葉佳美，鐘冬靈，李涓，張惠玲，金榮疆，張安仁

熱量限制是一種在保證必要營養(yǎng)素，不引起營養(yǎng)不良的前提下減少20%～40%熱量攝入的飲食方案，在此基礎上，研究者探索出了新的熱量限制方式，如間歇性禁食（IF）、隔日限食（EODF）、“5∶2飲食”等。自20世紀30年代以來，大量研究已經證實，熱量限制是唯一已知能延長酵母、蠕蟲、果蠅、嚙齒類動物及非人類靈長類動物等許多生物體壽命的有效干預手段[1]，其抗炎和神經保護作用已經在腦卒中、顱腦損傷動物模型及伴有系統性炎癥的患者中被證實[2-3]。在嚙齒類動物中，IF或周期性禁食可防止糖尿病、癌癥、心臟病和神經退行性變的發(fā)生[4]。臨床研究發(fā)現，熱量限制有助于改善肥胖[5]、控制血壓[6]、降低類風濕性關節(jié)炎患者的炎性反應和疼痛[7]。正常機體腸道內細菌種類繁多、結構復雜，厚壁菌門和擬桿菌門是其最主要組成部分，其他還有放線菌門和變形菌門等[8]，這些微生物不斷受到宿主健康狀況、攝入食物的調節(jié)。不合理的飲食結構引起腸道菌群失調，導致疾病發(fā)生，如高脂高糖飲食破壞腸道菌群，在肥胖、糖尿病等代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演了重要角色[9]。熱量限制作為一種飲食干預方式，腸道菌群可能是其作用靶點之一。有研究通過對比正常飲食組和熱量限制組肥胖小鼠腸道菌群差異并進行糞菌移植，發(fā)現熱量限制重塑了腸道菌群，使有益菌數量增多、致病菌數量減少，利于肥胖小鼠的癥狀改善[10]。本文就熱量限制干預對健康、衰老和疾?。òǚ逝?、糖尿病、自身免疫性疾病等）狀態(tài)下機體腸道菌群的影響進行綜述，以期為熱量限制的臨床應用和推廣提供微生物學證據。

1 熱量限制對健康機體腸道菌群的影響

研究發(fā)現，熱量限制對健康機體的促進作用與腸道菌群密切相關。KOHL等[11]比較延長禁食時間對5種脊椎動物盲腸和結腸微生物總體多樣性和相對豐度的影響，結果提示，禁食誘導的微生物變化在不同物種和腸道的不同部位上存在差異。一項對水生動物的研究顯示，IF明顯增強了鯽魚腸道菌群的α多樣性和生態(tài)系統穩(wěn)定性，其中擬桿菌、丹毒絲菌科和嗜黏蛋白阿克曼菌（akkermansia muciniphila，AKK）相對豐度增高[12]。AKK是健康人體內高度豐富的腸道微生物之一，其能將黏蛋白降解成多種代謝產物，這些產物可以作為其他細菌和宿主的能量來源，還可以調節(jié)宿主免疫反應和生物功能等[13]。臨床研究也發(fā)現伊斯蘭齋月禁食（IF的一種方式）可引起AKK的增多[14]。乳酸桿菌（lactobacillus）具有調節(jié)免疫和改變脂質代謝的功能，其豐度與炎性反應成反比[15]。熱量限制可促使幼年大鼠腸道中乳酸桿菌迅速增多，并且持續(xù)到成年[16]。厚壁菌門和擬桿菌門占腸道微生物總量的90%以上，厚壁菌門參與宿主對膳食能量的吸收[17]，擬桿菌門負責糖類、脂肪等代謝。厚壁菌門/擬桿菌門（F/B）的變化[18]與肥胖（F/B較高）和體質量減輕（F/B較低）有關。肥胖個體厚壁菌門明顯增加、擬桿菌門減少。針對嚙齒類動物的研究發(fā)現，幼年大鼠從自由低脂飲食轉變?yōu)闊崃肯拗骑嬍澈?，F/B降低，同時糞便微生物代謝蛋白質組學檢測發(fā)現更多與脂質降解有關的酶[19]。短鏈脂肪酸（SCFA）是由一些腸道細菌發(fā)酵不能消化的膳食纖維和低聚糖產生的，主要包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽[20]。丁酸是腸細胞的主要能量來源，通過調節(jié)腸巨噬細胞功能，下調內毒素誘導的促炎介質，如一氧化氮（NO）、白介素6（IL-6）和白介素12（IL-12），誘導調節(jié)性T細胞分化，在抗炎和維持腸道屏障完整性方面發(fā)揮重要作用[21-23]。DAMMS-MACHADO等[24]研究發(fā)現某些產生丁酸鹽的微生物菌株的生長隨熱量限制增加。另一項代謝蛋白質組學研究結果提示，熱量限制特異性促進了丙酸生物合成酶的表達，限制了丁酸和乙酸生物合成酶的產生[19]。

