食源性天然产物中多糖干预炎症性肠病的研究进展

陈国伟，邱春红，田灵敏,*，白卫滨

（1.暨南大学理工学院食品科学与工程系，广东 广州 510632 ；2.山东大学基础医学院细胞与神经生物学系，山东 济南 250012 ）

随着食物精加工和生活饮食习惯的改变，现代人的肠道健康状况不容乐观，肠道疾病发病率不断增加[1]。近年来，食源性天然产物渐受推崇，多糖类物质作为生物活性大分子受到了广泛的关注并被证明有益于肠道健康[1]。多糖类物质是由10 个以上的单糖分子通过糖苷键连接而成的长链聚合物，一般以水溶性和非水溶性两种形式广泛存在于谷物、果蔬、豆类、菌类和草药等食源性物质中，它们在小肠内几乎不被消化吸收，直到大肠中才被共生微生物菌群发酵，具有抗氧化、清除自由基、抗炎、维持肠内稳态和预防相关慢性疾病的作用[2]。

炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）主要包括溃疡性结肠炎和克罗恩病两种，是以肠道炎症和上皮损伤为病理特征的慢性复发性疾病，难以根治，对人体健康构成严重威胁[1]。近年来，IBD发病率呈逐年上升趋势，逐渐演变为全球性疾病。此外，流行病学资料显示，慢性结肠炎的持续时间和严重程度是与诱发结肠炎相关性结直肠癌有关的重要危险因素[3]。

研究表明，多糖类物质对IBD有显著的预防和干预作用[2]，但是干预机制还不够明确，并且不同分子质量的多糖具有不同的生物活性[4]。因此，本文主要阐述食源性天然产物中多糖类物质直接或间接干预IBD发展的部分干预机制，以期为科学制定IBD的膳食干预提供一定的理论依据。

1 多糖对IBD的直接干预机制

1.1 减少嗜中性粒细胞浸润

动物实验证明，中性粒细胞参与损伤IBD动物结肠组织并导致髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）活性上升[5-6]。而在IBD患者结肠黏膜中也出现大量的嗜中性粒细胞积聚和MPO活性增加现象[7-8]。因此，MPO被视为嗜中性粒细胞浸润到损伤组织的标志物[9-10]。

大量研究表明，多糖类物质能够降低MPO活性，抑制MPO与H2O2和Cl-的反应，减少反应产生的强氧化剂次氯酸盐等含量，从而对IBD患者的结肠组织起到一定的保护作用[11-12]。Brito等[13]利用从海藻中提取的高分子质量（124 kDa）硫酸化多糖（sulfated polysaccharide，PLS）干预三硝基苯磺酸（trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS）诱导的结肠炎大鼠。结果表明，PLS能够明显降低TNBS诱导的大鼠结肠炎组织中MPO活性，推测PLS由于具有多个硫酸根自由基特殊结构而呈现抗氧化活性，其可能通过阻止嗜中性粒细胞向炎症结肠组织的迁移产生保护作用。Popov等[14]利用蔓越莓中提取的高分子质量（100～300 kDa）多糖干预乙酸诱导的结肠炎小鼠，发现多糖干预后小鼠腹腔中性粒细胞和巨噬细胞黏附力略有下降，显著降低炎症小鼠结肠中MPO活性，延迟嗜中性粒细胞向肠壁流入，从而抑制由嗜中性粒细胞积聚导致的结肠黏膜侵蚀和破坏，减轻结肠黏膜的损伤程度。这些研究表明多糖类物质进入体内后对防止嗜中性粒细胞浸润引起的肠道损伤有重要的保护作用。

1.2 抑制氧化应激及脂质过氧化

大量研究表明，食源性物质中的多糖能够抑制氧化应激及脂质过氧化产物。氧化应激是指体内氧化与抗氧化作用的失衡，此时机体产生大量活性氧簇（reactive oxygen species，ROS），包括超氧阴离子自由基（O2-•）、过氧化氢（H2O2）和羟自由基（•OH）等。这些ROS代谢物的过度释放是组织损伤和炎症发生的一个重要机制[15]。丙二醛（malonaldehyde，MDA）作为脂质过氧化产物，其含量在IBD结肠组织中显著增加[16-17]。MDA可通过与赖氨酸氨基、组氨酸咪唑基团或半胱氨酸巯基反应而引起蛋白质损伤，进而反映机体过氧化损伤和炎症的程度[18-19]。

