趙文婧,陳立英,劉 霞,蔣宇豪
(1.太原師范學(xué)院生物系 山西 晉中 030619;2.山西大學(xué)生物技術(shù)研究所 山西 太原 030006;3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 山西 太原 030031)
結(jié)腸癌(Colorectal cancer,CRC)是人類常見消化道惡性腫瘤之一,發(fā)病率逐年上升,其死亡率僅次于肺癌和肝癌,占我國(guó)惡性腫瘤發(fā)病率的第三位.腸道穩(wěn)態(tài)、飲食結(jié)構(gòu)、煙酒嗜好等是CRC發(fā)生的主要環(huán)境因素,腸道穩(wěn)態(tài)包括腸道微生態(tài)(腸道菌群及腸道菌群的代謝產(chǎn)物)和腸黏膜屏障(包含腸道黏膜免疫系統(tǒng)等).如果人體腸道微環(huán)境始終保持在平衡狀態(tài),就會(huì)對(duì)人體腸道黏膜具有保護(hù)作用;反之,則會(huì)導(dǎo)致CRC的發(fā)生發(fā)展.近年來越來越多的研究發(fā)現(xiàn),宿主腸道菌群的紊亂在CRC的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮了非常重要的作用[1-3].目前人們主要通過手術(shù)療法、化學(xué)及放射療法來治療結(jié)腸癌.眾所周知,化學(xué)和放射療法會(huì)對(duì)人類機(jī)體產(chǎn)生較大的傷害,而手術(shù)療法雖然看似對(duì)機(jī)體傷害會(huì)較小,但很難治愈,會(huì)出現(xiàn)多次反復(fù).目前預(yù)防和治療癌癥的重要策略之一:即從天然產(chǎn)物中尋找、研制低毒、高效且副作用小的抗腫瘤藥物.
Seow[4]等發(fā)現(xiàn)如果機(jī)體攝入的肉類過多會(huì)增加患CRC的風(fēng)險(xiǎn),Harris[5]等發(fā)現(xiàn)如果增加植物性食物(黃綠色蔬菜、水果等)的攝入能降低CRC的發(fā)病率,這些與Gregory[6]的研究結(jié)果相一致,即多水果、少肉類的飲食可減少大腸癌的發(fā)生率.在植物性食物中起抗腫瘤作用的主要成分是膳食纖維(dietary fiber,DF),已報(bào)道DF的攝入量與CRC的發(fā)病率呈一定的負(fù)相關(guān)性[7],并且發(fā)現(xiàn)DF具有降低血漿膽固醇、抗肥胖等特性[8],其中DF可通過促進(jìn)致癌物(如黃曲霉毒素、亞硝胺)代謝、誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡、調(diào)控體內(nèi)免疫細(xì)胞等多種途徑抑制CRC等疾病的發(fā)生發(fā)展.
近年來腸道菌群的研究成為大眾的關(guān)注焦點(diǎn)之一,在CRC等消化道癌癥的發(fā)生發(fā)展中,人體腸道中的腸道微生物發(fā)揮了極其重要的作用.DF可以在人體腸道中被發(fā)酵,進(jìn)而可以產(chǎn)生短鏈脂肪酸(Short chain fatty acids,SCFAs),SCFAs會(huì)通過血液循環(huán)作用于不同的人體器官,同時(shí)還可以被用作底物氧化、脂類物質(zhì)合成和肝細(xì)胞代謝的能量[9].人體腸道中結(jié)腸能量的首選來源是重要的SCFAs——丁酸,它可以對(duì)人體腸道黏膜的修復(fù)及結(jié)腸炎和結(jié)腸癌的預(yù)防起作用[10].因此本文通過查閱大量文獻(xiàn)綜述了從膳食纖維、腸道菌群、短鏈脂肪酸三方面來說明對(duì)結(jié)腸癌的影響作用機(jī)制.
