微生态制品调节肥胖肠道微生物的研究进展

陆淋丽 鞠海兵

1.昆明医科大学解放军联勤保障部队第九二〇医院临床学院内分泌科，云南昆明 650032；2.解放军联勤保障部队第九二〇医院内分泌科，云南昆明 650032

在全球高热量食物的摄入增加、缺少体力活动的现代生活体系的大环境影响下，肥胖的发病率呈逐年上升趋势，目前全球肥胖人口数量已接近20 亿。肥胖已被认为是一种全球流行病，能引发心血管疾病、2 型糖尿病、癌症等一系列并发症，严重危害人们的健康，同时造成了严重的社会经济负担，肥胖成了迫切需要解决的棘手复杂问题[1]。随着16SrDNA 基因测序、宏基因组学、代谢组学、转录组学的发展，发现了肥胖与体内庞大复杂的肠道微生物群组成和功能改变有关，特定的肠道微生物及其代谢产物能增加能量摄取、炎症、氧化应激、脂质沉积、胰岛素抵抗。微生态制品（益生元、益生菌、合生元、后生元）能有益地调节肠道微生物来减少炎症、能量摄入，从而改善肥胖[2]。目前由于试验技术、方法、对象存在异质性，微生物制品干预针对肠道微生物群来改善肥胖的有效性和安全性需要进一步验证，作用机制尚不明确，关于开发新的功能微生物制品研究较少，在微生物制品被合理有效地治疗肥胖之前，需要进行大量的研究尤其是随机对照临床研究。

1 肠道微生物概述

人体内的肠道微生物群受食物类型、饮食习惯、药物治疗、肠道动力、粪便频率及粪便黏稠度的影响，由细菌、古细菌、病毒、噬菌体、酵母和真菌等组成。在影响人体的新陈代谢和健康关系中，古细菌、噬菌体等微生物可能和细菌一样重要[3]。微生物细胞总数高达1014个，主要在结肠，大多是厌氧菌，大约是人体细胞的10 倍。随着宏基因组学的发展，微生物群的基因总数预计为330 万，相当于人体基因数的150～300 倍[4]。目前肠道菌群的组成大多关注在门水平上，肠道菌群主要由厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门、梭杆菌门和疣微菌门组成，以前四门占优势，约为肠道菌群总数的98%，其占比分别约为64%、23%、8%和3%，由此厚壁菌门、拟杆菌门组成了人体肠道微生物的主要细菌门，约为90%，且它们在不同个体之间的相对比例不同[5]。

正常人体选择性让肠道微生物定植于肠道内并与之互利共生。一方面肠道微生物从机体获取能量和营养促进自身生长代谢，另一方面肠道微生物在机体的新陈代谢中发挥重要作用，包括分解宿主体内不可消化的碳水化合物和蛋白质产生短链脂肪酸等代谢产物为宿主提供能量、营养及提供宿主代谢所需要的酶和活性物质，维持正常的肠道屏障，抑制致病菌的侵入，调节免疫等[6]。有研究显示，相似的食物会对微生物组产生不同的影响，这表明人体的肠道微生物群具有个体差异性[7]。

2 肠道微生物群和肥胖

2.1 肥胖机体的肠道微生物组成及其代谢产物

肠道微生物发酵代谢产物主要由来源于近端结肠有利于改善肥胖的糖酵解产物（乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐、琥珀酸和乙醇等）、远端结肠不利于改善肥胖的蛋白质酵解产物（支链氨基酸、酚类和吲哚类化合物、氨和硫化氢等分子）、胆汁酸、三甲胺氮氧化物（trimethylamine nitrous oxide，TMAO）等组成。来源于近端结肠的糖酵解产物以短链脂肪酸研究最多，短链脂肪酸不仅能为机体提供能量，其中的丁酸盐还能减轻、控制体重，但临床研究很少，不能充分有效说明短链脂肪酸对肥胖机体的能量代谢、体重控制有益。这也间接表明远端结肠增加不可消化的碳水化合物供微生物发酵可抑制蛋白质发酵可能是治疗肥胖的一个有效方法。目前研究表明，与瘦受试者相比，肥胖受试者粪便样本中的短链脂肪酸浓度偏高，这也只能表明肥胖产生的短链脂肪酸多，并不能表明肥胖对短链脂肪酸吸收利用增加，同时粪便中短链脂肪酸的浓度能否代表微生物产生短链脂肪酸量的预测指标还不明确[10-11]。

