陳 衛(wèi)，翟齊嘯，方卿穎

（江南大學食品學院 江蘇無錫 214122）

1 腸道菌群的膳食調(diào)控

腸道菌群作為人體的“微生物器官”，在物質信息傳遞、代謝、能量轉運以及免疫系統(tǒng)發(fā)育等方面發(fā)揮重要作用。隨著微生物組學技術的快速發(fā)展，人們對于影響腸道微生物結構和功能的各類因素有了更加全面和細化的認識。在多種內(nèi)源性和外源性因素中，膳食調(diào)節(jié)被視為決定腸道微生物群落結構和功能的關鍵因素。腸道菌群通過對膳食因子的分解、利用參與機體代謝，并且腸道微生物的代謝能力遠遠超過人體細胞的代謝能力，而其具有活性的代謝產(chǎn)物可以直接或間接地影響宿主的生理機能。

1.1 膳食碳水化合物

碳水化合物的發(fā)酵過程作為腸道菌群的核心活動，可以促進機體對傳遞至結腸中剩余能量的再利用，經(jīng)腸道菌群代謝后產(chǎn)生的短鏈脂肪酸進一步為宿主及其它共生菌所使用[1]（表1）。在人體腸道中已發(fā)現(xiàn)大量的碳水化合物激活酶，如在擬桿菌基因組中就含有約260 種糖苷水解酶，這類腸道菌在復雜植物多糖的初步分解過程中具有關鍵性作用。有研究發(fā)現(xiàn)，攝入由阿拉伯木聚糖構成的車前子多糖后，糖尿病大鼠腸道菌群多樣性上升，卵型擬桿菌和發(fā)酵乳桿菌含量顯著增加，多糖成分被有效降解利用且糞便短鏈脂肪酸含量增加[2]。此外，攝入大豆多糖、靈芝多糖、麥冬多糖后，擬桿菌與厚壁菌比例、雙歧桿菌及乳桿菌的含量上升，進一步產(chǎn)生對腸道有益的乳酸及丁酸[3-5]。腸道菌群對復雜多糖的降解依賴于可編碼多種活性酶的基因簇多糖利用位點（PULs），PULs 在分解多糖時會發(fā)生顯著性上調(diào)，激活對碳水化合物利用酶（CAZyme）的基因表達，CAZyme 酶可用于降解木聚糖、阿拉伯半乳聚糖、巖藻糖、果膠等多種不同的多糖類物質[6]。菊粉及抗性淀粉等大分子多糖物質同樣通過對腸道菌群的調(diào)節(jié)，發(fā)揮抑制肥胖、恢復腸上皮細胞增殖及抗菌等作用[7]。除復雜多糖外，研究發(fā)現(xiàn)兒童初期腸道環(huán)境中的雙歧桿菌、阿克曼氏菌及柔嫩梭菌等可以有效地分解利用母乳寡糖，有益于嬰兒的生長發(fā)育[8-10]。褐藻寡糖可以增加腸道內(nèi)有益菌，包括擬桿菌目、雙歧桿菌、鞘脂單胞菌目及彎曲菌目等，這些細菌可通過保護腸道屏障，產(chǎn)生抗氧化物質等方式發(fā)揮益生作用[11]。高劑量的攝入單糖也會使部分單糖逃脫小腸的吸收到達腸道環(huán)境，從而降低多形擬桿菌在腸道中的生存能力[12-13]。

表1 碳水化合物對腸道菌群的調(diào)節(jié)Table 1 Regulation of carbohydrate on gut microbiota

腸道菌群對碳水化合物的利用足以供應人體日常能量需求的10%，利用這一特性設計膳食干預方案具有重要意義。來自美國斯坦福大學醫(yī)學院的Justin L.Sonnenburg 教授及多個團隊共同發(fā)表在《Cell》雜志上的一項研究發(fā)現(xiàn)[14]，在攝入長達10 周高膳食纖維飲食的健康人群中，雖然其腸道微生物的多樣性沒有明顯變化，但是在糞便樣本中可檢測到的具有降解膳食纖維功能的菌（布氏瘤胃球菌、青春雙歧桿菌等）顯著增加，經(jīng)過進一步的宏基因組測定，發(fā)現(xiàn)有11 種CAZymes 的表達顯著上調(diào)，即高膳食纖維飲食的攝入可以誘導膳食纖維降解菌的增加，上調(diào)腸道內(nèi)糖苷水解酶的表達，并產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸，對人體健康產(chǎn)生有益影響。華盛頓大學醫(yī)學院的Jeffrey I.Gordon 教授通過結合悉生小鼠模型和人體干預實驗，對不同種常見果蔬纖維制劑與腸道菌群和代謝功能之間的關聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，在定殖肥胖菌群并用高脂低果蔬飼喂的小鼠中，不同果蔬纖維制劑會引起腸道菌群的特異性應答，包括代謝通路、糖苷水解酶以及特定菌屬豐度（尤其是擬桿菌）[15]。

