)疫苗的应答。虽然RV疫苗观察到一些积极的效果,抗生素治疗没有改善TT或肺炎23价反应。

最后,Hagan和他的同事进行了一项研究,22名年轻的成年人接受广谱抗生素(万古霉素、新霉素和甲硝唑)治疗,然后接受TIV疫苗。虽然这种治疗对以前接种过流感疫苗的成年人影响有限,但在11名以前没有接触过流感(接种疫苗或自然感染)的健康个体中进行的第二次试验提供了突破性的发现。那些首次接受抗生素治疗的人的体液免疫反应,特别是对H1N1流感毒株的免疫反应大大减弱

这些数据证实了早期的小鼠研究,并证明抗生素驱动的生态失调导致了非佐剂TIV引起的疫苗应答的显著改变。用系统生物学方法进行的更深层次的分子图谱也揭示了一种特定的炎症基因特征,即与抗生素治疗相关的更活化的髓系树突状细胞。

合理设计以微生物为内源性佐剂的疫苗在疫苗学领域具有广阔前景。这些方法可能需要个性化和工程可逆性来管理脆弱个体的疗效和潜在并发症。鉴于饮食是塑造肠道微生物群的最有力因素之一,营养干预与益生菌和益生元促进多样化的微生物群来维持健康受到了相当大的关注。

06 对抗与年龄相关宿主免疫力下降的营养策略

食品的发展是为了促进健康或减少疾病风险,1980年代中期,出现了“功能食品”一词:希望支持以营养为基础的预防性方法,以提高生活质量,减少与老龄化人口相关的医疗成本。

由于肠道微生物与宿主免疫系统的密切相互作用,临床试验研究的提高老年人免疫力的功能食品主要包括益生元(如纤维)、益生菌、两者的结合(即共生)或分泌可溶性代谢物(也称为后生元,如短链脂肪酸)。

随着年龄的增长,免疫适应能力下降,老年人无力抵抗感染,无力对抗原挑战作出反应,大多数这些试验探讨了感染流行程度、严重程度和持续时间或特定的疫苗接种结果

在已确定的400项临床研究中,研究人员根据其相关性(免疫读数和目标人群为60岁的老年人)保留了31项研究,并将其总结在表1中。

这些研究是在社区居民、疗养院居民或住院患者中进行,这些患者可以服用口服补充剂或需要管饲。

大多数研究(20项研究)是随机双盲安慰剂对照组,考虑经典的混杂因素,如年龄、性别,有时还有医疗条件、营养状况、感染史或疫苗接种史

预防感染性并发症,特别是危重症或选择性手术患者中艰难梭菌相关腹泻是第二个有意思的领域。

在对老年人进行的13项研究中,6项呈阳性。它们积极的性质也可能表明,疾病预防可以通过人体免疫系统的不同方面来实现。

疫苗挑战研究通常测试适应性免疫系统的功能,但没有解决某些细菌感染中与年龄相关的先天免疫下降的后果。然而,最近在英国23家养老院进行的规模最大的研究,即“益生菌减少养老院居民感染”试验,LGG和BB12胶囊每天服用长达1年,对预防感染没有效果。在感染症状、抗生素使用、住院或死亡率方面没有发现差异

总的来说,可能有多种原因,研究之间缺乏一致性,如菌株特定差异或剂量,以及益生元性质和数量,或受试者的年龄和医疗条件。

这些研究中没有一项对干预前和干预后的患者微生物群进行了广泛的分析。虽然这些数据可能作为独立报告存在,以描述成分的特性,在未来,对干预前后的人体微生物群和免疫参数进行系统的平行评估是至关重要的,以揭示相关的相互作用或因果关系。

07 恢复肠道微生物稳态、减少炎症和免疫衰老

虽然实际年龄是不可逆转的,但随着年龄的增长,与肠道微生物群炎症免疫衰老相关的衰老变化是免疫介导的慢性疾病的共同帮凶,这可能是维持免疫和健康的目标。

当消炎药和衰老疗法选择性地消除衰老细胞(衰老抑制剂)或抑制衰老相关分泌表型(衰老表型)时,作为抗衰老疗法的临床试验正在迅速发展(图2),它们的长期使用需要谨慎地平衡对传染病的易感性和潜在的其他副作用。

为什么减少全身低度炎症可以促进疫苗应答,而疫苗学的主流观点是佐剂通过促进局部炎症来改善疫苗应答,这一悖论还需要进一步的研究来解释。

图2 恢复肠道微生物稳态、减少炎症和免疫衰老以支持老年人免疫功能的方法

Nabil Bosco & Mario Noti,Genes & Immunity, 2021

(1)益生菌或益生元或合生元、后生元(如SCFAs)等进行干预可能有助于恢复与年龄相关的肠道微生物组成和功能下降

(2) 补充维生素和矿物质有助于正常的免疫细胞功能。

(3) 消炎药或老年药可能有助于减少炎症,而老年药直接消除老化细胞,燃料炎症。

单独或联合使用可能有助于增强宿主免疫,更好地控制感染,并随着我们年龄的增长产生适当的疫苗接种反应。

鉴于肠道微生物对宿主免疫系统的影响越来越大,可以合理推测,通过个性化营养或补充恢复与年龄相关的肠道微生物丰富度和功能的下降,可能是一种对抗免疫适应性功能下降的预防措施。

在这种情况下,已在临床环境中测试了能够通过支持肠道屏障完整性或调节炎症过程来增强免疫力的益生菌、益生元、后生元或合生元(表1)。

然而,由于研究、菌株特异性差异或剂量、益生元的性质和数量受试者的年龄医疗条件之间缺乏一致性,因此很难验证这种方法在增强与年龄相关的宿主免疫适应性下降方面的有效性。

肠道微生物群是一个有待挖掘的宝藏,衰老学也不例外。正如许多临床前研究所证明的那样,恢复年轻的微生物群可以通过维持免疫和健康跨度来恢复老年宿主的活力。

因此,更好地了解肠道微生物群落结构和相关代谢组的动态变化,这些改变如何影响细胞免疫网络,以及这些通路如何被治疗靶向,将对未来加强甚至恢复老化免疫系统的策略产生广泛的影响。随着人口老龄化的加剧,迫切需要这样的解决方案来支持健康老龄化,减缓不断增长的医疗费用。

08 健康长寿的普适方式

健康饮食

Omega-3脂肪酸

随着年龄的增长,神经细胞萎缩,向大脑提供的营养丰富的血液供应减少,Omega-3脂肪酸,尤其是二十二碳六烯酸(DHA)可以促进神经细胞之间的有效电信号传递,减少炎症,甚至可以改善精神集中度并与记忆力丧失作斗争。

较小的脑体积与阿尔茨海默氏症以及正常衰老有关。研究人员发现,血液中omega-3脂肪酸EPA和DHA水平较的绝经后妇女的脑体积也更大。

富含Omega-3脂肪酸的食物:

鱼类:鲱鱼,沙丁鱼,鲭鱼,鲑鱼,大比目鱼,鳟鱼

绿叶蔬菜: 抱子甘蓝,菠菜,芝麻菜,薄荷,羽衣甘蓝和豆瓣菜

油: 亚麻籽油,正大籽油,鳕鱼肝油和磷虾油

其他:蛋、核桃等

黄酮类化合物

几乎所有的水果,蔬菜都含有类黄酮,具有许多健康益处,包括减少炎症,降低心脏病风险和湿疹症状,对衰老的大脑有益。有研究发现,食用大量浆果(类黄酮含量较高)的老年妇女将记忆力下降的时间推迟了两年以上。

类黄酮含量高的食物:

浆果: 蓝莓,草莓和黑莓

绿叶蔬菜: 菠菜,羽衣甘蓝和豆瓣菜

彩色农产品:胡桃南瓜,牛油果,李子,红葡萄

其他:咖啡,黑巧克力,红酒

维生素E

防止细胞损伤。已有几项研究发现,维生素E可以延缓轻度到中度阿尔茨海默病的进展

富含维生素E的食物:

坚果和种子:杏仁,山核桃,花生酱,花生,榛子,松子和葵花籽

油:小麦胚芽油,葵花籽油,红花油,玉米油,大豆油

绿叶蔬菜:菠菜,蒲公英嫩叶,唐莴苣,萝卜叶

运动

走楼梯:

瑞士一项研究发现,久坐不动的人把乘电梯换成走楼梯,过早死亡的风险可以降低15%。哈佛早期的研究显示,与每周爬楼梯少于10层的人相比,每周能爬35层或更多的楼梯能显著提高寿命。

骑车:

骑自行车上班是一种环保又健康的方式,在一天中挤出锻炼时间在户外,还能节省点油钱。

游泳:

一项数据发现,经常游泳的男性比久坐不动的男性死亡率低50%,游泳者的死亡率也比运动时走路或跑步的男性低。

每天锻炼15分钟:

2011年的一项研究发现,与久坐不动的人相比,每天15分钟锻炼可以平均延长3年的寿命。

保护牙齿

如果牙齿一直很敏感,那么随着年龄的增长,牙齿会越来越容易脱落,这会影响老年生活品质。请保持日常牙科护理的最佳状态,防止蛀牙。

保持良好的生活习惯

保证充足的睡眠:

