膳食纤维对肥胖相关的肠道微生态的影响

杨海燕 葛声

摘 要：研究发现，肠道微生态的改变与肥胖等代谢性疾病相关。膳食纤维作为饮食的一部分，通过在肠道的作用改变肠道菌群比例及丰度、改善炎症反应、调节肠道激素及脂质代谢来改善肥胖，但膳食纤维在防治肥胖方面的推荐摄入量、种类及与肠道菌群的作用机制还需进一步研究。本文对膳食纤维对肥胖相关的肠道微生态的影响的研究进展进行了综述。

关键词：膳食纤维;肥胖;肠道微生态

肠道微生态的改变与肥胖密切相关，如肠道菌群可通过它在能量收获、代谢信号和炎症反应中的作用可以改善肥胖及其相关代谢疾病[1-3]。研究发现，肠道微生态从婴儿状态不断发育与成熟，到3岁左右达到成人水平，之后便处于动态平衡中[4]，而这种状态会受各种环境因素的影响，包括宿主的遗传、饮食、生活方式等可影响肠道微生态，从而影响身体的健康。膳食纤维作为饮食的一部分，与肠道微生态的改变息息相关。可溶性纤维是由具有凝胶形成能力的水溶性元素（菊粉、果胶、树胶和低聚果糖等）组成的，可被肠道微生物利用，特别是结肠菌群，这种纤维因此被称为可发酵纤维[5]。富含膳食纤维的食物通常有较低的能量密度，直接通过肠道物理效应，延迟了胃内容物的排空，增加饱腹感和减少能量摄入从而控制体重，同时还有改善血糖、降胆固醇、通便等功能[6]。越来越多的试验表明，膳食纤维，特别是水溶性纤维与肥胖相关的肠道微生态密切相关，目前研究较多的有低聚果糖（FOS）、菊粉、麸皮和谷物纤维等，其中FOS及菊粉也属于益生元，可以非常高效地增殖肠道益生菌的数量，调节肠道菌群的平衡。

1 膳食纤维对肠道微生态的影响

已有大量研究探讨了肥胖患者的肠道微生态失调的现象，如肥胖个体的肠道中厚壁菌群增加，拟杆菌群减少，菌群的多样性下降。在人体重要的共生菌中，除了拟杆菌门和厚壁菌门与肥胖相关，还有许多其他微生物如双歧杆菌属、乳酸杆菌属等与肥胖也相关[7-8]。一项设计12个随机对照试验的荟萃分析[9]，持续时间2～17周，共涉及609名肥胖参与者，结果表明，与对照组相比，可溶性膳食纤维最多可以帮助降低BMI 0.84 kg/m2，减重2.52 kg，减脂0.41%，在膳食中加入可溶性膳食纤维，可改善肥胖患者的体重。目前越来越多的研究表明，膳食纤维能够对肠道微生态产生影响来预防肥胖。

1.1 改变肠道菌群比例及丰度

各种因素（如宿主基因型、免疫状况和健康状态）会影响肠道微生态，主要驱动因素是宿主饮食[10-12]。食用膳食纤维已被证明可改变肠道菌群的比例。Alessandra等[13]采用激光捕获显微切割技术，发现结肠菌群具有精细的空间结构，其组成和多样性沿纵轴（近端-远端）和横轴（黏液-肠腔）成梯度改变。同时实验发现，饮食缺乏膳食纤维，在纵轴上肠内微生物的多样性降低，近端结肠变形杆菌增加，远端结肠硬毛菌增加，菌群对膳食纤维代谢产物也进一步增加。在横轴上黏液相邻的菌群也随着饮食缺乏膳食纤维而减少，同时伴随着黏液层变薄、杯状细胞减少。在动物及人群实验同样得到证实。Shen等[14]将200只雄性小鼠分成对照组（生理盐水）、低剂量谷物β-葡聚糖组（0.35 g/kg）、高剂量谷物β-葡聚糖组（0.7 g/kg），6周后，发现高剂量组与对照组和低剂量组相比，肠道内乳酸杆菌、双歧杆菌增多，肠杆菌科数目减少（P<0.05）。一项纳入2 099名健康成人受试者的64项随机对照实验进行的荟萃分析表明，与安慰剂/低膳食纤维组相比，高膳食纤维组的粪便中双歧杆菌属、乳酸杆菌属增加，其中果聚糖和低聚半乳糖能显著增加双歧杆菌属和乳酸杆菌属的数量[15]。推测膳食纤维能够改变不同菌群在肠道内的比例，目前研究较多的是低聚糖、抗性淀粉和化学合成纤维，其他类别的膳食纤维对肠道菌群是否有类似作用还需进一步验证。

