益生元对肠道菌群调节机制的研究现状

摘要：肠道微生物是人体不可或缺的一部分，微生物多样性和群落结构的稳定性与机体健康息息相关。临床研究表明，肠道微生物数量在特殊人群的疾病病态发展中扮演着重要角色。益生元作为人体膳食重要的组成部分，主要为植物源的非消化性低聚糖和膳食纤维，其具有选择性促进肠道内特定菌群增殖与活力的效果。

关键词：益生元；肠道菌群；

正常机体胃肠道中的微生物群落依照与机体间的关系大致可分为 3 大类：有益菌、有害菌、和潜在致病菌，三者间存在相互竞争和拮抗的关系，并构成重要的微生态系统。近现代医学研究表明，肠道菌群对人体营养物质代谢、机体发育、免疫及疾病的产生等方面都起到了极其重要的作用，因此被称为人体的“超级组织”或“虚拟器官”。肠道微生物能够利用广泛的食物基质和寄主分泌物产生多种代谢产物，如胆汁酸衍生物、维生素、支链脂肪酸(branched-chain fatty acids，BCFAs)和短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)等有机酸，对寄主生理健康可产生局部或系统性的影响。同时，微生物也是导致肠道感染、炎症性肠病、结肠癌、肥胖、糖尿病、心血管疾病、食物过敏等代谢或免疫性疾病的关键因素之一。

当机体肠道中有益菌数量占优时，有利于人体健康；反之当肠道微生态系统中有害菌处于优势时，菌群结构平衡遭受破坏后，则引发相关疾病的概率将会大为增加。益生元可选择性地促进双歧杆菌、乳杆菌等益生菌的生长或活力，并通过益生菌形成优势菌群进而竞争性地拮抗有害菌，或通过其代谢作用产生 SCFAs 和细菌素等物质抑制有害菌的生长，此外益生菌内部的竞争关系还可通过负反馈回路抵消菌群多样性造成的不稳定。肠道微生物数量在不同时间和空间中将会产生巨大的差异，不同人群与发育阶段对肠道菌群的结构和稳定性具有显著性影响，膳食补充益生元作为干预肠道菌群的有效措施，近年来被广泛应用于某些特殊人群的肠道调理中。本文主要概述了有关益生元的发展、人体肠道微生物的演变过程及其影响因素。

益生元(Prebiotics)， 早在 1995 年由英国 Gibson 等人提出，其被定义为一种不消化的食物成分，摄入后不被小肠消化吸收而直接到达大肠，进而通过选择性地促进大肠中一种或有限几种细菌的生长或活力对寄主产生健康效应。初的益生元物质仅限于少数几种非消化性的低聚糖，其中低聚果糖作为被广泛认可的一种益生元，已被视为功能性成分应用于食品及保健品中。

经过 20 余年的研究，益生元的定义和范围不断丰富。图 1 为益生元定义被修改的历程， 新的版本是由 Bindels 等人于 2015 年在《PERSPECTIVES》杂志上发表，益生元终被定义为通过肠道内微生物的代谢作用并可调节肠道微生物的组成或活力、从而对寄主健康产生有益的生理影响的非消化性成分。文章在承认低聚果糖 (fructo-oligosaccharides, FOS) 、反式低聚半乳糖(trans-galactooligosaccharides, tGOS)、菊粉(inulin)以及人乳低聚糖(human milk oligosaccharide, HMOS) 等公认益生元地位的基础上，同时将抗性淀粉(resistant starch，RS)、果胶、阿拉伯木聚糖(arabinoxulan，AOX)、全谷物、膳食纤维以及其他具有调节肠道微生物作用的非碳水化合物列为潜在益生元。此次修订恰逢益生元定义产生 20 周年，文章进一步扩大了益生元的范畴；文中认为，以往有关益生元的研究大都集中于选择性促进作用、生理影响及其与肠道微生物组成或代谢的关系，而有关建立肠道菌群因果作用的研究仍然有限，因此，Bindels 等人希望今后将益生元的研究重点从对肠道菌群组成影响的定性研究转移至健康影响得以实现的机制上去。这对于帮助理解膳食-微生物-寄主之间相互作用关系具有重要的指导意义。

据文献报道，人类肠道菌群约有 100 余属，超过 400 个种，总重达到 1000 g，其个体总数约为 1014个。每克肠道内容物约有 1011~1012 个细菌，占粪便干重的 1/3 以上，以西式饮食为主的生活方式，其肠道细菌总量可达肠道内容物的 50%以上。肠道微生物主要以厌氧和兼性厌氧菌为主，少数为需氧菌，大多数(70%~80%)为不可分离培养的细菌类型。微生物在肠道中的空间分布具有明显的区域性，这与食物种类、通过速率和不同区域的 pH 值密切相关。大肠中食物缓慢的蠕动速度和适宜的 pH 值环境使得微生物能够建立复杂而相对稳定的群体，因此大肠为非消化性食物成分以及内源性黏蛋白发酵的理想场所；微生物群落空间分布区域根据特定微环境的不同可进一步细分为内腔、黏液、隐窝和上表皮细胞分布层。

人类胚胎初始为无菌状态，此后由分娩到 初的几个月相继经历了各种微生物此消彼长的过程。在婴儿出生前，其从母体产道获得接种物，随后婴儿肠道开始出现定植的微生物。初以肠杆菌、肠球菌和链球菌等兼性厌氧菌为主体(第一阶段)，这部分细菌在早期 48 h 内消耗肠道中的氧气，降低肠道的氧化还原电位，为双歧杆菌等绝对厌氧菌的生长创造有利环境(第二阶段)。婴儿出生后 5 天左右，双歧杆菌开始形成优势菌群，以母乳喂养婴儿的双歧杆菌数量在哺乳期中保持绝对优势，在哺乳末期双歧杆菌相对减少，随着固体食物的摄入，哺乳期婴儿的肠道菌群开始从低丰度与低复杂性逐渐演变成熟，1 周岁婴儿的肠道微生物构成逐渐趋于成年人，菌群相对稳定，不同婴儿间的菌群功能差异逐渐减小。随着年龄递增，肠道菌群受生理状态、饮食模式、生活习惯等内外因素的影响，维持着以厚壁菌-拟杆菌-放线菌门为主的成年人型菌群结构。直到中老年阶段，双歧杆菌数量显著下降，梭菌和肠杆菌数量呈逐渐递增趋势。

作为机体生态系统不可或缺的一部分，肠道微生态系统中的菌群结构在菌群间、菌与寄主间的相互作用维持着相对稳定的动态平衡。诸多因素可以影响肠道微生物的构成与数量。主要因素包括寄主的遗传特性、分娩式、出生胎龄、哺乳方式、膳食模式、年龄与身体状态以及是否接受药物治疗等内源性与环境因子。

已有大量研究结果表明，母乳喂养与人工乳粉喂养婴儿的粪便具有不同的微生物种群。相比于人工乳粉喂养，采用母乳喂养的婴儿其粪便中的双歧杆菌数量和比例显著较高，而以乳粉所喂养婴儿肠道中的成人型细菌种类较多，且具有更加复杂的菌群组成。有学者认为，婴儿出生后的喂养过程为肠道菌群筛选过程。在肠道微生物发展的第二阶段，婴儿的饮食组成对微生物种类起到了整合作用。