1.1.1 膳食纖維的定義
1953年DF被Hipsley首先提出,2001年美國(guó)谷物化學(xué)學(xué)會(huì)(American Association of Cereal Chemists,AACC)膳食纖維專門委員會(huì)賦予了DF新的定義[11].日常生活中,我們可從燕麥、大麥、水果、全谷物、蔬菜、堅(jiān)果類中獲取DF.DF也被稱為益生元,它們可被腸道菌群發(fā)酵,從而產(chǎn)生SCFAs(如乙酸、丙酸和丁酸)[12].研究報(bào)道DF的攝入能夠增加人體腸道中有益菌的豐度、調(diào)節(jié)腸道菌群的結(jié)構(gòu)、保護(hù)腸道屏障的功能[13].此外,DF在能量和體重控制方面也表現(xiàn)出有益的健康特性.
1.1.2 膳食纖維的分類
根據(jù)DF在水中的溶解度的不同,可以將其分為可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber,SDF)和水不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber,IDF)兩大類(見表1).SDF水溶液可以被乙醇沉淀,且其有較強(qiáng)的離子吸附性,SDF能吸附膽固醇、膽酸等有害物質(zhì),且在防治心血管疾病、糖尿病、肥胖等方面,都優(yōu)于水不溶性膳食纖維(IDF),被譽(yù)為膳食纖維中的“極品”[14].
表1 膳食纖維的分類
1.1.3 膳食纖維的功能
DF在人體中可以發(fā)揮多種生理功能(圖1):①DF能被腸道內(nèi)各種微生物所利用,產(chǎn)生SCFAs,使腸道內(nèi)的pH降低[15,16],從而促進(jìn)有益菌的繁殖,提高機(jī)體的免疫力;②DF可以增加人體腸液的粘度,并阻礙葡萄糖在體內(nèi)的擴(kuò)散,提高機(jī)體胰島素的敏感性,降低血糖;③DF可以結(jié)合陽離子,同時(shí)也能交換陰離子,因此可以起到降低血壓的功能,同時(shí)還可以起到解毒的功效[17];④由于DF組成成分中有一些果膠類物質(zhì),因此其能夠阻止膽固醇在機(jī)體中的擴(kuò)散進(jìn)展,降低機(jī)體吸收膽固醇的概率,并且可以提高機(jī)體中膽汁酸的占比,降低血脂,進(jìn)而直接降低機(jī)體罹患心血管病的概率[18];⑤DF可以有效降低腫瘤發(fā)生的概率.例如:DF表面的親水基團(tuán)可以通過吸收人體內(nèi)部的水分而發(fā)生膨脹,體積增大,促進(jìn)腸道蠕動(dòng),減輕便秘,從而有助于預(yù)防CRC[19];⑥D(zhuǎn)F會(huì)擁有一定的持水力和膨脹力,這樣可以使機(jī)體胃內(nèi)容物吸水膨脹,進(jìn)而減緩機(jī)體食物排空的速度,讓人降低饑餓感,同時(shí)還可以降低機(jī)體中脂類物質(zhì)與膽酸的反應(yīng),減小機(jī)體中脂肪進(jìn)行乳化的概率,因此人體小腸部分對(duì)脂類物質(zhì)不容易吸收,從而不易肥胖,促進(jìn)人體的健康[20].
