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什么是胆汁酸,其与肠道微生物互作如何影响人体健康

谷禾健康

胆汁酸是一种代谢胆固醇的物质,它具有两个亲和性不同的区域,即一部分能够与水分子相互作用(亲水),而另一部分则不能与水分子相互作用(疏水)。

由于拥有这种两亲性质,胆汁酸能够在生物体内与胆固醇等脂类物质结合并形成混合物,从而起到降低血液中胆固醇水平的作用。

胆汁酸不仅是代谢胆固醇的物质,还有其他重要的功能。胆汁酸可以通过激活肝脏和肠道中的受体,调节血糖水平胆固醇代谢免疫信号等。

其中,初级胆汁酸是由肝细胞合成并储存在胆囊中的,而次级胆汁酸则是由肠道中的微生物代谢初级胆汁酸形成的。

随着研究的深入,发现肠道菌群胆汁酸人体健康和疾病中发挥着重要的作用。肠道菌群可以代谢胆汁酸,影响其在体内的水平和作用,从而影响脂质代谢肝胆功能肠道健康等方面。

同时,胆汁酸也可以影响肠道菌群的组成和功能,维持肠道微生物的平衡和多样性。因此,肠道菌群胆汁酸之间的相互作用关系对于人体健康和疾病的发生、发展和治疗具有重要的意义。

肠道微生物主要的代谢产物包括:短链脂肪酸、色氨酸、胆汁酸等。

以往我们写过短链脂肪酸(详见:你吃的膳食纤维对你有帮助吗?)、

色氨酸(详见:色氨酸代谢与肠内外健康稳态 )。

本文我们主要阐述胆汁酸及其代谢,与肠道微生物群之间的关联及其在疾病中的作用。

本文目录/contents

Part1:胆汁酸及其代谢

Part2:影响胆汁酸代谢的因素

Part3:肠道菌群与胆汁酸之间的相互作用

Part4:微生物群-胆汁酸相互作用的影响

Part5:微生物与胆汁酸在疾病中的作用

Part6:调节胆汁酸代谢的方法

Part7:结语

本文提及的专业名词缩写

FXR——法尼醇X受体,胆汁酸是FXR的天然配体,因此FXR又称为胆汁酸受体

SHP——是LRH-1(肝脏受体同源物-1)在肝细胞激活的主要靶基因,胆汁酸通过LRH-1诱导SHP的表达,表达的SHP结合并失活LRH-1,从而抑制胆汁酸合成相关基因及SHP自身的表达。

TGR5——又称G蛋白偶联胆汁酸受体,是一种胆汁酸受体。在外周组织器官如肝、脾、肾、脂肪等多种组织中表达水平较高,能调控脂类葡萄糖代谢

GLP-1——胰高血糖素样肽-1是一种由肠道细胞所分泌的激素,属于一种肠促胰岛素

FXR-Fgf15轴——回肠肠细胞中FXR的激活释放Fgf15(FGF19是人的同源基因),Fgf15通过门静脉循环到达肝细胞,与FGFR4结合并抑制CYP7A1,从而抑制肝细胞胆汁酸的合成。

Part1
胆汁酸及其代谢

▸ 胆汁酸

当胆固醇在肝细胞内代谢时,会产生一种叫做胆汁酸的化合物。胆汁酸可以溶解脂肪促进脂肪消化和吸收,同时还能帮助排泄体内多余的胆固醇

胆汁酸一般可分为初级胆汁酸和次级胆汁酸

初级胆汁酸(primary bile acids):

初级胆汁酸是由肝细胞合成并储存在胆汁中的胆汁酸,它是胆汁中最主要的成分。初级胆汁酸的结构比较简单,含有羟基(-OH)和羧基(-COOH)等官能团,因此具有良好的水溶性。初级胆汁酸可以在肠道中与脂肪结合成胆汁酸盐,参与脂肪的乳化吸收过程。

初级胆汁酸包括胆酸鹅去氧胆酸、甘氨胆酸、牛磺胆酸、甘氨鹅去氧胆酸、牛磺鹅去氧胆酸。

次级胆汁酸(secondary bile acids):

次级胆汁酸是由肠道中的微生物代谢初级胆汁酸生成的,也称为微生物代谢产物。次级胆汁酸的结构更加复杂,它经过羟化、氧化、甲基化等反应后形成。次级胆汁酸相对于初级胆汁酸来说,具有更强的亲脂性生物活性

次级胆汁酸主要有去氧胆酸、石胆酸、甘氨去氧胆酸、牛磺去氧胆酸、甘氨石胆酸、牛磺石胆酸。

▸ 胆汁酸的结构与特点

胆汁酸的结构有助于它们的功能。胆汁酸一般由一个甾醇核心组成,该核心由三个六元碳环和一个五元碳环组成,通常具有5β-氢和沿前两个稠合环平面的顺式结构

一般胆汁酸的结构

Collins SL,et al.Nat Rev Microbiol.2023

胆汁酸的种类由与其结合的羟基、羧基、硫酸根和氨基酸基团的数量和位置决定。羟基和羰基面向甾醇核心的同一侧,而甲基面向相反的一侧。这使得胆汁酸具有两亲特性,因为一侧是疏水的,而另一侧是亲水的

胆汁酸的不同种类

Poland JC,et al.Physiology (Bethesda).2021

胆汁酸的疏水性取决于甾醇环上羟基和硫酸根的数量和位置,以及胆汁酸是否与氨基酸结合,在小鼠中主要是牛磺酸,在人类中主要是甘氨酸。

▸ 胆汁酸的肝肠循环

胆汁酸的肠肝循环是一个精细调节的过程。

初级胆汁酸由肝脏中的胆固醇通过胆固醇7α-羟化酶(CYP7A1)介导途径或固醇27-羟化酶(CYP27A1)介导途径合成。

然后初级胆汁酸与牛磺酸甘氨酸结合,储存在胆囊中,然后在摄入食物后分泌到十二指肠中,以促进膳食脂质溶性维生素的吸收。

95%以上的胆汁酸会被重吸收

排入肠道的各种胆汁酸约95%以上要被重吸收。回肠部的重吸收是主动重吸收,其余肠段为被动重吸收,并运回肝脏进行代谢回收。

注:虽然少量初级胆汁酸可以通过被动扩散吸收,但有效吸收需要由回肠上皮细胞中表达的顶端胆汁酸转运蛋白 (ASBT) 介导的主动转运。结合的初级胆汁酸主要由回肠胆汁酸结合蛋白 (IBABP) 通过肠细胞转运。

这个过程在人体中每天发生4到12次,并确保维持胆汁酸稳态

人体胆汁酸的肠肝循环

Collins SL,et al.Nat Rev Microbiol.2023

▸  胆汁酸的细菌代谢

在肠道中,结合的初级胆汁酸受微生物群作用并转化为次级胆汁酸,从而进一步增加胆汁酸库的多样性和整体疏水性。

次级胆汁酸代谢的第一步是通过胆汁盐水解酶(BSH)水解氨基酸部分。胆汁盐水解酶在所有主要的肠道微生物(拟杆菌(Bacteroidetes)厚壁菌(Firmicutes)放线菌(Actinobacteria))中都是高度保守的,但由于它们对甘氨酸偶联或牛磺酸偶联的胆汁酸具有优先活性,因此在细菌之间是不同的

✦细菌对胆汁酸的代谢一般是有益的

细菌胆汁酸去偶联对一般细菌有益,因为它们从氨基酸和宿主那里获得能量,它降低了胆汁酸的毒性。然而,对于胆汁盐水解酶是否对细菌有益存在一些争论。

细菌其他的作用包括氧化脱硫,酯化和偶联。将在本文后面的章节具体展开描述。

从分类上看,多种细菌都能在体外将氨基酸胆汁酸结合,其中双歧杆菌(Bifidobacterium拟杆菌(Bacteroides肠球菌(Enterococcus的结合量最大。

微生物生产者的胆汁酸代谢

Cai J,et al.Cell Host Microbe.2022

Part2
影响胆汁酸代谢的因素

药物运动饮食或其他不良状态导致肠道菌群组成或活性的改变都会扰乱胆汁酸代谢

影响细菌转化胆汁酸的因素

Collins SL,et al.Nat Rev Microbiol.2023

■ 肠道菌群失调

肠道微生物可以代谢胆汁酸,影响其在体内的水平和作用。肠道微生物失调可能会导致胆汁酸代谢紊乱,从而影响脂质代谢肝胆功能肠道健康等方面。

具体来说,肠道微生物失调可能会导致以下影响:

•胆汁酸合成减少:肠道微生物可以参与胆汁酸的合成过程,肠道微生物失调可能会导致胆汁酸合成减少,从而影响胆汁酸代谢

•胆汁酸代谢紊乱:肠道微生物可以代谢胆汁酸,影响其在体内的水平和作用。肠道微生物失调可能会导致胆汁酸代谢紊乱,从而影响脂质代谢、肝胆功能和肠道健康等方面。

•肠道屏障功能受损:肠道微生物失调可能会导致肠道屏障功能受损,从而影响肠道对胆汁酸的吸收和代谢

•炎症反应增加:肠道微生物失调可能会导致肠道炎症反应增加,从而影响胆汁酸代谢和肠道健康。

因此,保持肠道微生物的平衡和稳定,对于维持胆汁酸代谢的正常和健康具有重要的意义。

■ 药物

抗生素等药物对胆汁酸有着巨大的影响。抗生素治疗对宿主破坏最严重的代谢途径之一是胆汁酸代谢

•影响次生胆汁酸的水平

随着细菌的耗竭,可用于解除宿主胆汁酸结合的胆汁盐水解酶减少,次级胆汁酸也不再产生。因此,使用抗生素,可观察到共轭胆汁酸和一些次生胆汁酸水平下降

其他药物,如抗抑郁药物帕罗西汀,也可以扰乱胆汁酸水平

次级胆汁酸的损失进一步加剧了胆汁酸的失调,因为胆汁酸的生物合成被上调,导致初级胆汁酸库更大。

■ 运动

几项研究将锻炼与不同的胆汁酸联系起来,但结果存在一些矛盾。

•适度运动可增加胆汁酸的排泄

啮齿类动物研究发现,由于胃肠运动或胆固醇摄取增加,适度运动可增加胆汁酸排泄。然而,令人惊讶的是,这些啮齿动物的胆汁酸合成和信号传导不受运动的影响。

•运动可使循环胆汁酸总体减少

在人类中,持续时间的增加和运动的一致性导致血清和粪便胆汁酸的总体减少。这对结直肠癌非酒精性脂肪性肝病具有意义,其中循环胆汁酸增加与负面结果相关。

注:除了宿主胆汁代谢外,体育活动还可以逆转非酒精性脂肪性肝患者的微生物群失调,这可能导致不同的次生胆汁酸水平

此外,对运动训练有生理适应的长跑运动员具有较少的诱变性次生胆汁酸。需要更多的研究来阐明体育活动对肠道和肝脏中胆汁酸的影响。

■ 饮食

人们早就知道,饮食,尤其是脂肪纤维的摄入,可以极大地改变微生物群胆汁酸代谢

•胆固醇摄入多会提高胆汁酸总体水平

摄入胆固醇提高人体内胆汁酸的总体水平,因为胆固醇是胆汁酸的前体,并上调胆汁酸的合成途径

在高脂肪饮食的人群中,由于表达7α-去羟化酶和表达胆汁酸水解酶的细菌数量的增加次生胆汁酸和非共轭胆汁酸水平特别高

•纤维诱导胆汁酸的排泄、抑制其吸收

相比之下,膳食纤维可以在胃肠道消化过程中通过吸附作用促进胆汁酸的排泄以及抑制胆汁酸在肠道的吸收

高脂肪、低纤维饮食的胆汁酸特性与结肠癌患者有关。最近的一篇文章表明,小鼠的热量限制减少了总胆汁酸,包括石胆酸和去氧胆酸,也减少了总微生物群的含量

■ 肝胆系统疾病或怀孕

•肝胆系统疾病会导致胆汁酸代谢紊乱

肝胆系统疾病如肝硬化、胆囊疾病等可能会影响胆汁酸的合成和代谢,导致胆汁酸代谢紊乱和相关疾病的发生。

肝细胞受到了损伤,就会出现代谢问题,导致患者的总胆汁酸偏高

•孕妇的总胆汁酸会偏高

怀孕期间孕妇体内的孕激素水平改变会引起胆汁酸代谢异常,从而使得孕妇总胆汁酸偏高

■ 遗传因素

一些遗传因素也可能会影响胆汁酸代谢,特定的宿主基因变异会影响胆汁酸代谢和肠腔内的胆汁酸含量,导致相关疾病的发生。

Part3
肠道菌群与胆汁酸之间的相互作用

肠道菌群调节胆汁酸的转化、合成等

人类与微生物群的交流部分依赖于宿主受体对微生物代谢物的反应。微生物群通过几种关键的宿主胆汁酸受体调节胆汁酸的代谢和转运

肠道菌群调节胆汁酸主要体现在生物转化生物合成胆汁酸的运输

胆汁酸信号传导和网络

Collins SL,et al.Nat Rev Microbiol.2023

1

肠道菌群调节胆汁酸的生物转化

胆汁酸在肝脏中合成并通过胆道系统释放到肠道,部分释放到远端回肠或结肠,在那里它们被肠道菌群进一步代谢。

✦影响胆汁酸生物毒性和肠道吸收

肠道微生物可以改变胆汁酸,因为它们具有不同的 胆汁酸代谢酶。肠道微生物群通过去结合、7ɑ-脱羟基、异构化、氧化、脱硫和酯化来调节胆汁酸的化学多样性,进而影响其生物毒性肠道吸收

去共轭和7ɑ-脱羟基是两个值得注意的反应。

主要通过胆汁酸水解酶进行的微生物去结合是肠道环境中微生物进一步修饰胆汁酸的关键一步

胆汁酸水解酶编码基因已在各种肠道微生物中检测到并表征,包括双歧杆菌(Bifidobacterium乳杆菌(Lactobacillus、肠球菌(Enterococcus)、梭菌(Clostridium)、拟杆菌(Bacteroides等。

✦小部分细菌通过脱羟基作用转化胆汁酸

已经表明,怀孕期间分泌胆汁酸水解酶的拟杆菌丰度增加促进胆汁酸解偶联,从而减少肠细胞胆汁酸的摄取。

胆盐水解酶去结合的胆汁酸随后通过肠道菌群产生的7ɑ-脱羟基作用脱水,并最终转化为次级和三级胆汁酸。

然而,7α-脱羟基作用仅由少数厌氧物种进行,目前的估计表明,只有大约0.0001%的结肠细菌可以进行这种反应,占肠道微生物群总数的不到0.025%

16S rRNA 序列分析表明,这些细菌主要是梭菌属,包括C.hiranonisC.scindensC.hylemonae(簇 XIVa)和C.sordelli(簇 XI)。

在大肠中,梭菌属物种可以通过7α-脱羟基作用胆酸鹅去氧胆酸分别转化为去氧胆酸石胆酸

✦氧化反应导致差向异构化

氧化环氧化在胆汁酸的微生物修饰和代谢反应中也受到特别关注,一些肠道微生物合成能够进行可逆氧化还原反应和羟基环氧化的羟基类固醇脱氢酶 (HSDH)。

羟基类固醇脱氢酶(HSDH)活性存在于肠道微生物群的四个主要类别中:

放线菌门(Actinobacteria);

变形菌门(Proteobacteria);

厚壁菌门(Firmicutes);

拟杆菌门(Bacteroidetes)。

这些氧化反应最终会导致差向异构化。然而,由于缺乏合适的分析方法,人们对微生物通过羟基类固醇脱氢酶调节胆汁酸异构化反应的机制知之甚少,但这些反应性胆汁酸的疏水性毒性是无可辩驳的。

✦肠道微生物的破坏导致胆汁酸代谢紊乱

2019年进行的一项研究支持肠道微生物群的破坏会导致胆汁酸代谢紊乱。这项研究发现,在接受各种抗生素治疗的大鼠的血浆和粪便中,牛磺酸结合的胆汁酸显著增加,而游离胆汁酸减少,胆汁酸的多样性也显著降低

一项较早的研究还指出,肠道微生物群对胆汁酸有显著影响。无菌小鼠胆汁酸的多样性减少,并且缺乏未结合的和次级胆汁酸。

注:与正常小鼠相比,盲肠、结肠和粪便中的胆汁酸水平降低,但胆囊和小肠中的胆汁酸水平升高

✦微生物群影响胆汁酸受体信号

实验研究进一步证明了微生物群影响FXR信号。当用tempol处理小鼠时,减少了乳酸杆菌属。及其胆汁酸水解酶改变肠道微生物群的活性,导致厚壁菌门:拟杆菌门比率降低次级胆汁酸降低,以及牛磺酸-β-鼠胆酸 (T-β-MCA) 积累。

