谷禾健康
氨基酸(Amino Acid, 简称AA ) 是蛋白质合成的基石。它们是正常细胞生长、分化和功能所必需的细胞结构元素和能量来源。
蛋白质是长链氨基酸。人的身体有数千种不同的蛋白质,每种蛋白质都有重要的作用。每种蛋白质都有自己的氨基酸序列。该序列使蛋白质呈现不同的形状并在体内具有不同的功能。
可以将氨基酸视为字母表中的字母。当你以不同的方式组合字母时,会组成不同的单词。氨基酸也是如此——当以不同的方式组合它们时,就会产生不同的蛋白质。
氨基酸代谢紊乱与许多病理状况有关,包括代谢疾病、心血管疾病、免疫疾病和癌症。就肿瘤而言,氨基酸代谢的改变不仅可以用作癌症进展的临床指标,还可以用作治疗策略。
由于肿瘤的生长发育依赖于外来氨基酸的摄入,因此越来越多的研究针对肿瘤相关氨基酸的代谢来选择性杀伤肿瘤细胞。此外,免疫相关研究证实,氨基酸代谢调节效应T细胞和调节性T细胞的功能,影响免疫细胞的功能。因此,确定氨基酸代谢途径中的靶点可能有助于疾病的治疗。
近日,浙江大学医学院附属第一医院,国家卫健委多器官联合移植重点实验室,中国医学科学院器官移植诊治重点实验室,以及器官移植重点实验室联合发表在《Signal Transduct Target Ther》综述成果详细阐述和讨论氨基酸代谢相关的代谢性疾病、心血管疾病和免疫相关疾病的研究及临床研究进展。
本文就该篇文章为主要参考,分享围绕肿瘤相关疾病中的氨基酸代谢研究,结合讨论肠道微生物群在蛋白质和氨基酸代谢中的作用,以期为靶向氨基酸代谢管理治疗提供理论依据。
官方氨基酸定义包括任何同时含有羧基和氨基的有机化合物(如下图)。它们都具有共同的结构特征氨基 (-NH3+)、羧酸根 (-COO–) 基团和与同一碳原子键合的氢键。
氨基酸有多少种?
氨基酸一共有20种,每种氨基酸在体内都发挥着非常特殊的作用,并通过其各自的氨基酸侧链来区分。从细菌到人类,都是由同一组 20 种氨基酸构成。
每个氨基酸都有 4 个不同的基团连接到 α-碳。它们的不同之处在于称为 R 基团的侧链。如下氨基酸的R基团不同:
来源:byjus
氨基酸还可以根据其结构和侧链分为其他组,
包括:
根据每种氨基酸中“R”基团的性质,氨基酸可以分为四个大类。
氨基酸可以是极性的、非极性的、带正电的或带负电的。
氨基酸是作为蛋白质构建块的基本分子。蛋白质由一条或多条氨基酸链(称为多肽)组成,其序列由基因编码。
图源:National Human Genome Research Institute
这些氨基酸参与几乎所有生物过程并有助于:
伤口愈合、激素产生、免疫功能、肌肉生长、能源生产等。
身体需要所有氨基酸才能发挥作用并茁壮成长。有些可以在体内产生,而另一些则需要从食物中获取。
氨基酸有着有趣而悠久的历史。天冬酰胺是第一个被发现的氨基酸,由法国化学家 Louis Nicolas Vauquelin 和 Pierre Jean Robiquet 于 1806 年从芦笋营养中分离出来。
身体所需的 20 种氨基酸可进一步分为两个不同的类别:必需氨基酸和非必需氨基酸。
人体无法合成必需氨基酸,这意味着必须从食物中获取它们才能满足需求。
必需氨基酸有多少种?
必须通过饮食获得九种必需氨基酸,包括:
赖 氨 酸
赖氨酸是生长和组织修复以及多种激素、蛋白质和酶的产生所必需的。赖氨酸对于促进抗体、激素和酶的形成以及骨骼中钙的形成和固定是必需的。
亮 氨 酸
这种必需氨基酸参与蛋白质合成、伤口愈合、血糖控制、生长激素和新陈代谢。
异 亮 氨 酸
研究表明异亮氨酸有助于解毒、免疫功能和激素排泄。此外,在血红蛋白的形成、刺激胰腺合成胰岛素以及将氧气从肺部输送到各个部位方面起着至关重要的作用。
色 氨 酸
色氨酸是最著名的氨基酸之一,也是功能性氨基酸,参与维生素 B3 和血清素激素的产生。血清素是调节情绪、疼痛、食欲和睡眠的神经递质。
苯 丙 氨 酸
这种氨基酸有助于产生其他氨基酸以及多巴胺和去甲肾上腺素等神经递质,有助于维持健康的神经系统和增强记忆力。
苏 氨 酸
研究表明苏氨酸是胶原蛋白和弹性蛋白等结缔组织的基础,这些蛋白质为皮肤和结缔组织提供结构。它们还有助于形成血凝块,从而有助于防止出血。苏氨酸在脂肪代谢和免疫功能中也发挥着重要作用。
缬 氨 酸
缬氨酸支持大脑功能、肌肉协调和平静。缬氨酸参与肌肉生长、组织再生和产生能量。
组 氨 酸
这种氨基酸维持人体内髓鞘的健康,保护神经细胞免受损伤。参与许多酶促过程以及红细胞和白细胞的合成。组氨酸有助于制造一种称为组胺的大脑化学物质(神经递质)。组胺在身体的免疫功能、消化、睡眠和性功能中发挥着重要作用。
蛋 氨 酸
研究表明蛋氨酸可以保持皮肤弹性,并有助于强化头发和指甲。还用于治疗肾结石、保持皮肤健康,还用于控制病原菌的入侵。蛋氨酸有助于身体的组织生长、新陈代谢和解毒。蛋氨酸还有助于吸收必需矿物质,包括锌和硒。
在饮食中摄入多种氨基酸对于维持整体健康至关重要。任何这些关键必需氨基酸的缺乏都会导致严重的副作用,影响健康的几乎各个方面,包括免疫功能、肌肉质量、食欲等。
相比之下,非必需氨基酸可以由身体产生,这意味着通过吃的食物获取它们并不那么重要。
非必需氨基酸列表中共有 11 种氨基酸,包括:
精 氨 酸
精氨酸可刺激免疫功能、抗疲劳并优化心脏健康。一水肌酸在肝脏、胰腺和肾脏中形成,主要是在精氨酸、甘氨酸和蛋氨酸的帮助下形成的。有助于促进蛋白质和激素的合成、肾脏解毒、愈合伤口和维持健康的免疫系统。
丙 氨 酸
研究表明丙氨酸有助于新陈代谢,为肌肉、大脑和中枢神经系统提供能量。此外可以帮助清除体内毒素并参与葡萄糖和其他氨基酸的生产。
半 胱 氨 酸
半胱氨酸是头发、皮肤和指甲中发现的主要蛋白质类型,作为一种抗氧化剂,对于胶原蛋白的产生和皮肤健康至关重要。
谷 氨 酸
这种非必需氨基酸在中枢神经系统中充当神经递质,主要参与人脑的发育和功能。
天 冬 氨 酸
天冬氨酸有助于产生其他几种氨基酸,包括天冬酰胺、精氨酸和赖氨酸。主要参与将氮输送到身体细胞中、形成嘌呤和嘧啶以合成DNA、神经系统的发育和提高我们的身体耐力。
甘 氨 酸
甘氨酸有助于维持适当的细胞生长及其功能,并且在愈合伤口方面也起着至关重要的作用。此外,甘氨酸作为神经递质支持大脑健康。
脯 氨 酸
脯氨酸存在于胶原蛋白中,有助于促进关节健康、新陈代谢和皮肤弹性。主要参与胶原蛋白形成过程中的组织修复,防止动脉壁增厚和硬化(动脉硬化)以及新皮肤的再生。
丝 氨 酸
丝氨酸是脂肪代谢、免疫功能和肌肉生长所必需的。
酪 氨 酸
甲状腺激素-T3 和 T4 的产生以及合成一类神经递质和黑色素(我们的眼睛、头发和皮肤中发现的天然色素)方面发挥着至关重要的作用。
谷 氨 酰 胺
研究表明,谷氨酰胺支持许多代谢过程并为体内细胞提供能量。促进健康的大脑功能,是合成核酸(DNA 和 RNA)所必需的。
天 冬 酰 胺
天冬酰胺起到利尿剂的作用,可以优化大脑和神经细胞的功能。
氨基酸列表中的一些化合物也被认为是“有条件必需的”。这意味着它们通常不是身体所需要的,但在某些情况下可能变得必不可少,例如极端疾病或压力。
氨基酸缺乏的一些主要症状可能包括:
蛋白质缺乏症会影响任何饮食中氨基酸摄入不足的人。老年人和患有癌症等慢性病的人缺乏蛋白质的风险特别高,因为他们通常对蛋白质的需求增加而食物摄入量减少。
那些遵循纯素或素食饮食的人还应该仔细计划他们的饮食,以确保通过食用各种植物性蛋白质食物来满足他们的蛋白质需求。
富含氨基酸的食物包括植物性产品,如西兰花、豆类、甜菜根、南瓜、卷心菜、坚果、干果、奇亚籽、燕麦、豌豆、胡萝卜、黄瓜、绿叶蔬菜、洋葱、大豆、全谷物、花生豆类、扁豆等。
富含氨基酸的水果有苹果、香蕉、浆果、无花果、葡萄、甜瓜、橙子、木瓜、菠萝、石榴等。
其他动物产品包括乳制品、鸡蛋、海鲜、鸡肉、肉类、猪肉等。
从富含蛋白质的食物中摄入大量蛋白质不太可能引起任何负面影响。然而,有可能过量摄入蛋白质,尤其是蛋白质补充剂。
摄入过多蛋白质可能产生的一些副作用包括体重增加、肾脏问题、便秘和口臭,炎症以及肠道菌群的失调。
氨基酸是含有氨基和羧基的有机化合物,根据核心结构官能团的位置可分为α-、β-、γ-、δ-氨基酸,其中大部分参与蛋白质合成的是 α-氨基酸。
氨基酸参与生物合成、神经传递和其他生命过程。肽键连接氨基酸形成多肽链,多肽链经过翻译后修饰,有时与其他多肽链结合形成蛋白质。
九种氨基酸不能由其他化合物合成,必须从食物中获取,这些氨基酸从食物中被人体摄入后,除了用于蛋白质等生物分子的合成外,还可以通过氧化途径氧化为尿素和二氧化碳作为能量来源。
氧化途径以转氨酶介导的脱氨作用开始,将氨基转移至α-酮戊二酸,形成谷氨酸进入尿素循环。另一种产物酮酸进入柠檬酸循环,为生命活动提供能量(下图)。该循环提供某些氨基酸的前体,以及还原剂NADH,用于许多其他反应。
doi: 10.1038/s41392-023-01569-3
人体可以通过食物消化吸收、组织分解、内部合成三种途径获得氨基酸。
氨基酸代谢库中的氨基酸可脱酸,产生氨基酸和二氧化碳,或在代谢产物的转化中参与嘌呤、嘧啶等含氮化合物的合成;或者脱氨基产生α-酮酸和NH3。
