房曉，段榮帥，王鳳山

（1.山東大學 藥學院，山東 濟南 250012；2.山東商業(yè)職業(yè)技術學院，山東 濟南 250103）

腸道菌群調(diào)節(jié)制劑的研究進展

房曉1,2，段榮帥2，王鳳山1△

（1.山東大學 藥學院，山東 濟南 250012；2.山東商業(yè)職業(yè)技術學院，山東 濟南 250103）

腸道菌群與人體健康密切相關，疾病狀態(tài)常伴隨腸道菌群的紊亂。以益生菌、益生素和合生素為代表的腸道菌群調(diào)節(jié)制劑可以改善腸道菌群，恢復腸道菌群平衡，因而廣泛受到關注。本文綜述腸道菌群調(diào)節(jié)制劑的研究進展。

腸道菌群；益生菌；益生素；合生素；低聚糖

腸道菌群是指在腸道部位存在的微生物組成的群體，包括真細菌、古細菌和真核微生物，其類型多達1000多種，其中多數(shù)目前不能分離培養(yǎng)而是通過分子生物學的方法鑒別[1-2]。盡管健康人體腸道菌群的主要種類為擬桿菌（Bacteroides）和厚壁菌（Firmicutes）（占90%以上），但個體間仍有顯著差異，其差異與年齡、性別、壓力、飲食因素等有關[3]。腸道菌群與腸道上皮和淋巴組織的信息交流與正常免疫功能的實現(xiàn)和身體健康息息相關[2]。健康個體的腸道菌群通常維持穩(wěn)定平衡狀態(tài)，除非發(fā)生疾病或接受抗生素治療[4]。研究表明，腸道菌群的變化與炎癥性腸病、腸易激綜合征、肥胖等多種疾病或生理紊亂有關[5]。因此，腸道菌群日益成為研究的熱點。同時，越來越多證據(jù)表明，微生態(tài)制劑可以有效改變腸道菌群的組成，使其保持平衡或得到改善。因此，有必要對腸道菌群的這類調(diào)節(jié)制劑做一綜述。常見的微生態(tài)制劑按其作用原理可分為三類，即益生菌（probiotics）、益生素（prebiotics）和合生素（synbiotics），其中尤以益生素應用最為廣泛。

1 益生菌

益生菌（probiotics）是一類通過改善宿主菌群組成從而發(fā)揮有益作用的活性微生物[6]。傳統(tǒng)培養(yǎng)法或分子生物學方法均已證實益生菌可以有效改變嬰兒或成人的腸道菌群組成。以雙歧桿菌（Bi fi dobacteriumspp.）和乳桿菌（Lactobacillusspp.）為代表的乳酸菌（Lactic Acid Bacteria, LAB）是最常用的益生菌菌種。此外，釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和一些大腸桿菌及其他桿菌也被用作益生菌。國內(nèi)常用的菌種包括長型雙歧桿菌（Bifidobacterium longum）、保加利亞乳桿菌（Lactobacillus delbrueckiisubsp.bulgaricus）、嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）、枯草桿菌（Bacillus subtilis）、酪酸桿菌（Clostridium butyricum）、糞腸球菌（Entercoccus faecalis）等，常以多種菌種混合制劑形式提供。因雙歧桿菌在機體疾病狀態(tài)或衰老時常處于減少狀態(tài)，益生菌制劑尤其以補充雙歧桿菌為最多[7]。

