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个体肠道菌群是精准营养干预代谢健康成功的基础

谷禾健康

现状

全球肥胖患病率的上升是一个主要的社会经济负担,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。

尽管人们努力改善生活方式选择,提高对潜在病因的认识,但在预防和治疗肥胖方面的长期成功似乎有限,因为饮食诱导的体重减轻在5年随访后仅维持约25%

近年来,在了解肠道微生物群作为宿主能量和底物代谢调节器参与肥胖和相关心脏代谢并发症方面取得了进展。因此,通过肠道微生物群靶向宿主代谢可能是饮食干预减轻体重的一项重要策略。

过去十年中,关于肠道微生物组对宿主代谢影响的研究数量呈指数增长,研究的数量和质量都在迅速发展,这些研究表明,基线微生物组成可以预测包括肥胖在内的代谢综合征。然而,研究同时表明微生物群组成的调节不可能会在所有条件下对人体代谢产生重要积极的影响,而这种影响取决于个体的特征,例如年龄、习惯性饮食、代谢表型和基线肠道微生物谱。

肠道微生物群的组成由可遗传、人口统计和环境因素决定,包括出生时的分娩方式、年龄、性别、胃肠道转运时间和药物使用。但是诸多因素中,饮食已成为塑造和定义肠道微生物组的关键因素。

饮食尤其是膳食纤维等引起的肠道微生物群组成和功能变化与肥胖和相关疾病的发展有关。这些研究结果发现肠道微生物群的个体间差异可以作为对抗肥胖代谢疾病的更精确饮食方法的基础。

本文将介绍有关饮食成分、肠道微生物组和宿主代谢之间相互作用的知识和研究成果,以及如何整合这些知识来制定基于精确的营养策略,以改善人类的体重控制和代谢健康

肠道微生物组和宿主代谢表型

01

肥胖和II型糖尿病中的肠道微生物组成

厚壁菌/拟杆菌门

肠道微生物群影响免疫功能和上皮完整性、能量和底物代谢以及葡萄糖稳态。初步研究表明,与瘦个体相比,肥胖的人类和啮齿动物的厚壁菌门与拟杆菌门的比例增加,但也有个别研究未能观察到这种差异,甚至报告了比例下降。

多样性和微生物基因丰富度

在代谢健康与不健康个体的比较中,代谢不健康组的α多样性较低。而且重度肥胖症患者的低微生物基因丰富度比例高达75%,而瘦或超重/中度肥胖症患者的低微生物基因丰富度比例为23%-40%。

(小编推测可能是由于中重度肥胖人群其饮食比较丰富且量大,微生物不需要太多多余的基因就可以代谢获得生存繁殖的食物,而较瘦的个体食物不太丰富,那么菌需要更多的基因才获取生存的食物和繁殖生存)

具体菌属

具体而言,颤螺菌属(Oscillospira)和 红蝽菌科(Coriobacteriaceae)的细菌与良好的代谢健康相关。 在一项包含正常体重和超重/肥胖人群的研究人群中,特定菌属的丰度与代谢特征相关。 例如,产气柯林氏菌、Dorea formicigenans 和 Dorea longicatena 在超重/肥胖人群中的丰度更高

Akkermansia属的细菌是最有说服力的证据,它与患肥胖症和代谢综合征的风险呈负相关。在超重/肥胖患者中,为期 3 个月的 Akkermansia muciniphila 补充剂可改善胰岛素敏感性并降低肝功能障碍和炎症的血液标志物。

基线菌属

另一项研究表明,在瘦肉型个体中,嗜粘菌A.muciniphilaAlistipes obesi显著富集,而在肥胖型个体中,Ruminococcus gnavus显著富集。该研究还确定,当在基线检查时高丰度存在的菌,如Blautia wexlerae 和 Bacteroides dorei 减肥前以高丰度存在时将有助于减肥。此外,基线普雷沃菌属 Prevotella)普氏菌丰度可以预测肥胖人群在膳食纤维干预减肥中是否可以成功

此外,与健康个体相比,II型糖尿病患者和代谢受损个体表现出微生物功能改变和发酵能力降低,尤其是产丁酸盐细菌丰度较低的个体。此外,胰岛素抵抗个体的肠道微生物组可能具有增加的生物合成潜力,并减少了支链氨基酸(BCAA,主要由Prevotella copri,B. vulgatus驱动)的吸收和分解代谢,这与有害代谢效果有关。

总之,代谢受损个体的微生物基因丰富度和多样性降低。肠道微生物群组成和功能的个体差异与饮食干预的反应变化有关

02

饮食、大量营养素和微生物概况

在当前的西方世界,习惯性饮食结构已转向高能量密集型食物,包括相对较高的饱和脂肪简单碳水化合物含量,以及较低的膳食纤维含量。尤其是膳食纤维的消耗,以及大量营养素的质量和消耗量都会强烈影响肠道微生物群的组成和功能。基于人群的宏基因组分析揭示了微生物组成和多样性与60多种饮食因素的习惯饮食之间的关联。这些因素包括能量和大量营养素的摄入,以及面包和软饮料等特定食品的消耗。这些数据证实了饮食对塑造肠道微生物群的重要性。

饮食塑造肠型

在一项纵向单卵双生子研究中,粪便微生物群分析表明,能量的习惯性摄入、不饱和脂肪酸(FA)的类型和可溶性纤维会影响微生物群的组成,尤其是拟杆菌属和双歧杆菌的丰度。微生物肠道类型与长期习惯性饮食密切相关,尤其是蛋白质和动物脂肪(拟杆菌属)与碳水化合物摄入(普雷沃氏菌属)相比。

与此一致,长期坚持地中海饮食与特定分类群以及肠道微生物谱的功能有关。肠道微生物组的组成是地中海饮食与心脏代谢疾病风险之间保护性关联的调节因素。当比较习惯性高脂肪饮食和高碳水化合物饮食时,高脂肪饮食的微生物多样性似乎较低。此外,与高(饱和)脂肪饮食和高碳水化合物/纤维饮食相比,微生物多样性似乎更低。这种饮食诱导的失调被认为是肥胖症代谢障碍的诱因。

饮食干预菌群变化较快,但是整齐菌群结构稳定

虽然主要在动物模型中得到证实,但数量有限的人体研究表明,饮食干预引起的微生物组成和功能改变可能已经在饮食摄入改变后的几周甚至几天内发生。在人类中,在严格转向完全以植物或动物为基础的饮食后,发现了适度的微生物变化。这些相当极端的饮食干预形式提供了对饮食-肠道微生物组相互作用的潜在机制的见解,并表明饮食干预引起的微生物变化可能会非常迅速地发生

与此一致,一项小型控制喂养研究显示,在开始高脂肪/低纤维或低脂肪/高纤维饮食后 24 小时内微生物组组成发生了变化尽管在整个为期 10 天的研究中肠型特征保持稳定。这些研究结果表明,成年人存在微生物复原力的趋势,这可能与长期习惯性饮食摄入有关。然而,由于缺乏对肠型动力学和复原力的理解,细菌肠型的概念受到了其他几项研究的质疑。

一项为期 1 年的干预研究比较了限制能量的地中海饮食和增加体力活动与等热量地中海饮食对超重/肥胖成年人的影响,结果显示两组之间肠道菌群组成的变化存在显著差异。尽管如此,两种饮食的微生物转移趋势是相同的。这表明饮食模式对于肠道微生物的整齐迁移起关键作用。

饮食与肠道和宿主代谢中的糖酵解和蛋白水解发酵之间的相互作用

Jardon KM et al., Gut. 2022

膳食纤维的发酵主要发生在近端结肠并产生 SCFA,既可以用作肠细胞的燃料,也可以充当外周信号分子。SCFA 通过影响 GLP-1 和 PYY 的分泌,参与集中调节食物摄入和能量消耗

蛋白质发酵主要发生在远端结肠并产生更多样化的代谢物,包括与肠道和代谢健康有害影响的 BCFA

绿框表示 SCFAs 对周围器官代谢过程的影响。

蓝色边框表示蛋白水解发酵产物的相反方向位点方向(虚线)或未知方向(无线)的影响。

BCFA,支链脂肪酸;FA,脂肪酸;GLP-1,胰高血糖素样肽 1;PYY,肽YY;SCFA,短链脂肪酸;TMAO,三甲胺 N-氧化物。

膳食碳水化合物代谢、微生物组成和代谢健康

成人肠道微生物组的塑造在生命早期就已经开始,这取决于诸如暴露于母体微生物组、分娩方式和早期暴露于膳食成分等因素。在所有生命阶段影响肠道微生物群组成和功能的众多因素中,饮食是调节特定细菌种类及其功能的丰度的关键。反之亦然,个人对某种饮食或饮食成分的反应可能在很大程度上受肠道微生物群特征的影响。

01

微生物组和糖酵解发酵

肠道微生物群能够发酵宿主无法获得的食物成分。小肠中不能被酶分解的膳食纤维和其他复杂碳水化合物可以(部分)被大肠中的细菌发酵,这一般是细菌作为首选能源,发酵后产生微生物产品,如短链脂肪酸(主要是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐)。

主要的产丁酸菌属于厚壁菌门,尤其是:

Faecalibacterium prausnitziiClostridium leptumEubacterium rectale 、Roseburia.

其他短链脂肪酸的产生由双歧杆菌等细菌介导,双歧杆菌在碳水化合物发酵过程中产生乙酸盐和乳酸。此外,A. muciniphila 物种同时产生丙酸盐和乙酸盐。

稳定同位素技术与13 C标记的短链脂肪酸可根据呼吸、尿液和血液分析对体内结肠产生的短链脂肪酸进行量化。短链脂肪酸主要在结肠中形成,其中约95%随后被吸收。

短链脂肪酸的作用

丁酸盐主要用作结肠细胞的主要能量来源,而丙酸盐和乙酸盐则通过门静脉进入肝脏。特别是,乙酸盐在进入体循环后也能到达外周组织,引起多种代谢和饱腹感相关效应

短链脂肪酸可与G蛋白偶联受体(GPRs)结合。研究最好的受体包括GPR41、GPR43、GPR109a和GPR164,它们在大量细胞中表达,包括结肠上皮、胰腺β细胞、免疫细胞和周围组织,如脂肪组织

短链脂肪酸对外周组织的影响包括脂肪生成、抑制脂肪组织脂肪分解(尤其是通过乙酸盐)和减轻脂肪细胞炎症、骨骼肌脂质氧化能力增加、胰腺胰岛素分泌和β细胞功能增加,肝脏的胰岛素敏感性和脂质氧化增加并改变肠-脑相互作用。但是注意这些数据主要来自体外和啮齿动物研究。

短链脂肪酸减脂(人类研究)

在人类研究中发现,长期结肠丙酸盐输送可防止体重增加减少腹部肥胖和肝细胞内脂质含量,并防止超重成年人胰岛素敏感性的恶化。与这些发现一致,人体内数据表明,在超重或肥胖的成年人中,饮食诱导微生物短链脂肪酸产生变化或直接结肠短链脂肪酸输注后,空腹脂质氧化和静息能量消耗增加

02

膳食纤维与代谢健康

碳水化合物的消化是一个复杂的过程,涉及摄入的碳水化合物类型的特定酶。大多数可消化的膳食碳水化合物在小肠中被消化和吸收,而某些不可消化的碳水化合物,包括抗性淀粉和膳食纤维,很容易被结肠中含量最高的肠道微生物发酵。

膳食纤维对肠道菌群的有益影响

膳食纤维已被证明对与健康益处相关的肠道微生物群的组成和功能具有显著影响。这些因膳食纤维的结构、物理和化学特性可能会有所不同,例如水溶性、粘度、粘合和膨胀能力以及发酵性。高度可发酵的纤维,如 β-葡聚糖、菊粉和低聚半乳糖,在对微生物群组成和肠道代谢物产生的影响方面得到了很好的定义,而不溶性纤维虽然部分发酵,但大多数人都知道它们对粪便的有益作用一致性和结肠传输时间。

摄入高纤维饮食有益地影响宿主的健康,其中包括影响葡萄糖和脂质代谢。重要的机制包括调节营养吸收或产生短链脂肪酸,但有关膳食纤维对健康影响的数据存在争议。

对于膳食纤维研究中不一致发现的解释:

  • 需考虑膳食纤维多样化

首先,在大多数人体研究中,只补充了一种特定的可发酵纤维,因此只刺激了一种或几种个体(潜在有益的)细菌属。后者的后果可能是其他必需细菌或核心菌属的丰度减少,这可能导致微生物生态系统的不平衡。因此,合刺激多种不同细菌属的不同纤维可能对维持微生物丰富度以及对免疫状态和代谢健康产生更显著的(相加或协同)影响很重要,所以多样化膳食纤维和饮食摄入对于健康益处的微生物调节更有用。

有趣的是,一项研究表明,结肠中产生短链脂肪酸的部位可能是代谢健康的决定因素。急性远端结肠乙酸盐给药增加了超重男性的循环乙酸盐浓度,增加了脂肪氧化和刺激饱腹感激素 PYY,并降低了血浆肿瘤坏死因子-α。与远端输注相比,近端结肠中的乙酸盐给药不影响代谢特征。因此,通过结合不同的膳食纤维和/或更复杂的膳食纤维,针对远端结肠中微生物物种的膳食纤维可用性和短链脂肪酸形成,可能是改善免疫和代谢健康的有前景的策略

TIPs

短链脂肪酸在一定范围内是越高越好,但是超过一定范围,也会产生害处。例如,高纤维饮食增加丁酸盐,诱导Stx受体球形三酰神经酰胺表达从而促进致病大肠杆菌定植。

此外,有益的短链脂肪酸一般需要通过结肠部位的菌群发酵产生,如果外源性的补充摄入,例如,丙酸盐有助于防止食物上霉菌,被广泛使用于烘焙食物、动物饲料和人造调味品中。如果长期摄入过量含有丙酸盐的食物,可能会增加人类患糖尿病和肥胖症的风险。

  • 需考虑基线微生物组或代谢表型

其次,到目前为止,大多数膳食纤维干预研究都没有考虑基线微生物组或代谢表型。基线肠道微生物组的特征可能与饮食干预结果密切相关。例如,已经表明肠道微生物群对膳食纤维(抗性淀粉与非淀粉多糖)的反应可以根据肥胖男性的基线微生物多样性来预测。高微生物多样性与微生物群的较低膳食反应性相关,这可能支持肠道微生物的更高多样性与微生物生态系统的稳定性有关的假设

与此一致,与基因计数低的个体相比,基线时的高微生物基因计数与对减肥饮食的不太明显的反应有关。在低基因计数组中,基因丰富度和临床参数有所改善,尽管在基因丰富度低的个体中炎症标志物的变化不太明显。

一项针对肥胖个体的研究表明,不是基线微生物多样性而是厚壁菌门的基线丰度预测了个体微生物群的饮食反应。总之,这些发现表明微生物多样性并不总是饮食反应性的预测指标,这意味着需要进一步研究以更好地了解复杂的饮食-微生物组-宿主代谢相互作用。

  • 习惯性饮食和纤维摄入量

作为对菊粉型果聚糖益生元的反应,具有高习惯性膳食纤维摄入量的健康个体的肠道菌群组成发生了更大的变化,而习惯性纤维摄入量低的人肠道菌群似乎更能适应变化。在II型糖尿病患者中进行的一项研究表明,膳食纤维促进了一组精选的产生短链脂肪酸的菌株,而许多其他微生物,包括蛋白水解发酵中的微生物,要么减少要么不变,表明微生物基因丰富度总体下降。粪便短链脂肪酸增加,尤其是丁酸盐,伴随着葡萄糖稳态的改善。因此,如几项人类纤维膳食干预研究所示,更高的微生物基因丰富度本身可能无益,但生理结果可能更依赖于微生物网络的功能