根据不同的酶和途径,α-酮酸可以产生酮体,或参与氧化供能或糖和脂质的合成;NH3进入尿素循环。
细胞或细胞器对氨基酸的摄取需要氨基酸转运蛋白(AAT)的参与。不同的氨基酸依赖于特定的AAT,但氨基酸和转运蛋白并不是一一匹配的。多个AAT可以转运一个氨基酸,同一个转运蛋白也可以转运多个底物。AAT 除了充当氨基酸进出细胞的通道外,还充当感测氨基酸水平的探针和营养信号的引发剂。
根据结构和功能的多样性,AAT可分为不同的家族,其中溶质载体(SLC)超家族约占人类基因组编码的所有膜蛋白的20%,是最大的膜转运蛋白超家族。
根据底物特异性,AAT可分为中性、碱性和酸性类别,以及进一步的子类别,包括钠依赖性和钠非依赖性类型。从机制上讲,由于哺乳动物细胞(包括人类)细胞内液中的氨基酸浓度通常高于细胞外液中的氨基酸浓度,因此 AAT 通过离子共轭或氨基酸交换转运氨基酸以产生钠离子。
氨基酸除了是肽和蛋白质的组成部分外,还参与维持细胞生长、代谢和免疫的关键途径。
例如,哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 (mTOR) 信号通路是调节蛋白质合成的主要机制。mTOR 系统包含雷帕霉素敏感复合物 1 (mTORC1) 和雷帕霉素不敏感复合物 2 (mTORC2)。mTORC1 被谷氨酰胺 (Gln)、精氨酸 (Arg) 和亮氨酸 (Leu) 激活,并通过 eIF4E 结合蛋白 1 (4E-BP1) 和核糖体蛋白 S6 激酶 1 (S6K1) 的磷酸化激活蛋白质合成。
此外,丙氨酸(Ala)可以通过抑制丙氨酸激酶来调节糖异生和糖酵解,从而维持饥饿肝脏产生的葡萄糖量。
TIPs:
糖异生是指非糖物质(如某些氨基酸、乳酸、丙酮酸和甘油等)在人体的肝脏和肾脏等器官中某些酶的催化下转变成糖原或葡萄糖的过程。简单说来,就是非糖物质转化为糖的过程。
糖分解是生物体取得能量的主要方式。生物体中糖的氧化分解主要有3条途径:糖的无氧氧化、糖的有氧氧化和磷酸戊糖途径。其中,糖的无氧氧化又称糖酵解(glycolysis)。生物在无氧条件下,从糖的降解代谢中获得能量的途径,也是大多数生物进行葡萄糖有氧氧化的一个准备途径。
糖酵解/糖原异生的差异比较
在某种程度上,糖异生可能被认为是糖酵解的逆过程,因为糖酵解将葡萄糖分解成两个丙酮酸分子以获得能量并供给三羧酸循环,而糖异生将两个丙酮酸分子构建成一个葡萄糖分子。然而,仅仅把糖异生看作糖酵解是不太正确的,因为这两者之间有一些重要的区别。
糖酵解是一种古老的代谢途径,为所有形式的细胞生命所共有,并且可以由所有细胞进行以获得能量(每个葡萄糖净2个三磷酸腺苷)。
相比之下,糖异生更具特异性:在人类中,它主要在肝细胞中进行,在某种程度上也在肾上腺皮质中进行。它还有一个更具体的目标:当血糖水平较低时,产生葡萄糖分泌到血液中。
在免疫方面,氨基酸参与免疫细胞增殖、分化和功能激活。例如,T细胞激活会上调多种氨基酸转运蛋白,包括SLC7A5,而SLC7A5的缺失会导致mTOR信号通路的激活和转录因子MYC的上调,从而抑制T细胞增殖。
当T细胞缺乏色氨酸(Trp)和 精氨酸 (Arg)时,活化的T细胞无法进入S期,这证明Trp和Arg是T细胞进入细胞周期的关键物质。此外,亮氨酸(Leu) 和异亮氨酸 (ILe) 的消耗会诱导 T 细胞进入 S-G1 期,然后停止分裂并死亡。
综上所述,氨基酸是维持生命所必需的有机化合物,是生物合成的原料,也是生命活动的能量来源。
接下来,我们针对支链氨基酸、天冬氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、蛋氨酸五种氨基酸的代谢展开详细讨论,包括它们在癌症或其他疾病中的作用,希望给大家呈现一个更全面的视角,为疾病的发生发展和临床治疗方向带来更多的启示。
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支链氨基酸(BCAA)是一类具有一个分支的脂肪侧链氨基酸,包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸。三种支链氨基酸占人体必需氨基酸肌肉中必需氨基酸的35%。
所有物种中支链氨基酸的分解过程都是相似的,最初通过支链氨基酸转移酶(BCAT)形成支链α-酮酸(BCKA),并将氮转移到氮受体(最常见的氮受体是α-酮戊二酸) (α-KG) 形成谷氨酸)。
第二步是支链α-酮酸脱氢酶(BCKDH)催化的不可逆限速反应,该反应被特定激酶BCKDH激酶(BCKDK)磷酸化并失活,并被蛋白磷酸酶1K(PPM1K)去磷酸化和激活。然后产物通过进一步氧化参与不同的生理活动。
促进肝脏和其他组织中的蛋白质合成
支链氨基酸参与多种生理过程。在代谢和信号通路研究方面,支链氨基酸尤其是亮氨酸,是mTOR信号通路的有效激活剂。亮氨酸可以与 Sestrin2(mTORC1 活性的负调节因子)结合,促进 mTORC1 激活,从而促进肝脏和其他组织中的蛋白质合成。
促进肝脏和骨骼肌对糖原的吸收,淋巴细胞增殖
支链氨基酸还可以促进肝脏和骨骼肌对糖原的吸收,并增强糖原的合成。
支链氨基酸对于免疫系统中免疫细胞的正常功能至关重要,通过氧化分解免疫细胞表达的脱氢酶和脱羧酶,促进淋巴细胞增殖和细胞毒性 T 细胞活化。
癌症患者的支链氨基酸循环水平发生了变化。
胰腺导管腺癌
最近的代谢组学回顾性研究表明,血浆支链氨基酸水平升高与胰腺癌风险增加相关,这一点在胰腺导管腺癌 (PDAC) 基因工程小鼠模型中得到了验证。可能是由于系统性蛋白质分解以满足致瘤期生长所需的支链氨基酸所致。
非小细胞肺癌 v.s. 胰腺导管腺癌
一项研究表明KRAS突变可以促进支链氨基酸代谢。尽管非小细胞肺癌 (NSCLC) 和 胰腺导管腺癌 (PDAC) 中存在 KRAS 激活和 P53 缺失,这两种肿瘤尽管初始事件相同,但对支链氨基酸的利用却不同。胰腺导管腺癌细胞倾向于分解并利用细胞外蛋白质获取氨基酸,而非小细胞肺癌细胞则通过分解循环支链氨基酸来提取氮。
为什么胰腺导管腺癌的支链氨基酸代谢低于周围正常组织?
胰腺导管腺癌细胞中的CBP和SIRT4结合BCAT2的K44位点,使该位点乙酰化,从而进一步促进BCAT2通过泛素蛋白途径降解,降低代谢胰腺导管腺癌中支链氨基酸的比例,进而抑制肿瘤细胞的生长。
注:CBP——cAMP反应元件结合(CREB)结合蛋白
KRAS和USP1也可以通过泛素-蛋白酶途径调控PDAC中BCAT2的表达:KRAS通过抑制脾酪氨酸激酶(SYK)和E3泛素化连接酶TRIM21对BCAT2的泛素化来稳定PDAC中BCAT2的表达;而USP1则通过去泛素化BCAT2的K229位点,并通过GCN2-eIF2a途径促进USP1蛋白的翻译水平,促进支链氨基酸表达。
另一项研究发现,USP1 和 BCAT2 的表达水平在基因编辑小鼠和临床样本中一致呈正相关,阐明了为什么胰腺导管腺癌的支链氨基酸代谢低于周围正常组织,进而转向其他途径获取氮。
癌症中的支链氨基酸代谢
doi: 10.1038/s41392-023-01569-3
血浆支链氨基酸升高是胰腺癌的危险因素
在胰腺癌进展的早期阶段,在人类和小鼠胰腺癌模型中观察到循环支链氨基酸升高,并且由于胰腺癌周围组织中蛋白质过度分解,血液中支链氨基酸水平升高。
肿瘤微环境中的支链氨基酸代谢
doi: 10.1038/s41392-023-01569-3
肺部肿瘤支链氨基酸摄取量高于胰腺导管腺癌
对标记的支链氨基酸代谢物的分析显示,非小细胞肺癌细胞中标记的 α-酮异己酸 (α-KIC) 和亮氨酸衍生的支链α-酮酸(BCKA)较多。同时BCKDK在非小细胞肺癌中高表达并调节细胞内ROS的产生,影响细胞存活。
代谢性疾病
支链氨基酸及其代谢物是肥胖、胰岛素抵抗和 2 型糖尿病等代谢性疾病的最强生物标志物。支链氨基酸及其代谢物升高是2型糖尿病等代谢性疾病早期进展的关键。
每种支链氨基酸都有独特的代谢作用
低异亮氨酸饮食→快速恢复肥胖小鼠代谢健康
异亮氨酸可以作为代谢健康的调节剂,低异亮氨酸饮食可以改善肥胖对代谢的不利影响。
肥胖可通过增加肝细胞中BCKDK(BCKDH激酶)/ PPM1K(BCKDH去磷酸化酶)的比例,抑制肝脏对支链氨基酸的利用,导致BCKDH失活。在肥胖和胰岛素抵抗的小鼠模型中,通过限制支链氨基酸饮食或调节 BCKDK/PPM1K 比率可以逆转这种现象。
肝脏和肾脏疾病
肝硬化:循环支链氨基酸降低 ↓↓
非酒精性脂肪肝:循环支链氨基酸升高↑↑
肝硬化患者中,高氨血症环境中支链氨基酸分解代谢增强、谷氨酸合成增加以及循环支链氨基酸水平降低被认为是该疾病的标志,并与肝性脑病风险增加相关。
在非酒精性脂肪肝 (NAFLD) 中检测到循环支链氨基酸升高。
此外,这种支链氨基酸代谢紊乱与 2 型糖尿病的发展具有协同作用。其他研究表明,补充支链氨基酸有助于恢复慢性肝病患者的葡萄糖稳态并增强免疫系统功能。