益生菌的功能研究多以體外實驗和動物實驗為主，其發(fā)揮益生作用有多種機制，并具有一定的菌株特異性：（1）益生菌可以改變消化道的局部pH 值，創(chuàng)造一個不利于病原體生長的局部環(huán)境。體外實驗表明乳桿菌生長導致的pH下降可以抑制致病菌的生長[8]。體內(nèi)應用VSL#3益生菌制劑治療潰瘍性結(jié)腸炎時，腸道pH會顯著下降[9]。（2）益生菌產(chǎn)生細菌素，發(fā)揮窄譜或廣譜的病原體抑制作用。細菌素是由細菌所分泌的可以抑制其他細菌的蛋白質(zhì)，又稱細菌抗菌肽。Corr等[10]發(fā)現(xiàn)不能產(chǎn)生細菌素的益生菌益生作用較弱，不能保護小鼠免受單核細胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）感染。（3）益生菌可以調(diào)節(jié)病原體衍生的毒素，打斷致病菌的群體效應。部分細菌可以通過分泌自誘導素進行群體行為調(diào)控，而Medellin-Pena等[11]發(fā)現(xiàn)嗜酸乳桿菌La-5可以分泌分子破壞這種群體效應的信息交流，從而減少Escherichia coliO 157:H7毒力基因的表達。（4）益生菌可以增強腸黏膜屏障功能。Mack等[12]發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）299 v可以增加腸道上皮細胞的黏液分泌。E. coli Nissle1917則可以產(chǎn)生β-防御素2進而增強黏膜屏障功能[13]。（5）益生菌可以與病原體競爭營養(yǎng)物質(zhì)以及競爭黏附。致病性E.coli、傷寒沙門菌（Salmonella typhimurium）、福氏志賀菌（Shigella fl exneri）、艱難梭菌（Clostridium dif fi cile）等均可受到抑制[13]。（6）益生菌還可與上皮細胞和黏膜淋巴細胞進行交叉對話，發(fā)揮對天然免疫和特異性免疫的作用。例如，益生菌可以激活局部的巨噬細胞，增加抗原對B淋巴細胞的呈遞，在局部和全身增加分泌性免疫球蛋白（IgA）的產(chǎn)生，防止細胞炎癥因子NF-κB等的活化[13]。

益生菌最常見的產(chǎn)品形式是發(fā)酵奶制品和益生菌強化食品，同時也包括含凍干細菌的片劑和膠囊。然而，益生菌要發(fā)揮作用必須達到足夠的活性菌數(shù)量，益生菌的活性問題限制了益生菌的廣泛應用。此外，益生菌產(chǎn)品的貨架期較短，且通常需要低溫運輸和貯藏，也限制了益生菌的應用。

2 益生素

2.1 益生素的概念和功能 益生素（prebiotics）是指能夠進腸道菌群中特定有益微生物生長或活性增加的不消化食物組分或選擇性發(fā)酵組分[6,14-15]。益生素發(fā)揮作用是間接的，通過促進益生菌的定殖改善腸道菌群，進而改善健康。與益生菌不同，益生素沒有微生物活性的限制，因而具有更廣的使用范圍。除發(fā)酵乳制品外，益生素廣泛應用于焙烤食品、甜味劑、營養(yǎng)添加劑、營養(yǎng)棒、代餐棒等[16]。

隨著益生素研究的發(fā)展和益生素概念的更新，益生素的益生作用范圍也逐漸擴大[17]。目前，被廣為接受的益生作用包括：（1）改善和穩(wěn)定腸道菌群；（2）改善腸道功能和排便狀況；（3）促進鈣吸收、改善骨骼；（4）調(diào)節(jié)胃腸道消化酶產(chǎn)生，改善能量代謝；（5）激發(fā)并調(diào)節(jié)免疫功能；（6）改善腸道屏障功能，減少代謝內(nèi)毒素血癥；（7）降低腸道感染的風險；（8）改善腸道炎癥；（9）降低肥胖、2型糖尿病、代謝綜合征等的風險；（10）降低結(jié)腸癌的風險[17]。盡管益生素具有多種生理功能，但其核心功能為選擇性地促進益生菌生長或活性增加從而改善腸道菌群，其他功能直接或間接地與腸道菌群改變相關。本文亦主要圍繞益生素對腸道菌群調(diào)節(jié)作用進行介紹。

