曹峻菡 林鵬程 王艷峰 繆錦來 解萬翠,3,4,5

(1.青島科技大學海洋科學與生物工程學院，山東 青島 266042；2.自然資源部第一海洋研究所海洋生態(tài)環(huán)境科學與技術重點實驗室，山東 青島 266061；3.山東省生物化學工程重點實驗室，山東 青島 266042；4.青島智科檢驗檢測有限公司，山東 青島 266002；5.尚好科技有限公司，山東 青島 266002)

炎癥性腸病(Inflammatory bowel disease, IBD)是一組以慢性炎癥和腸道菌群失調(diào)為特征的胃腸道疾病，包括克羅恩病(Crohn's disease，CD)和潰瘍性結(jié)腸炎(Ulcerative colitis，UC)，其中CD主要影響小腸和/或大腸、口腔、食道、胃和肛門，UC主要影響結(jié)腸黏膜[1-2]。研究[3]表明，遺傳、環(huán)境、微生物因素、免疫反應以及飲食因素參與了IBD的發(fā)病機制。流行病學研究[4-5]表明，飲食結(jié)構不合理、膳食成分缺乏是導致IBD的主要危險因素。目前，IBD在全球范圍內(nèi)的發(fā)病率明顯增高[6]，炎癥藥物、免疫抑制劑、生物藥物均可用于IBD的治療，但其具有較大的副作用。因此，采用營養(yǎng)干預輔助治療IBD已成為安全有效的手段之一[7]。

膳食纖維作為一種益生元，能調(diào)節(jié)菌群豐度，介導多個腸內(nèi)代謝信號發(fā)揮抗炎、抗氧化等作用[8]，常被作為腸道疾病的輔助治療劑。近年來，海藻膳食纖維因其獨特的結(jié)構組成及生物活性而備受關注。海藻中含有大量多糖，其含量遠遠超過陸生植物，但由于胃腸道中缺乏必需的酶，大部分多糖無法被人體消化，被視為膳食纖維(DF)[9]，包括褐藻膠、卡拉膠等可溶性膳食纖維(SDF)和纖維素、半纖維素等不溶性膳食纖維(IDF)，其主要來自紅藻門、褐藻門、綠藻門3類大型底棲藻類。由于大型海藻幾乎不含有木質(zhì)素，使得纖維素具有更高的活性和可得性[10]。大多數(shù)食用海藻的SDF含量高于IDF，且總膳食纖維含量通常為33～50 g/100 g干物質(zhì)，遠高于其他陸生植物[11]。這些特性使得海藻DF的物理化學性質(zhì)異于陸地植物，賦予了海藻DF更獨特的生理功能，使其逐漸成為基于飲食干預預防和緩解IBD保健食品的重要原料。

現(xiàn)有試驗模型[12-13]顯示，海藻DF在防治IBD方面具有成為腸內(nèi)營養(yǎng)劑的應用前景，但其在IBD中的作用機制尚不完全清楚。文章擬就目前海藻DF干預IBD的作用及相關分子機制進行闡述，旨在為進一步探究海藻DF對IBD的功能機制提供依據(jù)。

1 基于腸黏膜屏障的保護作用改善IBD

腸黏膜屏障由一定數(shù)量的腸道微生物群、腸上皮細胞(IECs)及其分泌物以及免疫細胞組成，各層相互作用，使黏膜不被細菌侵蝕，共同維持腸道通透性的穩(wěn)定[14]。研究[15]表明，IECs的破壞、腸道緊密連接蛋白(TJs)的異常和細胞旁通透性的增加會使機體產(chǎn)生過度的抗原應激和氧化應激，使腸道出現(xiàn)免疫介導的炎癥反應，最終導致IBD。

1.1 調(diào)節(jié)氧化應激水平

1.2 增強機體抗氧化防御系統(tǒng)

當機體出現(xiàn)氧化應激時，體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)可以抑制過量ROS的產(chǎn)生使ROS/RNS維持在適當水平并減輕氧化應激程度。內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)主要為胞內(nèi)酶抗氧化劑，包括超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)和過氧化氫酶(CAT)，細胞內(nèi)非酶抗氧化劑包括還原型谷胱甘肽(GSH)和細胞外抗氧化劑，如維生素、礦物質(zhì)和血漿銅藍蛋白[21]。酶和非酶抗氧化細胞防御系統(tǒng)通過控制自由基和代謝物的產(chǎn)生，在保護機體免受ROS、RNS侵害方面發(fā)揮關鍵作用[22]。海藻DF可以通過誘導這些抗氧化劑的分泌保護腸道抗氧化系統(tǒng)。

