◎ 賀巧玲，孫在興，曹 敏，羅 皓，李玉峰

（1.西華大學(xué)，四川 成都 610039；2.四川省食品檢驗研究院，四川 成都 610000）

人體的腸道既是消化系統(tǒng)也是重要的免疫器官，其適宜的酸堿環(huán)境和豐富的營養(yǎng)底物為腸道微生物的棲息提供良好的環(huán)境[1]。腸道微生物區(qū)系（Gug Microbiota，GM）指一個巨大的可變微生物的代謝生態(tài)系統(tǒng)，這些微生物棲息在胃腸道中，與宿主建立共生關(guān)系，一般由約2 000種近1014個重約1.5 kg的微生物細胞組成，其中90%為細菌，其細菌基因組含量是人類基因組的100倍以上[2-3]。ECKBURG等[4]發(fā)現(xiàn)健康成年人腸道微生物區(qū)系基本分屬于厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）和梭桿菌門（Fusobacteria）六大門，其中擬桿菌門和厚壁菌門是主要優(yōu)勢菌群。特定物種的GM與其宿主共同進化，進而最優(yōu)地適應(yīng)宿主的腸道環(huán)境，因此腸道微生物可參與宿主機體各種營養(yǎng)物質(zhì)的代謝，進而影響宿主的代謝生理狀況。GM的穩(wěn)態(tài)及其代謝產(chǎn)物對人體健康的作用成為世界各國的研究熱點。

GM是肥胖及其相關(guān)并發(fā)癥、心血管疾病、免疫紊亂、過敏性疾病及癌癥等疾病的促成因素[5-8]。飲食是影響GM穩(wěn)態(tài)和多樣性的重要因素之一，膳食營養(yǎng)元素（如碳水化合物）的種類、含量及平衡都會影響GM的組成。本文就膳食碳水化合物對GM組成變化的影響進行綜述，并探究其通過調(diào)節(jié)GM對肥胖及其相關(guān)代謝綜合征的作用，以期為膳食成分調(diào)節(jié)GM穩(wěn)態(tài)的進一步研究提供參考。

1 腸道微生物與肥胖及相關(guān)代謝綜合征

代謝綜合征是以肥胖為中心，生理代謝層面的危險因子聚集的現(xiàn)象，會導(dǎo)致Ⅱ型糖尿病和非酒精性脂肪性肝病等疾病的風險增加。肥胖及相關(guān)代謝綜合征都被認為與人體、人體的腸道微生物區(qū)系和環(huán)境之間的脫軌失衡有關(guān)。已提出的GM對代謝性疾病的參與機制包括GM將膳食纖維轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids，SCFAs），并改善飲食能量的吸收獲取；細菌脂多糖水平系統(tǒng)性增加及高脂飲食所引起的低級炎癥導(dǎo)致脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）的腸道通透性增加[9]。通過對無菌小鼠和常規(guī)小鼠的比較及糞便移植研究可以得知腸道微生物區(qū)系在代謝性疾病中發(fā)揮的作用類型。

1.1 腸道微生物與肥胖癥

在世界范圍內(nèi)，肥胖及其代謝并發(fā)癥是一個重大的公共衛(wèi)生問題，預(yù)計2050年全球肥胖率將會使國民醫(yī)療服務(wù)的年度總支出增加55億美元[10]。肥胖常伴隨著血脂異常、高血壓和葡萄糖穩(wěn)態(tài)受損等癥狀，盡管肥胖及其相關(guān)并發(fā)癥被認為與遺傳因素和外界環(huán)境有關(guān)，但越來越多研究表明，肥胖與GM失調(diào)密切相關(guān)。腸道微生物區(qū)系與肥胖之間的聯(lián)系最早來自對小鼠模型和基因序列的研究。B?CKHED等[11]利用C57BL/6型老鼠構(gòu)建模型，無GM的無菌小鼠的脂肪含量較有GM的小鼠少60%。TURNBAUGH等[12]分別將肥胖小鼠和瘦型小鼠的GM移植到不同組無菌小鼠腸道中，發(fā)現(xiàn)移植肥胖小鼠GM的無菌小鼠的總脂肪含量增加更多。LEY等[13]研究人員還通過對遺傳型肥胖ob/ob小鼠、瘦型ob/+小鼠和野生型同胞的腸道遠端GM的基因序列分析，發(fā)現(xiàn)肥胖小鼠腸道中擬桿菌門豐度降低50%，而厚壁菌門的豐度增加，認為小鼠GM中厚壁菌門與擬桿菌門的比值增大可能會導(dǎo)致肥胖。徐海燕等[14]將14個肥胖個體分為健康組、胃腸道疾病組和慢性病組，提取3組樣品糞便細菌宏基因組DNA，擴增其16S rRNA基因全長序列，發(fā)現(xiàn)肥胖個體腸道細菌多樣性降低，擬桿菌門是肥胖人群GM中含量最高的菌門。