Tempol是一种超氧化物歧化酶(SOD)类似物,可有效中和活性氧

虽然次级胆汁酸是有效的FXR激动剂,而T-β-MCA是FXR拮抗剂,但抑制胆汁酸受体信号会导致胆汁酸合成增加和胆汁酸库大小增加

但由于参与胆汁酸脱氢的梭状芽孢杆菌簇XI和XVIa的减少,胆汁酸多样性下降脱硫弧菌(Desulfovibrionales也可以逆转这一过程,脱硫弧菌负责从饮食和宿主来源代谢含硫化合物。富含脱硫弧菌的肠道微生物群可以调节胆汁酸的代谢,从而使肠道产生更多的次生胆汁酸。

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肠道菌群影响胆汁酸的生物合成

✦影响关键酶的表达从而调节胆汁酸的合成

肠道微生物群对胆汁酸形成的调节是复杂的,包括由至少17种不同酶催化的几个反应步骤。然而,更重要的是,肠道微生物群对胆汁酸的代谢会影响许多参与胆汁酸从头合成的关键酶的表达,包括CYP7A1、CYP7B1、CYP8B1和CYP27A1。

在厚壁菌中,可以通过FXR-FGF15/19 反馈机制调节胆汁酸的合成。在肝细胞中,通过来自 SHP/LRH-1/LXRα 的负反馈调节胆汁酸合成

SHP是LRH-1在肝细胞激活的主要靶基因,胆汁酸通过LRH-1诱导SHP的表达,表达的SHP结合并失活LRH-1,从而抑制胆汁酸合成相关基因及SHP自身的表达。

抑制过程

一旦肝脏FXR被激活,SHP就会立即被触发以抑制LRH转录,从而抑制CYP7A1和CYP8B1转录。在肠道细胞中,FXR通过FXR/FGF19/FGFR4通路抑制胆汁酸合成,其中FXR诱导FGF19/FGF15,后者又与FGFR4和β-klotho复合物结合,触发 MAPK/ERK1/2 通路并最终抑制该基因CYP7A1在肝脏中的表达。

✦没有细菌的情况下无法产生胆汁酸受体激活剂

研究证实肠道在没有细菌的情况下无法产生胆汁酸受体激活剂。肠道微生物群可以通过降低T-MCA水平和促进回肠中FXR依赖性FGF15的表达来抑制CYP7A1和胆汁酸的合成,从而表明肠道微生物群通过FXR-FGF15/19反馈机制调节胆汁酸的合成

注:正如已经提到的,脱硫弧菌(Desulfovibrionales)衍生的硫化氢除了有利于含7α-脱羟基细菌的生长外,还可以诱导肝脏 FXR 抑制CYP7A1表达和胆汁酸合成。

3

肠道菌群调节胆汁酸的运输

微生物群还可以通过法尼醇X受体(FXR)反馈机制调节胆汁酸运输

✦通过影响法尼醇X受体调节胆汁酸的重吸收

肝脏中FXR的激活诱导胆盐输出泵(BSEP)、MRP、OSTα和OSTβ复合物以增强胆汁酸的肝脏消除,同时通过抑制Na+/牛磺胆酸盐对肝细胞中基底外侧NTCP和OATP1B1和OATP1B3的下调来减少胆汁酸重吸收

肠道中的法尼醇X受体激活上调肠道胆汁酸结合蛋白 ,以促进胆汁盐通过回肠肠细胞,并增强OSTα和 OSTβ表达以帮助胆汁酸从肠道进入门脉循环

OSTα/β——有机溶质转运蛋白,一种表达在肠上皮细胞基底膜的异二聚体蛋白,主要负责转运胆汁酸入静脉血。

此外,法尼醇X受体可以通过下调ASBT,通过SHP和FGF15/19通路调节肠细胞和胆管细胞对胆汁酸的重吸收

ASBT——顶端膜钠依赖性胆汁酸转运蛋白

胆汁酸影响肠道菌群的结构、多样性

肠道中的胆汁酸被微生物群进一步代谢,进而影响微生物组成。胆汁酸已被证明对肠道微生物群有直接和间接的影响。

胆汁酸是微生物群丰度多样性代谢活性的重要决定因素。

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破坏了胆汁酸不耐受细菌的结构

研究表明,较高的胆汁酸浓度表现出抗菌活性,当胆汁酸不耐受细菌暴露于高浓度胆汁酸时,胆汁酸 会溶解磷脂并分离内在的膜蛋白,导致细胞膜被完全破坏,导致细胞内物质溢出。

除了膜损伤外,胆汁酸还通过干扰RNA二级结构、破坏大分子的稳定性、引起DNA损伤和促进蛋白质错误折叠,从而破坏肠道微生物的组成,从而表现出直接的抗菌活性

在胆汁酸喂养的大鼠中,厚壁菌门的丰度显著增加,丹毒丝菌(Erysipelotrichi)和梭状芽胞杆菌(Clostridia)中的一些微生物也增加了。

✦胆汁酸的含量对不同细菌作用不同

一般来说,胆汁酸池的减少似乎有利于革兰氏阴性细菌的生长,这些细菌能够产生脂多糖,其中一些具有致病潜力

相比之下,随着胆汁酸池的增加,观察到革兰氏阳性厚壁菌门的生长,从而促进了次级胆汁酸的产生。

2

影响微生物群的多样性及功能

尽管它们具有毒性作用,但胆汁酸也支持微生物群的多样性。在人体中,牛磺-β-鼠胆酸和牛磺酸胆酸对多种微生物的发展至关重要

✦胆汁酸的分泌可以提供能量支持微生物多样性

虽然尚未证实其机制,但胆汁酸的分泌可能提供足够的能量来支持大量微生物的多样性。除了成分的改变,胆汁酸还改变了微生物群的功能能力

例如,去氧胆酸、牛磺胆酸和牛磺酰脱氧胆酸会破坏小鼠中细菌的核苷酸和碳水化合物代谢

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抑制细菌的过度生长

研究发现小鼠肠道微生物群落过度增殖和细菌易位,通过使用口服胆汁酸,以诱导法尼醇X受体激活,从而抑制细菌过度生长

✦胆汁酸受体诱导抗菌肽和宿主免疫反应

这是因为法尼醇X受体可以诱导参与肠道保护的基因,法尼醇X受体诱导抗菌肽产生和宿主免疫反应调节来塑造微生物组。

在回肠中缺乏法尼醇X受体受体表达细胞的小鼠也表现出肠道微生物数量的变化,拟杆菌厚壁菌的数量分别增加和减少。其主要原因是法尼醇X受体敲低后胆汁酸的合成增加,这表明胆汁酸可以抵消法尼醇X受体信号通路,从而影响肠道微生物的组成

小结

一般来说,肠道微生物群胆汁酸之间存在双向相互作用

肠道微生物群可以调节胆汁酸的合成和代谢,相反,胆汁酸可以改变肠道菌群的组成

因此,维持胆汁稳态对肠道微生态非常重要。然而,还需要更多的研究来了解胆汁酸肠道微生物群的功能操作如何影响宿主-微生物群的交流。

Part4
微生物群-胆汁酸相互作用的影响

微生物群和胆汁酸之间的相互作用会影响肠道屏障功能的维持,调节先天免疫和适应性免疫,并调节定植抵抗力

胆汁酸对宿主细胞的影响主要由膜相关和胆汁酸受体介导,包括法尼醇X受体(FXR)、G蛋白偶联受体5(TGR5)、孕烷X受体(PXR)和维生素D受体(VDR)。

FXR和TGR5在、回肠远端和结肠、上皮细胞、内皮细胞和免疫细胞中高度表达。除了在调节胆汁酸合成中的作用外,这两种受体对于维持肠道屏障完整性限制炎症都是必不可少的。

注:胆汁酸激活TGR5的能力不同,顺序为石胆酸>去氧胆酸>鹅去氧胆酸>熊去氧胆酸>胆酸。

➤ 调节肠道屏障

肠上皮细胞形成紧密连接的能力对于肠屏障的形成和维持至关重要。几项研究支持胆汁酸调节紧密连接功能中的作用。

胆汁酸介导的肠道屏障功能调节

Larabi AB,et al.Gut Microbes.2023

▷肠道通透性与胆汁酸浓度有关

在喂食高脂肪饮食的小鼠和大鼠中,肠道通透性增加紧密连接蛋白表达减少与盲肠和血浆胆汁酸浓度的改变有关,总胆汁酸库和次级胆汁酸增加

法尼醇X受体缺失会增加肠道通透性

胆汁酸对肠上皮完整性的调节是由其激活受体的能力介导的。在小鼠和大鼠胆管结扎胆汁流阻塞模型中,法尼醇X受体的缺失增加肠道通透性细菌移位,并降低了紧密连接蛋白的表达

同样,在化学诱导的结肠炎小鼠模型中,法尼醇X受体的激活限制了上皮屏障的通透性并防止了肠道炎症

法尼醇X受体在肠上皮稳态中的作用是通过FGF蛋白介导的。补充喂食去氧胆酸的小鼠会出现生态失调,这会减少胆汁酸去结合,从而限制FXR-FGF15轴的激活并损害粘膜屏障功能

G蛋白偶联受体5缺陷小鼠肠道通透性增加

此外,与野生型小鼠相比,G蛋白偶联受体5缺陷小鼠表现出紧密连接的表达改变肠道通透性增加并且更易患化学诱导的结肠炎,表明这种胆汁酸受体在维持肠道屏障中的作用。

▷诱导上皮细胞增殖

胆汁酸还诱导肠上皮细胞增殖限制细胞凋亡。在小鼠中,次级胆汁酸石胆酸熊去氧胆酸防止肠道炎症并限制上皮细胞凋亡。胆汁酸通过作用于肠道干细胞中的G蛋白偶联受体5受体来促进上皮再生

牛磺胆酸诱导肠上皮细胞增殖

在体外,化学激动剂对法尼醇X受体的刺激增加了肠上皮细胞的运动和伤口闭合。牛磺胆通过表皮生长因子受体(EGFR)和胞外调节蛋白激酶(ERK)激活在体外诱导肠上皮细胞增殖,而去氧胆酸通过法尼醇X受体依赖性机制抑制细胞增殖

最后,高脂肪饮食诱导的去氧胆酸增加通过减少3型先天淋巴细胞的数量来减少肠道干细胞的增殖和分化,从而减少潘氏细胞杯状细胞

▷调节粘液层的形成和组成

胆汁酸还调节粘液层的形成和组成,粘液层由浸泡在抗菌药物(如防御素)中的粘蛋白组成。

补充鹅去氧胆酸粘蛋白转录增加

在化学诱导的结肠炎小鼠模型中,法尼醇X受体的激活可防止产生粘蛋白的杯状细胞的损失。补充鹅去氧胆酸饮食的小鼠表现出潘氏细胞α-防御素的表达增加,杯状细胞Muc2(粘蛋白2-编码基因)的转录增加,回肠上皮C型凝集素Reg3β和Reg3γ的成增强

次级胆汁酸去氧胆酸具有刺激作用,而熊去氧胆酸在体外抑制人β-防御素-1和β-防御素-2的表达和分泌,这可能对维持肠道稳态也有影响。

➤ 调节免疫稳态

微生物群产生的胆汁酸调节免疫的不同方面,包括诱导炎症基因募集先天性适应性免疫细胞

微生物衍生的胆汁酸调节肠道先天性和适应性免疫

Larabi AB,et al.Gut Microbes.2023

▷调节促炎基因表达

胆汁酸受体FXR、TGR5和PXR调节促炎基因表达。在化学诱导的结肠炎小鼠模型中,FXR缺陷恶化,而FXR激动剂奥贝胆酸治疗可防止粘膜炎症促进抗菌基因的表达。

胆汁酸受体影响促炎基因的表达

此外,法尼醇X受体可以通过直接结合促炎基因的启动子,以不依赖于SHP的方式调节促炎基因的表达

病原体相关分子模式激活Toll样受体4会导致促炎基因启动子释放NCor1,从而激活其转录。最后,孕烷X受体和维生素D受体直接抑制NF-κB信号,从而减少促炎反应

▷限制炎性体的产生

胆汁酸也限制炎症小体的激活。FXR和SHP通过与NLRP3炎症小体和胱天蛋白酶-1的物理相互作用来抑制炎症小体的组装,而TGR5环磷酸腺苷(cAMP)途径的激活通过诱导其泛素化来阻断NLRP3炎性小体的激活,这最终限制了白细胞介素-1β和白细胞介素-18的产生。

施用胆汁酸可减轻部分炎症

去氧胆酸石胆酸直肠给药于各种小鼠结肠炎模型可减轻炎症,部分是通过作用于TGR5受体。因此,溃疡性结肠炎患者体内菌群失调引起的次级胆汁酸缺乏可能会促进炎症,而炎症可以通过恢复次级胆汁酸水平得到缓解。

相反,另一项研究报告称,结肠中的去氧胆酸给药可部分通过刺激组织蛋白酶B释放来激活 NLRP3 炎性体,这会增加巨噬细胞分泌白细胞介素-1β并加剧结肠炎

鉴于结肠炎模型中次级胆汁酸的相反作用,需要进一步的研究来更好地了解其在肠道炎症中的作用。

▷影响免疫细胞的募集和分化

胆汁酸还指导各种免疫细胞的募集和分化。与野生型小鼠相比,法尼醇X受体缺陷小鼠在结肠炎期间表现出炎症细胞募集减少

接受鹅去氧胆酸补充剂的小鼠表现出向肠粘膜募集的单核细胞、巨噬细胞和嗜中性粒细胞减少,其中鼠伤寒沙门菌(S.Typhimurium)柠檬酸杆菌(C.rodentium)感染期间B细胞的相对数量增加

最近的研究表明,次级胆汁酸的氧代、异代和同种异体调节T细胞分化

在体内,微生物群衍生的IsoDCA通过限制法尼醇X受体活性增加树突状细胞的免疫刺激特性,从而间接促进结肠调节性T细胞的分化。

▷通过抑制中性粒细胞迁移限制肠道炎症

暴露于固有层中的胆汁酸会驱动效应细胞TH1和TH17中的氧化应激。效应T细胞在迁移到回肠时通过上调外源性转运蛋白多药耐药蛋白1(MDR1,也称为P-糖蛋白)的表达来适应,以限制胆汁酸驱动的氧化应激。

胆汁酸与短链脂肪酸协同作用限制了肠道炎症

胆汁酸和微生物群衍生的短链脂肪酸协同作用,调节MDR1的表达,抑制中性粒细胞迁移,从而限制肠道炎症

总之,肠道微生物组产生次级胆汁酸的能力是调节炎症以及先天和适应性免疫细胞募集、分化和激活的重要因素。

相反,适应性免疫调节微生物群和次级胆汁酸的产生。因此,维持这些因素之间的平衡对于维持肠道稳态是必要的。

➤ 增加病原体定植抗性

微生物群通过竞争资源和产生限制细菌生长的代谢产物,如短链脂肪酸,来保护细菌免受机会性感染

微生物群衍生的限制细菌生长的代谢产物可以被视为选择最适合环境的代谢特征的栖息地过滤器。微生物群通过与宿主合作来防止机会病原体在肠道定植

微生物群介导的胆汁酸代谢和对病原体的防御

Larabi AB,et al.Gut Microbes.2023

▷增强了对病原体的防御

微生物群对胆汁酸的调节在保护宿主免受致病性感染方面发挥作用。

在人类中,肠道微生物群中胆汁酸水解酶的丰度和活性越高,通过降解激活病原体毒力基因表达的牛磺胆酸,对霍乱弧菌Vibrio cholerae)感染的抵抗力就越强

次级胆汁酸对艰难梭菌具有定值抗性

将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸的共生细菌提供了对艰难梭菌C. difficile)的定植抗性。初级胆汁酸可诱导艰难梭菌孢子萌发,而次级胆汁酸对营养细胞有毒

编码操纵子的共生梭菌通过产生抑制艰难梭菌萌发、生长和毒素产生的次级胆汁酸来保护艰难梭菌不受感染

石胆酸和去氧胆酸对白色念珠菌具有抵抗性

在体外,次级胆汁酸石胆酸去氧胆酸对白色念珠菌具有直接的抗真菌活性。相反,通过改变微生物群组成和减少肠道单核吞噬细胞和TH17细胞的数量,向抗生素治疗的小鼠施用牛磺胆酸会加剧白色念珠菌的定植和传播