多糖类物质能够显著降低IBD结肠组织中ROS和MDA水平，减轻结肠的损伤程度。Liu Bo等[17]检测了从燕麦中分离出的β-葡聚糖（具有β-D-(1-3)和β-D-(1-4)结构）对葡聚糖硫酸钠（dextran sulfate sodium，DSS）诱导的溃疡性结肠炎小鼠的干预作用，在观测不同剂量（50、100 mg/kg）β-葡聚糖对结肠炎小鼠MDA的抑制作用时，发现燕麦β-葡聚糖能够显著减少结肠组织中脂质过氧化导致的MDA和亚硝酸盐的产生，减轻DSS对结肠的损伤程度，且干预效果呈剂量依赖性。Nemoto等[20]发现植物乳酸杆菌Sanriku-SU7发酵的Mekabu（一种可食性藻类）多糖水溶液干预肠炎小鼠后其腹泻和便血情况消失，并且结肠长度恢复至正常水平；体外研究进一步发现发酵多糖水溶液使暴露于H2O2的HT-29-luc细胞存活率增加至约70%，抑制了H2O2对细胞的毒害作用，并且能清除O2-•，与体内实验结果一致。由此表明植物乳酸杆菌Sanriku-SU7发酵的Mekabu多糖水溶液能够改善IBD小鼠结肠状况并保护人肠上皮细胞HT-29-luc免受ROS的损伤。从海藻（Hypnea musciformis）中提取的PLS能够明显降低TNBS造模大鼠结肠组织中MDA的含量，并且能降低肠黏膜中NO3-/NO2-的浓度，抑制诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）和过氧亚硝酸盐的过度产生，在体内发挥有效的化学保护作用，从而改善TNBS引起的结肠损伤[13]。这些研究表明，多糖类物质在炎症过程中对ROS代谢产物以及脂质过氧化产物有极强的抑制作用，能够防止这些产物在IBD发展过程中对结肠组织造成持续损伤。

1.3 保护抗氧化系统

由吞噬细胞浸润引起的自由基产量急剧增加和抗氧化防御系统受损导致的肠内稳态失衡是IBD发病过程中肠道损伤的重要原因[21-22]。结肠内的抗氧化物质主要包括抗坏血酸和还原型谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）等非酶抗氧化剂，以及超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GR）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GPx）等抗氧化酶。多糖类物质能保护抗氧化防御系统，防止ROS类物质对机体产生毒害作用。

图1 多糖类物质对肠上皮细胞抗氧化防御系统的保护机制[22]Fig. 1 Protective mechanisms of polysaccharides on antioxidant defense system of intestinal epithelial cells[22]

研究证明，多糖类物质可以恢复抗氧化剂的耗竭，提高GSH/氧化型谷胱甘肽（oxidised glutathione，GSSG）的比值，增强机体抵抗ROS引起损伤的能力，从而提升总抗氧化能力，减轻IBD中结肠的损伤程度[23]。Błaszczyk等[24]利用从燕麦纤维中提取的两种不同摩尔质量（2 179 700、69 700 g/mol）的β-葡聚糖干预脂多糖诱导的肠炎大鼠，发现β-葡聚糖可显著影响脾脏中SOD、GPx活力和GSH、GSSG的浓度，增强机体抗氧化能力。在此过程中，β-葡聚糖抗氧化活性可能与充当自由基猝灭剂分子的异头氢活性有关。此外，与低分子质量β-葡聚糖相比，高分子质量β-葡聚糖在消化道中形成的黏性凝胶可以保护胃肠道免受潜在毒性因素刺激，为黏膜再生创造了有利环境，从而保护抗氧化系统功能的完整性。Kofuji等[25]的研究表明β-葡聚糖清除•OH的活性随分子质量的降低而降低。这些研究结果表明β-葡聚糖具有保护抗氧化系统的功能，并且其分子质量影响β-葡聚糖抗氧化能力。Şengül等[26]利用乳酸菌等有益菌菌株产生的胞外多糖（exopolysaccharide，EPS）干预乙酸诱导的结肠炎大鼠，发现产生EPS的益生菌菌株能够提高炎症大鼠结肠中GSH含量和SOD、CAT、GPx等抗氧化酶活性，并通过非酶机制——金属离子螯合作用对镁、铁离子进行有效清除，以改善结肠抗氧化状态（图1），其机制可能是EPS为细胞间遗传物质交换提供了良好的环境，直接调节细胞信号传导，从而增强细胞抗氧化能力或者抑制炎症。也有研究表明，EPS聚合物在体外也显示出强烈的清除自由基、螯合金属离子等抗氧化能力[27]。这些研究表明，产生EPS的益生菌菌株能够有效改善结肠氧化损伤，但由于作用机制尚未明确，临床上的使用仍然存在争议。