此外，大量的動物模型表明，GM可以通過不同的機制調(diào)節(jié)宿主能量穩(wěn)態(tài)和肥胖。如研究人員還通過添加殼聚糖、山奈酚、南蛇藤醇等益生素對GM進行調(diào)節(jié)以觀察肥胖小鼠GM的變化（圖1），發(fā)現(xiàn)GM中如淡色梭狀芽孢桿菌（Clostridium leptum）、雞冠狀梭狀芽孢桿菌（Clostridium cocleatum）和粘液腸桿菌（Enterorhabdus mucosicola）等與肥胖指標密切相關(guān)[15-17]。

圖1 南蛇藤醇通過腸道微生物區(qū)系改善肥胖示意圖

1.2 腸道微生物與非酒精性脂肪性肝病

非酒精性脂肪性肝?。∟onalcoholic Fatty Liver Disease，NAFLD）是代謝綜合征中的肝臟疾病，特征是在沒有大量飲酒和其他明確的致病因素存在的情況下肝細胞出現(xiàn)大泡狀脂肪變性，是一種多因素疾病，通常與遺傳、營養(yǎng)代謝及環(huán)境因素有關(guān)。

脂肪肝在兒童和青少年肥胖人群中急劇增加，已成此年齡段人群中最常見的慢性肝病[18]。SCHWIMMER等[19]采集了87名NAFLD兒童和37名無NAFLD的肥胖兒童（對照組）的糞便樣品，利用16S rRNA擴增序列和元基因組鳥槍法測定GM組成與功能，以研究GM是否參與NAFLD的發(fā)病機制和嚴重程度。結(jié)果表明NAFLD患兒糞便中微生物多樣性低于對照組，且NAFLD及其嚴重程度與編碼炎性細菌產(chǎn)物的基因豐度有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，qPCR表明非酒精性脂肪性肝炎患者GM中擬桿菌門豐度較單純性脂肪變性患者和健康受試者更低，而基因測序顯示與健康受試者相比，非酒精性脂肪性肝炎（Nonalcoholic Steatohepatitis，NASH）患者腸胃中擬桿菌的數(shù)目增加、擬桿菌門豐度降低，雖然存在一定爭議，但兩項研究都說明GM影響NASH的發(fā)病機制[20-21]。發(fā)表于Gut Microbes的研究[22]采用單一菌種和乳酸菌與小球菌（Pediococcus）混合作用的方法建立NAFLD小鼠模型，發(fā)現(xiàn)NAFLD小鼠模型具有單一菌種和乳桿菌與小球菌混合感染的特點，認為GM穩(wěn)態(tài)與NAFLD發(fā)病機制有關(guān)。

基于DNA測序技術(shù)的發(fā)展，PORRAS等[23]利用槲皮素調(diào)節(jié)GM失衡和激活相關(guān)的腸肝軸來治療NAFLD。元基因組學(xué)研究顯示，喂養(yǎng)高脂飼料的C57BL/6J小鼠腸胃中GM出現(xiàn)生物失調(diào)現(xiàn)象，其中厚壁菌門與擬桿菌門比率增加、螺桿菌屬檢出率顯著增加，小鼠伴隨著內(nèi)毒素血癥、腸屏障功能障礙和腸肝軸改變以及后續(xù)的炎癥基因過度表達的現(xiàn)象。研究人員發(fā)現(xiàn)核桃綠殼多糖（Walnut Green Husk Polysaccharide，WGHP）對高脂飲食誘導(dǎo)的大鼠肥胖、NAFLD、炎癥具有調(diào)節(jié)作用[24]。WGHP不僅能夠改善GM多樣性、降低腸道潛在致病菌的相對豐度、提高普氏桿菌和球藻的豐富度，還可以增加大鼠腸道中SCFAs的含量。