2.2 益生素的種類 目前，益生素多為低聚糖或多糖，尤其是菊粉類果聚糖（inulin-type fructans，ITF）和低聚半乳糖（galacto-oligosaccharides，GOS）兩類物質(zhì)（見表1）[17]。

表1 主要益生素及其結(jié)構Tab. 1 The main prebiotics and their structure characteristics

益生素可分為短鏈、長鏈和廣譜益生素。短鏈益生素，例如低聚果糖（fructo-oligosaccharide，F(xiàn)OS），含有2～8個單糖單元，通常被右側(cè)結(jié)腸區(qū)域內(nèi)的益生菌快速發(fā)酵利用；長鏈益生素，例如菊粉，含有9～64個單糖單元，緩慢發(fā)酵利用，主要營養(yǎng)左側(cè)結(jié)腸內(nèi)的益生菌；廣譜益生素則含有2～64不同聚合度的聚糖，從而廣泛營養(yǎng)結(jié)腸各部分的益生菌，例如添加低聚果糖的復合菊粉[18-19]。

Roberfroid[15]認為，嚴格意義上，只有反式低聚半乳糖和菊粉滿足益生素的定義，不被人體消化，同時在體外和體內(nèi)實驗中均表現(xiàn)出益生菌選擇促進作用。而其他低聚糖、多糖或糖醇，包括大豆低聚糖、乳果糖、低聚異麥芽糖、低聚木糖、龍膽寡糖、低聚甘露寡糖、乳糖、半纖維素、抗性淀粉、抗性糊精、燕麥麩、蜜二糖、β-葡聚糖、N-乙酰殼寡糖、乳糖醇、山梨糖醇、麥芽糖醇等也在體外表現(xiàn)出部分益生功能，但它們中絕大多數(shù)的體內(nèi)效果尚需進一步證實[17]。

人乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMOs）具有良好的益生作用，對其結(jié)構和功能的研究，可進一步促進與HMO類似的益生素的開發(fā)[20-22]。

2.3 益生素的研究方法 益生素對益生菌和腸道菌群的調(diào)節(jié)作用可以采用體外模型進行研究，復雜的體外模型甚至包括對消化道消化功能的部分模擬。然而，由于腸道菌群的復雜性和人體胃腸道的復雜消化功能，益生作用必須最終通過體內(nèi)實驗證實。

最常用的體外研究模型是分批發(fā)酵模型（可以進行pH調(diào)控，也可不調(diào)控）[17]。在單批發(fā)酵模型中，不同底物與益生菌或糞漿共同培養(yǎng)，然后分析微生物生長變化和代謝產(chǎn)物。通過益生菌分批發(fā)酵，可以考察雙歧桿菌、乳桿菌等對不同底物和不同聚合度低聚糖的選擇發(fā)酵能力，例如發(fā)現(xiàn)棉籽糖和水蘇糖能夠很好地支持嬰兒雙歧桿菌（Bifidobacterium infantis）的生長，但卻不能促進大腸桿菌、糞鏈球菌和嗜酸乳桿菌的生長，而不同聚合度的益生素，如阿拉伯木聚糖，也表現(xiàn)出選擇促進生長的差異；采用糞漿混合發(fā)酵時，可以考察糞便菌群的組成變化，同時還可以比較不同底物的選擇性增殖能力[17]。此外，還可以進一步分析和比較不同底物代謝產(chǎn)生短鏈脂肪酸（short chain fatty acid,SCFA）的能力[17]。

連續(xù)培養(yǎng)也可用于益生素的研究。通過ITF-恒化培養(yǎng)比較不同的分析方法分析結(jié)果的差異，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)法和分子生物學方法分析結(jié)果有所差異，分子生物學方法可獲得更多動態(tài)信息。采用分子生物學方法，發(fā)現(xiàn)在連續(xù)培養(yǎng)中雙歧桿菌在6 h時達到最高，而隨后到達低pH值的穩(wěn)定狀態(tài)時乳桿菌數(shù)量最多。SCFA分析與分子生物學方法的結(jié)果類似[17]。以糞漿接種時，連續(xù)培養(yǎng)結(jié)果顯示，雙歧桿菌和乳桿菌更易利用ITF，而擬桿菌難以利用ITF[17]。

