食用菌多糖調控腸道菌群研究進展

程孟雅 楊亞蘭 楊 橋 馮路路 黃仁貴 鄭鷺飛 任佳麗

(1. 中南林業科技大學，湖南 長沙 410004； 2. 中國農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，北京 100081)

多糖是食用菌菌絲體或子實體的重要組成成分，同時也是食用菌的重要活性成分。已有許多研究[1-3]表明，不同來源的食用菌多糖普遍具有抗氧化、抗腫瘤、抗炎、免疫調節等生物活性。食用菌多糖的生物活性與多糖的結構聯系緊密。食用菌多糖的組成各不相同，但大部分都由β-葡聚糖組成，主鏈為β-(1→3)糖苷鍵組成，側鏈分支處由β-(1→6)糖苷鍵連接[4-6]。試驗[7-8]表明，高相對分子質量的(1→3)-β-D-葡聚糖的三股螺旋結構對免疫調節作用至關重要，無三股螺旋結構的低分子量真菌多糖無抗腫瘤活性。隨著“腸道菌群”研究的興起，不少研究者[9-11]發現許多食用菌多糖也具有調節人體腸道菌群穩態的作用。食用菌多糖可以為微生物的生存提供必需的營養素，糖類被微生物降解后產生的短鏈脂肪酸可以調節腸道pH和給機體提供能量，對人體健康具有重要意義。目前多種食用菌來源的多糖被證明對動物腸道菌群結構具有極顯著影響，可以改善抗生素導致的腸道菌群失衡，高脂飲食引起的高血脂、高血糖癥狀[12-13]。文章介紹了食用菌多糖的生理活性價值與結構的關系，并著重闡述了人體腸道菌群的組成、分布以及食用菌多糖通過調控腸道菌群來影響人體健康等方面的內容，以期對食用菌多糖的后續研究提供思路。

1 人體腸道菌群的組成及分布

人體腸道內定植著數量龐大的微生物群系，它們是人體完成正常物質代謝，維持機體健康不可或缺的一部分。人體腸道菌群數量高達1014，其種類超過3 500多種，主要定植在結腸部位，其基因數約為人體基因數的100倍。它們主要由厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、梭桿菌門(Fusobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)組成，這些菌門的細菌占據腸道菌群總量的95%以上，厚壁菌門和擬桿菌門是其中的優勢菌門[14-15][16]24。而每個菌門中也有各自的優勢菌。例如，厚壁菌門中的優勢菌有梭菌屬(Clostridium)、羅氏菌屬(Roseburia)、糞桿菌屬也稱柔嫩梭菌屬(Faecalibacterium)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)等，擬桿菌門中的優勢菌有擬桿菌屬(Bacteriodes)和普氏菌屬(Prevotella)，雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)是放線菌門的主要優勢菌[17]。這些菌群在腸道內的定植受腸道化學環境的影響。從小腸到結腸，腸道內的pH值逐漸升高，含氧量逐漸降低。小腸內的菌群多樣性相對而言要低一些，含有較多耐酸細菌，如乳桿菌科(Lactobacillaceae)和擬桿菌科(Bacteroidaceae)。在到達盲腸后，細菌數量急劇增加，主要包括厭氧的擬桿菌科(Bacteroidaceae)、普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)、理研菌科(Rikenellaceae)、毛螺菌科(Lachnospiraceae)和瘤胃菌科(Ruminococaceae)[18]13-15[19]。

乳桿菌屬和雙歧桿菌屬是人體腸道最常見的兩類益生菌，對人體具有多種生理功能。成人體內常見的乳桿菌主要有：鼠李糖乳酸桿菌(Lactobacillusrhamnosus)、干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)、副干酪乳桿菌(Lactobacillusparacasei)。常見的雙歧桿菌有：青春雙歧桿菌(Bifidobacteriumadolescentis)、鏈狀雙歧桿菌(Bifidobacteriumcatenulatum)、長雙歧桿菌(Bifidobacteriumlongum)、假小鏈雙歧桿菌(Bifidobacteriumpseudocatenulatum)。在人體處于亞健康狀態或者產生疾病時，這些益生菌的數量較正常狀態會顯著下降[20]7-9。

腸道菌群的組成及豐度受多種因素的影響，例如飲食、生活方式、抗生素的使用等[21]。相較于人體基因組代謝特性的難以改變，腸道菌群結構易受外界條件干預而改變使人們可以有選擇性地調控人體腸道菌群的平衡，從而達到保持人體健康和治愈某些疾病的目的。