圖1 膳食纖維的功能特性
1.2.1 腸道菌群
腸道菌群指定植于人體消化道內(nèi)的所有細(xì)菌(圖2),其在人體健康中發(fā)揮著非常重要的作用[21].腸道菌群可以提供許多宿主基因沒有編碼但是對(duì)人體健康至關(guān)重要的功能,如產(chǎn)生SCAFs、調(diào)節(jié)人體能量代謝[22].研究表明合理飲食的健康人體腸道內(nèi)擁有大約1 000多種細(xì)菌,其總數(shù)可以達(dá)到1014[23],為人體細(xì)胞數(shù)目的10倍之多,基因數(shù)更是高達(dá)人體的上百倍.腸道菌群容易被各種因素改變,如飲食、抗生素使用、個(gè)體基因型、免疫應(yīng)答或感染病原微生物[24],其中飲食成分的變化可迅速導(dǎo)致腸道菌群發(fā)生明顯的改變[25].此外,微生態(tài)學(xué)和營(yíng)養(yǎng)學(xué)的研究也表明[26,27],腸道菌群的結(jié)構(gòu)失調(diào)是許多慢性疾病(如結(jié)腸癌、糖尿病、炎癥、肥胖)由于飲食結(jié)構(gòu)不當(dāng)導(dǎo)致的代謝性疾病的直接誘因.1969年,Aries等[28]報(bào)道:機(jī)體中的腸道菌群能夠利用食物中的某些成分產(chǎn)生一些特殊的代謝產(chǎn)物,從而降低CRC的發(fā)病率.這些特殊代謝物的類型和數(shù)量,是由人類的飲食和腸道菌群的類型、數(shù)量及其代謝方式共同決定的.Aleksandar等[29]采用層序聚類分析以及全基因測(cè)序的研究顯示: CRC患者癌旁組織中腸道菌群的特征與腫瘤組織沒有太大的差異性,但是對(duì)于不同的CRC患者之間、患者與正常人之間的腸道菌群差異非常大,由此可以說明在CRC發(fā)生發(fā)展過程中構(gòu)成機(jī)體腸道微環(huán)境的腸道菌群發(fā)揮了重要作用.Sobhani等[30]采用了PCR技術(shù)以及焦磷酸鹽測(cè)序技術(shù)對(duì)健康人及CRC患者的糞便進(jìn)行了差異性分析,18個(gè)主要差異菌群中有5%可能與CRC相關(guān),并且與對(duì)照組相比,CRC組中擬桿菌門的水平顯著降低,由此可知CRC患者腸道微環(huán)境的差異與其腸道菌群有一定相關(guān)性.趙立平等[31]利用454焦磷酸測(cè)序技術(shù)分析了56例健康人和46例CRC患者的腸道菌群的差異,結(jié)果發(fā)現(xiàn)與普通擬桿菌(Bacteroidesvulgatus)相近的腸道細(xì)菌在健康人腸道中顯著升高;在CRC患者腸道中,與脆弱擬桿菌(Bacteroidesfragilis)相似的大腸桿菌(Escherichiacoli)、腸球菌(Enterococcus)、消化道鏈球菌(Peptostreptococcus)等11種細(xì)菌明顯增多,而羅氏菌屬(Roseburia)及毛螺菌科(Lachnospiraceae)等可以生成丁酸鹽的菌群明顯降低.由此可見,機(jī)體中的腸道菌群在CRC的形成發(fā)展過程中有著非常重要的意義.隨著現(xiàn)代科技水平的提高,腸道菌群已經(jīng)被公認(rèn)為是一種潛在的腫瘤治療工具[32].
圖2 人體腸道菌群[33]
1.2.2 腸道菌群的分類
正常人機(jī)體腸道內(nèi)的大部分細(xì)菌只分屬于少數(shù)幾個(gè)菌門,如厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、梭桿菌門(Fusobacteria).厚壁菌門和擬桿菌門在數(shù)量上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[34].隨著分子生物技術(shù)水平的不斷提高,人體腸道菌群大致可分為擬桿菌屬(Bacteroides)、普氏菌屬(Prevotella)及瘤胃球菌屬(Ruminococcus)3種.腸道菌群在人體消化道的不同區(qū)段內(nèi)均有一定量的分布,但不同的個(gè)體,腸道菌群的組成明顯不同,其中人體大腸是腸道菌群定植最集中的部位.
1.2.3 腸道菌群的功能
研究表明,腸道菌群具有以下幾種功能:(1)保護(hù)宿主免受外來菌感染:正常的腸道菌群通過建立相應(yīng)的屏障抵御外來微生物入侵;(2)參與宿主物質(zhì)能量代謝:腸道菌群的代謝將會(huì)產(chǎn)生多種酶,通過分解膽固醇、蛋白質(zhì)等物質(zhì)而為機(jī)體供能;(3)免疫功能:腸道菌群能夠通過刺激免疫系統(tǒng)、調(diào)節(jié)抗體水平、激活淋巴細(xì)胞而提高人體免疫力;(4)抗腫瘤:腸道益生菌具有吞噬細(xì)胞的功能,從而激活樹突狀細(xì)胞,進(jìn)而激活T細(xì)胞,提高機(jī)體免疫力,達(dá)到預(yù)防腫瘤的目的.同時(shí)益生菌能夠與腸道內(nèi)致癌物結(jié)合,通過機(jī)體代謝將其排出;(5)腸道菌群能夠有效預(yù)防基因突變.