三段腸道體外模型（升結(jié)腸、橫結(jié)腸和降結(jié)腸）[23]進一步證實了其他體外模型的結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)ITF和半乳聚糖的主要發(fā)酵部位為升結(jié)腸。半乳聚糖聚合度越低、濃度越小，越傾向于近端結(jié)腸發(fā)酵，反之則在遠端結(jié)腸發(fā)酵。人體消化道微生態(tài)體外模擬系統(tǒng)的實驗結(jié)果同樣表明，ITF可以促進腸道菌群中雙歧桿菌和乳桿菌數(shù)量增加，伴隨有SCFA的增加[24]。

益生素的益生作用需通過體內(nèi)實驗最終證實。16 S rDNADGGE（denaturing gradient gel electrophoresis，DGGE，變性梯度凝膠電泳）、原位熒光雜交（fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH）、功能性宏基因組學等分子生物學手段的廣泛應用，使得復雜腸道菌群的分析變得更加準確可行[5,25-26]。通過志愿者體內(nèi)實驗，采用對照性飲食，分析益生素應用前后的腸道菌群組成來評估其益生效果，部分實驗結(jié)果見表2[17]。值得注意的是，功能性宏基因組學分析表明，腸道菌群中存在可以代謝利用FOS、GOS等益生素的未知細菌，而其對人體健康有利或有害尚不清楚[25]。因此，原本認為具有特定選擇性作用的益生素可能發(fā)揮更廣譜的促進作用，這一改變對健康的影響尚需進一步評估。

3 合生素

合生素（synbiotics）是益生菌和益生素的組合。嚴格意義上，合生素中的益生素必須促進內(nèi)含的益生菌，例如低聚果糖和雙歧桿菌的組合，而低聚果糖和干酪乳桿菌的組合則無此促進作用。然而，合生素在體內(nèi)發(fā)揮作用時，內(nèi)含的益生素可能會找到內(nèi)源的效應菌，因此也能分別發(fā)揮其益生菌和益生素的作用，但是缺少協(xié)同效應。不同人群的腸道菌群組成對益生菌發(fā)揮效果影響較大[26]，因此合理組合益生素和益生菌發(fā)揮協(xié)同作用還是很有必要的。

表2 益生素對人體腸道/糞便菌群的影響Tab. 2 Effects of prebiotics on the intestinal microbiota of healthy volunteers

益生菌、益生素和合生素等腸道菌群調(diào)節(jié)制劑，正從早期的保健調(diào)節(jié)應用逐步廣泛應用到炎癥性腸病、腸易激綜合征甚至是結(jié)腸癌等疾病的治療過程。廣泛使用抗生素會導致腸道菌群紊亂和耐藥性傳播現(xiàn)在已成為共識，而益生菌、益生素和合生素等預防和治療手段，可以維持和改善腸道菌群，降低耐藥性傳播的風險。基于對腸道菌群與人體健康關系認識的深入，腸道菌群調(diào)節(jié)制劑會持續(xù)成為研究的熱點。

[1] Crooks NH,Snaith C,Webster D,et al.Clinical review:Probiotics in critical care [J].Crit Care,2012,16(6):237-248.

[2] Weng M,Walker WA.The role of gut microbiota in programming the immune phenotype[J].J Dev Orig Health Dis,2013,4(3):203-214.

[3] Qin J,Li R,Raes J,et al.A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing[J].Nature,2010,464(7285):59-65.

[4] Arumugam M,Raes J,Pelletier E,et al.Enterotypes of the human gut microbiome[J].Nature,2011,473(7346):174-180.

[5] Maccaferri S,Biagi E,Brigidi P.Metagenomics:key to human gut microbiota[J]. Digest Dis,2011,29(6):525-530.