NIH的数据显示,每晚持续睡眠少于7个小时的成年人患高血压,心脏病,肥胖,糖尿病和抑郁症的风险更高。另外,晚上睡不好会抑制重要激素的释放,这些激素可以修复细胞和组织,抵抗疾病和感染,睡不好会使身体无法自然康复。

尽可能避免吸烟:

戒烟可以减少许多疾病风险。

适当缓解压力:

压力容易让人变老。尝试放弃明显的压力源,适当安排休息时间,

经常锻炼记忆力

记忆就像肌肉一样可以训练;如果充分利用自己的记忆并定期使用它,记忆力可以磨练到老。比如每天尝试做一个填字游戏,以帮助建立和维护词汇量和记忆力。

《阿尔茨海默氏病杂志》上的一项研究显示,吃蓝莓可以增强记忆力和学习能力,喝苹果汁可以通过防止重要的神经递质的衰退来改善记忆力。

选择适宜的养老居住地

可以选择气候宜人的地方居住,良好的空气质量有助于保持健康,环境条件佳也有利于保持好心情。此外尽量选择拥有良好的经济和医疗体系的地方,帮助维持积极长寿的生活。

做好健康管理

定期进行肠道菌群健康检测或其他检查,及时了解自身健康状况,包括哪些风险,需要注意事项等,做好健康管理,享受健康幸福的晚年生活。

相关阅读:

解密|肠道菌群与健康长寿

认识肠道微生物及其与高血压的关系

如何更好地吸收维生素矿物质?

益生菌的简单入门指南

肠道微生物群与不健康衰老

主要参考文献:

Hägg S, Jylhävä J, Wang Y, Xu H, Metzner C, Annetorp M, et al. Age, frailty, and comorbidity as prognostic factors for short-term outcomes in patients with coronavirus disease 2019 in geriatric care. J Am Med Dir Assoc. 2020;21:1555–9.e2.

Khan SS, Singer BD, Vaughan DE. Molecular and physiological manifestations and measurement of aging in humans. Aging Cell. 2017;16:624–33.

Crooke SN, Ovsyannikova IG, Poland GA, Kennedy RB. Immunosenescence and human vaccine immune responses. Immun Ageing. 2019;16:25–16.

Butler CC, Lau M, Gillespie D, Owen-Jones E, Lown M, Wootton M, et al. Effect of probiotic use on antibiotic administration among care home residents: a randomized clinical trial. Jama. 2020;324:47–56.

Bosco Nabil,Noti Mario,The aging gut microbiome and its impact on host immunity.[J] .Genes Immun, 2021

Book: Mayo Clinic Family Health Book, 5th Edition

Wang J, Varghese M, Ono K, Yamada M, Levine S, Tzavaras N, Gong B, Hurst WJ, Blitzer RD, Pasinetti GM. Cocoa extracts reduce oligomerization of amyloid-β: implications for cognitive improvement in Alzheimer’s disease. J Alzheimers Dis. 2014;41(2):643-50.

James V. Pottala, Kristine Yaffe, Jennifer G. Robinson, Mark A. Espeland, Robert Wallace, William S. Harris Neurology Feb 2014, 82 (5) 435-442

Dysken MW, Sano M, Asthana S, et al. Effect of Vitamin E and Memantine on Functional Decline in Alzheimer Disease: The TEAM-AD VA Cooperative Randomized Trial. JAMA. 2014;311(1):33–44.

Berryman CE, West SG, Fleming JA, et al. Effects of Daily Almond Consumption on Cardiometabolic Risk and Abdominal Adiposity in Healthy Adults With Elevated LDL-Cholesterol: A Randomized Controlled Trial. Journal of the American Heart Association. January 2015.

肠道微生物组:肌肉骨骼研究的新领域

谷禾健康

骨质疏松——“沉默的杀手”,是一种骨代谢异常的慢性病。别以为骨质疏松很遥远,骨质疏松正无声无息地向年轻人逼近。

肌肉骨骼系统是整个人类健康的重要决定因素。除了充当人体支架外,它还通过生化信号与体内其他器官不断沟通,具有基本的内分泌功能。

人的肠道内有一个复杂的微生物群落,会影响许多调节肌肉骨骼发育和体内平衡的过程。

肠道菌群及其代谢产物与肌肉减少症,骨质疏松症,骨关节炎和类风湿关节炎有关。该领域正在迅速发展,从描述简单的相关性到通过临床试验寻求因果关系。

肠道菌群及其微生物合成代谢产物鉴于其可延展性和对环境刺激的反应,有望为肌肉骨骼疾病的预防和治疗提供新的潜在替代品。

越来越多的证据表明,肠道菌群可以调节骨骼的通透性,激素分泌和免疫反应,并刺激钙和维生素D的吸收,从而在肌肉骨骼系统中发挥作用。

肠道微生物组对肌肉骨骼健康和疾病过程的影响可以是直接的或间接的。

01 肠道微生物组对骨代谢的影响 

骨代谢依赖于成骨细胞、骨细胞和破骨细胞作用下骨形成和骨吸收之间的平衡。骨质在出生后开始累积,并在成年后达到高峰,此后下降。最高的峰值骨量与降低以后的骨质疏松症风险有关,模拟研究表明,峰值骨量增加10%会使骨质疏松症的发作延迟13年,最大化峰值骨量和强度的措施非常重要。

注:骨质疏松特征是骨骼组织的微结构恶化加剧,骨骼质量低下,最终导致脆性骨折。

微生物组研究在骨骼健康方面的研究越来越热,在2013年至2019年期间,PubMed中出现了435多篇。

宿主的新陈代谢途径,免疫系统和激素环境是骨代谢的重要决定因素。因此,有理由认为肠道菌群在骨稳态中也起着重要的作用。骨质疏松症的风险与肠道微生物组的个体差异有关。

肠道微生物群有助于保持肠道屏障的完整性。肠道微生物群影响钙和维生素D的吸收,免疫系统的成熟,以及雌激素和雄激素等激素的产生和激活。

此外,肠道菌群失调可导致炎症细胞因子的产生,使肠道屏障易位,并对骨产生有害影响。益生菌和益生元已显示出缓解或恢复骨骼健康的潜力。

肠道微生物群可通过宿主免疫、炎症等机制影响关节健康。而对肌肉健康的影响还包括葡萄糖摄入、能量代谢和纤维蛋白合成

营养与骨骼发育

钙和维生素D是骨骼健康的关键营养素,其消耗或缺乏会导致不利的骨骼并发症。

维生素D

对缺乏症儿童补充维生素D的随机对照试验表明,骨矿物质密度(BMD)有所改善。

维生素D除了直接影响钙吸收外,还通过维持上皮屏障的完整性以及微生物代谢物向宿主的转运来调节肠粘膜的稳态。这种调节也会影响免疫系统的成熟和炎症反应。

关于其与肠道菌群的关系,最近的一项小型干预研究表明,在青春期女孩中大量补充维生素D会导厚壁菌,双歧杆菌肠球菌增加,而拟杆菌乳杆菌减少

与这些发现一致,维生素D受体(VDR)敲除(KO)小鼠的微生物组中,拟杆菌梭状芽孢杆菌富集,但乳酸杆菌耗尽。此外,这些小鼠的碳水化合物、蛋白质、脂质和胆汁酸代谢产生的代谢物也发生了变化。

这些研究支持维生素D调控肠道菌群的论点,也支持肠道菌群全基因组关联研究(GWAS)中VDR基因变异的鉴定。

相反,也有证据表明肠道菌群影响循环维生素D的水平。例如,127个个体的临床试验表明,在9周的干预后,补充罗伊氏乳杆菌NCIMB 30242增加了平均循环25-羟基维生素D 25.5%。

除此之外,像浅灰链霉菌Streptomyces griseolus这样的细菌可以像人类代谢酶一样,羟化维生素D3,这是激活维生素D3的必要步骤。

钙吸收

钙是人体内最常见的矿物质。为了达到高峰值骨量,钙的摄入需要充足,特别是在快速生长期间,吸收的钙被保留,而不是通过尿液排出。

一些研究表明,肠道菌群产生的短链脂肪酸(SCFAs)有助于改善人体对钙的吸收,并增加动物模型的骨密度和强度。

这些研究主要集中在食用膳食纤维的优势及其在增加短链脂肪酸以及副杆菌属、双歧杆菌属拟杆菌属相对丰度方面的作用。

这些研究的重要性在于使用益生元(即诱导有益微生物生长或活动的化合物)或后生元(即活微生物分泌的因子)来纠正钙缺乏,而无需增加富含钙的食物或补充剂。

然而,有研究表明,肠道菌群和钙水平之间的关系不是单向的。补钙可以增加小鼠体内的微生物多样性双歧杆菌瘤胃球菌科Ruminococcaceae阿克曼菌Akkermansia的数量。

此外,在健康男性中补钙和磷,持续8周,会增加粪便样本中梭状芽孢杆菌Clostridium XVIII的比例。

维生素K

研究表明,维生素K通过促进成骨细胞骨细胞的转化、限制破骨细胞的生成和介导骨钙素羧化过程而与骨健康相关。

然而,最近的一项研究也表明这种维生素与有机或矿物物质的组成和结构的变化有关。通过对小鼠粪便微生物群的宏基因组分析以及对骨组织的纳米化学分析,作者能够确定骨强度受损的小鼠体内微生物产生的维生素K的浓度降低

