短双歧杆菌的生物学特性及益生功能研究进展

王元弛，黄 玲，张旭光，张学荣

（汤臣倍健股份有限公司，广州 珠海 510663）

0 引言

1899年，Tissier首次在母乳喂养婴儿的粪便中分离得到双歧杆菌，随着研究的深入和基因测序技术的成熟，目前已发现79个种及亚种的双歧杆菌（http://www.bacterio.net）。1971年，短双歧杆菌从婴儿粪便中分离到并命名，研究表明其具有增强免疫功能、调节肠道菌群平衡、预防及治疗疾病等益生功能。综述了短双歧杆菌定植黏附、耐氧耐酸等生物学特性及其益生功能的研究应用。

1 短双歧杆菌生物学特性

短双歧杆菌是一种革兰氏阳性、无芽孢、无运动、专性厌氧细菌，具有多种形态特征包括短杆、分叉Y形杆、V形杆等，且在不同营养环境下存在差异。其在温度35～40℃，pH值6.5～7.0下最适生长。低于25℃，高于45℃，pH值高于8.5则不生长。

1.1 定植黏附

益生菌能够通过人体胃肠道，附着于肠道黏膜表面存活并增殖。从而对调节宿主代谢及能量平衡、抵抗病原体定植、促进肠道成熟和免疫系统发育等方面发挥重要作用[1-4]。研究人员发现短双歧杆菌UCC2003能够产生神经丝氨酸蛋白酶抑制剂，保护细胞外的蛋白质及菌毛的黏附能力[5]，从而实现其在宿主体内的定植黏附。Mogna L等人[6]和Shimakawa Y等人[7]发现摄入短双歧杆菌B632和短双歧杆菌BR03的志愿者粪便中短双歧杆菌含量显著增加。由此可证明短双歧杆菌可在人体肠道内成功定植黏附。

1.2 耐氧机制

短双歧杆菌为严格厌氧细菌，而菌株之间的氧气敏感性存在差异。研究人员对氧气与短双歧杆菌存活的关系进行了大量研究，发现活性氧化物（超氧化物、过氧化氢、羟基自由基） 的产生造成了短双歧杆菌氧中毒，从而导致细胞死亡[8]。而需氧菌可以通过某些酶（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶） 分解这些活性氧化物，是防御氧中毒的主要成分[9]。之前有研究表明，在厌氧菌中可能缺乏这2种酶而造成氧中毒。然而一些研究发现，NADH氧化酶和NADH过氧化物酶的活性决定了短双歧杆菌对氧气的耐受能力。Shimamura S等人[10]研究双歧杆菌氧敏感性背后的酶促机制，发现NADH氧化酶和NADH过氧化物酶水平与菌株耐氧性之间存在相关性，氧敏感菌株中NADH氧化酶和NADH过氧化物酶活性较低。Shin S Y[11]研究证实氧气最敏感的双歧杆菌菌株暴露在有氧环境环境中，NADH氧化酶和NADH过氧化物酶活性最低，氧气耐受性最强菌株的NADH氧化酶和NADH过氧化物活性最高[12]。因此，探索这2种酶与短双歧杆菌耐氧性之间的相关性将具有重要意义。

双歧杆菌的氧代谢途径[12]见图1。

1.3 耐酸机制

多数短双歧杆菌对酸耐受性差[13]，当其暴露于各种酸性环境（发酵乳制品、胃肠液），菌体活力会受到较大影响，不利于其益生特性发挥。Yang X等人[14]基于转录组学和生理学数据，揭示出耐酸菌株短双歧杆菌BB8dpH具有高耐酸性的原因。研究认为，短双歧杆菌BB8dpH是通过基因、转录和生理过程等多水平调控来实现的。首先，短双歧杆菌BB8dpH通过增加肽聚糖 （PGN） 和胞外多糖（EPS） 的合成和降低支链氨基酸（BCAA） 分泌量来增强细胞膜能力，以防止H+进入细胞。其次，当H+进入细胞质时，其细胞通过升高细胞质内醋酸/乳酸比率，增加碳水化合物的摄入量，增强细胞内谷氨酸、谷氨酰胺和组氨酸合成来调节细胞内酸性环境。此外，发现一些差异基因（DEG） 与短双歧杆菌BB8dpH细胞在酸性环境中蛋白质的合成和肽的摄入改变有关。总体来说，上述研究有助于理解短双歧杆菌耐酸性的原因，为进一步研究短双歧杆菌耐酸性机制提供了理论指导。