1.3 腸道微生物與Ⅱ型糖尿病

肥胖最常見的代謝并發(fā)癥之一是胰島素抵抗，胰島素抵抗是Ⅱ型糖尿?。═ype II Diabetes Mellitus，T2DM）發(fā)展的主要因素。2030年全球T2DM患病率將達到4.39億，以GM組成變化為特征的腸道菌群失調(diào)已被證明在T2DM中起重要作用[25]。

WU等[26]從16例T2DM患者和12例健康成人的糞便中提取細菌DNA，研究T2DM患者GM的特征，定量PCR法發(fā)現(xiàn)糖尿病組GM中普通擬桿菌門（B.vulgatus）和雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）含量較低，而熒光定量PCR顯示雙歧桿菌屬豐度明顯降低。測序結(jié)果顯示，糖尿病組由擬桿菌門(53.6%)、副擬桿菌屬(10.7%)、普氏桿菌屬(10.7%)、雙歧桿菌屬(3.6%)、別樣桿菌屬(7.1%)、厚壁菌門(10.8%)和變形菌門(3.6%)組成；健康組標本中出現(xiàn)的條帶分別為普氏菌屬(58.8%)、擬桿菌門(11.8%)、別樣桿菌屬(5.9%)、厚壁菌門(17.7%)和變形菌門(5.9%)，糖尿病組與健康組GM中的優(yōu)勢菌屬不同。論證得知，糖尿病組腸道菌群中的優(yōu)勢菌屬與健康組不同，T2DM患者GM的改變與糖尿病的發(fā)病機制有關(guān)。

在輕度肥胖的T2DM成人患者中，代謝手術(shù)和藥物治療后GM組成變化[27]。觀察到治療12個月后糞桿菌屬（Faecalibacterium）和瘤胃球菌屬（Ruminococcus）豐度明顯下降，而克雷伯氏菌屬（Klebsiella）、γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）和腸桿菌屬（Enterobacter）含量增加。以變形菌門與厚壁菌門的比值作為生態(tài)系統(tǒng)健康的標志，發(fā)現(xiàn)治療后RPF顯著增大。因此GM不論對輕度還是重度肥胖癥都有很大的影響。

2 碳水化合物對肥胖及相關(guān)代謝綜合征的調(diào)節(jié)

飲食類型對GM的基因表達和組成有顯著影響，維持GM多樣性和平衡性是促進人類健康的關(guān)鍵（圖2）?，F(xiàn)有研究主要強調(diào)GM在營養(yǎng)吸收、維持腸道屏障完整性、脂肪生成和荷爾蒙狀態(tài)等方面的重大意義，引發(fā)科學(xué)家從調(diào)節(jié)人體GM組成入手，進行預(yù)防和治療代謝性疾病和恢復(fù)血糖穩(wěn)態(tài)方面的研究。碳水化合物是人體從食物中獲取能量的重要來源之一，但如膳食纖維這種屬于植物細胞壁多糖的成分不能被人體腸胃酶消化，而是被GM經(jīng)過發(fā)酵作用進行分解利用，腸道微生物可用于發(fā)酵的碳水化合物類型主要是抗性淀粉（Resistant Starch，RS）和非淀粉多糖。

圖2 高脂飲食對腸道微生物區(qū)系的影響圖

2.1 抗性淀粉對肥胖及相關(guān)代謝綜合征的調(diào)節(jié)

RS能調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，對肥胖及其代謝綜合征具有良好改善作用，RS分為5種類型（RS1～RS5），其營養(yǎng)特性存在一定程度的差異。通過評價RS和脂肪水平對C57BL/6小鼠GM的影響，WAN等[28]發(fā)現(xiàn)GM與碳水化合物和脂肪代謝相關(guān)組織基因表達有關(guān)，可預(yù)防小鼠受肥胖飲食有害影響。大米是碳水化合物的重要飲食來源，RS水平≥1.07%的大米被證明能抑制中等高脂飲食誘導(dǎo)的脂肪增加和脂肪細胞增大[29]。RS能改善高脂飲食喂養(yǎng)大鼠的肝臟代謝，ROSADO等[30]證明青香蕉抗性淀粉通過調(diào)節(jié)參與肝臟脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵蛋白表達改善代謝狀態(tài)。TRACHSEL等[31]通過對比分析飼喂含有5%日糧與飼喂未修改的對照日糧的小鼠糞便，證明抗性馬鈴薯淀粉與腸道健康變化相關(guān)，該研究為調(diào)節(jié)GM以維持健康提供研究方向。食品加工條件會影響食品中淀粉的消化率，報道于Food Chemistry的研究將高抗性淀粉大米加工成米飯、牛奶、年糕和爆米花，監(jiān)測其體外消化發(fā)酵過程[32]。數(shù)據(jù)表明米餅的抗性淀粉含量最高（11.98%），促進SCFAs合成的普氏菌屬和抗炎桿菌（anti-inflammatoryFaecalibacterium）含量增加，GM失衡的標志物變形桿菌和巨型單胞菌（Megamonas）的豐度下降。該結(jié)果說明可利用抗性淀粉設(shè)計和生產(chǎn)適用于肥胖及其綜合征患者的功能性食品。