膳食纤维

两项大型流行病学研究显示,纤维摄入对骨预后有积极影响。假设纤维对健康的影响至少部分由肠道菌群发酵到SCFAs(乙酸、丙酸、丁酸)来解释。

除了SCFAs的积极作用外,丙酸(C3)或丁酸(C4)的使用还预防小鼠卵巢切除诱导的以及炎症依赖性骨丢失。

丁酸还可以抑制组蛋白脱乙酰化酶,并刺激成骨细胞分化,并随着骨唾液蛋白和骨保护素的增加而增加骨形成。丁酸通过调节细胞介导的WNT10B表达,可刺激骨形成。

从机制上讲,C3和C4诱导破骨细胞的代谢重编程,从而导致糖酵解增强,而不消耗氧化磷酸化,从而降低必需破骨细胞基因TRAF6和NFATc1。

最近,在小鼠牙槽骨中,也观察到破骨细胞分化的减少,以应对SCFAs的作用。与这些结果一致,以富含短链半乳寡糖和长链果糖(scGOS/lcFOS)为饲料的小鼠,肠道菌群作为生产SCFAs的底物,显示出一种改良的骨密度。

激素对骨骼代谢的作用

胰岛素样生长因子1(IGF-1)

IGF-1在调节骨骼发育和出生后生长中起着重要作用。Igf1 KO小鼠出生后生长速度降低,骨骼骨化延迟,而Igf1的过度表达显著增加了雄性和雌性小鼠的桡骨生长。

与无菌(GF)小鼠相比,肠道菌群完整的小鼠血清IGF-1水平更高。与预期一样,GF小鼠的线性生长、股骨长度、皮质厚度和骨小梁减少。给予短链脂肪酸足以增加循环IGF-1。

然而,一项在不同小鼠品系中进行的研究却显示了相反的结果。这些看似矛盾的发现可能由实验对象的特定遗传背景和/或年龄依赖性效应来解释。人类肠道病毒组中的Irdoviradae家族病毒可产生病毒胰岛素/IGF-1样肽(VILPs)。这些肽能够与小鼠和人IGF-1受体结合,并在体外刺激细胞生长。

性激素

在绝经后女性中观察到的雌激素缺乏骨内稳态产生不利影响,循环雌激素的主要调节因子之一是肠道菌群

肠道菌群通过分泌雌激素来调节雌激素β-葡萄糖醛酸酶(一种将雌激素解偶联成其活性形式的酶)。当这一过程因肠道菌群多样性降低而受损时,去结合的减少导致循环雌激素的减少。

破骨细胞的过度形成和吸收被认为是雌激素缺乏引起骨质疏松的主要病理改变。此外,雌激素缺乏增加肠道通透性,使细菌易位,增加进入上皮粘膜的抗原数量,从而导致全身炎症。与正常小鼠相比,由于破骨细胞因子的减少,GF小鼠在雌激素缺乏后骨丢失较少。

此外,基于不同乳酸菌的益生菌降低破骨细胞因子的表达,增加骨组织中OPG的表达,保护小鼠免受卵巢切除(OVX)诱导的骨丢失。据报道,长双歧杆菌Bifidobacterium longum也能减轻OVX大鼠的骨丢失。

此外,通过去除肠道微生物群的抗生素或施用罗伊氏乳杆菌Lactobacillus reuteri来预防肠道渗漏的在糖皮质激素诱导的小鼠骨质疏松症中被证明是有效的。

雄激素,也是骨骼发育和维护所必需的。最近,有研究表明,肠道菌群可以调节远端肠道中的游离睾酮(DHT)水平,DHT是一种有效的雄激素。

但是,有必要进行进一步的研究以弄清肠道菌群是否具有调节肠道外部位雄激素代谢和作用的能力。

微生物群在免疫和炎症中的作用

肠道菌群在免疫系统的成熟中起着核心作用。它参与了循环细胞因子的产生和淋巴样细胞的发展,特别是T辅助淋巴细胞。

随着年龄的增长,特别是在雌激素缺乏的情况下,T细胞增加促炎和促破骨细胞因子的产生,如TNF-α和RANKL。肠道菌群增加这些细胞因子和减少小鼠皮质骨的能力实际上依赖于引起炎症反应的NOD1和NOD2信号。

研究还表明,toll样受体5 (TLR5)的激活,先天免疫系统使用的另一种模式识别受体,促进小鼠破骨细胞的形成和骨丢失。此外,TLR5-KO小鼠出现骨膜扩张,当肠道菌群被破坏时,骨膜扩张趋于正常,这与肠道菌群的中介作用一致。

运动是骨质疏松症管理的另一个重要组成部分,因为体育活动增加骨密度,减少炎症标志物。最近,有人提出,运动可能通过改变肠道菌群来防止骨流失。这是基于一项在小鼠中进行的活动研究的结果,双歧杆菌科成员已知可以减少肠道炎症,与骨密度正相关。

02 评估肠道菌群在骨质疏松症中的临床研究

关联研究发现骨质疏松个体(N = 60)的放线菌、Eggerthella、Clostridium Cluster XlVa、乳酸杆菌属与骨密度正常个体(N = 60)相比,骨质疏松个体(N = 61)的大肠杆菌/志贺氏菌韦荣球菌属Veillonella的丰度较低。各组间多样性指标无统计学差异。

相比之下,另一项研究发现患有骨质疏松症(N = 48)与个体与正常水平的BMD (N = 48)相比,具有更高的菌群多样性和丰富的DialisterFaecalibacterium

而两项中国研究,每个大约几百个人,分别报道了双歧杆菌Bifidobacterium、Roseburia乳酸菌LactobacillusAllisonella克雷伯菌Klebsiella、巨球菌Megasphaera骨密度之间的相关性

这些不一致的结果表明,在调查可能的新关联时,使用足够的样本量和控制多重测试的重要性。

基于微生物组的临床试验

在瑞典进行的两项不同的临床试验显示,绝经后妇女使用益生菌后骨质流失显著减少

第一组,90名绝经后妇女,研究显示,在1年后每日补充乳杆菌reuteri 6475,出现胫骨体积骨密度损失减少(组间平均差异=1.02%;95%置信区间:0.02 – -2.03%)。

第二项研究的重点是腰椎(LS)的骨质流失

323名绝经后早期妇女完成了试验,其中一半(116)接受了益生菌或安慰剂,12个月。

LS-DXA扫描分别在进食当天一年后进行。与安慰剂相比,乳酸菌降低了LS-BMD损失(平均差异0.71%,95% CI 0.06至1.35)。在安慰剂组中,LS-BMD损失显著(-0.72%,−1.22至−0.22),而在乳酸菌处理组中没有观察到骨质损失(-0.01%,−0.50至0.48)。作者的结论是,乳酸菌菌株似乎针对小梁和皮质骨的不同作用机制。

相反,一项对76名健康绝经后的日本妇女进行的临床试验发现,在全髋部给予枯草芽孢杆菌C-3102 24周对髋部骨密度有积极影响(安慰剂= 0.83±0.63%,C-3102 = 2.53±0.52%,p =0.043)。与安慰剂组相比,益生菌的参与者的LS-BMD(腰椎)没有观察到显著的效果。基于微生物组谱,尿I型胶原交联N-末端肽和抗酒石酸酸性磷酸酶亚型5b的测量,作者推测C-3102通过抑制骨吸收和调节肠道菌群改善骨密度

在一项包括50名健康绝经后伊朗妇女的研究中,与安慰剂组相比,干预组也检测到血清1型胶原交联c -末端肽(CTX)较低。干预组包括25名女性,连续6个月每天GeriLact。GeriLact含有干酪乳杆菌、长双歧杆菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、保加利亚乳杆菌、短双歧杆菌嗜热链球菌。干预组骨特异性碱性磷酸酶(BALP)水平降低也支持骨转换减少的存在。

肠道微生物组对骨骼肌质量和功能的影响

即使肠道-肌肉轴还没有被研究到肠道-骨骼轴的程度,这个领域研究仍在发展。

这一轴可能参与肌肉萎缩疾病的发病机制,通过从饮食营养素,炎症胰岛素敏感性等调节前合成代谢刺激的转导(图1)。研究表明,无菌和施用抗生素的小鼠骨骼肌质量和物理功能降低。将肠道菌群从常规饲养的小鼠移植到无菌小鼠可导致骨骼肌质量的增加肌肉萎缩标志物的减少。此外,仅仅使用短链脂肪酸就部分逆转了这些小鼠的骨骼肌损伤。

另一项研究表明,移植直肠真杆菌(Eubacterium rectale)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum TWK10)球囊梭菌(Clostridium coccoides)可以改善幼年无菌小鼠体质、运动性能和能量代谢下降的状况。

同样地,在使用抗生素的小鼠中发现了跑步耐力的降低和离体肌肉疲劳度增加,这种疲劳度可以通过肠道菌群的自然重新播撒而完全恢复正常

在人类中,一项小型研究表明,与功能低下的老年人相比,瘦体重更高、身体表现更好的老年人的粪便样本中普雷沃菌属Barnesiella的含量更(高功能,N = 18;低功能,N = 11)。高功能个体的人类微生物群定植无菌小鼠导致它们的握力更