因此,微生物群对胆汁酸的作用调节了定植抗性,直接通过抑制病原体生长或间接通过调节粘膜固有适应性反应

▷作为致病菌和病原体的环境信号

由于胆汁酸及其代谢产物是肠道环境的关键特征,许多机会性病原体利用这些线索来调节肠道定植所需的毒力因子的表达。

粘附侵袭性大肠杆菌(AIEC) 是一种独特的常驻粘膜相关病理细菌,克罗恩病患者中富含这种细菌。利用特定的肠道环境来增加它们的复制并诱发炎症

在管腔中,胆汁酸促进AIEC毒力基因的表达,例如有利于细菌在肠道中持久存在的鞭毛蛋白FliC,以及促进细菌与潘氏斑相互作用和生长的长极性菌毛LpF。

此外,胆汁盐的存在激活了次级代谢途径,使AIEC能够使用乙醇胺作为氮源,使用丙二醇作为碳源,从而赋予这些菌株相对于其他共生细菌的竞争优势。但也与脂多糖协同作用,触发白细胞介素-1β的产生和TH17细胞的激活,从而促进T细胞依赖性肠道炎症

影响病原菌的毒力和运动性

鼠伤寒杆菌(S.Typhimurium)暴露于胆汁会增加其VI型蛋白分泌系统(T6SS)的活性,将具有抗菌活性的效应蛋白输送到邻近细胞,从而杀死共生细菌并成功地在肠道定植。

在霍乱弧菌(V. cholerae)中,初级胆汁酸增加了毒力和运动性。艰难梭菌(C. difficile)在宿主定植过程中诱导胆汁酸快速流入肠道,这有助于孢子萌发和生长

▷会记住过去的感染,以便在未来更好地抵抗

肠道病原体感染会破坏胆汁酸的回肠吸收和胆汁酸产生的内分泌调节

表现出更强的定值抗性

实验小鼠在感染假结核耶尔森菌(Y.pseudotuberculosis)数周后,表现出对肺炎克雷伯菌Klebsiella pneumoniae更强的定植抗性

潜在的机制是感染假结核耶尔森菌(Y.pseudotuberculosis),一种侵入回肠派尔氏斑块的肠道病原体增加了肠道微生物群中Deltaproteobacteria的丰度。

注:Deltaprotoebacteria是一类代谢胆汁酸衍生的牛磺酸的细菌。

Deltaproterobacteria摄入牛磺酸会导致硫化氢的释放,可以通过有氧呼吸抑制肺炎克雷伯菌生长

Deltaproteobacteria丰度的增加也增强了对柠檬酸杆菌(C.rodentium)的定殖抗性,是一种需要氧气才能在肠道环境中生长的病原体。

这些研究表明微生物群衍生的硫化氢限制了兼性厌氧机会性病原体的生长。

注意

尽管结肠中胆汁酸浓度的增加可能有利于增强定植抵抗力,但胆汁酸浓度过高与炎症性疾病结直肠癌有关。

因此,需要对胆汁酸代谢进行精细调节,以增强定植抵抗力,同时限制对宿主的有害影响。

Part5
微生物与胆汁酸在疾病中的作用

肠道菌群胆汁酸在人体健康和疾病中发挥着重要的作用。肠道菌群可以代谢胆汁酸,影响其在体内的水平和作用,从而影响脂质代谢肝胆功能肠道健康等方面。

同时,胆汁酸也会影响艰难梭菌感染癌变细胞周期失调。下面谷禾列举了胆汁酸在影响人类疾病中的一些例子。

宿主和微生物群依赖性胆汁酸对人类疾病的影响

编辑​

Collins SL,et al.Nat Rev Microbiol.2023

➦ 代谢疾病

代谢综合征是指至少有以下三种体征的个体:高血压肥胖、血液甘油三酯水平升高或血糖水平升高

患有代谢综合征的人有多种疾病的风险,包括糖尿病、中风、心脏病和结直肠癌

√肠道菌群改变胆汁酸对代谢稳态非常重要

遗传、饮食和环境都在代谢性疾病中起作用,其中包括微生物群胆汁酸组成。微生物群通过增加膳食能量收获、调节食欲和改变胆汁酸池代谢稳态至关重要。

√次级胆汁酸与非酒精性脂肪肝相关

抗生素相关的厚壁菌门细菌丰度减少次级胆汁酸的消耗与代谢综合征患者胰岛素敏感性降低相一致,而微生物群依赖的次级胆汁酸水平增加非酒精性脂肪肝相关,强调了微生物群相关胆汁酸代谢健康的重要性。

√次级胆汁酸影响脂质和葡萄糖稳态

虽然次级胆汁酸可能有助于缓解代谢综合征,但其机制尚不清楚。胆汁酸受体如FXR和TGR5维持脂质(胆固醇和甘油三酯)和葡萄糖稳态

被胆汁酸激活的受体增加胰岛素敏感性

被胆汁酸激活的TGR5通过诱导胰高血糖素样肽-1(GLP1)的分泌而增加胰岛素敏感性。虽然FXR的激活也会增加GLP1的分泌,但它在代谢性疾病中的作用是复杂的,似乎是特定于环境的。

在一些研究中,激活FXR对胆固醇、甘油三酯和葡萄糖水平有有益的影响。例如,肝脏FXR激活通过抑制SREBP1c脂质生成途径来抑制甘油三酯的产生。

√胆汁酸通过法尼醇X受体活性影响代谢

包括奥贝胆酸在内的强效合成FXR激动剂的临床试验显示,非酒精性脂肪肝患者体重减轻,可能是通过刺激棕色脂肪分化和代谢

然而,关于奥贝胆酸对非酒精性脂肪肝患者胰岛素抵抗的影响,有相互矛盾的报道。此外,在一些研究中,敲除小鼠体内的法尼醇X受体与激活法尼醇X受体有相似的效果(防止体重增加增加胰岛素敏感性)。

FXR基因敲除小鼠的益处依赖于微生物群,因为微生物群从这些小鼠转移到无菌小鼠可以减轻体重降低体脂率胰岛素敏感性

因此,在检查胆汁酸对肥胖和代谢性疾病的影响时,应仔细考虑肠道和肝脏FXR活性

➦ 艰难梭状芽胞杆菌感染

艰难梭菌感染(CDI)是全世界范围内最常见的感染之一,一部分感染者为无症状携带者,严重的患者可能出现腹泻发烧,甚至会死亡。

当正常的微生物群被抗生素耗尽时,就会出现艰难梭菌感染。抗生素消耗的常驻微生物群减少了分泌抗菌肽的梭状芽胞杆菌(Clostridium spp.)的数量,而梭状芽胞杆菌通常控制艰难梭菌的数量。

√微生物胆汁酸代谢对预防艰难梭菌感染有益

此外,原生微生物群将原发性胆汁酸转化为继发性胆汁酸对于预防艰难梭菌感染至关重要。事实上,抗生素相关的原发性胆汁酸升高继发性胆汁酸水平降低复发性艰难梭状芽胞杆菌感染有关。

一些初级胆汁酸会诱导艰难梭菌到产毒状态

微生物胆汁酸代谢对预防艰难梭菌感染的益处是多方面的。某些初级胆汁酸,包括胆酸牛磺胆酸甘氨胆酸,可诱导艰难梭菌从孢子萌发到活跃的产毒状态

次级胆汁酸能直接抑制艰难梭菌的生长

相反,去氧胆酸石胆酸已被证明能直接抑制艰难梭菌的萌发和生长。这部分解释了为什么编码胆汁酸的梭状芽胞杆菌(如C. scindens)产生次生胆汁酸可以保护艰难梭菌感染

注:C.scindensClostridium也分泌抗艰难梭菌的抗菌剂,与去氧胆酸和石胆酸结合使用更有效

次级胆汁酸可以降低艰难梭菌毒性

次级胆汁酸也直接结合并隔离艰难梭菌毒素B(TcdB)以降低其毒性。细菌胆汁酸代谢对预防艰难梭菌感染很重要,这一认识可能会提供新的治疗选择。

粪菌移植作为抗生素的替代方法已被证明可以通过恢复次级胆汁酸来成功减轻艰难梭菌感染

➦ 胃肠道炎症与癌变

肠道菌群相关的胆汁酸会影响胃肠道炎症肿瘤的发展。

早在20世纪30年代,去氧胆酸就被证明会引起小鼠注射部位的肿瘤。特别是与高脂肪饮食相结合,两种主要的次级胆汁酸(去氧胆酸和石胆酸)长期以来都与胃肠道癌症有关,特别是结直肠癌肝细胞癌

√胆汁酸影响致癌作用

微生物群的组成和胆汁酸合成潜力对炎症癌症的进展至关重要。

高脂肪饮食更容易发生肝细胞癌

高脂肪饮食喂养的小鼠更容易发生肝细胞癌,部分原因是革兰氏阳性群体增加,它们通过7α-去羟基化酶产生去氧胆酸

由于其疏水性,次级胆汁酸如去氧胆酸和石胆酸比初级胆汁酸更具有致癌性。在肝细胞癌和结直肠癌中,疏水性胆汁酸的癌症加速是基于它们损伤细胞诱导炎症的能力。

未结合的疏水性去氧胆酸和石胆酸更容易作为清洁剂破坏细胞膜诱导细胞损伤反应。

抑制法尼醇X受体活性进一步加剧了次级胆汁酸的致癌潜力。许多研究已经观察到人类结直肠癌中法尼醇X受体激活降低,法尼醇X受体敲除小鼠易患结肠和肝脏肿瘤

作为胆汁酸的受体,法尼醇X受体是癌症进展过程中脂质代谢细胞信号中断事件之间的重要联系

炎症会降低法尼醇X受体的激活从而影响癌变

炎症,特别是通过NF- κB信号通路分泌肿瘤坏死因子白细胞介素-1β降低了法尼醇X受体的激活。因此,上述细胞对去氧胆酸和石胆酸的促炎反应会促进癌变

法尼醇X受体失活还会增加胆汁酸的合成减少肝细胞的胆汁酸输出,进一步加剧胆汁酸积累介导的损伤和炎症

细菌水解的牛磺酸偶联胆汁酸的促癌作用的另一种机制已被提出。去偶联释放的牛磺酸最终通过磺酸代谢为硫化氢,这是一种强效致癌物

√炎症性肠病中胆汁酸代谢失调

炎症性肠病是胃肠道慢性炎症性疾病的集合,最常见的是克罗恩病和溃疡性结肠炎。溃疡性结肠炎只影响结肠,而克罗恩病可以同时影响小肠结肠

在炎症性肠病发作期间,肠上皮发炎并失去屏障的完整性。虽然炎症性肠病的病因尚不完全清楚,但与肠道菌群的大规模变化有关。

炎症性肠病中胆汁酸代谢明显失调,特别是当微生物群被破坏时。活动性炎症性肠病患者粪便中共轭胆汁酸水平升高,次级胆汁酸水平降低

注:一项利用计算预测炎症性肠病患者和健康人微生物群的解偶联修饰潜能的研究发现,炎症性肠病患者微生物群的胆汁酸代谢潜能受到干扰

次级胆汁酸受体促进肠上皮再生并预防肠道炎症

次级胆汁酸激活G蛋白偶联受体5(TGR5)可促进肠上皮细胞再生预防肠道炎症。胆汁酸受体FXR和 TGR5被胆汁酸衍生物或其他激动剂激活,刺激靶向通路以调节肠道稳态预防炎症和肿瘤发生。

炎症性肠病和结直肠癌中的胆汁酸受体

Cai J,et al.Cell Host Microbe.2022

然而,一些因素使胆汁酸微生物群和炎症性肠病之间的关系复杂化。特别是,活动性炎症性肠病患者肠道转运率的增加减少了总微生物群数量限制了代谢胆汁酸的足够反应时间。

胆汁酸能预测炎症性肠病的早期缓解

胆汁酸不仅与疾病发生高度相关,而且能够预测炎症性肠病的早期缓解。在最近发表的一项研究中,进行了粪便宏基因组学、血清代谢组学和蛋白质组学,以揭示预测炎症性肠病中抗细胞因子和抗整合素治疗的不同反应的微生物决定因素。

血清胆汁酸,如甘氨石胆酸钠、甘氨脱氧胆酸和熊去氧胆酸的富集可预测接受抗细胞因子治疗的炎症性肠病患者的早期病情缓解

此外,微生物种类的多样性与与抗细胞因子反应相关的缓解可能性呈正相关,这表明微生物特征可能有利于炎症性肠病的生物治疗反应

√胆汁酸与结直肠癌发病相关

根据2020年美国癌症协会的统计数据,在美国,结直肠癌是男性和女性癌症死亡的第三大原因。炎症性肠病和结直肠癌密切相关,炎症性肠病被认为是结直肠癌的主要风险因素

与炎症性肠病类似,结直肠癌也是一种与肠道菌群密切相关的异质性疾病。鉴于肠道微生物群与结肠肿瘤发生之间的联系以及结直肠癌的异质性,多组学技术已被应用于了解疾病的病因学、发现预后或预测性生物标志物以及开发治疗或预防药物。

人体炎症性肠病和结直肠癌中的胆汁酸

Cai J,et al.Cell Host Microbe.2022

胆汁酸合成基因与结直肠癌显著相关

研究发现胆汁酸合成相关基因的丰度与人类结直肠癌显著相关。

在对来自七个不同国家的八项结直肠癌研究进行的无偏倚荟萃分析中,胆汁酸基因在基因组和转录组水平上都在结直肠癌患者的粪便中高度富集,这可能被用作结直肠癌诊断的替代生物组标志物

胆盐水解酶与结直肠癌存在联系

在另一项关于人类微生物组的全球宏基因组研究中,主要来自厚壁菌门的胆汁酸水解酶基因的丰度与结直肠癌呈负相关,这与之前显示结直肠癌患者中厚壁菌门减少的研究一致, 表明胆盐水解酶丰度与人类结直肠癌之间的关系。

胆汁酸含量与肿瘤风险相关的研究:

在一项全基因组鸟枪法宏基因组学和代谢组学研究中,粪便样本取自结直肠肿瘤不同阶段的患者,研究了多步肿瘤发生过程中的微生物组和代谢组学变化。多发性息肉样腺瘤患者的去氧胆酸显著增加

在欧洲癌症与营养前瞻性调查队列中的一项病例对照研究中,七种血浆胆汁酸的水平,包括甘氨胆酸、牛磺胆酸、牛磺去氧胆酸和甘胆酸等与结肠癌风险呈正相关,而未结合的胆汁酸和三级胆汁酸癌症风险无关

其他研究发现,在粪便代谢组学研究中,血清胆汁酸在腺瘤组中升高,并与拟杆菌Bacteroides)呈正相关而与健康对照相比,结直肠癌患者粪便样本中的熊去氧胆酸有所减少

一些研究表明去氧胆酸可能有助于结直肠癌的发病机制,不过还需要更多的研究来确定其他胆汁酸,尤其是原发性胆汁酸人类结直肠癌中的作用。

➦ 胆固醇结石

胆固醇结石病 (GS) 是一种世界范围内流行的疾病,尤其是在西方国家。最近的调查发现,它在中国上海的发病率超过12%

√胆汁酸分泌异常与胆结石形成相关

导致胆结石的先决生化障碍是胆囊中胆固醇过饱和胆汁的形成。研究中,我们发现胆固醇结石患者和胆结石易感小鼠的粪便中富含脱硫弧菌Desulfovibrio),诱导胆结石形成。

肝脏胆固醇积聚和胆汁胆固醇分泌增强

我们进一步证明,携带脱硫弧菌与肠道微生物群活化胆汁酸脱羟基作用导致的次级胆汁酸产生增加有关,导致胆汁酸疏水性增加,从而促进肠道胆固醇吸收,导致肝脏胆固醇积聚胆汁胆固醇分泌增强

微生物群促进胆固醇结石形成的潜在机制

Hu H,et al.Nat Commun.2022

√易患胆结石的微生物群调节胆汁酸的方式:

易患胆结石的微生物群(富含脱硫弧菌)通过以下方式调节肝胆汁酸代谢

(1) 增加7α-脱羟基细菌在盲肠中产生更多的次级胆汁酸

(2) 产生硫化氢并调节肝FXR-CYP7A表达,这些物质影响胆汁酸的合成以及在肝脏中的重吸收

(3) 导致去氧胆酸增加,进而提高胆汁酸的疏水性指数,抑制肝胆汁酸合成;