人體腸道菌群多樣性是人體健康和代謝能力的標(biāo)志物之一,而DF的攝入與人體腸道菌群的多樣性密切相關(guān).在飲食結(jié)構(gòu)上比較相似的個(gè)體,其腸道菌群的結(jié)構(gòu)也大致相近[35].人們的關(guān)注焦點(diǎn)集中在糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)上,很容易忽略不易消化的碳水化合物(如DF),而DF可能成為被忽視的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)素.越來越多的研究表明,DF能夠影響人體腸道菌群的組成及豐度,同時(shí)能夠增強(qiáng)人體免疫力,促進(jìn)機(jī)體代謝速率.王芳[36]研究發(fā)現(xiàn)在廣西省居住于巴馬地區(qū)的百歲老人攝取DF的量明顯高于對(duì)照地區(qū)的長(zhǎng)壽老人,且DF可以顯著降低毛螺菌科(Lachnospiraceae)和擬桿菌目(Bacteroidales)的細(xì)菌豐度,增加瘤胃菌科(Ruminococcaceae)的細(xì)菌數(shù)量.So等[37]對(duì)2 099名健康人的糞便進(jìn)行了菌群分析,高DF組的受試人群的糞便中,雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、乳桿菌屬(Lactobacillus)的豐度增加,同時(shí)短鏈脂肪酸中——丁酸的濃度也增加.Sonnenburg 等[38]研究了在小鼠腸道內(nèi)移植人類腸道菌群后,發(fā)現(xiàn)如果在小鼠飲食中缺乏足夠的膳食纖維,其腸道菌群的多樣性會(huì)下降.由此可見富含DF的飲食可以對(duì)人體腸道菌群多樣性起到調(diào)節(jié)作用,并且有助于提高腸道菌群豐度.
慢性病(Noninfectious Chronic Disease,NCDs)全稱是慢性非傳染性疾病,是對(duì)一類病因復(fù)雜且不明確,病程較長(zhǎng)且久治不愈的疾病的統(tǒng)稱,其中結(jié)腸癌是最典型的慢性疾病.
結(jié)腸癌(colorectal cancer,CRC)作為惡性腫瘤,具有高發(fā)病率和致死率的特點(diǎn),是常見的癌癥疾病之一.Ezzie[39]的“二次打擊學(xué)說”認(rèn)為,宿主因素在腫瘤發(fā)生的易感性中起著非常關(guān)鍵的作用.近幾年CRC在中國(guó)的發(fā)病率也日益增加,預(yù)計(jì)未來幾年將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng),同時(shí)流行病學(xué)的研究數(shù)據(jù)表明,肥胖也會(huì)增加結(jié)腸癌的風(fēng)險(xiǎn)[40].
CRC等慢性疾病一旦發(fā)生,對(duì)人類的身心健康會(huì)造成巨大的危害.因此,從飲食結(jié)構(gòu)入手預(yù)防慢性疾病的發(fā)生越來越重要.
2.2.1 短鏈脂肪酸的研究概況
2.2.1.1 短鏈脂肪酸的定義及種類
短鏈脂肪酸(Short chain fatty acids,SCFAs)即揮發(fā)性脂肪酸,由1-6個(gè)碳原子組成,人體飲食中的抗性淀粉、纖維多糖、SDF等在結(jié)腸腔內(nèi)經(jīng)厭氧菌酵解即可生成[41],包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、己酸和異己酸[42].其中乙酸、丙酸和丁酸占SCFAs總量的95%,且乙酸的含量最高,約占SCFAs總量的70%~75%,丙酸的含量大于或等于丁酸[43].