在一项调查 6 周全麦饮食对体重变化影响的研究中,普雷沃氏菌属高基线丰度与超重、健康成年人的体重减轻程度较高相关。这些发现表明,作为对特定饮食干预的反应,肠道微生物群的影响调节剂具有预测能力。

此外,发现超重前驱糖尿病个体与瘦个体相比,对短期施用长链菊粉抗性淀粉的微生物多样性和餐后胰岛素敏感性的变化的反应降低。与此一致,最近的研究表明,基线肠道微生物特征可以预测补充 3 个月长链菊粉后 BMI 的变化,这种效应在不同个体的粪便微生物群定植的小鼠中得到了复制。

有趣的是,可溶性菊粉纤维已被证明可以降低空腹血糖受损人群的胰岛素抵抗,但不能降低葡萄糖耐量受损的人群。鉴于空腹血糖受损与肝脏胰岛素抗性密切相关的发现,后一发现可能表明纤维 – 肠道微生物群 – 宿主代谢串扰中的组织特异性

总体而言,益生元膳食纤维对代谢健康结果的有效性可能取决于几个参数,包括基线微生物组成以及微生物发酵的部位

膳食蛋白质代谢、微生物组成和代谢健康

01

微生物组和蛋白质水解代谢

低膳食纤维的西方饮食人群中,结肠远端的微生物群更擅长于利用剩余肽和蛋白质的发酵,因为首选的燃料,可发酵碳水化合物,已经在近端结肠中被人体大量使用。这种蛋白水解发酵过程的产物包括气体产物,如氢、甲烷、二氧化碳和硫化氢;BCFAs异丁酸酯、2-甲基丁酸酯和异戊酸酯(源自BCAAs发酵)、酚类和吲哚类化合物(源自芳香族氨基酸微生物发酵)以及较小的、未知的短链脂肪酸。

与糖解发酵产物相比,大多数蛋白水解发酵产物被认为对宿主肠道和代谢健康有害,尽管一些动物数据表明吲哚和硫化氢对肠道和外周组织功能有益。

例如,一些只能由肠道细菌(吲哚)或哺乳动物宿主(酪胺、色胺和短链脂肪酸)产生的氨基酸衍生化合物通过影响GLP-1和肠内分泌细胞血清素的分泌,直接影响哺乳动物的饱腹感和肠道运动

然而,大多数这些化合物对宿主肠道和周围组织的生理作用仍不清楚。许多此类化合物的人类来源细菌来源之间的区别尚未完全确定,需要进一步的体内研究来验证此类效应。

结肠中糖酵解蛋白水解发酵之间的平衡,以及对宿主生理的假定有益有害调节之间的平衡,可能对制定饮食干预策略很有意义

一些研究表明,增加膳食纤维的摄入量,特别是缓慢发酵纤维的摄入量,会减少肠道微生物群仅产生有害的蛋白水解代谢物,使得整体发酵平衡向更有益的糖酵解发酵转变

02

膳食蛋白质和微生物群组成

摄入的膳食蛋白质首先在小肠中胰酶和来自肠细胞的肽酶消化。然后,大量的寡肽和氨基酸通过肠细胞转运蛋白被转运到门静脉血流中,在那里它们被用作蛋白质合成的氨基酸前体或被代谢为燃料或肠粘膜代谢物必需的前体

由于远端小肠和近端结肠中的大多数细菌优先使用可发酵碳水化合物而不是蛋白质,因此大多数氨基酸作为能量来源的发酵发生在碳水化合物被耗尽的远端结肠

摄入的蛋白质到达大肠的百分比也可能取决于蛋白质质量,估计约为 10%。由于植物的细胞壁不易消化,源自植物的蛋白质消化率较低,而源自动物的蛋白质更容易在大肠中消化,这表明功能结果存在潜在差异

酪蛋白是一种从动物产品中提取的相对缓慢消化的蛋白质,是防止高脂肪/高蛋白饮食小鼠体重增加和脂肪量增加的最有效蛋白质来源。

蛋白水解和糖酵解发酵之间的平衡可能决定对生活方式干预的反应情况,因此应在未来的研究中加以考虑。

流行病学研究还表明,摄入乳制品素食蛋白质来源与预防肥胖有关,而大量摄入肉类(尤其是红肉)则预示着体重增加会更高。

尽管研究较少,但蛋白质摄入已被证明会影响微生物群的组成和功能。效果取决于蛋白质的氨基酸组成和消化率,而蛋白质的来源和摄入量会影响它们。

蛋白质摄入影响微生物组成

在大鼠研究中,高蛋白饮食与C. coccoides, C. leptum, F. prausnitzii 减少有关,而超重或肥胖雄性Roseburia, E. rectale, C. aerofaciens, Bacteroides, Oscillibacter 减少

值得注意的是,以等热量的方式比较高脂肪/高蛋白饮食中等蛋白质或低蛋白质饮食导致饮食之间碳水化合物或脂肪含量差异。因此,对于所有的等热量膳食宏量营养素交换研究,很难确定导致肠道微生物群组成变化的主要膳食因素,这可能归因于一种(宏量)营养素的增加或另一种营养素的减少。

膳食脂肪与多酚、微生物组成和代谢健康

膳食脂肪已被广泛研究与饮食相关的代谢疾病(如肥胖)相关,但其对人类肠道微生物群的影响尚不明确,而且研究通常会得出相反的结果。

01

膳食脂肪影响微生物群组成

不同类型的脂肪酸(饱和、单不饱和、多不饱和脂肪酸)、碳链长度饱和度可能对肠道微生物群组成有明显影响

横断面研究表明,食用富含动物蛋白和脂肪的饮食与拟杆菌属肠型有关,而高纤维、水果和蔬菜的摄入与健康成年人的普氏菌肠型有关。

此外,主要饱和脂肪酸(SFA)的高摄入量与成人和婴儿肠道微生物丰富度和多样性的降低有关。在超重和肥胖人群中, 主要饱和脂肪酸与肠单胞菌属呈负相关,而主要饱和脂肪酸与Roseburia正相关,后者在体重正常的个体中也非常丰富。在这项研究中,根据 BMI习惯性 主要饱和脂肪酸摄入量产丁酸菌表现出相反的关联特征。

总体而言,应该注意的是,与膳食纤维相比,膳食脂肪-微生物组-宿主生理学相互作用的研究较少,而且其机理知识主要基于动物研究。根据人类生理学比较难解释这些发现,应进一步研究。

02

多酚对微生物群组成和代谢的影响

多酚主要作为酚类化合物存在于水果和蔬菜中,以其作为抗氧化、抗炎、心脏保护、癌症预防和神经保护剂有益作用而闻名。

补充天然存在于茶中的表没食子儿茶素-3-没食子酸酯(epigallocatechin-3-gallate) 2个月,对肥胖小鼠胆汁酸代谢疣微菌科Verrucomicrobiaceae丰度均有影响促进A. muciniphila丰度的增加。在其他研究中,后者与有益的代谢作用有关。

此外,虽然也在动物模型中,但 8 周的多酚补充剂防止饮食引起的肥胖和肠道炎症,这与Akkermansia的丰度增加有关。在健康、超重或肥胖的个体中,12 周的白藜芦醇和表没食子儿茶素-3-没食子酸酯联合补充剂改善了男性的代谢参数并减少了拟杆菌门,但女性没有。

以上两项研究都表明存在性别特异性微生物反应,在评估干预反应时应考虑这一点。

总体而言,在饮食中添加膳食多酚似乎可以促进肠道和代谢健康,尽管仍然需要对人体研究的机制见解。

迈向精准营养:结论和未来展望

基于微生物组的精准营养预测代谢健康参数,如血糖反应和变异性,或用于抵消代谢紊乱,目前已受到很大关注。

该领域的一项具有里程碑意义的研究表明,尽管餐后血糖反应的人际差异很大,但在机器学习算法的帮助下创建的个性化饮食(基于习惯性饮食、身体活动和肠道微生物群)可能会成功降低血糖反应和不良代谢健康,还有助于减肥

研究测试在对不同类型面包的血糖反应中发现了显著的人际差异,并且这种血糖反应可以通过基线微生物组特征来预测。值得注意的是,这些研究主要基于他们对急性膳食挑战和短期干预的反应,而不是长期干预反应。

肠道微生物组的预测能力正变得越来越明显,特别是在检查纤维和粪便微生物群移植效果的研究中。在长期的肠道菌群检测经验实践中也证实,基线微生物特征是对饮食干预(例如,膳食纤维或复合蛋白质)的反应性的有趣生物标志物,也是个性化健康管理的应该纳入的指标基础

微生物组-宿主代谢轴可能对胰岛素抵抗患者的饮食干预存在抗性,这表明干预可能需要更长的时间,或者需要摄入的功能性膳食成分(如膳食纤维)来诱导有益的效果。特定功能微生物群的特点是对膳食成分的不同消化能力,导致微生物代谢物(如 短链脂肪酸)的不同产生,随后影响宿主代谢的调节

总的来说,在评估饮食模式和常量营养素组成不同的饮食时,重要的是要同时考虑饮食成分的数量和质量,由于与宿主的微生物和代谢表型的不同相互作用,在整体饮食方法中要考虑到微量营养素和生物活性成分,如多酚。

对饮食干预的反应不仅取决于肠道微生物群的特征,还取决于饮食生活方式环境因素以及代谢表型等临床特征之间复杂的多因素相互作用

Jardon KM, et al., Gut. 2022

为了将基于精确的策略转化为医疗保健实践或指南,我们需要彻底了解为什么人们对饮食的反应不同,差异反应和相关表型是否长期保持,以及开发的算法在多大程度上是可重复的。

在饮食干预研究中通过最先进的方法进行详细的微生物和代谢表型分析至关重要。显然,鉴于复杂性,除了生活方式和环境因素的详细信息外,还需要详细的信息,包括出生方式、病史、药物使用情况(尤其是抗生素)、身体活动、心理压力和睡眠质量等。这也意味着需要先进的统计和建模方法来梳理不同因素的重要性。

主要参考文献:

Jardon KM, Canfora EE, Goossens GH, Blaak EE. Dietary macronutrients and the gut microbiome: a precision nutrition approach to improve cardiometabolic health. Gut. 2022 Feb 8:gutjnl-2020-323715. doi: 10.1136/gutjnl-2020-323715. Epub ahead of print. PMID: 35135841.

Agus A, Clément K, Sokol H. Gut microbiota-derived metabolites as central regulators in metabolic disorders. Gut. 2021 Jun;70(6):1174-1182. doi: 10.1136/gutjnl-2020-323071. Epub 2020 Dec 3. PMID: 33272977; PMCID: PMC8108286.

Jie Zhuye,Yu Xinlei,Liu Yinghua et al. The Baseline Gut Microbiota Directs Dieting-Induced Weight Loss Trajectories.[J] .Gastroenterology, 2021

Jie Z, Yu X, Liu Y, Sun L, Chen P, Ding Q, Gao Y, Zhang X, Yu M, Liu Y, Zhang Y, Kristiansen K, Jia H, Brix S, Cai K. The Baseline Gut Microbiota Directs Dieting-Induced Weight Loss Trajectories. Gastroenterology. 2021 May;160(6):2029-2042.e16. doi: 10.1053/j.gastro.2021.01.029. Epub 2021 Jan 20. PMID: 33482223.

肠道菌群与蛋白质代谢

谷禾健康

↑出现以上症状,可能是身体缺乏蛋白质的信号

★ 蛋白质有多重要?

蛋白质不仅是构建人体组织的主要原料,而且对新陈代谢至关重要膳食蛋白质及其代谢产物氨基酸是人类的必需营养素

蛋白质提供能量,调节代谢;我们的皮肤、骨骼、毛发都有它的参与;当然免疫系统也少不了它。

 肠道菌群参与蛋白质代谢

肠道微生物群介导蛋白质代谢宿主免疫反应之间的相互作用,在代谢过程中发挥重要作用。

小肠细菌能代谢部分氨基酸,进而影响宿主整体氨基酸的代谢。大肠拥有更丰富的菌群和更长的蠕动时间。

一方面,进入大肠的氮营养素影响大肠菌群的代谢和群落结构;另一方面,大肠菌群也能广泛参与氮营养素的代谢与利用,生成许多代谢产物,进而影响人体健康

因此,本文详细讨论蛋白质对人体的影响,肠道菌群与蛋白质的相互作用,肠道微生物群代谢产物的影响,文末有人体对蛋白质的需求量及相关食物补充说明。

我们先来看一下蛋白质的消化分解过程。

蛋白质的消化分解

小肠上皮细胞消化膳食蛋白质,然后吸收氨基酸和肽是一个高效的过程。高可消化的蛋白质可能部分逃脱小肠的消化,大量的含氮物质可能从小肠转移到大肠。未消化的蛋白质和多肽通过肠道微生物和残留的胰腺蛋白酶进行蛋白水解,产生大量的微生物代谢物。

胃肠道中的蛋白质分解代谢物

Zhao J, et al., Curr Protein Pept Sci. 2019

这些微生物代谢物中有些是中间产物,有些是最终产物。大量的最终产物主要是短链脂肪酸、氨、多胺、硫化氢、酚类和吲哚类化合物

这些细菌代谢物中的一些可以被运输到结肠细胞,并根据其在腔内的浓度对这些上皮细胞产生有益或有害的影响。一些细菌代谢产物被输送到门脉血,对肝脏和周围器官组织产生各种生理作用(这些代谢物在健康中发挥的作用详见本文后面章节)。

肠道微生物群在膳食蛋白质分解代谢中作用

宿主饮食对肠道微生物群的分布和活性有很大影响。膳食蛋白质或氨基酸调节可作为调节发酵细菌的一种方法。

在研究不同动物蛋白质来源(牛肉、鸡肉和鱼类)对人类粪便微生物群的影响的研究中,与牛肉蛋白孵育2天后,产气荚膜梭菌的数量显著增加双歧杆菌的数量显著减少

微生物分泌的酶直接降解分解蛋白

肠道微生物群在促进氨基酸调节以及氨基酸消化和吸收过程中的分泌方面起着至关重要的作用。

蛋白质的转换主要发生在肠道中,结肠细菌降解内源性或外源性蛋白质的效率较高

拟杆菌属(Bacteroides)、梭状芽胞杆菌属(Clostridium)、丙酸杆菌属(Propionibacterium)、梭杆菌属(Fusobacterium)、乳酸杆菌属(Lactobacillus)和链球菌属(Streptococcus)在蛋白质水解过程中发挥着重要作用。

粪便微生物群与结肠微生物群具有不同的蛋白水解活性。粪便微生物的活性仅在球状蛋白质的蛋白质水解方面较

发酵过程中,复杂蛋白质首先被各种细菌肽酶、蛋白酶和内肽酶切割,释放出游离氨基酸和短肽。氨基酸和短肽然后进行发酵。蛋白质发酵产生支链脂肪酸(2-甲基丁酸酯、异丁酸酯、异戊酸酯)、有机酸、气体(H2和CO2)以及微量酚、胺、吲哚和氨。

Yadav M, et al., Arch Microbiol. 2018

肠道微生物参与氨基酸代谢

一些菌群可能在肠道中的氨基酸代谢中发挥重要作用,例如梭杆菌属、拟杆菌属和韦荣球菌,Megasphaera elsdeniiSelenomonas ruminantium.