短双歧杆菌BB8dpH的耐酸性模型见图2。

2 短双歧杆菌益生功能

2.1 改善消化系统代谢

2.1.1 促进营养物质代谢和吸收

短双歧杆菌能够产生多种α-葡萄糖甘酶（Agl1， Agl2， Agl3， Mel）[15]， 可以促进木聚糖、 甘露糖、淀粉和黏蛋白等多糖物质代谢[16]，代谢碳水化合物生产短链脂肪酸（SCFA）、增加矿物质吸收、改善肠道功能紊乱[17]。有研究表明，摄入短双歧杆菌DPC6330与棕榈油酸、花生四烯酸、二十二碳六烯酸（DHA） 和α-亚麻酸的大鼠，发现脂肪组织中的二十碳烯酸和前额皮质中的棕榈油酸含量及肝脏及大脑中二十碳五烯酸（EPA）和DHA浓度显著增加[18-19]。以上研究表明，短双歧杆菌不仅能够自身合成多种营养物质，促进机体的营养合成和吸收，而且可在人体肠道菌群中起重要作用。

2.1.2 改善便秘

便秘是指排便次数减少，同时排便困难、粪便干结。正常人每日排便1～2次或1～2日排便1次，便秘患者每周排便少于3次，并且排便费力，粪质硬结、量少，其严重影响人们的生活质量。据调查，在发达国家中排便障碍、硬便等便秘问题已影响到12%～17%成人健康。研究表明，摄入短双歧杆菌BR03的志愿者，显著改善了每周排便次数与硬便等便秘问题，且对腹胀、肛门瘙痒、灼热、疼痛等问题也有相应的改善作用[20]。长期摄入含有短双歧杆菌Yakult发酵乳的健康年轻女性的排便次数、粪便稠度和粪便量显著增加[21]。之前有研究表明，短双歧杆菌可以改善便秘问题能够分解肠道中不易分解的麸皮、纤维素、半纤维素、果胶、低聚果糖和低聚半乳糖等碳水化合物，产生SCFA，进而促进肠道蠕动刺激肠道黏膜，达到改善便秘的功效[22-23]。最新研究表明，短双歧杆菌可增加粪便乙酸、水分含量、增加拟杆菌比例，从而增加乳杆菌的丰度、降低病原菌水平、促进胃肠道蠕动达到改善便秘的效果[24]。综上研究，短双歧杆菌具有调节肠道微生态环境，有助于分解碳水化合物，产生有益物质，增强肠道蠕动，从而改善便秘问题。

2.1.3 预防肥胖

肥胖已成为全球流行病，且是严重慢性疾病发病率增加的主要原因。越来越多的研究表明，肠道菌群与肥胖有关。摄入短双歧杆菌B-3能够增加短双歧杆菌在肠道微生物的数量及比例，调节胰高血糖素相关因子，从而有效降低高脂饲料诱导小鼠的肥胖风险[25]。Minami J等人[26]评估了短双歧杆菌B-3的摄入对肥胖成年人体质指数和血液参数的影响，结果表明摄入短双歧杆菌B-3试验组人群脂肪量显著降低，且与肝功能和炎症相关的指标也有所改善。这些研究表明摄入短双歧杆菌能够调节肠道菌群环境，从而起到预防肥胖和减肥的功效。

2.1.4 缓解克罗恩病

克罗恩病 （Crohn's disease，CD） 是一种炎症性肠病，可能影响从口腔到肛门之间的任何胃肠道部位。大量动物和临床试验结果表明，肠道菌群失调是CD诱因之一。研究人员对CD患者摄入含有短双歧杆菌制剂进行治疗，结果表明高剂量短双歧杆菌和益生元搭配可以安全有效缓解及治疗CD病状[27]，早期服用短双歧杆制剂的CD患者结肠黏膜促炎细胞因子水平降低，从而改善CD病状及降低手术后CD复发率[28]。摄入短双歧杆菌对CD患者的病症有缓解作用，将短双歧杆菌作为预防、缓解和治疗CD的研究对象具有巨大潜力。

2.1.5 改善坏死性小肠结肠炎

坏死性小肠结肠炎 （Necrotizing enterocolitis，NEC） 是一种多因素疾病，其中肠功能不成熟在其发病机制中起重要作用[29-30]，多发于婴幼儿时期，是婴幼儿最常见的急症之一。研究发现，早产儿摄入含有短双歧杆菌制剂，对于不同胎龄、胎儿生长受限和性别的早产儿均有显著预防NEC效果，且NEC发病率和死亡率显著降低[31]，改善了NEC患者病状[32]。研究者推测，其原因是改善了肠道蠕动[32]，抑制了紧密连接蛋白相关因子的表达[33]。