GM可發(fā)酵RS生成具有益生作用的短鏈脂肪酸（SCFAs），調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝。RS的發(fā)酵對GM的組成、多樣性和豐富度的重塑有重要影響，通過GM對RS的發(fā)酵產(chǎn)生淀粉降解酶，促進腸道代謝產(chǎn)物生成，進而改善腸道屏障功能。RS2作為一種可產(chǎn)生SCFAs的結(jié)腸共生菌發(fā)酵的纖維素，其具有調(diào)節(jié)GM的功效，已被美國食品藥物監(jiān)督管理局批準可用于Ⅱ型糖尿病患者的高玉米抗性淀粉是一種商業(yè)RS2補充劑。ZHANG等[33]利用18月齡小鼠構(gòu)建動物模型，隨機分為對照組、高脂組和高脂+20%RS2組，16周后對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)RS2逆轉(zhuǎn)了高脂飲食所導(dǎo)致的體重增加和肝臟脂肪變性。小鼠糞便微生物DNA的16S rRNA測序表明，RS2使與肥胖、炎癥和衰老相關(guān)的病原菌豐度降低；基于同源基因簇的功能分析顯示，RS2使碳水化合物增加，降低氨基酸代謝。這些結(jié)果表明RS2對改善肥胖和由肥胖引起的NAFLD都具有良好的效果。RS3是退化后的淀粉，ZHANG等[34]研究人員通過將從美人蕉提取的淀粉衍生物Ce-RS3與常用降糖劑（二甲雙胍）的降糖作用進行對比，結(jié)果表明Ce-RS3具有與二甲雙胍相似的抗糖尿病作用，能夠顯著降低血糖。另外，Ce-RS3在增加GM多樣性方面效果更好，其中普氏菌屬顯著富集，Ce-RS3調(diào)節(jié)的腸道微生物特性與T2DM相關(guān)指標密切相關(guān)，表明可改善糖尿病表型失調(diào)。RS5是一種淀粉-脂質(zhì)復(fù)合體，會被低速水解消化，因此可為糖尿病和肥胖癥患者提供一種血糖控制策略。ZHENG等[35]選擇消化率可控的大米淀粉-油酸復(fù)合體（RS5）作為高脂飼料喂養(yǎng)大鼠的補充飼料，結(jié)果表明大米淀粉油酸復(fù)合制劑能顯著降低大鼠體重，改善血脂及肝臟代謝水平，并改變大鼠GM組成，其中丁酸產(chǎn)生菌大量生長。據(jù)元基因組學(xué)數(shù)據(jù)顯示，雙歧桿菌屬為人體攝入大米淀粉-油酸復(fù)合物后的主要降解微生物，其與淀粉降解酶的變化有關(guān)。

2.2 非淀粉多糖對肥胖及相關(guān)代謝綜合征的調(diào)節(jié)