肠道内的梭菌属细菌(赖氨酸或脯氨酸利用的基础细菌)是氨基酸发酵的关键驱动因素,而消化链球菌属细菌是谷氨酸或色氨酸利用的关键驱动因素。

其他例如瘤胃细菌,Selenomonas ruminantium, Megasphaera elsdenii, Prevotella ruminicola, Misuokella multiacidas, Butyrivibrio fibrisolvens, Streptococcus bovis等含有极为活跃的二肽基肽酶和二肽酶。

微生物从头合成氨基酸

肠道微生物群产生氨基酸方面也起着关键作用,这包括从头生物合成

例如,一些体外研究项目表明,瘤胃细菌种类,如Streptococcus bovis,Selenomonas ruminantium, Prevotella bryantii,在生理肽浓度存在的情况下参与氨基酸的从头合成

Lin R, et al., Amino Acids. 2017

体内研究还表明,微生物衍生的赖氨酸(一种必需氨基酸)被吸收并并入宿主蛋白质。在无菌和常规化大鼠体内,将15NH4CL中的15N并入赖氨酸的比较表明,检测到的所有15N赖氨酸均来自微生物来源。在后续研究中,这些研究人员确定约75%的微生物15N标记的赖氨酸被小肠吸收

此外,其他体内研究项目表明,微生物衍生的赖氨酸被吸收并整合到宿主蛋白质中。与动物研究相一致,六名健康男性的样本以15NH4Cl的形式口服15N与标记肠道微生物来源的微生物蛋白和苏氨酸有关,这些微生物来源存在于活体门静脉血流中。

对18岁以上的人样本进行了检查,这些人被提供了氮充足的饮食,并发现微生物衍生的赖氨酸和苏氨酸游离血浆赖氨酸和苏氨酸库有显著贡献。

此外,Gill等人报告说,大肠中微生物群的富集是通过与必需氨基酸(EAA)生物合成相关的基因进行的,该生物合成基于人血浆池产生的前体。

蛋白质或氨基酸摄入对肠道微生物的影响

膳食蛋白质是均衡饮食重要组成部分。人类无法合成多种氨基酸,因此这些氨基酸必须从食物中获取以维持健康。胃肠道微生物群组成和功能的差异可能是由于膳食蛋白质的变化。

进入结肠的蛋白质量和尿液中检测到的发酵代谢物量取决于蛋白质的消化率,蛋白质消化由蛋白质水平来源共同作用决定。

当进展到结肠的远端部分时,碳水化合物被消耗,pH值增加,蛋白质发酵变得更加有效。在消化过程中,蛋白质摄入量增加总是与消化率相对降低有关,通常会导致更多可发酵的大量营养物质进入结肠。

不同形式蛋白对肠道微生物群影响不同

蛋白质来源主要来自植物动物来源,每种类型都具有独特的消化率不同的降解模式,具体取决于所涉及的微生物。结肠中的细菌属参与蛋白质代谢,主要包括可能致病的拟杆菌属、大肠杆菌属和梭菌属抑制这些潜在病原体通常与通过减少肠毒素有害微生物代谢物的释放来恢复微生态系统平衡有关。

考虑到蛋白质来源在消化中的作用,动物来源的蛋白质,如乳品和动物蛋白的消化率普遍高于植物蛋白。然而,酪蛋白的热分解显著降低了蛋白质的消化率,增加了蛋白质的发酵程度。下面就详细来看蛋白质来源如何调节肠道微生物群。

植物蛋白

与动物蛋白相比,植物蛋白通常具有较低的蛋白质消化率,因为植物细胞壁不能消化。大豆和花生蛋白都在调节肠道有益细菌组成方面有积极的作用。

添加20%花生蛋白的饲粮改变了大鼠肠道菌群多样性,增加了双歧杆菌,降低了肠杆菌和产气荚膜梭菌的数量。增加的双歧杆菌有助于产生更多的微生物代谢物,包括乙酸和乳酸,导致肠道pH值降低抑制有毒代谢物,如胺和苯并吡咯。

大豆已被广泛应用于人类和动物,它可以改变肠道微生物的组成,增加了埃希氏杆菌属和丙酸杆菌。系统发育分析显示,埃希氏杆菌属与志贺菌的同源性最高,两者都能在不损害肠道黏膜的情况下调节盐和水的代谢。但大豆中含有的抗营养因子会对生产性能产生负面影响,限制了其在非反刍动物中的应用。

植物蛋白被用于动物饲料行业,因为它的价格普遍低于动物蛋白,并且在食品安全方面具有一些优势。

动物蛋白

与植物蛋白相比,动物蛋白对于牲畜来说是高度易消化的酪蛋白、脱脂奶粉和鱼粉通常用作猪的饲料,它们可以被消化成丰富的蛋白质底物并在到达大肠之前被吸收。这些动物蛋白的代谢特性有利于宿主健康,特别是,对环境应激导致仔猪断奶后腹泻预防作用及一些植物蛋白中的抗营养因子。

酪蛋白可以近端肠道中的宿主酶消化,从而减少大肠中细菌的降解。具体而言,酪蛋白可以增加乳杆菌和双歧杆菌,并减少粪便中葡萄球菌、大肠菌群和链球菌的数量。此外,酪蛋白可以调节直肠真杆菌和Marvinbryantia formatexigens的减少。

补充脱脂干牛奶可以增加总厌氧菌和需氧菌,而膳食鱼粉可以减少需氧菌,包括大肠菌群,并增加厌氧菌的数量,如乳酸杆菌属。

此外,动物蛋白的特点是 短链脂肪酸减少,肠道 pH 值和氨浓度增加

显然,蛋白质来源对肠道微生物群的影响并不一致,需要更多的研究来评估不同蛋白质类型对蛋白质消化率和代谢以及肠道微生物群组成的影响。

蛋白质摄入量与肠道菌群

膳食蛋白质的浓度是影响蛋白质发酵和肠道微生物组成的主要因素。

更高的水平和未消化的蛋白质会导致致病微生物的增加,从而增加代谢疾病的风险。

Zhao J, et al., Curr Protein Pept Sci. 2019

未被小肠吸收的残留含氮化合物将被转移到远端肠道,并被该位置微生物代谢。微生物代谢物的数量和种类均受膳食蛋白质摄入量的影响

有些微生物代谢物是有毒的,例如硫化氢、氨和吲哚化合物,并可能对宿主健康产生负面影响。有些代谢物是参与宿主各种生理过程的生物活性分子。

此外,由于肠道微生态系统的稳态破坏和有益菌的减少,高浓度的蛋白质补充会导致潜在病原体数量增加。膳食蛋白质改变的肠道微生物群,通过调节肠道屏障功能、肠道运动和免疫系统来影响宿主代谢。

结肠中过量蛋白质发酵影响肠道微生物群变化

未消化蛋白质的增加与蛋白质摄入水平高、蛋白质消化率相对降低和氨基酸组成不平衡有关。结肠中多余蛋白质的降解始于细菌蛋白酶和肽酶将蛋白质水解成较小的肽和氨基酸。这些含氮化合物会影响肠道微生物群,尤其是结肠。

稍低蛋白浓度有助于减少大肠杆菌,但蛋白浓度过低会增加潜在致病菌

相对低浓度的膳食蛋白质会减少致病菌增殖的底物量。例如,人类饮食中低浓度的蛋白质导致粘膜表面的大肠杆菌群落减少。在较低蛋白质条件下肠道微生物的变化会产生毒性较小的含氮细菌代谢物,例如多胺。

然而,当饮食中蛋白质的浓度过低不能满足宿主的基本需要时,就会增加潜在病原体的丰度,减少有益菌的数量。

具体来看一项关于蛋白浓度变化对肠道菌群影响的研究。

断奶动物

蛋白水平适量:

断奶动物饲喂100-200g/kg的膳食蛋白质时,粪便中需氧菌和厌氧菌的数量会增加,这些蛋白质水平会导致肠道中乳酸杆菌的增加以及大肠菌群和葡萄球菌减少

蛋白水平过高:

然而,当膳食蛋白质水平大于 200 g/kg 时,致病菌数量会增加,例如大肠菌群、链球菌和芽孢杆菌。

蛋白水平过低:

低浓度的膳食蛋白质会减少产丁酸菌(这些菌群是抗癌和其他肠道疾病的抗炎剂),包括乳酸杆菌、双歧杆菌、saccharolytic(糖酵解菌)。

成年动物

成年动物中,在蛋白质水平的微小变化下,肠道微生物群相对稳健。例如,当成年动物分别用 190 g/kg 和 150 g/kg 蛋白质喂养时,粪便样本中的细菌数量几乎没有差异

在成年动物中,只有当蛋白质水平发生重大变化时,才能观察到微生物群的变化。

低蛋白饮食还与低浓度的氨血浆尿素氮和回肠食糜中的短链脂肪酸含量有关。肠道中的不是来自宿主脲酶活性,而是来自蛋白水解和微生物活动。因此,回肠食糜中低浓度的氨可能表明蛋白质代谢降低

蛋白质发酵产物对肠道微生物的影响

大部分膳食蛋白质在小肠中消化,但蛋白质摄入过多会导致结肠输入量增加。结肠中多余蛋白质的降解始于蛋白质被细菌蛋白酶和肽酶水解成更小的肽和AA,这些蛋白酶和肽酶在中性至碱性pH下更为活跃。这些残余蛋白质不仅提高了肠道pH值,而且还可供结肠微生物进一步代谢。

然而,碱性pH有利于病原体增殖,对肠道健康不利。此外,由于向肠道微生物群过量供应膳食蛋白质而导致的蛋白质发酵也被视为肠道疾病发展的一个因素。

虽然有报道称结肠蛋白输注过多会产生有害影响,仍有一些争议,但似乎较低量的蛋白到达远端肠道可能会降低腹泻的发生率,并抑制病原菌的增殖,特别是在应激情况下,如感染高压。

蛋白质的发酵通常与蛋白质发酵细菌以及潜在致病菌的生长有关。通过培养基分析,至少拟杆菌属和丙酸杆菌以及各种杆菌被鉴定为蛋白水解细菌,其中一些细菌的基因组中携带丝氨酸和其他蛋白酶的基因。

氨基酸为细菌提供代谢底物

饮食和内源性来源的蛋白质和氨基酸对于肠道微生物群的生长和存活是必要。

蛋白质水解后,释放的肽和氨基酸被宿主和胃肠道中的细菌用于各种代谢活动,虽然一些细菌缺乏使用细胞外氨基酸的特定转运体。

胃肠道中许多细菌的理想氮源氨基酸和NH3,可能是因为它们缺乏必要的肽转运蛋白。然而,如瘤胃前置杆菌等细菌利用肽作为氮的唯一来源。这些肽最初被输送到瘤胃前置杆菌的细胞中,然后直接使用或水解成FAAs。通常,肽、氨基酸和NH3可用于细菌细胞成分的生产或通过各种途径分解代谢。这些过程可能对身体产生有利或不利的影响。

蛋白质摄入与肠道屏障

肠道是一个具有高度蛋白水解活性的部位,主要由微生物群介导。这些蛋白水解代谢物以及肠道微生物(可通过蛋白质水平改变)通过调节紧密连接蛋白Zonulin在调节肠粘膜屏障中发挥重要作用。

Ma N, et al., Curr Protein Pept Sci. 2017

肠道微生物通过调节紧密连接蛋白ZO-1和ZO-2的表达来影响肠道上皮屏障。研究表明,在高蛋白饮食(HPD)中增加双歧杆菌可有效缓解结肠上皮细胞膜屈曲,上调ZO-1表达,有利于紧密连接修复。

相反,低蛋白饮食(low-protein diet, LPD)或正常蛋白饲粮(normalprotein diet, NPD)通过降低肠上皮通透性,降低大肠杆菌水平,从而上调ZO-1的表达。抑制大肠杆菌生长也可上调ZO-2的表达,从而保护肠上皮细胞,修复上皮屏障

连蛋白Zonulin是唯一已知的细胞间紧密连接生理调节剂,可能是微生物群和紧密连接蛋白之间的一种可能的调节剂。

Zonulin可逆且快速地调节肠道通透性,其在遗传易感个体中的上调可能导致免疫介导的疾病。其释放将由细菌数量的变化触发。

在上皮细胞中结合其受体后,该复合物导致紧密连接的开放并增加肠道通透性。

研究人员选择了4种细菌菌株作为兴奋剂,包括3种大肠杆菌菌株和1种沙门氏菌菌株,它们都是病原体,HPD增加。它们都释放了Zonulin并改变了细胞旁通透性。同时,观察到ZO-1从紧密连接复合物重新分布到细胞单层。

此外,不同的细菌会导致不同水平的Zonulin分泌,这会在不同程度上改变肠道屏障功能,反映微生物和肠道之间的急性调节。

氨基酸不均衡会诱发肠道问题

膳食蛋白质中的氨基酸可通过调节肠道微生物群组成间接影响肠道形态。此前有研究报道,低赖氨酸玉米蛋白会导致肠道绒毛高度降低,隐窝深度加深,提示肠道黏膜的损伤是由于饲粮中氨基酸比例失衡所致。

小肠上皮细胞可将氨基酸和其他营养物质吸收到血液和器官中,营养不良对肠道微生物群的干扰和影响可能导致肠道形态受损

断奶时观察到的腹泻可以通过低蛋白质水平和平衡氨基酸组成来缓解。然而,饮食中氨基酸的不平衡可能损害肠道形态,增加腹泻风险。因此,饮食中氨基酸失衡会抑制蛋白质吸收,导致肠上皮增生。

注意蛋白过敏或不耐受诱发的肠道问题

大豆中的粗蛋白质相对较高,约为40%,主要由球蛋白组成,球蛋白由伴大豆球蛋白和大豆球蛋白组成。这些球蛋白具有免疫原性热稳定性

大豆蛋白补充剂中抗原复合物的形成,如大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白和免疫球蛋白抗体,可能是刺激过敏反应和腹泻的原因。大部分膳食蛋白质在消化后降解肽和氨基酸

然而,还有一种可能性是,其他分子如一种抗营养因子,可以通过肠上皮细胞进入血液和淋巴。大豆中具有抗原活性的抗营养因子可刺激宿主的免疫应答。

免疫反应由具有IgE分泌的T淋巴细胞介导,其对肠道形态具有负面影响,导致绒毛损伤隐窝细胞增殖

此外,上皮细胞中消化酶活性的降低可能与吸收功能失调和肠道微生物群组成多样性减少有关。

由于其抗原性,膳食大豆蛋白可能有利于病原体增殖,这些抗原也可能是对粪便微生物群一致性产生不利影响的因素。

对大豆蛋白的超敏反应可能导致对病原体过度生长更高易感性,主要包括蛋白质代谢细菌以及肠致病性大肠杆菌。

大豆蛋白和其他植物蛋白通常含有抗营养因子,包括可溶性非淀粉多糖含量升高,可能增加断奶仔猪腹泻的发生率。

在大豆蛋白质代谢过程中,会产生各种毒素,如组胺、尸碱和腐胺,这些毒素会破坏肠壁增加肠上皮细胞的通透性。当病原体在管腔内定植时,可能发生肠道微生态失调

大豆蛋白被认为是一种相对健康的蛋白质来源。大豆经加工处理后,抗原活性有所降低,抗营养因子显著降低。Pepsin-hydrolysate conglycinin (PTC)是一种治疗后从球蛋白中提取的小肽,具有降低高血压、抗氧化和免疫刺激等药理和生理活性。

伴大豆球蛋白是大豆贮藏蛋白的组分之一,经消化和酶处理后以PTC的形式发挥作用。PTC可以抑制病理性大肠杆菌的生长,无时间依赖性,并且在 大肠杆菌E. coli O138激发后也被激活以预防疾病。