研究发现，随着饮食中膳食纤维的摄入的减少，肠道菌群的丰度会降低，而当膳食纤维的摄入增多，肠道菌群的丰度会增多[16-18]。随后Wu等[19]进行一项针对10位受试者喂养控制的研究，所有受试者开始都是类杆菌肠型（高蛋白和脂肪），随后予以低脂肪/高纤维饮食10 d，结果表明，低脂或高纤维饮食的24 h内，微生物组成发生了可检测的变化，但没有一个人稳定地转换为普雷沃泰氏菌（碳水化合物）肠型。因此，在饮食干预的10 d里，我们没有看到两个以饮食极端为特征的肠型组之间的稳定转换。随后的研究表明，低膳食纤维饮食模式引起肠道菌群丰度的减少不会随着饮食的结构改变而完全恢复。研究者将10只小鼠高膳食饮食6周后，随机分到实验组（低膳食饮食7周，随后再高膳食饮食4周）和对照组（高膳食饮食11周），结果表明，与对照组相比，低膳食饮食7周后有60% （208个中的124个）的菌群数量减少2倍以上，最后有58个菌群随着高膳食饮食的重新摄入而恢复。随后研究者继续将实验组的小鼠进行繁殖后代，繁殖的后代在断奶后就喂养高膳食纤维饮食，结果却发现，后代小鼠并没有纠正上一代小鼠肠道菌群丰度的损失，并且在上一代中通过切换高膳食纤维饮食能够恢复的菌群，在子代中大多数都没有恢复，丢失的菌群大部分来自与肥胖相关的拟杆菌目，并且随着繁殖代数增加，肠道菌群丰度进行性减少[20]，表明饮食中膳食纤维摄入的减少对肠道菌群的丰度影响深远。

1.2 改善炎症反应

目前的研究认为，脂多糖（LPS）是诱导肥胖及胰岛素抵抗相关低度炎性反应的触发因子。LPS主要由肠道菌群中革兰阳性菌生成，它与位于肝细胞和脂肪细胞中的TLR4受体结合，激活Myd88/NF-κB信号通路，诱导促炎细胞因子释放，導致炎性细胞因子的合成，从而产生内毒素血症[21-22]。此外，肥胖导致的菌群失调会提高肠道通透性，LPS入血增加，进一步加重炎症反应，即肠道屏障对于控制炎症也有重要意义。目前研究高膳食纤维饮食可能是一种减少炎症反应的改善措施。一项研究表明，与对照组（标准饲养）相比，HF（高脂喂养，脂肪含量49.5%）组小鼠IL-1α、IL-1β、IL-6均明显升高，HF-FOS组（高脂饮食中添加膳食纤维FOS的重量比例为10%）与HF组相比，IL-1α和IL-6细胞因子血浆水平趋于正常化。我们还发现体重、内脏脂肪质量及脂肪组织促炎细胞因子与双歧杆菌呈负相关[23]。同样，一项对93名肥胖患者进行23周的自身对照临床试验[24]，受试患者保持正常日常活动模式及避免服用药物（如抗生素），结果发现，饮食加入膳食纤维（主要抗性淀粉、半纤维素、低聚糖）后平均减重（5.79±4.64）kg，C反应蛋白（CRP）、促炎细胞因子[肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白细胞介素6（IL-6）、白介素1b（IL-1b）降低和胰岛素敏感性改善（P<0.05）。粪便样品测序结果显示，双歧杆菌科增加，肠道通透性（以乳果糖/甘露醇比值衡量）降低。进一步的研究发现，双歧杆菌及乳酸杆菌可使肠道内受损的紧密连接蛋白水平恢复正常状态，并降低炎症因子的水平[25]。推测膳食纤维的摄入增加了双歧杆菌的数量，降低肠道黏膜通透性，并减少LPS入血，从而降低炎症反应。