以上研究中，熱量限制干預后菌群變化雖然有差異，但結果均是傾向于促進有益菌的產生，造成這種差異的原因可能是實驗方案設計、動物品系、飼養(yǎng)環(huán)境等的不同。值得注意的是，目前熱量限制對健康機體腸道菌群的有益影響已在嚙齒類動物、魚類、脊椎動物等中得到驗證，而轉化到人類的臨床試驗數量有限且樣本量較少，干預方法常為齋月禁食等宗教類飲食方式，關于采用其他禁食形式對健康人腸道菌群影響的研究還有待進一步探索。

2 熱量限制對衰老機體腸道菌群的影響

隨著年齡的增長，人類和嚙齒類動物腸道菌群中，有益菌趨向減少，而促進脂質代謝和炎性反應的菌群比例逐漸占優(yōu)勢[25-26]，并伴隨腸道屏障的損害，致腸道內有害細菌和代謝產物易進入血液循環(huán)。ZENG等[25]首次證明通過短期（2個月）飲食限制能明顯逆轉老年小鼠紊亂的腸道菌群，使其恢復到更平衡的結構組成，如同在年輕小鼠中觀察到的那樣。終生熱量限制改變了小鼠腸道菌群整體結構，與壽命呈正相關的菌群（如乳酸桿菌）更加豐富，負相關的菌群減少[27]。與此一致的是，KOK等[28]也發(fā)現熱量限制干預28個月的小鼠中，對結腸健康有益的細菌——雙歧桿菌和乳桿菌的相對豐度增加。脂多糖結合蛋白（LBP）是一種重要的生物標志物，脂多糖（LPS）是腸道最豐富的微生物抗原，受LPS刺激，循環(huán)LBP水平可急劇升高，LBP介導LPS與CD14結合，促進炎性物質釋放，誘導強烈的炎性反應[29]。2周的熱量限制干預促使小鼠迅速形成以乳桿菌為主的腸道菌群，明顯降低血清LBP水平，減輕與衰老相關的炎性反應[30]。ZHANG等[27]也發(fā)現，62周熱量限制干預后，菌群結構改變，熱量限制組比自由飲食組小鼠循環(huán)中LBP水平更低，表明熱量限制對腸道菌群的調節(jié)可明顯降低宿主的抗原負荷，有助于延長壽命。

綜上可知，熱量限制誘導腸道菌群成分的變化維持腸道內環(huán)境穩(wěn)態(tài)，防止具有促炎作用的微生物代謝產物進入血液循環(huán)，在促進健康、延長壽命等方面起到積極作用。然而，目前關于熱量限制與衰老機體腸道菌群的研究主要集中在動物實驗，尤其是嚙齒類動物，熱量限制對其延緩衰老的作用已被大量報道。由于對衰老的研究持續(xù)時間長，甚至是終生干預，受試者很難長期堅持熱量限制的飲食模式，這就導致該方面的臨床研究缺乏，若能設計出合理且依從性更高的禁食方案將促進熱量限制臨床推廣，對人類的健康產生積極的影響。

3 熱量限制對疾病機體腸道菌群的影響

3.1 肥胖 肥胖是由能量攝入和能量消耗不平衡引起的，導致過多的能量以脂肪形式儲存，腸道菌群紊亂已被報道為肥胖發(fā)病的一個重要因素[31]。臨床研究中，與瘦對照組相比，肥胖者的厚壁菌門比例更高，而擬桿菌門水平更低[24]。一項最新的研究發(fā)現，以口服膠囊形式將健康的瘦受試者腸道菌群移植到肥胖者體內，6周后糞菌移植組體質指數較安慰劑組下降[32]?；A研究中，遺傳性肥胖小鼠中F/B增高[33]，將肥胖小鼠的糞菌移植到無菌小鼠體內后，無菌小鼠呈現肥胖表型，而糞菌供體來自瘦小鼠的則保持身材苗條[34]。高脂肪飲食誘導的肥胖小鼠模型血液中細菌來源的含有病原相關分子化合物（即鞭毛蛋白、脂多糖）的促炎產物濃度升高[9]。