Rezaei等[23]發(fā)現(xiàn)通過螺旋藻治療醋酸(AA)誘導的大鼠潰瘍性結(jié)腸炎，GPx、GSH、SOD及總抗氧化能力(TAC)呈上調(diào)趨勢，表明螺旋藻能促進體內(nèi)抗氧化酶的分泌，增強機體抗氧化性能。此外，NADPH氧化酶(NOX)、葡萄糖氧化酶、環(huán)氧化酶(COXs)、黃嘌呤氧化酶(XO)、脂氧合酶(LOXs)等多種酶通過催化化學反應參與內(nèi)源性ROS和RNS的生成，其中，黏膜NOXs，如NOX2復合體、NOX1和雙氧化酶2(DUOX2)被報道為新的IBD危險因素[24]，海藻DF是否以抑制這些酶的活性為靶點預防和治療IBD有待進一步研究。

1.3 抑制免疫細胞浸潤

IECs由干細胞和免疫細胞組成，是腸功能屏障的重要組成部分。在外界刺激下，IECs會分泌趨化因子，這些趨化因子既可以積聚免疫細胞，也可以直接誘導炎癥細胞因子的分泌，從而增強和延長炎癥反應[25]。存在于腸道中性粒細胞或單核/巨噬細胞中的髓過氧化物酶(MPO)在炎癥患者的腸道黏膜中高度活躍，暗示腸道出現(xiàn)免疫細胞浸[26-27]。因此，在IBD活躍期間增強和延長炎癥反應的免疫細胞浸潤是免疫治療的潛在靶點。

海藻DF能夠抑制免疫細胞在結(jié)腸黏膜中的積聚，降低MPO等相應標志物的活性，保護IECs完整性，減輕腸道炎癥和損傷。Zhu等[28]發(fā)現(xiàn)急性結(jié)腸炎小鼠補充石莼(Ulvalactuca)多糖—硒納米顆粒(ULP-SeNPs)后，結(jié)腸組織中CD68蛋白、MPO水平有所降低，巨噬細胞浸潤情況得到改善，同時小鼠血漿腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-6(IL-6)、環(huán)氧合酶-2(COX-2)和誘導性一氧化氮合酶(iNOS)水平降低，即ULP-SeNPs具有低毒和高抗炎活性。Lean等[29]發(fā)現(xiàn)巖藻多糖—多酚復合物和脫氫巖藻多糖能減少結(jié)腸上皮隱窩結(jié)構和杯狀細胞數(shù)量，同時減輕免疫細胞浸潤和水腫，對IECs具有保護作用。Song等[30]分別用葡聚糖硫酸鈉(DSS)處理的腸上皮細胞(IPECJ2細胞)和DSS誘導的結(jié)腸炎小鼠進行體外和體內(nèi)試驗，研究綠藻(Blidingiaminima)多糖(BMP)對UC的作用，發(fā)現(xiàn)BMP對DSS處理的細胞具有抗炎作用。此外，BMP還能修復腸道部分絨毛丟失和線粒體水腫，降低結(jié)腸組織中MPO濃度。嗜酸粒細胞過氧化酶(EPO)是存在于嗜酸性粒細胞的強堿性蛋白，可引起結(jié)腸組織損傷[31]；內(nèi)皮細胞可通過釋放內(nèi)皮素(ET-1)引發(fā)微循環(huán)障礙，參與IBD炎癥[32]；存在于腸黏膜絨毛細胞中的二胺氧化酶(DAO)也是衡量腸道屏障功能的重要指標[33]。體內(nèi)試驗顯示BMP可降低EPO含量以及血清中ET-1含量，增強DAO活性減輕炎癥程度。綜上，海藻膳食多糖及其復合物能調(diào)節(jié)免疫細胞活性并抑制其在腸道中大量積聚，進而降低相關炎癥標志物的分泌，維持IECs通透性的穩(wěn)定。

1.4 上調(diào)腸道緊密連接蛋白(TJs)的表達

TJs是建立上皮屏障和維持上皮通透性的關鍵細胞間連接，主要包括膜蛋白claudin家族、TJ相關的MARVEL結(jié)構域包含蛋白(TAMPs：Occludin, Tricellulin, MarvelD3)和免疫球蛋白超家族中的連接黏附分子(JAMs)等膜蛋白。TJs表達和分布的改變可導致腸上皮損傷，為IBD的典型特征[34-35]。研究[36]發(fā)現(xiàn)，腸道TJs屏障缺陷會增加腸道的通透性致使腸腔內(nèi)的有害物質(zhì)，如細菌、細菌毒素內(nèi)漏，引發(fā)許多炎癥疾病，如IBD、腹腔疾病、壞死性小腸結(jié)腸炎(NEC)和一系列感染性腹瀉綜合癥。因此，可通過調(diào)節(jié)腸道TJs的表達靶向治療IBD等腸道疾病。

