多酚通過腸道菌群調節能量代謝研究進展

肖俊松，單靜敏，曹雁平*，王成濤，許 楠

(北京工商大學 食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，食品風味化學北京重點實驗室，北京 100048)

多酚通過腸道菌群調節能量代謝研究進展

肖俊松，單靜敏，曹雁平*，王成濤，許 楠

(北京工商大學 食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，食品風味化學北京重點實驗室，北京 100048)

多酚是一類植物次生代謝產物，廣泛存在于人類膳食中，一般可分為3大類：酚酸類、聚合單寧類和黃酮類。多酚以及其被腸道菌群代謝的產物，能選擇性調節腸道中易感微生物的生長，選擇性的促進有益菌群(如乳酸菌)生長，抑制有害菌的增殖，也即引發腸道微生態的改變。這種改變對宿主產生重要影響，對宿主能量代謝的影響可能通過如下實現：1)腸道內微生物數量和種類的變化，改變微生物代謝及產酶的種類和數量；2)多酚代謝產物還可與細菌細胞表面作用，抑制酶的活性，從而影響能量代謝，減少脂肪沉積；3)多酚通過干預人體腸道菌群調整能量代謝，為預防和治療肥胖及相關性疾病提供了新的研究思路。本文對多酚調整腸道菌群從而影響肥胖發生的作用機制進行了綜述。

多酚；腸道菌群；能量代謝

多酚是一類廣泛存在于植物中次生代謝產物，因而也廣泛分布于人類膳食如葡萄酒、茶葉、咖啡、可可，以及各種蔬菜和水果中。多酚具有多種生理活性，但是多酚絕大部分難以直接進入體內，而是在人體腸道中被腸道菌群降解。這提示多酚發揮生理活性作用，部分可能是通過調節腸道菌群來實現的。目前關于多酚對腸道菌群微生態的影響已經有部分綜述，多酚如何通過腸道菌群這個媒介，發揮其生理功能亦有部分研究，但目前尚缺乏這方面的綜述。因此，本文擬對目前關于這個方面的研究，進行初步的歸納和整理。

1 多酚及其多種生理功能

多酚目前一般被分為3大類[1]：1)小分子的酚酸類物質(phenolic acid)，如水楊酸、桂皮酸、對羥基桂皮酸、咖啡酸、阿魏酸、綠原酸等；2)單寧(tannin)，為多酚的聚合物，分為縮合單寧和水解單寧，前者是由黃烷醇類物質通過C4－C6或C4－C8鍵連接而成的不同聚合度的多酚，也稱為原花色素，后者由沒食子酸或鞣花酸與葡萄糖等糖類上的羥基成酯而形成；3)黃酮類(flavonoid)，一類為植物色素之一的花色苷(anthocyanin，為花色素anthocyanidin的糖苷)，另一類則為狹義的黃酮及其糖苷，苷元有黃酮(flavone)、黃酮醇(flavonol)、二氫黃酮(flavanone)、二氫黃酮醇(flavanonol)、黃烷-3-醇(flavan-3-ol)、黃烷-3,4-二醇(flavan-3,4-diol)、異黃酮(isoflavone)、二氫異黃酮(isoflavonone)、查兒酮類(chalcone)、橙酮類(aurone)等。

多酚可以保護心腦血管、神經、抑制癌細胞增殖、降低炎癥反應，這些方面已經積累了大量研究[2]。然而，多酚這些功能的作用機制仍有待于進一步的闡述。目前的機理研究著眼于如下幾個方面[3-6]：1)清除自由基和抗氧化功能，如保護和促進人體自身抗氧化物質如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)的再生，抑制低密度脂蛋白氧化從而降低動脈粥樣硬化的風險，抑制細胞膜氧化從而保持細胞膜完整性，猝滅呼吸過程中電子傳遞鏈產生的活性氧類(reactive oxygen species，ROS)，抑制DNA的氧化，調節體內氧化還原平衡，減少有害的氧化終端產物積累而預防多種可能因體內氧化應激(oxidative stress)導致的急性和慢性疾病，如急性胃潰瘍、心肌缺血再灌注損傷、Ⅱ型糖尿病、慢性炎癥、老年癡呆和某些癌癥等；2)對細胞的保護作用和細胞毒作用，前者是因為多酚保護細胞免受氧化應激導致的損傷，后者則存在較多不同甚至互相沖突的實驗結論，這與多酚濃度、結構、體外培養的細胞培養基有關；3)影響細胞信號轉導；4)影響基因表達；5)抑制關鍵酶的活性。

