微生態制品調節肥胖腸道微生物的研究進展

陸淋麗 鞠海兵

1.昆明醫科大學解放軍聯勤保障部隊第九二〇醫院臨床學院內分泌科，云南昆明 650032；2.解放軍聯勤保障部隊第九二〇醫院內分泌科，云南昆明 650032

在全球高熱量食物的攝入增加、缺少體力活動的現代生活體系的大環境影響下，肥胖的發病率呈逐年上升趨勢，目前全球肥胖人口數量已接近20 億。肥胖已被認為是一種全球流行病，能引發心血管疾病、2 型糖尿病、癌癥等一系列并發癥，嚴重危害人們的健康，同時造成了嚴重的社會經濟負擔，肥胖成了迫切需要解決的棘手復雜問題[1]。隨著16SrDNA 基因測序、宏基因組學、代謝組學、轉錄組學的發展，發現了肥胖與體內龐大復雜的腸道微生物群組成和功能改變有關，特定的腸道微生物及其代謝產物能增加能量攝取、炎癥、氧化應激、脂質沉積、胰島素抵抗。微生態制品（益生元、益生菌、合生元、后生元）能有益地調節腸道微生物來減少炎癥、能量攝入，從而改善肥胖[2]。目前由于試驗技術、方法、對象存在異質性，微生物制品干預針對腸道微生物群來改善肥胖的有效性和安全性需要進一步驗證，作用機制尚不明確，關于開發新的功能微生物制品研究較少，在微生物制品被合理有效地治療肥胖之前，需要進行大量的研究尤其是隨機對照臨床研究。

1 腸道微生物概述

人體內的腸道微生物群受食物類型、飲食習慣、藥物治療、腸道動力、糞便頻率及糞便黏稠度的影響，由細菌、古細菌、病毒、噬菌體、酵母和真菌等組成。在影響人體的新陳代謝和健康關系中，古細菌、噬菌體等微生物可能和細菌一樣重要[3]。微生物細胞總數高達1014個，主要在結腸，大多是厭氧菌，大約是人體細胞的10 倍。隨著宏基因組學的發展，微生物群的基因總數預計為330 萬，相當于人體基因數的150～300 倍[4]。目前腸道菌群的組成大多關注在門水平上，腸道菌群主要由厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門、梭桿菌門和疣微菌門組成，以前四門占優勢，約為腸道菌群總數的98%，其占比分別約為64%、23%、8%和3%，由此厚壁菌門、擬桿菌門組成了人體腸道微生物的主要細菌門，約為90%，且它們在不同個體之間的相對比例不同[5]。

正常人體選擇性讓腸道微生物定植于腸道內并與之互利共生。一方面腸道微生物從機體獲取能量和營養促進自身生長代謝，另一方面腸道微生物在機體的新陳代謝中發揮重要作用，包括分解宿主體內不可消化的碳水化合物和蛋白質產生短鏈脂肪酸等代謝產物為宿主提供能量、營養及提供宿主代謝所需要的酶和活性物質，維持正常的腸道屏障，抑制致病菌的侵入，調節免疫等[6]。有研究顯示，相似的食物會對微生物組產生不同的影響，這表明人體的腸道微生物群具有個體差異性[7]。

2 腸道微生物群和肥胖

2.1 肥胖機體的腸道微生物組成及其代謝產物

腸道微生物發酵代謝產物主要由來源于近端結腸有利于改善肥胖的糖酵解產物（乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽、琥珀酸和乙醇等）、遠端結腸不利于改善肥胖的蛋白質酵解產物（支鏈氨基酸、酚類和吲哚類化合物、氨和硫化氫等分子）、膽汁酸、三甲胺氮氧化物（trimethylamine nitrous oxide，TMAO）等組成。來源于近端結腸的糖酵解產物以短鏈脂肪酸研究最多，短鏈脂肪酸不僅能為機體提供能量，其中的丁酸鹽還能減輕、控制體重，但臨床研究很少，不能充分有效說明短鏈脂肪酸對肥胖機體的能量代謝、體重控制有益。這也間接表明遠端結腸增加不可消化的碳水化合物供微生物發酵可抑制蛋白質發酵可能是治療肥胖的一個有效方法。目前研究表明，與瘦受試者相比，肥胖受試者糞便樣本中的短鏈脂肪酸濃度偏高，這也只能表明肥胖產生的短鏈脂肪酸多，并不能表明肥胖對短鏈脂肪酸吸收利用增加，同時糞便中短鏈脂肪酸的濃度能否代表微生物產生短鏈脂肪酸量的預測指標還不明確[10-11]。