伴胰球蛋白-胃蛋白酶水解物参与调节肠道微生物群落平衡维持肠道完整性。当肠道微生态系统的稳态受到干扰时,生物活性肽可在预防与肠道疾病相关的疾病中发挥重要作用。PTC还通过产生胃蛋白酶介导的双歧杆菌生长刺激肽促进双歧杆菌的生长。然而,PTC对E. coli O138的抑制作用的潜在机制尚不清楚,需要进一步的研究来阐明。

酪蛋白与肠道微生物群

酪蛋白具有特殊的氨基酸组成,可以诱导肠道氨基酸转运蛋白基因的转录水平。肠道微生物群的组成和功能也受到氨基酸平衡改变的影响。

CAT1

阳离子氨基酸转运蛋白(CAT1)参与赖氨酸和精氨酸的转运。研究表明,对十二指肠和回肠中的CAT1没有显著影响。相反,与空肠中的膳食玉米醇溶蛋白相比,补充酪蛋白的CAT1表达水平更高。

因此,可以合理地得出结论,酪蛋白可促进赖氨酸和精氨酸的积累,这与补充酪蛋白的赖氨酸含量高于膳食玉米醇溶蛋白的报告一致。

肠道中赖氨酸和精氨酸的变化可能有助于酪蛋白对肠道微生物群的影响。CAT1的表达随着饮食中赖氨酸水平的增加而上调

EAAC1

兴奋性氨基酸载体1(EAAC1)参与天冬氨酸和谷氨酸的转运,其作用类似于CAT1。EAAC1在十二指肠中的表达水平被膳食玉米醇溶蛋白下调,而在空肠和回肠中,补充酪蛋白的EAAC1表达水平高于玉米醇溶蛋白或大豆蛋白。

PePT1

此外,肽转运蛋白1(PePT1)的表达也受到不同蛋白质来源的调控。与植物蛋白相比,膳食酪蛋白在所有肠段都有更高的PepT1表达。

因此,具有平衡氨基酸组成的膳食酪蛋白可以促进氨基酸和肽转运蛋白的表达。这种表达可以加速功能性氨基酸在肠道环境中的运输

赖氨酸、天冬氨酸和谷氨酸在管腔中的浓度受不同蛋白质来源的不同处理的影响。这些变化可以影响特定代谢物的衍生和转化途径,改变生理功能,改变肠道内的微生态平衡。

氨基酸还通过合成细菌蛋白质以及与肠道微生物群的相互作用对微生物组成起重要作用。

菌群发酵蛋白质主要副产物

短链脂肪酸

短链脂肪酸(SCFA)是细菌在大肠内代谢的最终产物,主要成分为乙酸、丁酸和丙酸。短链脂肪酸的基质主要来自膳食纤维抗性淀粉

然而,未消化的蛋白质也是短链脂肪酸产物的底物。膳食蛋白质在大肠中释放的几种氨基酸是短链脂肪酸合成的前体。肠道微生物可以从甘氨酸、丙氨酸、苏氨酸、谷氨酸、赖氨酸和天冬氨酸中产生乙酸盐。

谷氨酸和赖氨酸可以合成丁酸,丙氨酸和苏氨酸可以合成丙酸

短链脂肪酸产物的数量和形态主要取决于营养物质的底物可得性、肠道菌群组成和肠道传递时间。短链脂肪酸是已知的氧化和使用作为燃料的结肠上皮。

此外,SCFA可以靶向游离脂肪酸受体(FFAR)配体转运到结肠肠细胞,FFAR代谢感知的激活在调节肠道脂肪沉积和营养物质吸收中发挥重要作用。

短链脂肪酸与肠道血流相互作用,促进5-羟色胺的释放,这可能受到肠道-脑内分泌轴的调节。这有助于增加肠道运动和离子转运,从而改变肠道菌群组成和免疫防御

SCFA参与多种生理过程,在维持肠道完整性、葡萄糖稳态和食欲调节中发挥重要作用。除了为结肠细胞提供能量外,丁酸盐也是SLC5A8的底物。该蛋白编码基因抑制组蛋白去乙酰化酶的活性,而组蛋白去乙酰化酶是一种表观遗传调节因子,在多种肿瘤中诱导细胞凋亡。丁酸可以通过上调宿主防御肽的表达来刺激中性粒细胞群体,有利于破坏病原体,增强抗病能力。

氨在大肠中以毫摩尔浓度存在。与远端结肠相比,近端结肠的特点是pH值低,碳水化合物含量高。因此,从升结肠到降结肠,氨浓度升高,这与远端结肠的蛋白质代谢率高于近端结肠是一致的。

大肠中的氨浓度主要是与氨基酸脱氨尿素水解有关的微生物代谢物。肠道菌群可利用氨,氨可被上皮细胞吸收。尿素在肠道内的水解是通过细菌脲酶活性进行的。

虽然幽门螺杆菌的脲酶活性已经得到了充分的研究,但关于其他大肠微生物的脲酶活性的信息却很少。最近的一项研究报道,部分氨被谷氨酰胺合成酶的活性与l -谷氨酸缩合,使谷氨酰胺合成。这是一种可能的机制,以控制氨细胞内浓度在结肠细胞。

硫化氢 (H2S)

硫化氢(H2S)是蛋氨酸、半胱氨酸等含硫氨基酸发酵产生的一种微生物代谢物。H2S也来源于无机硫酸盐和亚硫酸盐添加剂的还原,以及肠道磺胺类物质的分解代谢。

肠道微生物能够通过脱硫酶从半胱氨酸碳链中获得能量。甲硫氨酸可转化为α-酮丁酸酯、氨和甲硫醇。这些代谢物归因于一个特定的分类组的细菌,包括大肠杆菌、肠沙门氏菌、梭菌和产气肠杆菌,通常在大肠中发现。

肠杆菌、肠球菌、肠链球菌、梭杆菌和真细菌能够发酵含硫氨基酸。

多胺

多胺是由精氨酸、鸟氨酸和蛋氨酸等氨基酸前体的结肠细胞产生的聚阳离子分子。从结肠癌中分离出来的结肠上皮具有高的多胺合成能力,这可能是由于肿瘤细胞持续有丝分裂需要高的多胺。

肠道微生物可鸟氨酸、精氨酸、赖氨酸、酪氨酸和组氨酸等氨基酸前体产生腐胺、胍胺、尸胺、酪胺和组胺等多种多胺

多胺参与细菌细胞的生长、增殖、分泌和运输活动。大肠生态系统中能够产生多胺的大肠细菌有多种,包括拟杆菌属(Bacteroides)、乳杆菌属(Lactobacillus)、Veillonella、双歧杆菌属(Bifidobacterium)和梭状芽胞杆菌属(Clostridium)。因此,肠道菌群组成影响结肠多胺分布和分配的因素之一。

苯酚和吲哚

结肠中苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等芳香族氨基酸可被特定的肠道微生物代谢为酚类和吲哚类化合物。

然而,芳香氨基酸的代谢与结肠微生物群的特定组分之间的相互作用还没有充分的研究。一些代谢产物如酚和吲哚,被怀疑为共致癌物和结肠癌促进剂

已知发酵芳香氨基酸的厌氧菌包括大肠中的拟杆菌、乳酸菌、双歧杆菌、梭状芽胞杆菌和胃链球菌。与结肠中的其他氨基酸相比,芳香氨基酸在细菌中代谢缓慢。它们可以生产一系列的酚类和吲哚类化合物作为最终产品,如对甲酚、吲哚、酚和粪臭酚。

据报道,酪氨酸可产生苯酚和对甲酚,而苯乙酸和色氨酸在人体浆发酵过程中分解为吲哚乙酸盐和吲哚

在一项研究中,远端结肠中的酚类化合物浓度增加,表明大肠远端区域的氨基酸代谢较高。吲哚和酚类代谢物的浓度取决于细菌产生率和结肠吸收率之间的平衡。酚类化合物似乎大部分被结肠内容物吸收。它们在从管腔转移到血液和肝脏的过程中部分代谢,最后通过尿液排出。

对无菌和常规小鼠血浆代谢物的对比分析表明,无菌小鼠的色氨酸和酪氨酸水平至少增加了1.5倍。涉及这些芳香族氨基酸的细菌代谢产物包括硫酸吲哚氧基、硫酸苯酯、硫酸对甲酚和苯丙酰甘氨酸,仅在常规小鼠中发现。

关于酚类和吲哚类化合物对结肠上皮细胞的影响知之甚少。体外实验表明,苯酚会降低屏障功能的完整性。需要注意的是,当苯酚浓度高于1.25 mM时,它会损害结肠上皮细胞。

如果蛋白质摄入过量,或者肠道里消化蛋白质的菌群构成不理想,那么蛋白质发酵发生的胺,硫化氢,苯酚等肠道毒素过量积累,会诱发肠道炎症,便秘,腹胀等问题,因此正确摄入适量优质蛋白对于维持肠道菌群和身体健康很重要。

蛋白质摄入要因人而异

实际上,我们摄入的一些蛋白质可以转化为葡萄糖,特别是当蛋白质的消化速度快且人体糖原储存量低时,有些蛋白质可以被微生物群发酵,特别是当蛋白质的消化速度慢时。

每个人对蛋白质的需求量各不相同,比如经常运动人群和久坐人群对蛋白质的需求量不一样,孕妇、老人、儿童、肥胖等群体都有各自不同的需求。当然,每个人的不同状态对蛋白质的需求量也都不同,比如爬山的一天,和在家刷剧的一天,也是不一样的。

因此,我们说最佳每日蛋白质摄入量取决于你的身高体重、健康状况、目标、身体活动水平。

素食主义者对蛋白质的需求较高,因为植物蛋白在生物利用度上通常不如动物蛋白。植物蛋白消化率为 60-80%,而动物蛋白消化率超过90%.

注意植物蛋白的较难消化吸收

因为植物含有抑制蛋白质消化和吸收的抗营养物质,如胰蛋白酶抑制剂、植酸盐和单宁。虽然烧熟后确实降低了抗营养物质的浓度,但并不能完全消除它们。

另外,植物性蛋白质也含有限制性氨基酸,这些氨基酸是必须氨基酸但数量太少,以至于不够蛋白质的合成所需。

注:限制性氨基酸是指食物所含必需氨基酸的量与动物所需的蛋白质必需氨基酸的量相比,比值偏低的氨基酸。比如说一种食物里特别缺少某一种氨基酸,即使其它的氨基酸含量很高,因为这个氨基酸导致它的各个氨基酸比例不平衡。人体对这种食物的吸收依然不理想,这种氨基酸就叫限制性氨基酸。

结合不同的植物性蛋白质可以帮助弥补它们各自的不足。

摄入蛋白注意其氨基酸构成

比如说,赖氨酸是最常见的限制性氨基酸,特别是在谷类中,如小麦和水稻坚果往往也含有赖氨酸作为限制性氨基酸。另一方面,豆类含有足够的赖氨酸,可以弥补,但缺乏硫氨基酸,如蛋氨酸和半胱氨酸。

蛋白质能否被人体吸收利用,还应该考虑蛋白质的氨基酸组成

因此,了解一下评估蛋白质的另一个标准:氨基酸的组成。

氨基酸组成

蛋白质由氨基酸组成,身体可以合成其中一些氨基酸,而另一些则不能。

需要但不能合成、需要从食物中摄取的九种氨基酸被称为必需氨基酸(EAA)。

氨基酸:成人的需求和不同食物的含量

World Health Organization. Protein and Amino Acid Requirements in Human Nutrition

人群范围蛋白质摄入量如何?

使用谷禾检测人群,基于肠道菌群分析营养膳食摄入构成,图中给出了蛋白质占总能量摄入的占比,正常比例在10~20%范围。可以看出0~3岁蛋白质占比较高,3~15岁蛋白质占比较低,80~100岁比例又进一步下降。

<谷禾健康肠道菌群检测数据库>

结 语

蛋白质代谢与肠道菌群密切相关。膳食蛋白质在小肠中被蛋白酶和众多肽酶代谢,膳食蛋白质释放的氨基酸可用于肠道微生物合成蛋白质。这反过来又促进了饮食、微生物群和宿主之间的氮循环和利用。

不同的细菌有不同的代谢能力,依靠我们摄入的营养物质繁殖生存,其中拟杆菌属(Bacteroides)、梭状芽胞杆菌属(Clostridium)、丙酸杆菌属(Propionibacterium)、梭杆菌属(Fusobacterium)、乳酸杆菌属(Lactobacillus)和链球菌属(Streptococcus)在蛋白质水解过程中发挥着重要作用。通过肠道菌群检测评估的蛋白质摄入水平显示不同人蛋白质摄入及营养占比差异很大,过高或者过低均伴随肠道菌群问题,包括过低导致潜在病原体数量增加,有益菌减少,同时导致部分氨基酸缺乏,过高又导致例如大肠菌群、链球菌和芽孢杆菌增殖,蛋白质发酵产生的副产物如,腐胺,苯酚,硫化氢等增诱发便秘,腹痛等健康问题。

除了蛋白质的摄入量,不同的蛋白形式,如植物蛋白,乳蛋白、动物蛋白以及蛋白质与其他营养摄入的相对比例构成,如膳食纤维、抗性淀粉、脂肪、微量元素等的比例都会影响肠道菌群进而反过来影响其消化降解,改变氨基酸的合成和代谢,最终影响宿主营养代谢健康。

总之,我们提倡膳食平衡,没有特殊情况不建议盲目补充蛋白粉等,建议从膳食结构调整保证营养均衡,从而使各种营养都能达到生长发育和身体健康的生理需要量,这同时要关注肠道菌群状况,因为他们是相辅相生。

常见食物中氨基酸含量见附录。

附录

供人类食用的植物性食品中总氨基酸的含量

(肽结合氨基酸加上游离氨基酸) mg/g

Amino Acids in Nutrition and Health, 2021

人类动物性食品中总氨基酸的含量

(肽结合氨基酸加上游离氨基酸)mg/g

Amino Acids in Nutrition and Health, 2021


主要参考文献:

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运动如何影响肠道微生物群,运动期间改善肠道问题的饮食建议

谷禾健康

运动对心肺健康、肌肉力量、葡萄糖代谢、免疫系统和心理健康有影响。新的横断面研究证据表明,运动锻炼肠道微生物群组成之间可能存在密切关联

干预研究支持锻炼对肠道微生物群的益影响纵向研究表明,经常中等强度的耐力运动对肠道微生物产生最有益的影响,但是不同类型的运动训练方案(例如,阻力、间歇、伸展/柔韧性、耐力/有氧等)对肠道微生物群的影响存在差异。其他如饮食摄入,结肠运送时间,训练状态,共享训练环境,自愿性,健康或疾病状况,年龄,性别等因素也是评估运动和肠道菌群的混杂因素。

反过来,肠道微生物群对运动表现、恢复和疾病模式的各种指标都有间接影响,例如通过肌细胞因子,激素,神经肽和其他代谢物发出信号,调节下丘脑-垂体-肾上腺轴的激活,以及影响与表现相关的代谢途径

了解肠道微生物群在运动表现中的各种作用,对于寻求改善锻炼结果以及减少训练恢复时间的普通人和运动员来说都非常重要。

本文就以下方面进行详细阐述:

  • 运动对肠道及其微生物群的作用;
  • 运动饮食与肠道微生物群之间的关联;
  • 过度运动对肠道功能的不利影响;
  • 运动强度压力,激素与微生物群变化;
  • 靶向肠道微生物群调节对身体机能的影响;
  • 运动期间改善肠道问题的饮食建议;
  • …..

01
动对肠道微生物群有什么作用?