2 多酚的吸收、代謝部位決定其可能通過腸道菌群發揮其生理功能

多酚上述功能在體內能否實現，需要研究其在體內的吸收、代謝和生物利用度，這方面已經有比較多的研究和相關的綜述。除了非糖基化酚醛化合物如單體黃烷-3-醇、原花青素二聚體等可直接在小腸被吸收[7]，大約有90%～95%的多酚未被小腸吸收，而是進入結腸[8]，經過腸道微生物代謝。如水解單寧就是微生物分泌的單寧酶作用于單寧分子中的酯鍵，使之降解成鞣花酸和葡萄糖，且微生物還可繼續分泌其他酶，將其進一步降解為芳香族脂肪酸等小分子物質[9]。多酚類物質化學結構不同，代謝產物也不同。如黃酮類化合物經腸道微生物代謝C環斷開，生成A環為主體的羥基芳香化合物及B環酚酸類物質；黃酮醇經代謝C環開裂，生成3,4或3,5-二羥基苯乙酸[7]。

3 腸道菌群異常是肥胖的原因而不是結果

人體腸道是機體最大的菌庫，生存著約400余種細菌，共約1013～1014個，大約是體細胞的10倍，而它所包含的基因總量至少是人體自身基因的100倍。腸道菌群基因構成人體“腸道元基因組”(gut metagenome)，而寄居于人體內數萬億的微生物基因組基因與人體自身基因組基因共同構成了人體“宏基因組”(metagenomic)。如此數量龐大的微生物群體，通過長期與宿主的共同進化，為宿主提供了本身不具備的酶系和生化代謝通路。Eckburg等[10]通過比對分析16S rDNA序列發現，成人腸道菌群中細菌有9個門。Ley等[11]通過對小鼠遠端腸道菌群的5088個細菌進行16S rRNA序列分析得知，人體腸道菌群中的優勢菌群細菌門類為擬桿菌門(Bacteroidetes)和厚壁菌門(Firmicutes)，約占90%以上[12]。實驗還發現腸道菌群組成結構一般繼承于母親，無論是否存在親緣關系的肥胖小鼠與瘦小鼠相比腸道菌群中擬桿菌門數量下降50%，而厚壁菌門比例相應上升。這說明腸道菌群結構異常與肥胖的發生存在一定的相關性。

肥胖發生的原因較復雜，其發生與腸道菌群結構有一定的相關性。腸道菌群與人體共生，是機體能量攝入的主要場所，與人體的能量代謝、儲存密切相關，而肥胖作為一種長期能量失衡的結果，其產生與腸道菌群有關。Turnbaugh等[13]將人糞便中的微生物移植至無菌小鼠體內，研究飲食、環境等因素對移植后的小鼠(Humanized mice)腸道菌群的影響。實驗發現，飲食變化會改變腸道菌群的代謝途徑和微生物基因的表達，如高脂膳食導致腸道厭氧菌因營養缺乏、生存環境惡化而數目下降，短鏈脂肪酸生成減少，從而對血脂的調節功能受抑[14]。所以通過調整飲食結構可干預腸道的微生態環境，調節腸道菌群的代謝途徑和微生物基因表達。

近些年研究表明，腸道菌群異常可能是肥胖的發生的原因。Martin等[15]以小鼠為模型，采用自上而下的系統生物學的方法揭示了哺乳動物宿主代謝譜與其腸道菌群結構有著顯著的相關性，并推導出一個跨基因圖模型顯示了人類嬰兒菌群有一個非常簡單的微生物組/代謝組關聯網絡，直接影響宿主的脂類代謝能力。2006年，Turmbaugy[16]、Ley[17]等通過小鼠及人類志愿者實驗均發現肥胖與腸道菌群中的厚壁菌門和擬桿菌門菌類有關，它們影響著腸道菌群代謝潛力，比起瘦型小鼠(ob/+，+/+)，遺傳性肥胖小鼠(ob/ob)腸道菌群具有增加從食物中獲取能量的能力。對人體的研究也獲得了與動物實驗一致的結果。將12名患者隨機分配，分別采用低脂肪含量和低碳水化合物含量飲食，1年中通過16S rRNA對其糞便中微生物進行監測，隨著體質量的下降，他們腸道中擬桿菌門細菌的豐度逐漸升高。