[6] Gibson GR,Roberfroid MB.Dietary modulation of the human colonic microbiota:introducing the concept of prebiotics[J].J Nutr,1995,125(6):1401-1412.

[7] Toward R,Montandon S,Walton G,et al.Effect of prebiotics on the human gut microbiota of elderly persons[J].Gut Microbes,2012,3(1):57-60.

[8] Fayol-Messaoudi D,Berger CN,Coconnier-Polter MH,et al.pH-,Lactic acid-,and non-lactic acid-dependent activities of probiotic Lactobacilli against Salmonella enterica Serovar Typhimurium[J].Appl Environ Microbi ol,2005,71(10):6008-6013.

[9] Venturi A,Gionchetti P,Rizzello F,et al.Impact on the composition of the faecal flora by a new probiotic preparation:preliminary data on maintenance treatment of patients with ulcerative colitis[J].Aliment Pharmacol Ther,1999,13(8):1103-1108.

[10] Corr SC,Li Y,Riedel CU,et al.Bacteriocin production as a mechanism for the antiinfective activity of Lactobacillus salivarius UCC 118[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2007,104(18):7617-7621.

[11] Medellin-Pena MJ,Wang H,Johnson R,et al.Probiotics affect virulencerelated gene expression in Escherichia coli O 157:H 7[J].Appl Environ Microbi ol,2007,73(13):4259-4267.

[12] Mack DR,Michail S,Wei S,et al.Probiotics inhibit enteropathogenic E.coli adherence in vitro by inducing intestinal mucin gene expression[J].Am J Physiol, 1999,276(4Pt1):G941-950.

[13] Ng SC,Hart AL,Kamm MA,et al.Mechanisms of action of probiotics:recent advances[J].Inflamm Bowel Dis,2009,15(2):300-310.

[14] Gibson GR,Probert HM,Loo JV,et al.Dietary modulation of the human colonic microbiota:updating the concept of prebiotics[J].Nutr Res Rev,2004,17(2):259-275.

[15] Roberfroid M.Prebiotics:the concept revisited[J].J Nutr,2007,137(3 Suppl 2):830S-837S.

[16] Sangwan V,Tomar SK,Singh RR,et al.Galactooligosaccharides:novel components of designer foods[J].J Food Sci,2011,76(4):R 103-111.

[17] Roberfroid M,Gibson GR,Hoyles L,et al.Prebiotic effects:metabolic and health benefits[J].Br J Nutr,2010,104(Suppl 2):S 1-63.

[18] Kleessen B,Hartmann L,Blaut M.Oligofructose and long-chain inulin:influence on the gut microbial ecology of rats associated with a human faecal flora[J].Br J Nutr,2001,86(2):291-300.

[19] Femia AP,Luceri C,Dolara P,et al.Antitumorigenic activity of the prebiotic inulin enriched with oligofructose in combination with the probiotics Lactobacillus rhamnosus and Bifidobacterium lactis on azoxymethane-induced colon carcinogenesis in rats[J].Carcinogenesis,2002,23(11):1953-1960.

[20] Barile D,Rastall RA.Human milk and related oligosaccharides as prebiotics[J]. Curr Opin Biotechnol,2013,24(2):214-219.

[21] Bode L.Human milk oligosaccharides:every baby needs a sugar mama[J].Glycobiol ogy,2012,22(9):1147-1162.

[22] Jeong K,Nguyen V,Kim J.Human milk oligosaccharides:the novel modulator of intestinal microbiota[J].BMB Rep,2012,45(8):433-441.

[23] Mcbain AJ,Macfarlane GT.Investigations of bifidobacterial ecology and oligosaccharide metabolism in a three-stage compound continuous culture system[J].Scand J Gastroenterol Suppl,1997,222:32-40.

[24] De Wiele TV,Boon N,Possemiers S,et al.Prebiotic effects of chicory inulin in the simulator of the human intestinal microbial ecosystem[J].FEMS Microbiol Ecol,2004,51(1):143-153.