1.4 抑制促炎症细胞因子表达

炎症在促进IBD发生方面发挥重要作用[28]。在IBD病变的肠黏膜中，树突状细胞和巨噬细胞是其关键的抗原呈递细胞，这些细胞在响应共生微生物群和Toll样受体（Toll-like receptors，TLR）信号传导时被激活，产生大量的促炎症细胞因子，如IL-1、IL-6、TNF等[29-31]，促进组织损伤和病情发展。

图2 多糖类物质对IBD发病机制中细胞因子的作用[29-31]Fig. 2 Regulatory effect of polysaccharides on cytokines during the progression of in flammatory bowel disease[29-31]

多糖类物质可以抑制IBD炎症组织中的IL-1β、IL-6、TNF-α等促炎症因子的表达（图1、2）。Zhou Yan等[9]研究表明，乳果糖（4G-β-D-半乳糖基蔗糖）对TNBS诱导的结肠炎大鼠有免疫调节作用，能刺激产生辅助性T细胞（helper T cell，Th）2型细胞因子来重新平衡Th1/Th2型细胞因子，降低TNF-α的含量，减轻上皮细胞损伤和肠黏膜溃疡。Cho等[32]采用从隔山消（Cynanchum wilfordii）中提取的高分子粗多糖HMFO（分子质量范围在11.8～520.4 kDa之间）干预DSS诱导的小鼠溃疡性结肠炎模型，发现HMFO能够有效降低血清中IL-6、TNF-α、IL-12、IL-18等促炎症细胞因子的含量，显著下调环氧化酶-2（cyclo-oxygenase-2，COX-2）表达；COX-2是治疗和预防IBD重要的分子靶点，抑制其表达和活性可以减轻结肠损伤程度。Tian Zhiqiang等[33]用黄芪多糖干预TNBS诱导的结肠炎大鼠，发现其能抑制核苷酸结合寡聚化结构域（nucleotide binding oligomerization domain，NOD）样受体家族3炎症小体，防止其激活Caspase1。阻止IL-1β和IL-18的成熟和分泌可以防止由其积聚导致的组织损伤，保护受损肠道上皮屏障[34]。此外，Yang Min等[35]的研究表明黄芪多糖可通过调节TNF-α、IL-1β和活化T细胞核因子c4的表达有效改善TNBS诱导的大鼠实验性结肠炎，阻止TNF-α过表达导致的肠道上皮屏障损伤。这些研究表明多糖类物质可以通过调节多种信号通路抑制促炎症细胞因子表达，对实验性结肠炎产生免疫治疗作用，保护受损结肠组织。

1.5 促进抗炎细胞因子表达

多糖类物质能够在验证过程中促进抗炎细胞因子表达，调节免疫系统动态平衡，保护因IBD导致的结肠损伤。IL-10是一种多效调节性细胞因子，可抑制抗原呈递和随后促炎症细胞因子的释放[36]，增加IL-1受体拮抗剂、可溶性TNF-α受体和基质金属蛋白酶组织抑制剂等抗炎蛋白的表达[37]，从而减轻炎症反应，保护肠道上皮屏障。调节性T（regulatory T，Treg）细胞通过抑制炎性细胞的增殖和促炎症细胞因子的产生在肠道炎症控制中起关键作用[38-39]，但缺乏IL-10的Treg细胞则不能抑制IBD，表明在这种情况下IL-10是淋巴细胞发挥作用所必须的[40]。