1.3 调节肠道激素

高纤维食物会增加饱腹感，并减少能量摄入，但其机制尚不完全清楚，可能与食欲相关的肠道激素变化有关，特别是胰高血糖素样肽-1（GLP-1）和多肽YY（PYY）。这些蛋白是由肠内L细胞分泌，在回肠和结肠上皮密度最高[26]。PYY及GLP-1通过抑制神经肽Y（NPY）和激活下丘脑弓状核（ARC）中的阿片黑素原皮质醇（POMC）神经元，通过延缓胃排空来影响食欲和饱腹感[27]。在一项研究中，补充FOS（每天16g，持续2周）降低了主观饥饿评级（P<0.01），这与健康成年人餐后血浆PYY、GLP-1水平的升高有关[28]。而且，与麦芽糊精相比，摄入FOS 12周（每天21 g）导致的体重减轻（1.03 kg，P<0.01），这也与餐后血浆PYY、GLP-1水平的升高及能量摄入减小29%有关[29]。另外，膳食纤维在肠道发酵产物短链脂肪酸（SCFA）也参与其中，SCFA依赖于GPR41和GPR43的方式可刺激L细胞分泌PYY和GLP-1[30-31]。啮齿动物基因敲除模型突显了SCFA受体GPR43在GLP-1和PYY分泌中的重要性，与野生型GLP-1相比，剔除GPR43的小鼠体内GLP-1的活性比基础水平降低了43%（P<0.01），葡萄糖灌胃后GLP-1的水平降低了47%（P<0.01）[31]。这些发现肠道激素对食欲和饱腹感的影响，可能会导致更多关于可发酵多糖和PYY释放的人体研究。

1.4 调节脂质代谢

研究发现，FOS可以通过调节肠道菌群而降低 T2DM遗传性肥胖小鼠的脂肪含量，提高瘦素敏感性。同样，在糖尿病大鼠模型中，摄入低聚半乳糖可以降低血清甘油三酯、总胆固醇含量[32]，这可能与SCFA有关。膳食纤维在结肠中经肠道菌群的发酵可产生代谢产物SCFA，主要成分为乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐及醋酸盐等。SCFA可通过抑制肝脂肪合成酶活性，促进降解胆固醇的胆固醇氧化酶的生成，从而降低血清胆固醇[33-34]。Edward等[30]将49名超重成年人随机分成25名干预组（菊粉-丙酸酯）和24名对照组（菊粉），为期实验24周，结果表明，两组之间的体重增加有显著差异，干预组25名参与者中有1名体重增加超过基线体重的3%，而对照组24名参与者中有6名（25%）（P=0.036）;虽然这项研究的主要目的是研究SCFA防止体重增加，但注意到加入丙酸酯组（SCFA的一种成分）在24周后体重减轻更大，对照组0.38 kg（95% CI：0.95～1.72）与干预组1.02 kg（95% CI：2.10～0.04）（P=0.099），尽管这种效果在两组之间没有显著差异，但发现菊粉-丙酸酯组内脏脂肪组织分布的变化（以总脂肪组织含量的百分比表示）明显低于菊粉对照补充剂（P=0.027）。

2 膳食结构的选择

研究表明，高脂肪高热量的西式饮食会增加厚壁菌门的数量和脂肪并减少肠道菌群的多样性[35]。多项研究均表明，地中海饮食可预防肥胖[36-38]。一项纳入16项研究评估地中海膳食对体重影响的荟萃分析，涉及了3 436名参与者，干预随访时间大于4周，发现与对照膳食相比，地中海膳食显著降低了 1.75 kg 体重，并且在对地中海膳食组内进行的敏感性分析显示，地中海膳食在能量摄入较低、体力活动较高或干预随访时间长的分组中，体重的改善更为显著[39]。一项纳入18项共7 186名受试者的荟萃分析显示，地中海饮食的干预可减少中心性肥胖的可能性。目前，中国营养学会提出中国居民摄入的膳食纤维量平均为30 g/d，大约是目前成年人膳食纤维摄入量的2倍，但目前各国膳食纤维的推荐量尚未统一。因此，人们对发现天然纤维的新来源可能越来越感兴趣，这些不同种类的纖维中的一些可以作为功能性成分来获得对健康有益的食品。

3 结论

高膳食纤维饮食可通过影响肠道微生态从而预防和改善肥胖，同时对预防或减缓肥胖相关并发症也具有重要意义。目前的研究仅限于少数膳食纤维种类的作用，深入了解其他膳食纤维种类对肠道微生态的影响有待进一步研究。肠道微生态是一个复杂、受多种因素影响的环境，膳食纤维对肠道微生态不同方面的影响之间也存在一定的内在联系，所以膳食纤维对肠道微生态影响机制还需进一步研究。◇

参考文献

[1]Paul HA，Bomhof MR，Vogel HJ，et al.Diet-induced changes in maternal gut microbiota and metabolomic profiles influence programming of offspring obesity risk in rats [J]. Sci Rep，2016（6）：20683.