4 多酚調節腸道菌群抑制肥胖及其機制

4.1 多酚調整因高脂膳食誘導的腸道菌群失衡

高脂膳食會影響腸道菌群的生態平衡，導致正常的腸道菌群紊亂。高脂膳食中脂類成分較多，是腸道菌群養料來源(主要是未被小腸消化吸收的碳水化合物)減少，腸道菌群失調，并且脂類代謝的副產物如次級膽酸、硫化氫等會破壞菌群賴以生存的微環境[18]。通過分子生物學手段可明顯看出正常飲食大鼠與高脂飲食大鼠腸道菌群存在顯著性差異[19]。高脂膳食有助于增加大、小鼠腸道內G－/G+細菌比率，增加球狀索菌(Clostridium coccoides)、大腸桿菌(E.coli)的數量，減少雙歧桿菌(Bifidobacteriumspp.)和乳桿菌(Lactobacillaceae)的數量[20-21]。不同的多酚及其代謝產物對腸道菌群的作用不同，如茶多酚對產氣莢膜梭菌(C.perfringens)、金黃色葡萄球菌(Staphyloccocus aureusRosenbach)及副溶血弧菌(Vibrio parahaemolyticus)都有抑制作用，綠茶的甲醇提取物可選擇性增強雙歧桿菌(Bifidobacteriumspp.)的生長[22-23]，多酚代謝產物3-苯基丙酸、4-羥基苯乙酸等能夠抑制腸道中葡萄球菌(Staphylococcusspp.)和沙門氏菌(Salmonellaspp.)，單體黃烷-3-醇能夠促進乳酸菌(Lactobacillusspp.)的增殖，抑制腸桿菌和梭狀芽孢桿菌(Clostridiumspp.)，白藜蘆醇可促進乳酸菌(Lactobacillusspp.)和雙歧桿菌(Bifidobacteriumspp.)的生長，抑制大腸桿菌(E.coli)[24-25]。多酚對腸道微生物的作用還可以通過阻斷細胞膜電子鏈的傳送和氧化磷酸化作用來完成。Jones等[26]研究發現，單寧能導致多種細菌表面形態變化，從而影響細菌正常的生長和分化。多酚對腸道菌群的影響機制較為復雜，采用分子生物學手段進行分析[27-28]，其最直觀也是主要的表現在于菌群種類和數量的改變。伴隨腸道微生物種類和數量的變化，菌群的多樣性和功能性隨之發生變化。

4.2 多酚影響腸道菌群Fiaf表達影響脂肪代謝

多酚改變腸道菌群的種類和數量，影響機體能量的存儲。腸道微生物可促進亞油酸吸收、促進膽固醇向類固醇轉變及膽汁酸脫飽和等作用，對腸道在脂類消化和吸收中具有重要的干預效應[29]。Backhed等[30]研究發現腸道微生物通過調控甘油三酯在脂肪細胞存儲的重要因子-Fiaf(一個循環脂蛋白脂肪酶抑制劑)的表達而影響甘油三酯在脂肪細胞的存儲。甘油三酯通過脂蛋白脂肪酶(LPL)的中介作用，從肝臟進入循環系統，進而被脂肪細胞吸收，腸上皮細胞能產生禁食誘導脂肪細胞因子Fiaf，而腸道菌群能夠調控Fiaf的表達。腸道微生物還能夠促進腸道葡萄糖的吸收以及血清中葡萄糖和胰島素的含量，影響兩種基礎轉錄因子Ch-REBP(碳水化合物反應元件結合蛋白)和SREBP-1(固醇反應元件結合蛋白)，從而影響肝臟脂肪從頭合成的關鍵酶(乙酰輔酶A羧化酶(ACC)和脂肪酸合成酶(FAS))，進而影響了肝臟脂肪的從頭合成。在腸道微生物的情況下，AMP活化蛋白激酶(AMPK)在肌肉中的活性組成較高，導致其具體目標乙酰輔酶A羧化酶(ACC)的高磷酸化，從而降低丙二酰輔酶A的產生，丙二酰輔酶A的降低增加了肉毒堿棕櫚酰轉移酶- 1(CPT-1)，并因此促進線粒體脂肪酸氧化[31]。當腸道菌群的種類和數量發生變化時，腸道菌群所調控的這3條能量代謝途徑會相應發生變化，甘油三酯在脂肪細胞的存儲、肝臟脂肪的從頭合成及線粒體脂肪酸氧化中發生變化，從而影響機體的能量存儲。