(4) 促进肠道胆固醇吸收,导致肝脏胆固醇超载;(5) 促进小管胆固醇分泌到胆汁中并诱导胆固醇胆结石形成。

Part6
调节胆汁酸代谢的方法

通过改变微生物群的组成或微生物群代谢某些胆汁酸的能力,或通过施用次生胆汁酸,来控制微生物胆汁酸代谢,具有提供健康益处的潜力。

随着研究阐明了特定胆汁酸对健康的确切影响,治疗可以从更普遍的改变微生物群的方法(例如,粪便移植、益生菌和益生元)转向专门针对单个胆汁酸

✔ 粪菌移植

粪便微生物群移植是将健康供体的粪便微生物转移到受体患者,最初是为了恢复完整的微生物群而开发的。

•粪菌移植可以治疗艰难梭菌感染

粪菌移植治疗艰难梭菌感染的成功可能部分是由于恢复了依赖胆汁酸水解酶的次级胆汁酸生产

尽管一些初级胆汁酸,如牛磺胆酸,促进艰难梭菌孢子萌发,但次级胆汁酸去氧胆酸和石胆酸抑制艰难梭菌生长和艰难梭菌孢子发芽,并且它们的水平在艰难梭菌感染抗性个体中升高

•减轻肠道炎症等相关疾病

虽然粪菌移植在治疗溃疡性结肠炎方面的效果不一,但石胆酸的衍生物3-oxo LCA的恢复与粪菌移植相关,并表明次级胆汁酸减轻疾病方面的作用。

减少产生胆汁酸水解酶的细菌缓解肠易激综合征

粪菌移植可以通过减少胆汁酸水解酶活性细菌的数量来缓解腹泻型肠易激综合征相关的次级胆汁酸过量产生

•粪菌移植也可用于治疗生态失调

粪菌移植也在小鼠身上进行了研究,以治疗观察到微生态失调的各种其他情况(例如衰老)。

粪菌移植缺乏特异性

粪菌移植广泛应用的主要限制之一是其在调节微生物群方面缺乏特异性,这可能导致意想不到的不良反应

在完整的细菌群落及其对人类健康的影响尚不清楚的情况下,设计一种成功的粪菌移植治疗方法仍然具有挑战性。

✔ 使用益生菌

具有明确胆汁酸代谢特性的活微生物可用于改变生态失调疾病中的胆汁酸库

•使用益生菌更具针对性

与粪菌移植相比,益生菌的优势在于它们更具针对性,具有明确的作用机制。具有7α-去羟基化活性的梭状芽胞杆菌(Clostridium spp.),特别是C.scindens,被证明可以通过产生抑制性的次级胆汁酸消除艰难梭菌

注:通过基因工程,来自具有7α-脱羟基活性的细菌的操纵子已被移植,以将这些益处赋予共生产孢梭菌菌株。这种方法可以将胆汁酸合成归因于各种共生细菌,并精确地生成需要的胆汁酸。

生孢梭菌——能够成为具有发展前景的癌症治疗手段

•益生菌可以调节胆汁酸受体

益生菌的使用可以调节胆汁酸受体如法尼醇X受体、维生素D受体的激活。

•益生菌通过调节胆汁酸降低胆固醇水平

益生菌混合物VSL#3可以治疗肠易激综合征溃疡性结肠炎,但也含有表达胆汁酸水解酶的细菌,可以增加胆汁的解结和排泄。

VSL#3通过抑制FXR-FGF15途径上调肝脏胆汁酸生物合成。这种作用可能有利于降低循环中的胆固醇水平

•益生菌还可以减少肠道炎症和肿瘤形成

然而,同样的益生菌混合物在结直肠癌患者中可能具有相反的恢复法尼醇X受体激活的效果。事实上,施用VSL#3可防止结直肠癌相关的胆汁酸下调,并减少炎症肿瘤形成

另一种活性益生菌,罗伊氏乳杆菌NCIMB 30242,在人类中具有类似的抗炎降胆固醇作用,这表明这些细菌的有益作用依赖于将共轭胆汁酸转化为次级胆汁酸

✔ 施用次级胆汁酸

与其给药产生胆汁酸的细菌,不如直接给药具有生物活性的次级胆汁酸,因为它们具有相似的预期效果。

•施用熊去氧胆酸可以抑制胃肠道癌症

熊去氧胆酸主要用作抗胆汁淤积剂,是原发性胆道自身免疫性疾病(如原发性胆道胆管炎)患者的主要治疗选择,但也可能抑制胃肠道癌症(如结直肠癌和肝细胞癌)的进展。

注:熊去氧胆酸减轻结直肠癌的发生是由胆汁酸膜受体TGR5介导的。

•施用次级胆汁酸降低了结肠炎的严重程度

胆汁酸也可能有助于结肠炎患者的症状缓解。石胆酸代谢物通过调节转录因子RORγt和产生线粒体活性氧,支持T细胞分化为调节性T细胞而不是促炎性T辅助17细胞。

这种次级胆汁酸介导的对调节性T细胞分化的促进降低了结肠炎的严重程度,并且部分地解释了细菌联合治疗小鼠结肠炎的益处。

•改善肥胖患者胆固醇及甘油三酯含量

熊去氧胆酸和石胆酸均为法尼醇X受体激动剂,可通过FXR-FGF15途径减轻代谢综合征。由于FXR-FGF15的激活,肥胖小鼠在接受熊去氧胆酸和石胆酸治疗后,胆固醇、血浆甘油三酯和血浆脂肪酸水平降低了。

因此,产生这些次生胆汁酸的细菌,如狄氏副拟杆菌(Parabacteroides distasonis),有助于降低高脂血症

注:合成的FXR激动剂奥贝胆酸是一种被批准用于治疗原发性胆道胆管炎的药物,并且在治疗非酒精性脂肪性肝炎肥胖症方面也取得了成功。

提示

虽然直接补充胆汁酸可以产生对致癌结肠炎代谢综合征有益的结果,但这些效果可能只在治疗期间持续。相反,改变微生物群增加胆汁代谢可能有助于延长效果。因此调节肠道微生物群的平衡十分重要。

Part7
结语

细菌转化胆汁酸的失衡是代谢性炎症性感染性肿瘤性疾病的重要因素,主要通过胆汁酸受体的失调来实现。

由于许多胆汁酸受体在胃肠道以外的组织中表达(例如,脑,T细胞和平滑肌),因此值得进一步研究胆汁酸在其他部位的影响。

随着对肠道菌群胆汁酸的深入研究,我们将更好地了解它们在人类健康中的作用机制,以及它们与人类疾病的关系。

同时,我们也将探索更多的方法来维护肠道菌群胆汁酸的平衡,如饮食、运动、药物等。这些研究将为预防和治疗相关疾病提供新的思路和方法,为人类健康事业做出更大的贡献。

主要参考文献

Collins SL, Stine JG, Bisanz JE, Okafor CD, Patterson AD. Bile acids and the gut microbiota: metabolic interactions and impacts on disease. Nat Rev Microbiol. 2023 Apr;21(4):236-247. doi: 10.1038/s41579-022-00805-x. Epub 2022 Oct 17. PMID: 36253479.

Yu L, Liu Y, Wang S, Zhang Q, Zhao J, Zhang H, Narbad A, Tian F, Zhai Q, Chen W. Cholestasis: exploring the triangular relationship of gut microbiota-bile acid-cholestasis and the potential probiotic strategies. Gut Microbes. 2023 Jan-Dec;15(1):2181930. doi: 10.1080/19490976.2023.2181930. PMID: 36864554; PMCID: PMC9988349.

Cai J, Sun L, Gonzalez FJ. Gut microbiota-derived bile acids in intestinal immunity, inflammation, and tumorigenesis. Cell Host Microbe. 2022 Mar 9;30(3):289-300. doi: 10.1016/j.chom.2022.02.004. PMID: 35271802; PMCID: PMC8923532.

Hu H, Shao W, Liu Q, Liu N, Wang Q, Xu J, Zhang X, Weng Z, Lu Q, Jiao L, Chen C, Sun H, Jiang Z, Zhang X, Gu A. Gut microbiota promotes cholesterol gallstone formation by modulating bile acid composition and biliary cholesterol secretion. Nat Commun. 2022 Jan 11;13(1):252. doi: 10.1038/s41467-021-27758-8. PMID: 35017486; PMCID: PMC8752841.

Poland JC, Flynn CR. Bile Acids, Their Receptors, and the Gut Microbiota. Physiology (Bethesda). 2021 Jul 1;36(4):235-245. doi: 10.1152/physiol.00028.2020. PMID: 34159805; PMCID: PMC8526331.

Larabi AB, Masson HLP, Bäumler AJ. Bile acids as modulators of gut microbiota composition and function. Gut Microbes. 2023 Jan-Dec;15(1):2172671. doi: 10.1080/19490976.2023.2172671. PMID: 36740850; PMCID: PMC9904317.

McCarville JL, Chen GY, Cuevas VD, Troha K, Ayres JS. Microbiota metabolites in health and disease. Annu Rev Immunol [Internet] 2020; 38:147–170.

当营养遇上肠道菌群:探究其对儿童健康的影响

谷禾健康

越来越多的证据表明,肠道菌群定植紊乱微生物多样性减少全球非传染性疾病 (NCD) 的增加有关。影响儿童和青少年的非传染性疾病包括肥胖及其相关合并症、自身免疫性疾病、过敏性疾病和哮喘。饮食变化也与非传染性疾病的发病机制有关,并且由于饮食是肠道微生物群组成和功能的主要驱动因素之一,因此人们开始关注通过饮食干预,来促进健康的肠道微生物群,最终促进健康

一些生物活性营养素,如长链多不饱和脂肪酸 (LC-PUFA)、铁、维生素、蛋白质或碳水化合物,已被确定在婴儿出生后的前 1000 天对婴儿生长、神经发育发挥重要作用,以及肠道菌群的建立和成熟。LC-PUFA 是中枢神经系统 (CNS) 的结构成分,对视网膜发育或海马可塑性至关重要。最近,乳脂球膜 (MFG) 的成分被添加到婴儿配方奶粉中,因为它们在婴儿发育中起着关键作用。

大量摄入蛋白质会导致婴儿期体重增加更快,但这与后来的肥胖有关。可消化的碳水化合物提供葡萄糖,这对中枢神经系统的充分运作至关重要;不易消化的碳水化合物 [例如人乳低聚糖 (HMO)] 是肠道细菌的主要碳源。婴儿期缺铁性贫血与精神和精神运动发育的改变有关。与维生素 B6 和 B12 密切相关的叶酸代谢控制表观遗传变化

从历史上看,重点一直放在早期营养对生长模式和儿童体脂成分的影响上。证据表明,生命早期摄入过多的能量和快速或缓慢的生长模式与不良的发育结果有关;事实上,婴儿期体重快速增加晚年肥胖的重要预测指标

肠道菌群与营养失调与多种儿科疾病有关,营养素的摄入和肠道微生物群的定植和成熟是相互关联的,因此通过饮食干预来促进健康的肠道微生物群是一种有前途的方法,可以改善儿童健康结果。

本文讨论和总结评估营养和肠道微生物群对儿童健康结果影响的临床研究的最新发现,并分享使用营养方法有利地改变肠道微生物群以改善儿童健康结果的研究成果。

01
生命第一年的重要营养素与肠道微生物

★ 脂 肪

脂肪酸是许多脂质的主要成分,必须通过婴儿饮食提供必需的脂肪酸,以实现健康成长、神经发育、免疫系统和胃肠功能。

婴儿的脂肪摄入量占比

在生命的头几个月,多不饱和脂肪酸 (PUFAs) 的需求增加,因为快速生长和神经发育。婴儿的脂肪摄入量母乳喂养期间很高,从开始添加辅食后第一年下半年逐渐减少。脂肪营养需求量占每日总能量摄入:

  • 0 ~ 6 个月是 50-55%
  • 6 ~ 12 个月是 30-40%
  • 12 ~ 36 个月是 35-40%

细分各类脂肪酸的摄入量

最近,不同的国家确定亚油酸的摄入量应占总能量的 4%,而 α 亚麻酸应占总能量的 0.5%。

长链多不饱和脂肪酸 (LC-PUFAs)、n-3 二十二碳六烯酸 (DHA, 22 : 6n-3) 和花生四烯酸 (ARA, 20 : 4n-6) 是中枢神经系统细胞膜的功能成分,在神经传递具有关键作用。

欧洲食品安全局 (EFSA) 委员会已确定:

0 ~ 24 个月的 DHA 摄入量为 100 毫克/天;

0 ~不到6个月的 ARA 摄入量为 140 毫克/天;

ARA 和 DHA 由母乳提供

婴儿的 DHA 状态是通过母乳提供的,它取决于母亲的 DHA 状态;尽管如此,母乳中的 ARA 浓度始终接近总脂肪酸的 0.5%,通常高于 DHA,与 DHA 相比更稳定

与大脑发育相关的脂肪酸

大量的 n-3 和 n-6 LC-PUFA 在器官和组织的膜中迅速积累。在胎儿生命的最后三个月和生命的头两年,DHA 在脑组织中积累,特别是在与注意力、运动控制和感觉统合相关的灰质区域,而 ARA 负责海马可塑性

已经表明,ARA 的延伸产物肾上腺酸 (ADA,22:4n-6) 是细胞膜中的重要成分。ADA构成了大脑中近一半的n-6 LC-PUFA,n-6 LC-PUFA的含量远远超过n-3 LC-PUFA。

均衡摄入DHA和ARA对大脑功能和发育至关重要

事实上,生命早期较高的 DHA/ARA 比率与更好的认知结果相关。已经表明,神经发育结果有利于 DHA 与 ARA 的比例为 1:1 或 1:2,而与1:1和1:2的比例相比,1.5∶1的比例降低大脑发育过程中红细胞中ARA的浓度。

在脂肪酸摄入量和线性生长之间建立关系的研究得出了不同的结论。其中一些人认为必需脂肪酸对于婴儿期的最佳线性生长很重要,也有研究人员没有发现任何关联。

乳脂球膜蛋白的健康益处

另一方面,脂肪的研究工作表明,乳脂球膜 (MFGM) 蛋白代表母乳的生物活性部分,可提供一些健康益处。这种膜组分由不同的生物活性成分(磷脂酰胆碱、鞘磷脂、胆固醇和脑苷脂、神经节苷脂等)组成,它们对大脑发育和免疫功能有积极影响并保护新生儿胃肠道调节肠道菌群组成。

饮食中脂肪酸的分布与肠道菌群的关联

我们通常认为饮食中脂肪过多会造成肥胖,实际上,饮食中脂肪酸的分布也可能改变肠道微生物群的组成和肥胖状况。最近,表明人乳中的 sn-2 脂肪酸与婴儿肠道微生物群之间存在显着关联;ARA 和 DHA 与拟杆菌属(Bacteroides)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、韦荣球菌属(Veillonella)、链球菌属(Streptococcus)和梭菌属(Clostridium)有关,参与短链脂肪酸(乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐)生产的细菌,具有重要的免疫调节功能,在抵抗肠道病变的发展等方面发挥着关键作用,并且在母乳喂养后 13-15 天显着增加。

扩展阅读:脂肪毒性的新兴调节剂——肠道微生物组

如何通过喂养菌群产生丁酸调节人体健康

★ 蛋白质

蛋白质在生命的前 1000 天非常重要,因为它们在细胞结构中发挥着重要作用,并且是酶和神经递质的组成部分。

蛋白质推荐量

在出生后的头 6 个月内,每公斤体重/天的蛋白质推荐量为:

0 至 6 个月大时为 0.58 克;

6 至 36 个月大时为 0.66 克。

母乳中蛋白质种类多,有多种功能

母乳含有 400 多种蛋白质,多种功能如抗菌、免疫调节活性或刺激营养吸收等。蛋白质缺乏会导致生长发育不良以及运动和认知发育迟缓;然而,高蛋白质摄入会导致婴儿期体重增加更快,并与以后的肥胖相关。

