郭 帥,孟和畢力格
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 乳品生物技術(shù)與工程教育部重點實驗室 呼和浩特 010018)
腸道是維持腸道內(nèi)環(huán)境平衡和阻礙致病菌繁殖及毒素產(chǎn)生的先天性屏障,對于維持免疫系統(tǒng)和微生物群之間的健康關(guān)系至關(guān)重要。在人體腸道中存在著大量微生物,包括細菌、真核生物、病毒和古細菌[1-2],其中胃腸道內(nèi)的細菌被稱為“腸道微生物群”[2-4]。隨著基因組測序技術(shù)的發(fā)展,微生物群對人類健康的貢獻變得更加明顯。近年來,越來越多的研究表明腸道微生物群通過宿主-微生物和微生物-微生物相互作用,來調(diào)節(jié)和維持胃腸道健康,如腸道微生物群可調(diào)節(jié)宿主的多種生理過程,包括代謝和營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)、免疫和腸道平衡[5-7]。
近年來各國的腸道疾病如炎癥性腸?。↖BD)、腸易激綜合征(IBS)、結(jié)直腸癌(CRC)等患病率不斷攀升,已嚴重影響人們的生活質(zhì)量。研究表明益生菌具有調(diào)節(jié)腸道微生物群,降低腸道炎癥等功能特性,可以改善健康狀況和預防腸道疾病[8]。然而,也有新的科研證據(jù)指出,益生菌的益生功效不一定和活菌有直接關(guān)系,活菌的代謝產(chǎn)物和菌體成分可能是促進健康的重要推手[9-10],使得后生元(即益生菌的組分和/或代謝產(chǎn)物)作為潛在益生菌替代物成為新的研究方向[11]。
本文結(jié)合國內(nèi)外最新研究內(nèi)容,概述后生元的種類及其在改善健康狀況和預防疾病方面的潛在有益應(yīng)用,重點綜述后生元在預防腸道疾病中的生物學作用以及在臨床應(yīng)用中的最新進展,這對未來后生元在疾病預防中的應(yīng)用具有重要意義。
益生菌是眾所周知的非致病微生物,當攝入足夠量時,會對宿主的健康產(chǎn)生有益的影響。越來越多的證據(jù)表明,由活細菌分泌或細菌裂解后釋放的可溶性因子(產(chǎn)物或代謝副產(chǎn)物)也可為益生菌提供額外的生物活性,通過與宿主細胞相互作用,從而為宿主提供局部(腸上皮)和全身(脂肪組織、肝臟、循環(huán))的積極作用[12-14]。其中,短鏈脂肪酸(SCFA)、維生素、有機酸等代謝產(chǎn)物以及磷壁酸、胞外多糖(EPS)等細胞組分已經(jīng)在體內(nèi)外模型中被研究過,并且證明可以給人體健康帶來益處[15]。研究人員將這些滅活的益生菌細胞(死亡細胞)、細胞組分(肽聚糖衍生的微肽、磷壁酸、內(nèi)外多糖和細胞表面蛋白)或細胞代謝物(短鏈脂肪酸、酶、細菌素和有機酸)等益生菌細胞的非活性部分命名為“postbiotic”,中文名為后生元[16]。盡管后生元對人體健康有益的機制尚未完全闡明,但科學數(shù)據(jù)已經(jīng)表明后生元具有保護上皮屏障、抗腫瘤、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)等益生功能,當宿主攝入足量時,可賦予各種生理健康益處[15]。后生元可以積極影響微生物群體內(nèi)平衡和(或)宿主代謝和信號通路,從而影響特定的生理、免疫、調(diào)節(jié)和代謝功能[17]。此外,后生元還具有明確的化學結(jié)構(gòu)、良好的安全特性、無毒性、較長的保存期和穩(wěn)定性等特性,其應(yīng)用已經(jīng)成為功能食品領(lǐng)域中一個非常重要的方向。