2 腸道菌群的功能

2.1 參與人體營養物質的代謝

糖類是人體維持正常生理活動的主要能量來源，但大部分植物來源的多糖不能直接被人體消化利用，因為人體缺乏降解這些糖類的酶，或者是酶的降解活性很低。而腸道內的微生物可以彌補人體糖類代謝的不足。研究[22-24]表明，某些不被人體消化酶水解的多糖在進入人體消化道后可在腸道菌群的作用下被降解產生乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)。這個過程是由許多腸道菌群共同參與通力完成的。首先由一部分可以降解抗人體消化多糖的初級降解菌群，把進入腸道的抗性多糖分解為單糖、二糖、低聚糖等，同時它們自身也利用這些低聚糖產生乳酸或乙酸，而另一些次級降解菌群可利用前者的產物進行發酵產生丁酸鹽。這些腸道菌對多糖的發酵往往都是有選擇性的，因而，不論是初級發酵者還是次級發酵者，它們都包含了大量不同種類的細菌[16]1-6[25]。

但值得注意的是，并不是供給越多的抗性淀粉就能產生越多的丁酸鹽產物。初級降解菌的發酵底物同時也要為自身的發酵提供原料與能量，如果初級降解菌的發酵活動比較劇烈，那么可能只有少部分發酵底物能被次級降解菌利用從而產生較少丁酸鹽。Nielson等[26]設計試驗利用不被人體消化酶水解的馬鈴薯抗性淀粉、玉米抗性淀粉、菊粉對受試者進行膳食干預來探討這3種可發酵多糖對短鏈脂肪酸產生情況和腸道菌群動力學的影響，結果發現并不是每一種淀粉都能直接促進丁酸鹽終產物產量的增加，但是這3種淀粉都各自能引起某些菌群豐度的增加。腸道菌群發酵抗性多糖產生的這些短鏈脂肪酸不僅可為機體提供能量，還具有維持腸道pH環境、維持腸屏障功能、減輕炎癥、抑制病原菌等重要功效[20]2-4。

2.2 維持腸道穩態和調節免疫

腸道菌群在維持腸上皮屏障完整性，促進人體免疫系統的發育以及調節免疫系統方面具有重要作用。人體腸道內表面是由單層腸上皮細胞組成的，它是將人體內環境與腸道菌群分隔開的一道物理屏障，同時還提供了腸道生物的附著和免疫細胞分泌物質的界面。腸道上皮細胞的功能包括吸收營養物質和分泌細胞因子，后者影響腸道微生物的定植，識別有益或有害微生物從而誘導和調解免疫反應[21]。腸道菌群及其產物可刺激腸上皮細胞中TLRs和NLRs的表達，使宿主出現生理炎癥，促使上皮細胞增殖，表達抗菌肽，促進上皮細胞轉化，加強細胞間緊密連接[21]。研究[27-29]表明，無菌小鼠具有明顯的免疫缺陷，它們的免疫效應細胞少，Treg細胞減少，淋巴組織的數量較少，抗體水平也較低。而在無菌小鼠體內定植大腸桿菌和乳酸桿菌后，相關免疫因子的分泌水平有所恢復。腸道內的一些細菌還能與病原菌競爭腸上皮細胞的附著位點，阻礙病原菌的定植，維持腸道的正常通透性。并且腸道內的益生菌產酸可以降低腸道pH值，抑制病原微生物的生長繁殖。例如多形擬桿菌、艾克曼菌、雙歧桿菌均利用未被宿主腸道消化的多糖，使病原體遠離黏膜表面[20]3[21]。腸道菌群對于抑制病原微生物生長，增強機體免疫力，保障人體健康具有不容忽視的作用。