慢性肾病:循环支链氨基酸降低 ↓↓
在肾脏疾病中,慢性肾功能衰竭患者的循环支链氨基酸水平显著降低。这种现象在慢性肾脏病 (CKD) 患者中已观察到,一项 II 期慢性肾病队列研究发现,与正常对照相比,慢性肾病患者血浆亮氨酸 和缬氨酸显著降低。
这可能是由于慢性肾病患者长期营养不良和血液透析导致支链氨基酸水平下降。代谢性酸中毒还会增强支链氨基酸脱氢酶 (BCKD) 活性并加速蛋白质分解。然而,给慢性肾功能衰竭患者补充支链氨基酸和其他必需氨基酸,有助于维持蛋白质平衡,减少尿毒症毒性。
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天冬氨酸(Asp)是一种用于蛋白质合成的 α-氨基酸,具有 α-氨基、α-羧酸基和侧链甲酰胺。它是一种非必需氨基酸,因为人体可以合成它。
草酰乙酸——天冬氨酸的前体
转氨酶将氨基从谷氨酸转移到草酰乙酸,产生 α-酮戊二酸和天冬氨酸。在天冬酰胺合成酶介导的酶反应中,谷氨酰胺提供氨基,与 β-天冬氨酸-AMP 结合形成天冬酰胺 (Asn) 和 AMP。
天冬酰胺——大脑发育必需的氨基酸
由于血液中的天冬氨酸不能直接通过血脑屏障,神经细胞的发育依赖于其在大脑中的合成。
当脑内天冬氨酸合成酶水平不足时,脑细胞的增殖就会受到限制,甚至导致细胞死亡。
反过来,在分解代谢过程中,天冬酰胺被天冬氨酸酶水解为天冬氨酸,然后用 α-酮戊二酸胺化,形成谷氨酸和草酰乙酸。然后草酰乙酸进入柠檬酸循环(下图)。
天冬氨酸、精氨酸和蛋氨酸代谢
doi: 10.1038/s41392-023-01569-3
天冬氨酸也是尿素循环的代谢物
在苹果酸-天冬氨酸穿梭中携带还原当量,在肌苷合成中提供氮原子,并在 ATP 合成中充当氢受体。
天冬氨酸也是四种必需氨基酸(蛋氨酸、苏氨酸、赖氨酸和异亮氨酸)的前体。天冬氨酸还可以作为氨基酸交换因子,成为氨基酸进出细胞的介质,特别是组氨酸、精氨酸和丝氨酸。天冬氨酸通过氨基酸交换因子功能调节丝氨酸代谢、核苷酸合成和 mTORC1 活性。
TP53是人类癌症中突变频率最高的基因。该基因编码的蛋白p53通过调节细胞周期、细胞凋亡、基因组稳定性等途径抑制肿瘤的发展。
结肠癌
结肠癌细胞系中的天冬氨酸(Asp)和 天冬酰胺 (Asn) 可通过与 LKB1(编码丝、苏氨酸激酶,并直接磷酸化蛋白质产物以激活 AMPK)来抑制其活性,从而抑制 AMPK 介导的 p53 激活。
淋巴瘤和结直肠肿瘤
在淋巴瘤和结直肠肿瘤模型中,p53 的激活会破坏 天冬氨酸-天冬酰胺 稳态,并促使细胞衰老和周期停滞。缺氧条件下,天冬氨酸是肿瘤生长的限制因素。
缺氧会抑制电子传递链 (ETC),影响能量和天冬氨酸的合成。研究了肿瘤细胞对线粒体 ETC 抑制剂的敏感性,发现对 ETC 抑制不敏感的肿瘤细胞通过 Asp/谷氨酸转运蛋白 SLC1A3 维持细胞内的Asp 浓度,这使肿瘤细胞具有生存优势。
膀胱癌
在另一项关于肿瘤代谢的研究中,发现当环境中缺乏氧气时,天冬氨酸合成是膀胱癌生长的限制因素。在膀胱癌细胞中,天冬氨酸细胞的渗透性差,阻碍了肿瘤细胞从环境中摄取天冬氨酸。虽然细胞对天冬酰胺的通透性高于天冬氨酸,但膀胱癌细胞中天冬酰胺酶的活性不足,无法将天冬酰胺转化为天冬氨酸。
使用豚鼠天冬酰胺酶 1 (gpASNase1) 促进肿瘤细胞中天冬酰胺转化为 Asp 后,肿瘤细胞的生长速度显著增加,表明 Asp 获取是 Asp 获取困难的肿瘤的内源性代谢限制。有人提出,Asp是体内某些肿瘤生长的内在限制,突破这一限制将促进肿瘤生长。
天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白 SLC1A3 与 ETC 抑制剂的作用密切相关,并且 SLC1A3 位点在非神经胶质上皮肿瘤亚簇中扩增,从而对抗天冬氨酸限制。
乳腺癌
发现SLC1A3促进乳腺癌细胞对L-天冬酰胺酶(ASNase)的抵抗。而且,SLC1A3可以补充ASNase对天冬氨酸和谷氨酸的消耗,从而消除ASNase的抑制作用,促进肿瘤的发展。
此外,另一种氨基酸转运蛋白SLC25A22可以促进KRAS突变结直肠癌(CRC)细胞中天冬氨酸的合成,激活AMPK通路并减少氧化应激。
这些研究表明,AAT 是肿瘤代谢重编程的潜在靶标。目前正在测试的针对 AAT 的药物见(见后面的表格)。
实体瘤中的天冬氨酸代谢
doi: 10.1038/s41392-023-01569-3
天冬酰胺作为癌症治疗的新靶点受到广泛关注
报道指出乳腺癌中天冬酰胺合成酶(ASNS)的表达水平与转移复发密切相关,抑制ASNS或限制饮食天冬酰胺可以减少肿瘤转移。
非小细胞肺癌
在非小细胞肺癌中,激活转录因子 4 (ATF4) 可以通过 KRAS 下游的 AKT 和 NRF2 改变氨基酸摄取并增加天冬酰胺合成。此外,将AKT抑制剂与细胞外天冬酰胺(ASN)消耗结合使用可以显著抑制肿瘤生长。
天冬酰胺在免疫细胞的生长和功能中发挥关键作用
发现CD8 + T细胞在CD8 + T细胞激活的早期阶段几乎不表达天冬酰胺合酶(ASNS),并且CD8 + T细胞的生长、激活和代谢重编程在天冬酰胺剥夺的情况下被破坏。
还证明,活化的 CD8 + T 细胞中的天冬酰胺水平增加,并与 SRC 家族酪氨酸激酶 LCK 结合,协助 LCK 在 Tyr394 和 505 处磷酸化,增强 LCK 活性和 T 细胞受体信号传导。
血液恶性肿瘤
天冬酰胺在血液恶性肿瘤中也发挥着关键作用。目前,细菌源性 L-天冬酰胺酶 (ASNase) 在儿童急性淋巴细胞白血病 (ALL) 中的应用已显著提高了治愈率。然而,在实体瘤中,多项临床试验表明会出现药物相关的毒副作用,如胰腺炎、中性粒细胞减少和低蛋白血症。
这些毒副作用至少部分是由L-天冬酰胺酶中谷氨酰胺酶的协同活性引起的。基于提高L-天冬酰胺酶在血液恶性肿瘤中的疗效、扩大L-天冬酰胺酶的用途、减少副作用的目的,新一代L-天冬酰胺酶正在开发中。
临床试验中靶向氨基酸代谢的药物
doi: 10.1038/s41392-023-01569-3
免疫疾病
自身免疫性疾病中免疫细胞代谢异常可促进炎症细胞的趋化性和炎症因子的产生。
类风湿性关节炎:T细胞天冬氨酸的丰度降低↓↓
在类风湿性关节炎 (RA) 中,细胞因子肿瘤坏死因子 (TNF) 的过量产生是发病机制中的一个核心事件,而富含内质网 (ER) 的 T 细胞是发炎关节中 TNF 的主要释放者。
发现类风湿性关节炎(RA)T细胞中线粒体天冬氨酸(Asp)的丰度降低,从而抑制NAD +周转,导致NAD +/NADH 比值降低以及NAD+蛋白质的ADP核糖基化减少依赖。
类风湿性关节炎和其他自身免疫性疾病的治疗策略是使用抗体来阻断细胞因子或其受体。最新的小分子抑制剂是靶向 Janus 激酶 (JAK) 抑制剂。这些治疗策略旨在阻断炎症途径的下游实践。然而,这些下游信号通路广泛分布在免疫细胞以外的细胞类型中,这会导致血栓形成等不良事件。因此,对自身免疫性疾病上游炎症的研究有助于从源头上预防疾病的发展。
神经系统疾病
天冬酰胺合成障碍是一种新发现的神经系统疾病,与染色体 7q2 上的 ASNS 基因突变有关。
自闭症:血清和脑脊液中天冬酰胺降低↓↓
自闭症谱系障碍(ASD)严重影响早期神经发育,导致智力障碍、发育迟缓、顽固性癫痫发作、进行性脑萎缩和呼吸系统缺陷。目前,该疾病中有一小部分人的血清和脑脊液中天冬酰胺水平可检测到降低,这阻碍了该测试用于初步筛查。由于血脑屏障的存在,天冬酰胺不会在大脑中积极积聚,因此大脑中 ASNS 活性的降低被认为是导致这种疾病的原因。
迄今为止,已报道了15种与ASD相关的突变,其中一些突变破坏了蛋白质结构,降低了ASNS的底物结合能力和催化效率。
例如,R49Q是位于N端结构域的谷氨酰胺 (Gln)结合袋中的突变,该突变不仅导致第二个β-折叠的氢键丢失,而且导致Gln的氢键丢失。此外,G289A和T337I突变位于C端结构域的ATP结合袋附近,G289A会引起与Ser293的空间冲突,而T337I会在蛋白质表面引起疏水斑并降低蛋白质溶解度。
补充天冬氨酸部分有效,需进一步研究
在治疗方面,膳食补充天冬氨酸并没有想象中那么有效,人为升高血液天冬氨酸可能会因竞争共转运蛋白而影响其他氨基酸的吸收。目前的治疗方法仅部分有效,需要进一步了解该疾病的机制来开发有效的药物。
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谷氨酰胺(Gln)是一种用于蛋白质合成的 α-氨基酸。它的结构与谷氨酸类似,但侧链的羧酸基团被酰胺取代。谷氨酰胺是从食物中获取的非必需氨基酸,也是消耗最多的氨基酸,参与合成所有非必需氨基酸 (NEAA) 和蛋白质。
哪里产生谷氨酰胺?
肌肉组织在人体内产生最多的谷氨酰胺,约占全部合成谷氨酰胺的90%。
大脑和肺部也能释放少量的谷氨酰胺。肝脏虽然也能合成谷氨酰胺,但其主要功能是调节从肠道吸收的大量谷氨酰胺。
哪里消耗谷氨酰胺?
