運動對腸道微生態的影響研究進展

宮瑞光，趙利紅，朱祥飛，陳夏

（1.福州理工學院，福建福州 350500；2.上饒師范學院體育學院，江西上饒 334001）

人體腸道棲居著大量的細菌、古菌、真菌和病毒等微生物，其中以細菌為主。腸道細菌規模約為人體細胞總數的10倍，以嚴格厭氧菌為主。這些細菌在人體發揮著重要作用，參與食物的降解以及維生素、生物活性化合物和激素（如血清素）的合成等。腸道菌群結構的改變與宿主的代謝、免疫等生理指標以及行為都有著高度相關性。運動對機體健康有著重要意義，一方面可直接作用于機體各組織器官，另一方面，運動能夠顯著改變腸道菌群結構，繼而通過腸道菌群介導影響機體健康。運動訓練可以改變腸道菌群的組成和功能，而且菌群結構的改變只取決于運動模式。心肺適應性較高者往往表現出較高的腸道菌群多樣性和產丁酸鹽細菌豐度。除此之外，運動能夠增加宿主腸道微生物源短鏈脂肪酸（SCFA）。SCFA是指碳原子數為2～6的有機酸，具有為多種組織提供能量、降低炎癥反應、增加胰島素敏感性以及改變中樞神經系統形態等多種作用。消化液、SCFA、膽汁酸和食糜或是食物殘渣共同構成了腸道的內環境，腸道內環境與腸道菌群構成腸道微生態系統，腸道微生態系統直接影響著機體健康狀態，本文將探討分析運動同腸道微生態系統的相互關系，為通過運動改善機體健康狀態提供線索和思路。

1 運動對腸道菌群的影響

運動有助于增強胃腸蠕動，促進糞便及時排出，從而減少腸黏膜與病原體和有害物質的接觸時間，降低結腸癌等胃腸道疾病的發生概率。另外，體育鍛煉還可以影響腸腔內容物的特性，特別是微生物群的組成。運動對腸道微生物群的影響在一定程度上獨立于飲食變化。研究顯示，適度運動能夠增加小鼠雙歧桿菌等有益菌，改善糖尿病小鼠空腹血糖和胰島素抵抗[1]。但高強度運動會使得胃腸道局部供血不足，影響胃腸道蠕動，改變神經內分泌功能，從而導致出現惡心、嘔吐、腹痛、腹瀉和胃腸道出血等癥狀，引發運動性胃腸綜合征[2]。一些職業運動員患有免疫抑制或胃腸道癥狀，這是因為過度的運動會減少腸道血流量，從而可能會導致微生物失衡和黏膜破壞。腸道黏膜和上皮的通透性增加（腸道屏障）與細菌/病原體向腸道外器官的轉移有關，表現為腸道或全身性炎癥。另外，高強度運動會刺激血液從腸道器官到肌肉的重新分配，頻繁的血液再分配可能通過內臟低灌注、局部缺血和隨后的再灌注來干擾腸道菌群。

訓練狀態和運動強度可能會影響特定細菌的增殖,一項針對人類志愿者的研究表明，與低體力活動的對照組相比，優秀橄欖球運動員體內的微生物群落多樣性有所增加。此外，與久坐的男性相比，受過訓練的男性糞便樣本中SCFA含量較高。同樣，通過分析不同適應度個體的糞便微生物群，證明心肺適應度與腸道微生物多樣性和丁酸鹽濃度的增加呈正相關[3]。

2 運動對腸道SCFA的影響

在結腸和盲腸中，復雜的植物源性多糖被乳酸桿菌、雙歧桿菌、梭狀芽孢桿菌和擬桿菌等腸道微生物消化并隨后發酵為乙酸、丙酸和丁酸等SCFA和氣體。腸道微生物群的組成、微生物種類之間的代謝相互作用以及主要膳食營養元素和微量營養元素的數量和類型取決于腸道微生物產生的SCFA的類型和數量。產生SCFA的微生物群影響一系列宿主過程，包括控制結腸pH值，從而影響微生物群組成、腸道運動、腸道通透性和上皮細胞增殖。

腸道中的丁酸鹽具有防止黏膜降解的作用。高強度運動條件下，運動員腸道中的Blautia、Roseburia、Anaerostipes和Butyricicoccus等產丁酸菌相對豐度增加[4]。丁酸可以直接為腸道上皮細胞供能，并為修復損傷供能，從而降低高強度運動訓練對機體造成的損傷。另外，適度運動有利于增加腸道菌群多樣性并提高腸道內丁酸含量。對大鼠進行的相關研究發現，運動組大鼠盲腸SCFA水平高于缺乏運動對照組；與對照組相比，運動組盲腸內容物正丁酸水平顯著升高，且盲腸組織重量和內容物含量顯著高于對照組，盲腸菌群α多樣性提高[5]。