Iraha等[37]在Caco-2細胞模型中發(fā)現(xiàn)褐藻多糖以劑量依賴性的方式阻止H2O2誘導的腸上皮屏障功能的破壞，顯著增加了跨皮阻力，防止破壞細胞通透性，同時褐藻多糖上調(diào)了claudin-1水平，提示褐藻多糖干預可能是治療IBD的一種有效方法。同一模型中，Hwang等[38]采用跨上皮細胞耐藥(TER)試驗、細胞因子分泌試驗、緊密連接蛋白mRNA表達試驗等方法探討了低分子量褐藻多糖和高穩(wěn)定性巖藻黃質(zhì)抗炎性能，其均能顯著提高腸上皮屏障和細胞的免疫功能。

綜上，海藻DF能夠防止TJs水平的抑制，降低IECs的通透性，調(diào)節(jié)氧化應激水平并抑制免疫細胞在腸道中大量積聚，進而降低相關炎癥標志物的分泌，緩解炎癥反應。但腸黏膜屏障涉及腸黏膜上皮、腸黏液、腸道菌群等因素，這些因素之間構成一個巨大而復雜的保護系統(tǒng)，因此，需進一步借助蛋白組學、免疫組學、代謝組學等手段研究其復雜的作用機制。

2 基于宿主免疫系統(tǒng)的保護作用改善IBD

腸道內(nèi)抑炎因子和促炎因子的動態(tài)表達已被認為是導致IBD潛在病理學的重要原因[39]。炎癥細胞因子不僅導致腸道炎癥和腹瀉，還可導致其他腸道外疾病和全身效應。IBD臨床表現(xiàn)和動物模型已明確炎癥因子是治療腸道炎癥的潛在新靶點[40]。因此，調(diào)控抑炎因子、促炎因子的動態(tài)表達，協(xié)調(diào)下游信號通路可治療腸道炎癥。

2.1 抑制促炎因子表達

腸屏障功能受損時，脂多糖(LPS)等細菌產(chǎn)物會從腸腔滲入固有層，激活巨噬細胞增殖并釋放促炎細胞因子，通過炎性信號通路P38/MAPK、JNK/MAPK、PI3K/Akt、NF-κB進行調(diào)節(jié)，這些信號通路的激活通過p-65，IκB和ERK的磷酸化參與IBD的發(fā)展[41]，并進一步導致下游通路中促炎因子、趨化因子、細胞周期調(diào)節(jié)因子、抗凋亡因子和黏附分子的釋放。細胞因子的失調(diào)加劇了腸道炎癥，最終通過刺激MPO和iNOS等ROS/RNS誘導炎性細胞浸潤和氧化應激，誘發(fā)結(jié)腸炎癥反應[42-43]。

從海藻中分離出的DF可誘導免疫激活，可介導NF-κB信號在炎癥中發(fā)揮有益作用。Azuma等[44]將羊棲菜和薏苡中的DF制備成纖維素納米顆粒，其能抑制NF-κB轉(zhuǎn)錄激活，間接抑制白細胞等炎性細胞中MPO的活性，防止中性粒細胞和巨噬細胞的浸潤，實現(xiàn)對腸道的保護。促炎細胞因子在IBD的急性期反應中起關鍵作用并誘導各種其他細胞因子的產(chǎn)生。報告[45-46]顯示，UC患者的IL-1β水平升高，CD患者的IL-6水平升高。Sudirma等[47]發(fā)現(xiàn)接受麒麟菜(Eucheumacottonii)多糖的結(jié)腸炎小鼠血清中的促炎因子TNFα、IL-1β和IL-6以及結(jié)腸組織中的IL-1β的水平均低于對照組，且增加抑炎因子IL-10水平，阻斷炎癥因子過表達引起的免疫系統(tǒng)失調(diào)。CD4+T細胞即輔助T細胞(Th)與IBD的嚴重程度密切有關，其中，Th1/Th2和Th17/Treg失衡被認為是IBD的重要原因[48]。Ryan等[49]從海帶Laminariahyperborea和Laminariadigitata以及釀酒酵母Saccharomycescerevisiae中提取β-葡聚糖應用于豬結(jié)腸，發(fā)現(xiàn)其在不改變調(diào)節(jié)性T細胞(Treg)相關靶點的情況下經(jīng)JAK-STAT途徑對淋巴細胞(Th17)相關細胞因子(IL-17a、IL-17F和IL-22)以及受體IL23R和IL-6的表達均有免疫抑制作用，并進一步影響其他因子的表達，減輕試驗性IBD。但O’Shea等[50]在同樣的模型中指出，上述β-葡聚糖雖能改善體重減輕、腹瀉等癥狀，但未能改善DSS誘導的豬近端結(jié)腸相關的病理學情況。說明海藻膳食成分是治療和預防IBD較好的來源，但不同來源、結(jié)構的DF作用于腸道部位及信號通路不盡相同，需進一步了解其作用靶點及機制。