肠道细胞、肾细胞、激活的免疫细胞和各种肿瘤细胞是谷氨酰胺最迫切的消耗者。
具体通路
谷氨酰胺通过氨基酸转运蛋白 ASCT2/SLC1A5 进入细胞,并通过涉及谷氨酰胺酶 (GLS) 的脱氨反应在线粒体中转化为谷氨酸。然后谷氨酸在谷氨酸脱氢酶(GDH)或谷氨酸转氨酶或天冬氨酸转氨酶(TAs)的催化下产生α-酮戊二酸(α-KG)。α-KG是TCA循环的中间产物。
在缺氧或线粒体功能障碍下,α-KG可通过异柠檬酸脱氢酶(IDH2)催化的羧化反应转化为柠檬酸,用于氨基酸和脂肪酸的合成以及还原剂NADPH的生产。
肿瘤细胞是谷氨酰胺的紧急消耗者。信号分子Akt、Ras和AMPK可以通过激活糖酵解引起Warburg效应来诱导乳酸产生,促使肿瘤细胞通过谷氨酰胺代谢来满足能量需求。
在各种肿瘤中,谷氨酰胺代谢受癌基因/抑癌基因(例如 c-Myc 和 p53)的调节。癌基因 c-Myc 通过 GLS 和 SLC1A5 基因的转录激活上调谷氨酰胺代谢。
GLS 驱动的谷氨酰胺代谢是前列腺癌 (PCa) 放疗耐受性的调节因子,并且 GLS 1 和 c-MYC(谷氨酰胺的关键调节因子)的高表达与接受治疗的前列腺癌患者的无进展生存期缩短显著相关与放射治疗。
谷氨酰胺代谢可以通过α-KG依赖性染色质双加氧酶维持前列腺癌干细胞(CSC)。抑制谷氨酰胺代谢可降低体内 CSC 群体的频率以及小鼠模型中肿瘤生长的速率。
结肠癌
在结肠癌中,谷氨酰胺剥夺刺激p53激活,促进天冬氨酸/谷氨酸转运蛋白SLC1A3的表达,从而促进谷氨酸、谷氨酰胺和核苷酸合成,维持电子传递链和三羧酸循环活性。
SLC1A3 的缺失会降低肿瘤细胞对谷氨酰胺饥饿的抵抗力并抑制肿瘤细胞的生长。此外,研究表明,高表达胱氨酸/谷氨酸抗转运蛋白SLC7A11/xCT的肿瘤细胞高度依赖谷氨酰胺代谢。
在缺乏胱氨酸等氨基酸的情况下,细胞通过通用控制非阻遏物 2 (GCN2) -真核起始因子 (eIF2a) 信号通路促进 ATF4 的翻译,从而促进参与氨基酸代谢和应激反应的基因转录,包括 SLC7A11,使细胞能够应对氨基酸饥饿。
肿瘤中的谷氨酰胺代谢
doi: 10.1038/s41392-023-01569-3
由于肿瘤细胞通过 SLC7A11 将细胞内的谷氨酸交换为细胞外的胱氨酸,细胞内的谷氨酸被消耗,导致细胞吸收更多的谷氨酰胺,并激活谷氨酰胺酶来补充细胞内的谷氨酸,使得 SLC7A11 高表达的细胞成为谷氨酰胺依赖型。
SLC7A11在三阴性乳腺癌、肺癌、胰腺导管腺癌、肾癌和肝癌中高表达
在三阴性乳腺癌 (TNBC) 中,与其他乳腺癌细胞相比,SLC7A11 高表达的细胞消耗更多的谷氨酰胺,并且对谷氨酰胺饥饿更敏感。
研究发现,SLC7A11 的缺失对小鼠正常胰腺组织的发育没有影响,但会严重损害 KRAS 驱动的胰腺导管腺癌生长。
生理条件下 SLC7A11 的非必需性以及 SLC7A11 在肿瘤中的高表达使 SLC7A11 成为癌症治疗的有希望的靶标。
谷氨酰胺酶可将谷氨酰胺水解为谷氨酸,是谷氨酰胺代谢中的关键酶。
谷氨酰胺酶的表达具有组织特异性。谷氨酰胺酶在汇管周围肝细胞、肾上皮细胞和中枢神经系统中活跃表达,用于合成尿素和神经递质。
人类谷氨酰胺酶的四种异构体分为两种由 GLS1 编码的高活性肾谷氨酰胺酶类型和两种由 GLS2 编码的低活性肝谷氨酰胺酶类型。
不同肿瘤中GLS1和GLS2表达的异质性表明恶性肿瘤细胞对谷氨酰胺代谢的需求不同。发现肝癌细胞线粒体中氨基酸合成5样1(GCN5L1)的通用控制可以促进GLS1和GLS2异构体的乙酰化和失活,从而抑制mTORC1激活和细胞增殖。
卵巢透明细胞癌
在卵巢透明细胞癌 (OCCC) 中,谷氨酰胺酶抑制剂 CB-839 抑制 ARID1A(富含 AT 的相互作用结构域蛋白 1A)突变的 PDX 肿瘤生长。
肾细胞癌
一项针对晚期肾细胞癌 (RCC) 的随机、双盲、对照 II 期试验证明,谷氨酰胺酶抑制剂 telaglenastat (CB-839) 和 mTOR 抑制剂依维莫司 (TelaE) 联合使用具有协同抗癌作用,且患者耐受性良好既往接受过 TKI 治疗的患者。此外,与安慰剂加依维莫司 (PboE) 相比,TelaE 可以改善无进展生存期 (PFS)。
另一项 Ib 期临床试验也显示 TelaE 或 telaglenastat 联合卡博替尼 (TelaC) 治疗 RCC 具有良好的耐受性和临床活性。
胰腺炎
补充谷氨酰胺降低重症死亡率,改善IBS,利于伤口愈合
谷氨酰胺可作为多种疾病的营养补充剂。多项荟萃分析发现,补充谷氨酰胺可以降低重症胰腺炎患者的死亡率、并发症发生率和总住院时间。
一项随机、双盲、安慰剂对照临床研究表明,在低发酵低聚单糖和多元醇 (FODMAP) 饮食中补充谷氨酰胺可改善肠易激综合征 (IBS) 症状。
在促进伤口愈合方面,研究发现,补充精氨酸和谷氨酰胺对伤口愈合有积极影响,补充谷氨酰胺显著影响患者的氮平衡,减少住院时间和死亡率。
补充谷氨酰胺并没有显著影响烧伤患者的预后
在一项招募 1200 名患者的双盲、随机、安慰剂对照试验中,谷氨酰胺补充剂组的出院生存期为 40 天,而安慰剂组为 38 天。谷氨酰胺组的死亡率为 17.2%,与安慰剂组的 16.2% 没有显著差异,并且补充谷氨酰胺并没有减少住院时间。
在他们的研究中,表明了补充谷氨酰胺的益处和风险,而烧伤和其他疾病的临床试验却显示出相互矛盾的结果。
补充谷氨酰胺对各种疾病的益处和风险仍需要更多临床试验数据。
心血管疾病
在心血管疾病中,Myc 和 Myc 相关因子 X (Max) 上调肺动脉高压中的谷氨酰胺转运蛋白 SLC1A5 和 SLC7A5 以及线粒体苹果酸,从而促进谷氨酰胺分解诱导的右心室肥厚。
氧化应激下,谷氨酰胺显著下降
在氧化应激下,心肌细胞中的谷胱甘肽(GSH)水平下降 60-70%,谷氨酰胺、谷氨酸和 α-酮戊二酸(α-KG)水平也显著下降,同时将谷胱甘肽转化为谷胱甘肽的 GLS 酶活性显著降低。
调节葡萄糖稳定性的关键氨基酸
2 型糖尿病是心血管疾病发生的主要危险因素。糖尿病患者骨骼肌代谢失调会影响胰岛素敏感性和葡萄糖稳态。研究发现,谷氨酰胺是调节葡萄糖稳定性和胰岛素敏感性的关键氨基酸,谷氨酰胺水平影响骨骼肌的炎症反应并调节胰岛素信号抑制剂适应性蛋白GRB10的表达。此外,谷氨酰胺的全身升高可改善肥胖小鼠模型中的胰岛素敏感性并恢复葡萄糖稳态。
补充谷氨酰胺——心脏保护的新希望
蒽环类抗生素阿霉素(DOX)是一种广泛应用于实体恶性肿瘤的抗肿瘤药物;然而,这种疗法可能因自由基和氧化应激而导致严重的心脏毒性。补充谷氨酰胺显著降低心脏脂质过氧化物水平,增加过氧化物酶和谷胱甘肽水平,保护 DOX 治疗的大鼠模型的心脏功能。
针对心脏谷氨酰胺代谢的药物正在开发中。冬凌农 (Ori) 是一种从植物冬凌草 (Hemsl.) 中提取的天然萜类化合物,在大鼠心肌损伤模型中,可提高心脏谷氨酰胺水平并抑制 ATP/ADP 比值下降,保护心肌细胞并减少梗塞面积。
严重急性呼吸道综合症
严重急性呼吸综合征冠状病毒 2 (SARS-CoV-2) 是 2019 年冠状病毒病 (COVID-19) 的病因。该疾病通过人与人之间的密切接触或感染者的呼吸道分泌物传播。
COVID-19:谷氨酰胺降低↓↓
COVID-19的危险因素包括心血管疾病和糖尿病,此类高危人群表现出谷氨酰胺、NAD +水平低和透明质酸(HA)过量产生的共同代谢特征。
谷氨酰胺和 NAD +水平会导致 SIRT1 失调
SIRT1 是透明质酸合酶 2 (HAS2) 基因的关键负调节因子。这些代谢改变最终导致 HA 和纤溶酶原激活剂抑制剂 1 (PAI-1) 的过量产生以及 Tregs 和骨髓源性抑制细胞 (MDSC) 群体的扩张。因此,谷氨酰胺缺乏导致了 COVID-19 高危人群的免疫功能障碍和 HA 过量产生。
HA可以通过PAI-1激活STAT3。由于 SIRT1、STAT3 和 O-GlcNacylation 失调,通过激活 HAS2 诱发透明质酸风暴。
谷氨酰胺消耗加剧
此外,尽管SARS-CoV-2疫苗显著减少了COVID-19病例,但SARS-CoV-2感染后细胞处于强烈的氧化应激条件下,从而促进谷氨酰胺的消耗以合成谷胱甘肽。这一过程加剧了高危人群的谷氨酰胺缺乏,并可能诱发代谢功能障碍。同时,它还能引起STAT3通路失活和PAI-1激活,导致部分人出现严重的COVID-19并发症。
补充谷氨酰胺降低患者严重程度
小型临床试验表明,补充谷氨酰胺可以降低 COVID-19 患者感染后的严重程度。然而,这部分研究需要扩大,以更准确地评估谷氨酰胺在治疗 COVID-19 中的价值。
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精氨酸,又称L-精氨酸,是蛋白质合成的原料,也是尿素和一氧化氮循环的中间产物。精氨酸被归类为条件必需氨基酸,其需求量取决于发育阶段和健康状况。
在人类中,小肠上皮细胞将谷氨酰胺和谷氨酸转化为瓜氨酸,然后通过循环系统转运至肾近端肾小管细胞,其中精氨酸由尿素循环中的精氨酸-琥珀酸合成酶和精氨酸-琥珀酸裂合酶合成。
当小肠和肾功能受损时,精氨酸合成就会受损,从而产生对精氨酸的饮食需求。在其他细胞类型中,瓜氨酸合成的精氨酸非常低,但当诱导型一氧化氮合酶 (NOS) 增加时,精氨酸合成会急剧增加。
在这些条件下,一氧化氮合成的副产物瓜氨酸可以通过精氨酸-瓜氨酸途径回收精氨酸。精氨酸对于细胞分裂、伤口愈合和免疫功能很重要。
蛋白质中的精氨酸可被 PAD 酶催化为瓜氨酸,这一过程称为瓜氨酸化,是正常免疫过程的一部分。另一种类型的翻译后修饰是精氨酸甲基转移酶 (PRMT) 的甲基化,其中精氨酸可以甲基化为单甲基化精氨酸或二甲基化精氨酸。
精氨酸甲基转移酶可分为以下三类:
精氨酸甲基化通常发生在富含甘氨酸和精氨酸的“GAR基序”中。许多精氨酸甲基化蛋白质已被证明可以与 DNA 或 RNA 相互作用,并且精氨酸残基充当磷酸主链的重要氢供体。
此外,精氨酸甲基化还会影响各种细胞过程中涉及的蛋白质-蛋白质相互作用,例如蛋白质运输、信号转导和转录调节。
正常细胞中的瓜氨酸和天冬氨酸可通过尿素循环中的精氨酸-琥珀酸合成酶 1 (ASS1) 和精氨酸-琥珀酸裂解酶 (ASL) 转化为精氨酸。
精氨酸琥珀酸合成酶 1 (ASS1) 转录抑制发生在各种肿瘤中,产生对外部精氨酸的依赖,并实现精氨酸剥夺疗法。
在GBM中使用精氨酸消耗剂聚乙二醇化精氨酸脱亚胺酶ADI-PEG20可以增加一氧化氮(NO)合成并产生细胞毒性过亚硝酸盐,增加肿瘤细胞对电离辐射的敏感性,显著增强放疗对GBM的效果。
精氨酸剥夺促进HCC细胞中GCN2依赖性周期停滞,而精氨酸剥夺HCC细胞中GCN2的抑制促进细胞衰老并增加衰老化合物的功效。
Ass 缺陷的前列腺癌和胰腺癌也被证明对 ADI-PEG20 敏感,而 ADI-PEG20 通过诱导自噬和细胞凋亡来促进细胞死亡。
肿瘤细胞中的精氨酸代谢
doi: 10.1038/s41392-023-01569-3
精氨酸耗竭可以增加肝细胞癌细胞中GCN2的磷酸化水平,激活GCN,增加SLC7A11的表达水平,增加精氨酸的摄取。
伤口愈合
在伤口愈合过程中,精氨酸通过精氨酸-NO途径参与炎症因子的反应。此外,精氨酸酶降解精氨酸产生的鸟氨酸和尿素在此过程中是必需的,并且在胶原蛋白和多胺的合成中具有关键作用。
精氨酸可以通过 GPRC6A-ERK1/2 和 PI3K/Akt 信号通路促进成纤维细胞增殖。
精氨酸调节免疫
精氨酸可以在炎症早期阶段增加单核细胞迁移和外周血中促炎因子的产生;在炎症后期,精氨酸还可以抑制免疫细胞的活性,调节免疫状态。总之,精氨酸及其代谢物对于伤口愈合至关重要,并参与伤口愈合的多个阶段,包括胶原蛋白形成、细胞增殖和免疫调节。
补充精氨酸有助于各种伤口愈合
