短雙歧桿菌的生物學(xué)特性及益生功能研究進(jìn)展

王元弛，黃 玲，張旭光，張學(xué)榮

（湯臣倍健股份有限公司，廣州 珠海 510663）

0 引言

1899年，Tissier首次在母乳喂養(yǎng)嬰兒的糞便中分離得到雙歧桿菌，隨著研究的深入和基因測(cè)序技術(shù)的成熟，目前已發(fā)現(xiàn)79個(gè)種及亞種的雙歧桿菌（http://www.bacterio.net）。1971年，短雙歧桿菌從嬰兒糞便中分離到并命名，研究表明其具有增強(qiáng)免疫功能、調(diào)節(jié)腸道菌群平衡、預(yù)防及治療疾病等益生功能。綜述了短雙歧桿菌定植黏附、耐氧耐酸等生物學(xué)特性及其益生功能的研究應(yīng)用。

1 短雙歧桿菌生物學(xué)特性

短雙歧桿菌是一種革蘭氏陽(yáng)性、無(wú)芽孢、無(wú)運(yùn)動(dòng)、專(zhuān)性厭氧細(xì)菌，具有多種形態(tài)特征包括短桿、分叉Y形桿、V形桿等，且在不同營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下存在差異。其在溫度35～40℃，pH值6.5～7.0下最適生長(zhǎng)。低于25℃，高于45℃，pH值高于8.5則不生長(zhǎng)。

1.1 定植黏附

益生菌能夠通過(guò)人體胃腸道，附著于腸道黏膜表面存活并增殖。從而對(duì)調(diào)節(jié)宿主代謝及能量平衡、抵抗病原體定植、促進(jìn)腸道成熟和免疫系統(tǒng)發(fā)育等方面發(fā)揮重要作用[1-4]。研究人員發(fā)現(xiàn)短雙歧桿菌UCC2003能夠產(chǎn)生神經(jīng)絲氨酸蛋白酶抑制劑，保護(hù)細(xì)胞外的蛋白質(zhì)及菌毛的黏附能力[5]，從而實(shí)現(xiàn)其在宿主體內(nèi)的定植黏附。Mogna L等人[6]和Shimakawa Y等人[7]發(fā)現(xiàn)攝入短雙歧桿菌B632和短雙歧桿菌BR03的志愿者糞便中短雙歧桿菌含量顯著增加。由此可證明短雙歧桿菌可在人體腸道內(nèi)成功定植黏附。

1.2 耐氧機(jī)制

短雙歧桿菌為嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，而菌株之間的氧氣敏感性存在差異。研究人員對(duì)氧氣與短雙歧桿菌存活的關(guān)系進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)活性氧化物（超氧化物、過(guò)氧化氫、羥基自由基） 的產(chǎn)生造成了短雙歧桿菌氧中毒，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[8]。而需氧菌可以通過(guò)某些酶（超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶） 分解這些活性氧化物，是防御氧中毒的主要成分[9]。之前有研究表明，在厭氧菌中可能缺乏這2種酶而造成氧中毒。然而一些研究發(fā)現(xiàn)，NADH氧化酶和NADH過(guò)氧化物酶的活性決定了短雙歧桿菌對(duì)氧氣的耐受能力。Shimamura S等人[10]研究雙歧桿菌氧敏感性背后的酶促機(jī)制，發(fā)現(xiàn)NADH氧化酶和NADH過(guò)氧化物酶水平與菌株耐氧性之間存在相關(guān)性，氧敏感菌株中NADH氧化酶和NADH過(guò)氧化物酶活性較低。Shin S Y[11]研究證實(shí)氧氣最敏感的雙歧桿菌菌株暴露在有氧環(huán)境環(huán)境中，NADH氧化酶和NADH過(guò)氧化物酶活性最低，氧氣耐受性最強(qiáng)菌株的NADH氧化酶和NADH過(guò)氧化物活性最高[12]。因此，探索這2種酶與短雙歧桿菌耐氧性之間的相關(guān)性將具有重要意義。