2.2 促進抗炎因子表達

白介素如IL-10和轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β是抗炎或免疫抑制細胞因子。IL-10是免疫系統(tǒng)中多種細胞類型表達的多效細胞因子，通過CD4+T輔助細胞直接抑制Th1/Th17免疫反應及通過抗原呈遞細胞抑制趨化因子的表達[48]。研究[51]顯示，IL-10缺乏的小鼠在正常環(huán)境中飼養(yǎng)時會在3～4月大時自發(fā)結(jié)腸炎，說明IL-10在腸黏膜穩(wěn)態(tài)的維持方面至關重要。

Matsumoto等[52]通過脂多糖(LPS)刺激的鼠結(jié)腸上皮細胞系CMT-93體外模型及DSS體內(nèi)模型研究了巖藻多糖對IBD的預防作用。來自CladosiphonokamuranusTokida和Kjellmaniellacrassifolia的巖藻多糖能抑制CMT-93細胞中IL-6的產(chǎn)生，下調(diào)NF-κB核易位，且伴隨MPO活性的降低。Cladosiphon中的巖藻多糖使小鼠結(jié)腸固有層中干擾素(IFN)-g和IL-6的合成減少，IL-10和TGF-β的合成增加，表明巖藻多糖通過調(diào)節(jié)炎癥因子的合成改善小鼠結(jié)腸炎，可作為炎癥性腸病患者的膳食物質(zhì)。

3 基于腸道菌群及短鏈脂肪酸(SCFA)的調(diào)節(jié)改善IBD

腸道菌群參與IBD炎癥反應。非產(chǎn)毒素脆弱擬桿菌可以向免疫細胞傳遞免疫調(diào)節(jié)分子多糖A，刺激CD4+T細胞分泌IL-10，發(fā)揮免疫保護作用；阿克曼菌可以與IECs相應受體結(jié)合，進而影響下游的免疫調(diào)節(jié)反應，改善炎癥；活潑瘤胃球菌可降低腸道黏蛋白，產(chǎn)生炎癥性多糖，刺激樹突狀細胞，引起TNF-α升高，誘導IBD的發(fā)生[53]。IBD典型的特征為微生物組成以及微生物群與黏膜免疫應答之間平衡的擾亂，并表現(xiàn)為厚壁菌門比例減少，變形菌門和放線菌門比例增加[54]，這種生態(tài)失調(diào)對免疫系統(tǒng)和腸道屏障功能有深遠影響；其由不同的機制啟動，涉及SCFA的改變，而SCFA對結(jié)腸穩(wěn)態(tài)維持、上皮完整性、免疫細胞功能、遷移和凋亡有重要意義[54-55]。DF作為一種益生元，是腸道微生物的重要能量來源，攝入過少會導致有益菌的多樣性降低和短鏈脂肪酸(SCFA)減少，引起腸道疾病[56]。同樣，Desai等[57]也指出飲食中缺乏DF會使黏蛋白降解菌的數(shù)量增加并表達黏蛋白降解酶，進而侵蝕結(jié)腸黏液層的黏蛋白，破壞腸道黏膜，引起免疫激活和組織損傷。