使用婴儿配方奶粉喂养的婴儿在生命的前四个月内表现出正常的婴儿生长模式,婴儿的总蛋白质减少 1.0 g/dl(类似于母乳)。

辅食中蛋白质影响婴儿生长及肠道菌群组成

补充食品中的蛋白质来源和摄入量会显着影响婴儿生长并可能影响超重风险;肉类和奶制品为基础的辅食会导致不同的生长模式,尤其是身高。

同时,补充喂养期间相关类型的富含蛋白质的食物,对配方奶喂养婴儿的肠道微生物组成和代谢物有影响;的儿童肠道群落富含厚壁菌门粪杆菌属,同时变形杆菌门和双歧杆菌属减少

扩展阅读:肠道菌群与蛋白质代谢

认识变形菌门,变形菌门扩张的原因和健康风险

★ 碳水化合物和糖

碳水化合物需求量

每日总能量摄入中的总碳水化合物需求量占比如下:

0 ~ 6 个月为 40-45%

6 至 12 个月以下为 45-55%

12 至 36 个月以下为 45-60%(接近成年人)

葡萄糖

葡萄糖对于中枢神经系统的充分运作起着关键作用,因为它是生长、神经冲动和突触的主要能量来源。葡萄糖由不同的碳水化合物提供给婴儿,例如乳糖,作为母乳中的主要糖分(范围为 6.7 至 7.8 g/dl),以及多种低聚糖,其含量约为 1 g/dl。

母乳低聚糖

母乳低聚糖 (HMO) 构成了婴儿无法消化的母乳碳水化合物的重要部分。母乳低聚糖具有益生元功能,可喂养胃肠道微生物群,并促进有益菌的生长;此外,它们还与多种生物学功能有关,例如对胃肠道发育和全身免疫的影响、双歧杆菌生成活性和抗感染、炎症调节、肠神经元激活和肠道运动,以及中枢神经系统功能的增强。

母乳低聚糖包括酸性低聚糖,主要是唾液酸化 [例如 6′-唾液酸乳糖 (6′-SL)、3′-唾液酸乳糖 (3′-SL)] 或中性低聚糖 [例如 2′-岩藻糖基乳糖 (2′-FL)]

岩藻糖基聚糖是母乳中最丰富的母乳低聚糖形式 (80–90%) 。

聚糖

聚糖(glycans)是微生物的碳源,对宿主细胞和微生物之间的识别、信号传导和表观遗传调控至关重要,与广泛的免疫和代谢紊乱有关。双歧杆菌属和乳杆菌属与的生长之间存在显着相关性。在哺乳早期和晚期的婴儿肠道中。

几个临床前模型已经证明母乳低聚糖对认知功能的影响,但人类的临床数据尚未公布。

关于糖没有特定推荐量,2岁以下避免添加糖

关于糖,没有针对婴儿期糖的特定的每日参考摄入量。ESPGHAN 营养委员会建议,避免在 2 岁以下儿童的饮食中添加糖分。还建议避免饮用果汁或含糖饮料,因为过早摄入这些饮料会增加日后患 1 型糖尿病的风险。

★ 

为什么婴儿在 6 个月左右时需要添加辅食?与铁等营养素的需求有关

在婴儿出生前,胎儿会从母体中吸收铁元素,积累在肝脏中,以备出生后使用。然而,母乳中的铁含量相对较低,因此在婴儿 6 个月左右时,需要从饮食中摄取外源性铁以满足营养需求。

铁的需求量

0 ~ 6 个月为 0.3 毫克/天;

6 ~ 12 个月以下为 6-11 毫克/天;

12 ~ 36 个月以下的需求量为 3.9-9 毫克/天。

缺铁有哪些影响?

缺铁会影响大脑、神经和精神运动发育,因为铁是神经递质所需的组成部分。缺铁会导致携氧能力降低,从而导致生长发育所需的葡萄糖转化受限;这些限制可能导致生长迟缓、体重减轻和年龄增长,但与神经发育不同的是,它们可以通过补铁治疗来克服

缺铁影响肠道菌群组成

母乳是双歧杆菌的主要来源,它可以在二价金属通透酶和乳铁蛋白的帮助下获得管腔铁,促进这些有益细菌的生长,并从细菌病原体中隔离铁。缺铁导致肠道微生物群落失调,这反映在肠杆菌科Enterobacteriaceae和韦荣球菌科Veillonellaceae的相对丰度增加,以及与健康对照相比,红蝽菌科(Coriobacteriaceae)肠杆菌科和双歧杆菌科/肠杆菌科的丰度降低

Coriobacteriaceae被确定为一个潜在的生物标志物,将运动与健康改善联系起来。

扩展阅读:人与菌对铁的竞争吸收 | 塑造并控制肠道潜在病原菌的生长

★ 维生素 D

纯母乳喂养的婴儿摄入的维生素 D 低于最低推荐摄入量,远低于每日参考摄入量。

维生素D推荐摄入量

为避免因维生素D而可能出现的病症,例如骨矿化不足或软骨病,母亲每天补充 400 至 2000 IU 可以增加母乳中的维生素 D 水平;建议纯母乳喂养的婴儿接受阳光照射和补充维生素 D

0 至 36 个月以下的婴儿维生素 D 营养需求为:

10 微克/天

缺乏维生素D会引起什么?

维生素D诱导神经生长因子,促进神经突生长,抑制海马神经元凋亡。关键神经发育时期的缺陷会导致生命后期的行为、记忆和学习障碍。

低水平的维生素 D 会导致肠道通透性增加,产生慢性低度炎症状态。

维生素 D 与肠道菌群之间存在关联,在 3-6 个月大的不同种族婴儿的肠道微生物群组成中观察到一些差异,这些婴儿的母亲在怀孕期间补充了维生素 D 以预防其后代的哮喘和过敏症

扩展阅读:维生素D与肠道菌群的互作

★ 维生素 B12 和叶酸

维生素 B12 的需求量

0 ~ 6 个月为 0.4 微克/天,

6 ~ 不到 12 个月为 0.5 至 0.8 微克/天,

12 ~ 36 个月以下为 0.6 至 1 微克/天。

叶酸的需求量

EFSA 推荐:

0 ~ 6 个月的叶酸营养需求为 65 微克/天,

6 ~ 12 个月婴儿的叶酸摄入量为 80 微克/天,

12 ~ 36 个月以下的需求量为100微克/天;

1-17 岁儿童的叶酸 (FA) 摄入量上限已确定为 200 – 800 微克/天。

叶酸和维生素B12的作用

叶酸维生素 B12(钴胺素)作为参与广泛生物过程的辅助底物和辅助因子发挥着重要作用,例如核酸合成、糖酵解、糖异生和氨基酸代谢。

此外,叶酸和维生素 B12 以及单碳代谢循环所需的其他微量营养素辅助因子的状况可能会影响 DNA 甲基化,从而对健康产生长期影响。

叶酸——必须,但不要过量

众所周知,怀孕期间缺乏叶酸会导致后代出现神经管缺陷的风险更高。然而,高剂量的叶酸与更好的状态无关,与母亲或后代无关;事实上,怀孕期间摄入量高于 400 微克/天并没有明显的好处。母乳喂养期间补充叶酸可导致母乳总叶酸适度增加。

在儿童中,叶酸缺乏与认知发育受损以及腹泻呼吸系统疾病增加相关;然而,补充叶酸对于减少这些病症并没有明显帮助。

过量摄入叶酸可能会产生潜在的不利影响,包括几种疾病(例如癌症、神经系统疾病、生长综合征、呼吸系统疾病和多发性硬化症)的发病率增加

目前,由于食用补充剂或强化食品,很多欧洲儿童摄入大量叶酸;目前尚不清楚这些摄入量是否会造成伤害,尤其是在早期发育过程中,而许多组织中正在发生大量表观遗传变化。

缺乏维生素B12有什么影响?

母亲的维生素B12状况不佳时,母乳中的含量会降低,会影响后代维生素B12的状态。维生素 B12 对中枢神经系统的代谢和维持至关重要,与叶酸一起在同型半胱氨酸代谢和髓磷脂的保护中起着关键作用。因此,维生素 B12 缺乏会导致覆盖颅神经、脊神经和周围神经的髓鞘受损,从而导致神经精神疾病的发展。

B族维生素缺乏影响肠道菌群

通过基因组重建和预测,针对几种B族维生素,预测整个微生物群落的代谢表型,发现微生物群落中有相当一部分是辅助营养物种(它们无法自己合成某些生命所需的化学物质,需要从外部环境中获取这些物质才能生存),它们的生存完全依赖于饮食和/或原养型微生物中获取一种或多种B族维生素,通过特定的拯救途径(一种代谢途径,通过这种途径,微生物可以从外部环境或其他微生物的代谢产物中回收利用某些生命所需的化学物质,以满足自身生存所需)来实现。

膳食摄入影响:

母体甲基供体的摄入(胆碱、甜菜碱、叶酸、蛋氨酸)会改变其后代的DNA甲基化。观察到这种摄入量,特别是在围孕期,会影响婴儿口腔中与代谢、生长、食欲调节和维持 DNA 甲基化反应相关的基因的 DNA 甲基化。

细菌合成影响:

除了膳食摄入外,细菌叶酸生物合成也备受关注。细菌叶酸生物合成可以提供额外的叶酸来源,对健康结果和/或 DNA 甲基化具有重要意义

在体外结肠模型中,研究发现补充甲钴胺和乳清可以提高厚壁菌门和拟杆菌属的比例,同时减少变形杆菌属的数量,其中包括一些病原体,如大肠杆菌Escherichia和志贺氏菌属Shigella等,以及假单胞菌属Pseudomonas)。此外,研究还发现甲钴胺可以促进肠道细菌对脂质、萜类化合物和聚酮化合物的代谢,诱导外源性物质的降解,抑制转录因子和次级代谢产物(如维生素 B12)的合成。

扩展阅读:如何解读肠道菌群检测报告中的维生素指标?

B族维生素与肠道菌群互作

02
微生物群和儿童生长

▼ 新生儿肠道菌群

新生儿肠道菌群的建立及发育

新生儿的肠道菌群既直接来自母亲,也来自分娩后的环境。微生物组在生命的头几个月经历动态演替和成熟,这一过程伴随着身体指标以及器官和神经认知发育的快速变化。

新研究结果强调母乳喂养和婴儿饮食会影响肠道微生物组成和功能。一项使用宏基因组鸟枪法测序的综合研究表明,停止母乳喂养(而不是引入固体食物),可以推动婴儿肠道微生物组的功能成熟,使其接近成人状态

新生儿肠道菌群的影响因素

新生儿微生物组和免疫系统不成熟似乎与肠道感染的易感性增加有关,特别是在 LMIC(中低收入国家) 环境中。虽然新生儿获得微生物群的时间各不相同,但多次接触,包括分娩方式、母婴饮食、药物、获得安全水和卫生设施以及多种宿主因素,是微生物群组成的主要决定因素

母乳对婴儿的发育和成熟起着重要作用,微生物组在断奶时进入过渡阶段,此时微生物组会发生其他变化。

▼ 儿童生长

儿童营养不良生长障碍是由膳食摄入不足和炎症之间复杂的相互作用驱动的,炎症通常是持续和/或反复感染和慢性疾病(包括镰状细胞病、艾滋病毒、先天性心脏病、心理障碍和内分泌或代谢疾病)的结果

肠病是营养不良的一个重要驱动因素

肠病可能是肠病原体相关性腹泻病的结果,这在 LMIC 环境中的儿童中很常见,并且与死亡率、生长迟缓和认知发育不良的风险较高有关。

而这些环境中的许多儿童在存在或不存在已知肠病原体的情况下患有无症状肠病。这种肠病与非特异性持续粪口污染、反复肠道感染和小肠细菌过度生长 (SIBO) 有关。这种肠病与其他慢性肠道炎症有一些相似之处,包括克罗恩病和溃疡性结肠炎。它与发育迟缓密切相关,可能通过营养吸收不良和食欲抑制间接影响生长,并通过生长激素-胰岛素样生长因子 1 (IGF-1) 轴直接影响生长。

肠道通透性增加也会对发育产生负面影响

肠屏障功能障碍和肠道通透性增加可能导致微生物和/或微生物产物易位,从而激活先天免疫反应并促进全身炎症,从而对生长产生负面影响。

扩展阅读:什么是肠漏综合征,它如何影响健康?

▼ 肠道菌群和儿童成长

肠道微生物群会影响多种宿主功能,包括代谢调节和信号传导,通过获取膳食营养素和微生物群衍生的代谢物、免疫耐受和对病原体的抵抗力、昼夜节律以及与儿童健康成长相关的其他途径。

肠道菌群失调可能影响儿童生长发育

由于疾病、环境或药物暴露或其他损害而破坏微生物组的正常多样性和组成,可能导致生态失调,这是一种以致病菌大量繁殖、共生体丧失和多样性丧失为特征的状态。在一些人群中,生态失调与肥胖、2 型糖尿病、肝脂肪变性和肠道疾病有关。在儿童和部分人群中,生态失调与生长和神经认知发育不良以及反复感染、免疫力改变和炎症增加有关

与营养良好的儿童相比,营养不良的儿童拥有“不太成熟”的肠道菌群,其多样性较低。生态失调导致营养提取效率低下、吸收不良、易患肠杆菌科等侵袭性疾病和肠道炎症,从而影响生长

肠道微生物群与发育迟缓之间存在密切关联,表明存在因果机制

谷禾健康与长沙妇幼儿童保健中心实验室合作发表的临床研究,揭示了肠道微生物群对患有严重急性营养不良 (SAM) 等严重儿科病理状况的儿童的重要性;临床诊断为生长发育迟缓 (FTT) 的受试者和正常生长正常的早产受试者 (NFTT-pre) 在不同年龄段表现出明显的肠道菌群发育轨迹中断,并且其α多样性的发展以及观察到的 OTU 和 Shannon 指数不足,尤其是在具有 FTT 的受试者中。

此外,与正常相比,FTT组中细菌如拟杆菌、双歧杆菌、链球菌和大多数年龄歧视性细菌分类群的顺序定殖和富集及其微生物功能紊乱。我们的研究结果表明,发育迟缓的婴儿肠道菌群发育不全,具有潜在的临床和实践意义。

▼ 基于菌群改善儿童生长

肠道菌群失调还与共生微生物的易位和系统传播以及对病原体的易感性有关。此外,共生细菌抵抗肠道炎症的功能能力降低,如产生短链脂肪酸和色氨酸分解代谢配体(驱动芳烃受体激活),可导致肠道炎症

恢复肠道菌群稳态,可促进儿童生长发育

共生菌还维持先天性淋巴样细胞,这是白细胞介素IL-22 的主要来源,IL-22 可刺激抗菌肽,帮助防止病原菌的微生物移位和入侵。恢复稳态微生物组和相关代谢物,有可能逆转与生态失调相关的表型,并促进儿童的生长发育

确定肠道微生物群落结构和功能的变化(包括确定它们与疾病的因果关系)以制定有效的干预措施,对恢复肠道微生物群落结构并改善健康生长发育至关重要。

确定可以在怀孕、婴儿期和儿童期实施的干预措施,以预防或改善这些导致生长发育不良的驱动因素,对于改善短期和长期健康与发育至关重要。

扩展阅读:

发育迟缓/营养不良不容忽视,问题很有可能在肠道

真实案例 | 儿童发育迟缓肠道菌群检测的应用

03
怀孕和分娩结果

怀孕期间母体肠道菌群的组成和功能似乎与出生结局密切相关,包括体重和胎龄。在健康的非妊娠成人中,肠道微生物群由相对稳定的种群组成,主要由拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、变形菌门和疣微菌门组成。微生物组的组成和多样性在怀孕期间发生了变化。例如,在怀孕期间,肠道微生物群 α 多样性和产丁酸菌减少,而双歧杆菌、变形菌和产乳酸菌增加

最近对来自刚果、印度、巴基斯坦和危地马拉的孕妇进行的一项纵向研究表明,怀孕期间肠道微生物群的个体属和 α 多样性(丰富度)有所减少

妊娠期肠道菌群与新生儿生长关联

最近进行了一项研究,以了解津巴布韦农村地区妊娠期肠道微生物群分类群与代谢功能对胎龄、出生体重和新生儿生长的关联。

结果证明,抗性淀粉降解细菌,主要是瘤胃球菌科、毛螺菌科和真细菌科,是主要的肠道类群,并且是出生体重、新生儿生长和胎龄的重要预测因子

此外,这项研究表明,淀粉和能量代谢、信号和维生素 B 代谢相关的细菌功能,与出生体重增加有关。这些结果表明,非洲农村地区母亲食用富含淀粉的饮食的饮食模式,可能会推动选择影响婴儿健康和成长的物种。

扩展阅读:肠道核心菌属——毛螺菌属(Lachnospira)

