低聚半乳糖干預緩解腸道炎癥的研究進展

高海娜，楊貞耐

（北京工商大學，北京食品營養與人類健康高精尖創新中心，北京市食品添加劑工程技術研究中心，北京 100048）

腸道炎癥已成為我國社會健康的難題和挑戰。炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）是在腸道菌群等因素的參與下，導致腸黏膜屏障功能受損，腸黏膜通透性增加，促炎物質進入腸黏膜，從而誘發機體免疫應答，使得腸道穩態被打破后引發慢性腸道炎癥性疾病[1]。 近年來研究發現，IBD在中國的發病率正逐年增加[2-3]。據我國疾控中心數據顯示，2014年IBD總病例數達約35 萬，預計2025年達150 萬[4]，呈現與經濟發展程度正相關的趨勢，患者年齡具有年輕化趨勢，且被認為是一種全身性疾病，隨著病情的發展可累及多種腸外器官，引起腸外病癥表現[1]。IBD發病原因復雜，主要與遺傳、環境、免疫和腸道菌群等有關[2]。

低聚半乳糖（galactooligosaccharide，GOS）是一種天然存在于哺乳動物乳中的功能性低聚糖，在動物乳中含量較少，在人乳中含量較多[5]。GOS是以乳糖為原料，經β-半乳糖苷酶作用，由2～9 個半乳糖基與1 個末端葡萄糖通過糖苷鍵連接形成的低聚糖[6-9]。GOS作為一種重要益生元，具有調節腸道菌群、改善腸道功能、免疫調節和預防過敏等功效[10]。本文綜述腸道炎癥的發生發展及近年來GOS緩解腸道炎癥的研究進展。

1 腸道炎癥的發生及干預治療

1.1 腸道炎癥的發生機制

腸道既是營養物質消化吸收的主要場所，也是保障機體內環境穩態的先天性屏障[11]。腸道穩態是指宿主（腸道屏障）、腸道內環境（包括腸道菌群）、營養和代謝產物等相互作用所構成的動態平衡狀態[12]。腸道炎癥一般始于腸道屏障功能損傷，導致腸道內穩態被破壞，進而造成獲得性免疫紊亂、中性粒細胞和巨噬細胞滲透，釋放大量細胞因子和趨化因子，增加腸上皮細胞中白細胞介素6（interleukin 6，IL-6）、環氧化酶2、腫瘤壞死因子α等基因和蛋白表達以及活性氧含量，降低空腸和回腸中過氧化氫酶、超氧化物歧化酶與谷胱甘肽過氧化物酶的活性，誘導腸道炎癥和氧化應激的發生發展[13]。腸道屏障主要由腸上皮細胞（intestinal epithelial cell，IEC）和緊密連接（tight junction，TJ）等構成，它能夠防止腸內有害物質（如細菌和毒素）穿過腸黏膜進入體內，抵抗感染和炎癥[13-14]。其中，IEC是腸道屏障的第1道防線，它的發育及健康狀態（細胞數量、形態學結構）不僅與營養吸收功能存在正相關關系[15]，還對早期免疫防御及調節腸道屏障損傷[16]具有十分重要的作用。TJ蛋白封閉IEC之間的空隙，在腸腔表面形成交織網絡，是阻止腔內病原體通過細胞旁路的重要結構及維持腸道屏障功能的關鍵因子。TJ蛋白主要由跨膜蛋白（Occludin、Claudin-1等）、胞漿黏著蛋白（ZO-1等）與細胞骨架蛋白相連組成。腸內有害物質引起TJ蛋白表達量降低，TJ的通透性增加，意味著腸道屏障的完整性遭到破壞，腸道屏障功能失調。這會加劇氧化損傷或炎性反應，造成腸道急性或慢性炎癥的產生[17-20]。由此可見，確保腸道內穩態對抵御外界物質入侵、保護人體健康具有重要意義。

1.2 腸道炎癥的干預與治療

臨床治療腸道炎癥的藥物主要是高效廣譜抗菌藥（氨基水楊酸、激素、硫唑嘌呤、環孢素、沙利度胺、英夫利昔、阿達木單抗等），這類藥物雖療效快，但副作用大，可能會導致腸道微生物群生態失調，如關鍵菌群缺失、致病菌增多、多樣性降低和代謝機能改變等；在導致腸道有害菌數量改變的同時，也會導致患者腸道益生菌數量和種類發生改變，進一步加重腸道菌群紊亂，并造成腸道細菌和毒素發生移位，加劇病情惡化[21-22]。 因此深入研究腸道炎癥的病理機制，加強有效緩解及預防腸道炎癥物質的研發具有重要的科學意義。