2.2 加强免疫系统调控

2.2.1 增强宿主免疫能力

短双歧杆菌在婴儿和成人肠道内定植黏附后，能够提高自然杀伤细胞活力、增强细胞因子表达水平、促进免疫球蛋白的表达，从而增强机体免疫系统的功能[34-35]。短双歧杆菌CNCM I-4035和短双歧杆菌M16能够影响肠道免疫应答，免受伤寒沙门氏菌高感染性因子侵害，下调促炎因子水平[36]，从而降低新生儿炎症的发生率，增强免疫调节作用[37]。另一方面，短双歧杆菌UCC2003能够代谢产生胞外多糖（EPS），从而降低病原菌在宿主肠道内的定植水平，并在免疫反应中起重要作用[38]。摄入含有短双歧杆菌制剂，能够刺激免疫球蛋白IgA生成，促进白细胞介素4、白细胞介素10等细胞因子增加，从而发挥免疫调节作用[39]，改善在母乳喂养时的婴幼儿黏膜免疫能力[40]。研究表明，摄入短双歧杆菌能够产生抗菌物质，降低病原体定植水平，增强屏障功能及上皮细胞信号转导的调节和先天性和适应性免疫调节[35，41]，以增强宿主免疫能力。

2.2.2 抗过敏

过敏反应，是由免疫系统对环境中通常无害的物质刺激时所发生的组织损伤或功能紊乱的反应。有研究发现摄入含有短双歧杆菌的配方奶粉和混合制剂可降低特应性高风险婴儿的牛奶蛋白致敏比例，并可以提高牛奶过敏婴儿的口服耐受性，降低具有家族史潜在过敏性疾病婴儿的发病率[42]，预防婴儿过敏性皮炎、过敏性湿疹、哮喘和降低患病风险[43-44]。改善成人过敏性皮炎[45]，且可以改善屋尘螨引起的呼吸道过敏性炎症，其中和低聚果糖的组合在预防屋尘螨引起呼吸道炎症方面最有效[46]。研究表明，短双歧杆菌具有改善食物引起过敏性疾病的潜力并对不同类型过敏性疾病的预防改善均有积极作用，这为预防及改善过敏性疾病提供了新思路。

2.2.3 减轻全身炎症反应综合征

全身炎症反应综合征（Systemic inflammatory response syndrome，SIRS） 是机体因感染等因素导致的严重损伤而产生全身性的非特异性炎症反应，最终导致机体失控所表现的一组临床症状。Shimizu K等人[47]通过研究摄入短双歧杆菌和低聚半乳糖SIRS患者时，发现双歧杆菌数量显著增加；粪便中乙酸、丙酸和丁酸含量显著升高；肠炎、肺炎和细菌感染等感染性并发症的发生率显著降低。研究人员认为，严重SIRS的病状与异常肠道菌群环境相关，而摄入含有短双歧杆菌合生元有助于改善严重SIRS患者的肠道菌群恶化并减少感染并发症。肠道菌群失衡与诸多疾病显著相关[48-49]，复杂的肠道菌群可以预防致病性传染因子的侵害[50]，而摄入短双歧杆菌能够帮助提高肠道菌群多样性，改善肠道菌群，进而减轻及改善SIRS病状。

2.3 改善神经系统调节

2.3.1 缓解焦虑

焦虑是一种由神经调控而产生内心混乱、不愉快情绪状态。越来越多的研究表明，脑-肠-微生物轴在调节情绪、大脑和行为方面起着关键作用[51-53]。已证明益生菌具有减轻焦虑、抑郁等相关功效。摄入短双歧杆菌1205具有减轻及改善BALB/c小鼠焦虑情绪、缓解压力等功效[54]，其改善效果比抗焦虑药依他普仑更明显[55]。上述研究结果表明，短双歧杆菌具有改善焦虑情绪缓解压力作用，开辟了缓解焦虑的新途径，进一步研究短双歧杆菌减缓焦虑症状的机制具有重要意义。

2.3.2 改善阿尔兹海默症

阿尔茨海默症 （Alzheimer's disease，AD） 是一种不可逆转的神经退行性疾病，逐渐导致认知障碍并最终导致痴呆。有研究发现，摄入短双歧杆菌A1对AD小鼠具有预防及改善AD认知障碍的作用[56]。研究人员认为，摄入短双歧杆菌能增强线粒体功能，提高代谢能力进而加强脑储备能力，并可能降低tau和Aβ水平，进而起到减缓、改善AD症状的功效[57]。短双歧杆菌相比传统药物相对安全、成本较低且具有相似疗效，在AD的预防及改善方面具有广阔的前景。

3 结语

国内外对短双歧杆菌的研究已有数十年，其应用前景广阔，既可作为膳食补充剂，又可作为保健食品的功能成分[46，58-59]。大量动物和临床试验研究表明，短双歧杆菌具有改善消化系统代谢、加强免疫系统调控、改善神经系统调节，以及安全无副作用等特点，已被广泛认可。但其耐酸耐氧性差，当其暴露于各种酸性、有氧环境，菌体活力会受到较大影响，不利于其益生特性发挥，阻碍了生产及商业应用步伐。因此，进一步研究短双歧杆菌耐酸耐氧等生物学特性及益生特性，已成为具有巨大发展前景的研究课题，对短双歧杆菌的益生功能进一步发挥和开发更好益生菌产品具有重大意义。