然而,在高功能人类微生物群和低功能人类微生物群定植的小鼠中,没有观察到总瘦重量或耐力的差异。目前,爱尔兰正在进行一项临床试验,旨在评估凝结芽孢杆菌Bacillus coagulans作为益生菌对肌肉蛋白质合成率的影响。如果补充凝结芽孢杆菌可以在消耗植物蛋白后提高肌肉蛋白质的合成率,那么这可能是一种有效的、环境敏感的策略,可以减少老年人与年龄相关的肌肉质量和身体功能的不良损失。

肠道微生物组对关节的影响

骨关节炎(OA)是世界范围内最常见的慢性退行性关节疾病,也是导致关节残疾的主要原因。目前,OA没有治愈方法。公认的骨性关节炎的危险因素是肥胖巨噬细胞介导的炎症,两者都与肠道菌群有关(图1)。

原则上,肠道菌群可以减少肥胖的不同机制将对改善OA风险有很大影响。因此,长期高脂肪饮食的小鼠易于发展肥胖介导的骨性关节炎。然而,通过对副干酪乳杆菌亚种paracase M5益生元低聚果糖的干预可以降低这种风险。

此外,最近的一项小规模研究表明,在含有高细菌LPS(脂多糖)水平的血清和滑膜液中,膝关节囊和滑膜中激活巨噬细胞,导致OA病理恶化

最近在一项针对老年人的大规模人群研究中发现,链球菌种类的丰富与膝关节疼痛和膝关节炎症增加有关。人体临床试验已经显示了干酪乳酸菌代田株Lactobacillus casei Shirota 嗜热链球菌Streptococcus thermophilus在膝关节骨性关节炎进展中的积极作用。

肠道微生物组对免疫反应的影响

类风湿性关节炎(RA)是一种自身免疫性疾病,全身性慢性炎症导致关节破坏。在小鼠和人类的RA研究中都观察到口腔和肠道微生物群组成的改变。

在RA病例中发现了几种肠道菌群富集,包括普雷沃氏菌(Prevotella)和不同种类的乳酸杆菌(Lactobacillus)

此外,口腔微生物群Cryptobacterium curtum已被发现在RA病例中富集。这种细菌能够产生大量瓜氨酸,瓜氨酸在RA中作为一种自身抗原而为人所知。在一项用大鼠进行的研究中,干酪乳杆菌Lactobacillus casei 也能抑制RA的诱导并保护骨骼免受破坏。

结 语  

肠道菌群在肌肉骨骼研究中呈现了一个新前沿。在研究能够转化为临床之前,仍需克服几个障碍。

1. 16S技术在识别特定菌或评估功能潜力方面的分辨率有限,与宏基因组不同。

2. 大多数微生物组研究样本量太小。

3. 微生物组数据的收集、提取和分析的方法和程序需更多地标准化。

本文总结的有效临床试验很可能为进一步的研究肠道菌群和骨代谢关系,以及新疗法的开发提供动力。

目前对肌肉骨骼疾病的治疗仍有很大的改进空间,肠道菌群是一个转折点,代表着机会越来越多。在肌肉骨骼疾病方面,也可以将其定位为个性化医疗革命的潜在关键驱动力。

相关阅读:

肠道微生物组如何影响运动能力,所谓的“精英肠道微生物组”真的存在吗?

维生素D与肠道菌群的互作

新冠肺炎患者肠道菌群改变,相关的营养干预措施

参考文献:

Song W, Liu Y, Dong X, Song C, Bai Y, Hu P, et al. Lactobacillus M5 prevents osteoarthritis induced by a high-fat diet in mice. J Funct Foods. 2020;72:104039.

Li R,Boer C G,Oei L et al. The Gut Microbiome: a New Frontier in Musculoskeletal Research[J] .Curr Osteoporos Rep, 2021.

Lopez-Oliva I, Paropkari AD, Saraswat S, Serban S, Yonel Z, Sharma P, et al. Dysbiotic Subgingival Microbial Communities in Periodontally Healthy Patients With Rheumatoid Arthritis. Arthritis Rheumatol. 2018;70(7):1008–13

Huang WC, Chen YH, Chuang HL, Chiu CC, Huang CC. Investigation of the effects of microbiota on exercise physiological adaption, performance, and energy utilization using a gnotobiotic animal model. Front Microbiol. 2019;10:1906

Ticinesi A, Lauretani F, Tana C, Nouvenne A, Ridolo E, Meschi T. Exercise and immune system as modulators of intestinal microbiome: implications for the gut-muscle axis hypothesis. Exerc Immunol Rev. 2019;25:84–95

认识肠道微生物及其与高血压的关系

谷禾健康

肠道的内部环境作为外部环境和宿主之间的接口,不断受到宿主的消费习惯的挑战。在管腔一侧,微生物能够附着并定植于该空间,而在宿主一侧,胃肠道充当体内免疫细胞的最大隔室。

从解剖学上讲,肠道由不同的部分组成。十二指肠,空肠和回肠代表小肠(SI),它比由结肠和直肠组成的大肠(LI)占据更多的物理空间。与人类相比,啮齿动物的盲肠增大,盲肠囊是连接小肠和大肠的盲端囊。在小鼠中,盲肠充当了共生微生物的大贮藏库,这些微生物参与了无法通过其他方式裂解的纤维的发酵。  盲肠在小鼠中的作用很重要,因为它是短链脂肪酸(SCFA)产生的主要途径,去除盲肠会导致胃肠道远端部位炎症的增加 在人类中,该部位微生物的体积远小于小鼠,但该隔室在兼性厌氧发酵中仍起着重要作用。

值得注意的是,共生微生物的组成和丰度在不同的胃肠道区域是不同的,例如,成年小肠中的微生物丰度低(<105个微生物/ mL),在结肠中则增加到1012。小肠和大肠具有独特的生理功能。 虽然十二指肠和空肠参与消化,营养吸收和运动过程,但大肠具有三个主要功能:吸收水和电解质,产生和吸收维生素以及形成和运输排泄的粪便。肠道不断暴露在食物颗粒和食物抗原,生理或机会性微生物群衍生的代谢产物以及其他免疫调节刺激。 胃肠道内的免疫细胞不仅对肠道内的抗原刺激作出反应,而且还显示出扩散到全身的远端器官,表明它们在全系统炎症稳态中的重要性。

微生物无处不在。 他们自我组织,在原本无法居住的生态环境中创建了复杂的生态系统,迅速适应了他们的环境。宿主依赖微生物组实现几种基本的共生功能,例如启动免疫系统和生产必需的维生素,以及从食物中获取能量。 肠道微生物群(定义为人类体内的微生物分类群)现在被认为是内分泌器官,可产生可在宿主中充当效应子的代谢产物,从而触发局部微环境或远端的靶器官系统(如心脏,肾脏,脉管系统)的反应和大脑。

肠腔内壁衬里是抵抗细菌感染的生理屏障,可以与毒素结合。此外,粘液是细菌的营养来源,因此会影响具有在粘液层中生存和扩展能力的微生物的定殖。Akkermansia muciniphila(AKK菌) Citrobacter rodentium (柠檬酸杆菌)能够降解粘蛋白,而后者在纤维缺乏期间会增殖。结肠粘液层完整性的丧失会增加宿主对病原体的敏感性。 在健康条件下,紧密的上皮层可防止病原微生物的入侵,而某些刺激物(如炎症性疾病或西餐)可导致肠道通透性和所谓的肠道渗漏综合征的发展。

随着高通量测序技术和代谢组学的建立以及高性能计算和人工智能的发展,人们逐渐破译生活方式饮食,药物治疗和肠道微生物组之间的相互关系。每个人肠道微生物组随时间推移相对稳定,并与周围环境平衡共存。但是诸如抗生素,肠道感染以及饮食或生活方式变化等扰动都会引起短暂或持续的变化

01 肠道免疫与高血压

在过去的几十年中,实验和临床研究表明,先天性和适应性免疫系统的细胞在高血压,靶器官损害和心血管疾病(CVD)的发病机理中起着关键作用。促炎性效应记忆T细胞和 T辅助细胞亚型T辅助细胞17(Th17;产生IL-17)和1型辅助细胞(产生IFN-γ)促进高血压和心血管靶器官损伤,而调节性T细胞(Tregs)通常产生大量的抗炎性IL-10可以减轻血管,心脏和肾脏的损害

此外,γδT细胞和髓样来源的抑制细胞在高血压的发病机理中也起着重要作用。 已经证明可以改变几种T细胞亚型激活状态的树突状细胞会增加盐反应性高血压,并提示其在菌群失调与血压(BP)之间的相互作用中发挥作用。

细菌可以直接或通过其产生的代谢产物与参与心血管的不同免疫细胞发生反应。例如,分段丝状细菌或Bifidobacterium adolescentis(青春双歧杆菌)可诱导Th17细胞,而Lactobacillus murinus(鼠乳杆菌)及其色氨酸代谢产物吲哚3乳酸则可抑制Th17细胞。 和SCFA丁酸盐是结肠中Treg的杰出诱导剂。

图  肠道微生物与宿主免疫相互作用

在宿主和微生物组方面均可发现肠道空间变异性。内腔和组织相关内容的相对水平在此处进行了说明,表明这两种功能的区域专业化。 已知肠道中的内腔含量在微生物负荷,微生物种群以及所产生的微生物产生的代谢产物方面有显着差异。尽管在整个胃肠道中的种群和区域规格都受到微生物的影响, 根据管腔内物质含量的变化,宿主免疫系统同样具有区域特异性。