近年來的研究表明，花青素[23-24]和黃芪湯[25]可以通過降低炎癥細胞因子水平和增加緊密連接蛋白的表達進而預防脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）誘導的腸道炎癥。黃參苷通過抑制磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B蛋白信號通路，降低炎癥細胞因子水平、減少IEC凋亡和增加緊密連接蛋白的表達，進而緩解三硝基苯磺酸誘導的結腸炎[26]。黃連湯通過調節核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）信號通路和核因子E2相關因子2信號通路，增強腸道屏障功能，進而改善小鼠急性潰瘍性結腸炎[27]。苦參露通過抑制Toll樣受體4信號通路、NF-κB及絲裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）信號通路的激活，從而降低炎癥細胞因子水平，進而減輕LPS誘導的腸道炎癥損傷作用[28]。梔子花湯通過抑制促炎細胞因子和NF-κB信號通路預防腸黏膜損傷[29]。

微生物制劑（益生菌、益生元和合生元）對于維持腸道菌群平衡、促進腸道健康也具有非常重要的意義。2016年12月，國際益生菌與益生元科學協會將益生元定義更新為：一類能夠被宿主體內的微生物選擇性利用并對宿主產生健康效應的基質，此舉擴大了益生元的范圍，包括可能的非碳水化合物與非食物成分，也使作用部位不僅局限于胃腸道[30]。目前，益生元多為功能性低聚糖，其中，低聚果糖（fructo-oligosaccharide，FOS）通過調節腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）信號通路，增加TJ蛋白的表達，進而緩解腸道炎癥[31]。魔芋甘露低聚糖與枯草芽孢桿菌聯合誘導腸道氧化損傷[32-33]。低聚木糖能夠有效促進腸道中植物乳桿菌[34]、鼠李糖乳桿菌[34-35]和雙歧桿菌[36]的增殖，維持腸道菌群平衡。在牛乳配方粉中添加GOS和FOS可以有效增加嬰幼兒糞便中雙歧桿菌的數量，改善腸道 健康[37]，以減少過敏反應和異位反應性皮炎，增加骨礦化，或治療與壓力相關的疾病。

2 GOS干預緩解腸道炎癥的研究

GOS是最安全的低聚糖，是一種天然的功能性食品添加劑[38]。2002年，美國食品藥品監督管理局把GOS列為國際公認安全的食品添加劑之一[39]。日本、美國和歐洲等地區GOS均已實現商品化。而我國GOS產業起步相對較晚，直到2007年，中華人民共和國原衛生部第12號公告首次批準GOS為食品添加劑新品種，使用范圍為嬰兒配方食品、較大嬰兒和幼兒配方食品，總量不超過64.5 g/kg[40]。2008年第20號公告批準GOS為新資源食品，使用范圍擴增至乳制品、飲料、焙烤食品及糖果，食用量≤15 g/d[41]。

2.1 GOS理化性質

GOS是以乳糖為原料、經β-半乳糖苷酶作用，由2～9 個半乳糖基與1 個末端葡萄糖通過β-1,3、β-1,4、β-1,6糖苷鍵連接形成的直鏈或支鏈低聚糖[6-9]。GOS具有良好的水溶性，甜度為蔗糖的0.3～0.6 倍，耐酸耐熱，在pH 3、160 ℃條件下保持15 min不會發生變性[42]。研究表明，不同來源的β-半乳糖苷酶直接影響GOS聚合程度、糖苷鍵類型和GOS產率，而聚合程度和糖苷鍵類型的變化決定了GOS的結構、活性行為及益生特性[43-46]。β-1,6和β-1,3糖苷鍵連接的GOS表現出較強的益生特性，可能是因為乳糖水解和轉糖基平衡反應得到的GOS更容易被益生菌本身代謝[47-49]。

2.2 GOS對腸道炎癥的潛在影響及緩解機制

GOS作為一種重要益生元，具有多種生理功能，包括：1）維持腸道菌群平衡，改善腸道環境；2）改善礦物質元素（鈣和鎂）的吸收[50]、防止骨質減少[51]； 3）調節血清膽固醇含量，改善脂質代謝[52]；4）預防齲齒；5）刺激增強免疫應答[53-55]、抗腫瘤；6）抑制阿爾茨海默病模型小鼠腦內Toll樣受體2表達，降低反應性星形膠質細胞和小膠質細胞M1型活化，減少NF-κB p65蛋白活化和促炎因子表達，從而減輕神經炎癥反應，發揮抗衰老[56]等生理功能。腸道菌群與宿主之間存在廣泛的相互作用，其在維持腸道穩態中發揮重要作用[57]。GOS能夠有效改善腸道炎癥功能損傷，這是由于人體胃腸道內缺乏水解GOS的酶系統，GOS不會被消化降解而到達結腸，能夠選擇性刺激腸道內益生菌的生長和繁殖[58]，抑制有害微生物生長和腐敗物產生，維持腸道菌群平衡。所以口服益生元可能比口服活性益生菌更有效[59]。

