張璐芳,肖輝,趙麗,劉澤婷,劉晨喆*

1(北京體育大學(xué) 運動人體科學(xué)學(xué)院,北京,100084)2(北京體育大學(xué) 中國足球運動學(xué)院,北京,100084) 3(北京體育大學(xué) 體育工程學(xué)院,北京,100084)

運動的強度和持續(xù)時間是免疫反應(yīng)產(chǎn)生積極或消極影響的關(guān)鍵因素。規(guī)律性的短時間中低強度運動有利于增強機體免疫力,改善免疫反應(yīng)[1]。而短時間或長時間的劇烈運動則會使免疫細胞功能暫時性下降,各種細菌、微生物、病毒等趁機而入,稱為運動性免疫抑制[2]。此外,劇烈的運動可能增加運動員上呼吸道感染(upper respiratory tract infection,URTI)的發(fā)生率,損傷黏膜屏障,進而對運動表現(xiàn)產(chǎn)生負面影響[3]。唾液中的分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A,SIgA)作為一個預(yù)測因子,其水平下降與運動員發(fā)生URTI的風(fēng)險相關(guān)[4]。一些細胞因子,如白細胞介素4(interleukin-4,IL-4)和IL-10的升高也是體力活動個體發(fā)生URTI的危險因素[5]。研究發(fā)現(xiàn),提高對URTI的抵抗力為運動員進行高水平訓(xùn)練和在比賽中正常發(fā)揮提供了重要保障[6]。因此,提高運動員的機體免疫功能成為運動營養(yǎng)專家關(guān)注的重點[7]。

多項研究證明,運動、腸道微生物群和飲食之間存在密切關(guān)系[8],適當(dāng)?shù)娘嬍晨梢愿纳苿×疫\動后的免疫抑制[9]。研究發(fā)現(xiàn)補充礦物質(zhì)(鋅和鐵)和維生素(脂溶性維生素A和水溶性維生素C)對免疫功能具有調(diào)節(jié)作用,但過量使用反而會損傷免疫功能或?qū)C體造成其他危害[10]。因此,找到安全有效的補劑至關(guān)重要。近年來益生菌、益生元和合生元受到廣泛關(guān)注。合生元被定義為由活微生物和底物組成的混合物[11],包含益生菌和益生元2種成分。益生菌是嚴(yán)格挑選的微生物活菌株,以足夠數(shù)量使用時,會給宿主帶來健康益處[12]。雙歧桿菌屬和乳桿菌屬是兩類常見的益生菌。益生元可被微生物用作食物,同時對宿主的健康產(chǎn)生有益的影響[13]。常見的益生元成分是菊粉、低聚果糖(fructo oligosaccharide,FOS)、低聚半乳糖(galactooligosaccharides,GOS)、低聚木糖(xylooligosaccharides,XOS)和β-葡聚糖。益生菌通過選擇性地將有益微生物定植到胃腸道直接影響腸道微生物組成,而益生元的添加可以促進益生菌的定植和生長,延長其在體內(nèi)的存活[14]。研究發(fā)現(xiàn),合生元可以通過調(diào)節(jié)腸道微生物及其代謝產(chǎn)物改善黏膜免疫,或直接與免疫細胞上的Toll樣受體相互作用,調(diào)節(jié)樹突狀細胞來增強機體免疫功能[15]。近年已有一些合生元作為重要的營養(yǎng)補劑應(yīng)用于運動領(lǐng)域,其對運動員的免疫功能具有一定改善作用[16]。但由于實驗對象、補劑種類和補劑時間等因素的差異,合生元增強免疫功能的結(jié)論并不一致(表1)。本文綜述了運動性免疫抑制的原因、合生元改善此現(xiàn)象的效果及可能機制,旨在為運動訓(xùn)練中補充合生元提供理論依據(jù)。