2.2.1.2 短鏈脂肪酸的功能
SCFAs作為體內(nèi)重要的發(fā)酵產(chǎn)物,能發(fā)揮多種多樣的作用.乙酸是人體結(jié)腸上皮細(xì)胞的次要能量來源之一,也是肌肉和腦組織的能量來源之一[44],可以通過降低膽鹽的溶解度、增加礦物質(zhì)的吸收、減小氨的吸收從而降低機(jī)體內(nèi)結(jié)腸的pH,抑制病原體的生長(zhǎng).丙酸能降低結(jié)腸pH和血液中膽固醇的含量,減少肝脂肪的生成.丙酸還可以抑制CRC細(xì)胞的增殖、誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡、促進(jìn)機(jī)體飽腹感[45].丙酸還能夠增加結(jié)腸血流量和氧攝取,并有抗炎作用,是肝臟中膽固醇和脂肪酸生物合成的底物[46].而丁酸不僅可為人體小腸上皮細(xì)胞提供能量,還能抑制腫瘤細(xì)胞的分化、抑制癌變的結(jié)腸黏膜細(xì)胞增殖而發(fā)揮抗癌作用[47].
2.2.1.3 短鏈脂肪酸的酵解菌群
人體腸道細(xì)菌約有500~1 000種,研究發(fā)現(xiàn)健康人腸道內(nèi)產(chǎn)生SCFAs的菌屬大約有9種,其中98%以上屬于厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes),包括厚壁菌門的羅氏菌屬(Roseburia)、考拉桿菌屬(Phascolarctobacterium)、梭菌屬(Clostridium)、棲糞桿菌屬(Faecalibacterium)、布勞特氏菌屬(Blautia)、罕見小球菌屬(Micrococcus)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)和糞球菌屬(Coprococcus)以及擬桿菌門的擬桿菌屬(Bacteroides)[48](見表2).
2.2.2 膳食纖維經(jīng)腸道微生態(tài)途徑抑制結(jié)腸癌慢性疾病的作用機(jī)制
表2 腸道菌群的酵解產(chǎn)物
攝入大量DF可以有效預(yù)防CRC等慢性疾病,但其作用機(jī)制尚不明確.30多年前,BURKITT[49]注意到非洲高DF攝入量與低大腸癌發(fā)病率之間的關(guān)系.此后,DF與結(jié)直腸疾病之間的關(guān)系得到了深入研究.但是對(duì)于DF可以降低結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展的真實(shí)性并沒有形成一致的意見.雖然一些研究表明DF與CRC沒有關(guān)聯(lián),但歐洲癌癥與營(yíng)養(yǎng)前瞻研究學(xué)會(huì)報(bào)道了DF的攝入量與CRC呈線性相關(guān)的關(guān)系[50],這項(xiàng)研究根據(jù)攝入的DF的高低將受試人群分成5組,在攝入量最高的組別和攝入量最低的組別中調(diào)整其他因素后的相對(duì)危險(xiǎn)度RR為0.58(95% CI:0.41-0.85),研究發(fā)現(xiàn)高DF人群中罹患CRC的風(fēng)險(xiǎn)性降低了40%.徐銳等[51]采用前瞻性隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn),選取一定數(shù)量的CRC患者,并且已經(jīng)通過手術(shù)得到根治,在術(shù)后選取不同的時(shí)間點(diǎn)給予他們定量的DF,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在這些CRC患者中,如果在術(shù)后早期給予DF,可以增強(qiáng)患者機(jī)體的免疫力、降低炎癥反應(yīng).