基于某些微生物培養鑒定技術限制，目前還不能充分認識腸道微生物群及其作用，與肥胖有關的特定細菌及特定代謝產物尚不清楚，目前肥胖腸道微生物組成及厚壁菌門/擬桿菌門的比例是在門水平研究的，還不明確是否應深入到屬和種水平，微生物的組成、數量或活性、代謝能力、最終代謝產物（短鏈脂肪酸、膽汁酸、TMAO 等）與肥胖機體的新陳代謝中的重要性仍不明確。

2.2 肥胖機體腸道微生物群與肥胖的機制

肥胖機體腸道微生物群與肥胖相關的機制[12]有：①影響能量平衡：肥胖機體內的腸道微生物群酵解碳水化合物能力增強，產生短鏈脂肪酸的量增多，能為宿主提供更多的能量。②調節脂肪儲存：肥胖機體內的腸道微生物群能下調腸上皮細胞禁食誘導脂肪細胞因子（fasting-induced adipocyte factor，FIAF）的表達，FIAF 是脂蛋白酯酶（lipoproteinlipase，LPL）的抑制因子，而LPL 能促進脂肪酸合成甘油三酯，從而導致機體脂肪沉積。肥胖機體內的腸道微生物群還可以降低肝臟和肌肉的腺苷單磷酸激酶（adenosine monophosphate kinase，AMP）活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）活性，該酶是控制細胞能量代謝的關鍵酶，從而這些腸道微生物能抑制依賴AMPK 的脂肪酸氧化作用導致脂肪沉積。③引發慢性炎癥：肥胖機體內的腸道微生物群導致腸道通透性增加，通過轉移革蘭氏陰性腸道細菌使血液中的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）增多，脂多糖來自革蘭氏陰性細菌的外膜，能誘發代謝性內毒素血癥，導致宿主細胞分泌促炎細胞因子，導致宿主發生慢性低度炎癥和胰島素抵抗。肥胖機體內增多的LPS 還可激活脂肪細胞中內源性大麻素系統的合成，其激活可以提升食欲，增加食物攝入。④調節腦-腸軸：腦-腸軸是一個腸道菌群與腸內分泌、免疫和中樞神經系相互作用的雙向信號軸。肥胖機體內的腸道微生物群通過腸-腦軸既可增加體重也可減輕體重。增加體重的作用表現在肥胖機體內的腸道微生物群可能會增加下丘腦炎癥，改變下丘腦基因表達，影響下丘腦信號傳導，促進調節胃腸功能的神經遞質的產生來增加食欲。減少體重的作用主要與肥胖機體內的腸道微生物群酵解產生的短鏈脂肪酸有關。

3 微生態制品干預肥胖人群的效果

大多數動物研究和部分人體研究表明益生元、益生菌和合生元（益生元聯合益生菌）在通過參與肥胖腸道微生物群調節對肥胖相關的人體測量指標 （體重、腰圍）、生化代謝參數（血脂、血糖、腸道激素、胰島素抵抗）、炎癥指標、改善腸道屏障、調節微生物組具有潛在的有益效果。雙歧桿菌和乳酸桿菌菌株是最廣泛用于功能性食品和膳食補充劑中傳統益生菌，新一代益生菌如嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila，Akk）、普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）被發現有益于肥胖治療。新的動物研究表明，后生元（主要是短鏈脂肪酸等）可能通過誘導棕色脂肪組織的產熱以及白色脂肪組織的褐變來增加能量消耗、減輕體重[13]。接下來著重討論益生元、益生菌、合生元對肥胖人群干預后的效果。

3.1 益生元的抗肥胖作用

3.1.1 益生元概況 益生元目前最新的定義為宿主胃腸道內外的微生物選擇性利用后能增加有益微生物的活性和數量進而有益于宿主健康的化合物，這些化合物包括在小腸內未消化吸收的碳水化合物，還包括不可消化的蛋白質等非碳水化合物的食物和非食物成分。國外經批準的益生元主要有阿拉伯木聚糖、甘露聚糖、果膠、β-葡聚糖、菊粉和果聚糖、低聚果糖、低聚半乳糖、抗性淀粉等，目前研究最多的主要是菊粉、低聚果糖和低聚半乳糖。值得注意的是阿拉伯木聚糖的水解產物（即阿拉伯木聚寡糖）因表現出增加雙歧桿菌數量并能促進多種產丁酸鹽細菌的增長，能更有效地減輕體重[14]。最近的研究表明干預前腸道微生物的特征決定了益生元對肥胖的治療效果[15]。