[2]Vulevic J，Juric A，Tzortzis G，et al.A mixture of trans-galactooligosaccharides reduces markers of metabolic syndrome and modulates the fecal microbiota and immune function of overweight adults [J]. The Journal of Nutrition，2013，143（3）：324-331.

[3]Cox LM，Blaser MJ.Pathways in microbe-induced obesity [J]. Cell Metabolism，2013，17（6）：883-894.

[4]Sommer F，Bckhed F.The gut microbiota-masters of host development and physiology [J]. Nature Reviews Microbiology，2013，11（4）：227-238.

[5]Howlett JF，Betteridge VA，Champ M，et al.The definition of dietary fiber - Discussions at the Ninth Vahouny Fiber Symposium：building scientific agreement [C]. Food and Nutrition Research，2010.

[6]Poutanen KS，Dussort P，Erkner A，et al.A review of the characteristics of dietary fibers relevant to appetite and energy intake outcomes in human intervention trials [J]. The American Journal of Clinical Nutrition，2017，106（3）：747-754.

[7]Qin Y，Roberts JD，Grimm SA，et al.An obesity-associated gut microbiome reprograms the intestinal epigenome and leads to altered colonic gene expression [J]. Genome Biology，2018，19（1）：7.

[8]Turnbaugh PJ，Backhed F，Fulton L，et al.Diet-induced obesity is linked to marked but reversible alterations in the mouse distal gut microbiome [J]. Cell Host & Microbe，2008，3（4）：213-223.

[9]Thompson SV，Hannon BA，An R，et al.Effects of isolated soluble fiber supplementation on body weight，glycemia，and insulinemia in adults with overweight and obesity：A systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials [J]. American Journal of Clinical Nutrition，2017，106（6）：1514-1528.

[10]Johansson ME，Larsson JM，Hansson GC.The two mucus layers of colon are organized by the MUC2 mucin，whereas the outer layer is a legislator of host-microbial interactions [J].Proc Natl Acad Sci USA，2011，108（Suppl 1）：4659-4665.

[11]Atuma C，Strugala V，Allen A， et al.The adherent gastrointestinal mucus gel layer：thickness and physical state in vivo [J]. American Journal of Physiology Gastrointestinal and Liver Physiology，2001，280（5）：G922-929.

[12]Pereira FC，Berry D.Microbial nutrient niches in the gut [J]. Environ Microbiol，2017，19（4）：1366-1378.

[13]Riva A，Kuzyk O，Forsberg E， et al.A fiber-deprived diet disturbs the fine-scale spatial architecture of the murine colon microbiome [J]. Nat Commun，2019，10（1）：4366.

[14]Shen RL，Dang XY，Dong JL， et al.Effects of oat beta-glucan and barley beta-glucan on fecal characteristics，intestinal microflora，and intestinal bacterial metabolites in rats [J]. J Agric Food Chem，2012，60（45）：11301-11308.

[15]So D，Whelan K，Rossi M， et al.Dietary fiber intervention on gut microbiota composition in healthy adults：a systematic review and meta-analysis [J]. The American Journal of Clinical Nutrition，2018，107（6）：965-983.

[16]Koropatkin NM，Cameron EA，Martens EC.How glycan metabolism shapes the human gut microbiota [J]. Nature Reviews Microbiology， 2012，10（5）：323-335.

[17]Chen J，Li Y，Tian Y， et al.Interaction between microbes and host intestinal health：Modulation by dietary nutrients and gut-brain-endocrine-immune axis [J]. Current Protein and Peptide Science，2015，16（7）：592-603.

[18]Zimmer J，Lange B，Frick JS，et al.A vegan or vegetarian diet substantially alters the human colonic faecal microbiota [J]. European Journal of Clinical Nutrition，2012，66（1）：53-60.

[19]Wu GD，Chen J，Hoffmann C， et al.Linking long-term dietary patterns with gut microbial enterotypes [J]. Science，2011，334（6052）：105-108.

[20]Sonnenburg ED，Smits SA，Tikhonov M， et al.Diet-induced extinctions in the gut microbiota compound over generations[J]. Nature，2016，529（7585）：212-215.

[21]Manco M，Putignani L，Bottazzo GF.Gut microbiota，lipopolysaccharides，and innate immunity in the pathogenesis of obesity and cardiovascular risk [J]. Endocrine Reviews，2010，31（6）：817-844.

[22]Velloso LA，Folli F，Saad MJ.TLR4 at the crossroads of nutrients，gut microbiota，and metabolic inflammation [J]. Endocrine Reviews，2015，36（3）：245-271.