長期熱量限制可使瘦者和肥胖者腸道菌群的巨大差異消失，降低肥胖者F/B，促進擬桿菌屬、羅氏菌屬（roseburia）、糞桿菌屬（faecalibacterium）和梭菌屬XIVa（clostridium XIVa）等有益微生物的生長[35]。對肥胖小鼠的研究發(fā)現，禁食引起潛在致病菌變形菌門豐度降低，而增加了AKK的豐度[36]。4周極低熱量飲食提高了肥胖女性腸道屏障完整性，血漿LBP水平明顯降低，系統性炎癥得到緩解；16S rRNA高通量測序結果表明，腸道微生物的多樣性和代謝改變，瘤胃球菌屬和雙歧桿菌屬增加，這兩個屬與復雜飲食和多糖的降解有關[5]。已在動物模型中證明，白色脂肪組織褐變和褐色脂肪組織產熱活性的喪失會促進肥胖的發(fā)生[37]。熱量限制干預誘導肥胖小鼠代謝改善和脂肪褐變，這與脂質A（關鍵的LPS構建成分）生物合成所需的關鍵細菌酶的低表達有關[38]，具體來說，熱量限制抑制了幾種調節(jié)脂質A產生的關鍵酶，包括LpxL、LpxB、LpxA和KdtA（或WaaA），致使血漿和糞便中LPS水平明顯降低[39-40]。有學者采用EODF干預肥胖小鼠，發(fā)現其改變腸道菌群，乙酸鹽和乳酸鹽水平升高，選擇性地激活米色脂肪并上調米色脂肪細胞中單羧酸轉運蛋白1的表達，明顯改善肥胖、胰島素抵抗和肝臟脂肪變性[41]。而無菌小鼠對EODF誘導的米色化具有抗性，將EODF處理過的腸道菌群移植至無菌小鼠可促進腹股溝白色脂肪米色化，增加產熱并改善代謝穩(wěn)態(tài)[41]。由此揭示了微生物-脂肪信號軸，為肥胖相關代謝紊亂提供了一種新的治療方法。

綜上，熱量限制可通過重塑肥胖機體的腸道菌群，達到減輕體質量、改善代謝等作用。但特定的腸道靶菌群與肥胖機體炎性反應、代謝相關指標改變之間的因果關系仍需進一步探討，以闡明熱量限制通過影響腸道菌群改善肥胖的具體作用機制。

3.2 糖尿病及其并發(fā)癥

3.2.1 糖尿病 2型糖尿病（T2DM）是一種慢性代謝性疾病，有研究報道，T2DM患者有腸道菌群失調的表現。李亞楠等[42]對比T2DM患者與健康受試者的研究發(fā)現，T2DM患者腸道中柔嫩梭菌、腸球菌水平明顯升高，而擬桿菌與大腸桿菌水平明顯降低。基礎研究發(fā)現db/db（一種T2DM的遺傳模型）小鼠腸道內乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、AKK和擬桿菌屬更豐富，而顫螺旋菌屬和瘤胃球菌屬豐度更低[43]。CHENG等[44]的研究發(fā)現，為期8周的禁食模擬飲食（fasting-mimicking diet，FMD）使db/db小鼠的血糖水平正?；葝u素敏感性和β細胞功能明顯改善；腸道菌群結果顯示，副擬桿菌屬和布勞特菌屬增加，普雷沃菌屬、別樣桿菌屬和瘤胃菌屬減少；在此基礎上建立的Spearman秩相關熱圖表明，副擬桿菌屬和布勞特菌屬與空腹血糖水平呈負相關，普雷沃菌屬、別樣桿菌屬和瘤胃菌屬與空腹血糖水平呈正相關[45]。由此可知，FMD對血糖的改善作用在一定程度上是由腸道菌群介導的，但具體分子信號途徑尚不清楚，有待進一步研究。