表1 合生元對免疫功能的影響Table 1 Effect of synbiotics on immune function

續(xù)表1

1 運動性免疫抑制及其原因

1.1 高強度運動后免疫細胞功能下降及炎癥因子變化

T淋巴細胞(T細胞)在協(xié)調(diào)運動性免疫抑制中發(fā)揮重要作用,其可以根據(jù)極化導(dǎo)致的表型特征分為3個亞組,即1型(T helper 1 cell,Th1)、2型(Th2)和調(diào)節(jié)性T細胞(regulatory T cells,Tregs)。每個T細胞亞群具有獨特的功能作用,Th1產(chǎn)生促炎因子、Th2和Tregs產(chǎn)生抗炎細胞因子以應(yīng)對免疫挑戰(zhàn)。Th1和Th2是相互抑制的,任何一種的上調(diào)或下調(diào)都可能導(dǎo)致免疫反應(yīng)失衡[17]。長時間的劇烈運動通常會降低外周血Th1細胞,升高Th2和Tregs細胞數(shù)量,增強機體抗炎作用,但同時也抑制了精英運動員的免疫力,使其更容易受到感染[18]。另外,運動導(dǎo)致激素的變化也會影響T細胞。研究發(fā)現(xiàn),兒茶酚胺會顯著影響外周血T細胞的數(shù)量,糖皮質(zhì)激素和前列腺素E2可以促進T細胞產(chǎn)生抗炎細胞因子[19]。綜上所述,劇烈的運動使免疫細胞功能減弱,降低免疫系統(tǒng)對病原體的防御能力,增加感染和病毒再激活的風(fēng)險。

長時間的劇烈運動通常會降低外周血Th1細胞數(shù)量及其產(chǎn)生促炎細胞因子干擾素γ、IL-1β、IL-6、IL-8和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)的能力[20]。大負荷運動與靜息外周血Th2和Tregs細胞數(shù)量升高有關(guān),抗炎細胞因子IL-4、IL-10和轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)產(chǎn)生增多[21]。IL-10是一種免疫調(diào)節(jié)細胞因子,對炎癥反應(yīng)具有抑制作用,是影響炎癥功能的核心因子。急性運動對T細胞產(chǎn)生IL-10的影響仍存在爭議。在全血和外周血單核細胞培養(yǎng)物中,IL-10增加、減少或不變的結(jié)果均有報道,而且由于運動方案和分析技術(shù)的不同很難得到一致的結(jié)論。此外,研究發(fā)現(xiàn)與低訓(xùn)練負荷相比,高訓(xùn)練負荷使全血IL-4和IL-10產(chǎn)生增多[22]。IL-10水平上升與IL-4的產(chǎn)生、Tregs細胞增多、唾液IgA分泌率和濃度降低有關(guān)[23]。因此,IL-4、IL-10和TGF-β的增多可能下調(diào)了細胞介導(dǎo)的免疫力,從而增加了URTI的風(fēng)險[24]?？偠灾?當(dāng)進行高負荷訓(xùn)練時Th1被抑制,免疫分子水平呈負性變化,進而削弱對感染(尤其是病毒)和病毒再激活的防御能力,導(dǎo)致機體產(chǎn)生運動性免疫抑制。

1.2 高強度運動影響?zhàn)つっ庖叻€(wěn)態(tài)

1.2.1 高強度運動影響呼吸道黏膜免疫

支氣管黏膜表面不斷暴露于各種抗原或過敏原,包括致病細菌或病毒,其相關(guān)淋巴組織屬于共同黏膜免疫系統(tǒng)的免疫結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),是免疫系統(tǒng)的重要組成部分。唾液中含有黏液、SIgA和體液先天免疫蛋白,如乳鐵蛋白、溶菌酶和防御素[25]。唾液及其各種成分與上皮細胞一起形成了物理和化學(xué)屏障,以防止呼吸道的持續(xù)暴露引發(fā)免疫抑制。