非淀粉多糖一般包括纖維素、半纖維素、果膠及其他多糖，膳食纖維素根據(jù)其水溶性分為可溶性纖維素和不可溶性纖維。XU等[36]發(fā)現(xiàn)在不影響肥胖小鼠體重的情況下，補充6%復(fù)合可溶性纖維（Composite Soluble Fiber，CSF）的高脂飲食顯著改善了肥胖小鼠的胰島素敏感性，補充CSF后，S24-7家族和球囊菌屬的細菌在腸道中的富集明顯增加，志賀氏菌屬豐度下降，CSF能通過對GM的有益調(diào)節(jié)來促進胰島素敏感性，甚至減少肥胖。麥麩通常指小麥籽粒外層，含有43%～62%的膳食纖維以及一些淀粉、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等，可改善胃腸健康和緩解代謝紊亂。DEROOVER等[37]為研究減小麥麩粒徑是否能增加其發(fā)酵性，促進腸道微生物間的交叉喂養(yǎng)，從而產(chǎn)生健康效應(yīng)。由此對正常體重和肥胖參與者進行飲食干預(yù)，通過對餐后血清中累積的SCFAs定量評估減小麥麩粒徑對碳水化合物發(fā)酵的影響。研究發(fā)現(xiàn)，小粒徑麥麩能增加肥胖參與者的SCFAs濃度，但這些變化對促進宿主健康影響無關(guān)。亞麻籽纖維也被發(fā)現(xiàn)能夠增加盲腸阿克曼屬和雙歧桿菌的豐度，通常認為這2個屬與改善代謝健康有關(guān)[38]。食物在胃腸道中的分解過程是復(fù)雜的，與靜態(tài)模型相比，動態(tài)模型可以復(fù)制復(fù)雜的消化過程，在研究流體動力學(xué)對消化率的影響中更具優(yōu)勢。BIANCHI等[39]利用人體腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)模擬器進行體外發(fā)酵試驗，研究長雙歧桿菌BB-46、長雙歧桿菌BB-46聯(lián)合果膠和檸檬粗提果膠對肥胖相關(guān)GM的影響，通過對GM組成、SCFAs和NH4+水平的分析來評價效果，結(jié)果表明檸檬酸果膠對丁酸產(chǎn)生菌及與抗炎作用相關(guān)的菌種均有刺激作用。

多糖是動植物細胞壁的組成成分，具有免疫調(diào)節(jié)、抗病毒、降血糖和調(diào)節(jié)胃腸道等功能。β-葡聚糖存在于燕麥和大麥胚乳細胞壁中，是一種可溶性纖維，大麥β-葡聚糖的有益代謝作用主要是抑制食欲和改善胰島素敏感性，這些作用主要是通過GM產(chǎn)生的SCFAs促進腸道激素分泌而產(chǎn)生[40]。枸杞多糖是中草藥和功能性食品中功能最強的活性成分之一，具有優(yōu)秀的抗氧化作用、可降脂和保護肝臟，GAO等[41]將枸杞多糖（Lycium Barbarum Polysaccharide，LBPs）與有氧運動（Aerobic Exercise，AE）聯(lián)合作用，發(fā)現(xiàn)LBP+AE組表現(xiàn)出高GM多樣性和豐度，部分擬桿菌和SCFAs含量增加，但變性桿菌和擬桿菌比值減小。結(jié)果表明LBP、AE和LBP+AE對高脂飲食誘導(dǎo)的NAFLD具有良好的益生作用。據(jù)Food Chemistry報道[42]，補充4 mg·kg-1的蘿卜綠葉多糖可降低體重增加和體脂百分比，研究者用高脂飲食誘導(dǎo)肥胖C57BL/6J小鼠，發(fā)現(xiàn)高脂飼料的攝入使小鼠GM中厚壁菌門豐度增加、擬桿菌門和疣微菌門豐度降低，而補充蘿卜綠葉多糖可使小鼠GM組成恢復(fù)正常穩(wěn)態(tài)水平。肥胖的特征是腸道內(nèi)環(huán)境平衡失衡，與代謝紊亂密切相關(guān)，牛乳低聚糖可調(diào)節(jié)GM和腸道屏障功能，促進健康[43]。

3 結(jié)語

高能量飲食會改變腸道微生物，導(dǎo)致腸道功能障礙，從而形成內(nèi)臟脂肪和全身代謝失調(diào)。多項研究表明，可通過改變飲食調(diào)節(jié)GM組成和穩(wěn)態(tài)作為肥胖、NAFLD和T2DM的治療方法，但其機制有待繼續(xù)研究。膳食碳水化合物能夠顯著影響腸道健康，抗性淀粉和非淀粉多糖在結(jié)腸被微生物利用、發(fā)酵，產(chǎn)生對腸道穩(wěn)態(tài)有益的SCFAs，進而改善肥胖癥及相關(guān)綜合征。

隨著生物技術(shù)的進步以及宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)的聯(lián)用，對腸道微生物有更進一步的系統(tǒng)性了解，有助于針對性利用膳食成分調(diào)節(jié)GM穩(wěn)態(tài)，促進人體身體健康。本文介紹利用膳食碳水化合物調(diào)節(jié)GM穩(wěn)態(tài)改善肥胖、NAFLD和T2DM的相關(guān)研究，為居民膳食結(jié)構(gòu)中碳水化合物含量組成及預(yù)防肥胖及相關(guān)代謝綜合征的功能性食品的開發(fā)提供參考。