3.2.2 糖尿病視網膜病變（DR） DR是糖尿病患者常出現的眼底病變，若不及時治療，可導致嚴重的視力損傷甚至失明。膽汁酸作為DR的保護因素之一，主要受到厚壁菌門的調節(jié)[46]。IF干預db/db小鼠7個月后，腸道微生物發(fā)生劇烈重組，擬桿菌門和疣微菌門數量減少，厚壁菌門增加，將更多的初級膽汁酸轉化為具有神經保護作用的次級膽汁酸，如?；撬崦撗跄懰幔═UDCA），TUDCA穿過血-視網膜屏障與G蛋白耦聯受體結合，阻止了DR的發(fā)展[43]。

3.2.3 糖尿病認知功能 認知功能下降是另一個影響T2DM患者生活質量的并發(fā)癥，其發(fā)生與神經炎癥、海馬的結構和功能改變等密切相關。微生物代謝產物5-羥色胺（5-HT）、TUDCA和3-吲哚丙酸對線粒體的生物發(fā)生和功能有很好的促進作用[47]。28 d IF通過微生物-代謝物-腦軸改善了糖尿病小鼠的行為障礙，血漿5-HT、TUDCA和3-吲哚丙酸濃度升高，海馬體中線粒體的生物發(fā)生和能量代謝基因表達增強，突觸后蛋白（PSD-95）的增加和海馬突觸超微結構得到改善，此外，IF通過重塑腸道菌群維持腸道屏障完整性，降低血漿LPS水平，同時發(fā)現，IF刺激了胰島素受體底物1（IRS1）/蛋白激酶B（Akt）信號通路及其相關細胞外調節(jié)蛋白激酶（ERK）/環(huán)磷腺苷效應元件結合蛋白（CREB）/腦源性神經營養(yǎng)因子（BDNF）神經營養(yǎng)信號，抑制了核轉錄因子（NF-κB）/c-Jun氨基末端激酶（JNK）炎癥通路[47]，這進一步解釋了IF是如何減少神經炎性反應的。而用抗生素消滅腸道菌群則部分地消除了IF的神經保護作用，由此可見，腸道菌群在其中扮演了重要的角色。

從上述研究結果可以看出，熱量限制對糖尿病的改善作用部分是通過改變腸道菌群實現的。雖然已有研究發(fā)現熱量限制對糖尿病并發(fā)癥（視網膜病變和認知功能障礙）的改善作用與腸道菌群之間存在一定的聯系，但目前處于初步探索階段，研究數量較少，未來還需要進行大量的基礎和臨床研究來論證這一結論。

3.3 多發(fā)性硬化（MS） MS是一種中樞神經系統炎性脫髓鞘疾病，其病因涉及遺傳和環(huán)境因素。近年來，研究發(fā)現腸道菌群也在MS的發(fā)病機制中起了關鍵作用，CHEN等[48]通過對比復發(fā)緩解型MS患者和健康人腸道菌群發(fā)現，MS患者擬桿菌屬和普氏菌屬豐度降低。實驗性自身免疫性腦脊髓炎（EAE）是公認的多發(fā)性硬化癥動物模型，CHOI等[49]研究表明，FMD通過抑制EAE小鼠模型的自身免疫反應，誘導少突膠質細胞再生刺激髓鞘的形成，從而改善疾病的嚴重程度。IF干預促使EAE小鼠腸道中乳桿菌科、類桿菌科和普氏菌科豐度增加，移植IF干預的糞菌改善了正常飲食的EAE小鼠癥狀，為將動物實驗結果進行臨床轉化，該研究者進行了一項針對復發(fā)型MS患者的小型研究，僅僅15 d的IF可引起腸道微生物群的變化，與在EAE小鼠中觀察到的相似[50]，但該研究納入病例少，干預時間短，無法采用盲法，因此有必要在更大的臨床試驗中進行驗證。

微生物代謝途徑分析表明，IF誘導的腸道菌群變化增加了酮類的形成和谷胱甘肽的代謝，促使抗氧化能力增強；此外，IF還直接影響腸道固有層T細胞的組成，減少產生IL-17的T細胞，增加調節(jié)性T細胞的數量，這些效應可能會調節(jié)全身免疫反應[50]。由此可見，IF的免疫調節(jié)作用至少部分是由腸道微生物群介導的。