運動強度與URTI之間存在“J形”曲線關(guān)系。規(guī)律的中等強度運動可以使免疫系統(tǒng)發(fā)生積極的變化,與URTI發(fā)生率降低相關(guān)[26]。而長時間高強度運動會抑制免疫系統(tǒng)的反應(yīng),導(dǎo)致感染的易感性增加,特別是URTI,容易出現(xiàn)咳嗽、打噴嚏、流鼻涕和喉嚨痛等癥狀[27]。研究發(fā)現(xiàn)高訓(xùn)練負荷的馬拉松運動員患呼吸道感染(respiratory tract illness,RTI)的風(fēng)險幾乎是低訓(xùn)練負荷的2倍。URTI多見于耐力運動員(如自行車、長跑、游泳和鐵人三項運動員),約占運動員非損傷相關(guān)癥狀的35%～65%[28]。在運動訓(xùn)練和比賽期間頻繁出現(xiàn)URTI可能會對運動員運動表現(xiàn)產(chǎn)生不利影響,研究發(fā)現(xiàn)奧林匹克[29]和國際比賽[30]期間URTI干擾了高達10%的運動員的訓(xùn)練和比賽能力[31]。研究結(jié)果表明高強度運動降低了機體呼吸道黏膜免疫功能。

1.2.2 高強度運動影響腸道黏膜免疫

體育鍛煉是調(diào)節(jié)腸道微生物群的重要因素。運動對腸道微生物的影響取決于運動強度和持續(xù)時間。定期鍛煉可增加有益菌的豐度,降低熱休克蛋白對熱應(yīng)激的反應(yīng),防止腸上皮細胞之間緊密連接蛋白(tight junction,TJ)的破壞[32]。而且上皮細胞構(gòu)成的胃腸道屏障可以顯著影響?zhàn)つっ庖呦到y(tǒng)的發(fā)育和功能。因此,定期規(guī)律性的運動可以促進運動員適應(yīng),改善腸道屏障,增強免疫功能。

但長時間(≥2 h)或劇烈(>60%最大攝氧量)的運動可使流向胃腸道的血流減少,引起缺氧和機體氧化應(yīng)激,從而損傷腸道屏障,導(dǎo)致腸黏膜通透性增加甚至內(nèi)毒素血癥,抑制免疫功能,阻礙運動表現(xiàn)的發(fā)揮[33]。這些生理效應(yīng)與運動的強度、持續(xù)時間和運動頻率成比例。胃腸道問題在馬拉松[34]、鐵人三項[35]、長跑[36]和自行車[37]等耐力運動員中常見。研究報道30%～50%的運動員會出現(xiàn)胃腸道不適癥狀[38],或伴有腸道通透性增加和黏膜屏障損傷[39]。然而腸道通透性不能僅用主觀感受的指標(biāo)來確切評估。例如,一項對參加越野滑雪行軍的士兵進行的研究雖然沒有報告胃腸道癥狀,但腸道通透性升高了。因此在評價腸道通透性時需要更多指標(biāo)信息來相互印證。

2 合生元對免疫細胞功能的影響

研究發(fā)現(xiàn)運動可以降低慢性代謝和心肺疾病的風(fēng)險,部分原因是運動具有抗炎作用。但這些影響也可能是抑制免疫力的原因,使得精英運動員更容易受到感染。細胞因子是免疫系統(tǒng)中重要的效應(yīng)分子和信使分子。Th2和Tregs細胞過多的產(chǎn)生IL-4、IL-10和TGF-β等炎癥因子導(dǎo)致機體易感性增加,這可能影響與Th1相關(guān)的RTI[24]。

研究證明補充合生元可以通過增強Th1、降低Th2和Tregs活性改善免疫細胞功能。QUERO等[16]發(fā)現(xiàn)男性足球運動員和普通大學(xué)生在服用由益生菌(乳酸雙歧桿菌CBP-001010、鼠李糖乳桿菌CNCMI-4036和長雙歧桿菌ES1)以及益生元FOS組成的合生元后IL-1β水平顯著上升。另外,LALITSURADEJ等[40]觀察到健康成年人服用合生元(副干酪乳桿菌HII01、動物雙歧桿菌乳酸亞種、FOS和GOS)后血清TNF-α水平顯著增加。此外,CHILDS等[41]發(fā)現(xiàn)健康成年人補充益生元XOS和益生菌動物雙歧桿菌Bi-07組合的合生元可以提高機體免疫功能,主要是通過促進Th1反應(yīng)并降低Th2活性。值得注意的是,LéPINE等[42]同樣觀察到合生元(嗜酸乳桿菌W37和長鏈菊粉)可以使TNF-α的濃度顯著增加。上述研究證明合生元可以改善免疫細胞功能。然而,研究也報道了不一致的結(jié)果。QUERO等[16]和QUERO-CALERO等[43]發(fā)現(xiàn)補充合生元對足球運動員和久坐不動個體的IL-6、IL-8、TNF-α水平?jīng)]有顯著影響。此外,CHEN等[44]給受試者補充含有枯草桿菌和XOS的合生元后免疫細胞因子IL-1β和TNF-α含量并沒有顯著變化。另外,COSTABILE等[45]給健康受試者補充含有鼠李糖乳桿菌GG、鼠李糖乳桿菌GG-PB12和可溶性玉米纖維后,促炎細胞因子IL-6產(chǎn)生減少。研究結(jié)果表明免疫效果可能因合生元種類和受試人群的不同、實驗方案和評價指標(biāo)的不一致而存在差異。