DF經(jīng)腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生SCFAs,SCFAs可以降低人體腸道內(nèi)的pH,同時(shí)可以起到消炎殺菌的作用[52].SCFAs中的丁酸含量較高,可以通過降低亞硝酸鹽等致癌物的毒性起到預(yù)防CRC的作用.劉鵬[53]用丁酸鈉干預(yù)體外培養(yǎng)的人結(jié)腸癌細(xì)胞SW620,發(fā)現(xiàn)丁酸鈉能有效抑制SW620的增殖.Cassiody等[54]發(fā)現(xiàn)腸道菌群能夠利用進(jìn)入人體的DF,使得丁酸鹽的含量升高,從而預(yù)防了CRC的發(fā)生.Niba[55]發(fā)現(xiàn)了丁酸還可以促進(jìn)腸道中谷胱甘肽轉(zhuǎn)換酶的生成.一項(xiàng)基于核磁共振的代謝組學(xué)分析表明,SCFAs的腔內(nèi)濃度與結(jié)腸中Treg細(xì)胞的數(shù)量呈一定得正相關(guān)性[56].在另一項(xiàng)研究中同樣用DF喂養(yǎng)高脂飲食的小鼠,喂養(yǎng)16周后發(fā)現(xiàn)這些小鼠均表現(xiàn)出與血脂相關(guān)的細(xì)胞因子的改善和炎癥因子的減少,同時(shí)這些小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)丁酸、乙酸、丙酸的含量是增加的[57].此外,相關(guān)性分析表明,腸道菌群在一定程度上通過產(chǎn)生SCFAs來維持結(jié)腸的完整性.
經(jīng)腸道菌群發(fā)酵后的DF也可以促進(jìn)人體腸道菌群的生長(zhǎng).首先腸道菌群的能量主要來源于腸道內(nèi)DF的發(fā)酵,Zhai等[58]發(fā)現(xiàn)當(dāng)攝入的DF充足時(shí),腸道中對(duì)人體有益的微生物(例如雙歧桿菌(Bifidobacterium))會(huì)增加,從而促進(jìn)維生素B、K的生成,并降低機(jī)體中有害菌的生長(zhǎng);而且雙歧桿菌(Bifidobacterium)含有N-亞硝胺降解酶可降解亞硝胺,進(jìn)而降低CRC的發(fā)生率;雙歧桿菌(Bifidobacterium)還可以降低偶氮還原酶、β-葡萄糖苷酶等酶的活性,這些酶均可以轉(zhuǎn)化生成人體中的致癌物,從而引起CRC的發(fā)生發(fā)展.動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,豆渣[59]、谷物[60]、紅棗[61]等食物中所含的DF都能夠促進(jìn)腸道益生菌例如乳桿菌、雙歧桿菌等在腸道中的增殖,同時(shí)可以抑制腸道有害菌例如腸球菌、腸桿菌等的增殖.余有貴等[62]在研究菌質(zhì)SDF時(shí),發(fā)現(xiàn)隨著DF濃度的提高,腸道菌群在體外生長(zhǎng)過程中有害菌抑制率提高、有益菌被促進(jìn)生長(zhǎng)的效果增強(qiáng).
DF、腸道菌群與CRC等慢性疾病三者關(guān)聯(lián)密切,DF經(jīng)腸道微生態(tài)途徑抑制結(jié)腸癌等慢性疾病已得到大量科學(xué)研究的證實(shí),因此DF的重要性引起了大家的關(guān)注,DF是人體健康必不可少的重要營(yíng)養(yǎng)素,其資源豐富,價(jià)格低廉,因此有著廣泛的應(yīng)用前景,例如干預(yù)食品的加工制作或者生產(chǎn)相關(guān)保健品等等.國(guó)外DF食品的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)較為普遍,而我國(guó)對(duì)于DF的研究與開發(fā)與國(guó)外還有一定的差距.此外,綜合目前的研究進(jìn)展而言,發(fā)現(xiàn)DF的范圍非常廣,其中究竟是哪種成分能夠很好的預(yù)防慢性疾病尚不清楚.因此,對(duì)DF研究不能僅限于來源,應(yīng)進(jìn)一步分析其成分及各成分比例,這仍需要做更多的研究來證實(shí).同時(shí),對(duì)于DF能否真正地降低結(jié)腸癌、糖尿病等慢性疾病的發(fā)病率及其作用機(jī)制有待進(jìn)一步探討.