3 食用菌多糖對腸道菌群的作用

3.1 調節腸道菌群的組成和結構

腸道菌群的結構和組成與人體健康聯系密切，目前已有許多研究證實，很多種類的食用菌都具有促進益生菌生長，調節人體腸道菌群組成的功效。王雪等[18]19-47[30]利用鹽酸林可霉素灌胃塑造腸道菌群失衡小鼠模型，然后用長根菇多糖對小鼠進行干預，設置了5個試驗組：對照組，多糖濃度高、中、低3個組和自然恢復組。結果表明，多糖組的菌群多樣性比對照組的低，但高于自然恢復組的；與對照組相比，多糖干預組隨著多糖濃度的增加，小鼠腸道厚壁菌門增加，擬桿菌門降低；雙歧桿菌和乳桿菌逐漸增加，大腸桿菌和腸球菌逐漸減少。說明長根菇多糖可以對抗生素導致的小鼠腸道菌群失衡起到一定恢復作用。Khan等[31]分別探究了從靈芝和茯苓子實體和菌絲體中提取的多糖對小鼠腸道菌群的影響。發現這4種多糖都能夠增加腸道益生菌如雙歧桿菌、直腸真桿菌、約氏乳酸菌、乳酸球菌的數量，而減少病原菌的數量。Zhao等[32]探究了黑木耳、金針菇、香菇等6種常見食用菌在體外厭氧發酵過程中對糞便菌群組成的影響。結果表明，相較于對照組，這6種食用菌均能顯著增加發酵液中的短鏈脂肪酸含量，而黑木耳的促進作用尤為突出；在糞便菌群組成上，與對照組相比，食用菌對益生菌的生長有促進作用，對條件致病菌的生長有抑制作用。Xu等[33]通過向老年小鼠的飲食中加入香菇多糖發現，香菇多糖可以使小鼠的免疫反應和腸道微生物菌群得到恢復。香菇多糖可逆轉老年小鼠體內的TNF-α、IL-1α和IL-2的減少，并達到和正常成年小鼠一樣的水平；在腸道菌群組成上，老年小鼠體內的優勢菌門為厚壁菌和擬桿菌，其總量占腸道菌群總數的97%以上，厚壁菌與擬桿菌比值由正常成年鼠的0.50降到0.38，喂食香菇多糖后，腸道菌群多樣性有所恢復，厚壁菌與擬桿菌總數占腸道菌群總數的96%以上(正常成年小鼠厚壁菌和擬桿菌之和占腸道菌群總數的95%以上)，且厚壁菌與擬桿菌比值上升到0.82；與老年組相比，香菇多糖老年組小鼠腸道內擬桿菌顯著減少(由70.75%降到52.86%)，而厚壁菌顯著增加(由26.85%上升到43.41%)。Xu等[34]通過試驗表明靈芝多糖可通過調節炎癥細胞因子和小鼠腸道菌群組成來提高高脂飲食小鼠胰島素敏感性。喂食高脂飲食后，小鼠腸道放線菌科，明串珠菌屬增豐度增加，都與慢性低度炎癥和胰島素抵抗有關；而普氏菌(Prevotella)，毛螺旋菌屬(Parasutterella)，艾克曼菌(Akkermansiamuciniphila)減少，都與抗炎有關。

3.2 通過腸道菌群調節免疫

腸道微生物菌群對免疫系統的發育和功能起著重要作用。徐曉飛[35]利用小鼠試驗探究了香菇多糖L2的體內免疫調節活性以及對腸道菌群的作用及特點；L2的平均分子量為26 kDa，主要由L-阿拉伯糖、D-葡萄糖和D-半乳糖單糖組成，3種單糖的相對百分含量分別為2.81%，87.54%，9.66%。香菇多糖L2不具有3股螺旋結構。徐曉飛[35]的試驗結果顯示：與對照組相比，多糖組小鼠的脾T淋巴細胞增值能力更強，且NK細胞活性更高；在腸道菌群組成上，正常組小鼠腸道厚壁菌門與擬桿菌門比值為0.50，服用多糖后變為0.63，且變形菌門極顯著增加；產酸擬桿菌(Bacteroidesacidifaciens)、太陽螺桿菌(Helicobactersuncus)、理炎菌(Alistipes)中未培養出的擬桿菌、A-47可能在參與香菇多糖調節小鼠免疫功能中有重要的作用。