3 合生元對運動引起的黏膜免疫抑制的影響

3.1 合生元緩解運動引起的呼吸道粘膜免疫抑制

3.1.1 合生元降低運動員URTI的發(fā)生率及癥狀程度

多項研究證實補充合生元可以減少運動員URTI的發(fā)生率,并降低其癥狀的嚴(yán)重程度。COMAN等[46]給高強度健身專業(yè)人士補充包含鼠李糖乳酸桿菌IMC501?、副干酪乳桿菌IMC502?和燕麥麩纖維的合生元后,其URTI癥狀顯著改善。另外,PREGLIASCO等[47]給健康成人服用合生元(植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、乳酸雙歧桿菌和益生元FOS)后,顯著縮短了URTI的持續(xù)時間,并降低了URTI發(fā)生次數(shù)和癥狀的嚴(yán)重程度。此外,研究發(fā)現(xiàn)補充合生元可以降低健康受試者(嬰兒和兒童)RTI和URTI的發(fā)生次數(shù)[48-49]與發(fā)生率[50-51]。以上結(jié)果均表明,合生元對改善URTI發(fā)生率、持續(xù)時間和癥狀嚴(yán)重程度起到積極作用,可能有助于減輕運動引起的URTI。

3.1.2 合生元改善運動員呼吸道黏膜免疫功能的機制

免疫球蛋白不僅是抵抗黏膜表面病原體、過敏原和抗原的第一道防線,也是黏膜免疫系統(tǒng)的重要指標(biāo)[52]。免疫球蛋白包含IgG、IgA、IgM、IgD和IgE五大類,其中IgA在限制抗原通過黏膜上皮起主要作用,在黏膜免疫中發(fā)揮重要作用[53]。唾液中存在的IgA和SIgA(由唾液管和腺體附近的B細胞形成)由于易于收集而成為首選的黏膜免疫標(biāo)志物。研究表明長時間的劇烈運動會導(dǎo)致唾液IgA和SIgA水平下降,呼吸道黏膜免疫功能降低。精英足球運動員在比賽后IgA下降了74.5%[54],馬拉松運動員比賽后即刻IgA和IgM分泌率顯著減少[55],籃球和越野滑雪運動員的SIgA分泌率和絕對濃度同樣顯著下降[56]。研究證實,低水平的IgA與發(fā)生URTI的風(fēng)險相關(guān)。因此唾液中IgA和SIgA濃度有助于確定運動員是否過度訓(xùn)練以及是否易患URTI[57]。

由于合生元包含益生菌和益生元,與單獨補充兩者之一相比,合生元可能對受試者的健康產(chǎn)生不同或額外的影響。目前幾項研究強調(diào)了合生元可通過提升唾液IgA和SIgA水平來改善運動員URTI的發(fā)生率和嚴(yán)重程度、增強黏膜免疫和呼吸道黏膜屏障完整性。COMAN等[46]發(fā)現(xiàn)高強度健身專業(yè)人士補充合生元可顯著增加唾液SIgA水平和增強黏膜免疫功能。此外,DE GIANI等[58]發(fā)現(xiàn)服用合生元(嗜酸乳桿菌PBS066、植物乳桿菌PBS067、雙歧桿菌BL050、菊粉和FOS)可以增加健康老年人唾液IgA的含量。值得注意的是,CHILDS等[41]給健康成年人服用合生元后,發(fā)現(xiàn)唾液IgA含量顯著增加。基于此,合生元可能對免疫受抑制的運動員有益。但QUERO等[16]發(fā)現(xiàn)補充合生元后,足球運動員和久坐不動個體的唾液IgA水平?jīng)]有顯著變化。研究結(jié)果表明可能由于不同的研究選取的合生元種類和受試對象的不一致使實驗結(jié)果存在差異。