雙歧桿菌的氧代謝途徑[12]見(jiàn)圖1。

1.3 耐酸機(jī)制

多數(shù)短雙歧桿菌對(duì)酸耐受性差[13]，當(dāng)其暴露于各種酸性環(huán)境（發(fā)酵乳制品、胃腸液），菌體活力會(huì)受到較大影響，不利于其益生特性發(fā)揮。Yang X等人[14]基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)和生理學(xué)數(shù)據(jù)，揭示出耐酸菌株短雙歧桿菌BB8dpH具有高耐酸性的原因。研究認(rèn)為，短雙歧桿菌BB8dpH是通過(guò)基因、轉(zhuǎn)錄和生理過(guò)程等多水平調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先，短雙歧桿菌BB8dpH通過(guò)增加肽聚糖 （PGN） 和胞外多糖（EPS） 的合成和降低支鏈氨基酸（BCAA） 分泌量來(lái)增強(qiáng)細(xì)胞膜能力，以防止H+進(jìn)入細(xì)胞。其次，當(dāng)H+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)時(shí)，其細(xì)胞通過(guò)升高細(xì)胞質(zhì)內(nèi)醋酸/乳酸比率，增加碳水化合物的攝入量，增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)谷氨酸、谷氨酰胺和組氨酸合成來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)酸性環(huán)境。此外，發(fā)現(xiàn)一些差異基因（DEG） 與短雙歧桿菌BB8dpH細(xì)胞在酸性環(huán)境中蛋白質(zhì)的合成和肽的攝入改變有關(guān)。總體來(lái)說(shuō)，上述研究有助于理解短雙歧桿菌耐酸性的原因，為進(jìn)一步研究短雙歧桿菌耐酸性機(jī)制提供了理論指導(dǎo)。

短雙歧桿菌BB8dpH的耐酸性模型見(jiàn)圖2。

2 短雙歧桿菌益生功能

2.1 改善消化系統(tǒng)代謝

2.1.1 促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝和吸收

短雙歧桿菌能夠產(chǎn)生多種α-葡萄糖甘酶（Agl1， Agl2， Agl3， Mel）[15]， 可以促進(jìn)木聚糖、 甘露糖、淀粉和黏蛋白等多糖物質(zhì)代謝[16]，代謝碳水化合物生產(chǎn)短鏈脂肪酸（SCFA）、增加礦物質(zhì)吸收、改善腸道功能紊亂[17]。有研究表明，攝入短雙歧桿菌DPC6330與棕櫚油酸、花生四烯酸、二十二碳六烯酸（DHA） 和α-亞麻酸的大鼠，發(fā)現(xiàn)脂肪組織中的二十碳烯酸和前額皮質(zhì)中的棕櫚油酸含量及肝臟及大腦中二十碳五烯酸（EPA）和DHA濃度顯著增加[18-19]。以上研究表明，短雙歧桿菌不僅能夠自身合成多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)合成和吸收，而且可在人體腸道菌群中起重要作用。

2.1.2 改善便秘

便秘是指排便次數(shù)減少，同時(shí)排便困難、糞便干結(jié)。正常人每日排便1～2次或1～2日排便1次，便秘患者每周排便少于3次，并且排便費(fèi)力，糞質(zhì)硬結(jié)、量少，其嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量。據(jù)調(diào)查，在發(fā)達(dá)國(guó)家中排便障礙、硬便等便秘問(wèn)題已影響到12%～17%成人健康。研究表明，攝入短雙歧桿菌BR03的志愿者，顯著改善了每周排便次數(shù)與硬便等便秘問(wèn)題，且對(duì)腹脹、肛門(mén)瘙癢、灼熱、疼痛等問(wèn)題也有相應(yīng)的改善作用[20]。長(zhǎng)期攝入含有短雙歧桿菌Yakult發(fā)酵乳的健康年輕女性的排便次數(shù)、糞便稠度和糞便量顯著增加[21]。之前有研究表明，短雙歧桿菌可以改善便秘問(wèn)題能夠分解腸道中不易分解的麩皮、纖維素、半纖維素、果膠、低聚果糖和低聚半乳糖等碳水化合物，產(chǎn)生SCFA，進(jìn)而促進(jìn)腸道蠕動(dòng)刺激腸道黏膜，達(dá)到改善便秘的功效[22-23]。最新研究表明，短雙歧桿菌可增加糞便乙酸、水分含量、增加擬桿菌比例，從而增加乳桿菌的豐度、降低病原菌水平、促進(jìn)胃腸道蠕動(dòng)達(dá)到改善便秘的效果[24]。綜上研究，短雙歧桿菌具有調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)環(huán)境，有助于分解碳水化合物，產(chǎn)生有益物質(zhì)，增強(qiáng)腸道蠕動(dòng)，從而改善便秘問(wèn)題。

2.1.3 預(yù)防肥胖

肥胖已成為全球流行病，且是嚴(yán)重慢性疾病發(fā)病率增加的主要原因。越來(lái)越多的研究表明，腸道菌群與肥胖有關(guān)。攝入短雙歧桿菌B-3能夠增加短雙歧桿菌在腸道微生物的數(shù)量及比例，調(diào)節(jié)胰高血糖素相關(guān)因子，從而有效降低高脂飼料誘導(dǎo)小鼠的肥胖風(fēng)險(xiǎn)[25]。Minami J等人[26]評(píng)估了短雙歧桿菌B-3的攝入對(duì)肥胖成年人體質(zhì)指數(shù)和血液參數(shù)的影響，結(jié)果表明攝入短雙歧桿菌B-3試驗(yàn)組人群脂肪量顯著降低，且與肝功能和炎癥相關(guān)的指標(biāo)也有所改善。這些研究表明攝入短雙歧桿菌能夠調(diào)節(jié)腸道菌群環(huán)境，從而起到預(yù)防肥胖和減肥的功效。