早產兒由于胃腸功能不成熟、抗生素應用及缺乏母乳喂養等原因，腸道菌群定植延遲，多樣性顯著降低，影響了腸道及全身免疫系統的成熟，嚴重時出現壞死性小腸結腸炎[60]。GOS可以通過調節腸道菌群結構和比例，修復腸道屏障功能，緩解腸道炎癥。在嬰幼兒配方乳粉中添加GOS后，嬰兒糞便中雙歧桿菌與乳酸桿菌的數量及乙酸含量明顯增加[61]，進而促進嬰幼兒免疫系統的發育。GOS能夠早期干預早產新生大鼠腸道菌群，提高雙歧桿菌數量，減少腸球菌數量[62]。GOS早期干預可改善哺乳仔豬回腸腸道形態結構，提高對碳水化合物的消化與吸收能力，促進回腸腸道發育，調節回腸腸道菌群組成，并在一定程度上提高回腸腸道屏障功能[63-64]。使用GOS能有效緩解阿莫西林治療期間導致的雙歧桿菌豐度降低，且在停藥后有利于腸道微生物群代謝活性的恢復[65]。GOS還可以通過促進TJ蛋白的表達，保障腸道屏障完整性，緩解腸道炎癥。GOS不僅能夠通過維持腸道菌群平衡來增強細胞對細菌或病毒的抵御功能，還能夠通過誘導腸道上皮細胞分化，修復細胞創面，進而調節上皮屏障功能[66]。GOS通過促進TJ蛋白的表達，減輕脫氧雪腐鐮刀菌醇對B6C3F1小鼠絨毛結構和腸道屏障功能的損傷[67]。補充GOS能有效改善重癥急性胰腺炎繼發性感染后的腸屏障功能障礙[68]。GOS分解產生的短鏈脂肪酸不僅可以通過降低腸道pH值抑制外源性致病菌和腸道內固有真菌等的生長繁殖，改善腸道內微生物的種群比例[69]，還可以通過調節NF-κB和AMPK信號通路，使腸道內免疫球蛋白A和免疫球蛋白M數量顯著提高，進而預防乳鼠輪狀病毒腹瀉[70]，還可以激發T細胞表面的短鏈脂肪酸受體43活性，從而抑制結腸腫瘤細胞的增殖和炎癥反應[71]。口服含有10 g/100 mL GOS制劑的飲用水能夠增加抗炎菌群數量，減少促炎菌群數量，進而潛在預防直腸癌的發生發展[72]。

3 結 語

國內外學者越來越重視功能性低聚糖類益生元對腸道菌群調節機制的研究。GOS具有多種生理功能，包括調節免疫應答、抗病毒、促進腸道內有益菌增殖以及抑制腸桿菌、腸球菌和產氣莢膜梭菌等的增殖。GOS對腸組織乃至整個機體的物質代謝和免疫穩定發揮著重要作用。

相比常規藥物，益生元與益生菌緩解炎癥具有高效、副作用小等優勢，在腸道炎癥發生發展中的作用備受關注，已成為緩解腸道炎癥的研究熱點。雙歧桿菌BCM、嗜酸乳桿菌LCM和植物乳桿菌ZLP001能夠調節腸道內Occludin、Claudin和ZO-1的表達，改善腸道屏障功能完整性，緩解腸道炎癥[73-74]。副干酪乳桿菌06TCa19和乳酸鏈球菌ML2018能夠激活p38 MAPK信號通路，抑制IL-8表達，改善腸道炎癥[75-76]。羅伊氏乳桿菌I5007可能通過增加結腸內容物中丁酸的含量，進而刺激豬腸上皮細胞先天性免疫防御肽表達，緩解仔豬腸道炎癥[77]。

目前對GOS調節腸道菌群、緩解腸道屏障損傷的作用機制研究仍然較少，因此，未來以GOS影響腸道菌群為切入點，進一步研究GOS緩解腸道炎癥的可能作用途徑及機制，有助于深入了解GOS益生價值，為預防各種腸道炎癥疾病提供新的策略。