最近的研究表明,运动对肠道微生物群有很多好处。它与有益微生物物种数量的增加和微生物多样性的丰富以及短链脂肪酸合成碳水化合物代谢的增强有关。

适度运动的频率会导致厚壁菌门的多样性更大。包括Faecalibacterium prausnitzii(产生丁酸,抗炎共生菌),颤螺菌属(Oscillospira) ,有助于更健康肠道环境的LachnospiraCoprococcus属的成员。

体脂百分比、肌肉质量和身体活动与几种细菌种群显著相关

研究发现,锻炼与女性中具有促进健康功能的细菌的比例更高有关。包括以产生丁酸盐的能力而闻名的F. prausnitzii(普拉梭菌)和Roseburia hominis,以及运动员体内丰富的Akkermansia muciniphila,低水平与肥胖和糖尿病等代谢状况有关。

一项研究调查了 40 名国际职业橄榄球联盟球员的微生物组,并将其与 BMI 高或低的相似年龄的对照组进行比较。结果表明,运动员肠道微生物多样性显著著增加

与对照组相比,许多其他参数也显示出显著改善的结果。其中包括短链脂肪酸 (SCFA),该研究发现与对照组相比,运动员体内的乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐和戊酸盐水平明显更高。”

简而言之,运动已被证明可以显著改善与身体表现和健康相关的几个指标,特别是在有益细菌类型及其功能方面

然而,这些察性研究的结果只能确认训练状态微生物群之间的关联,而不能确定因果关系。

运动与肠道微生物群组成之间的关联似乎是双向的。来自动物研究的越来越多的证据也表明肠道微生物群在宿主的身体机能中起着重要作用。肠道微生物群的组成和代谢活动可能有助于消化膳食化合物并改善运动期间能量收集,这可以为运动员在高强度运动和恢复期间提供代谢益处。

观察性研究表明,与久坐的受试者相比,运动员微生物组中与氨基酸和碳水化合物代谢相关的代谢活动和途径增加。

在肠道中,细菌将不易消化的碳水化合物发酵成短链脂肪酸乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。训练和定期锻炼与人类粪便短链脂肪酸含量增加有关,并且在动物研究中,特定短链脂肪酸与改善身体机能有关。

大多数短链脂肪酸从肠道吸收并有助于宿主的能量代谢

丁酸盐主要被结肠中的上皮细胞用作能量来源。

乙酸盐在肌肉组织中代谢,但也可以穿过血脑屏障。

丙酸盐可用作肝脏中葡萄糖合成的前体。

此外,短链脂肪酸可改善肠道屏障完整性,降低局部和全身炎症风险。临床前研究强烈表明短链脂肪酸可能是身体机能的关键调节剂

值得注意的是,宿主可能不是唯一受益于运动期间与微生物群的共生关系的一方。

目前关于肠道微生物群与身体机能之间相互作用如下:

Maija Marttinen et al., Nutrients.2020

02
运动锻炼与肠道微生物多样性

你可能想知道运动是否会改变微生物群,或者拥有健康的微生物群是否会让你更加活跃想运动。其实这用一句俗话讲就是先有鸡还是先有蛋的情景。

  • 肠道微生物群 —> 运动:

例如,肠道菌群失调会引起炎症,从而导致负面情绪,抑郁等症状,而抑郁不利于外出和积极运动锻炼。

  • 运动 —> 肠道微生物群:

多项研究表明,运动实际上可以改变你的肠道微生物群。

女性:运动与久坐女性菌群有差异

2017 年一项针对女性的研究表明,积极活动方式的女性和久坐女性之间肠道微生物群特征的差异

积极参与者被选为在试验期间在 7 天内进行至少 10 小时运动的组久坐组参加安静的活动,并从日常生活中不是经常运动的女性中挑选出来,每周进行 3 次不超过 30 分钟的适度运动

11 个属(细菌的分类等级)在运动女性和久坐女性之间存在显著差异。重要的是,运动的女性群体拥有更丰富的促进健康的细菌,包括Faecalibacterium prausnitziiRoseburia hominisAkkermansia muciniphila.

他们还发现“体脂百分比、肌肉质量和身体活动与几种细菌种群显著相关。”

换句话说就是,过着积极的生活方式更能取悦某些细菌,这是一种正向反馈。

橄榄球运动员比久坐者具有更高的α多样性

一项对爱尔兰男性业橄榄球运动员的研究表明,与久坐的对照组相比,运动员肠道微生物群的 α 多样性(细菌丰富度,例如在粪便样本中鉴定了多少细菌种类)更高。

肠道微生物群多样性蛋白质消耗和血浆肌酸激酶水平呈正相关,血浆肌酸激酶水平是运动引起的肌肉损伤的生物标志物

高 BMI 对照组的比例相比,在橄榄球运动员和低体重指数 (BMI) 对照组中检测到的Akkermansia细菌比例更高。与低 BMI 的对照组相比,运动员中拟杆菌属的含量显著减少

从大人群水平上看,Akkermansia拟杆菌属与肥胖呈负相关

微生物代谢水平上也检测到橄榄球运动员和久坐对照组之间的差异,在运动员中检测到的氨基酸和碳水化合物代谢途径活性增加。此外,与久坐的对照组相比,橄榄球运动员的粪便 SCFA(乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐)水平更高

竞技自行车运动员中:经常训练者普氏菌高

竞技自行车运动员中,每周训练超过 11 小时的自行车手比那些不经常训练的人的普氏菌相对丰度更高。

此外,元转录组学分析表明,普氏菌的转录与微生物组中的支链氨基酸 (BCAA) 代谢途径呈正相关。支链氨基酸,尤其是亮氨酸,是促进肌肉蛋白质合成的必需氨基酸,可以促进运动后的恢复。(详见本文09章节——蛋白质小节)

与业余自行车手相比,在职业自行车手中发现了更多的粪便Methanobrevibacter smithii。该菌与上调甲烷代谢相关,这与肠道微生物组中短链脂肪酸代谢途径的上调呈正相关。

遗憾的是,该研究没有饮食控制和非运动员对照组。与在骑自行车的人中观察到的结果一致,在一小群精英竞走者中,粪便微生物群被分为普氏菌或拟杆菌为主的肠型。

马拉松运动员:韦荣球菌增加

马拉松运动员中的韦荣球菌丰度在马拉松后显著增加。此外,同一研究小组使用来自超级马拉松运动员和奥运会级别赛艇运动员的粪便样本进行宏基因组分析,结果显示与运动前样本相比,运动后与乳酸和丙酸代谢相关的基因富集

在小鼠中进行的一项后续研究表明,研究人员从跑步者的粪便中分离培养出Veillonella atypica菌株,给小鼠灌注,结果发现,小鼠开始跑得更多,在跑步机上的跑步时间增加了 13% 

中强度锻炼的人:促进健康和抗炎细菌增加

除了由专业或竞技运动员进行的高强度训练外,根据世界卫生组织 (WHO) 每周进行 150 分钟中等强度运动的指导方针,以推荐的最低水平进行运动 ,似乎足以改变肠道微生物群的组成

与久坐不动的女性相比,以低强度进行连续运动的绝经前女性的嗜粘蛋白阿克曼菌普拉梭菌等的丰度增加。这些都是与促进健康和抗炎作用相关的细菌种类。

此外,运动组和久坐组之间不同的饮食模式可能影响了肠道微生物群的组成,与久坐的女性相比,运动女性的膳食纤维摄入量明显更,久坐组加工肉类的摄入量比例明显更

长期运动的人:菌群多样性更高

在迄今为止最长的运动干预中,研究了在 6 个月内,具有相似运动能耗的不同强度和方式定期有氧训练肠道微生物群的影响。

总共 88 名久坐的超重/肥胖受试者被随机分为四个组,包括习惯性生活(对照组)、非机动自行车积极通勤休闲时间中等强度的运动剧烈运动

与对照组相比,所有运动组的 β多样性(样本间差异)都发生了变化,剧烈运动组的参与者组内菌群差异度变小,换句话说就是构成趋向一致

此外,与对照组相比,剧烈运动组在3个月时的 α多样性增加更多。这表明可能需要更剧烈的运动来诱导久坐、超重/肥胖受试者的肠道微生物群发生变化

在一项关于剧烈运动的研究中,拟杆菌门增加,厚壁菌门/拟杆菌门比率下降。这一结果与运动员有关,因为拟杆菌的增加在复杂糖聚合物的代谢转化和蛋白质降解中起着至关重要的作用。

梭菌属和Blautia属也减少了。梭菌在全身免疫反应中起着重要作用,而Blautia会增加促炎细胞因子的释放。有趣的是,结肠葡萄糖浓度与拟杆菌呈正相关,并与厚壁菌门、厚壁菌门/拟杆菌门比率和Blautia属相反。此外,Blautia属的丰度较与更好的全身胰岛素敏感性相关。

这些结果强调了肠道底物摄取对全身的重要性,尤其是葡萄糖和蛋白质摄取,可能对肠道微生物群产生积极影响。

Lensu, S. et al., Metabolites, 2021

在儿童和老年人中也证明了身体活动水平与肠道微生物群组成之间的关联。

儿童:运动者菌群中梭菌目、毛螺菌科增加

来自美国肠道项目的 7-18 岁儿童研究队列中,在控制协变量(年龄、性别和使用抗生素和益生菌)。运动频率与富含厚壁菌门的肠道微生物群有关。此外,每天锻炼的儿童在梭菌目、毛螺菌科中的属增加了。

老年男性:与粪杆菌和Lachnospira菌有关

在老年男性中,根据步数和自我报告的活动测量的体力活动与微生物 α 多样性无关,但体力活动水平与粪杆菌属和Lachnospira之间存在适度关联。

这些研究表明,运动员或经常运动人群与久坐人群之间的肠道微生物群组成存在差异

运动者菌群特征可能与饮食有关

然而,运动员和身体活跃的人体内微生物群组成的一些特征可能是通过饮食来解释的,而不是运动的影响。

运动员经常遵循支持训练和表现的严格饮食,而极端运动通常与极端饮食有关。与正常人群相比,运动员的蛋白质摄入量可能要高得多。蛋白质补充剂通常用于满足训练者对蛋白质的更高需求,尽管蛋白质补充剂的流行也可能受到有关增加肌肉质量和改善性能和恢复的说法的影响。

摄入大量蛋白质后,未被吸收的蛋白质会进入结肠并促进特定细菌的生长和选择。

持续 10 周的蛋白质补充剂(乳清分离物和牛肉水解物)增加了跑步者拟杆菌的丰度,并减少了与健康相关的分类群,包括Roseburia sppBlautia spp 和长双歧杆菌。然而,肠道微生物群组成的这种改变对宿主健康的长期影响仍不清楚。

动物研究:运动产生的变化与年龄、饮食、是否自愿、个体生理状态等因素都有关

很少有研究关注自愿运动对肠道微生物群的影响,迄今为止,除了七项实验研究外,所有研究都使用了小鼠模型。这些初步研究表明,运动会影响肠道微生物群的组成。

大鼠定期跑步运动与丁酸菌的增加以及丁酸盐浓度的增加有关。其他动物研究表明,通过影响小鼠肠道微生物组成,每日轮式跑步运动可能会改善不健康状态的某些方面,例如饮食引起的肥胖、糖尿病和毒性。这些影响包括改变优势门厚壁菌门和拟杆菌门之间的比例。然而,这在研究之间并不总是相同。

在对动物进行的运动研究中,对于哪些种群受慢性运动的影响几乎没有达成一致除了运动乳酸杆菌之间的正相关关系之外,没有其他分类群在经常锻炼的小鼠或大鼠中相对丰度持续增加。

运动所产生的变化似乎取决于个人的生理状态。例如,无论是肥胖-高血压大鼠还是正常大鼠,有规律的强迫运动对微生物群的丰度都有不同的影响。高脂饮食的大鼠运动对微生物群的改变与正常饮食的大鼠不同,并且糖尿病小鼠产生的改变与其对照小鼠不同。

总的来说,这些发现表明,长期运动对微生物群的调节不仅取决于个体的生理状态,还取决于饮食。此外,动物强制运动与自愿运动之间的另一个显著差异是运动量。这在人类骑自行车的数据中得到了概括,需要在动物模型中进一步研究。

此外,年龄,性别也会呈现不同效果。据观察,与成年大鼠相比,运动对幼年大鼠的微生物群产生更有效的改变。在这些检查运动训练对肠道微生物群的影响的小鼠研究中,一个共同的发现是增加了α多样性。

03
运动期间膳食摄入或补充剂介入运动和微生物关联

在研究人类肠道微生物群时,很难分别研究运动和饮食。这种关系因饮食摄入变化而变得更加复杂(例如,抗阻力训练运动员的蛋白质摄入量增加或耐力运动员的碳水化合物摄入量增加,以及总体能量和营养摄入量的增加)。

为什么部分运动人群和久坐人群的菌群无显著差异?

高蛋白 + 膳食纤维少 = 运动改变菌群无效

韩国的一项研究表明,高蛋白/限制性膳食纤维与健康久坐人群之间的肠道微生物多样性或有益细菌没有显著差异。然而,当蛋白质或膳食纤维摄入量符合 KRDA(韩国推荐膳食允许量)时,肠道微生物多样性和有益细菌的相对丰度与健康久坐的受试者相比有显著差异。这些结果表明,运动对肠道微生物群的积极影响取决于蛋白质和膳食纤维的摄入量。结果还表明,在补充益生菌之前,应解决营养充足的问题。

研究人群之间膳食摄入量的差异,可能解释了不同研究结果之间观察到的一些不一致之处。

在韩国的一项临床研究中,总蛋白质摄入量与微生物多样性呈负相关 ,而爱尔兰职业橄榄球运动员的高蛋白质摄入量微生物多样性增加有关。韩国运动员不符合膳食纤维摄入量的膳食建议(建议≥ 25 g/天;健美运动员的中位摄入量 19 g/天,耐力运动员 17 g/天),而爱尔兰橄榄球运动员的纤维摄入量处于推荐水平(中位摄入量 39 克/天)。

未消化的膳食纤维是肠道微生物群的重要能量和碳源,是短链脂肪酸合成的底物,是微生物多样性的关键贡献者。高蛋白饮食与低膳食纤维饮食相结合,可能对肠道微生物群组成有害,而不是单独摄入高蛋白。

营养补充剂介入运动和微生物关联

此外,主要来自动物研究的有限数据表明,流行的运动营养补充剂,如咖啡因、支链氨基酸、碳酸氢钠和肉碱,可以改变肠道微生物群的组成。大型研究队列的结果表明,运动与梭菌和毛螺菌科中的属增加有关。

其他小样本人群研究

尽管有几项研究调查了可能缺乏足够统计功效的小样本群,但有趣的是,通常诸如Akkermansia 和Prevotella等属在运动员和身体活跃的受试者中含量更高。然而,由于临床研究的数量仍然有限,参与者的人口统计学和膳食摄入量(特别是膳食纤维摄入量)差异很大,因此应谨慎得出结论

运动前后营养变化不大,但是菌群有变化

运动对肠道菌群的影响需要考虑运动期间的饮食因素,那么运动前后对营养元素是否会显著变化?