2.1.4 緩解克羅恩病

克羅恩病 （Crohn's disease，CD） 是一種炎癥性腸病，可能影響從口腔到肛門(mén)之間的任何胃腸道部位。大量動(dòng)物和臨床試驗(yàn)結(jié)果表明，腸道菌群失調(diào)是CD誘因之一。研究人員對(duì)CD患者攝入含有短雙歧桿菌制劑進(jìn)行治療，結(jié)果表明高劑量短雙歧桿菌和益生元搭配可以安全有效緩解及治療CD病狀[27]，早期服用短雙歧桿制劑的CD患者結(jié)腸黏膜促炎細(xì)胞因子水平降低，從而改善CD病狀及降低手術(shù)后CD復(fù)發(fā)率[28]。攝入短雙歧桿菌對(duì)CD患者的病癥有緩解作用，將短雙歧桿菌作為預(yù)防、緩解和治療CD的研究對(duì)象具有巨大潛力。

2.1.5 改善壞死性小腸結(jié)腸炎

壞死性小腸結(jié)腸炎 （Necrotizing enterocolitis，NEC） 是一種多因素疾病，其中腸功能不成熟在其發(fā)病機(jī)制中起重要作用[29-30]，多發(fā)于嬰幼兒時(shí)期，是嬰幼兒最常見(jiàn)的急癥之一。研究發(fā)現(xiàn)，早產(chǎn)兒攝入含有短雙歧桿菌制劑，對(duì)于不同胎齡、胎兒生長(zhǎng)受限和性別的早產(chǎn)兒均有顯著預(yù)防NEC效果，且NEC發(fā)病率和死亡率顯著降低[31]，改善了NEC患者病狀[32]。研究者推測(cè)，其原因是改善了腸道蠕動(dòng)[32]，抑制了緊密連接蛋白相關(guān)因子的表達(dá)[33]。

2.2 加強(qiáng)免疫系統(tǒng)調(diào)控

2.2.1 增強(qiáng)宿主免疫能力

短雙歧桿菌在嬰兒和成人腸道內(nèi)定植黏附后，能夠提高自然殺傷細(xì)胞活力、增強(qiáng)細(xì)胞因子表達(dá)水平、促進(jìn)免疫球蛋白的表達(dá)，從而增強(qiáng)機(jī)體免疫系統(tǒng)的功能[34-35]。短雙歧桿菌CNCM I-4035和短雙歧桿菌M16能夠影響腸道免疫應(yīng)答，免受傷寒沙門(mén)氏菌高感染性因子侵害，下調(diào)促炎因子水平[36]，從而降低新生兒炎癥的發(fā)生率，增強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)作用[37]。另一方面，短雙歧桿菌UCC2003能夠代謝產(chǎn)生胞外多糖（EPS），從而降低病原菌在宿主腸道內(nèi)的定植水平，并在免疫反應(yīng)中起重要作用[38]。攝入含有短雙歧桿菌制劑，能夠刺激免疫球蛋白IgA生成，促進(jìn)白細(xì)胞介素4、白細(xì)胞介素10等細(xì)胞因子增加，從而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[39]，改善在母乳喂養(yǎng)時(shí)的嬰幼兒黏膜免疫能力[40]。研究表明，攝入短雙歧桿菌能夠產(chǎn)生抗菌物質(zhì)，降低病原體定植水平，增強(qiáng)屏障功能及上皮細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)節(jié)和先天性和適應(yīng)性免疫調(diào)節(jié)[35，41]，以增強(qiáng)宿主免疫能力。

2.2.2 抗過(guò)敏

過(guò)敏反應(yīng)，是由免疫系統(tǒng)對(duì)環(huán)境中通常無(wú)害的物質(zhì)刺激時(shí)所發(fā)生的組織損傷或功能紊亂的反應(yīng)。有研究發(fā)現(xiàn)攝入含有短雙歧桿菌的配方奶粉和混合制劑可降低特應(yīng)性高風(fēng)險(xiǎn)嬰兒的牛奶蛋白致敏比例，并可以提高牛奶過(guò)敏嬰兒的口服耐受性，降低具有家族史潛在過(guò)敏性疾病嬰兒的發(fā)病率[42]，預(yù)防嬰兒過(guò)敏性皮炎、過(guò)敏性濕疹、哮喘和降低患病風(fēng)險(xiǎn)[43-44]。改善成人過(guò)敏性皮炎[45]，且可以改善屋塵螨引起的呼吸道過(guò)敏性炎癥，其中和低聚果糖的組合在預(yù)防屋塵螨引起呼吸道炎癥方面最有效[46]。研究表明，短雙歧桿菌具有改善食物引起過(guò)敏性疾病的潛力并對(duì)不同類(lèi)型過(guò)敏性疾病的預(yù)防改善均有積極作用，這為預(yù)防及改善過(guò)敏性疾病提供了新思路。