1.2 膳食蛋白質

腸道菌群對機體蛋白質的代謝主要包括為自身的生長攝取氮源以及為機體提供必需氨基酸兩個方面，包括芽孢桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬和雙歧桿菌屬等在內(nèi)的大量腸道菌擁有含硫氨基酸必需的降解酶[16]。研究發(fā)現(xiàn)，過量的谷蛋白攝入會引起自身免疫系統(tǒng)紊亂，導致腹脹、便秘、疲勞等癥狀，如丹麥技術大學Lea B.S.Hansen 和Henrik M.Roager 等對60 名健康成人進行為期8 周的低谷蛋白飲食的專業(yè)指導[17]，結果發(fā)現(xiàn)其腸道環(huán)境中的4 種雙歧桿菌豐度降低而梭菌屬中的1 種未鑒定株豐度增加，同時伴隨著腹脹癥狀的改善。乳類蛋白主要包括酪蛋白及乳清蛋白，二者的攝入均與腸道益生菌雙歧桿菌和乳桿菌的代謝相關，與酪蛋白相比，乳清蛋白更易于被雙歧桿菌及乳桿菌利用[18]。與植物蛋白相比，過量攝入動物蛋白會導致擬桿菌屬、鏈球菌屬和梭菌屬的比例失衡[19]。研究發(fā)現(xiàn)高蛋白質飲食（酪蛋白、大豆蛋白、乳清蛋白）可加劇疾病人群腸道中擬桿菌屬、梭桿菌屬產(chǎn)氣莢膜梭菌及薩特菌屬等條件致病菌的增殖，而抑制厚壁菌門的生長[20]。此外，研究發(fā)現(xiàn)素食者與肉食者的腸道菌群結構存在明顯差異，長期高水平食肉者的腸道優(yōu)勢菌群主要是普拉梭桿菌[21-22]。

1.3 膳食脂肪

飲食中的脂肪成分主要在小腸中被消化吸收，而大量研究表明膳食脂肪與腸道菌群之間存在相關作用，腸道微生物具有脂肪酶，可以將甘油三酯和磷脂降解成極性頭部基團和游離脂質[23]。大量悉生動物模型數(shù)據(jù)表明，膳食中的高含量脂肪會降低腸道菌群的多樣性及細菌總量，減少腸道內(nèi)雙歧桿菌和羅斯菌的數(shù)量。一項高脂飲食與腸道菌群測序數(shù)據(jù)的薈萃分析表明，高脂飲食對腸道菌群的具體調(diào)節(jié)在于增加厚壁菌門/擬桿菌門的比值，改變特定細菌群類的豐度（毛螺菌科、瘤胃球菌科以及S24-7 菌科）[24]。而這些細菌的變化可以引起脂多糖（LPS）的產(chǎn)生，增加肝癌的患病風險[25]。腸道高脂肪含量的生酮飲食會引起腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的變化，包括富集毛螺菌科及與血糖紊亂呈正相關的腸道菌群，并降低短鏈脂肪酸，增加脫氧膽酸（DCA）[26]。相較于高脂飲食，限制脂肪攝入能增加與延長壽命呈正相關的細菌類群數(shù)量，如乳酸桿菌屬，并且脂肪限制下的悉生動物可以建立相對平衡的腸道菌群結構，通過減少腸道抗原負荷對宿主的健康產(chǎn)生益處[27-28]。