肠道菌群变化分别与妊娠糖尿病和高脂血症有关

谷禾健康与江南大学食品科学与技术国家重点实验室合作的临床研究成果表明妊娠糖尿病 (GDM) 通常与高脂血症合并症有关。改变的人类肠道微生物群分别与妊娠糖尿病和高脂血症有关,但与合并症无关。发现链球菌(Streptococcus)、粪杆菌(Faecalibacterium)、韦荣球菌(Veillonella)、普雷沃氏菌(Prevotella)、嗜血杆菌(Haemophilus)和放线菌( Actinomyces )在糖尿病加高脂血症人群中显着更高。此外,几种细菌与患有妊娠糖尿病和高脂血症的参与者的空腹血糖和血脂水平相关。

扩展阅读:肠道重要基石菌属——普雷沃氏菌属 Prevotella

人类肠道核心菌属——韦荣氏球菌属(Veillonella)

母体微生物群的干预:益生菌

针对母体微生物群的干预措施有可能显着影响婴儿健康,因为孕期生态失调和母体暴露会影响微生物群的建立、免疫发育和代谢健康。正在评估妊娠期膳食补充益生菌(对宿主健康有益的活微生物),以预防妊娠相关并发症和不良出生结果,包括早产和极低出生体重。

一些数据表明,益生菌对孕妇或哺乳期妇女在治疗妊娠糖尿病 (GDM)B族链球菌定植和乳腺炎方面具有有益作用。

鉴于已知的安全性,益生菌作为妊娠干预措施特别有吸引力。然而,迄今为止的研究还没有定论。在新西兰、芬兰、丹麦、瑞典、澳大利亚、伊朗和我国的女性中,补充各种益生菌和混合物(包括乳酸杆菌、链球菌和双歧杆菌菌株)对出生人体测量没有影响。但有一些数据表明益生菌单独或联合使用可能与低收入国家早产儿死亡率坏死性小肠结肠炎和/或新生儿败血症降低有关。

04
微生物群和儿童干预

新生儿和婴儿是考虑针对微生物组进行干预关键人群因为婴儿微生物组在出生后经历快速进化。此外,婴儿期生长和神经认知发育关键时期,也是发病率和死亡率最高的时期。

婴儿肠道菌群的定植

来自拟杆菌门和放线菌门的专性厌氧菌会迅速定植婴儿肠道,主要是双歧杆菌属、拟杆菌属和梭菌属,在生命的前 6 个月内,其特点是多样性低

母体肠道微生物群似乎对婴儿肠道的定植有显着贡献,而阴道和皮肤来源的细菌似乎更短暂,并且不会在新生儿期后持续存在于婴儿肠道中。

婴儿肠道菌群->免疫系统->宿主

婴儿肠道微生物群为免疫系统的发育提供信息,而免疫系统又协调维持宿主-微生物共生的关键特征。因此,肠道微生物组成和代谢的异常能会破坏正在发育的免疫系统

母乳喂养->断奶,肠道菌群变化

婴儿期的母乳喂养还通过母乳中微生物种类的直接转移和其他主要成分的调节影响婴儿生长和塑造肠道微生物群,例如人乳低聚糖(HMO – 人类酶无法消化的复合糖),分泌IgA 和抗菌因子。

断奶,即逐渐将固体食物引入婴儿饮食,是婴儿发育的一个重要里程碑。断奶也是肠道菌群快速扩张的时期,包括双歧杆菌、乳杆菌、韦荣球菌(Veillonella)、柯林氏菌(Collinsella)、普雷沃氏菌、粪杆菌属和大肠杆菌属以及参与复杂多糖代谢的其他物种的多样化和扩张

断奶期微生物群受干扰,可能导致肠道感染的易感性

断奶时微生物群的扩大还与强烈免疫反应的诱导有关,一种“断奶反应”,其特征是与生命后期的免疫成熟和耐受性相关的调节性 T 细胞的扩增。

在小鼠中,断奶期间限制微生物组的成熟会导致免疫发育受损并增加对肠道感染的易感性。此外,在母乳喂养率高且在长时间断奶期间也接受补充饮食的孟加拉国社区队列中,发现了一个独特的“过渡”长双歧杆菌进化枝,它携带利用母乳和食物底物的酶。这种过渡性长双歧杆菌在断奶期间引入固体食物后会扩大,并且在孟加拉国以外的婴儿队列中也得到证实,尽管患病率要低得多。 这些发现表明底物和混合喂养的持续时间也会影响肠道微生物组的结构和功能

断奶期过后,肠道菌群高度依赖于饮食习惯

农村地区的儿童表现出拟杆菌门的显着富集和厚壁菌门的枯竭,普雷沃氏菌属的细菌数量独特丰富,显示出利用富含多糖的营养素的能力。

然而,在工业化国家,这些普氏菌肠型不太常见,断奶后微生物组的特征是拟杆菌和瘤胃球菌肠型的存在。

在试图了解微生物群落是如何共同配置的,包括描述组成成员之间的相互作用以及这些群落随着年龄的增长而成熟时,需要较大的样本人群队列,这也是谷禾一直推进的事情。

微生物群是否有一个稳定的架构?

综合众多的研究结果确定了一个由几十个细菌分类群组成的核心“生态群”,这些分类群在孟加拉国、印度和秘鲁的出生队列的健康成员中,在 20 个月及以后表现出一致的协变。研究得出结论,生态群网络是微生物群组织的一个保守的一般特征,建议这样的生态群可以提供一个框架来描述营养不良儿童的生态失调。

我们建议这样的生态群可以用作定量指标,用于定义旨在重新配置肠道微生物群落的靶向干预措施的功效。

05
益生菌、益生元、合生元

婴儿绞痛、反流和便秘常常引起父母的痛苦也是儿科就诊的主要原因。如前所述,母乳喂养婴儿的微生物群通常被认为富含双歧杆菌和乳杆菌等“有益”细菌,以及梭菌等产气细菌的生长减少

益生菌:罗伊氏乳杆菌DSM 17938减少哭闹

在随机对照试验中,与安慰剂相比,使用罗伊氏乳杆菌(L. reuteri)DSM 17938 治疗绞痛婴儿可显着减少哭闹时间、反流和功能性便秘

相比之下,报道了与L. reuteri DSM 17938 相比,安慰剂组在治疗 1 个月时的烦躁时间短暂减少和睡眠持续时间更长。这种烦躁增加仅发生在配方奶喂养的婴儿中,而不发生在母乳喂养的婴儿中。

另一项最近的研究评估了L. reuteri DSM 17938 在 1 个月和 3 个月大时通过显着减少哭闹时间来预防绞痛。一般来说,罗伊氏乳杆菌DSM 17938 似乎可以减少患有绞痛的母乳喂养婴儿的哭闹时间,但是,这种益生菌在绞痛配方奶喂养婴儿中的作用需要进一步研究。

同样对于绞痛的预防,使用L. reuteri DSM 17938 似乎是有效的,但这需要在其他研究环境中得到证实。

扩展阅读:认识罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)

为了促进“有益”细菌的生长,婴儿配方奶粉中添加了特定的益生元,并在临床试验中进行了评估。

益生元:低聚半乳糖降低绞痛和反流的风险

在最近的一项双盲随机对照试验中,摄入补充低聚半乳糖的配方奶显示出与母乳喂养参照组相似的双歧杆菌和乳杆菌发育趋势,并且与接受不含低聚半乳糖的配方奶粉的婴儿相比,降低了绞痛和反流的风险。

合生元:减少哭闹、减轻疾病发作

人们对合生元提供“有益”细菌及其底物的兴趣也越来越大。

与随机分配到安慰剂配方奶粉的对照组相比,给婴儿喂食七种益生菌菌株和低聚果糖的混合物后,婴儿在第 7 天和第 30 天的哭闹时间减少了 50% 以上。

在另一项前瞻性双盲随机对照试验中,评估了含有嗜热链球菌Streptococcus thermophilus)、保加利亚乳杆菌L. bulgaricus)和动物双歧杆菌( B. animalis ssp. lactis)的合生酸奶饮料的效果。

与安慰剂相比,乳糖和菊糖对疾病发作(腹泻、上呼吸道感染和发热性疾病)的影响减少了发烧天数。 干预组大便稀便的频率更高,需要照顾孩子的次数也更多,但差异无统计学意义。

注意:

作者强调益生菌的干预并不是适合所有有症状的婴儿,婴儿的肠道菌群变化较快,益生菌及其组合的干预需要充分评估肠道菌群及其功能,了解其肠道菌群网络结构下,选择对应症状的干预方式才能确保安全和发挥干预的效果

总的来说,在得出任何确定的结论之前,需要更多的研究来评估益生元和合生元在这些在不同类型儿童及其整体肠道微生态条件下的作用。

扩展阅读:

如何调节肠道菌群?常见天然物质、益生菌、益生元的介绍

肠道微生物群与健康:探究发酵食品、饮食方式、益生菌和后生元的影响

06
微生物群、益生菌和过敏性疾病

人们还关注肠道菌群失调在过敏表型发生发展中的作用。

肠道菌群 & 过敏性疾病

肠杆菌科/拟杆菌比率↑ — 食物致敏的风险↑

据报道,在基于人群的加拿大健康婴儿纵向发育 (CHILD) 出生队列研究中,婴儿粪便中低肠道微生物群丰富度和升高的肠杆菌科/拟杆菌比率与随后食物致敏的风险增加有关。

瘤胃球菌科↓

–食物敏感 –特应性湿疹 –炎症性先天免疫反应过度

他们还发现食物敏感的婴儿在 1 岁时瘤胃球菌科的丰度下降。这可能与过敏性疾病高风险婴儿的病例对照研究结果一致,发现瘤胃球菌科的相对丰度较低与未出现任何过敏表现的婴儿相比,随后出现特应性湿疹的婴儿的粪便样本中。

值得注意的是,瘤胃球菌属的相对丰度较低也与炎症性先天免疫反应过度有关

总的来说,这些发现进一步支持了这样一种假设,即缺乏潜在的免疫调节细菌可能会增加发生过敏表现的风险。由于瘤胃球菌能够降解纤维,并且是成人“核心”微生物组的一部分,未来的研究应该检验其重要性。

扩展阅读:瘤胃球菌属——消化降解关键菌?炎症标志菌?

益生菌 & 肠道菌群

鼠李糖乳杆菌GG — 产丁酸菌↑

在最近的一项研究中,研究了益生菌对牛奶过敏婴儿肠道微生物组的影响。报道称,添加了鼠李糖乳杆菌GG (LGG) 的深度水解酪蛋白 (EHCF) 配方导致了与丁酸盐生产相关的特定细菌的富集

丁酸盐是一种已知的结肠细胞底物,与增强肠道完整性有关。与单独使用 EHCF 相比,接受 EHCF + LGG 治疗的婴儿在治疗 6 个月后的丁酸产量呈双峰分布

已知的丁酸盐生产者FaecalibacteriumBlautiaRuminococcusRoseburia在高丁酸盐样本中富集,而拟杆菌显着减少。与牛奶不耐受的孩子相比,牛奶耐受的孩子BlautiaRoseburia富集。正如作者推测的那样,这些物种可能导致丁酸盐产量增加肠道完整性增加

扩展阅读:

肠道核心菌属——经黏液真杆菌属(Blautia),炎症肥胖相关的潜力菌

肠道重要基石菌属——罗氏菌属(Roseburia)

肠道核心菌属——普拉梭菌(Faecalibacterium Prausnitzii),预防炎症的下一代益生菌

母亲摄入益生菌降低孩子发病率

在该团队随后的2份研究中,其中在一项随机对照试验中,与无菌安慰剂牛奶相比,孕妇在围产期摄入含益生菌的低脂发酵牛奶可降低其孩子 2 岁和 6 岁时的湿疹发病率。然而,临床益处似乎与 3 个月或 2 岁时对肠道微生物多样性的影响无关。

由于益生菌仅给予母亲,另一种解释可能是通过影响母乳成分。在婴儿期益生菌随机对照试验的另一项后续研究中,对长期肠道微生物群的建立没有影响, 这与之前的报道一致。

注意:

虽然说荟萃分析报告,怀孕期间、母乳喂养期间和/或给婴儿服用益生菌可降低婴儿湿疹的风险,但证据仍然薄弱。因此,专家机构未能推出具体的指导方针。然而,在考虑所有关键结果时,世界过敏组织现在建议使用益生菌预防有过敏孩子高风险的孕妇和哺乳期母亲以及有高风险患过敏性疾病的婴儿(基于家族史)。

在他们的指南中,他们强调该建议是有条件的并且基于低质量的证据,并不能给出关于最有效的菌株、剂量或治疗的开始和持续时间的具体指导。因此,仍然需要更具体的指南和研究基础。

07
肠易激综合征、克罗恩病和乳糜泻中肠道微生物群调节

肠易激综合症

在一项评估肠易激综合征儿童低发酵底物饮食的初步研究中,该饮食与腹痛频率严重程度的降低显著相关。与无反应者相比,对治疗有反应的儿童在基线和干预期间似乎具有不同的粪便微生物组。

在一项更大的、双盲、随机、交叉研究中,同一组使用 16S 测序研究了低发酵低聚糖、二糖、单糖和多元醇 (FODMAP) 饮食对肠易激综合症儿童的临床结果和肠道微生物组成的影响。

低 FODMAP 饮食减少了腹痛,并且对饮食有反应的儿童的微生物群具有更强的糖分解能力。作者建议,鉴定具有更强糖分解能力的微生物群可能作为预测对低 FODMAP 饮食反应的生物标志物。

克罗恩病

肠道微生物群环境的变化被认为是克罗恩病患者纯肠内营养治疗特性的中介。令人惊讶的是,与没有炎症性肠病家族史的健康对照相比,克罗恩病患儿在纯肠内营养过程中肠道微生物多样性、普拉梭菌和丁酸盐浓度有所降低

当参与者恢复正常饮食时,这后来又恢复到治疗前的水平。伴随着这种假定的“不健康”微生物群,矛盾的是临床结果得到改善,结肠炎症标志物减少。然而,这些发现的相关性需要进一步阐明。

乳糜泻

在乳糜泻中,坚持严格的无麸质饮食 (GFD) 有时很困难,患者可能仍会出现临床症状和营养缺乏,随后持续发炎和肠道菌群失调

由于特定的益生菌已被证明可以减轻炎症,因此在一项双盲探索性试验中,新诊断出患有乳糜泻的儿童被随机分配到摄入长双歧杆菌CECT 7347 或安慰剂组 3 个月。无论治疗如何,对 GFD 的依从性与生长参数呈正相关,与安慰剂组相比,益生菌组的身高有所增加。此外,益生菌处理减少了脆弱拟杆菌的数量组和分泌型 IgA

在另一项评估两种益生菌短双歧杆菌菌株对 GFD 患儿影响的随机对照试验中,与安慰剂相比,干预减少了炎性细胞因子 TNFα 的产生。

总的来说,这些研究表明益生菌对患有乳糜泻的儿童可能有益,但需要在更大规模的试验中验证。

扩展阅读:双歧杆菌:长双歧杆菌

08
微生物群和儿童代谢消化

青年糖尿病环境决定因素 (TEDDY) 研究最近的一份报告中,该研究包括芬兰、瑞典、德国和美国患 1 型糖尿病的高风险儿童,肠道的组成和多样性都存在很大差异。即使在这个具有同源人类白细胞抗原 (HLA) II 类基因型并因此具有相似遗传风险的人群中,根据地理区域也存在显着差异

这些差异的根本原因尚不清楚,因为即使在对早年生活和饮食变量进行调整后,差异仍然存在。

在同一项前瞻性队列研究中,还检查了早期接触益生菌和膳食可溶性纤维(可能影响肠道微生物群组成和形成免疫反应)与胰岛自身免疫的关系。与后期补充或无益生菌相比,益生菌暴露(≤27 天)与胰岛自身免疫风险降低相关。 相反,儿童早期膳食可溶性纤维的摄入与胰岛自身免疫或 I 型糖尿病无关。未来的研究需要检验这些发现的重要性。

09
结 语

人们一直对肠道菌群失调在影响儿科人群的大量疾病中的作用感兴趣

儿童生长迟缓和认知发育不良的驱动因素是多方面的,包括饮食摄入量和多样性不足、暴露于反复感染、慢性疾病和肠道病理学,包括肠病和 SIBO。最近的研究表明,肠道菌群失调与发育迟缓之间存在密切关联,表明存在潜在的因果关系。这些研究强调需要确定肠道微生物群落的结构和功能改变,并恢复微生物组稳态和相关代谢物以促进低收入环境或国家儿童的生长发育。

儿童时期的肠道微生物组成高度依赖于饮食习惯。在营养不良的儿童中,与标准营养干预措施(如 RUSF)相比,含有当地可用成分的低热量密度 MDCF 可改善微生物组的成熟度和生长。未来我们需要努力探究不同地理环境和不同饮食习惯下中婴儿期微生物群的多样性,更深入地了解它们与免疫发育和生长的联系。

鉴定具有更高定植效率和临床有效性的适合当地的菌株可能提供巨大的潜力来优化可在怀孕、婴儿期和儿童期实施的干预措施,这可能会导致针对肠道微生物群的治疗和预防策略得到改进,并且也可能成为安全和具体指南的基础。

主要参考文献:

Njunge JM, Walson JL. Microbiota and growth among infants and children in low-income and middle-income settings. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2023 Mar 6.