由益生菌菌株分泌的不同成分如蛋白質(zhì)、肽、有機酸和其它小分子已被報道具有多種益生功效,這些成分通過調(diào)節(jié)宿主細胞代謝途徑為宿主提供益處。圖1 為后生元種類及其相關(guān)的益生作用。
圖1 后生元種類及其潛在健康益處[18]Fig.1 The categories of postbiotics and their potential health benefits[18]
1.2.1 細胞壁成分 大量研究表明益生菌細胞壁含有較多對人體健康有益處的成分(圖2)。肽聚糖(PGN)是所有細菌細胞壁的基本成分,在脂多糖(LPS)刺激的巨噬細胞模型中,研究者發(fā)現(xiàn)來自各種乳酸菌種類的PGN 具有阻止炎癥細胞因子釋放的重要能力[19]。Desrouillères 等[20]的研究證實蔓越莓果汁組分結(jié)合益生菌細胞壁成分可以作為一種有效的預防CRC 的功能化合物,并且蔓越莓組分結(jié)合益生菌細胞壁成分與單獨的蔓越莓成分相比對結(jié)腸癌細胞HT-29 有更有效的抑制作用。有趣的是,Kim 等[21]發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌脂磷壁酸(pLTA)也可顯著抑制TNF-α 誘導HT-29 腸上皮細胞(IEC)的炎癥反應(yīng),pLTA 通過調(diào)節(jié)細胞因子介導的免疫反應(yīng),抑制腸道炎癥及維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。此外,Kim 等[14]在對豬腸道上皮細胞系進行研究時發(fā)現(xiàn),pLTA 在抗炎癥反應(yīng)方面具有顯著潛力。另外,在不激活相關(guān)促炎細胞因子IL-1β、IL-8 和IL-12p40 的情況下,鼠李糖乳桿菌MLGA的PGN 可誘導雞外周血單核細胞和脾細胞中β-防御素-9 的表達來增強先天防御反應(yīng)而不引發(fā)免疫細胞的炎癥反應(yīng),這說明鼠李糖乳桿菌MLGA 的PGN 具有誘導抗菌肽在機體內(nèi)免疫防御的功能,有效避免了炎癥反應(yīng)帶來的有害風險[22]。也有研究證實鼠李糖乳桿菌CRL1505 的PGN 可以調(diào)節(jié)炎癥細胞因子和調(diào)節(jié)性細胞因子之間的平衡,清除肺炎球菌并且改善炎癥組織損傷[23]。
圖2 益生菌細胞壁成分示意圖[24]Fig.2 Schematic representation of probiotics' cell-wall constituents[24]
1.2.2 胞外多糖 胞外多糖(EPS)是微生物以緊密結(jié)合的包膜或松散附著的黏液層的形式分泌出來的胞外大分子。許多細菌雖具有合成和分泌EPS 的能力,但EPS 的組成、結(jié)構(gòu)和功能各不相同。近年來,微生物EPS 因其潛在治療活性而受到廣泛關(guān)注。研究表明,EPS 可為宿主提供許多益處,包括調(diào)節(jié)免疫、抗癌、抗氧化以及降低血糖/膽固醇和高血壓等多種生理功能。Xiu 等[25]在小鼠皮下注射干酪乳桿菌EPS 后發(fā)現(xiàn),EPS 可通過增加血清抗體數(shù)量、T 細胞增殖能力、增強細胞因子表達和調(diào)控樹突狀細胞成熟來促進體液和細胞免疫應(yīng)答。此外,戊糖乳桿菌LZ-R-17 的EPS 通過提高RAW264.7 巨噬細胞的活力、增強吞噬能力、提高巨噬細胞的活性,從而促進NO、TNF-α、Il-1β、IL-6 和IL-10 的分泌,顯示出顯著的免疫刺激活性[26]。同時,Liu 等[27]從副干酪乳桿菌NTU 101 和植物乳桿菌NTU 102 中分離得到的EPS 可促進巨噬細胞的生長,并誘導小鼠巨噬細胞RAW264.7細胞產(chǎn)生促炎癥反應(yīng)。