一个研究小组表明,运动训练干预改变了久坐、未受过训练的芬兰女性的肠道微生物群组成,而饮食习惯、体重或身体成分没有改变

作者证明,耐力运动改变了超重、久坐女性的肠道微生物群,这些女性参加了一项运动干预,包括每周 3 次、持续六周的自行车训练。研究表明,在训练干预后,总摄入量或常量营养素或膳食纤维的摄入量没有差异

然而,耐力运动增加VerrucomicrobiaAkkermansia相对丰度并减少肠道中与炎症相关的变形菌数量。此外,变形菌门疣微菌门属对运动有反应,并且与年龄、体重、体脂百分比和食物摄入量无关。另一项研究为期 12 周的有氧运动训练计划显著增加了拟杆菌属的相对丰度,但是在年长、久坐的女性中,营养摄入没有变化。

下表总结了关于运动和/或运动饮食对肠道微生物群影响的研究

Mohr AE, et al., J Int Soc Sports Nutr. 2020

04
运动对肠道的影响

除了影响肠道微生物群,运动还会影响胃肠道生理机能。尽管运动通常是一种有益的或“刺激性”压力,但如果持续时间和强度的增加得不到足够的训练、休息、营养和抗氧化状态的支持,它就会变得有害

运动后的生理效应

运动会激活自主神经系统,增加外周组织和胃肠道中皮质醇和儿茶酚胺、肾上腺素和去甲肾上腺素的循环浓度。这会导致流向胃肠道的血流量减少,导致缺氧、ATP 耗竭和氧化应激。这些作用会破坏肠道屏障,增加肠道通透性、内毒素血症、营养消耗和炎症。胃肠道通过释放与胃肠道紊乱相关的神经递质 γ-氨基丁酸 (GABA)、神经肽 Y 和多巴胺来应对压力激活。这些生理效应与运动的强度、持续时间和频率成正比。

长时间运动可能造成胃肠道紊乱

虽然低至中等强度的运动促进胃肠蠕动和转运时间,但剧烈的 [ >60%最大摄氧量(VO2max) ] 或长时间 (≥2 小时) 运动可能会产生相反的效果,并会造成急性胃肠道紊乱。定期运动可促进适应以维持肠道血流并减少炎症,当然恢复也必须足够。

为什么耐力运动员中常出现胃肠道问题?

胃肠道问题很常见,特别是在耐力运动员中,30-50% 的运动员出现胃肠道不适症。这些症状可以通过生理,机械,心理,营养因子,包括血流量减少,增加的肠通透性引起的,产量增加应激激素和炎症细胞因子,胃排空不足。

然而,在耐力跑之外,很少评估胃肠道症状。例如,一项对参加 4 天严格越野滑雪行军的士兵的研究显示肠道通透性增加,但没有报告胃肠道症状,这使得对主观体验的影响和对运动表现的影响尚不清楚

肠道上皮具有高周转率(3-5 天),需要大量的能量和营养。在没有足够燃料的情况下长时间高强度训练的运动员有可能出现肠道完整性和功能紊乱以及胃肠道症状。特别是,习惯性碳水化合物摄入量不足会增加对长时间、持续剧烈运动的促炎应激反应

根据运动类型、强度、年龄和其他因素,20-50% 的运动员会出现胃肠道症状,并且随着运动强度的增加而增加

高强度运动带来的负面影响

在对 29 名训练有素的男性铁人三项运动员的研究中,在比赛中,93% 的人报告消化功能紊乱,两名参与者因严重呕吐和腹泻而不得不放弃比赛。这些在运动员中很常见,因为在剧烈运动期间体温升高,血液从胃肠道流向周边肌肉和器官,如心脏和肺。远离肠道的血流重新分布以及对肠黏膜的热损伤可导致肠道屏障破坏,继而引发炎症反应

在每周进行 4-10 小时耐力运动的健康年轻成年男性骑自行车者中,仅以 70% 的最大工作负荷进行 1 小时的运动就会产生内脏灌注不足,这会导致胃肠道循环减少、肠道通透性增加和小器官受损

另一项研究表明,在 70% VO2max 下运动的人会导致内脏血流量减少 60-70%,当血流量减少 50% 时,运动引起的缺血会导致肠道通透性增加 。

加一句题外话,例如明星,网红为了美,限制碳水摄入,同时大量高强度锻炼来达到快速瘦身的效果,其实损害了肠道健康,可能会引起全身炎症反应,不要盲目效仿。

然而,研究主要集中在运动期间急性摄入(之前和期间)对胃肠道症状的影响,而不是习惯性饮食,尽管越来越多的运动员和研究人员关注避免食物的策略,例如低发酵低聚糖,二糖、单糖 、FODMAP 饮食或无麸质饮食。

剧烈运动 -> 胃肠道紊乱 -> 影响肠道微生物群

导致胃肠道症状的氧化应激增加和肠道屏障功能紊乱也会影响肠道微生物群LPS(由肠道通透性增加引起的革兰氏阴性菌的成分)的易位会导致内毒素血症并触发促炎细胞因子分泌到胃肠道中,这可能会影响肠道微生物群并进一步加剧病情

反过来:肠道微生物群失调 -> 胃肠道紊乱

相反,微生物代谢物丁酸盐和丙酸盐可作为结肠细胞的能量来源,减少粘膜降解、胃肠道通透性和炎性细胞因子。

肠道微生物群可作为生物标志物

由于微生物组成和多样性的改变与运动员胃肠道不适的流行有关,因此肠道微生物群组成可用作运动后代谢和全身压力的生物标志物

例如,一项研究运动对血清和粪便代谢组以及肠道微生物群的急性影响的研究表明,一次运动上调骨骼肌底物利用和血清中碳水化合物代谢物的代谢途径,增加粪便氨和氨基酸代谢物,并增加梭菌的丰度。因此,微生物和代谢物谱的急剧变化可以提供有关运动对胃肠道和代谢影响的信息。

此外,考虑到运动对肠道微生物群的影响以及对以肠道为中心的饮食策略的需求,胃肠道症状评估可以补充有关肠道微生物群组成的信息

05
肠道菌群在运动引起的胃肠道症状的作用

一般运动员在运动训练中摄入大量单糖,以最大限度地储存糖原和维持血糖,同时尽量减少膳食纤维和抗性淀粉的摄入,以防止胃肠道紊乱。膳食纤维和抗性淀粉摄入不足可能会导致排便减少,从而导致肠道功能下降,也会降低肠道微生物群的多样性

此外,运动员比非运动员消耗更多的动物蛋白来满足肌肉增生的需要。蛋白质摄入过多会导致肠道微生物中氮底物过量,产生腐败的发酵产物,如氨、硫化氢、胺、酚、硫醇和吲哚。随着食糜通过肠道,碳水化合物含量减少,腐烂的发酵变得更加有害。

实际上,蛋白质摄入过量,同时结肠中可发酵的膳食底物较低,会导致结肠黏膜DNA损伤。

高强度运动通过血液影响肠道微生物群

此外,高强度运动刺激血液从肠道器官重新分配到肌肉,同时它们积极进行细胞呼吸。血液的频繁重新分布可能会通过内脏低灌注和缺血以及随后的再灌注来扰乱肠道微生物群。因此,需要研究特定运动类型和运动员饮食对肠道微生物群的长期影响。

肠道微生物群在胃肠道功能、肠道免疫、内分泌以及调节氧化应激和水合水平等方面扮演多种角色,对肠道微生物群改善运动员肠道屏障功能的机制的研究也就越来越多。

微生物群产生的 SCFA 影响一系列宿主过程

在结肠和盲肠中,复杂的植物来源的多糖被消化,随后被肠道微生物(如乳杆菌、双歧杆菌、梭状芽孢杆菌、拟杆菌)发酵成短链脂肪酸和气体,这些气体也被专门的细菌(如还原性产乙酸菌)用作碳和能源、硫酸盐还原菌和产甲烷菌。肠道中乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐在结肠和粪便中的摩尔比约为 60:20:20。肠道微生物群的组成,微生物群之间的代谢相互作用,及主要膳食宏量和微量营养素的数量和类型,决定了肠道微生物群产生的短链脂肪酸的类型和数量。

一个人吃的植物来源的多糖、寡糖、抗性淀粉和膳食纤维越多,这些细菌就越能将这些难以消化的食物来源发酵成有益的短链脂肪酸。微生物群产生的短链脂肪酸影响一系列宿主过程,包括控制结肠 pH 值,进而影响微生物群组成、肠道运动、肠道通透性和上皮细胞增殖。

Lensu, S. et al., Metabolites, 2021

06
运动强度压力,激素与微生物群变化

运动引起的压会改变分解代谢激素、细胞因子和肠道微生物群,这可能会导致胃肠道紊乱、焦虑、抑郁和表现不佳。肠道微生物群在人类生物学的许多方面都具有基础性作用,包括新陈代谢、内分泌、神经元和免疫功能。

Allison Clark & Núria Mach,J Int Soc Sports Nutr. 2016

适当的肠道屏障功能对于维持健康和免疫力至关重要。但是训练和比赛数小时的精英运动员会经历身体和情绪压力导致生理稳态发生变化,刺激SAM(交感神经-肾上腺髓质轴)和 HPA轴(下丘脑-垂体-肾上腺轴)高强度运动期间的胃肠道紊乱。

在剧烈运动期间,运动员的体温会升高,血液会在剧烈运动时从胃肠道流向周围肌肉和器官,例如心脏和肺。远离肠道的血流重新分布以及对肠黏膜的热损伤可导致肠道屏障破坏,继而引发炎症反应。长时间的剧烈运动会增加胃肠道中的应激激素和脂多糖 (LPS) 易位,从而引发免疫反应,这通常会导致促炎细胞因子和肠道通透性增加。

由于活性氧 (ROS) 的产生增加以及肠道微生物群组成和活性的改变(所谓的生态失调),肠道通透性可能会变得更糟。

胃肠道通过释放 GABA、神经肽 Y (NPY) 和多巴胺等激素来应对压力,这些激素会导致肠道紊乱、焦虑、抑郁、食物摄入减少和压力应对能力降低。相反,微生物群产生的丁酸盐和丙酸盐可以增加跨上皮抵抗,从而改善肠道屏障功能并减少炎症。

胃肠道通过释放 GABA、NPY和多巴胺等激素来应对压力

GABA,这是身体的主要抑制中枢神经系统的神经递质,调节血压和心率和在各种胃肠道功能中起着重要作用,如运动性,胃排空和瞬态下食道括约肌放松,以及焦虑、抑郁,疼痛感和免疫反应。

适度运动可以增加下丘脑中的 GABA 水平,从而降低静息血压、心率和交感神经张力。在 25 °C 水中强迫游泳时,发现大鼠海马 GABA 水平下降(基线的 70%)。

神经肽 Y(NPY)也会在胃肠道中响应各种压力刺激(例如剧烈运动)而释放,并在减弱 HPA 轴方面发挥作用。

注:神经肽Y是一种36个氨基酸的肽,位于整个肠脑轴,是大脑中最普遍的神经肽,在压力恢复和炎症过程中发挥作用。

检测了 12 名训练有素的赛艇运动员的神经肽 Y血清水平,发现运动后神经肽Y的浓度显著增加。虽然很少有研究研究了血清和海马 NPY 水平对运动的反应,但这些结果表明它在减少剧烈运动时的压力反应方面发挥作用。

多巴胺(去甲肾上腺素和肾上腺素的前体)也可以在胃肠道压力期间合成

多巴胺的产生取决于几个因素

  • 其前体酪氨酸的水平
  • 直接产生多巴胺的肠道细菌
  • 所经历的压力类型
  • 性别

整个肠道中有多种多巴胺受体,表明它在肠-脑轴中发挥作用。胃肠道、脾脏和胰腺会产生大量的多巴胺。在人胃上皮细胞中发现了多巴胺合成的限速酶酪氨酸羟化酶,表明其功能存在于大脑中的神经传递之外。每天大约 1-2 小时惯性运动已被证明会增加大脑中的多巴胺水平

肠道微生物群如何与周围组织(如胃肠道粘膜层)的应激激素直接相互作用?

去甲肾上腺素(NE)已显示对肠道嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)、博德特氏菌属(Bordetella)、空肠弯曲杆菌(Campylobacter jejuni)、幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)、李斯特菌(Listeria)和沙门氏菌(Salmonella enterica)有直接影响。

其中去甲肾上腺素促进致病细菌生长的一些方法是,通过增加其毒力因子 K99 菌毛粘附素的表达以及激活鼠伤寒沙门氏菌中毒力相关因子的表达来促进大肠杆菌粘附在肠壁上,然后使这些细菌更容易感染。

此外,去甲肾上腺素还会增加非致病性大肠杆其他革兰氏阴性菌的水平。

微生物组如何调节运动引起的压力反应?

最近发表了一项研究,揭示了对胃肠道和全身健康很重要的,独特微生物群—宿主相互作用。

在结肠炎小鼠模型中,自愿跑步 6 周会减轻症状,而强制跑步机跑步加剧肠道炎症和临床结果。粪便和盲肠水平与 6 周强制跑步机跑步组相比,与免疫功能和肠道疾病密切相关的在自愿跑步者中显著降低。

此外,与久坐组相比,强制组中的瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)在肠道粘液降解中具有明确的作用,以及增加了丁弧菌属、Oscillospira属和粪球菌属。

这项针对运动和压力动物的初步研究表明,运动可以改变微生物群的组成以及代谢功能,这可能根据运动强度和自愿性等对菌群产生积极或消极的影响。

07
靶向肠道微生物群调节对身体机能的影响

由于营养、遗传和环境因素,在人类临床研究中剖析肠道微生物群对运动表现的确切作用可能很困难无菌动物模型克服了其中的许多挑战,并已被用于证明肠道微生物群对身体表现结果所起的作用。

失去肠道微生物群的小鼠,运动表现下降

研究了无特定病原体 (SPF)、无菌 (GF) 和脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)无菌小鼠的游泳能力。GF 小鼠从游泳到精疲力竭的时间最短,SPF小鼠最长,表明在没有肠道微生物群的情况下表现会下降。观察到与SPF小鼠相比,GF 小鼠表现降低的类似发现。

其他研究:失去肠道微生物群的小鼠运动表现无影响,但肌肉功能下降

与上述相反,另外的研究,GF 小鼠和 SPF 小鼠在运动至精疲力竭时的身体表现没有差异。然而,与 SPF 小鼠相比,GF 小鼠表现出肌肉质量减少、肌纤维减少和肌肉力量降低。GF 小鼠的肌肉萎缩与线粒体生物合成失调和氧化能力降低有关。SPF 小鼠肠道微生物群的移植恢复了 GF 小鼠的肌肉质量,与未治疗的 GF 小鼠相比,用短链脂肪酸混合治疗增加了 GF 小鼠的骨骼肌质量和肌肉力量。

抗生素治疗极大地改变了肠道微生物群的组成

研究证明肠道微生物群在光谱抗生素治疗后耗竭,同时减少了小鼠的耐力运行时间,通过重新接种微生物群恢复后,耐力能力恢复正常。耐力能力的变化与肌肉质量、肌纤维类型或线粒体功能的变化无关,但与肌糖原水平的变化有关,在重新接种后恢复

多项研究报告了类似的发现,其中与未治疗的对照组相比,使用多种抗生素治疗的小鼠的跑步机运行时间更短

SCFA 产生的影响及其对运动表现的作用

通过用具有不同底物可用性的纤维喂养小鼠,以在肠道中产生微生物 SCFA。与喂食高度可发酵纤维的小鼠相比,喂食可发酵纤维减少的小鼠的跑步时间显著缩短,这表明微生物群及其底物都与身体机能有关。

为了进一步探索 SCFAs 在表现能力中的假定作用,对抗生素治疗的小鼠进行皮下注射乙酸盐或丁酸盐。乙酸盐而非丁酸盐的输注改善了抗生素引起的剧烈运动带来的不良反应。

无菌动物当然是一种极端模型,可能无法解释在人类微生物群中观察到的更细微的差异。不过,无菌动物模型的研究已经建立了肠道微生物群与身体机能之间的因果关系

总体而言,恢复肠道微生物群失调似乎可以有效恢复啮齿动物的运动能力和骨骼肌参数。

此外,肠道微生物群组成的差异或肠道微生物群的缺乏可以调节与肌肉结构、肌肉力量和/或能量利用相关的运动能力

08
哪些运动可以改善你的微生物群?