3.3 通過腸道菌群抵抗疾病

有報道[8]顯示無論是在腫瘤患者或是腫瘤動物模型中，其腸道中的某些細菌種群往往會發生較大變化，這種變化可能是由腫瘤引起的，也可能正是因為產生這種變化而使宿主易受致癌性病原體的影響。而某些食用菌多糖可以通過作用于腸道菌群來抵抗腫瘤。Luo等[36]利用結直腸癌小鼠模型探究靈芝多糖對結腸癌的減緩作用與小鼠腸道菌群變化之間的關系，先對正常Balb/c小鼠喂食2個月的靈芝多糖，然后再利用化學致癌劑使小鼠產生結腸癌。結果表明，靈芝多糖的攝入可以防止結直腸癌小鼠的結腸縮短，并使其死亡率降低30%；與對照組相比，在不給多糖的結直腸癌的小鼠腸道內顫螺菌屬(Oscillospira)和未知屬的脫硫弧菌科(Desulfovibrionaceae)的相對豐度顯著增加，而多糖干預組的結直腸癌小鼠腸道內這二者相對豐度都較低。Li等[37]探究了兩種靈芝多糖對4T1乳腺癌小鼠腸道菌群的影響。結果顯示，與正常組相比，癌癥小鼠的厚壁菌門(47.0%)和變形菌門(3.0%)顯著增加，擬桿菌門(48.5%)和放線菌門(0.38%)顯著減少。在屬水平上，S24-7和理炎菌(Alistipes)減少，而在多糖組內，這些變化趨勢逆轉。

腸道微生物發酵抗性多糖產生的短鏈脂肪酸可以激活GPR43從而抑制胰島素介導的脂肪積累，促進脂肪和糖類的代謝，從而改善糖尿病。有研究[25]表明，糖尿病患者與健康對照者之間的腸道菌群結構存在差異，特別是產丁酸菌屬豐度下降。疣微菌綱(Verrucomicrobiae)有可能成為診斷2型糖尿病的標志菌群，因為2型糖尿病患者腸道內的疣微菌綱的相對豐度普遍有顯著降低。在1型糖尿病患者體內嗜血桿菌屬(Haemophilus)、小類桿菌屬(Dialister)、毛螺菌屬(Lachnospira)、氨基酸球菌屬(Acidaminococcus)、Defluviitaleaceae科下未分類屬的豐度明顯下降，而Blautia屬的豐度明顯上升[15]31-36。Chen等[38]利用2型糖尿病小鼠模型探究了灰花樹多糖的降血糖功效以及對小鼠腸道菌群的影響?；一涠嗵侵饕蒐-阿拉伯糖、D-甘露糖、D-果糖組成。它可以激活胰島素受體底物1、磷脂酰肌醇-3-激酶、葡萄糖轉運子4，并抑制C-Jun氨基端激酶從而降低小鼠血糖。與糖尿病對照組小鼠相比，多糖干預小鼠腸道擬桿菌門增加，厚壁菌門和變形菌門減少。這一變化有助于膳食能量吸收和降低炎癥程度[39]。擬桿菌門與厚壁菌門的比值與血糖濃度呈正相關。在灰花樹多糖干預后，牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonasgingivalis)、艾克曼菌、嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)、福賽斯坦納菌(Tannerellaforsythia)、產酸擬桿菌(Bacteroidesacidifaciens)、羅氏弧菌(Roseburiaintestinalis)的相對豐度有顯著上升，這些菌群都與丁酸鹽的產生有關[38]。

4 討論與展望

腸道菌群的種類和數量的繁多與龐大阻礙了人們對腸道菌群的研究與認知，而高通量測序技術的高速發展使得這一障礙正在被逐步消除。雖然在亞種和品系水平上還不斷有新的菌種待被發現，但人體腸道菌群構成中的主要優勢譜系已被科學家們解析出來[40]。在此基礎上，腸道菌群與人體健康關系的研究蓬勃發展。許多疾病的產生不一定是由腸道菌群失衡引起，但往往這些疾病的癥狀都伴隨著腸道菌群失衡。而腸道菌群易受人為調控。因而可以利用膳食、藥物或菌群移植對患者或者亞健康人群進行干預，來達到改善甚至治愈某些疾病的目的。

食用菌多糖正是一類可以用來改善健康，預防疾病的非常具有潛力的優質益生元。首先，多糖不僅是人和動物的主要能量來源，也是腸道菌群的主要能量來源。多糖的單糖組成、鏈接方式等結構特征關系到不同腸道菌對多糖的利用程度，從而影響腸道菌群的數量和分布。其次，食用菌多糖具有抗腫瘤、免疫調節、降血糖血脂等重要的生理活性，且這些活性與食用菌多糖對腸道菌群的影響是息息相關的。因此，探究食用菌多糖對人體健康作用以及對腸道菌群組成的影響是具有重要研究價值的。而解析食用菌多糖的組成、結構特征與腸道微生物的作用關系也同樣重要，且具有更廣泛深遠意義。