此外,由于益生菌EPSs 產(chǎn)生的副作用較少,大量學者推測該物質(zhì)可能作為新型抗癌劑的重要來源[28]。Zhou 等[29]研究表明,植物乳桿菌NCU116 的EPS 可通過介導小鼠腸上皮癌細胞凋亡的toll 樣受體-2(TLR-2)進而提高促凋亡基因Fas、FasL 和c-Jun 的表達,而且副干酪乳桿菌的EPS 也被證明可誘導結(jié)腸癌細胞凋亡[30]。2019 年,Ale 等[31]將發(fā)酵乳桿菌Lf2 的EPS提取物與酸奶聯(lián)合灌胃BALB/c 小鼠,發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸如醋酸鹽和丁酸鹽濃度增加。眾所周知,這些脂肪酸是腸道微生物產(chǎn)生的揮發(fā)物,具有良好的腸道抗炎特性。London 等[32]的一項研究表明,使用產(chǎn)生EPS 的益生菌進行飲食干預,可通過降低血清膽固醇和甘油三酯(TG)濃度來調(diào)節(jié)動脈粥樣硬化小鼠模型的脂質(zhì)代謝,從而改善小鼠的脂質(zhì)代謝。
1.2.3 表層蛋白 表層蛋白(Surface layer protein,SLP)是許多細菌及古生菌細胞壁表面所包被的生物活性大分子,可參與調(diào)節(jié)細胞各種生理生化過程。近年來,多種乳酸菌的SLP 已被證實在抗菌活性中發(fā)揮作用。Li 等[33]研究表明,嗜酸乳桿菌ATCC 4356 的SLP 通過抑制鼠傷寒沙門氏菌誘導的Caco-2 細胞凋亡,并降低鼠傷寒沙門氏菌誘導的細胞外信號調(diào)節(jié)激酶1 和2(ERK1/2)磷酸化,通過誘導細胞增殖和分化介導細胞凋亡。此外,嗜酸乳桿菌NCFM 的SLP 被證明可以與樹突狀細胞(DC)的C 型凝集素受體(CLRs)結(jié)合,發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)信號,減輕炎癥疾病癥狀,增強腸道屏障功能,從而緩解小鼠結(jié)腸炎癥[34-35]。另外,Rabah等[36]報道了從費氏丙酸桿菌中分離出的SLP 通過減少HT-29 細胞上TNF-α 的分泌來調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。也有研究證實瑞士乳桿菌MIMLh5 菌株來源的SLP 可降低NF-κB 的活性,并對腸上皮細胞Caco-2 產(chǎn)生抗炎作用[37]。同時,來自植物乳桿菌的SLP 也被報道可保護腸致病性大腸桿菌誘導的腸上皮細胞損傷[38]。
1.2.4 細胞培養(yǎng)上清 益生菌細胞培養(yǎng)的上清液(CFS)中包含有機酸、短鏈脂肪酸、細菌素等活性物質(zhì),已有大量研究表明益生菌CFS 對人體健康有促進作用。Bermudez-Brito 等[39]用鼠李糖乳桿菌CNCM I-4036 及其CFS 處理大腸桿菌攻擊的人樹突狀細胞(DC)。結(jié)果表明,在用活鼠李糖乳桿菌處理的細胞中,促炎細胞因子如白細胞介素-1β、白細胞介素-6、白細胞介素-8 和白細胞介素-12p70 的水平高于用CFS 處理的細胞,并且CFS在減少促炎細胞因子的分泌方面比益生菌更有效。短雙歧桿菌CNCM I-4035 的CFS 通過激活TLR 減少傷寒沙門氏菌攻擊的樹突狀細胞中促炎細胞因子的產(chǎn)生,從而保護機體免受高傳染性病原體如傷寒沙門氏菌的感染[40]。Marco 等[41]為了證實5 株益生菌菌株(嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、乳酸乳球菌、羅伊氏乳桿菌和布拉氏酵母菌)的CFS對HT29 上皮細胞的抗炎作用,使用了從巨噬細胞中分化的離體人單核細胞,對CFS 的抗炎活性進行了研究。