多糖类物质具有广泛的生物学活性，能调节抗原呈递细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞、自然杀伤细胞、嗜中性粒细胞、树突状细胞和多种细胞因子，在免疫反应中发挥着重要作用[41-42]。Daguet等[43]利用人类肠道微生物生态系统模拟器研究发现，一种高分子质量（200 kDa）杂多糖（阿拉伯半乳聚糖）在结肠中能逐渐发酵，在结肠的远端提供微生物发酵的底物，对肠道炎症具有潜在的积极作用。它能升高人克隆结肠腺癌细胞Caco-2的跨膜上皮电阻约50%，降低NF-κB的活性，刺激IL-10的产生，抵抗炎症并抑制远端结肠通透性的增加，维持肠道上皮屏障完整性。Majumder等[44]利用异麦芽糖糊精（isomaltodextrin mitigates，IMD）干预DSS诱导的结肠炎小鼠，发现IMD增加抗炎症细胞因子IL-10的表达，其具体机制可能是通过抑制TLR-4的表达发挥抗炎作用，由此表明抑制TLR-4表达可能是减少炎症反应的潜在方法。Lee等[45]利用细菌β-(1,3)葡聚糖（分子质量约300 kDa）干预DSS诱导的结肠炎小鼠，发现用β-(1,3)葡聚糖处理的小鼠抗炎症细胞因子IL-10的基因表达显著增加，并且在肠系膜淋巴结和结肠中恢复了Treg细胞数量；而在Treg缺陷小鼠中，β-(1,3)葡聚糖干预并不能恢复Treg细胞数量，相关炎症指标没有减轻，由此说明细菌β-(1,3)葡聚糖可能具有治疗胃肠疾病的潜力，其作用机制可能是通过恢复Treg细胞数量维持肠道免疫稳态，从而起到治疗IBD作用。

2 多糖通过调节肠道微生物和代谢产物干预IBD

近年来，大量研究表明摄入膳食纤维可以影响肠道微生物的组成[46]。膳食纤维为肠道微生物菌群提供了重要能量来源，可以直接或间接影响肠道黏膜免疫应答。肠道微生物在维持结肠稳态和局部以及全身免疫中发挥着重要的作用[47-48]，可以简单分为“有益”细菌和“有害”细菌。“有益”细菌能够抑制“有害”细菌的生长，刺激免疫系统产生对机体有利的免疫，诱导产生短链脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA），帮助消化和吸收营养物质并合成维生素；“有害”细菌抑制SCFA产生并促进促炎症因子和有害物质的产生（图3）[49-51]。有研究表明，紧密黏附在肠上皮上的分段丝状杆菌能诱导Th17反应，并增加结肠中Treg细胞数量[52]，同时单一定植的脆弱拟杆菌可促进Treg细胞增殖并诱导IL-10产生，两者共同作用抑制化学诱导的结肠炎[53]。这表明微生物菌群能够驱动宿主免疫反应并减弱疾病易感性。

图3 多糖类物质影响IBD可能的分子机制[50]Fig. 3 Molecular mechanisms of the effect of polysaccharides on IBD[50]

研究表明，复合碳水化合物会增加有益菌双歧杆菌（Bifidobacterium longum、Bifidobacterium breve、Bifidobacterium thetaiotaomicron）的水平[54]，并能调节肠道微环境，降低肠道pH值，刺激肠道中巨噬细胞和淋巴细胞，对抗炎症性疾病。肠道菌群与生化因子的相关分析表明，丁酸菌、螺旋菌、乳酸菌和双歧杆菌等保护性细菌的相对丰度与IL-10等抗炎症细胞因子的表达呈显著正相关；而普雷沃氏菌（Prevotella）、瘤胃球菌（Ruminococcus）、拟杆菌属（Bacteroides）相对丰度与IL-23、TNF-α、IL-1β、IL-6和IFN-γ等促炎症细胞因子的表达呈正相关。Ren Yilin等[55]利用从猴头菇中提取的多糖干预DSS诱导的小鼠结肠炎模型，发现多糖能够提高结肠炎小鼠细菌群落α-多样性指数，一定程度上抑制DSS诱导的结肠炎小鼠中致病菌的生长；多糖降低了Arthrobacter spp.、Methylibium sp.、Succinivibrio sp.的数量，有效缓解DSS诱导的肠道菌群紊乱，表明猴头菇中的多糖能够减少致病菌，对稳定并改善肠道微生态环境有积极作用，且能够为炎症性疾病提供良好的预防和治疗作用。Chang等[56]发现灵芝菌丝体中提取的高分子质量（大于300 kDa）多糖能显著降低小鼠中Escherichia fergusonii、肠球菌等菌群的丰度，表明多糖类物质能降低肠道微生物有害菌群比例，减轻有害菌群对结肠黏液屏障的损伤。