3.1.2 益生元與肥胖物理、生化代謝參數 Nicolucci 等[16]用富含低聚果糖的菊粉對42 名超重或肥胖兒童干預16 周后發現，富含低聚果糖的菊粉能增加雙歧桿菌數量、降低體重、體脂百分比、軀干脂肪百分比、血清白細胞介素-6 水平。一項隨機、雙盲、安慰劑對照試驗中，將47 名肥胖受試者分別進行低劑量和高劑量的阿拉伯木聚糖干預，發現阿拉伯木聚糖干預能增加糞便中的總SCFA、乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽的濃度，降低腸道滲透性、增加腸道緊密連接功能，增加微生物群多樣性。低劑量的阿拉伯木聚糖組結腸中的緊密連接蛋白（Occludin）表達增加，高劑量的阿拉伯木聚糖組緊密連接蛋白3（Claudin-3）和緊密連接蛋白4（Claudin-4）表達增加，但是阿拉伯木聚糖干預后肥胖受試者的代謝標志物無變化[17]。

3.2 益生菌的抗肥胖作用

3.2.1 益生菌概況 國際益生菌和益生元科學協會對益生菌的最新定義是一類活性微生物，食用足夠量時能有益宿主健康。傳統的益生菌以乳酸桿菌和雙歧桿菌在臨床上研究最多，Akk 被視為新一代益生菌。在我國，經國家衛生健康委員會批準應用于人體的益生菌主要有以下種類[2]。①乳酸桿菌屬：包括德氏乳酸桿菌、短乳酸桿菌、嗜酸乳酸桿菌、保加利亞乳酸桿菌、干酪乳酸桿菌、發酵乳酸桿菌、植物乳酸桿菌、鼠李糖乳酸桿菌等；②雙歧桿菌屬：包括青春型雙歧桿菌、兩歧雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌、動物雙歧桿菌、長雙歧桿菌、短雙歧桿菌、嗜熱雙歧桿菌、乳雙歧桿菌等；③腸球菌屬：包括糞腸球菌和屎腸球菌；④鏈球菌屬：包括嗜熱鏈球菌、乳酸鏈球菌等；⑤芽胞桿菌屬：包括枯草芽胞桿菌、地衣芽胞桿菌、凝結芽胞桿菌等；⑥梭菌屬：酪酸梭菌；⑦酵母菌屬：布拉氏酵母菌。

3.2.2 益生菌與肥胖物理、生化代謝參數 在一項探索性、隨機、平行、雙盲、單中心、安慰劑對照試驗中，給220 名超重或肥胖人群進行乳酸桿菌和雙歧桿菌組成的活性益生菌干預，這種益生菌由嗜酸乳桿菌CUL60、嗜酸乳桿菌CUL21、植物乳桿菌CUL66、雙歧桿菌CUL20 和動物雙歧桿菌亞種組成，干預6 個月后可顯著減輕體重，改善低密度脂蛋白膽固醇[18]。Depommier 等[19]給予32 名超重和超重/肥胖的胰島素抵抗女性志愿者每日口服補充1010 種活菌或Akk3 個月后，結果顯示Akk 可以增加胰島素敏感性、改善葡萄糖耐量、肝功能、降低血漿總膽固醇和炎癥的水平、略微降低體重，而整體腸道微生物組結構未受影響。我國中南大學的段燕文團隊[20]研究表明我國湖南省安化縣的茯磚茶中富含的冠突散囊菌（Eurotium cristatum）可能作為一種益生菌通過有益地調節機體腸道微生物群發揮降脂減肥作用。一項薈萃分析表明，短期（≤12 周）補充益生菌可降低體重、體重指數和脂肪百分比，但影響范圍較小，需要進一步的長期研究來探討益生菌補充劑對體重等多種測量指標的影響[21]。

3.3 合生元的抗肥胖作用

3.3.1 合生元概況 微生物的發展導致了合生元的出現，2019年國際益生菌和益生元科學協會（International Association for Probiotics and Prebiotics Science，ISAPP）更新了合生元的定義，表明合生元是一種對宿主健康有利的混合物，包括活微生物和宿主微生物選擇性利用的基質組成。合生元又分為互補合生元和協同合生元。其中互補合生元必須由益生菌和益生元組成，協同合生元不一定必須由益生菌和益生元組成，滿足有益生菌和利于益生菌生長的活性物質即可。本研究討論的合生元是包含益生菌和益生元的互補組合[22]。