結(jié)果表明,CFS 不僅能夠下調(diào)人結(jié)腸上皮細胞HT-29 中PGE-2 和IL-8 的表達,對人巨噬細胞產(chǎn)生IL-1β、IL-6、TNF-α 和IL-10 也有不同程度的調(diào)節(jié)作用,表現(xiàn)出其獨特的抗炎活性。此外,研究發(fā)現(xiàn)鼠李糖乳桿菌CFS 對患有阻塞性睡眠呼吸暫停的肥胖小鼠有心臟保護作用[42],并且對急性酒精誘導的肝脂肪變性和損傷也有保護作用[43]。此外,CFS 還具有顯著的抑菌功效,含細菌素的乳酸菌CFS 對不同食物基質(zhì)中單增李斯特菌的生長有顯著的抑制功效,而且羅伊氏乳桿菌AN417 的CFS 也被用作新型抗口腔致病菌的抗菌劑[44]。
炎癥性腸病(IBD)已經(jīng)成為21 世紀全球發(fā)病率不斷上升的胃腸道慢性炎癥性疾病,它是由遺傳易感性、環(huán)境和微生物因素驅(qū)動的慢性免疫介導的腸道炎癥,其會損害胃腸器官的功能,導致腹痛、持續(xù)腹瀉、痙攣、體重減輕、直腸出血和疲勞等[45-46]。IBD 可以發(fā)生于任何年齡,通常多發(fā)生于成年早期,并且各年齡段的患病率均持續(xù)上升,其臨床特征在個體之間也存在很大差異,包括疾病的位置、疾病的活動和行為。目前IBD 的臨床表現(xiàn)主要包括潰瘍性結(jié)腸炎(Ulcerative colitis,UC)和克羅恩病(Crohn's disease,CD)兩種類型[47]。
為探究IBD 患者腸道代謝物的變化,F(xiàn)ranzosa等[48]對IBD 患者糞便進行非靶向代謝組測定,結(jié)果表明IBD 患者體內(nèi)許多已確定的微生物代謝物含量顯著降低,其中一些代謝物和相關(guān)物種被發(fā)現(xiàn)具有抗炎作用,因此被認為是具有保護作用;另一方面,在IBD 患者中富集的促炎細菌代謝物和物種被認為是IBD 的病因。Thakur 等[49]通過用熱滅活益生菌干酪乳桿菌Lbs2 處理IBD 小鼠,發(fā)現(xiàn)小鼠結(jié)腸組織中IL-12、TNF-α 和IL-17A 水平明顯降低,而對效應(yīng)T 細胞的增殖有抑制作用的IL-10 和TGF-β 水平升高,最終緩解了小鼠結(jié)腸炎癥狀。此外,益生菌的細胞壁內(nèi)容物通過限制免疫炎癥和氧化應(yīng)激來保護LPS 誘導的小鼠結(jié)腸炎[50]。益生菌干酪乳桿菌DN-114 001 的溶解產(chǎn)物也可通過增強腸道屏障功能和改變腸道微環(huán)境來緩解結(jié)腸炎[51]。
研究表明許多益生菌及其CFS 具有較強的的抗炎活性,同時,其活性成分也被證明在治療炎癥方面發(fā)揮著重要的作用。丁酸鹽是一種四碳短鏈脂肪酸,具有抗癌和抗炎作用,并且丁酸鹽對結(jié)腸黏膜健康的影響已被廣泛研究。丁酸鹽可以通過抑制組蛋白去乙?;竵碚T導影響結(jié)腸功能的基因表達[52]。體外試驗表明,丁酸鹽還可以通過抑制NF-κB、激活和上調(diào)PPARγ 來減少炎癥反應(yīng)[53]。除短鏈脂肪酸可以緩解炎癥水平外,Schirmer 等[54]發(fā)現(xiàn)色氨酸代謝水平降低也與IBD 中上皮屏障受損有關(guān)。色氨酸可以被細菌轉(zhuǎn)化為具有生物活性的含有吲哚的分子,激活芳香烴受體并下調(diào)炎癥[55]。幾種消化鏈球菌代謝色氨酸產(chǎn)生代謝物吲哚丙烯酸(IA),可以促進黏液產(chǎn)生并抑制炎癥細胞因子的產(chǎn)生,從而促進腸上皮屏障功能,并通過免疫細胞緩解炎癥反應(yīng)。