身体活动分为力量和耐力两大类,这取决于你的身体如何产生能量来维持你的运动表现。

无氧运动

力量运动通常高强度,如举重、短跑和拳击。这些运动通过锻炼细胞的无氧途径增强肌肉质量。这就是说你的肌肉利用其有限的糖原储备来制造 ATP(肌肉的燃料),而无需使用氧气

最近的一项研究表明,宿主骨骼肌在无氧运动期间产生的乳酸通过循环进入肠腔,为结肠中利用乳酸的物种提供了选择性优势。这项开创性工作的结果表明,在高强度运动期间,宿主以乳酸的形式为特定细菌提供燃料,这些细菌又会产生代谢物,例如丙酸盐,对运动宿主有益

有氧运动

这与耐力运动不同,有氧运动允许身体以较低的强度进行运动,但运动时间要长得,例如长跑、骑自行车和滑雪,此类运动肌肉使用氧气将脂肪和糖类转化为 ATP 作为燃料

测量心血管健康最流行的方法是 V02最大值,它可以查看你的身体在剧烈运动期间可以使用的最大氧气量。用于评估耐力表现,并且可以通过高强度运动得到显著改善。

几项研究表明,微生物群组成与心肺健康之间的关系可以解释“分类丰富度”(微生物组中鉴定的细菌多样性)的 20% 以上的变化。注意到这些变化与其他因素无关,包括年龄、脂肪摄入量和碳水化合物摄入量。

有氧运动对微生物群及身体的益处

研究表明,有氧运动对你的微生物群有好处,包括有益菌和整体多样性丰度增加

重复进行有氧运动可以增加健康个体和患有慢性便秘的中年患者的胃肠道转运时间。

有氧运动还会增加粪便 SCFA 浓度,从而降低结肠腔的 pH 值。

此外,作为运动副产物并在全身循环的代谢物(例如乳酸),可能会通过肠道过滤并作为某些细菌分类群(例如韦永氏菌)的能量来源。

有氧运动类型及建议

有氧运动是长期而稳定的,确保为你的肌肉提供氧气,以便它们可以产生燃料 (ATP)。这包括任何可以提高心率并长时间保持心率的运动。

比如:步行、慢跑、跳舞、慢骑自行车、椭圆机和健身房的划船机、登山、游泳等都是有氧运动。但是,锻炼的强度和持续时间还是根据身体的总体健康水平而异。

有氧运动是长期的。放轻松,坚持下去,你的身体会适应的。

NHS 已经发布了成人的运动建议:

至少150分钟中等的有氧运动,如骑自行车或快走
每周进行 2 天或更多天的力量锻炼,可以锻炼所有主要肌肉(腿部、臀部、背部、腹部、胸部、肩部和手臂)
或者
每周进行中等强度和剧烈有氧运动的组合——例如,两次 30 分钟的跑步加上 30 分钟的快走相当于 150 分钟的中等有氧运动
每周进行 2 天或更多天的力量锻炼,可以锻炼所有主要肌肉(腿部、臀部、背部、腹部、胸部、肩部和手臂)

09
运动期间改善肠道问题的饮食建议

适当的训练计划旨在平衡精英运动员所经历的全身压力因素以及个性化的饮食计划,以提高表现并减少运动引起的压力症状

某种营养素对应激反应的调节程度取决于持续时间、运动员的整体营养状况、运动的类型和强度、生理状况以及肠道微生物群的组成和功能。由于精英运动员的压力反应相当复杂(从肠漏到分解代谢和抑郁症),定义标准的饮食计划很困难

一般来说,许多精英运动员被鼓励摄入大量的简单碳水化合物和蛋白质以及少量的脂肪和纤维,以提供快速的能量来源,同时避免潜在的消化问题,例如高纤维饮食有时会出现的胀气和腹胀。精英运动员的饮食计划也基于某些微量营养素的消耗,如铁、钙、氨基酸、必需脂肪酸和抗氧化剂

饮食设计应考虑肠道微生物群

由于饮食强烈影响微生物群的组成和功能,通过营养治疗调节肠道微生物群可以改善运动员的压力反应并提高表现。可以假设,每个饮食计划可能都伴随着微生物群的同步调整。为运动员设计个性化饮食时的另一个重要考虑因素是了解微生物组如何随时间变化

目前和未来运动员或经常的锻炼计划应根据其对肠道微生物群的潜在影响来考虑饮食策略,包括以运动为中心的饮食策略(例如,蛋白质补充剂、碳水化合物负荷)对肠道微生物群的影响以及以肠道为中心的饮食策略的影响。

对性能的饮食策略,除了摄入益生元、益生菌和合生元外,摄入足够的膳食纤维、多种蛋白质来源,并强调不饱和脂肪,尤其是 omega-3脂肪酸,在优化运动员的健康和表现。

蛋白质

蛋白质是骨骼肌的主要成分。然而,特定氨基酸在肝脏和骨骼肌的吸收和分解代谢以及它们调节肌肉蛋白质合成反应的能力方面有所不同

必需氨基酸,尤其是支链氨基酸 (BCAA),对于肌肉蛋白质合成至关重要,并且比非必需氨基酸产生更大的肌肉蛋白质合成反应。因此,膳食蛋白质会影响蛋白质利用和骨骼肌对运动的合成代谢反应

补充亮氨酸导致血浆亮氨酸和总支链氨基酸浓度显著增加,并改善耐力表现和上肢力量,影响血浆色氨酸:支链氨基酸比率。BCAA 的补充也被用于通过改变大脑神经递质的产生(如 5-HTP、多巴胺和去甲肾上腺素)来调节运动期间疲劳的影响。由于缺乏证据,无法对运动员应服用的 BCAA 类型或数量提出建议。

运动员可能需要的蛋白质是一般人群的两倍

用以维持蛋白质合成、能量产生、免疫功能和肠道完整性和运动引起的压力的结果。

这对于耐力和阻力训练的运动员来说比较重要。耐力运动员可能需要在运动后恢复期摄入更多的蛋白质,尤其是在禁食状态下进行耐力运动时,因为这可能会增加肌丝蛋白水解。

虽然根据饮食和生理因素而变化,例如消化率、氨基酸的数量和组成、食物基质以及其他营养素的存在,但约 10% 的蛋白质未被消化,可能会到达结肠被肠道细菌分泌的蛋白酶进行蛋白水解。

Hughes RL, et al., Adv Nutr. 2021

关于肠道微生物群代谢,氨基酸可以根据其发酵代谢产物进行分类:含硫氨基酸、芳香族氨基酸和色氨酸

过量蛋白质摄入的不利影响

这些代谢物包括支链脂肪酸和短链脂肪酸、氨、硫化物、吲哚和酚类化合物。虽然其中一些代谢物(例如 SCFA 和吲哚)可能具有改善肠道完整性等有益效果,但其他代谢物(例如氨和对甲酚)会降低肠道上皮完整性过量的蛋白质摄入可能会导致蛋白水解代谢物的产生水平超过宿主吸收、转化或解毒有害代谢物的能力,导致对肠道屏障功能、炎症和结肠健康的不利影响

非蛋白质成分有助于运动后的蛋白质合成反应

另一个领域是全食物蛋白质与蛋白质补充剂的影响,因为全食物具有相同或更好的增效作用。例如,摄入全鸡蛋蛋清相比,摄入全脂牛奶脱脂牛奶相比,会导致更多的氨基酸摄入和运动后肌原蛋白合成,表明非蛋白质成分(例如,脂质、碳水化合物、微量营养素和其他生物活性化合物)有助于运动后的蛋白质合成反应

过量蛋白质补充剂增加结直肠癌风险

蛋白质补充剂,包括添加到能量饮料中的支链氨基酸和牛磺酸,通常被运动员用来增强运动对骨骼肌的合成代谢和适应性作用,并促进恢复。过量的牛磺酸会导致牛磺胆酸(TCA)、脱氧胆酸(DCA) 和硫化氢 (H2S) 浓度升高,这与结直肠癌风险增加有关;然而,这些补充剂对运动肠道微生物群的影响尚不清楚

谷氨酰胺

运动前几天食用高蛋白、低碳水化合物的饮食会导致运动后血浆谷氨酰胺浓度降低。然而,谷氨酰胺补充剂几乎没有得到对健康、营养良好的运动员的严格控制的科学研究的支持。此外,研究者指出谷氨酰胺补充剂应取决于症状(即血浆谷氨酰胺水平低、肠漏)。

酪氨酸

新的中央疲劳假说指出,当血清素水平升高而多巴胺水平降低时,疲劳就会开始,这可能是许多运动员服用酪氨酸补充剂以防止其消耗的原因,尽管尚未确定推荐的补充剂量。酪氨酸或 4-羟基苯丙氨酸可在体内由苯丙氨酸合成,存在于许多高蛋白食物中,如豆制品、鸡肉、火鸡、鱼、花生、杏仁、鳄梨、牛奶、奶酪、酸奶和芝麻。

肠道微生物群通过增加膳食蛋白质的生物利用度和吸收以及增加肌肉蛋白质合成影响肌肉功能

有证据表明,肠道微生物有助于蛋白质的吸收和利用。例如,益生菌补充剂(副干酪乳杆菌)增强了植物蛋白的生物利用度,将必需氨基酸和支链氨基酸的浓度提高到与动物蛋白相当的浓度。此外,当与蛋白质共同给药时,益生菌凝结芽孢杆菌(GBI-30,6086) 减少了上皮细胞炎症,改善了营养吸收,并产生了增加人类氨基酸吸收的蛋白酶。这些作用可以减少肌肉损伤并促进肌肉恢复,从而提高适应能力和表现。

需要注意的是,细菌虽发酵氨基酸,但它们代谢动物和植物蛋白的方式不同。每个饮食计划都伴随着微生物群组成和功能的同步调整。因此,纯素食者、素食者、杂食者和红肉摄入量高的饮食的微生物群组成差异很大。

多项研究表明在高蛋白饮食中添加抗性淀粉可以抵消高蛋白摄入的负面影响,进一步说明摄入足够的膳食纤维对肠道和整体健康的重要性

碳水化合物

毫无疑问,充足的碳水化合物消耗对于繁重的训练计划和成功的运动表现至关重要

碳水化合物怎么补充?

对于每天训练超过 2 小时的运动员,膳食碳水化合物的摄入量为每天 7 至 12 克/千克,脂肪摄入量通常小于每天体重的 1 克/千克(消耗总卡路里的 20%)。

碳水化合物在长时间的剧烈运动中恢复肌肉和肝脏糖原储存,减轻压力激素水平升高,如皮质醇,并可以限制与高强度运动相关的免疫抑制。高碳水化合物饮食(8.5 g/Kg/d;总能量摄入的 65%)和随意食用碳水化合物在高强度训练期间可以减少疲劳并改善身体机能和情绪。

运动前和运动中摄入大量简单碳水化合物

针对运动员的饮食建议在运动前摄入大量简单碳水化合物以维持葡萄糖稳态,并在运动前摄入低纤维以减少胃肠道不适,同时补充说,以植物为基础的高纤维饮食可能会降低能量供应。在运动前和运动期间摄入简单碳水化合物(例如,葡萄糖、果糖、蔗糖、右旋糖)可以减轻疲劳、提高运动表现、促进水重吸收和维持水分充足。

摄入等量的果糖和葡萄糖,优化果糖吸收减轻不适

然而,葡萄糖和果糖负荷以及果糖与葡萄糖的比例会影响肠道微生物发酵胃肠道应激。葡萄糖和果糖的组合导致比摄入单一碳水化合物更高的碳水化合物氧化率,减少运动期间内源性能量储存的消耗。摄入等量的果糖和葡萄糖可优化果糖吸收,减少微生物发酵,从而减轻胃肠道不适症状。

乳糖提高运动表现和恢复能力

乳糖还可以作为运动前、运动中和运动后的良好燃料来源,以提高运动表现和恢复能力,同时还可能促进对肠道微生物群的有益影响,例如双歧杆菌和乳酸杆菌的增加。

注意:

高碳水化合物饮食不会改善免疫功能,也不会防止经过大量训练后血浆谷氨酰胺浓度降低。

富含简单和精制碳水化合物的饮食不会促进健康的肠道微生物群组成,也不会产生有益的短链脂肪酸。

需要更多的研究来了解微生物群从饮食中提取营养的能力,并包括宿主的代谢变化。

膳食纤维

一般每 1,000 卡路里摄入足够的纤维总量为 14 克,即成年女性为 25 克,成年男性为 38 克。

低膳食纤维供应与较低的微生物群多样性、较少的短链脂肪酸产生和较少的抗病原菌相关,所有这些都可能对宿主产生有害的长期后果

运动员或运动锻炼期间可以通过增加植物性食物的摄入量(例如全谷类、豆类、蔬菜、水果和坚果),同时在恢复期和训练期减少来自高添加糖、精制碳水化合物和脂肪的加工食品的能量,从而获得足够的膳食纤维摄入量,因为在激烈的训练或比赛之前吃高纤维饮食可能会导致胃肠道不适,如腹胀、胀气

腹胀详见:“肚子像气球?”“好像怀孕?”——可能是腹胀惹的祸

此外,膳食纤维和大量食用植物性食物似乎会抑制细菌从蛋白质中产生有害代谢物,这强调了摄入足够的复合碳水化合物以维持肠道微生物组碳水化合物发酵的重要性。

脂肪和多不饱和脂肪酸

运动员的脂肪消耗量往往很低,占膳食能量的 15-30% 。长时间运动期间脂肪代谢的增加(30-50% 的膳食能量)可能具有糖原节约作用,并可能改善耐力表现和健康。

高脂肠内营养可以减轻肠道灌注不足导致消化功能紊乱后的肠道炎症、细菌易位和肠道损伤

高脂饮食的危害

另一方面,高脂饮食会导致类似焦虑的行为增加,选择性破坏探索性、认知性和刻板行为,神经炎症破坏肠道屏障功能的标志物,以及与高脂肪饮食的小鼠相比增加循环内毒素和淋巴细胞表达

在人类中,与高碳水化合物饮食(65% 的饮食能量)相比,富含脂肪的饮食(62% 的饮食能量)可能对免疫功能有害

这些作者比较了 10 名未经训练的年轻男性在每周 3-4 次持续 7 周的耐力训练期间食用富含碳水化合物的饮食,和10 名高脂饮食的受试者。高脂饮食的运动员的 NK 细胞活性较低

注:NK 细胞溶解一定数量肿瘤靶细胞的能力

Omega-6 多不饱和脂肪酸

它可以改变细胞膜流动性并间接影响免疫功能,包括减少 IL-2 的产生和抑制有丝分裂原诱导的淋巴细胞增殖,从而在运动期间和运动后产生潜在的不良免疫功能。

omega-3 多不饱和脂肪酸

它的最佳剂量约为 1–2 g/d,二十碳五烯酸与二十二碳六烯酸的比例为 2:1,可能会减少运动过程中 ROS 的产生。

高脂饮食对运动的影响不明确

到目前为止,由于结果相互矛盾,很难就补充 omega-3 的数量和持续时间向运动员提出任何明确的建议。目前,高脂肪饮食对后续运动表现的影响是模棱两可的,并且缺乏关于压力个体的信息。

最重要的是,摄入高脂肪和卡路里的饮食与慢性“低度”全身炎症、肠道通透性和血浆LPS增加以及总细菌多样性降低以及拟杆菌和梭菌的相对比例增加有关。因此,似乎食用高脂肪饮食也可能导致肠道微生物群发生不利变化。