膳食补充精氨酸是最方便的方法,对伤口愈合有多种好处。补充精氨酸可以增强人体 DNA 的合成。在结肠炎模型中,精氨酸补充剂可抑制炎症因子和趋化因子的表达,抑制炎症反应,促进受损组织的修复。
遭受创伤/失血性休克的患者由于胶原蛋白合成减少而难以实现伤口愈合。相反,补充精氨酸可以显著缓解上述问题并增加伤口强度。
糖尿病伤口愈合过程中,补充精氨酸可以逆转NO合成不足的情况,恢复受损组织中NO的浓度,促进伤口愈合。精氨酸也被用来降低压疮的风险,在压疮(褥疮)高风险患者中补充精氨酸可以显著加速压疮愈合。
阿尔茨海默病(AD)
阿尔茨海默病 (AD) 的特征是由淀粉样蛋白-β 和磷酸化 tau 沉积引起的老年斑和神经原纤维缠结 (NFT)。
精氨酸治疗改善阿尔茨海默病
晚期糖基化终末产物 (AGE) 会修饰蛋白质,导致其功能障碍。AMPK-γ 亚基的糖基化会抑制 AMPK 功能,精氨酸治疗可保护 AMPK-γ 免受糖基化并增加阿尔茨海默病小鼠模型中的 AMPK 磷酸化,从而改善阿尔茨海默病。
与其他药物联合使用,改善认知
在轻度阿尔茨海默病 /认知障碍 (MCI) 患者中,联合使用 L-精氨酸、HMG-CoA 抑制剂辛伐他汀和四氢生物蝶呤可增强内皮一氧化氮合酶 (eNOS) 通路,从而适度增加脑血流量并改善认知。
此外,据报道PRMT4催化的不对称二甲基精氨酸(ADMA)作为配体与NOS结合,导致NOS功能障碍,导致脑血流量减少,加重阿尔茨海默病,通过抑制PRMT4可以逆转这种情况。
肺部疾病
哮喘是一种多变的、反复发作的、长期的呼吸道炎症性疾病。精氨酸和一氧化氮代谢失衡与哮喘的病理生理学有关。
哮喘:精氨酸水平显著降低↓↓
对哮喘儿童血浆代谢质谱分析显示,与非哮喘易感组相比,哮喘易感组的精氨酸(Arg)、赖氨酸(Lys)和蛋氨酸(Met)水平显著降低。
还显示,哮喘和阻塞性睡眠患者的血清不对称二甲基精氨酸 (ADMA) 浓度显著增加,一氧化氮合酶 (NOS) 抑制增强,精氨酸分解代谢增强,鸟氨酸 (Orn) 和脯氨酸 (Pro) 水平增加,以及精氨酸/鸟氨酸比值降低呼吸暂停(OSA)。
在标记的哮喘药物中添加 L-精氨酸并不能显著减少哮喘发作
这可能是由于 IL-4 和 IL-13 诱导的精氨酸酶活性显著增加,以及过敏原刺激的肺部下游产物腐胺显著增加。
在肥胖哮喘患者的药物中添加 L-瓜氨酸(L-精氨酸循环和 NO 合成的前体),可能有助于控制哮喘并改善 NO 排泄分数 (FeNO) 水平。
心血管疾病
不对称二甲基精氨酸 (ADMA) 升高↑↑
患有高胆固醇血症和血管疾病的患者通常会出现不对称二甲基精氨酸 (ADMA) 升高,这与 NO 合成受损和内皮功能障碍的早期标志物有关。
ADMA 是一种内源性一氧化氮合酶 (NOS) 抑制剂,可显著减少血管舒张剂 NO 的合成,导致心血管疾病的发生。
PRMT1是催化ADMA的主要酶。它通过调节心肌肌动蛋白启动子区域的组蛋白甲基化修饰来调节基因激活。PRMT1的消融可以下调心肌素等收缩基因的表达,并显著降低主动脉的收缩力和血管平滑肌细胞(VSMC)的牵引力。
PRMTs的异常活性导致ADMA和MMA增加,从而增加心血管疾病的风险。
针对 PRMT 的抑制剂正在开发和实验测试中。精氨酸(Arg)甲基化酶抑制剂 (AMI) 是对称磺化尿素,可特异性抑制 PRMT 活性,并在大鼠模型中抑制环氧合酶 2 (COX-2) 表达并抑制炎症。
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蛋氨酸(Met)是一种必需氨基酸,也是其他氨基酸的前体,例如半胱氨酸 (Cys) 和牛磺酸,以及 S-腺苷-L-甲硫氨酸 (SAM) 和谷胱甘肽 (GSH)。蛋氨酸生物合成的骨架主要来自天冬氨酸。
在分解代谢中,蛋氨酸被蛋氨酸腺苷转移酶 (MAT) 催化为 SAM。作为甲基供体,SAM 参与各种甲基转移反应,并在反应中转化为 S-腺苷高半胱氨酸 (SAH)。蛋氨酸可以增加细胞内谷胱甘肽的浓度,促进细胞氧化还原调节,并通过与氧化代谢物结合来保护细胞。
蛋氨酸作为一种必需氨基酸,在肿瘤的生长和代谢中具有重要作用。除外源供应外,蛋氨酸补救途径是唯一的蛋氨酸来源。该途径需要甲基腺苷磷酸化酶 (MTAP) 和 蛋氨酸合酶 (MS) 的活性。
MTAP 位于肿瘤抑制因子细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂 2 A (CDNK2A) 的外围,这两个基因的共同缺失发生在约 15% 的癌症中,导致高度侵袭性肿瘤且预后不良。这些酶在恶性肿瘤中常常下调,导致细胞对外部环境中蛋氨酸摄入的强烈依赖。
肿瘤细胞中的蛋氨酸代谢
doi: 10.1038/s41392-023-01569-3
肿瘤细胞竞争消耗蛋氨酸→T细胞蛋氨酸缺乏
肿瘤细胞可以通过SLC43A2的高表达来增加蛋氨酸的摄入,竞争性消耗环境中的蛋氨酸,导致T细胞蛋氨酸缺乏。T细胞蛋氨酸限制可抑制细胞内正常甲基化,导致STAT5基因转录受阻,影响T细胞存活和功能。另一方面,蛋氨酸代谢抑制 PD-L1 和 T 细胞激活的 V 结构域 Ig 抑制因子 (VISTA) 免疫检查点翻译。
由于其在甲基化中的核心作用,蛋氨酸被认为是由 10-11 易位 (TET)、异柠檬酸脱氢酶 (IDH) 蛋白、甲基转移酶和其他表型修饰剂驱动的肿瘤治疗的候选靶点。
无蛋氨酸饮食的抗肿瘤作用,抑制肿瘤免疫逃逸
无蛋氨酸饮食的抗肿瘤作用首次在患有 Walker-256 肉瘤的 Sprague-Dawley 大鼠中被报道。
Met限制饮食可以减少肿瘤细胞中的N6-甲基腺苷(m6A)甲基化和免疫检查点翻译,例如PD-L1和T细胞激活的V域Ig抑制因子(VISTA)。
此外,它还能增加肿瘤浸润CD8 + T细胞的数量,从而抑制肿瘤免疫逃逸。补充蛋氨酸或抑制肿瘤细胞中SLC43A2的表达可以逆转上述T细胞功能抑制,激活肿瘤免疫。
这些研究表明,蛋氨酸限制不仅抑制肿瘤细胞代谢,还涉及免疫细胞,并且肿瘤细胞本身具有复杂的优先途径来调节蛋氨酸代谢。因此,应针对肿瘤细胞蛋氨酸代谢开发更精准、更有针对性的治疗方法。
脂肪肝疾病
非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一种由于代谢途径异常导致甘油三酯(TG)在肝脏积聚而引起的疾病。肥胖和2 型糖尿病是 NAFLD 的重要危险因素。
高脂饮食、蛋氨酸和胆碱缺乏饮食(MCD)可以模拟人类疾病的组织学和代谢异常,通常用于建立NAFLD小鼠模型。
非酒精性脂肪性肝病早期,蛋氨酸水平降低↓↓
在评估两种方法构建NALFD/NASH模型的差异时发现,MCD饮食可在2-4周内自发导致肝纤维化,并显著影响肝纤维化途径相关基因的表达。高脂饮食的这种作用直到胰岛素抵抗后 24 周才观察到,从而减少了肝纤维化。
临床数据显示,NAFLD 早期阶段蛋氨酸水平降低,且较高的蛋氨酸摄入量与纤维化风险呈负相关。甲基供体补充通过激活 AMPK 信号通路增加脂肪酸消耗来减少肝脏脂肪积累。
肾脏疾病
常染色体显性多囊肾病:蛋氨酸水平升高↑↑
常染色体显性多囊肾病(ADPKD)是一种常见的单基因疾病,其特征是肾囊肿增大。在ADPKD模型中,蛋氨酸(Met)和SAM的水平升高,从而诱导Mettl3的表达。
Mettl3 可以增加 c-Myc 和 Avpr2 mRNA 修饰,激活 c-Myc 和 cAMP 通路,并加速囊肿生长。限制蛋氨酸饮食可能会减缓常染色体显性多囊肾病的进展。
在蛋氨酸限制 (MR) 小鼠损伤模型中,肾损伤标志物簇蛋白和胱抑素 c 显著下降。与正常喂养模型相比,MR模型中Emr1、Nos2、Tnfa等肾脏炎症基因下调,嗜碱性粒细胞聚集程度较低。
糖尿病
2 型糖尿病:循环蛋氨酸水平升高 ↑↑
糖尿病肾病:循环蛋氨酸水平升高 ↑↑
在2 型糖尿病和糖尿病肾病 (DKD) 中可以检测到循环蛋氨酸、乙酰天冬氨酸和天冬酰胺水平升高。此外,循环蛋氨酸(Met)水平升高可用于预测患糖尿病的风险。
蛋氨酸代谢调节 Cys 和内源性硫化氢 (H2S) 水平。H2S 抑制胰腺 β 细胞中葡萄糖诱导的胰岛素释放和脂肪组织中胰岛素刺激的葡萄糖摄取。
胱硫醚γ-裂解酶(CSE)是H2S合成中的关键酶,CSE抑制剂的使用会增加脂肪细胞对葡萄糖的摄取。
总之,蛋氨酸限制 (MR) 可以通过干扰葡萄糖稳态、增加胰岛素敏感性和炎症反应来缓解糖尿病。
氨基酸水平和代谢影响多个层面的细胞代谢和许多细胞过程,从蛋白质合成到表观遗传调控。这些生理过程与维持细胞稳态和正常功能密切相关。因此,氨基酸代谢异常可能导致疾病的发展。
综上,一些肿瘤病人比如,肝硬化、肺癌、乳腺癌、食管癌、肾癌、胃癌、甲状腺癌、头颈部肿瘤等病人血浆中氨基酸浓度与健康人血浆中氨基酸浓度相比表现出异常,对氨基酸代谢变化的分析可以用来辅助诊断疾病。氨基酸代谢的改变对肿瘤细胞及肿瘤免疫微环境有着显著影响。肿瘤细胞通常依赖于外源氨基酸的供应,相对于肿瘤细胞,正常细胞对氨基酸的需求较低,干扰氨基酸的可获得性,通过氨基酸消耗疗法来诱导癌细胞凋亡也是近年来备受瞩目的研究热点之一。
支链氨基酸在肿瘤和代谢疾病中起重要作用,但不同肿瘤之间对支链氨基酸的需求存在差异。支链氨基酸代谢对促炎CD4+和CD8+T细胞以及免疫抑制调节性Treg细胞的功能同样重要,Treg细胞在代谢性疾病、肝脏和肾脏疾病中发挥着关键作用。
天冬氨酸在某些肿瘤生长中是一个内在的限制因素,其转化依赖于天冬酰胺酶的活性。转氨产物天冬酰胺比天冬氨酸更具渗透性。然而,膀胱癌细胞缺乏天冬酰胺酶,导致转化为天冬氨酸的功能障碍。SLC1A3在某些实体瘤中高表达,可能为解决天冬氨酸酶耐药提供解决方案。
谷氨酰胺在肠、肾、免疫和肿瘤细胞中广泛消耗,与癌基因c-Myc和STAT3有关。SLC7A11在多种癌症中显著高表达,可作为有前景的靶标。GLS是肾小管氨基酰胺代谢的关键酶,CB-839是其抑制剂,显示出良好的抗肿瘤活性。
精氨酸调节免疫,缺乏ASS1的细胞对精氨酸具有依赖性。精氨酸甲基转移酶(PRMT)在肿瘤发生发展中的调节作用也受到广泛关注,多种 PRMT 抑制剂表现出良好的抗肿瘤活性。
蛋氨酸作为必需氨基酸的地位及其在转甲基化过程中的作用注定了细胞对蛋氨酸代谢的依赖。甲硫腺苷磷酸化酶 (MTAP) 基因缺失在一些实体瘤中发生,针对缺乏MTAP的肿瘤细胞的治疗策略是抑制蛋氨酸代谢途径中的关键酶MAT2A。蛋氨酸限制饮食可以抑制肿瘤免疫逃逸。
但是,氨基酸代谢靶向治疗面临挑战,血液氨基酸代谢是一个复杂的生物过程,涉及多个代谢途径和相互作用。因此,准确评估血清氨基酸水平对于疾病筛查和治疗有主要的意义。同时,目前血清各类氨基酸测定方法,一般是空腹抽取这增加了检测的复杂性。而且检查前一周熬夜、饮酒、劳累、服药、情绪抑郁以及进食油腻食物等都会影响氨基酸的评估。
肠道菌群在蛋白质和氨基酸代谢中扮演着重要的角色。通过评估肠道菌群的组成和功能,可以更从另外一个维度了解氨基酸代谢的状态。
一些研究发现,通过调节肠道菌群可以影响氨基酸代谢和相关疾病的进展。通过了解个体的肠道菌群状态,可以针对性地选择合适的综合治疗方法,如益生菌、益生元和饮食干预,以优化氨基酸代谢和减少治疗的不良副作用,比如抗体来阻断细胞因子或其受体导致的血栓形成等不良事件。
除本文常见的20种蛋白质氨基酸外,还包括在各个代谢途径中较为重要的氨基酸及短肽,比如牛磺酸、γ-氨基丁酸(GABA)、肌酸、肌肽等。它们在某些方面对人体的重要作用一样不比蛋白质氨基酸逊色,后续我们再和大家分享。
主要参考文献:
Ling ZN, Jiang YF, Ru JN, Lu JH, Ding B, Wu J. Amino acid metabolism in health and disease. Signal Transduct Target Ther. 2023 Sep 13;8(1):345.