这里显示的是免疫细胞,这些细胞在免疫稳态过程中表现出空间动态。  

02 肠道菌群与高血压

高血压的发病机制涉及多种因素,包括遗传、环境、激素、血液动力学和炎症等。越来越多的证据表明,肠道微生物群在高血压的发生和发病机制中起着重要作用。胃肠道是人体内最大的免疫细胞库,代表着环境和宿主的交汇点。因此,生活方式因素的形成和调节的微生物组,影响着高血压疾病形成和发生的风险。一个被广泛研究的例子是膳食纤维的消耗,能导致短链脂肪酸的产生,并有助于抗炎免疫细胞的扩张,从而防止高血压的进展。饮食干预如禁食也被证明通过微生物群影响高血压

图 血压与肠道菌群的关系

摄入的食物被肠道微生物群转化为小的代谢物。食物抗原、微生物产生的代谢物以及微生物本身都有助于免疫稳态。干扰宿主和微生物群之间的共生关系可通过免疫系统直接或间接导致血压变化和相关的心脏、血管或肾脏损害。

在过去的十年中,许多关于肠道微生物组和高血压的作用的证据已积累起来。多项针对人体的横断面研究表明,肠道微生物组与血压或高血压之间存在关联。高血压患者或血压较高的患者,α多样性降低,肥胖,高胰岛素血症和血脂异常也已观察到。 许多人类肠道微生物组研究报告了革兰氏阴性菌群较高的菌群之间的相关性,包括克雷伯菌,副细菌,脱硫弧菌和普氏菌,尽管并非所有研究都能确定这种模式。

来自HELIUS队列研究(城市环境中的健康生活)的研究表明,克雷伯菌属和链球菌属与血压呈正相关。此外,与高血压小鼠相比,从高血压人类供体接受粪菌移植的GF小鼠出现了与其供体相似的肠道菌群,以及8周后收缩压和舒张压升高。它从2个血压正常的供体那里接受了粪菌移植。

此外,还有几种有价值的啮齿动物高血压模型分析了肠道微生物组和血压的作用。自发性高血压大鼠存在失调,与正常血压WKY(Wistar-Kyoto)对照大鼠的微生物群存在显著差异。自发性高血压大鼠的肠道通透性和菌群失调也可能可通过使用降压药治疗大鼠来补救。

肠道微生物组与高血压之间的联系不是物种特异性的。 例如,在小鼠和人类中高盐处理都会减少乳酸杆菌属。  值得注意的是,未治疗的高血压患者中盐的适度降低能够降低血压并改善动脉顺应性。改善的临床结果伴随着8种循环SCFA的增加(包括2-甲基丁酸、丁酸、己酸、异戊酸和戊酸 )。此外,已证明益生菌乳酸菌处理可通过恢复吲哚3乳酸水平(抑制微生物色氨酸代谢)抑制Th17细胞并减轻盐敏感性高血压

已显示,Lactobacillus coryniformis可以改善血管功能和胰岛素敏感性。Lactobacillus(乳杆菌)治疗不仅可以改善心血管疾病,还可以改善实验性自身免疫性疾病的结局。 对益生菌对高血压的作用进行调查的随机对照试验的系统评价表明,如果以足够高的剂量使用至少8周,含乳酸杆菌的益生菌是有效的。

03 饮食方式影响肠道菌群

在人类中,肠道中的核心微生物群落是稳定的,并且仅在响应诸如肠道感染,整体旅行或药物治疗等主要扰动时才发生变化,从而导致肠道微生物组发生短暂或持续的变化。 肠道菌群不仅对某些饮食刺激的比例具有反应性,而且还可能在时空环境中做出反应。

目前,我们对特定饮食变化影响炎症,自身免疫和心血管疾病易感性的确切机制的理解还很模糊。 使用经过微生物组组成和功能训练的机器学习算法可提供令人兴奋的机会,以促进更好地预测对营养刺激的反应。

新兴的研究表明,饮食因素(高盐或高纤维)和生活方式干预盐分限制或热量限制)会影响微生物群落的结构和功能,这对免疫细胞活化和血压具有重要意义。西方人的生活方式通常涉及每天进食几顿主餐,并导致细菌多样性下降,某些食物喂养细菌的过度生长,以及随之而来的其他食物为底物的细菌的抑制。因此,菌群产生的代谢产物发生了转移,从而促进了炎症,最终可能导致肥胖症和动脉粥样硬化等疾病的发展。

从历史上看,餐食通常是新鲜烹制的,但如今,人们更经常食用通常含盐量更高加工食品。这种生活方式通常会导致较高的盐摄入量 而不是医学指南或专家的建议。为减少心脏代谢疾病的风险,通常应节食健康的饮食和运动。 大多数建议的重点是将富含饱和脂肪,糖,盐和卡路里但纤维含量低的西方饮食改变为更健康的地中海式阻止高血压饮食方法,以实现最佳营养,平衡和降低盐摄入量,尽管合规性是一个重大挑战。

04 微生物群衍生短链脂肪酸

SCFA是最典型的微生物群代谢产物之一,它是在不易消化的纤维发酵过程中产生的。 乙酸,丙酸和丁酸是3种高丰度的SCFA。 膳食纤维是由≥3种单体组成的膳食碳水化合物的统称,如非淀粉多糖,抗性淀粉,菊粉,果胶,β-葡聚糖和低聚糖。 这些纤维状化合物中的大多数都被拟杆菌、厚壁菌和放线菌门微生物消化。Bifidobacterium adolescentis, Eubacterium rectale, Eubacterium hallii, Faecalibacterium prausnitzii ,Ruminococcus bromii 通常在大肠中定居,并具有消化纤维以生产SCFA的

大肠的丙酸和丁酸水平比小肠高约4倍。SCFA在结肠中迅速吸收,而丁酸在很大程度上被用作向结肠上皮细胞提供能量的燃料。肠道SCFAs与门静脉血相比要高得多,而门静脉SCFAs较高,其次是肝脏血液,外周血最少,这表明SCFAs基本上被肝脏吸收。肝中丙酸的摄取是糖异生,脂肪生成的前体,以及蛋白质合成,而乙酸盐进入循环系统并被多个组织代谢,并且是胆固醇合成的底物。

SCFA可以与G蛋白偶联受体Gpr41(G蛋白偶联受体41),Gpr43( 小鼠中的G蛋白偶联受体43),Gpr109a(G蛋白偶联受体109 A),Olfr558(嗅觉受体558)和Olfr78(嗅觉受体78),也称为FFARs(游离脂肪酸受体)。FFARs存在于各种组织中,包括血管和肾脏,并参与调节丙酸、乙酸和丁酸的血管反应性。

Gpr41和Olfr78似乎都参与了血压的调节,尽管它们似乎促进了相反的作用。Olfr78激活后会诱导肾素分泌。与此相符的是,Gpr41敲除小鼠为高血压,有趣的是,醋酸盐以前曾用于血液透析缓冲液,但由于其降压作用而被大量废弃,这与SCFA在大多数情况下降低血压的观点一致。

纤维本身已被建议在一定程度上塑造微生物组成

关于血压,纤维的刺激作用增加了SCFA生产者Faecalibacterium prausnitziiEubacterium rectale以及乳杆菌属的丰度。一项具有里程碑意义的研究表明,与传统上纤维含量高的未加工饮食的非洲儿童相比,食用西方饮食的欧洲儿童SCFA水平显着降低FirmicutesBacteroidetes(F/B)比率高。自该研究以来,高F/B比率通常被用作肠道生态失调的替代指标,虽然也已知一些Firmicutes细菌产生有助于健康微生物组的微生物代谢物。

同样,实验工作通常依赖于F/B比作为疾病标志物。自发性高血压大鼠和易中风的自发性高血压大鼠显示F/B比率增加,这支持了这可以作为肠道生态失调的标志物的概念。

05 血压和短链脂肪酸

各种实验或临床研究已证明益生元高级纤维或后生SCFA治疗对血压的影响。研究报道丙酸在麻醉小鼠中诱导了急性的剂量依赖性降血压反应,这是由Gpr41介导的。益生元纤维不仅可以预防心血管疾病,而且这些营养素的缺乏可能是导致高血压和心血管疾病的危险因素。 还发现在低纤维饮食中添加益生元乙酸盐,丙酸盐或丁酸盐可改善血压并减少靶器官损害

此外,GF小鼠的粪菌移植表明,与抗性淀粉相比,饮食中的肠道微生物组缺乏抗性淀粉。高纤维情况不仅在血管紧张素II攻击后导致较高的血压,而且还导致了心脏和肾脏损害的发病机制。

德国一项研究测试了在有和没有动脉粥样硬化的高血压小鼠中口服丙酸治疗的特性。在这两种模型中,丙酸治疗均能降低全身和局部炎症反应,血压以及心脏损害。丙酸的治疗作用是由Treg细胞介导的。但是该研究指出丙酸的降血压作用不是急性的,而是随着时间的推移而发生,提示SCFA的抗炎特性间接促进了血管表型的改善。Th17细胞和Th17与Treg的平衡介导SCFA在血压调节中的作用。