2.2.3 減輕全身炎癥反應(yīng)綜合征

全身炎癥反應(yīng)綜合征（Systemic inflammatory response syndrome，SIRS） 是機(jī)體因感染等因素導(dǎo)致的嚴(yán)重?fù)p傷而產(chǎn)生全身性的非特異性炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致機(jī)體失控所表現(xiàn)的一組臨床癥狀。Shimizu K等人[47]通過(guò)研究攝入短雙歧桿菌和低聚半乳糖SIRS患者時(shí)，發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌數(shù)量顯著增加；糞便中乙酸、丙酸和丁酸含量顯著升高；腸炎、肺炎和細(xì)菌感染等感染性并發(fā)癥的發(fā)生率顯著降低。研究人員認(rèn)為，嚴(yán)重SIRS的病狀與異常腸道菌群環(huán)境相關(guān)，而攝入含有短雙歧桿菌合生元有助于改善嚴(yán)重SIRS患者的腸道菌群惡化并減少感染并發(fā)癥。腸道菌群失衡與諸多疾病顯著相關(guān)[48-49]，復(fù)雜的腸道菌群可以預(yù)防致病性傳染因子的侵害[50]，而攝入短雙歧桿菌能夠幫助提高腸道菌群多樣性，改善腸道菌群，進(jìn)而減輕及改善SIRS病狀。

2.3 改善神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)

2.3.1 緩解焦慮

焦慮是一種由神經(jīng)調(diào)控而產(chǎn)生內(nèi)心混亂、不愉快情緒狀態(tài)。越來(lái)越多的研究表明，腦-腸-微生物軸在調(diào)節(jié)情緒、大腦和行為方面起著關(guān)鍵作用[51-53]。已證明益生菌具有減輕焦慮、抑郁等相關(guān)功效。攝入短雙歧桿菌1205具有減輕及改善BALB/c小鼠焦慮情緒、緩解壓力等功效[54]，其改善效果比抗焦慮藥依他普侖更明顯[55]。上述研究結(jié)果表明，短雙歧桿菌具有改善焦慮情緒緩解壓力作用，開(kāi)辟了緩解焦慮的新途徑，進(jìn)一步研究短雙歧桿菌減緩焦慮癥狀的機(jī)制具有重要意義。

2.3.2 改善阿爾茲海默癥

阿爾茨海默癥 （Alzheimer's disease，AD） 是一種不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)退行性疾病，逐漸導(dǎo)致認(rèn)知障礙并最終導(dǎo)致癡呆。有研究發(fā)現(xiàn)，攝入短雙歧桿菌A1對(duì)AD小鼠具有預(yù)防及改善AD認(rèn)知障礙的作用[56]。研究人員認(rèn)為，攝入短雙歧桿菌能增強(qiáng)線粒體功能，提高代謝能力進(jìn)而加強(qiáng)腦儲(chǔ)備能力，并可能降低tau和Aβ水平，進(jìn)而起到減緩、改善AD癥狀的功效[57]。短雙歧桿菌相比傳統(tǒng)藥物相對(duì)安全、成本較低且具有相似療效，在AD的預(yù)防及改善方面具有廣闊的前景。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外對(duì)短雙歧桿菌的研究已有數(shù)十年，其應(yīng)用前景廣闊，既可作為膳食補(bǔ)充劑，又可作為保健食品的功能成分[46，58-59]。大量動(dòng)物和臨床試驗(yàn)研究表明，短雙歧桿菌具有改善消化系統(tǒng)代謝、加強(qiáng)免疫系統(tǒng)調(diào)控、改善神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，以及安全無(wú)副作用等特點(diǎn)，已被廣泛認(rèn)可。但其耐酸耐氧性差，當(dāng)其暴露于各種酸性、有氧環(huán)境，菌體活力會(huì)受到較大影響，不利于其益生特性發(fā)揮，阻礙了生產(chǎn)及商業(yè)應(yīng)用步伐。因此，進(jìn)一步研究短雙歧桿菌耐酸耐氧等生物學(xué)特性及益生特性，已成為具有巨大發(fā)展前景的研究課題，對(duì)短雙歧桿菌的益生功能進(jìn)一步發(fā)揮和開(kāi)發(fā)更好益生菌產(chǎn)品具有重大意義。