3.2 合生元緩解運動引起的腸道黏膜免疫抑制

3.2.1 合生元改善胃腸道癥狀并增強腸黏膜屏障完整性

合生元被證明可以改善胃腸道癥狀。ROBERTS等[59]通過給長跑鐵人三項運動員補充合生元(嗜酸乳桿菌CUL-60、嗜酸乳桿菌CUL-21、雙歧桿菌CUL-20、動物雙歧桿菌CUL-34和FOS),發(fā)現(xiàn)相比于安慰劑組,胃腸道癥狀發(fā)生率和嚴(yán)重程度均顯著降低。此外,COMAN等[46]發(fā)現(xiàn)高強度健身專業(yè)人士補充合生元可以顯著改善胃腸道癥狀嚴(yán)重程度和發(fā)生率。另外,PUCCIO等[60]給健康人群服用雙歧桿菌BL999和益生元(GOS和FOS)后,發(fā)現(xiàn)胃腸道癥狀發(fā)生率顯著降低。

研究發(fā)現(xiàn)合生元可以增強腸黏膜屏障完整性。REDDY等[61]給受試者補充含有益生菌嗜酸乳桿菌La5、保加利亞乳桿菌、乳雙歧桿菌BB-12、嗜熱鏈球菌和益生元FOS的合生元后,發(fā)現(xiàn)腸道屏障完整性得到增強。動物實驗的結(jié)論也印證了這一作用,TAKAHASHI等[62]發(fā)現(xiàn)雄性大鼠補充合生元可以增強腸道屏障完整性。以上結(jié)果均表明補充合生元可以改善受試者胃腸道癥狀和增強腸黏膜屏障完整性。

3.2.2 合生元改善運動員腸黏膜免疫功能的機制

3.2.2.1 合生元可以提高SIgA水平

SIgA在腸道免疫中至關(guān)重要,可以反映腸道黏膜屏障的免疫功能。SIgA主要由胃腸道中的杯狀細胞產(chǎn)生,在黏膜分泌物中大量存在[63]。其可以將毒素、病毒和致病細菌等包裹在黏液中,保護腸道上皮免受侵害,并通過蠕動和黏膜纖毛活動促使它們從腸腔排泄。所以SIgA是評價腸道黏膜屏障功能的重要指標(biāo)。

3.2.2.2 合生元可以改善腸道菌群

研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物可以通過調(diào)節(jié)代謝物短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)和作用于T細胞影響免疫系統(tǒng)功能[67]。此外,微生物組成和多樣性的改變與運動員胃腸道不適的發(fā)生率有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)劇烈運動可能會導(dǎo)致腸道細菌易位[68],腸道微生物群紊亂,腸黏膜屏障損傷,黏膜通透性增加,并誘發(fā)免疫抑制[69]。因此,維持腸道微生物群的穩(wěn)態(tài)在增強宿主免疫方面起積極作用。

多項研究發(fā)現(xiàn)補充合生元可以改善腸道菌群。REDDY等[61]給受試者補充合生元后,發(fā)現(xiàn)腸道菌群異位發(fā)生率顯著下降。COMAN等[46]在給健身專業(yè)人士補充合生元后,乳酸菌和雙歧桿菌屬含量顯著增加。此外,VAN ZANTEN等[70]發(fā)現(xiàn)補充合生元還可以減少健康受試者糞便中葡萄球菌的豐度,增加乳酸桿菌、雙歧桿菌等有益菌豐度。另外,WEST等[71]給自行車受試者服用合生元(含有益生菌副干酪乳桿菌431,動物雙歧桿菌亞種BB-12,嗜酸乳桿菌LA-5,鼠李糖乳桿菌LGG和益生元筏狀堿、筏狀糖)后,發(fā)現(xiàn)糞便中有益菌副干酪乳桿菌是對照組的9倍。SERGEEV等[15]也同樣發(fā)現(xiàn)健康成年人補充含有益生菌嗜酸乳桿菌DDS-1、乳酸雙歧桿菌UABla-12、長雙歧桿菌UABl-14、雙歧桿菌UABb-10和益生元GOS的合生元后,改變了腸道微生物的相對豐度,其中一些有益菌(特別是雙歧桿菌和乳酸菌)的豐度顯著增加。值得注意的是,DE GIANI等[58]發(fā)現(xiàn)服用合生元有助于增加健康老年人腸道微生物乳酸桿菌和雙歧桿菌的豐度。以上結(jié)果均表明補充合生元可以維持腸道微生物群的穩(wěn)態(tài),改善腸道菌群。