关于SCFA在血压中的作用的人类研究非常少见。对微生物群组成和高血压的一些研究表明,SCFA的生产者为Ruminococcaceae spp,RothiaRoseburia spp. 与较低的血压相关。

在一项小型干预试验中,生物素丁酸酯(600 mg / d),益生素菊粉(10 g / d)以及这两者的组合均降低了代谢综合征患者的舒张压。在HELIUS队列中,将机器学习算法应用于微生物组数据可确定Roseburia spp解释对血压的最大绝对影响,甚至在调整混杂因素(包括使用药物)后,丰度也使收缩压降低4.1 mmHg

相反,血压较高的患者的粪便SCFA水平较高。这种正相关与以前的研究一致,但似乎与血压与胃肠道内微生物SCFA生产者之间的负相关性相矛盾。 但是,粪便中的SCFA含量不一定反映肠道内的SCFA含量,而是反映肠道中产生的SCFA含量而宿主无法吸收的

自发性高血压大鼠的实验工作支持了这一观点,表明实验性高血压会减少结肠丁酸对宿主的吸收。此外,AT1(血管紧张素II型1型)受体阻滞剂坎地沙坦(一种经常用于治疗高血压的药物) 已发现自发性高血压大鼠可以增加乳杆菌的丰度和粪便SCFA水平,改善肠道完整性并降低血压。

坎地沙坦治疗改善了重度肥胖受试者肠道中丁酸生成基因的缺失。总之,在HELIUS队列中,基于肠道微生物群组成的机器学习模型分别解释了收缩压和舒张压变异性的4.4%和4.3%。

纤维来源的SCFAs不仅影响血压,而且在其他心血管疾病和自身免疫中也起着关键作用。例如,用醋酸盐,丙酸盐或丁酸盐进行生物后处理可改善急性肾损伤。肾脏保护与局部和全身炎症反应减少,氧化性细胞应激和细胞凋亡。在多发性硬化症动物模型中,T细胞介导的中枢神经系统炎症性疾病丙酸盐增加了肠道和脾脏中抗炎Tregs的频率,这伴随着临床症状的改善。

高纤维摄入量和增加的SCFA浓度也被证明可以保护中枢神经系统。值得注意的是,多发性硬化症患者可以从丙酸盐治疗中获益。短期丙酸盐治疗导致显着和持续的富集功能正常的Tregs,同时1型辅助细胞和Th17细胞同时消耗。此外,补充SCFA或高纤维摄入对类风湿性关节炎(一种关节慢性炎症性疾病)的预后有积极影响。丙酸酯可增加骨量,并且发现SCFA通过增加Treg的数量刺激骨形成。

06 SCFA与免疫系统相互作用

从机制上讲,SCFA可以影响不同的免疫细胞群。 例如,发现丙酸和丁酸处理后中性粒细胞产生的炎性细胞因子较少。丁酸还可以减少氧化应激和吞噬能力。

SCFA通过减少树突状细胞成熟并抑制CD4和CD8T细胞增殖来调节炎症过程。与乙酸盐相反,丁酸盐或丙酸盐通过HDAC(组蛋白脱乙酰基酶)抑制作用影响骨髓前体细胞的树突状细胞成熟。此外,丁酸可促使M1巨噬细胞分泌更少的炎性细胞因子,增加抗炎细胞因子IL-10的分泌。

SCFAs还引起人单核细胞和T细胞中抗炎标记的表达。 例如,丁酸抑制金黄色葡萄球菌刺激的人单核细胞中IL-12的产生并增强IL-10的分泌。

最近,研究证明了丙酸会降低Th17细胞分化的速率。还发现丁酸盐还通过Gpr43增加1型辅助细胞分化细胞中IL-10的分泌,由SCFA驱动的IL-10诱导激活STAT3(信号转导子和转录激活子3)和mTOR(雷帕霉素的机械靶标),从而上调转录因子B淋巴细胞诱导的表达成熟蛋白。

此外,SCFA最深入研究的特性之一是它们在诱导抗炎Treg中的作用。丁酸和丙酸可增加鼠和人Treg的分化并增强其抑制能力。除丁酸外,丙酸(而非乙酸)通过HDAC诱导外周新生Treg细胞形成。值得注意的是,Clostridia梭菌)是共生微生物的主要类别,它介导了诱导性结肠Tregs,这与Clostridium butyricum酪酸梭状芽胞杆菌)诱导Tregs并减少Th17细胞从而减轻实验性自身免疫的症状的发现是一致的

07 禁食:新的血压控制策略

越来越多的证据表明,禁食是控制代谢性疾病和炎性疾病的有效工具。热量限制会影响微生物组的基本原理令人兴奋。 然而,仍然缺乏关于人类的可靠数据。

一项研究关于10天定期禁食对15名健康男性的粪便微生物群的影响。禁食导致LachnospiraceaeRuminococcaceae菌减少。一项小型的人体试验研究表明,斋月禁食影响了健康受试者的微生物组,丰富了一些SCFA生产者

在一项临床研究中,35名代谢综合征患者接受了5天的禁食,然后进行了3周的DASH饮食,也被译为「得舒饮食」,字面意思是防止高血压的饮食方法饮食。

对照组仅接受DASH饮食。禁食后接着DASH饮食降低血压,需要抗高血压药物和干预后3个月的体重,并改变影响SCFA生产者的肠道微生物群。队列对血压反应性的分层显示,空腹组中存在的免疫细胞变化在血压反应者中比在无反应者中更明显。

此外,禁食组的免疫移位与DASH组观察到的变化根本不同。观察到干预后禁食组中血压响应者特异性微生物组的变化(F.prausnitzii,拟杆菌和厚壁菌的富集;放线菌的消耗)。值得注意的是,丁酸盐生产者F.prausnitzii的富集甚至在禁食后3个月仍然存在。血压反应者和无反应者不仅对禁食反应不同,而且在基线时的丙酸合成能力不同。

将机器学习算法应用于基线免疫组或16S微生物组数据,预测模型通过重新分析调查禁食和血压影响队列(Mesnage数据集)证实,队列中显着的长期血压下降预计准确率约为70%,进一步支持这些发现可能是普遍化的想法。重要的是要强调,上述研究建立了微生物组和血压之间的关联,以应对禁食。禁食对许多患者来说是一项艰巨的挑战。能够操纵负责响应禁食的血压变化的机制将具有高临床效用。

禁食是热量限制的一种极端形式,在不同的文化和宗教习俗中起着重要的作用。 大量的热量限制不仅影响宿主的健康和生理,还降低了血压。生活方式和饮食引起的微生物群及其代谢产物的扰动可直接影响上皮细胞和免疫细胞的稳态。但是我们对营养,微生物群和微生物产物,免疫系统与宿主健康或疾病之间的联系仍处于‘婴儿期’。

08

小鼠与人类的差异障碍和转化

宿主-微生物组相互作用对人类健康和疾病显然有影响。模型系统经常用于基础和临床前高血压研究,以研究疾病的发病机制和进展。小鼠和大鼠模型非常有用,可以提供人类队列研究无法获得的信息。然而,在模型系统中研究人-宿主-微生物组相互作用存在许多障碍。

差 异 

01 胃肠生理学和形态学有许多方面,这在人类和啮齿动物物种之间是截然不同的。盲肠可能是人类和啮齿动物不同物种形成的最明显的例子,以及小鼠结肠粘液层的薄度。

02 小鼠和人类对炎症应激物的基因组反应是明显不同的,这可能与宿主特异性或微生物组特异性特征或两者的组合有关。

03 居住在胃肠道的微生物在小鼠和人类之间通常也是不同的。人和小鼠只有约15%的细菌谱系。虽然它们在属或门的水平上可能具有可比性,但物种特异性变化通常在高血压中具有临床重要性。

04 已知在每个微生物进化枝内,成员物种之间共享功能特性的程度例如,厚壁菌作为进化枝特别代谢不一致,当考虑到普遍使用F/B比率作为生态失调的标志物时,这再次提出了一个问题。

05 由于人类微生物组随时间的相对稳定性,实验室小鼠在这方面与人类不同。

06 小鼠和人体免疫组成和建立不同,人类免疫系统的强劲发展,需要接触各种真菌,病毒,微生物等,而GF小鼠与人或大鼠微生物的定殖不会诱导免疫成熟,只有小鼠特异性微生物能够诱导完全的免疫能力。

07 啮齿动物模型的嗜食性已被认为对微生物组具有独特的影响,这可以通过使用单一住房策略来避免,尽管这会诱发小鼠的应激反应,增加一个额外的混杂因素。

许多研究人员试图通过使用人类微生物定殖小鼠或野外捕获的小鼠来规避物种比较问题。这提出了两个重要的挑战,应该加以考虑。

一,存在宿主与其微生物之间相互作用的相互排斥的问题。事实上,这种相互作用的重要性在最近的一项研究中得到了证实,该研究表明GF小鼠与人或大鼠微生物的定殖不会诱导免疫成熟,只有小鼠特异性微生物能够诱导完全的免疫能力。有几点差异在小鼠和人体免疫组成之间注意到,这可能与免疫微生物组轴有关,例如,与小鼠(10%–25%)相比,外周血中性粒细胞的比例约为人类的两倍(50%–70%)。此外,CD8+T细胞在成年人非淋巴组织中的分布远高于无特定病原体的小鼠,这可能对细胞内感染或癌症的进展有影响。