3.4 炎癥性腸?。↖BD） IBD是一種以胃腸道炎癥為特征的免疫介導性疾病，腸道菌群失調可能促進了IBD的發(fā)病，因為炎癥常位于細菌最豐富的回腸末端或結腸[51]。IBD患者腸道菌群的特點是微生物多樣性減少，厚壁菌門和擬桿菌門豐度降低，變性菌門豐度增高[52]，與健康者相比，SCFA濃度降低[53]。隨著對IBD潛在機制的深入了解，基于對腸道菌群和免疫系統調節(jié)的飲食干預療法受到越來越多的關注。周期性FMD減少了右旋糖酐硫酸酯鈉誘導的慢性IBD小鼠模型的腸道炎癥，腸道干細胞數量增加，逆轉了腸道縮短，同時刺激保護性腸道微生物群（乳桿菌和雙歧桿菌）的生長，移植經FMD處理的IBD小鼠的乳酸菌或糞便微生物群至正常飲食IBD小鼠中可達到同樣的治療效果；臨床試驗也發(fā)現，3個FMD周期降低了IBD患者全身炎癥相關的標志物[54]。這些結果表明，周期性的FMD有望成為臨床治療IBD的一種合理的方法，但仍需大樣本、高質量的隨機臨床試驗進行驗證。

3.5 腫瘤 腫瘤是世界范圍內危害公眾健康的主要疾病之一，治療方法常采用化療和/或放射治療、手術切除、免疫治療等，但這些均會產生不良反應。氨甲蝶呤（MTX）是一種典型的化療藥物[55]，廣泛應用于各種惡性腫瘤和自身免疫性疾病的治療，胃腸道毒性是其最突出的副作用，嚴重影響患者的預后。MTX治療引起損傷腸道的細菌增多，16S rRNA高通量測序分析顯示，為期2周30%飲食限制明顯增加給予致死劑量MTX的2月齡雌性小鼠腸道有益菌——乳酸桿菌屬的豐度，減輕了腸道炎癥，保護了腸道干細胞功能，提高小鼠的存活率[56]。廣譜抗生素對腸道菌群的殺滅完全消除了飲食限制的保護作用，采用鼠李糖乳桿菌灌胃可模擬飲食限制的作用[56]，其他研究也發(fā)現益生菌干預可減輕化療的副作用，如降低腹瀉發(fā)生率[57]。因此，飲食限制可能通過增加小鼠腸道內保護性菌群的豐度來減輕大劑量MTX對腸道造成的損傷。環(huán)磷酰胺（CTX）也是一種廣泛應用的化療藥物，黏膜炎是其常見副作用。與自由飲食的小鼠相比，熱量限制小鼠對CTX的反應表現為黏膜炎減少，這與較少的上皮損傷、降低的腸道通透性、減少的細菌移位、增加的腸上皮干細胞數量有關，進一步分析發(fā)現，熱量限制維持了腸道菌群的穩(wěn)定，乳桿菌科和毛螺菌科（Lachnospiraceae）豐度增高，已知這兩種微生物具有減輕炎癥和改善腸道屏障功能的作用[58]。以上這些研究表明CR減輕化療藥物不良反應可能是通過改變腸道菌群的組成實現的，具體作用機制還需進一步研究，但這為減輕癌癥患者的化療副作用提供了新的思路。

4 總結與展望

綜上所述，腸道菌群與疾病的發(fā)生發(fā)展有著密切聯系，熱量限制作為一種極具潛力的飲食干預療法，其通過重塑腸道菌群，創(chuàng)建一個更加強大的微生物群落，減少有害細菌代謝產物的生成和入血來維持機體健康，改善疾病的病理表現?，F有的研究大多集中在動物實驗階段，而動物實驗的結果尚不能完全反映人體的實際情況，因此學者們一直致力于將熱量限制的研究成果推廣到臨床中，但患者在熱量限制干預過程中存在依從性不高等情況，導致臨床試驗數量十分有限并且樣本量較小。除此之外，雖然不同形式的熱量限制方案的有效性已被證明，但目前尚沒有一個統一的熱量限制標準，這限制了其在動物和臨床試驗中的廣泛應用和研究，未來有必要探索出更合適、安全、有效和可推廣的熱量限制方案。本綜述為熱量限制的臨床轉化提供了新的思路，未來的研究可從微生物角度出發(fā)，提取熱量限制干預后的腸道菌群，通過糞菌移植、微生物制劑、熱量限制模擬藥物等方式應用到臨床疾病的治療中。

作者貢獻:葉佳美負責文章的構思和設計、文獻的收集和整理、論文的撰寫；葉佳美、鐘冬靈、李涓、張惠玲負責論文的修訂；金榮疆和張安仁負責文章的質量控制和審校，并對文章整體負責，監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。