3.2.2.3 合生元可以提高SCFAs水平

適度的運動會增加微生物多樣性和代謝產(chǎn)物,如SCFAs。SCFAs是由胃腸道膳食纖維的細菌發(fā)酵產(chǎn)生的主要代謝物[72],主要包含乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽。SCFAs可以通過細胞表面G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors,GPCR),如GPR41、GPR43和GPR109A發(fā)出信號,以激活控制免疫功能的級聯(lián)信號[73]。此外,微生物代謝物丁酸鹽和丙酸鹽作為腸上皮細胞的重要能量來源,可以減少黏膜降解,增強胃腸道黏膜屏障[74]。因此,適度運動有助于增強機體免疫力。但單次劇烈運動會使SCFAs水平下降(如丙酸)[75]。研究表明,只需10 min高強度運動即可發(fā)生腸缺血,導(dǎo)致TJ蛋白的組織分解和破壞,脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)濃度升高誘導(dǎo)腸道通透性增大,抑制免疫功能[76]。

合生元可以通過增加SCFAs水平、降低LPS濃度、上調(diào)TJ蛋白表達等途徑來改善腸黏膜屏障,增強機體免疫功能。ROBERTS等[59]給長跑鐵人三項運動員補充合生元后,發(fā)現(xiàn)LPS濃度顯著減少。同樣,VAN ZANTEN等[70]發(fā)現(xiàn)補充合生元可以增加健康受試者SCFAs水平,特別是乙酸和丁酸。此外,LALITSURADEJ等[40]發(fā)現(xiàn)健康成年人服用合生元后糞便SCFAs(乙酸鹽和丙酸鹽)明顯增加,血清LPS顯著減少。動物實驗同樣發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果,OH等[77]發(fā)現(xiàn)小鼠補充含有益生菌加氏乳桿菌505和新益生元柘木葉提取物的合生元可以上調(diào)腸黏膜屏障標(biāo)志物TJ蛋白的表達,并且增加了SCFAs的含量。以上研究均表明補充合生元可以提高SCFAs水平,進而增強腸黏膜屏障。

4 總結(jié)與展望

劇烈的運動會使運動員出現(xiàn)運動性免疫抑制,增加受感染的風(fēng)險,進而可能影響運動表現(xiàn)的正常發(fā)揮。迄今為止,合生元已被證明可以通過提升IgA、SIgA和SCFAs水平,減少URTI和胃腸道癥狀發(fā)生率,上調(diào)TJ蛋白表達,促進Th1反應(yīng)并降低Th2活性,維持腸道菌群穩(wěn)態(tài),增強腸黏膜屏障完整性(圖1)而有助于運動員運動性免疫抑制的改善和免疫功能的提高(圖2)。雖然合生元已被證明在運動領(lǐng)域有很大潛力,但截至目前以運動員為實驗對象的研究數(shù)量仍然有限,并且多為男性耐力運動員,女性運動員的補劑效果尚需驗證。此外,最優(yōu)化補充計量(服用補劑時間、補充劑量和服用周期)還未明確。探索更多益生菌和益生元聯(lián)合作用的補劑方案,更好地促進運動員免疫功能的提高可能是未來的研究方向。

圖1 合生元對腸黏膜免疫影響示意圖Fig.1 Effects of synbiotics on intestinal mucosal immunity

圖2 合生元改善運動員免疫功能Fig.2 Improvement of immune function of athletes by synbiotics