3 運動與膽汁酸代謝

據報道[6]，運動會增加胃腸道中初級膽汁酸的排泄。由于SCFA（特別是丁酸）減少了膽汁酸向次級膽汁酸的轉化，體育鍛煉可能有利于腸腔內容物中初級膽汁酸濃度的升高。初級膽汁酸具有抗微生物活性。膽酸通過刺激類桿菌的生長而導致盲腸微生物組分的實質性變化，并刺激梭菌和丹毒類細菌的生長，膽汁酸的抗菌活性可能會對運動小鼠的細菌群落產生選擇性壓力，導致腸道微生物群組成發生變化。

此外，腸道菌群產生的次級膽汁酸會影響線粒體的代謝。腸道菌群可以將初級膽汁酸轉化為次級膽汁酸。次級膽汁酸又通過法尼醇X受體（FXR）、G蛋白偶聯受體5（TGR5）與線粒體相互作用。這些受體又可以調節脂肪酸攝取和相關蛋白的氧化。例如，通過過氧化物酶體增殖物激活受體α（PPAR-α）和類固醇調節元件結合蛋白1c（SREBP-1c）調節機體脂肪和蛋白的沉積與代謝。

4 運動與腸道pH值

健康人盲腸pH呈微酸性，而在升結腸和直腸中接近中性。運動可改變腸道菌群結構繼而影響SCFA的產量，最終表現出腸道pH值發生變化。腸腔pH值的改變可能影響結腸上皮細胞的生理，如潰瘍性結腸炎患者的結腸管腔pH值較低。在化學誘導結腸癌形成的實驗性嚙齒動物模型中，較低的管腔pH值與較高的腫瘤發生率和上皮細胞增殖增加有關；但也有研究顯示，低pH值會抑制腸內微生物群合成次級膽汁酸。次級膽汁酸會導致腸上皮細胞氧化應激造成DNA損傷，影響基因穩定性。此外，有實驗證實結腸和直腸上皮細胞在胞外酸性環境中，暴露于短鏈脂肪酸的情況下，可由凋亡狀態轉變為壞死。低的外部pH值能夠顯著增加人結腸癌細胞系中多重耐藥（MDR）蛋白的表達，從而使癌細胞對化療藥物更具耐藥性。因此，腸腔較低的pH值與對結腸細胞的有益和有害作用都有一定的關聯。根據結腸形成細胞的狀態，即健康或腫瘤，這些作用明顯不同。

5 運動與腸道屏障功能

腸道菌群與腸道屏障功能密切相關。例如，作為人體必需氨基酸的L-色氨酸在腸道細菌的作用下可形成代謝產物吲哚。吲哚已被證明是一種有益的管腔化合物，可以增加上皮細胞緊密連接阻力。運動可改變腸道菌群結構，其作用機理可能是運動會使得腸道組織細胞及腸道環境中的微生物受到氧化損傷刺激，誘導乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等SCFA產生菌增加，SCFA有助于降低腸道pH值，減少促進結腸酸化的初級膽汁酸向次級膽汁酸的轉化。腸腔pH值的變化也使其更利于共生細菌的增殖。SCFA被結腸形成細胞吸收后，可參與腸道代謝。乙酸和丙酸主要被其他腸道組織吸收，而丁酸為結腸細胞的主要供能物質。丁酸鹽可以促進細胞分化和細胞周期阻滯，并抑制組蛋白脫乙酰酶。丁酸還可通過β-氧化和AMP活化蛋白激酶（AMPK）來提高結腸細胞線粒體代謝水平[7]。

腸道細菌產生的正丁酸能夠調節中性粒細胞功能和遷移，抑制炎性細胞因子誘導的血管細胞粘附分子-1的表達，增加結腸上皮中緊密連接蛋白的表達，并具有抗炎作用。正丁酸和丙酸可以增加經皮阻力，從而改善腸屏障功能和減少炎癥，同時為結腸細胞提供了60%～70%的能源物質。丁酸鹽可誘導粘蛋白合成，并通過增加緊密連接組件改善腸屏障完整性。粘蛋白是由形成腸道屏障的糖蛋白組成的保護層，可以降低腸道黏膜的暴露，減少腸黏膜與毒素和細菌的接觸。粘蛋白層在與腸道微生物群的相互作用中起著重要作用，并可能作為腸道細菌的基質。因此，粘蛋白層有助于調節微生物群落組成。大腸中丁酸鹽的產生與熱休克蛋白70（Hsp70）的產生有關。Hsp70維持腸上皮細胞的功能和結構特性，以應對長時間的劇烈運動[8]。由于運動和丁酸能刺激上皮細胞產生Hsp70，這可能為處于不利條件下的腸上皮細胞提供結構和功能穩定性。

6 結語

體育運動除傳統已知的可改善呼吸、循環和內分泌等系統的機能外，還可以通過改變腸道微生態而影響腸道細胞能量代謝、腸屏障、炎癥分解和DNA完整性，進而影響機體健康狀態。因此，對于一些與胃腸系統有關的消化和代謝性疾病的治療，也可以通過體育運動來調控患者腸道菌群進而改善，對于因超負荷運動導致的身體機能損傷也有望通過相應的訓練進行恢復治療。但對于使用何種運動形式能達到對腸道菌群的精準調控及其內在機制還需要進一步深入研究。