谷禾健康
越来越多的证据表明,肠道菌群定植紊乱和微生物多样性减少与全球非传染性疾病 (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是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。
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。婴儿的脂肪摄入量在母乳喂养期间很高,从开始添加辅食后的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:
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的比例会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
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;以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;吃肉的儿童肠道群落富含厚壁菌门和粪杆菌属,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
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酶的组成部分。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
母乳是短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
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。
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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
叶酸和维生素 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和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?
当母亲的维生素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从饮食和/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?
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的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。
儿童营养不良和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。
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:
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,与淀粉和能量代谢、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。
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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/或新生儿败血症的降低有关。
新生儿和婴儿是考虑针对微生物组进行干预的关键人群,因为婴儿微生物组在出生后经历快速进化。此外,婴儿期是生长和神经认知发育的关键时期,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可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。
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:
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
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。
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,Faecalibacterium,Blautia,Ruminococcus,Roseburia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Blautia和Roseburia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和肠道完整性增加。
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。
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,该饮食与腹痛频率和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
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。
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。
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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、脂肪和碳水化合物,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)。
计算宏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。//
营养素是维持机体繁殖、生长发育和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)和微量营养素。
问
宏量营养素和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。
答
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。
宏量营养素通常以克为单位测量,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,例如参与构成和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。
“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钙、铁、锌。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的吸收功能失调,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,有助于预防疾病和改善健康。
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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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。
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及行动不便,而且过高的血脂,很可能是诱发高血压和心脏病的主要因素。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,如亚油酸和亚麻酸、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,选择单不饱和脂肪和多不饱和脂肪可以改善胆固醇,并可能降低患心脏病和中风的几率。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、坚果和豆类。
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,有助于减少炎症和疾病风险。
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)
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公斤体重摄入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和营养,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”和“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并进入血液。
✦复杂碳水相对更健康
简单碳水化合物是指糖,如果糖、蔗糖和乳糖。
复杂碳水化合物包括淀粉(蔬菜、豆类、谷物)和纤维。复杂碳水化合物对胰腺的压力较小,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,你可能会感到疲倦和头昏眼花。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和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和肠道健康的益处。
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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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、年龄和性别。
那么,为什么有这么多人致力于精确营养计算或计算宏呢?目前大多数计算宏的人这样做是为了减肥或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,那么了解什么是宏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,这会导致饮食失调和其他健康问题。
•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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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是十分重要。主要参考文献:
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谷禾健康
日常感觉疲劳,精力不好,稍微不注意就容易腹泻便秘,一不小心就感冒,更可怕的是,无论使尽各种方法依然减不下去的体重……
有以上状况的小伙伴注意,可能是慢性炎症在体内作怪。炎症是我们免疫系统的自然反应,也就是说身体和病原体斗争,试图自愈的过程。
根据时间和病理特征,炎症可以是急性和慢性的。
急性炎症来势汹汹,通常持续时间很短(几分钟到几天),包括淋巴细胞/嗜中性粒细胞和巨噬细胞迁移到炎症部位,刺激促炎细胞因子的释放【如:肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素6 (IL-6)、高运动性蛋白B1(HMGB-1)】,以及细胞聚集,酶分解等。
NOD样受体(NLRs)(如NLRP3、NLRP1和NLRC4)的激活导致高度调节的蛋白复合物(称为炎症小体)的募集,其激活启动下游炎症细胞因子的产生,主要是白细胞介素1β(IL-1β)和白细胞介素18 (IL-18)对细胞应激的反应。
其他中介包括趋化因子、脂质介质、急性期蛋白如C-反应蛋白(CRP)、转录因子包括核因子κB(NF-κB)和主要免疫细胞类型。
然而,急性炎症如果不受控制,则可能发展为永久性疾病,导致组织损伤、血流动力学改变和器官衰竭。
慢性炎症就像温水煮青蛙,带来的损害缓慢,但是持久。事实上,慢性炎症与肥胖等非传染性疾病和相关的共病的发生有关。在这方面,肥胖导致脂肪细胞中的异常脂肪积累、免疫细胞浸润和促炎环境,从而破坏胰岛素信号级联诱导胰岛素抵抗。
炎症和氧化应激相互作用对于理解肥胖症的生理病理学至关重要,包括内质网功能受损、脂肪组织缺氧、线粒体改变和活性氧过度产生。
肠道微生物群与肥胖相关的低度炎症的发展有关,包括脂多糖易位和toll样受体4(TLR-4)结合,从而引发血液内毒素血症。
由此产生的未解决的免疫激活不仅影响局部组织,还影响全身生理学,即所谓的代谢性炎症。
本文讨论了不同营养因素对炎症的影响和最终调节,包括特定营养素(碳水化合物类型、蛋白质来源、结构脂肪酸、矿物质、微量元素)和生物活性化合物(多酚);饮食模式(即西方、地中海和北欧饮食);治疗性饮食(DASH饮食);常见烹饪原料(调味品和草药)等。
与人类炎症结果相关的营养因素
了解日常饮食中的营养物质对炎症的影响和调节,可以帮助我们在日常饮食中有意识地进行相应调整,从而更好地改善健康状况。
纵向和观察性研究表明,膳食维生素摄入量与炎症特征之间存在一些关联。
例如,维生素C和E或胡萝卜素的摄入与血清CRP浓度的概率成反比 > 美国成年人服用3 mg/L。
在横断面KORA研究中,剂量-反应分析显示,经常摄入超过78毫克维生素E/天的参与者的血清CRP水平比未接触任何额外维生素E来源的受试者低22%。
摄入含有维生素E和C以及B族复合维生素(B1、B2、B3、B5、B6、B9和B12)的膳食补充剂与女性血CRP水平降低相关。
饮食维生素K1(叶喹酮)摄入量变化的上三分位受试者(随访1年后)的IL-6和TNF-α血浆浓度比最低三分位组的受试者下降更大。
健康韩国成年人的膳食维生素B5摄入量与血清CRP浓度呈负相关。
消费 > 健康成人每天摄入310毫克的膳食胆碱(通常归入复合维生素B组),血液中CRP、IL-6和TNF-α浓度较低。
系统总结了探索维生素对炎症状态影响的临床试验结果(下表)。一些研究发现,补充维生素后有助于降低炎症。
表 临床试验:维生素和生物活性化合物抗炎作用
doi: 10.1007/s13679-022-00490-0
矿物质和微量元素对人体的结构、免疫和代谢功能至关重要。
高镁摄入与绝经后妇女体内潜在炎症标志物(CRP、sTNF-R2和IL-6)的血浆浓度降低有关。
在护士健康研究队列中,发现饮食来源的镁摄入量与血浆IL-6呈负相关。
一项嵌套病例对照研究报告,绝经后妇女的饮食锰与血清促炎细胞因子循环水平存在相反的关联。
据报道,淋巴细胞增殖和IL-2R表达的变化是健康男性轻度缺锌的早期标志。
膳食铜摄入量与成人血液CRP浓度直接相关。
反过来,肥胖相关炎症对肠道铁吸收的影响可能会加剧铁缺乏。
还显示了补充某些矿物质对人体抗炎作用的主要结果(下表)。
表 分析某些矿物质抗炎作用的临床试验
doi: 10.1007/s13679-022-00490-0
膳食碳水化合物对健康的影响取决于数量和质量特征。有趣的是,低碳水化合物饮食(总能量的20%)显著改善了糖尿病患者的亚临床炎症状态(血清IL-1Ra和IL-6水平较低)。
值得注意的是,坚持低碳水化合物饮食(占总能量的35%)可以降低肥胖女性的炎症标记物水平。
此外,低碳水化合物饮食的总体效果良好(≤ 30克/天)。此外,如其他地方报道的那样,与低脂饮食(总能量的24%)相比,极低碳水化合物饮食(占总能量的12%)可减少炎症反应。
血糖指数(GI)旨在根据对餐后血糖浓度的影响,从生理学上评估不同食物的碳水化合物质量。
有趣的是,高GI饮食(基于煮熟的意大利面,GI = 35)显著增加了瘦健康受试者单核细胞中NF-κB的激活率。
事实上,在糖尿病患者中,高GI饮食(GI > 70)诱导的负面代谢和炎症反应被低GI饮食(GI < 55)抵消。
此外,DIOGenes试验的结果表明,超重或肥胖受试者在减肥后,低GI碳水化合物(高GI碳水化合物的差异为15分)可以减少通过减肥饮食维持的低度炎症。
膳食纤维可能对健康有益,涉及一些免疫机制。因此,在糖尿病患者中,纤维摄入量等于或大于15 g/1000 kcal与血液CRP水平降低相关。
一项随机干预试验表明,从天然富含纤维的饮食或从补充剂中摄取纤维(30 g/天)可以显著降低瘦削正常血压参与者的循环CRP水平。
此外,中年成人膳食纤维摄入量(平均16.8克/天)和CRP血清浓度之间存在显著的负线性关系。
扩展阅读:肠道菌群与蛋白质代谢
膳食脂肪在生物体内引发许多基本功能;然而,过度消耗脂肪可能导致肥胖和相关的低度炎症过程。
事实上,临床证据表明,高脂饮食(即接近总能量的75%)会导致循环游离脂肪酸的过度生产和全身炎症。
一直以来,低脂饮食(占能量需求的25%)与糖尿病患者血浆IL-6水平降低相关。
越来越多的证据表明,膳食饱和脂肪酸(SFA)在肥胖和炎症之间起着重要的联系。