當腸道微生態結構發生變化時，與人體健康息息相關的“腸道元基因組”會相應變化。“腸道元基因組”是調控人體生理代謝的重要因素[32]，其基因中富含參與機體碳水化合物、氨基酸、甲烷、維生素和類異戊二烯代謝的基因[33]，與人體的基因組一起，通過與環境條件的相互作用影響著人體的生理代謝[34]，如可顯著增強人體對糖、氨基酸和外源性化學物質的代謝[32]，“腸道元基因組”的變化將直接影響宿主的機體代謝能力和能量存儲。

4.3 多酚影響腸道微生物酶系統影響機體的能量代謝

腸道微生物包含可參與宿主能量、物質及遺傳信息轉運等系列生理過程的種類繁多的酶系統，主要有水解酶、氧化還原酶、裂解酶和轉移酶[35]。由于微生物所具有的酶系統各不相同，對營養物質的分解能力亦不相同，因而其代謝產物也不同。當微生物的種類和數量發生變化時，由微生物代謝發酵產生的酶的種類和數量會相應發生變化，酶參與的代謝反應受到影響，進而影響機體的能量代謝。并且，多酚類物質還能與細菌細胞表面作用，抑制酶的活性，從而影響能量代謝。多酚類物質具有與金屬離子螯合生成不溶性復合物的特性，多酚類物質通過奪取腸道微生物細胞金屬酶的金屬離子(如鐵、鈷等)，影響微生物與其他物質的結合及微生物酶的分泌，從而抑制酶的活性[36]，影響腸道微生物的代謝水平，進而影響機體的能量代謝。

5 展 望

肥胖的發生與腸道菌群有著密切的相關性，肥胖的個體差異也與腸道菌群結構差異相關。多酚類物質結構的多樣性和代謝產物的多樣性決定了其對腸道微生態環境影響的多樣性和復雜性。雖然到目前為止多酚類物質對腸道菌群的作用機理還不十分清楚，但基于腸道菌群與肥胖發生的相關性及多酚對腸道菌群的影響，有理由相信多酚通過影響腸道菌群結構影響能量代謝進而達到減肥的目的。這為通過多酚干預腸道菌群而預防和治療肥胖和代謝性疾病提供了新的醫學目標。發明一些以腸道菌群為靶點的多酚類藥物和功能食品，糾正紊亂的菌群結構從而達到治療疾病的目的，將對今后預防、治療肥胖等相關性疾病做出重要貢獻。

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Research Progress in Regulation of Energy Metabolism by Polyphenols via Intestinal Flora

XIAO Jun-song，SHAN Jing-min，CAO Yan-ping*，WANG Cheng-tao，XU Nan
(Beijing Key Laboratory of Flavor Chemistry, Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

Polyphenols, a class of plant secondary metabolites, are widely present in the human diet and can be divided into three categories∶ phenolic acids, polymer tannin and flavonoids. Polyphenols and their gut flora metabolites can selectively adjust the growth of susceptible microorganisms in the gut, promote the growth of beneficial bacteria (such as lactic acid bacteria), and inhibit the proliferation of harmful bacteria, thus causing intestinal micro-ecological changes. Such changes have an important impact on host energy metabolism, which may be achieved through the following aspects∶ 1) changes in intestinal microbial number and species alter microbial metabolism and the types and quantities of produced enzymes; 2) polyphenol metabolites can also act on bacterial cell surface to inhibit enzyme activities, thereby influencing energy metabolism and reducing fat deposition; 3) polyphenols regulate energy metabolism by interfering with the human intestinal flora, which can provide new ideas to prevent and treat obesity and related diseases. In this paper, we review the mechanism by which polyphenols can reduce the incidence of obesity by modulating the intestinal flora.

polyphenols；intestinal flora；energy metabolism

TS201.4

A

1002-6630(2012)03-0300-04

2011-11-02

北京市委組織部優秀人才項目(19000530855)；北京工商大學青年基金項目(10900101007)

肖俊松(1980—)，男，講師，博士，研究方向為植物多酚化學與生理活性。E-mail：xiaojs@th.btbu.edu.cn

*通信作者：曹雁平(1961—)，男，教授，碩士，研究方向為天然產物化學與物理場強化技術。E-mail：caoyp@th.btbu.edu.cn