1.4 植物活性物質

人體對植物中的化學活性成分吸收率較低，而這部分植物化學物質在結腸中可以改變腸道菌群組成，并抑制致病菌，進而促進有益菌（雙歧桿菌、乳桿菌等）的生長，其代謝產(chǎn)物也可以改善腸道屏障、糖脂穩(wěn)態(tài)、胰島素抵抗以及炎癥[29]。仔豬在攝入肉桂油（主要成分肉桂醛）后，其腸道內(nèi)的大腸桿菌含量降低，與之類似的其它芳香物質，如茶樹油及橄欖油等，都可以有效抑制仔豬腸道內(nèi)的有害菌[30]。有研究結合240 多名健康成年男性樣本，分析得到6 個子類微生物群落分別與6 種膳食類黃酮子類的攝入呈特定且非依賴型關系。其中，蛋清腸球菌（Eggerthela lenta）與黃酮醇、黃烷酮的攝入呈正相關，產(chǎn)液阿德勒克羅伊茨菌（Adlercreutzia equolifaciens）與黃酮醇、黃烷醇單體的攝入呈正相關，而Flavonifractor plautii 幾乎與所有類黃酮子類的攝入呈負相關[31]，并且芹菜素、金雀異黃素、山奈酚、楊梅素和柚皮素等黃酮類化合物可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群，改善肥胖癥狀[32]，包括肥胖小鼠在攝入葡萄或蔓越莓中含有的多酚成分后，其體重減輕，阿克曼氏菌大量增加。漿果中含有的花青素可以調(diào)節(jié)植物乳桿菌、干酪乳桿菌、嗜酸乳桿菌以及長雙歧桿菌等。豆類食物中含有的異黃酮可以增加腸道內(nèi)乳酸菌和雙歧桿菌的豐度。蔬菜中含有的黃烷醇可以有效調(diào)節(jié)狄氏擬桿菌及單形擬桿菌的豐度。有研究設計了含有多種多酚物質的膳食方案用于觀察其對腸道菌群的作用，結果發(fā)現(xiàn)咖啡多酚（綠原酸）與高血壓患者的血壓、糞便短鏈脂肪酸、擬桿菌呈正相關，與正常血壓人群的普氏糞桿菌呈負相關。而橄欖多酚（黃烷醇） 與正常血壓人群的血漿短鏈脂肪酸、瘤胃球菌（Ruminococcaceae UCG-010）以及克里斯滕森菌科（Christensenellaceae R-7）呈正相關[33]。多酚及富含多酚的食物可改變腸道菌群的組成及功能，增加丁酸鹽產(chǎn)生菌及乳桿菌屬、雙歧桿菌屬等益生菌，并減少致病菌，調(diào)節(jié)機體健康。

1.5 維生素與礦物質

維生素是人體必需的小分子物質，而維生素對腸道菌群的組成分布也具有一定的調(diào)節(jié)作用。維生素A 的攝入可以增加腸道內(nèi)乳桿菌的豐度，乳桿菌通過上調(diào)IFN-β 起到抗病毒的作用[34]。維生素D 可顯著增加腸道微生物多樣性，包括擬桿菌與厚壁菌的比例增加，益生菌類阿克曼氏菌和雙歧桿菌的豐度增加[35]。補充維生素D3 可以降低變形桿菌的豐度，增加假單胞菌屬及當腸桿菌的豐度。對于礦物質來說，雙歧桿菌能夠在大腸中結合鐵，從而減少自由基，降低結腸癌的風險[36]。對于人體來說，缺乏鐵和鋅等礦物質會使普通擬桿菌的豐度顯著增加[37]。

2 腸道菌群靶向性食品概述

在過往的研究中，由于無法篩選得到對腸道菌群具有靶向調(diào)節(jié)作用的膳食因子，因此很難實現(xiàn)菌群的精準、個性化調(diào)控。隨著多組學技術、生物信息學分析手段、悉生動物模型等技術手段的發(fā)展，腸道菌群靶向性食品的研究逐漸走入人們的視野。2017年發(fā)表于《Science》的一項研究首次提出腸道菌群靶向性食品（Microbiota-Directed Food，MDF）的概念[38]。與普通食品不同，MDF 特指針對性改善機體腸道菌群的一類食品。作者認為MDF 作為膳食補充劑時，應聲明其營養(yǎng)成分及健康效應，若MDF 包含的所有成分都達到公認的健康標準，則可將MDF 歸為傳統(tǒng)食品，而根據(jù)MDF的特殊應用背景，也可以被分類為藥物。MDF 的開發(fā)通常以悉生動物模型為起點，利用含特定菌群的動物篩選出具有針對性的膳食成分，對篩選出的膳食成分還應充分考慮其在食品工業(yè)中的可行性，包括來源，成本及加工方式等。形成初步的膳食配方后，在悉生動物模型中進行再次驗證，獲得成熟的MDF 方案后進行臨床驗證，挖掘其內(nèi)在的機制，形成完善的臨床干預策略（圖1）。

圖1 MDF 的開發(fā)流程[39]Fig.1 MDF development process[39]

2.1 MDF 的研究進展

來自美國華盛頓醫(yī)學院的Jeffrey I.Gordon教授作為MDF 相關研究的先驅，開展了一系列創(chuàng)新的工作并取得顯著的成果。2013年至2021年，Gordon 教授深入營養(yǎng)不良疾病的高發(fā)地區(qū)，利用多組學方法，先后進行營養(yǎng)不良與腸道菌群相關的假設提出，動物及人群實驗驗證，擴大樣本量尋找關鍵腸道菌，篩選及確定膳食干預方案等過程，最終確定了以香蕉、鷹嘴豆、花生粉、大豆粉為主要成分的膳食配方，用于靶向調(diào)節(jié)非洲馬拉維地區(qū)營養(yǎng)不良兒童的腸道菌群，并進一步緩解營養(yǎng)不良相關的臨床指標，為腸道菌群靶向性食品的研究開創(chuàng)了成熟的思路[40-43]（圖2）。