有趣的是,与摄入正常饱和脂肪的受试者相比,摄入超过10%能量作为饱和膳食脂肪的受试验者血清CRP水平升高(< 7%的热量摄入)。
同样,摄入膳食饱和脂肪酸(100毫升饱和脂肪含量为70%的乳脂)导致女性血浆CRP的脂质诱导升高,与肥胖状况无关。
单不饱和脂肪酸(MUFAs)被认为是一种健康的脂肪,油酸(OA)是日常营养中最常见的MUFA。
在这种情况下,一项针对日本人群的横断面流行病学研究报告,油酸摄入量(平均占总能量的6.94%)与血清CRP浓度之间存在显著的负相关。
对于不同剂量的MUFA治疗炎症特征的进一步对照试验是有保证的。
在过去的几年里,大量证据支持多不饱和脂肪酸(PUFAs)在预防心血管疾病和其他炎症性慢性疾病方面的有益作用。
在这种情况下,健康人n-3 PUFA二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)的摄入量与血浆中可溶性TNF受体1和2的水平呈负相关。
此外,总膳食n-3 PUFA与女性CRP和IL-6的血水平呈负相关。
此外,一些临床试验评估了高PUFA饮食处方或通过补充PUFA对炎症结果的影响。例如,鱼油补充(38.2克/天EPA + 90天内的DHA)降低了高血压患者血液中促炎症标记物的水平。
健康的年轻人服用n-3 PUFA(2.5 g/天,2085 mg EPA和348 mg DHA)12周后,血清IL-6水平下降了14%。
在超重成人中,低(1.25 g/天)或高(2.5 g/天)剂量的n-3 PUFA补充4个月可以减少炎症反应(特别是血清IL-6和TNF-α浓度)。
反式脂肪酸(TFA)主要由植物油氢化或反刍动物衍生食品(包括乳制品和肉类)在工业上形成。
反式脂肪酸摄入量与女性血浆炎症生物标志物(包括CRP、VCAM-1、E-selectin)呈正相关。
在同一人群中,反式脂肪酸的摄入与可溶性TNF受体1和2的血浆水平呈正相关,主要是在体重指数较高的女性中。
男性服用TFA(占总脂肪的8%)后血清CRP浓度升高。
胆固醇过高可能会对健康产生有害影响,包括一些影响炎症状态的过程。
例如,在伊朗成年人中,血清CRP浓度的最高四分位数(5.9 mg/L)与饮食胆固醇的摄入量较高(189 mg/天)有关。
在大量具有代表性的中东人群中,发现饮食胆固醇和血浆CRP水平之间存在正相关。
膳食蛋白质的数量和质量是营养价值和身体/内分泌稳态的主要决定因素。
在Framingham心脏研究后代队列的参与者中,膳食蛋白质摄入量(尤其是植物来源的蛋白质)与血清炎症标记物(如IL-6和CRP)呈负相关。
此外,摄入高(总能量的30%)或低(总能量10%)蛋白质饮食会导致病态肥胖个体的血液CRP浓度降低。
关于蛋白质来源,以较高动物蛋白质摄入量(高脂肪和加工肉类水平)为特征的饮食与某些血液促炎标记物(如CRP、IL-6、TNF-a、IL-8、血清淀粉样蛋白a和糖蛋白乙酰化)呈正相关。
此外,RESMENA膳食研究的结果(30%的能量来自蛋白质)表明,动物和肉类蛋白质摄入量与炎症之间存在正相关,而蔬菜或鱼类来源的蛋白质对炎症状态没有显著影响。
扩展阅读:肠道菌群与蛋白质代谢
多酚是一大类生物活性分子,广泛存在于植物性食品中,具有强大的抗氧化和抗炎特性。在这种情况下,据报道,美国成年人的总黄酮摄入量与血清CRP浓度呈负相关。
在多种族队列中,黄烷酮消耗量与血液IL-6浓度呈负相关。同样,异黄酮摄入量较高(最高四分位数 = 1.61–78.8 mg/天)与健康绝经前妇女血浆CRP降低有关。
此外,在黄酮、黄烷酮和总黄酮摄入量较高的女性中,发现血清IL-8水平较低(五分位数最高 = 分别为264 ng/L、273 ng/L和276 ng/L)。
此外,台湾人群总黄酮摄入量和茶叶摄入量的增加与CRP水平呈负相关。
值得注意的是,许多随机临床试验已经测试了几种多酚的抗炎潜力,其结果总结如下:
表 分析某些多酚抗炎作用的临床试验
doi: 10.1007/s13679-022-00490-0
扩展阅读:
关于对炎症的影响,总摄入(中位数54 g/天)、未加工(中位数47 g/天)。
在多民族队列研究中,红肉和加工肉消费与血清CRP水平呈正相关。
在英国成年人中,食用加工肉与血清CRP水平增加有关(每天摄入50克以上,差异为38%)。
在调整后的模型中,在大量美国样本中,红肉消耗量与血液CRP显著相关。
在一项针对巴西人的横断面研究中,增加酸奶摄入量(中位数为10克/天)似乎会产生抗炎作用,而奶酪摄入量的增加(中位数10.7克/日)可能会加剧促炎状态。
在体重正常的青少年中,总乳制品和牛奶摄入量与血清IL-6浓度呈负相关。
ATTICA研究的结果显示,每周食用11-14份乳制品的人的CRP、IL-6和TNF-α血水平低于每周食用8份以下的人。
ATTICA研究结果显示,习惯性鱼类消费之间存在独立关联(> 每周食用300克鱼),并降低健康成年人的炎症标记物水平,包括CRP、IL-6、TNF-a、血清淀粉样蛋白a和白细胞计数降低。
在6年的随访中,食用鱼(约100克/周)可降低健康成人的内皮功能障碍和轻度炎症。
在表面上健康的日本人群中,高频率摄入鱼类与较低的外周血白细胞计数(慢性炎症标志物)相关。
事实上,随着每周摄入鱼的频率(0天、1-2天、3-4天或5-7天)的增加,全身炎症的标志显著降低(全身炎症的标志:中性粒细胞/淋巴细胞比率)。
近年来,食用昆虫被公认为具有抗炎和抗氧化特性的高价值食品。
例如,在健康成年人中,蟋蟀摄入量(25克/天)与通过微生物群调节减少全身炎症相关。
然而,需要对人类进行更多的研究来证实这些发现,以便推荐习惯性食用食用昆虫作为消炎疗法。
伊朗女性的水果和蔬菜摄入量与血清CRP水平呈负相关。
中国女性食用大量十字花科蔬菜(最高五分之一 > 140.6 g/天)显示循环中TNF-α、IL-1β和IL-6水平降低。
在一项随机交叉试验中,14天内食用十字花科蔬菜(14 g/kg体重)持续降低健康年轻人的循环IL-6.
在动脉粥样硬化的多种族研究中,经常食用坚果和种子(尤其是每周五次或五次以上)与较低水平的炎症标记物相关,包括IL-6和CRP。
在两个大的美国人队列中,与从未或几乎从未的频率类别的个体相比,每周坚果摄入五次或更多次的受试者的CRP和IL-6血浓度显著降低。
对随机对照试验的系统回顾和荟萃分析显示,摄入亚麻籽和相关营养衍生物系统地降低了肥胖受试者的循环CRP水平。使用同样的方法,急性高油酸花生摄入系统性地导致超重/肥胖男性餐后TNF-α浓度的下调。
研究表明,在健康饮食中添加杏仁(4周内每天56克)可以改善中国糖尿病患者的炎症和氧化应激。
一项随机试验还发现,在健康成年人中,食用杏仁(用杏仁替代对照饮食10–20%等量摄入4周)可以降低血清CRP水平。
事实上,在青少年和青年人中,杏仁喂养(每天56克,持续90天)后,血浆TNF-α和IL-6水平下降。
据报道,每天服用50毫升特级初榨橄榄油(EVOO),为期两周,可降低稳定型冠心病患者的血浆IL-6和CRP水平。
EVOO(50 mL)对正常血压的健康受试者具有急性餐后抗炎和抗氧化作用。
有趣的是,在糖尿病妇女中,谷类纤维的摄入与较低的CRP和TNF-R2血液水平呈负相关。
超重和肥胖受试者食用全麦小麦(8周内每天70克)后,血清TNF-α水平下降,血浆IL-10水平升高。
GRANDIOOS研究的结果表明,食用全麦小麦(每天98克,持续12周)可能会促进超重/肥胖和轻度高胆固醇血症患者的肝脏和炎症恢复力。
在中国中年女性中,食用大豆食品与炎症标志物(如IL-6、TNFα和可溶性TNF受体1和2)的循环水平呈负相关。
与习惯性饮食相比,一项为期6周的富含豆类的饮食营养试验(在所有干预阶段共摄入24包65克)显著降低了糖尿病患者的CRP浓度。
基于豆类的低热量饮食(每天160–235克,持续8周)持续降低超重/肥胖受试者的促炎状态并改善代谢特征。
在肥胖女性中,8周内补充绿茶提取物(450 mg/天)改善了氧化应激生物标记物,降低了IL-6循环水平。
3个月内饮用绿茶(379 mg/天)可降低肥胖、高血压患者的血清CRP和TNF-α浓度。
高咖啡消耗量(每天8杯)对习惯性咖啡饮用者的亚临床炎症产生了有益影响。
一直以来,在健康和糖尿病女性中,饮用咖啡与炎症标记物和内皮功能障碍呈负相关。
在年龄较大的非西班牙裔白人中,大量饮用咖啡(等于或超过2.5杯/天)的人全身炎症较低。
另一方面,来自ATTICA研究的分析报告称,中度至重度咖啡摄入后,炎症标记物(包括IL-6、TNF-α和CRP)增加(> 200毫升咖啡/天),强调剂量对结果的重要性。
补充蜂胶和限制热量饮食8周可以显著改善非酒精性脂肪性肝病患者的血糖稳态、肝纤维化评分和肝功能。
一项双盲安慰剂对照随机临床试验,44名非酒精性脂肪性肝病患者,用蜂胶和热量限制饮食(500千卡/天)干预,发现炎症因子降低,包括肿瘤坏死因子-α (TNF-α)、toll样受体-4 (TLR-4)和单核细胞趋化蛋白-1 (MCP-1)的血清水平以及肝酶和脂肪肝的严重程度显著降低。
现有证据表明,定期食用黑巧克力可能会减少炎症,尤其是对于每3天食用一份(20克)黑巧克力的消费者而言。
在一项随机平行临床试验中,与仅遵循一般生活方式指南的受试者相比,服用黑巧克力(8周内服用30克84%的黑巧克力)并保持健康生活方式的糖尿病患者的炎症标记物(CRP、TNF-α和IL-6)水平较低。
事实上,急性黑巧克力摄入(50克)通过增加IL-10的表达和减弱细胞内促炎性应激反应而引发抗炎症结果。
健康女性在摄入黑巧克力(一周内每天100克)后,CRP的血液水平较低,这在男性中没有发现。
在过去几十年里,几项调查已经确定了香料和草药在预防和治疗各种慢性病方面的有效作用。这些烹饪成分的多种健康特性归因于具有潜在抗炎特性的生物活性成分,如含硫分子、单宁、生物碱和酚类二萜。下表总结了探索香料对炎症状态影响的临床试验结果。
表 分析某些香料和烹饪成分抗炎作用的临床试验
doi: 10.1007/s13679-022-00490-0
益生菌、益生元和合生元是有益的微生物、底物(多糖和寡糖)或最终也可能缓解炎症症状的组合。
对于糖尿病患者,建议补充益生菌和合生元,通过持续降低循环中CRP和TNF-α的水平来减少炎症表现。
关于肠道疾病,最近有报道称,使用益生菌(基于乳酸杆菌和双歧杆菌)和合生元可以促进抗炎反应并平衡肠道内稳态。
短链脂肪酸(称为后生元的非活性细菌产物)的抗炎作用是通过抑制肠上皮细胞中的NF-κB通路、Treg细胞分化和促炎细胞因子阻断来介导的。例如,干酪乳杆菌DG和衍生后生物抑制肠易激综合征患者结肠粘膜中IL-8、IL-1α、IL-6和TLR-4的表达水平。
关于益生菌,益生元在此就不详述了,在前面的文章已有介绍,详见:
总的来说,植物性饮食已经证明可以改善肥胖相关的炎症状态。
值得注意的是,在北美,素食对血液CRP和IL-6水平的有益影响是由BMI介导的。此外,一项系统回顾和荟萃分析显示,素食饮食模式也降低了免疫生物标志物,如纤维蛋白原和白细胞总浓度。
对观察性和干预性试验的系统审查表明,北欧饮食(以北欧国家的主食为基础)对低度炎症缓解有积极影响。潜在机制包括代谢综合征患者的促炎症基因下调,尤其是TNFRSF1A和RELA。
南欧大西洋饮食(SEAD)是葡萄牙北部和西班牙加利西亚的传统饮食,其特点是摄入更多的鱼、牛奶、土豆、水果、蔬菜和橄榄油以及红酒。总体而言,SEAD依从性与炎症标记物(主要是CRP)的血浆浓度降低和心脏代谢风险降低相关。
就亚洲地区而言,健康的日本饮食模式(富含蘑菇、海藻、大豆制品和土豆、蔬菜、鱼类/贝类和水果)似乎可以发挥抗炎作用,改善当地消费者的心理健康。
一些中药已经显示出抑制促炎途径和控制炎症相关疾病。
墨西哥传统饮食(TMexD)已证明可以降低墨西哥裔女性的全身炎症和胰岛素抵抗风险。TMexD的特定食物包括玉米、豆类、辣椒、南瓜、番茄、仙人掌和洋葱,它们富含纤维、维生素、矿物质和辣椒素,具有潜在的抗炎和抗氧化特性。
在一项综合横断面研究中,旧石器时代饮食(基于蔬菜和水果、瘦肉、鱼类、坚果和钙来源的多样性消费)与人类较低水平的全身炎症和氧化应激相关。
在6周内,DASH饮食模式(以水果和蔬菜、低脂乳制品和复合碳水化合物的大量摄入为特征)降低了代谢综合征青少年的CRP循环水平。在女性成年人中,DASH饮食与伊朗人血清CRP水平较低有关,但与IL-17A浓度无关。定量评估显示,随访4周后,DASH饮食使CRP降低了13%。
PREDIMED试验的结果表明,地中海饮食(富含蔬菜和水果、纤维和维生素C和E)具有抗炎作用,因为它下调了动脉粥样硬化形成过程中涉及的细胞和循环炎症生物标记物。
在这个队列中,地中海饮食降低了血清CRP和IL-6水平,以及内皮和单核细胞粘附分子和促炎性趋化因子。此外,在随访1年后,Med饮食(包括EVOO和蔬菜)降低了心血管高危患者的血浆TNFR60浓度。长期(3年),PREDIMED试验通过与对照低脂饮食相比降低IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α水平,证实了Med饮食的抗炎作用。
总的来说,西式饮食(WTD)含有大量不健康的脂肪、精制谷物、糖和盐,会引发慢性代谢性炎症。在这方面,在护士健康研究I队列中,西式饮食与炎症和内皮功能障碍标志物呈正相关。此外,伊朗女性的西式饮食评分与CRP和IL-6促炎标记物呈正相关。
有趣的是,巴西妇女食用含有大量游离糖、总脂肪、膳食饱和脂肪酸、反式脂肪酸和钠的超加工食品(UPF)与血清CRP水平之间存在正相关。同样,超加工食品中上三分之一的巴西青少年(≥ 总能量的30%)与第1三分位青少年相比,循环IL-8浓度增加(≤ 15.9%的总能量)。
此外,瑞典类风湿关节炎患者的不良饮食质量(考虑到习惯性随意饮食,如糖果、蛋糕、软饮料和油炸土豆)与炎症增加有关,如血浆CRP和红细胞沉降率。
生物节律和营养分析(称为“时间营养”)的最新进展表明,一天中进食的时间可能会影响代谢稳态和免疫功能。
在这种情况下,在饮食质量较差的成年人中,不吃早餐与血清CRP浓度升高之间存在显著关联。在一项随机对照交叉试验中,不吃早餐会导致人类外周血单核细胞和单核细胞中NLRP3炎性体的更高活化。
间歇性禁食(IF),即个体连续或隔天禁食,改善了肥胖男性的全身炎症。然而,在超重或肥胖的女性中发现了间歇性禁食后,脂肪组织中巨噬细胞浸润(CD40+)和骨骼肌(CD163 +)的生物标志物短暂升高。
现有证据表明,限时饮食(TRE)是一种基于一天活动期总热量摄入巩固的替代时间营养方法,可能会调节多种代谢疾病风险因素,包括炎症。事实上,已经假设TRE作为定期营养计划的一部分,可能有助于减少炎症,并对免疫系统的某些组成部分产生保护作用。
有趣的是,代谢综合征患者在隔日禁食(ADF)后,血液CRP水平显著下降,ADF包括“禁食日”,热量摄入有限,而“喂食日”则是随意进食。此外,隔日禁食降低了健康非肥胖受试者血浆中sICAM-1(年龄相关炎症标记物)的水平。
此外,据报道,晚吃是指推迟用餐时间(通常是一天的主食或晚餐),可能会增加患心脏代谢疾病的风险。事实上,晚吃与腹部肥胖、炎症生物标志物(如IL-6和CRP)以及儿童的昼夜节律紊乱有关。
对精确变量(年龄、性别、身体表型、习惯性饮食摄入、体力活动水平和生活方式)以及个性化问题(遗传背景、表观遗传特征、微生物群组成、基因表达谱和代谢指纹)的综合分析可能有助于制定更个性化的治疗方案,以改善炎症的营养和药物管理。
例如,有证据表明,遗传变异可能通过与环境因素(如饮食)的相互作用,调节个体对与炎症相关的慢性和急性疾病的易感性,从而易诱发炎症状态。
表观遗传标记(包括DNA甲基化、miRNA表达和组蛋白修饰)在炎症基因转录中起着基础作用。
值得注意的是,基于微生物群的回归模型已经能够预测人类肥胖相关炎症状态,这可能是精确管理炎症性的有用工具。
具有促炎和抗炎作用的基因表达最终决定炎症的结果。
代谢组学是一种综合方法,可用于剖析炎症的局部和全身代谢后果,为炎症疾病的调节提供新的见解。
这些应用有助于阐明独特和特异的炎症代谢类型,扩大了我们对人类代谢复杂性和多样性的理解。
总的来说,这些新颖的科学见解正带来精确药物/营养战略,以预防和控制具有炎症背景的流行性慢性病。
营养物质对生命和健康至关重要,不仅有助于疾病预防、健康维护和疾病管理,而且可以抵御内源性和外源性有害因素,包括炎症/氧化应激或免疫系统功能障碍。
促炎
促炎营养因素包括大量食用富含简单碳水化合物、膳食饱和脂肪酸、TFA、胆固醇和动物蛋白的食物,以及习惯性不吃早餐和晚吃暴食。
抗炎
潜在的抗炎化合物包括MUFA、PUFA、抗氧化维生素和矿物质、生物活性分子(多酚)、特定食品(乳制品、全谷物、鱼类、油籽、水果和蔬菜、食用昆虫、豆类、绿茶和咖啡),烹饪香料(肉桂、姜、小茴香、大蒜和姜黄)和一些饮食习惯,包括间歇性禁食和限时进食。
由于研究之间存在不一致和差异,考虑到异质性的关键方面,包括人群类型(祖先)、最低和最高水平以及不利影响、烹饪方法、生理病理状态和干预时间,仍需在该领域进行进一步研究。
目前的证据有助于理解营养与代谢性炎症之间的关系,为慢病的控制和管理提供了新的见解和潜在目标。
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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。
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.muciniphila和Alistipes 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。