维生素和抗氧化剂

运动员通常不会补充维生素和其他抗氧化剂,但建议运动员应考虑增加抗氧化剂的摄入量,如维生素 C、E、β-胡萝卜素和多酚,以减少 ROS 的形成和脂质过氧化。

用蓝莓和绿茶提取物(作为布洛芬替代品)补充多酚并没有改变既定的炎症和氧化应激,但增加了肠道细菌多酚代谢特征的代谢物(例如马尿酸盐、4-羟基马尿酸、4-甲基儿茶酚硫酸盐)和跑步者在3天剧烈运动后恢复期间的生酮。

不推荐补充个别微量营养素或食用大剂量的简单抗氧化剂混合物

尽管没有任何负面影响的报道,但富含多酚提取物(蓝莓和绿茶)的运动员饮食并没有减轻剧烈运动带来的生理压力,也没有提高恢复速度

摄入大剂量的个别维生素(在运动员中并不少见)可能弊大于利,因为大多数维生素在体内主要作为辅酶发挥作用。一旦这些酶系统饱和,游离形式的维生素就会产生毒性作用。因此,运动锻炼期间应该通过增加水果和蔬菜的摄入量来获得复杂的抗氧化化合物混合物。

益生菌

常规益生菌包括双歧杆菌属和乳酸杆菌,尽管在运动员中研究的其他细菌包括芽孢杆菌属、肠球菌属、链球菌属、韦永氏菌或酵母布拉氏酵母菌。

益生菌带来的健康益处及对运动效果的影响

益生菌可减少感染、炎症、肌肉酸痛和胃肠道通透性或不适。迄今为止,益生菌益处的最实质性证据是改善上呼吸道感染的发生率、持续时间和严重程度,这可能会间接提高运动成绩。

呼吸道症状改善的研究包括来自乳酸杆菌家族的有机体。L.salivarius也可能通过增加产生丁酸盐的类群RoseburiaLachnospiraceae 来降低胃肠道通透性,并减少疣微菌。虽然有证据表明益生菌功能的共享机制,但益生菌的益处通常取决于益生菌的菌株和剂量

益生菌可以通过改善肠道通透性和抗氧化状态以及减少炎症来减轻剧烈运动对运动员胃肠道不适和肌肉酸痛的影响。布拉氏酵母菌和嗜酸乳杆菌和双歧双歧杆菌的组合有助于预防旅行者腹泻

益生菌还可以通过生物活性代谢物的产生(例如短链脂肪酸、神经递质)、肠道 pH 的调节和肠道的改变等机制改善营养吸收和利用、糖原储存、身体成分、能量收集、激素产生以及认知和情绪微生物群的活动。例如,植物乳杆菌增加了铁人三项运动员的耐力表现,同时增加了粪便短链脂肪酸。

一项对小鼠的研究表明,从一名奥林匹克举重运动员身上分离出的细菌菌株 [ L. salivarius亚种 salicinius (SA-03)] 通过增加肝脏和肌肉糖原并降低乳酸、血尿素氮、氨和肌酸激酶在运动后提高耐力表现和肌肉力量

然而,更多的研究表明,多菌株益生菌比单菌株益生菌具有更强的增效作用,这表明多种菌株可能以互补的方式发挥作用以提供性能优势

益生菌可能因此有利于通过直接和间接的机制,提高运动成绩,虽然增补效应的证据仍然稀少。

益生菌如何补充?

益生菌菌株和剂量的差异以及个人的基线饮食、免疫状态和微生物群组成可能会导致研究之间的结果存在差异,从而使比较和得出结论变得困难。

大多数针对运动员的益生菌补充研究并未评估肠道微生物群,因此很难确定疗效否取决于基线或参与者肠道微生物群组成的变化。同时饮食摄入,尤其是纤维和益生元底物的摄入,也可能影响益生菌的作用,因此应在分析中加以考虑。因为消费者应该意识到,如果没有足够营养的饮食支持,单独补充益生菌可能不会产生预期的效果

此外,针对运动的益生菌补充研究通常样本量较小(即 10 至 30 名参与者),并且通常仅包括或主要包括男性参与者,这是有问题的,因为存在可能是性别特定的影响

发酵食品对运动的影响

人们越来越关注发酵食品中活培养物的影响 ,以及它们的影响或与肠道微生物群的关联。然而,很少有研究调查发酵食品(包括酸奶、开菲尔、酸菜)对运动的影响。

三项使用开菲尔或发酵乳的研究报告称,运动诱发的 CRP 或肌酸磷酸激酶和肌肉酸痛降低,表明这些发酵食品对减少炎症有积极作用。一项小鼠研究报告了开菲尔对力量和耐力的增效作用。因此,含有活微生物的发酵食品可能对炎症和运动表现有益

合生元

合生元是“包含活微生物和宿主微生物选择性利用的底物的混合物,它赋予宿主健康益处”。合生元可能是益生菌和益生元的组合(互补合生元),尽管单个成分不一定需要满足益生菌和益生元的标准,只要它们在共同给药时协同作用(协同合生元)。因此,益生元成分可以增强益生菌(协同合生元)的功能,或者这两种成分在引入肠道及其常驻微生物(互补合生元)后可以提供独立的有益功能。

这种微生物和选择性利用底物的组合可能比单独补充益生元或益生菌具有不同的效果。然而,只有 1 项研究调查了这些成分对身体活跃的人类的协同和独立影响。合生元补充剂(副干酪乳杆菌431、动物双歧杆菌乳酸亚种BB-12、嗜酸乳杆菌LA-5、鼠李糖乳杆菌)与单独补充益生元(阿拉伯胶)相比,LGG、raftiline、raftilose、乳铁蛋白、免疫球蛋白、阿拉伯胶)与血清 IL-16 浓度的增加较小相关,但合生元补充剂和阿拉伯胶单独都不影响 SCFA 浓度、免疫或胃肠通透性。因此,与单独补充益生元或益生菌相比,合生元可能对运动员的健康和表现产生不同或额外的影响

微量营养素

微量营养素有助于免疫功能、炎症、能量代谢和骨骼健康,影响运动表现。充足的铁、锌和维生素 A、E、C、B-6 和 B-12 的摄入量对于适当的免疫功能至关重要,在运动员的高强度训练和比赛条件下可能会受到影响。

此外,由于汗液和尿液的流失以及氧化应激的增加,运动员对某些微量营养素的饮食需求可能会增加。此外,女运动员或女性增加锻炼缺铁的风险更高,影响健康和表现。

微量营养素与肠道微生物群

缺乏抗氧化微量营养素(例如,维生素 C 和 E 以及硒)会减少共生肠道细菌的数量,同时促进大肠杆菌的增加。

在压力增加的动物中,维生素 C、维生素 E、多酚、硫辛酸和微生物抗氧化剂的抗氧化剂混合物可恢复肠道氧化还原状态,这与双歧杆菌和乳杆菌增加以及大肠杆菌减少有关。然而,过量摄入某些微量营养素也可能增加感染易感性。例如,婴儿过量补铁会增加病原微生物,包括大肠杆菌,并导致肠道炎症。

因此,在压力增加或微量营养素缺乏的情况下补充微量营养素可能对免疫和炎症具有微生物群介导的益处。

钙和维生素D

钙和维生素D支持骨骼健康。此外,维生素 D 可能通过调节钙依赖性收缩、蛋白质依赖性骨骼肌合成代谢、线粒体功能和胰岛素敏感性来影响骨骼肌质量和强度。纤维摄入后双歧杆菌、毛螺菌科和拟杆菌的增加与钙吸收的增加呈正相关。这可能是由于短链脂肪酸的产生,它通过降低结肠 pH 值或调节信号通路或基因表达来增加钙吸收。维生素 D 的摄入也会影响肠道微生物群,尽管结果的可变性排除了确定补充剂对特定分类群的影响的能力。摄入钙和维生素 D 与肠道微生物群之间的双向关系对所有年龄段运动员的骨骼健康都有重要意义,无论是生长还是维持骨密度,以降低骨折风险。

需避免的食物

胃肠道问题在运动员和长期运动锻炼人群中比较常见。为了缓解症状,运动员可能会避免或限制某些会引发症状的食物。运动员还可以采用营养策略来增加胃排空并改善水和营养物质的吸收,包括避免高 FODMAP食物含麸质食物

FODMAP 是不易消化的短链碳水化合物,可增加胃肠道内的渗透负荷。肠道微生物可以将这些膳食成分发酵形成气体,从而导致有些人出现腹胀和胃肠道不适。

最近一项调查耐力运动员 FODMAP 摄入量的研究报告称,高摄入量都会导致胃肠道症状。初步结果表明,低FODMAP饮食减轻了运动员胃肠道症状。然而,FODMAP也充当肠道微生物群的燃料,它们的限制可能会影响群落的组成和功能。

有一种推测,无麸质饮食之所以能改善胃肠道症状,并不是其本身,而是其中 FODMAP 食物的减少

只有一项研究调查了无麸质饮食对非腹腔耐力运动员的影响,其中报告无麸质饮食对表现、胃肠道症状、健康、肠道损伤或炎症没有影响。

10
总结与展望

运动可能是改变肠道菌群组成和恢复肠道共生的重要干预措施

目前的研究支持运动作为一种重要的行为因素的作用,它可以影响肠道微生物组成和功能的定性和定量变化,并对宿主有益。运动可以丰富微生物群的多样性,刺激可以调节粘膜免疫、改善屏障功能的细菌的增殖,并刺激能够产生防止胃肠道疾病和提高性能的物质的细菌和功能通路。

尽管这些变化可能会以类似的方式在个体间发生,也可能取决于微生物群和宿主的基线特征。

值得注意的是,某些菌群可能在运动员中富集,例如与瘦表型相关的A. muciniphila和产生丙酸盐的Veillonella(通过乳酸代谢)。精英运动员身上丰富多样的、有利于代谢的肠道微生物群,很可能是在整个青春期和成年期参加高水平运动期间,多年高营养摄入和高强度运动和训练的累积表现

运动带来的益处涉及内在和外在因素的结合

常运动的人更有可能接触到他们的环境生物圈,并遵循整体健康的生活方式,因此拥有更健康的微生物群。

同时,耐力训练的内在适应性,例如血流量减少、组织缺氧以及转运和吸收能力增加,可导致胃肠道发生变化。胃肠道转运时间的变化又会影响结肠腔内的 pH 值,这可能导致肠道微生物群的组成发生变化。而较长的结肠转运时间与肠道微生物群多样性的减少有关,同时伴随着从近端结肠到远端结肠的转运过程中 pH 值的增加。

长时间过度运动对肠道功能产生不利影响

尽管运动通常有益健康,但如果持续时间和强度的增加,且得不到足够的休息、营养的支持,它就会变得有害。

剧烈运动将血液从内脏循环重新分配到活跃的呼吸组织。长时间的肠道低灌注会损害黏膜稳态并导致肠细胞损伤,可能会导致肠道缺血,特别是在脱水的情况下,表现为腹部绞痛、腹泻或偶尔血性腹泻,也会使肠道通透性增加,产生炎症。这种不利影响在耐力运动中尤其如此。

目前对人体肠道微生物群与运动之间相互作用的研究仍然缺乏

尤其是与控制饮食相结合的研究,这是一个重要的混杂因素准确测量营养成分和饮食质量,将有助于把运动对肠道微生物群的影响与其他混杂因素区分开来。

研究还应记录液体摄入量或测量水合生物标志物(如和肽素),以确定水合状态是否影响肠道微生物群,反之亦然。

此外,饮食和运动对肠道微生物群的影响通常是短暂的,并且在干预完成后不会持续。这表明长期的生活习惯对于诱导肠道微生物群的稳定变化是必要的。在关键发育窗口期间的干预措施可能对肠道微生物群产生更持久的影响,当然这需要进一步研究。

未来与运动相关的肠道微生物群的研究领域

Mohr AE, et al., J Int Soc Sports Nutr. 2020

未来的研究应侧重于使用分层方法,使用人体临床试验识别可能有益于运动表现的目标细菌,并使用动物和体外研究确定因果关系和机制

然后可以再次使用人体试验来确定是否补充已鉴定的细菌或实施饮食习惯(例如,益生元/不易消化的碳水化合物、ɷ-3 脂肪酸补充剂、蛋白质摄入量的类型/数量),以提高细菌丰度和/或功能有利于运动表现。

需要在控制饮食的情况下调查高蛋白饮食、全食物蛋白质来源和蛋白质补充剂的影响的临床研究,以确定这些饮食模式和成分对运动员肠道微生物群的影响。

此外,需要更多的研究来阐明膳食脂肪的数量和类型对肠道微生物群的影响以及随后微生物群介导的(例如,通过胆汁酸)对运动表现的影响。

总之,人们越来越意识到,微生物群的个体差异会导致运动反应和健康结果的差异性。

未来的研究还应该整合其他“组学”数据

整合其他“组学”数据,以确定可能导致、促成、介导或调节饮食和运动对肠道微生物群的影响的潜在代谢物、基因和表观遗传修饰。

“组学”数据的使用与机器学习方法相结合,有可能揭示肠道微生物群与其代谢物、饮食和运动表现之间的新关联,并预测对饮食策略的个性化反应。这些发现的影响包括提高运动员成绩和改善健康,尤其是胃肠道和呼吸系统健康的潜力

此外,研究应对肠道微生物群、饮食和人类健康之间的相互作用有更深入的了解,这些相互作用可能具有超越运动人群的影响和应用,以造福所有人的健康

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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。

肠道3M:微生物群、代谢和代谢组,从基础走向未来

谷禾健康

在过去的研究中,健康科学的突破表明人类肠道菌群可以受到环境因素的影响(饮食、生活方式等),而环境因素反过来又可以影响人类健康和疾病。

现在,更全新的概念肠道3M已经提出,即微生物组、代谢和代谢组(microbiota, metabolism, metabolome),对人类健康具有重要意义。

本文重点介绍3M相关的主要概念,提供了关于调节肠道健康的全面更新概述,有助于我们对肠道与人类健康和疾病之间的关系的基本理解。同时也定义了3M相互作用的挑战及讨论未来前景。

01 微生物群

在阐述微生物群之前首先了解一下它的发展历史。

关于微生物群的历史

Dey P, et al., Free Radic Biol Med. 2021

人类微生物群

随着下一代高通量16S rRNA测序技术的出现,与人类健康和疾病相关的以微生物群为中心的研究有了巨大的增长。

数量

目前的估计表明,一个体重为70公斤的人平均含有39万亿细菌,而人体细胞则为30万亿。此外,在遗传水平上,在整个人类微生物群中基因数量超过1000万个基因,比人类基因(2万-2.5万)还要多很多,仅肠道微生物群基因就有330万。由于与生命各个方面相关的宿主-微生物相互作用的数量巨大,人类微生物群关联通常被称为“超有机体”。

分布

肠道细菌在肠道长度上的定植偏好是区域特异性的,可能是由缺氧肠腔内宿主的理化参数的变化(如pH值、营养有效性、pO2、胆汁酸、抗菌剂、粘蛋白)决定的。此外,在肠的特定区域内,管腔和绒毛隐窝之间的微生物种群多样性可能不同。比如说,厚壁菌和拟杆菌盲肠中占优势,而隐窝主要由变形杆菌门和脱铁杆菌门定植。

“核心微生物群”

当然,由于与环境的不同相互作用,包括饮食模式的差异,文献中的微生物概况往往不一致。因此,人类微生物组项目的一个关键目标是确定一个“核心微生物组”作为所有个体的普遍微生物分类学特征,该特征大部分保持不变。

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