二,尽管野外捕获的小鼠比实验室培养的无特定病原体的小鼠更准确地概括人体生理,可能与临床试验结果的一致性更高,对疾病的抵抗力更强。但是在科研研究和临床上应用大规模野外捕获老鼠的可能性会受到限制。

因此,在未来动物研究中,整个领域的程序标准化,例如使用同窝对照和可能影响微生物组的条件的稳健记录是必不可少的。要注意笼养,用品和饮食等因素可能会对结果产生重大影响。此外,采样时间,地点也尽量一致。

值得注意的是除了不同胃肠道区域的空间动态外,从粘膜和管腔空间取样的微生物组在小鼠和人类中是独特的。由于胃肠道是免疫细胞极化和微生物产生的代谢物吸收的作用部位,许多人质疑粪便取样是否正确研究宿主-微生物组界面的途径。粪便代表该系统的排泄产物。

然而,粪便取样是检查微生物组的最常见和实际适用的方法,特别是对于需要非侵入性方法的纵向研究。粪便的收集无疑有助于我们理解宿主-微生物组的相互作用。尽管怀疑局部产生的微生物副产物的相关性是重要的,特别是影响代谢物对循环的摄取并影响胃肠免疫细胞的活性,但是该隔室的测量是不发达的。在间质液中的作用部位鉴定微生物产生的化合物的能力可能提供对宿主-微生物组动力学的不同观点。

总之,尽管在解释微生物组数据时需要谨慎,但是,高血压中微生物组-宿主界面的研究是一个有前途且正在迅猛加速的研究领域。随着各种技术的进一步发展,针对微生物组领域的以药理学和辅助诊断方式为中心的方案可能会在不久的将来出现。

相关阅读:

大样本人群揭示肠道菌群与血压之间的关系

肠道微生物群在冠心病中的作用

解密|肠道菌群与健康长寿

最新研究速递 | 肠道真菌与健康和疾病有关

参考文献:

Schluter J, Peled JU, Taylor BP, Markey KA, Smith M, Taur Y, Niehus R, Staffas A, Dai A, Fontana E, et al.. The gut microbiota is associated with immune cell dynamics in humans.Nature. 2020; 588:303–307.

Evangelou E, Warren HR, Mosen-Ansorena D, Mifsud B, Pazoki R, Gao H, Ntritsos G, Dimou N, Cabrera CP, Karaman I, et al.; Million Veteran Program. Genetic analysis of over 1 million people identifies 535 new loci associated with blood pressure traits.Nat Genet. 2018; 50:1412–1425.

Ellen G. Avery. CirculationResearch. The Gut Microbiome in Hypertension, Volume: 128, Issue: 7, Pages:934-950

Tierney BT, Yang Z, Luber JM, Beaudin M, Wibowo MC, Baek C, Mehlenbacher E, Patel CJ, Kostic AD. The landscape of genetic content in the gut and oral human microbiome.Cell Host Microbe. 2019; 26:283–295

Forslund K, Hildebrand F, Nielsen T, Falony G, Le Chatelier E, Sunagawa S, Prifti E, Vieira-Silva S, Gudmundsdottir V, Pedersen HK, et al.; MetaHIT Consortium. Disentangling type 2 diabetes and metformin treatment signatures in the human gut microbiota.Nature. 2015; 528:262–266.

Verger EO, Armstrong P, Nielsen T, Chakaroun R, Aron-Wisnewsky J, Gøbel RJ, Schütz T, Delaere F, Gausseres N, Clément K, et al.; MetaCardis Consortium. Dietary assessment in the metacardis study: development and relative validity of an online food frequency questionnaire.J Acad Nutr Diet. 2017; 117:878–888. 

饮食控制和维生素干预下肠道菌群的变化

谷禾健康

肥胖与许多疾病的风险增加有关,包括糖尿病、心血管疾病和癌症。越来越多的证据也表明肠道菌群失衡与疾病有关。通过调节肠道菌群或许能逆转或干预这些现象。

本期介绍两篇,分别以饮食控制维生素给予为变量,同时都研究了基线时和干预后肠道菌群的变化。又是新的思路,新的挑战。

第一篇文章研究了基线肠道菌群在饮食控制的前提下是否能预测减肥轨迹?

答案是可以的,研究结论表示作为节食前个人体重减轻轨迹的预测指标,基线肠道微生物的作用超过了其他因素

研究中对83名受试者(男47人,女36人,年龄20~45岁)进行了为期6个月的在营养师指导下的饮食干预计划。受试人群以以下标准排除:

(1)重大疾病;

(2)怀孕或哺乳;

(3)高血糖或低血糖;

(4)胃肠疾病;

(5)自身免疫性疾病;

(6)甲状腺疾病;

(7)在纳入前1个月内使用抗生素或激素;

(8)预计在研究过程中经常旅行。这也排除了服用上述条件下处方药物(如二甲双胍)的受试者。

按照中国人民解放军总医院营养科的医生设计的膳食计划,即碳水化合物含量为60%-65%,蛋白质含量为24%-26%,脂肪含量为12%-14%(能量百分比)。也包括400-500克蔬菜和100-200克低血糖指数水果,严格遵循饮食建议,卡路里控制在男性1200-1680千卡/天,女性1050-1470千卡/天。

如图,结合电子秤与智能手机应用程序,纵向收集饮食、体力活动、体重和粪便微生物组数据以及SNP基因型,然后整合成高维数据用于后续分析。对采集的粪便样本进行宏基因组鸟枪法测序,得到的序列数据进行物种注释及KEGG功能注释。

主要的结果论证

1. 饮食因素与体重变化之间的联系因个体不同而不同。

首先确定有哪些饮食因素与所有个体的体重下降有关。使用GLMMLASSO模型,结果如图,当coef为非零时被认为是显著的。发现,在所有受试者中,体重下降与卡路里摄入量(系数=-0.153)、膳食中大量营养素组成(脂肪,系数=-0.161;碳水化合物,系数=-0.055;蛋白质,系数=0.084;纤维,系数=0.1)、膳食微量营养素含量和体力活动之间的具有弱相关。

但是在个体间有很大差异。例如在受试者F00161中,纤维摄入量的增加与减肥之间存在正相关关系,而在F00147中,受试者的脂肪摄入量增加与体重减轻之间存在负相关关系。相反,尽管纤维或脂肪摄入量发生变化,F00203人仍然对体重变化不敏感(图G)。所以,即使是相似的膳食大量营养素,体重反应也是高度个性化的。蓝色,coef> 0;红色,coef< 0

2. 作为节食前减肥轨迹的预测指标,基线肠道菌群表现更好。

为了从饮食控制前的基线数据中建立预测体重下降的模型,开发了基于梯度增强回归的机器学习算法,并保留一个受试者进行交叉验证。为了识别除了饮食数据之外最相关的变量,这些模型分别在五组输入上进行了训练:

(1)膳食数据(包括卡路里摄入量、大量营养素组成、食物种类和饮食排序的前三个特征向量);

(2)膳食数据和肥胖相关SNPs;

(3)膳食数据和个人特征(年龄、性别和基线体重指数);

(4)膳食数据和基线肠道微生物群(包括细菌种类丰度和功能模块);

(5)膳食数据、个人特征、SNPs和基线肠道微生物群。

与不包含基线微生物群数据的模型相比,包含基线微生物群数据的模型的预测精度大大提高,而包括个人特征或肥胖相关的宿主基因组SNP对预测精度的贡献很小[(1)r=0.137;(2)r=0.073;(3)r=0.159;(4)r=0.523;(5)r=0.509]。因此,基线肠道菌群数据在预测6个月饮食控制计划期间体重变化方面优于其他因素(P <1e-14)。

之后,研究人员进行了更细致的模型训练,发现了对体重下降模型影响最大的几个物种:

在功能分析中,发现涉及赖氨酸生物合成(M00030)和多糖运输系统(M00216)的模块对预测模型的影响最大

以及其他影响不那么显著的变量:年龄增加对模型产生积极影响,而基线BMI则相反;增加维生素C、蛋白质和纤维的摄入量对模型产生积极影响,而增加碳水化合物、铁和硒的摄入量则相反;剩下的几种维生素和矿物质、蔬菜、油、米和面条的摄入量以及与肥胖相关的6个SNP的基因型也对该模型产生了微弱的影响。以上这些变量都是重要的因素,可能有助于或阻止普通人群在长期节食期间的减肥轨迹。

3. 饮食控制期间肠道菌群的组成变化是否会影响减肥轨迹。

研究发现许多参与者的肠道菌群组成发生了实质性的变化,0-3个月的微生物群的变化幅度与体重下降的程度呈正相关,有15个个体肠型被改变了,体重变化范围从20公斤到+7公斤。这两个时间段都是一致的。这一发现表明,在饮食控制计划中,饮食和肠道菌群之间存在着持续的相互作用。如图:

同时使用随机森林算法,基于相对于基线的种水平物种变化来预测体重下降,预测精度R=0.271,发现R. gnavus (MGS0160), Bacteroides massiliensis (MGS1424)和Bacteroides finegoldii (MGS0729)这三个物种在模型中贡献度最大。