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和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。
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。
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 prausnitzii、Clostridium leptum、Eubacterium 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。
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:
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,结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。
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。
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,普雷沃氏菌属的高基线丰度与超重、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和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。
在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和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。
结肠中糖酵解和蛋白水解发酵之间的平衡,以及对宿主生理的假定有益和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。
摄入的膳食蛋白质首先在小肠中被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,源自植物的蛋白质的消化率较低,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,摄入乳制品和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,而超重或肥胖雄性中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/高蛋白饮食与中等蛋白质或低蛋白质饮食会导致饮食之间碳水化合物或脂肪含量的差异。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。
不同类型的脂肪酸(饱和、单不饱和、多不饱和脂肪酸)、碳链长度和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呈正相关,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与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。
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的有益作用而闻名。
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和疣微菌科Verrucomicrobiaceae丰度均有影响,促进了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 周的多酚补充剂可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。
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、生活方式和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.
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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和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会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高。
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 elsdenii, Selenomonas 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
肠道微生物群在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对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的重要组成部分。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和来源的共同作用决定。
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,蛋白质摄入量的增加总是与消化率的相对降低有关,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或动物来源,每种类型都具有独特的消化率和不同的降解模式,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和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的预防作用及一些植物蛋白中的抗营养因子。
酪蛋白可以被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而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:
当断奶动物饲喂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的减少。
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。肠道中的氨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是氨基酸和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和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的生理调节剂,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和热稳定性。
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为肽和氨基酸。
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,导致绒毛损伤和隐窝细胞增殖。
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的更高易感性,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和维持肠道完整性。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和抗性淀粉。
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
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和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。
肠道微生物可从鸟氨酸、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,肠道菌群组成是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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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,运动锻炼与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有益影响。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:
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和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Lachnospira和Coprococcus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,这些观察性研究的结果只能确认训练状态和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的能量收集,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
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。
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。
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 prausnitzii、Roseburia hominis和Akkermansia 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
一项对爱尔兰男性职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与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。
与高 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和拟杆菌属与肥胖呈负相关。
在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
在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。该菌与上调的甲烷代谢相关,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高,久坐组加工肉类的摄入量比例明显更高。
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的定期有氧训练对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或剧烈运动。
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属的丰度较低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属之间存在适度关联。
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 spp、Blautia 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产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。除了运动和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。
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与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,耐力运动增加了Verrucomicrobia和Akkermansia相对丰度并减少肠道中与炎症相关的变形菌数量。此外,变形菌门和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
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,如 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状。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。
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
运动引起的压力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,这些激素会导致胃肠道紊乱、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:
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 小时的习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菌和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,而强制跑步机跑步会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。
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。
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来增强肌肉质量。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,但运动时间要长得多,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)
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其持续时间、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,摄入全鸡蛋与蛋清相比,摄入全脂牛奶与脱脂牛奶相比,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和胃肠道应激。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Roseburia和Lachnospiraceae 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,因此很难确定疗效是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食物和含麸质食物。
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。
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。
尽管这些变化可能不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,使用人体临床试验来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来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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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。
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。
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。
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。
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,厚壁菌和拟杆菌在盲肠中占优势,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。