此外，微生物发酵多糖类物质产生的例如乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐等SCFA有助于调节肠内稳态，并可能通过表观遗传调控基因表达，降低人脂肪组织中促炎症因子的产生。球形梭菌（Clostridium coccoides）是SCFA的主要生产者，其能发酵多糖产生丁酸盐作为结肠细胞主要能量来源，已被证明可以保护结肠免受炎症损伤[57-58]。Rose等[59]发现淀粉包埋的微球（含多糖类物质）在IBD患者的粪便微生物体外发酵过程中能调节SCFA含量，降低潜在有害菌如Bacteroides vulgatus和Veillonella等的丰度，其具体机制可能包括：淀粉包埋的微球表现出缓慢发酵的特征，有利于增加结肠远端中有益发酵产物含量并改善结肠健康；产生SCFA有助于维持相对低的结肠pH值，防止潜在有害菌生长并降低葡萄糖醛酸酶、糖苷酶和7α羟化酶等共致癌酶的活性；产生丁酸盐作为结肠上皮细胞的主要能量来源；作为抗炎剂抑制转录因子NF-κB的激活，抑制免疫炎症反应和下调下游产物如促炎细胞因子IL-12和TNF含量；上调抗炎细胞因子IL-10含量。Chen Chun等[60]在研究桑葚多糖体外发酵对肠道微生物群组成及代谢产物影响时发现，随着发酵时间的延长，培养基内的pH值降低，总SCFA产量显著增加，并且桑葚多糖中的半乳糖和半乳糖醛酸发酵导致乙酸和丁酸产量增加，阿拉伯糖和葡萄糖发酵导致丙酸产量增加。这些研究表明，多糖类物质能够影响肠道微生物及其代谢产物，但其具体机制仍需进一步探索。因此，调控肠道菌群组成或利用肠道菌群发酵多糖类物质的代谢产物可有效预防IBD，并缓解IBD患者在疾病发作期间肠道炎症症状。

3 结 语

综上所述，多糖类物质能直接或间接干预IBD的发展。目前已报道的文献中，多糖类物质干预IBD的机制主要包括：通过多糖本身减少炎症过程中嗜中性粒细胞浸润；抑制氧化应激及脂质过氧化；保护抗氧化系统；抑制促炎症细胞因子并促进抗炎反应；通过调节肠道微生物及其代谢产物发挥预防及治疗IBD的作用；通过调节肠道微生物促进肠道黏膜黏附、增强特定组织的靶向性并减轻炎症反应。但是，不同种类和不同分子质量的多糖对IBD的干预效果不同。大量研究表明，与低分子质量多糖相比，较高分子质量多糖在缓解IBD方面表现出更好的效果。尽管目前药物治疗能够在一定程度上缓解IBD，但在许多临床实践中，IBD治疗药物都有导致肠道菌群稳态失衡及耐药性增加、引起头痛恶心及骨质疏松、消化不良、情绪紊乱等不良反应[50]。因此，亟待开发一种新的辅助治疗策略，特别是应用于IBD早期阶段；而饮食调整近年来已经显示出有助于缓解疾病的潜力。

除多糖类物质本身可以发挥直接干预IBD的作用外，多糖调节微生物菌群驱动宿主免疫反应并改变疾病易感性这种作用机制可能成为一种全新的IBD干预方法，但是关于膳食对肠道微生物群的影响目前仍知之甚少。针对IBD潜在的预防治疗措施主要有：鉴定已经存在于肠道中的有益微生物以保持胃肠道健康；寻找到某一类能够产生有益代谢产物的肠道菌群，将其与多糖类物质结合起来作为功能性食品中的活性成分；通过多种技术手段使多糖类物质能在肠道内缓慢发酵，达到调节结肠远端微生物群的效果。虽然本文中综合体内外研究结果阐述了食源性天然产物中多糖类物质干预IBD的效果，但仍然需要进一步的研究揭示多糖在干预IBD及调节肠道菌群方面的潜在作用机制。作为食源性天然产物的多糖类物质具有广泛的生物学活性，未来可能成为缓解IBD相关症状的有效方法，但是其具体机制尚未完全清楚，随着人们对肠道微生物认识的不断深入，通过饮食预防或控制肠道菌群在炎症状态下失衡可能成为治疗IBD的潜在途径。在某种程度上，多糖的分子质量及化学结构影响其生物学活性，多糖类物质与炎症性疾病以及肠道微生物的构效关系将成为未来研究的方向。