3.3.2 合生元與肥胖物理、生化代謝參數 da Silva 等[23]的研究對肥胖患者進行合生元干預后在減輕體重、降低BMI、減少促炎標志物、改善血脂、血糖、升高飽腹激素產生了有益的效果。一項關于肥胖成年人的隨機雙盲對照試驗表明，與單獨的雙歧桿菌菌株和低聚半乳糖改善結腸滲透性相比，雙歧桿菌和低聚半乳糖合用時沒有改善肥胖成人的腸道屏障功能，可能是由于補充的益生菌與宿主本身的腸道菌群發生了相互作用，也表明需要更多的研究來評估合生元的最佳組成和功效[24]。

3.4 后生元抗肥胖作用

后生元指在發酵過程中由益生元及益生菌產生的生物活性化合物，具體包括短鏈脂肪酸、各種細菌素、維生素、多肽、微生物細胞裂解物、胞外多糖等，具有免疫調節及腸道屏障保護等作用[25]。細菌來源的分泌因子、細胞成分和代謝物、細胞壁成分，可以減輕胰島素抵抗和改善肥胖小鼠模型的葡萄糖耐量[26]。后生元目前是肥胖微生物組學研究的新興領域，有關研究較少。

4 微生態制品干預肥胖的機制

4.1 益生元來源的短鏈脂肪酸效應

益生元來源的短鏈脂肪酸（包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽）可以作為配體與腸內分泌L 細胞上表達的G 蛋白偶聯受體GPR41 和GPR43 識別并結合，刺激腸內分泌L 細胞分泌腸道激素酪酪肽（Peptide YY，PYY）和胰高血糖素樣肽-1（glucagon like peptides-1，GLP-1），這兩種激素都參與調節血糖穩態，導致胰島素增加和胰高血糖素分泌減少，誘導腸道糖異生，同時這些激素通過下丘腦飽食中樞來抑制食欲，產生飽腹感，進而減輕體重，需要強調的是短鏈脂肪酸產生的丁酸鹽不僅具有抗炎特性，還可以通過增加免疫球蛋白A（immunoglobulin A，IgA）的產生和調節細胞因子來調節免疫系統。除此之外，產生短鏈脂肪酸的益生元還可以促進離子和微量元素（如鈣、鐵和鎂）的吸收，調節腸腔的酸堿度[27]。

4.2 改善腸道屏障功能、調節炎癥與免疫

Cani 等[28]給肥胖小鼠喂食益生元碳水化合物后發現能升高胰高血糖素樣肽-2（glucagon like peptides-2，GLP-2），降低血漿LPS、促炎細胞因子[如白細胞介素（interleukin，IL）-1a、IL-1b、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF)-α、干擾素（interferon，INF）-γ 和IL-6]，減輕炎癥，這些變化可能與產生的內源性GLP-2 有關，GLP-2 是一種腸道營養型胰高血糖素衍生肽，能調節腸道細胞的增殖，參與腸道通透性的調節，從而減少肥胖相關的全身炎癥。

Akk 被視為新一代益生菌、與低度炎癥、胰島素抵抗呈負相關，喂食有活性的Akk 可降低體重和脂肪量、降低炎癥、膽固醇水平，緩解動脈粥樣硬化并改善腸道屏障功能，可能與通過Akk 菌外膜的蛋白質“Amuc-1100”調節免疫發揮作用降低腸道滲透性有關[29]。

4.3 恢復腸道菌群穩態，抗病原微生物

大多數的研究表明益生元能通過刺激肥胖機體胃腸道中乳酸桿菌和雙歧桿菌的生長來干預肥胖機體腸道微生物群的組成和豐度。益生菌還可以通過對腸道黏膜和上皮的競爭性黏附、增加腸道黏液來抑制病原微生物的生長[27]。

5 結語

微生物制劑（益生元、益生菌、合生元、后生元）在預防和治療肥胖中表現出了有益的結果，但總體效果仍不顯著，機制尚不清楚。原因可能與未充分認識與肥胖有關的特定菌株、特定微生物代謝物的特性和功能、缺少對飲食、年齡、性別、體力活動、人群亞組可變量的有效控制以及缺乏標準統一的研究方法、未明確篩選出治療肥胖的有效益生元、益生菌、合生元及它們的劑量、有效組合、干預時間限度等有關。隨著基因組學和代謝組學等多組學的發展以及人類研究的豐富、對變量的有效控制，以微生物群為靶向治療的益生元、益生菌、合生元、后生元將會在肥胖預防和治療中會發揮重要作用。