继续统计了一些在肥胖个体中丰富或减少的物种和功能以及那些与体重变化共同变化的细菌种类。其中,粪球菌属Coprococcus sp. (MGS0232)、Holdemanellabiformis (MGS1464)、Solobacterium moorei (MGS0945)、活泼瘤胃球菌R. gnavus (MGS0160)和Clostridium (MGS0558) 在肥胖个体中显著富集,且它们的减少与体重下降显著相关;Coprobacter (MGS1138)、Bacteroides intestinalis (MGS0117和MGS1302)、阿克曼菌Akkermansia muciniphila (MGS0120)、Alistipes obesi (MGS0342)和坦纳菌属Tannerella sp. (MGS0276)在瘦人个体中显著富集,且其在饮食控制过程中的增加与体重下降显著相关;在瘦人个体中,编码脂肪酸生物合成(M00085)的基因在基线时显著富集,且其增加与体重减轻相关。如下图:

这些结果表明可以基于基线肠道菌群组成和饮食数据建立个性化的体重预测模型。我们可以利用肠道菌群的分布做个性化的饮食推荐,以此调节体重,进而促进宿主健康。文章中发现的R. gnavus (MGS0160)、B. massiliensis(MGS1424)和B. finegoldii (MGS0729)这三种物种与体重下降显著相关,它们的减少有利于体重下降。这可以记一下,要是有机会做肠道菌群检测,可以参考参考。

第二篇文章,主要研究对结肠靶向给维生素对人体肠道菌群的组成和代谢活性的影响。通过人类临床研究和体外的批量发酵实验,结合评估屏障和免疫功能的细胞模型,研究了结肠输送的维生素A、B2、C、D和E对肠道菌群的影响。大家都比较熟知益生元或一些益生元成分如低聚果糖(FOS)、低聚半乳糖(GOS)和菊粉对肠道的影响。

最近一篇使用高剂量维生素或结肠靶向配方的干预研究表示,维生素会影响肠道菌群。补充100 mg核黄素14d可以增加健康受试者每克粪便中丁酸产生菌(Faecalibacterium prausnitziiRoseburia)的数量,并减少炎症性肠病(IBD)患者的肠杆菌科细菌数量

临床研究

一共96名健康志愿者参与了这项研究,其中12人分成6组不同的维生素组(维生素A、维生素B2、维生素C、维生素B2+C、维生素D3和维生素E),安慰剂组有24人参与。

排除标准如下:严重急性或慢性疾病;吸烟;怀孕;在过去3个月内使用抗生素;药物和/或酒精滥用史(每天2份以上);过去3个月的主要饮食变化;饮食障碍;素食或纯素食;灌肠;膳食补充剂,包括基线访问前4周内和干预期间的益生元、益生菌或富含纤维的补充剂;高纤维饮食(即>30克);治疗活动性胃肠道疾病的慢性药物(除非该产品在筛查前服用至少2个月,并在整个研究期间保持相同的剂量);最近排便习惯的改变(<3个月);以及腹痛。

所有受试者在为期4周的时间里每天服用维生素补充剂或安慰剂,一共三次数据采集:筛查,基线(筛查后1周),基线后4周。每次都采集空腹静脉血样本,填写问卷,并在基线时和干预4周后,从每个受试者身上收集两份粪便样本。用于获知粪便微生物组成、粪便短链脂肪酸水平、粪便氨含量、血浆和粪便维生素B2浓度、粪便氧化还原和pH值、生活质量和胃肠道症状问卷等信息。

对肠道菌群组成分析,比较了结肠注射维生素干预前后的多样性指数。

结果表明,与基线组(p=0.042)和安慰剂组(p=0.012)相比,维生素C在第四周显著提高了肠道微生物群落的均匀性。此外,与基线相比,维生素B2显著增加了观察到的物种数量(p=0.023)。

Bray-Curtis距离的置换多变量方差分析(PERMANOVA)表明,肠道微生物beta多样性的总体变化在组间或组内与基线相比没有显著差异。

不同的维生素引起组内以及治疗组和安慰剂组在门、科、属和种水平上肠道微生物组成的变化。

门水平:维生素B2+C导致变形杆菌显著减少(p=.021),与基线相比菌落数量增加和拟杆菌数量减少。此外,服用维生素D后,与基线相比,拟杆菌有减少的趋势(p=.052),与安慰剂相比有显著差异(p=.038)。最后,与安慰剂相比,维生素D和维生素A显著增加了放线杆菌的数量(p=.033和p=.041)。

通过测量粪便中的SCFA浓度来评估肠道微生物群的代谢活性(下图)。

我们发现,与基线相比,维生素C显著增加了总SCFA(p=.025)、丙酸(p=.007)和丁酸(p=.006)浓度。与安慰剂相比,这些效果也很明显(分别为p=.041,p=.010和p=.020)。与安慰剂相比,服用维生素C对粪便pH值的降低更明显,但是,两组之间没有显著差异。

在服用维生素C后,粪便氧化还原电位降低,而服用安慰剂后,粪便氧化还原电位升高;然而,两组间也没有显著差异。最后为了确认维生素是否被输送到结肠,测量了干预前后粪便和血浆中维生素B2的浓度,并与安慰剂进行了比较。与基线(p=0.06)和安慰剂(p=0.05)相比,粪便中的维生素B2增加了。但是,这对血浆维生素B2浓度没有显著影响。

体外研究:

对3名粪便样本供体(男性,26岁;女性,35岁;女性,29岁)进行了短期结肠发酵实验,选出一名SCFA产量平衡的供体进入最终发酵实验。在发酵前(0h)和发酵后(48h)分别从每个发酵瓶采集出水样品,用0.22µm滤器过滤灭菌。样品用来分析粪便微生物组成、微生物体外代谢活性、Caco-2和HT29-MTX-E12细胞培养及屏障功能、HT29细胞培养和免疫功能。

加权UniFrac距离的主坐标分析(PCoA)显示发酵前(0h)和发酵后(24h)样品之间的分离,表明发酵随时间的影响(图a)。大多数维生素处理24 h的微生物群与24 h对照样品聚集在一起,表明维生素和对照样品之间的beta多样性没有变化。

然而,经维生素E(1x和5x)、维生素C(0.2x和5x)、维生素D(1x)和维生素B2+C(5x)处理24h的样品与对照样品明显分离,表明维生素处理对发酵过程中微生物群落的组成有一定的影响。此外,添加不同浓度的维生素C、E、B2+C、B2、A和叶酸,与24小时的对照相比,观察到的物种数量增加,表明α多样性有影响

同时,经维生素处理后,所有分类水平都有了些许变化,在门水平上变化最明显的是放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)Verrucomicrobia的增加以及拟杆菌门(Bacteroidetes)的减少,特别是维生素E、B2、B2 + C和C的添加。

在属水平上,除维生素B2以外,所有维生素都使Roseburia增加,而维生素C、B2、B2 + C、D和E增加了AkkermansiaBifidobacteriumFaecalibacterium的相对丰度。

与对照相比,大多数维生素对SCFA的产生有明显的影响。维生素A处理的总SCFA浓度最高(0.2倍),而所有浓度的叶酸都持续增加总SCFA浓度。乳酸浓度、产气量和pH值为体外发酵系统的代谢活性提供了额外的衡量标准。在添加维生素C(1x和5x)和维生素E(5x)后,pH、产气量和乳酸积累量显著降低。

当HT29细胞与经维生素处理的微生物群的发酵样品孵育时,观察到IL8-CXCL8的分泌发生了变化。在所有浓度的维生素E中,IL8-CXCL8(956.67 pg/mL、1010.00 pg/mL、1544.00 pg/mL)与对照组(590.00 pg/mL)相比有轻微但一致的上调(p<0.05)。使用细胞肠道模型研究维生素C和维生素E对肠道屏障完整性的影响,发现在发酵之前,大多数维生素以剂量依赖的方式增加TEER。

此外,在发酵后用对照(水)上清液处理的细胞中,TEER显著增加,这一效果在所有实验中都是一致的(文章中只显示维生素C和E;其他维生素未显示)。橙色,发酵前;蓝色,发酵后。

这只是一项初步研究,文章中的研究人员也提到了有些许不足需要进一步验证的地方。但是这些图表数据也实打实的给出了一些结果。

经结肠传递的维生素对人体肠道菌群和相关代谢活动起了调节作用,根据在人体和体外观察到的效果,维生素C、B2和D似乎是被测试的维生素中影响最显著的。

在人类中,维生素C的效果最为明显,与安慰剂相比,维生素C显著增加了微生物α多样性和粪便SCFA

在肠道菌群领域研究的科研人员从未停止脚步,如果肠道菌群是通往健康的其中一把钥匙,那么在大家的打磨之下,终将可以打开更加精准的个体化医疗技术大门。

参考文献:

Jie Zhuye,Yu Xinlei,Liu Yinghua et al.The Baseline Gut Microbiota Directs Dieting-Induced Weight LossTrajectories.[J] .Gastroenterology, 2021.

Pham Van T,Fehlbaum Sophie,SeifertNicole et al. Effects of colon-targeted vitamins on the composition and metabolicactivity of the human gut microbiome- a pilot study.[J] .Gut Microbes, 2021,13: 1-20.

相关阅读:

维生素D与肠道菌群的互作

深度解析 | 炎症,肠道菌群以及抗炎饮食

你吃的膳食纤维对你有帮助吗

饮食与肠道菌群-唇齿相依

12