[25] Cecchini DA,Laville E,Laguerre S,et al.Functional metagenomics reveals novel pathways of prebiotic breakdown by human gut bacteria[J].PloS one,2013,8(9):e 72766.

[26] Arboleya S,Salazar N,Solis G,et al.In vitro evaluation of the impact of human background microbiota on the response to Bifidobacterium strains and fructooligosaccharides[J].The British journal of nutrition,2013,110(11):2030-2036.

[27] Tuohy KM,Kolida S,Lustenberger AM,et al.The prebiotic effects of biscuits containing partially hydrolysed guar gum and fructo-oligosaccharides--a human volunteer study[J].Br J Nutr,2001,86(3):341-348.

[28] Menne E,Guggenbuhl N,Roberfroid M.Fn-type chicory inulin hydrolysate has a prebiotic effect in humans[J].J Nutr,2000,130(5):1197-1199.

[29] Bouhnik Y,Achour L,Paineau D,et al.Four-week short chain fructooligosaccharides ingestion leads to increasing fecal bifidobacteria and cholesterol excretion in healthy elderly volunteers[J].Nutr J,2007,(6):42.

[30] Harmsen HJ,Raangs GC,He T,et al.Extensive set of 16S rRNA-based probes for detection of bacteria in human feces[J].Appl Environ Microbiol,2002,68(6):2982-2990.

[31] Kleessen B,Schwarz S,Boehm A,et al.Jerusalem artichoke and chicory inulin in bakery products affect faecal microbiota of healthy volunteers [J].Br J Nutr,2007,98(3):540-549.

[32] De Preter V,Vanhoutte T,Huys G,et al.Baseline microbiota activity and initialbifidobacteria counts influence responses to prebiotic dosing in healthy subjects [J]. Aliment Pharmacol Ther,2008,27(6):504-513.

[33] Kolida S,Gibson GR.Prebiotic capacity of inulin-type fructans [J].J Nutr,2007,137(11 Suppl):2503 S-2506 S.

[34] Depeint F,Tzortzis G,Vulevic J,et al.Prebiotic evaluation of a novel galactooligosaccharide mixture produced by the enzymatic activity of Bifidobacterium bifidum NCIMB 41171,in healthy humans:a randomized,doubleblind,crossover,placebo-controlled intervention study [J].Am J Clin Nutr,2008,87(3):785-791.

[35] Moro G,Minoli I,Mosca M,et al.Dosage-related bifidogenic effects of galactoand fructooligosaccharides in formula-fed term infants [J].J Pediatr Gastroenterol Nutr,2002,34(3):291-295.

[36] Bouhnik Y,Raskine L,Simoneau G,et al.The capacity of nondigestible carbohydrates to stimulate fecal bifidobacteria in healthy humans:a doubleblind,randomized,placebo-controlled,parallel-group,dose-response relation study [J]. Am J Clin Nutr,2004,80(6):1658-1664.

Research progress in the modulators of intestinal microbiota

FANG Xiao1,2, DUAN Rong-shuai2, WANG Feng-shan1△
(1. School of Pharmaceutical Science, Shandong University, Jinan 250012，China; 2. Shandong Institute of Commerce and Technology, Jinan 250103,China)

Intestinal microbiota is closely related to the human health. The unhealthy state is often associated with disorders in intestinal microbiota. Intestinal microbiota modulators such as probiotics, prebiotics and synbiotics, which can restore and improve intestinal microbiota balance, are thus drawing wide attention. This paper reviewed the research progress of modulators of intestinal microbiota.

intestinal microbiota; probiotics; prebiotics; synbiotics; oligosaccharide

R 285；TQ 464.1

A

1005-1678(2014)01-0142-04

房曉，女，實驗師，研究方向：多糖類藥物研究，E-mail: fx 410@163.com；王鳳山，通信作者，E-mail:fswang@sdu.edu.cn。