[23]Cani PD，Neyrinck AM，Fava F，et al.Selective increases of bifidobacteria in gut microflora improve high-fat-diet-induced diabetes in mice through a mechanism associated with endotoxaemia [J]. Diabetologia，2007，50（11）：2374-2383.

[24]Xiao S，Fei N，Pang X，et al.A gut microbiota-targeted dietary intervention for amelioration of chronic inflammation underlying metabolic syndrome [J]. Fems Microbiology Ecology，2014，87（2）：357-367.

[25]Cani PD，Possemiers S，Van de Wiele T， et al.Changes in gut microbiota control inflammation in obese mice through a mechanism involving GLP-2-driven improvement of gut permeability [J]. Gut，2009，58（8）：1091-1103.

[26]Theodorakis MJ，Carlson O，Michopoulos S， et al.Human duodenal enteroendocrine cells：source of both incretin peptides，GLP-1 and GIP [J]. American Journal of Physiology Endocrinology and Metabolism，2006，290（3）：E550-559.

[27]De Silva A，Bloom SR.Gut hormones and appetite control：a focus on PYY and GLP-1 as therapeutic targets in obesity [J]. Gut and Liver，2012，6（1）：10-20.

[28]Cani PD，Lecourt E，Dewulf EM， et al.Gut microbiota fermentation of prebiotics increases satietogenic and incretin gut peptide production with consequences for appetite sensation and glucose response after a meal [J]. The American Journal of Clinical Nutrition，2009，90（5）：1236-1243.

[29]Parnell JA，Reimer RA.Weight loss during oligofructose supplementation is associated with decreased ghrelin and increased peptide YY in overweight and obese adults [J]. The American Journal of Clinical Nutrition，2009，89（6）：1751-1759.

[30]Chambers ES，Viardot A，Psichas A， et al.Effects of targeted delivery of propionate to the human colon on appetite regulation，body weight maintenance and adiposity in overweight adults [J]. Gut，2015，64（11）：1744-1754.

[31]Tolhurst G，Heffron H，Lam YS，et al.Short-chain fatty acids stimulate glucagon-like peptide-1 secretion via the G-protein-coupled receptor FFAR2 [J]. Diabetes，2012，61（2）：364-371.

[32]Sangwan V，Tomar SK，Ali B，et al.Hypoglycaemic effect of galactooligosaccharides in alloxan-induced diabetic rats [J]. The Journal of Dairy Research，2015，82（1）：70-77.

[33]Ewaschuk JB，Diaz H，Meddings L，et al.Secreted bioactive factors from Bifidobacterium infantis enhance epithelial cell barrier function [J]. American Journal of Physiology Gastrointestinal and Liver Physiology，2008，295（5）：G1025-G1034.

[34]Eckburg PB，Bik EM，Bernstein CN，et al.Diversity of the human intestinal microbial flora [J]. Science （New York，NY），2005，308（5728）：1635-1638.

[35]Guinane CM，Cotter PD.Role of the gut microbiota in health and chronic gastrointestinal disease：understanding a hidden metabolic organ [J]. Therapeutic Advances in Gastroenterology， 2013，6（4）：295-308.

[36]Bonaccio M，Di Castelnuovo A，Costanzo S， et al.Nutrition knowledge is associated with higher adherence to Mediterranean diet and lower prevalence of obesity.Results from the Moli-sani study [J]. Appetite，2013，68：139-146.

[37]Garcia-Mantrana I，Selma-Royo M，Alcantara C，et al.Shifts on gut microbiota associated to mediterranean diet adherence and specific dietary intakes on general adult population [J]. Front Microbiol，2018，9：890.

[38]Bendall CL，Mayr HL，Opie RS，et al.Central obesity and the Mediterranean diet：A systematic review of intervention trials [J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2018，58（18）：3070-3084.

[39]Esposito K，Kastorini C-M，Panagiotakos DB，et al.Mediterranean diet and weight loss：meta-analysis of randomized controlled trials [J]. Metabolic Syndrome and Related Disorders，2011，9（1）：1-12.

Abstract：Some researches have found that the changes of intestinal microecology are connected with metabolic diseases such as obesity.As a part of diet，dietary fiber can affect obesity by changing the proportion and richness of intestinal flora，improving inflammatory reaction，regulating intestinal hormones and lipid metabolism.However，the recommended intake and types of dietary fiber and the mechanism of action with intestinal flora need to be further studied.This article reviewed the research progress on the effects of dietary fiber on intestinal microecology related to obesity.

Keywords：dietary fiber;obesity;intestinal microecology