除營養(yǎng)不良的相關研究外，MDF 的研究還包括針對腸炎患者腸道菌群、基于特定菌的糖利用特性而設計的靶向益生元，抗肥胖，以及改善腸易激綜合征（IBS）和炎癥性腸?。↖BD）癥狀的膳食調(diào)控策略等。過往研究通過結腸炎（DSS）造模小鼠發(fā)現(xiàn)，在腸炎狀態(tài)下，腸桿菌科細菌依賴鉬輔因子的生物合成通路實現(xiàn)富集。而體外研究表明鎢酸鹽可與鉬酸鹽競爭。德州大學西南醫(yī)學中心Sebastian Winter 教授團隊的研究人員提出是否可以利用鎢酸鹽靶向抑制腸炎菌群生長的假設。最終在無菌鼠中通過糞菌移植實驗驗證了鎢酸鹽通過調(diào)節(jié)腸道菌群對腸炎的調(diào)控作用[44-45]。羅氏菌屬（Roseburia）是腸道環(huán)境中一類與多種疾病相關的腸道菌，以往研究發(fā)現(xiàn)羅氏菌屬可以產(chǎn)生大量丁酸，進而在腸道環(huán)境中發(fā)揮多種益生功能，并且羅氏菌屬可以高效利用β-甘露聚糖。根據(jù)這一特性，挪威生命科學大學的Phillip B.Pope 教授和Bj?rge Westereng 教授團隊聯(lián)合發(fā)文，利用仔豬模型進行宏基因組和宏蛋白組研究，設計高度乙?；母事毒厶牵o以膳食后加強了腸道環(huán)境中羅氏菌屬的選擇性富集[46-47]。此外，以往對肥胖的相關研究結果已鎖定20 種與肥胖呈負相關的腸道菌，其中主要為擬桿菌屬，因擬桿菌屬含有大量的糖苷水解酶，故Gordon 教授團隊考慮利用膳食纖維對20 種關鍵菌進行富集，在無菌鼠中成功定殖20 種關鍵菌后，設計144 種膳食方案進行逐一篩選，最終證明其中21 種膳食纖維可以顯著上調(diào)與肥胖呈負相關的關鍵菌[48]，如圖2所示。此外，還有研究設計不同低短鏈碳水化合物飲食用于緩解IBS[49]，以及針對不同個體，補充果膠、低聚糖或膳食纖維，對腸道菌群進行靶向調(diào)控，從而開發(fā)針對IBD 患者膳食干預策略的相關研究[50]。

圖2 針對營養(yǎng)不良的MDF 研發(fā)歷程[40-43]Fig.2 MDF development process for malnutrition[40-43]

2.2 MDF 的應用及前景

在與Gordon 教授的合作下，美國一家公司提出微生物組代謝療法（MMT），構建了化學合成聚糖庫，針對腸道菌群結構功能實現(xiàn)攝入聚糖后的定向調(diào)控。目前已嘗試治療尿素循環(huán)障礙、肝性腦病、耐藥性細菌感染等疾病。此外，美國另一家公司也建立了血液中11 種腸道微生物小分子代謝物（如5-羥色胺、酪氨酸、吲哚-3-乳酸等）水平庫，個性化定制飲食方案，通過對腸道微生物代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對機體健康的調(diào)控。美國兩家相關公司則進一步聯(lián)合將MDF 概念打造為針對目標人群的健康飲食產(chǎn)品方案，通過整合目標人群連續(xù)6 周糞便樣品的宏基因組數(shù)據(jù)、血液生化分析結果及飲食記錄，利用機器學習和大數(shù)據(jù)分析方法構建關聯(lián)模型，更為科學地提供膳食建議和食譜，從而有效改善腸道菌群，促進腸道中有益菌屬的生長。將腸道菌群、食品科學與人類營養(yǎng)健康緊密結合，以腸道菌群為基礎的MDF 可以為食品行業(yè)的發(fā)展提供更為廣闊的前景。

3 腸道菌群靶向性膳食方案的展望

腸道菌群的生理健康作用已得到深入地揭示并為消費者普遍接受。通過日常膳食補充而實現(xiàn)腸道菌群的靶向調(diào)控是未來健康食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢和熱點。目前已有大量研究證明特定膳食因子可以顯著影響腸道菌群的結構和功能，MDF 相關產(chǎn)品更是體現(xiàn)出巨大的臨床應用潛力。在未來，隨著食品科學、微生物學、腸道生態(tài)學以及臨床醫(yī)學等多學科的進一步緊密交叉合作，腸道菌群的靶向膳食調(diào)控必將為消費者的個性化、精準化營養(yǎng)調(diào)控提供重要助力。