近年來，利用海藻DF作為益生元靶向調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)治療IBD備受關注，其可降低腸道微環(huán)境的pH、抑制一些致病菌(如擬桿菌Bacteroidessp.)的生長，能通過交叉喂養(yǎng)效應誘導一些有益細菌的生長，防止炎癥引起的腸道微環(huán)境破壞[58]。O'shea等[50]報道巖藻多糖和昆布多糖可減少豬結(jié)腸消化液中腸桿菌的豐度，介導IL-6基因的表達進而緩解DSS豬型腸炎發(fā)病，通過調(diào)節(jié)微生物菌群與宿主免疫反應減弱IBD易感性。Kim等[59]通過16S rRNA高通量測序發(fā)現(xiàn)干燥的海帶DF(DLJ)、熱處理海帶DF(HLJ)與添加低聚果糖的海帶DF(FHLJ)能降低肥胖相關細菌屬(Allobaculum、Turicibacter、Coprobacillus、Mollicute、Oscilibacter)的相對豐度，降低致病菌屬(Mollicute、Bacteroides、Clostridium、Escherichia、Prevotella)相對豐度，而乳酸細菌屬(Ubdoligranulum、Streptococcus、Lactobacillus、Enterococcus、Bifidobacterium)豐度增加，但只有在FHLJ組中，發(fā)現(xiàn)了丁酸產(chǎn)生菌屬(Subdoligranulum、Roseburia、Eubacterium、Butyrivibrio、Anaerotruncus)數(shù)量顯著性增加。

DF可在腸道微生物的作用下轉(zhuǎn)化為SCFA(主要是丁酸、乙酸和丙酸)，然后進入腸腔調(diào)節(jié)保護性免疫，減少組織炎癥[61-62]。Deville等[63]在體外發(fā)酵模型及大鼠腸道中發(fā)現(xiàn)海帶多糖可影響?zhàn)ひ航M成和腸道pH值。這主要歸因于SCFA(特別是丁酸)的產(chǎn)生導致pH值下降，從而誘導黏液分泌，影響細菌在黏膜的粘附和易位，防止炎癥感染。目前，SCFA對腸道免疫的調(diào)節(jié)作用主要有以下途徑(圖1)：① 誘導IECs分泌IL-18、抗菌肽、黏蛋白和上調(diào)TJs的表達來保護腸道屏障的完整性。G蛋白偶聯(lián)受體由先天免疫細胞表達，能調(diào)節(jié)腸道系統(tǒng)黏液蛋白、抗菌肽、趨化因子和細胞因子的分泌[64-65]。SCFA可通過GPR途徑激活NALP6蛋白，促進腸道黏膜中杯狀細胞分泌黏液，使細菌和IECs分離，防止細菌毒素入血引起過度免疫反應。② 誘導中性粒細胞遷移至炎癥部位，增強其吞噬功能。研究[66]發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽可調(diào)節(jié)中性粒細胞、巨噬細胞等的聚集和促炎活性，增加IL-10、TGF-β的表達和活性，誘導Treg細胞活化，參與機體免疫調(diào)節(jié)。在動物模型中，丁酸鹽還可以通過上調(diào)防御素和抗菌肽來增強先天免疫[67]。③ 抑制組蛋白脫乙酰酶(HDAC)活性，調(diào)節(jié)T細胞功能。丁酸鹽可通過抑制HDAC的活性直接調(diào)節(jié)T細胞分化[68]，并通過HDAC途徑抑制腸道巨噬細胞產(chǎn)生炎癥因子，誘導B細胞產(chǎn)生IgA，增強腸道免疫系統(tǒng)的功能。此外，丁酸鹽能激活炎癥小體(NLRP3)-IL-18軸的下游信號，維持黏膜完整性[69]。綜上，DF影響腸道菌群的組成及其代謝產(chǎn)物，進而參與IBD病理過程。

圖1 SCFA對腸道免疫的調(diào)節(jié)[60]

4 結(jié)論與展望

海藻膳食纖維作為一種天然活性成分對炎癥性腸病具有營養(yǎng)保護功能，涉及的具體機制主要包括抑制免疫細胞浸潤、調(diào)節(jié)氧化應激水平、增強機體抗氧化防御系統(tǒng)、上調(diào)腸道緊密連接蛋白的表達、平衡炎癥因子水平、調(diào)節(jié)腸道菌群產(chǎn)生短鏈脂肪酸，但各種機制之間復雜的相互作用需進一步闡明。目前關于海藻膳食纖維對炎癥性腸病的干預試驗多集中于多糖等可溶性膳食纖維，而海藻不溶性膳食纖維對炎癥性腸病是否也發(fā)揮有益作用，其中涉及的復雜作用機制也需繼續(xù)探索。此外，海藻膳食纖維的結(jié)構和來源影響其生理功能和生物學特性，后續(xù)將進一步研究不同來源、結(jié)構的海藻膳食纖維與腸道菌群、代謝通路的聯(lián)系，有助于詮釋炎癥性腸病的功能機制和開發(fā)安全可行的炎癥性腸病藥物替代產(chǎn)物及功能性食品。