同時宏基因組顯示IBD 患者腸道中的吲哚丙烯酸的生物合成基因簇減少,從而可能導致屏障功能障礙[56]。此外,國外學者通過將代謝組學與微生物分類群分析相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)與疾病相關(guān)的微生物和代謝產(chǎn)物之間有很強的相關(guān)性,顯示膽汁酸、鞘脂和色氨酸水平顯著提高[48,57-58]。研究發(fā)現(xiàn),通過調(diào)節(jié)微生物代謝物?;撬?、組胺和精胺的水平,可以改變腸道炎癥和對葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導的結(jié)腸炎的臨床反應(yīng),這突出了微生物代謝物的潛在臨床相關(guān)性[59]。
腸易激綜合征(IBS)是一種常見的功能性胃腸疾病,以腹痛和排便習慣改變?yōu)樘卣?,對患者的生活質(zhì)量造成極大的影響。據(jù)估計,全球IBS 的患病率非常高,在所有年齡的個體中占11%。而且不同國家的患病率也不相同。研究發(fā)現(xiàn),女性的IBS患病率顯著高于男性,根據(jù)Rome IV 標準,IBS 臨床可分為便秘(IBS-c)、腹瀉(IBS-d)、混合型(便秘和腹瀉)IBS(IBS-m)和非發(fā)生型IBS(IBS-u)4個亞組[60-61]。然而,由于IBS 的病因具有不確定性,目前仍缺乏有效的治療手段,因此,闡明IBS 的機制,并建立行之有效的治療方法是十分必要的。在之前的研究中,許多因素被認為是導致IBS 的原因,包括運動性異常、內(nèi)臟感覺過敏、腦腸軸相互作用、腸道菌群改變、腸道通透性改變、免疫激活和心理社會壓力等[62]。
Oka 等[60]對443 名IBS 患者進行了一項為期8 周的雙盲、安慰劑對照試驗,旨在評估非活性熱滅活雙歧桿菌MIMBb75 在治療IBS 及其癥狀中的療效。研究發(fā)現(xiàn),接受非活性熱滅活雙歧桿菌MIMBb75 患者的IBS 癥狀有更大的緩解,包括腹痛、腹脹、不適、與排便相關(guān)的疼痛和排便頻率。此外,在治療結(jié)束時,與安慰劑相比,反映整體治療成功的幾個重要參數(shù)也有顯著改善,包括與健康相關(guān)的生活質(zhì)量、IBS 癥狀評分和整體癥狀緩解。Wang 等[63]研究發(fā)現(xiàn)鼠李糖乳桿菌CFS 可上調(diào)腸上皮細胞和小鼠腸組織SERT mRNA 和SERT-P水平,從而緩解IBS 的癥狀。Seong 等[64]用熱滅活干酪乳桿菌DKGF 7 治療IBS 模型大鼠,與對照組比較,發(fā)現(xiàn)治療組血清皮質(zhì)酮水平降低,結(jié)腸炎癥細胞因子水平降低,上皮中緊密連接蛋白(TJPs)表達升高,治療組的糞便稠度評分均顯著高于對照組。此外,Mars 等[65]對IBS 患者的糞便代謝物進行測定,發(fā)現(xiàn)IBS-c 患者糞便樣本中短鏈脂肪酸丙酸、丁酸和乙酸含量明顯低于健康對照組。與健康對照組相比,IBS-c 組結(jié)腸黏膜活檢樣品中的乙酸鹽也顯著降低。另外,IBS-c 患者的糞便樣本中的賴氨酸、尿嘧啶和次黃嘌呤均顯著降低。次黃嘌呤可作為腸上皮細胞的能量來源,并促進損傷或缺氧后腸細胞屏障的發(fā)育和恢復[66-67]。IBS-c 患者的糞便樣本中較低的次黃嘌呤水平可能反映了IBS 患者腸道微生物組對次黃嘌呤的產(chǎn)生減少或分解增加。在另一項研究中,Ponnusamy等[68]發(fā)現(xiàn)IBS 患者的氨基酸和酚類化合物顯著增加。