Videhult FK, West CE. Nutrition, gut microbiota and child health outcomes. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2016 May;19(3):208-13.

Cerdó T, Diéguez E, Campoy C. Infant growth, neurodevelopment and gut microbiota during infancy: which nutrients are crucial? Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2019 Nov;22(6):434-441.

WHO. Levels and trends in child malnutrition: key findings of the 2021 edition of the joint child malnutrition estimates. United Nations Children’s Fund (UNICEF), World Health Organization, International Bank for Reconstruction and Development/The World Bank. 2021.

Gizaw Z, Yalew AW, Bitew BD, et al. Stunting among children aged 24-59 months and associations with sanitation, enteric infections, and environmental enteric dysfunction in rural northwest Ethiopia. Sci Rep 2022; 12:19293.

West CE, Renz H, Jenmalm MC, et al. The gut microbiota and inflammatory noncommunicable diseases: associations and potentials for gut microbiota therapies. J Allergy Clin Immunol 2015; 135:3–13.

Troesch B, Biesalski HK, Bos R, et al. Increased intake of foods with high nutrient density can help to break the intergenerational cycle of malnutrition and obesity. Nutrients 2015; 7:6016–6037.

Hiltunen H, Löyttyniemi E, Isolauri E, Rautava S. Early nutrition and growth until the corrected age of 2 years in extremely preterm infants. Neonatology 2018; 113:100–107.

Zheng M, Lamb KE, Grimes C, et al. Rapid weight gain during infancy and subsequent adiposity: a systematic review and meta-analysis of evidence. Obes Rev 2018; 19:321–332.

掌握饮食健康:了解你的宏量营养素摄入

谷禾健康

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俗话说“病从口入”,我们的健康状况很大一部分取决于饮食。而食物基本上是由各种营养素构成的。

宏量营养素是人体大量需要的必需营养成分。宏量营养素指的是“三大”营养素:蛋白质、脂肪碳水化合物,它们是我们饮食中的关键

虽然术语“宏量营养素”已经存在了一段时间,但直到近几年才引起广泛关注。因为越来越多的人开始计算他们的“宏”而不是卡路里,无论是为了减肥还是想潜在的改善健康亦或健康管理(目前很多的名人,明星都加入了这一趋势)。

计算也是某些流行饮食计划的一个要素,例如生酮饮食,参与者计算脂肪、蛋白质和碳水化合物,希望获得更健康的饮食

在本篇文章,我们带您一起了解有关宏量营养素和以及如何在饮食中计算它们的含量,人们是否应该开始关注和重视它们,从而获得更健康的身体。//

Part 1
宏量营养素与微量营养素

营养素是维持机体繁殖生长发育生存等一切生命活动和过程,需要从外界环境中摄取的物质。

来自食物的营养素种类繁多,根据其化学性质和生理作用可将营养素分为七大类,即蛋白质脂类碳水化合物矿物质、膳食纤维、维生素和水。

根据人体对各种营养素的需要量或体内含量多少,又可将营养素分为宏量营养素(也称常量营养素微量营养素

宏量营养素微量营养素有什么区别?

三种主要的宏量营养素是脂肪、蛋白质和碳水化合物,需要大量它们才能为提供能量并在身体中发挥其重要作用

微量营养素,如维生素和矿物质,对健康也是必不可少的,但需要的量较少

宏量营养素

如果按重要性对营养素进行排序,宏量营养素将位居榜首

我们身体需要的三种宏量营养素是碳水化合物、蛋白质和脂肪,每一种都在身体中发挥着不同的、重要的作用——它们一起工作,保障我们身体的各种功能,如生长、繁殖、消化和运动,协调运转

✦宏量营养素进行能量供应

能量供应是宏量营养素的关键作用。脂肪、蛋白质和碳水化合物等宏量营养素为我们的细胞提供能量,而微量营养素维生素和矿物质则不能。

宏量营养素通常以为单位测量,有些人会记录一天中他们所消耗的每种宏量营养素的克数来获取更健康的身体。

宏量营养素对机体非常重要

宏量营养素除了提供能量外,每种必需的宏量营养素在体内都有重要的功能,例如参与构成修复我们的身体组织调节机体各种正常的生命活动

注:含有宏量营养素的食物一般同时可以提供维生素和矿物质等微量营养素。

三种宏量营养素——蛋白质、碳水化合物和脂肪——都被认为是必需营养素(维生素、矿物质等微量元素也是必需营养素)。这些营养素被认为是“必需的”,因为身体需要它们才能正常运作。

注:这些营养元素均无法由身体自己创造,需要依赖从食物中摄入。

✔ 微量营养素

“术语‘宏观’意味着大而‘微观’意味着微小——我们需要大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质宏量营养素,同时也需要微量的维生素、矿物质等微量营养素。

宏量营养素就像主角,微量营养素是饮食中的配角,每个角色对身体的健康表现都很重要。

▸矿物质

矿物质又称无机盐,是人体内无机物的总称。是构成人体组织和维持正常生理功能必需的各种元素,是七大营养素之一。

人们对一部分矿物质也比较熟悉,例如体内最丰富的矿物质包括钙、钠、钾和镁,通常毫克为单位。

★ 矿物质的作用

虽然矿物质在人体内的总量不及体重的5%,也不能提供能量,但是它们在人体组织的生理作用中发挥重要的功能。

•构成机体组织的重要成份:钙、磷、镁——骨骼、牙齿。

•多种酶的活化剂、辅助因子或组成成份:钙——凝血酶的活化剂、锌——多种酶的组成成份。

•某些具有特殊生理功能物质的组成部分:碘——甲状腺素、铁——血红蛋白。

•维持机体的酸碱平衡及组织细胞渗透压:酸性(氯、硫、磷)和碱性(钾、钠、镁)无机盐适当配合,加上重碳酸盐和蛋白质的缓冲作用,维持着机体的酸碱平衡;无机盐与蛋白质一起维持组织细胞的渗透压

•维持神经肌肉兴奋性和细胞膜的通透性:钾、钠、钙、镁是维持神经肌肉兴奋性和细胞膜通透性的必要条件。

✦矿物质的摄入要在一个适量范围

在人体的新陈代谢过程中,每天都有一定数量的矿物质通过粪便、尿液、汗液、头发等途径排出体外,人体内矿物质不足可能出现许多症状。因此必须通过饮食予以补充

注:根据无机盐在食物中的分布以及吸收情况,在我国人群中比较容易缺乏的矿物质有。如果在特殊的地理环境和特殊生理条件下,也存在碘、氟、砸、铬等缺乏的可能。

但是,由于某些微量元素在体内的生理作用剂量与中毒剂量非常接近,因此过量摄入不但无益反而有害。矿物质如果摄取过多,容易引起过剩症及中毒。所以一定要注意矿物质的适量摄取

▸ 维生素

维生素是人和动物为维持正常的生理功能而必须从食物中获得的一类微量有机物质,在人体生长代谢发育过程中发挥着重要的作用。

维生素,一般以微克进行测量。

✦缺乏维生素影响免疫与代谢

维生素虽然不能为人体提供能量,但是参与人体的生化反应,调节人体的代谢功能,如果维生素摄入不足,会导致人体新陈代谢失去平衡,会导致免疫力下降并可能导致营养不良,易患各种疾病。

✦维生素摄入过量胃肠道紊乱、脏器负担加大

维生素也不可以补用过量的,如果维生素补用过量会造成消化系统功能紊乱,维生素都属于酸性物质,如果补多了会造成胃肠道吸收功能失调,从而会引起胃肠道的反酸、烧心、恶心、呕吐等,严重者还会明显的出现大便不成形或者黏液脓血便稀便等。

另外维生素补多了还会造成肝脏肾脏的负担加大,因为维生素主要是肝脏进行分解消化,肾脏进行排泄,长期维生素摄入过多会造成慢性的肝脏和肾脏的功能减退

注意

根据疾病控制和预防中心指出,所有微量营养素对身体都至关重要,有助于预防疾病改善健康

无论是微量营养素还是宏量营养素,获取它们的最佳方法是食用各种健康、新鲜的天然食物。接下来将为您具体讲解宏量营养素的摄入

宏量营养素的摄入相对更直观便于控制

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Part2
宏量营养素的摄入及其作用

宏量营养素指的是碳水化合物脂类蛋白质,这三种营养素在膳食中所占的比重大、称之为宏量营养素。

三种营养素有相同之处,同时又有自己独特的作用,无法彼此替代,下面由谷禾讲述一下这三种宏量营养素

脂肪

很多人一听到脂肪就“谈脂色变”,过多的脂肪确实会造成我们肥胖行动不便,而且过高的血脂,很可能是诱发高血压心脏病的主要因素。导致很多人觉得应该摄入越少越好,但脂肪不应该是人们回避的营养素。

✦脂肪对于人体是不可缺少的

作为三大主要营养素之一,脂肪也是不可缺少的。

必需脂肪酸非常重要,如亚油酸亚麻酸、DHA和ARA。

无论是橄榄油还是野生鲑鱼,我们可能听过医生或营养师对它们脂肪的推荐或赞美。确实,我们的身体需要这些食物中脂肪和油的必需脂肪酸

脂肪除了具有提供能量保护内脏器官维持体温,也是构成人体细胞很重要的组成成分,有维持细胞的功能的作用;同时参与调节内分泌激素的作用;还可促进脂溶性维生素的吸收;增加食物的美味和增加饱腹感的作用。

✦尽量选择不饱和脂肪

但是注意,在饮食中选择的脂肪类型很重要。根据研究文献和饮食白皮书,理想情况下建议降低或限制饱和脂肪和反式脂肪等“坏脂肪” ,因为这会增加你体内的低密度脂蛋白或“坏”胆固醇

注:饱和脂肪存在于培根和香肠,而反式脂肪有时存在于加工食品中。

相反,选择单不饱和脂肪多不饱和脂肪可以改善胆固醇,并可能降低患心脏病中风的几率。橄榄油、牛油果和许多坚果中含有单不饱和脂肪,而鱼和亚麻籽含有多不饱和脂肪。

当然,最健康的来源是植物。植物性脂肪和油类通常来自谷物、蔬菜、坚果豆类。

需要多少的脂肪?

从饮食中摄取足够的脂肪大部分人很容易做到。“绝大多数食物至少含有一点点脂肪,但是脂肪摄入不足与过量都不健康,如何确定自己需要多少脂肪呢?

如果有人通过计算克数(g)来计算他们的宏量,一般普通成年人每天需要40到70克脂肪,每克脂肪含有的热量大概是9大卡

注:如果需要摄入大量健康脂肪,那么就需要适当增加摄入量。

地中海饮食降低了炎症和疾病风险

地中海饮食中烹饪时用植物油(含不饱和脂肪酸)代替动物油(含饱和脂肪酸)以及各种人造黄油,尤其提倡用橄榄油;脂肪占膳食总能量的最多35%,饱和脂肪酸只占不到7%~8%。

针对使用地中海饮食模式减少心脏病的研究表明,与常规饮食模式相比,地中海饮食中的脂肪主要来自单不饱和脂肪,有助于减少炎症疾病风险

地中海饮食改善了研究参与者的整体健康状况,并降低了死亡率。因为除了在烹饪中大量使用橄榄油外,可能还定期食用鱼类。为了获得omega-3脂肪对健康的益处,谷禾建议每周食用富含不饱和脂肪的鱼类2到3次。

一些优质的脂肪来源

根据哈佛大学公共卫生学院和谷禾的相关资料整理,以下是一些优质脂肪的一些来源:

单不饱和脂肪:橄榄油、花生油、菜籽油、杏仁、胡桃、榛子、南瓜籽和南瓜籽油、芝麻和芝麻油、鳄梨和鳄梨油

多不饱和脂肪:核桃、三文鱼、金枪鱼、鲱鱼、沙丁鱼、鳀鱼、鲭鱼、银鳕鱼、亚麻籽和亚麻籽油、菜籽油(同时含有单不饱和脂肪和多不饱和脂肪)

蛋白质

现在许多人采用富含蛋白质的饮食是有原因的。因为蛋白质在体内起着许多重要作用——它被认为是生命的基石,它参与一切生命的形成。生命的产生、存在、消亡都与蛋白质有关,没有蛋白质就没有生命。

✦身体的所有活动都离不开蛋白质

构建、修复身体

蛋白质几乎无处不在——在我们的骨骼、肌肉、头发、皮肤中等等。蛋白质由不同类型的氨基酸组成,可以构建、修复和维护我们身体。

调节生理功能

蛋白质的主要功能为调节生理功能,细胞功能、食物消化吸收免疫调节、肌肉收缩、运送营养素、维持渗透压、体液、激素平衡等。

需要多少蛋白质?

谷禾统计研究发现,不同年龄段的人群蛋白质能量占比有所差异。每个人目标蛋白质会根据个人需求做调整,例如是否怀孕亦或是参与专业的体育运动。

一般建议每日卡路里的10%到35%来自蛋白质。哈佛大学公共卫生学院建议每9公斤体摄入7克蛋白质

例如一个人的体重为90公斤,那么每天的目标就是摄取70克蛋白质。

✦高蛋白饮食可能有助于减肥

有些人可能为了减肥而采用高蛋白饮食。2020年9月发表在《J Obes Metab Syndr》上分析研究得出6-12个月临床试验证明,高蛋白饮食(HPD)具有减肥效果,并且可以防止减肥后体重反弹

高蛋白饮食下的肠道激素

在肠道衍生的激素中,胰高血糖素样肽1、胆囊收缩素和肽酪氨酸-酪氨酸会降低食欲,而生长素释放肽会增强食欲。

高蛋白饮食会增加这些降食欲激素水平,同时降低促食欲激素水平,导致饱腹感信号增加,并最终减少食物摄入量。

此外,饮食诱导的产热增加、血液氨基酸浓度增加、肝脏糖异生增加以及由较高的膳食蛋白质引起的生酮增加都有助于增加饱腹感

✦热量限制期间摄入更多蛋白质防止肌肉流失

另一项于2022年5月发表在《Obesity》杂志上的研究发现在热量限制期间增加蛋白质摄入量可改善饮食质量并减少瘦体重的损失,摄入更多的蛋白质防止肌肉流失

蛋白质杠杆假说 (PLH)

有一种宏量营养素调节模式被称为“蛋白质优先化”,即蛋白质杠杆假说 (PLH)。根据PLH,即特定营养素的食欲相互作用,将膳食摄入引导至特定的膳食宏量营养素平衡,并且在宏量营养不平衡的饮食中,蛋白质调节主导脂肪和碳水化合物

在随机控制条件下证明,研究发现,试验期间体重的变化与蛋白质对能量摄入的贡献百分比呈负相关

一个重要的优先事项是确定蛋白质杠杆是否在推动自由生活的人类的能量过度消耗和肥胖方面发挥作用,如果是这样,膳食蛋白质稀释的生态原因是什么。

研究表明,美国饮食中蛋白质的能量百分比随着肥胖的增加而下降,国家健康和营养检查调查 (NHANES) 和粮食及农业组织食物平衡表的数据都证明了这一点 。

一项针对一组青年人的回顾性研究同样发现,膳食蛋白质百分比与能量消耗之间存在预期的负相关关系。NHANES数据的一项分析强调了一类高度加工食品、超加工食品可能是美国饮食中蛋白质的稀释剂 。这与一项实验性研究一致,该研究发现,在为期14天的试验中,接受超加工饮食的住院患者摄入的碳水化合物、脂肪和总能量多于未加工饮食的患者,并且体重增加,而蛋白质摄入量在不同饮食中没有差异。然而,还没有针对大量营养素平衡、蛋白质利用不平衡蛋白质稀释饮食或膳食蛋白质稀释的生态原因对相同人口数据进行综合研究测试。

✦蛋白质摄入过量会增加心脏和肾脏负担

目前市场上有很多的蛋白粉和高蛋白产品,很多人也会选择通过蛋白粉这类产品增加蛋白质摄入。但是注意,过量的蛋白质会增加我们的卡路里摄入量,因为它不会简单地从体内排出。

如果你摄入的蛋白质多于需要,可能会导致体重增加。此外过多的蛋白质也会增加患心脏病以及肾病等的风险,尤其是当蛋白质来源含有大量饱和脂肪时。

一些优质的蛋白质来源

•动物蛋白,比如鸡肉、鱼肉、虾肉、猪肉、牛肉,这些动物的肉类当中都含有优质的蛋白质。

•植物蛋白,比如黄豆、黑豆,这些豆类中也含有许多蛋白质。

蛋类,比如鸡蛋、鸭蛋、鹌鹑蛋,动物的蛋类也是优质蛋白质的重要来源。

•乳类,比如牛奶、羊奶也含有丰富的优质蛋白质。

碳水化合物

✦碳水化合物是最主要的供能营养素

碳水化合物是占比最大,是重要的营养素,机体50%以上的能量由食物中的碳水化合物提供。一般组织消耗的能量均来自碳水化合物在有氧条件下氧化。

食物中的碳水化合物经过消化产生的糖,一部分以肝糖原的形式储存在肝脏,一部分以肌糖原的形式储备在骨骼肌中。肝糖原维持血糖平衡,肌糖原满足骨骼肌的需要。

一般将碳水化合物分为3个主要类型:

糖,这是一种简单的碳水化合物(例如甜点和苏打水中的糖)

淀粉,这是一种复杂的碳水化合物(比如意大利面和土豆红薯等蔬菜中)

纤维,也是一种复杂的碳水化合物(存在于许多植物性食物中,如蔬菜、水果、坚果和豆类)

当然,碳水化合物也存在于高度加工食品。通常情况下,加工程度较低的食物,例如全谷物,可以提供更多的纤维营养,过度加工的食品对健康不利。

简单碳水化合物和复杂碳水化合物有什么区别?