結(jié)直腸癌(CRC)是世界上最常見的惡性腫瘤類型之一,每年約有100 萬新發(fā)病例,超過55 萬人死亡,是全球發(fā)病率和死亡率最高的癌癥之一[69-70]。雖然已經(jīng)進行了廣泛的研究,但CRC 的確切原因和發(fā)病機制尚不完全清楚。據(jù)估計,45%的CRC 可以通過改變食物、營養(yǎng)、生活方式和體育活動等環(huán)境因素來預防。越來越多的證據(jù)表明,腸道微生物及其代謝產(chǎn)物可以通過治療腸道失調(diào)、改善免疫系統(tǒng)來抑制癌癥發(fā)生和腫瘤進展,而且還影響抗癌治療的效果(圖3)[71-73]。
圖3 后生元在抗癌治療中的作用[16]Fig.3 Role of postbiotics in anti-cancer therapy[16]
Miyamoto 等[74]證明滅活糞腸桿菌EC-12 對DSS 誘導的小鼠結(jié)腸炎和Apc 突變小鼠的小腸癌形成有保護作用。An 等[75]的結(jié)果表明植物乳桿菌CFS 可以提高5-氟尿嘧啶(5-FU)對結(jié)腸癌的治療效果,并通過逆轉(zhuǎn)抗癌藥物的耐藥性而減少CRC 干細胞樣細胞,這意味著益生菌代謝物可能是治療耐藥大腸癌的有效的生物治療藥物。同時,Chuah 等[76]發(fā)現(xiàn)6 株植物乳桿菌產(chǎn)生的代謝物對惡性腫瘤細胞具有選擇性細胞毒作用,對腫瘤細胞具有特異性的抗增殖作用和誘導凋亡作用,而對正常細胞不產(chǎn)生影響,該研究揭示了植物乳桿菌代謝物作為功能補充和輔助治療癌癥的巨大潛力。
最近的研究表明丁酸鹽是纖維發(fā)酵過程中腸道微生物最豐富的代謝物之一,具有抑制炎癥和CRC 的作用,它是結(jié)腸細胞的主要能量來源,通過在免疫、基因表達和表觀遺傳調(diào)控中發(fā)揮作用,進而維持上皮完整性,抑制炎癥和癌癥[77]。丁酸可以直接進入細胞核,抑制組蛋白去乙?;傅谋磉_,導致短鏈?;o酶A 脫氫酶(SCAD)水平降低,這是催化線粒體丁酸氧化的主要過程。該過程減少了丁酸在CRC 細胞中的自氧化作用,使丁酸在癌細胞中積累,從而抑制CRC 的發(fā)展[78-79]。丁酸是研究最多的短鏈脂肪酸,可作為組蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制劑,抑制癌細胞增殖,觸發(fā)細胞死亡[80]。除了短鏈脂肪酸,乳酸菌細胞質(zhì)提取物和細胞壁成分對LT-97 和HT-29 癌細胞株具有抑制作用,促進凋亡反應(yīng),抑制細胞周期在S 期進展[81]。此外,植物乳桿菌70180 的EPS 已被報道對結(jié)腸癌細胞具有一定的抗腫瘤活性[82]。另外,一項動物實驗表明,煙酸可以通過激活GPR109a 來預防小鼠結(jié)腸炎和CRC,其確切的分子機制還有待進一步研究[83]。
隨著人們對腸道健康更深入的認知,益生菌對腸道疾病預防和治療作用也被人們所認識,然而,益生菌的耐藥性等安全性問題也逐漸引起人們的關(guān)注??茖W研究表明,后生元具有保護上皮屏障、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)和對病原體的拮抗作用等功能,并且和益生菌相比,后生元具有很好的吸收性、代謝性、化學結(jié)構(gòu)清晰和劑量參數(shù)安全等優(yōu)勢,已引起研究者的極大興趣。根據(jù)該綜述中顯示的研究,后生元對IBD、IBS、CRC 等疾病具有很好預防作用,而且沒有任何嚴重的不良副作用,可以作為預防腸道疾病患者有效的工具。盡管對后生元與腸道疾病進行了大量研究,但是仍需要更加可靠的臨床應(yīng)用進一步研究和探討其作用機制,從而揭示后生元在未來研究中的巨大潛力。同時,也為開發(fā)具有特定生理作用的食品開辟道路。