当讨论碳水化合物时,日常生活中经常用“简单”“复杂”这两个词来区分它们,但这是什么意思呢?

这里有一个简单的比喻方法来区别:

简单的碳水化合物就像一个短串珠的手镯,而复杂的碳水化合物就像一个长串珠的项链。一个是短链,另一个是长链

长链碳水需要更长的时间来消化,并且进入血液的速度也更慢。另一方面,一条简单的或短则会迅速分解进入血液

✦复杂碳水相对更健康

简单碳水化合物是指糖,如果糖蔗糖乳糖

复杂碳水化合物包括淀粉(蔬菜、豆类、谷物)纤维。复杂碳水化合物对胰腺压力较小,并能在较长时间内提供饱腹感

有些食物由两者组成——比如水果既含有果糖又含有纤维。减缓消化的是水果中的纤维,这意味着水果在体内不等同于糖果

✦碳水摄入过低可能导致日常所需能量不足

如果按照某些饮食(如食肉动物饮食,本质上是全肉饮食)的指示,从饮食中清除所有碳水化合物,可能会感觉不太好。因为碳水化合物为身体的所有细胞提供精神和身体任务和活动所需的能量。它们提供了身体所需能量的一大半

减少或排除它们,你可能会感到疲倦头昏眼花。也就是说,许多低碳水化合物饮食的成功案例并不适合所有人和长期遵循,因为饮食中应该含有一些碳水化合物

需要多少碳水化合物?

一般建议每天45%到65%的卡路里来自碳水化合物。这意味着对于一个摄入1800卡路里热量的人来说,每天从碳水化合物中摄取810到1170卡路里热量。

如果以克为单位计算碳水化合物,则相当于每天约203g至293克碳水化合物

碳水化合物每克约含有4卡路里,仅供参考

注意:如果要确保身体的碳水化合物来自对健康有益的来源,并且同时满足获得了充足的纤维。大多数人会忽略摄入足够的不溶性可溶性纤维来源所带来的许多好处,关注我们文章的还可以了解膳食纤维对于维持身体健康肠道健康的益处。

一些优质的碳水来源

绿叶蔬菜、地瓜西兰花、菜花、豆子、鹰嘴豆、扁豆、坚果、原味、低脂或脱脂酸奶、燕麦片、藜麦全麦面包、大麦、苹果、梨、浆果、香蕉

不太健康的碳水化合物

各种糖果、高糖分饮料,精制、加工和低纤维碳水化合物,如白面包、白米、烘焙蛋糕和饼干、披萨。

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Part3
如何用宏量营养素创造均衡饮食

宏量营养素之间需要保持平衡,并且由于宏量营养素提供能量,因此摄入过多的任何一种营养素可能会提供比身体每天消耗的的卡路里。

谷禾的健康检测报告评估的3大宏量营养元素:蛋白质,脂肪,碳水化合物是一个百分比的结构,其中一个营养元素太高,其它就会低

这意味着,如果你摄入高水平的蛋白质,那么其它两项常量营养素就会相对低,而且同时也会不经意地摄入比您需要的更多的卡路里

那么我们应该如何做到均衡的饮食呢?

宏的计算公式

通过计算宏量营养素(简称宏)的相对含量,我们可以相对地做到饮食均衡

宏的计数公式是什么?

首先,计算出你一天要摄入多少卡路里,然后估计出你的宏观目标。如果想采用生酮饮食且每天摄入2,000卡路里热量,那么你可能希望大约70%的卡路里来自脂肪。因此,将2,000乘以0.70得到1,400卡路里,那是你的脂肪宏观目标

计算宏时,卡路里重要吗?

关注宏量营养素需要付出努力,并且不同的人可能会有不同的宏量营养素目标。但大部分国家的膳食指南建议31至50岁女性的宏量百分比如下:

45%到65%的卡路里来自碳水化合物

20%到35%的卡路里来自脂肪

10%到35%的卡路里来自蛋白质

因此,假如一个人的目标是每天摄入1800卡路里的热量,他们可能需要810卡路里来自碳水化合物 (45%),630卡路里来自脂肪 (35%),360卡路里来自碳水化合物每天摄入蛋白质 (20%)。

通常,碳水化合物每克含有4卡路里热量,脂肪每克含有9卡路里热量,而蛋白质每克含有4卡路里热量。

因此,如果同一个人在1800卡路里的饮食中关注克数,他们每天需要大约203克碳水化合物70克脂肪和90克蛋白质

尽量计算宏量比计算卡路里更好吗?

计数宏确实比计算卡路里有一些好处。计算卡路里并不能说明您所吃食物的质量,与之不同,计算宏量可以带来更健康、更均衡的饮食选择。

例如,当你计算卡路里时,可能会从碳水化合物中获取大部分卡路里,而可能会错过宝贵的健康脂肪和蛋白质

✦精确饮食有助于身材管理

此外,如果想更具体地定制饮食计划,公式会变得更加复杂。例如,在计算每天要摄入的卡路里目标数量时,还要考虑身高体重年龄性别

那么,为什么有这么多人致力于精确营养计算计算宏呢?目前大多数计算宏的人这样做是为了减肥优化运动或锻炼中的身体表现。未来不排除更多的人为了健康目标而加入这个“事业”。▼

计算“宏”的好处

计算宏在人群之中逐渐流行。那么宏观计数有哪些潜在的好处呢?

•它可以帮助您开始更健康、更均衡的饮食

如果你不知道自己一天吃什么或者只关注卡路里,那么了解什么是以及正在食用哪些宏营养元素可能有助于你养成更健康的饮食习惯

一袋薯片所含的卡路里与一片全麦面包和半个鳄梨所含的热量相似,但其中一种能为你提供饱腹感及营养,对身体有益,而另一种则不能。

例如,半个鳄梨含有超过10克对身体有益的脂肪、约 6 克碳水化合物(以及近 5 克有益纤维)和近 2 克蛋白质。

计算宏量可以让饮食更健康、均衡,但如果它导致强迫性测量并干扰正常的日常生活,比如与朋友外出就餐,就不建议长期坚持下去。对许多人来说,有条不紊地追踪常量营养素会变得乏味。

目前有多检测可以评估膳食宏量营养元素的摄入,比如通过菌群检测营养素分析等。

•它可以帮助你减肥(但这是有争议的)

关于计算宏量是否有助于减肥尚无定论,任何宏量摄入过多都会导致体重增加。但根据2017年8月糖尿病研究杂志发表的一项研究,经常追踪饮食的人长期减肥成功的几率更高。

一些人认为高蛋白饮食有助于人们减肥,但是美国梅奥诊所指出坚持高蛋白饮食长期以来,它与健康问题有关,例如增加患心脏病的风险。

出于同样的原因,计算碳水化合物并增加脂肪,同时将蛋白质限制在适量(生酮的标志性特征),以实现快速减肥而著称。

事实上,健康专家对这种饮食方式仍存在分歧。并非所有研究都表明它具有优势。例如, 加拿大家庭医生对2018年12月发表的13项随机对照试验的评论的作者发现,与低脂饮食相比,生酮饮食与一年后体重减轻约4.5磅(约20.4公斤)有关。但其他研究发现两个计划产生了相似的结果。更重要的是,酮的减肥效果很难保持。▼

计算宏的难点或不足

计算宏需要时间,很多人太忙而没有时间保持这个习惯。在日常生活里,发现这种营养方法的其他困难之处。

•计算宏可能忽略了卡路里总量

许多专注于计算宏量营养素的人都在尝试获取更多的一种特定营养素并减少其他营养素,例如少吃脂肪或多吃蛋白质。不过,有些专家并不认为以这种方式进食会带来积极的结果。研究最终表明,来自任何常量营养素来源的过量卡路里都会导致体重和脂肪增加,即使是蛋白质也是如此,尽管高蛋白饮食通常与体重减轻有关。

相比之下,卡路里限制,无论宏量营养素阈值如何,都会导致体重减轻。

例如,一项评论得出的结论是,在减肥方面,低脂饮食并不比高脂饮食更成功。为了减少了脂肪,但没有改善饮食质量,更多人变得越来越胖,越来越病

•经常计算宏可能导致强迫症或饮食失调

记录消耗的宏量营养素可能会带来不良后果。与任何饮食一样,计算宏量,就像计算卡路里一样,会变成对你吃什么和吃多少的不健康的痴迷,这会导致饮食失调其他健康问题

•准确计数可能较困难

计数宏的另一个缺点是它很难做到精准。许多食物含有大量营养素的组合,除非你是一位知道你所吃的每一种食物的分解的食品科学家,否则很难确切地知道自己在吃什么。

包装食品可能会在包装盒上清楚地标明每份宏量的数量,但大多数健康的天然食品(您想要放在盘子里的那些)如水果和蔬菜都没有营养标签,因此可能需要处理处理转换数据才能得到。

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Part4
结语

随着越来越多的人们开始关注饮食健康,膳食中的三大宏量营养素应该占一个合适比例

《中国营养学会》建议碳水化合物占总能量的55%-65%、脂肪占20%-25%,蛋白质占10%-15%,这个比例可以根据具体情况上下幅度内进行调整

谷禾的健康报告中也含有营养元素的构成分析,可以借此来及时判断自我的健康状况

虽然宏量营养素是我们饮食中不可或缺的一部分,但是日常生活中不必时刻计算他们,只需要保持饮食多样化,多考虑食物种类。通过一些食物的多样化可以满足我们的日常营养需求,帮助提升健康水平

综上所述,掌握膳食中三大宏量营养素的摄入,对于保持良好的饮食健康十分重要主要参考文献:

Freire R. Scientific evidence of diets for weight loss: Ogilvie AR, Schlussel Y, Sukumar D, Meng L, Shapses SA. Higher protein intake during caloric restriction improves diet quality and attenuates loss of lean body mass. Obesity (Silver Spring). 2022 Jul;30(7):1411-1419.

Freire R. Scientific evidence of diets for weight loss: Different macronutrient composition, intermittent fasting, and popular diets. Nutrition. 2020 Jan;69:110549.

Moon J, Koh G. Clinical Evidence and Mechanisms of High-Protein Diet-Induced Weight Loss. J Obes Metab Syndr. 2020 Sep 30;29(3):166-173.

Leslie BarrieMedically, Kayli Anderson, RDN.2023.What Are Macronutrients? A Complete Scientific Guide. Everydayhealth.diet-nutrition

Sebastián Domingo JJ, Sánchez Sánchez C. From the intestinal flora to the microbiome. Rev Esp Enferm Dig. 2018 Jan;110(1):51-56.

Mousa A, Naqash A, Lim S. Macronutrient and Micronutrient Intake during Pregnancy: An Overview of Recent Evidence. Nutrients. 2019 Feb 20;11(2):443.

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.

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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主要参考文献:

Clark A, Mach N. Exercise-induced stress behavior, gut-microbiota-brain axis and diet: a systematic review for athletes. J Int Soc Sports Nutr. 2016;13:43. Published 2016 Nov 24. doi:10.1186/s12970-016-0155-6

Lensu, S.; Pekkala, S. Gut Microbiota, Microbial Metabolites and Human Physical Performance. Metabolites 2021, 11, 716.

Mohr AE, Jäger R, Carpenter KC, et al. The athletic gut microbiota. J Int Soc Sports Nutr. 2020;17(1):24. Published 2020 May 12. doi:10.1186/s12970-020-00353-w

Jang LG, Choi G, Kim SW, Kim BY, Lee S, Park H. The combination of sport and sport-specific diet is associated with characteristics of gut microbiota: an observational study. J Int Soc Sports Nutr. 2019;16(1):21. Published 2019 May 3. doi:10.1186/s12970-019-0290-yHughes RL,

Holscher HD. Fueling Gut Microbes: A Review of the Interaction between Diet, Exercise, and the Gut Microbiota in Athletes. Adv Nutr. 2021;12(6):2190-2215. doi:10.1093/advances/nmab077

Jollet M, Nay K, Chopard A, et al. Does Physical Inactivity Induce Significant Changes in Human Gut Microbiota? New Answers Using the Dry Immersion Hypoactivity Model. Nutrients. 2021;13(11):3865. Published 2021 Oct 29. doi:10.3390/nu13113865

Marttinen M, Ala-Jaakkola R, Laitila A, Lehtinen MJ. Gut Microbiota, Probiotics and Physical Performance in Athletes and Physically Active Individuals. Nutrients. 2020;12(10):2936. Published 2020 Sep 25. doi:10.3390/nu12102936

Sohail MU, Yassine HM, Sohail A, Thani AAA. Impact of Physical Exercise on Gut Microbiome, Inflammation, and the Pathobiology of Metabolic Disorders. Rev Diabet Stud. 2019;15:35-48. doi:10.1900/RDS.2019.15.35

Monda V, Villano I, Messina A, et al. Exercise Modifies the Gut Microbiota with Positive Health Effects. Oxid Med Cell Longev. 2017;2017:3831972. doi:10.1155/2017/3831972

Clauss M, Gérard P, Mosca A, Leclerc M. Interplay Between Exercise and Gut Microbiome in the Context of Human Health and Performance. Front Nutr. 2021;8:637010. Published 2021 Jun 10. doi:10.3389/fnut.2021.637010

Okamoto T, Morino K, Ugi S, Nakagawa F, Lemecha M, Ida S, Ohashi N, Sato D, Fujita Y, Maegawa H. Microbiome potentiates endurance exercise through intestinal acetate production. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2019 May 1;316(5):E956-E966. doi: 10.1152/ajpendo.00510.2018. Epub 2019 Mar 12. PMID: 30860879.

Ticinesi A, Nouvenne A, Cerundolo N, et al. Gut Microbiota, Muscle Mass and Function in Aging: A Focus on Physical Frailty and Sarcopenia. Nutrients. 2019;11(7):1633. Published 2019 Jul 17. doi:10.3390/nu11071633

Hughes RL, Holscher HD. Fueling Gut Microbes: A Review of the Interaction between Diet, Exercise, and the Gut Microbiota in Athletes. Adv Nutr. 2021 Dec 1;12(6):2190-2215. doi: 10.1093/advances/nmab077. PMID: 34229348; PMCID: PMC8634498.

Zhao J, Zhang X, Liu H, Brown MA, Qiao S. Dietary Protein and Gut Microbiota Composition and Function. Curr Protein Pept Sci. 2019;20(2):145-154. doi: 10.2174/1389203719666180514145437. PMID: 29756574.

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