基于某些微生物培养鉴定技术限制，目前还不能充分认识肠道微生物群及其作用，与肥胖有关的特定细菌及特定代谢产物尚不清楚，目前肥胖肠道微生物组成及厚壁菌门/拟杆菌门的比例是在门水平研究的，还不明确是否应深入到属和种水平，微生物的组成、数量或活性、代谢能力、最终代谢产物（短链脂肪酸、胆汁酸、TMAO 等）与肥胖机体的新陈代谢中的重要性仍不明确。

2.2 肥胖机体肠道微生物群与肥胖的机制

肥胖机体肠道微生物群与肥胖相关的机制[12]有：①影响能量平衡：肥胖机体内的肠道微生物群酵解碳水化合物能力增强，产生短链脂肪酸的量增多，能为宿主提供更多的能量。②调节脂肪储存：肥胖机体内的肠道微生物群能下调肠上皮细胞禁食诱导脂肪细胞因子（fasting-induced adipocyte factor，FIAF）的表达，FIAF 是脂蛋白酯酶（lipoproteinlipase，LPL）的抑制因子，而LPL 能促进脂肪酸合成甘油三酯，从而导致机体脂肪沉积。肥胖机体内的肠道微生物群还可以降低肝脏和肌肉的腺苷单磷酸激酶（adenosine monophosphate kinase，AMP）活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）活性，该酶是控制细胞能量代谢的关键酶，从而这些肠道微生物能抑制依赖AMPK 的脂肪酸氧化作用导致脂肪沉积。③引发慢性炎症：肥胖机体内的肠道微生物群导致肠道通透性增加，通过转移革兰氏阴性肠道细菌使血液中的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）增多，脂多糖来自革兰氏阴性细菌的外膜，能诱发代谢性内毒素血症，导致宿主细胞分泌促炎细胞因子，导致宿主发生慢性低度炎症和胰岛素抵抗。肥胖机体内增多的LPS 还可激活脂肪细胞中内源性大麻素系统的合成，其激活可以提升食欲，增加食物摄入。④调节脑-肠轴：脑-肠轴是一个肠道菌群与肠内分泌、免疫和中枢神经系相互作用的双向信号轴。肥胖机体内的肠道微生物群通过肠-脑轴既可增加体重也可减轻体重。增加体重的作用表现在肥胖机体内的肠道微生物群可能会增加下丘脑炎症，改变下丘脑基因表达，影响下丘脑信号传导，促进调节胃肠功能的神经递质的产生来增加食欲。减少体重的作用主要与肥胖机体内的肠道微生物群酵解产生的短链脂肪酸有关。

3 微生态制品干预肥胖人群的效果

大多数动物研究和部分人体研究表明益生元、益生菌和合生元（益生元联合益生菌）在通过参与肥胖肠道微生物群调节对肥胖相关的人体测量指标 （体重、腰围）、生化代谢参数（血脂、血糖、肠道激素、胰岛素抵抗）、炎症指标、改善肠道屏障、调节微生物组具有潜在的有益效果。双歧杆菌和乳酸杆菌菌株是最广泛用于功能性食品和膳食补充剂中传统益生菌，新一代益生菌如嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila，Akk）、普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）被发现有益于肥胖治疗。新的动物研究表明，后生元（主要是短链脂肪酸等）可能通过诱导棕色脂肪组织的产热以及白色脂肪组织的褐变来增加能量消耗、减轻体重[13]。接下来着重讨论益生元、益生菌、合生元对肥胖人群干预后的效果。

3.1 益生元的抗肥胖作用

3.1.1 益生元概况 益生元目前最新的定义为宿主胃肠道内外的微生物选择性利用后能增加有益微生物的活性和数量进而有益于宿主健康的化合物，这些化合物包括在小肠内未消化吸收的碳水化合物，还包括不可消化的蛋白质等非碳水化合物的食物和非食物成分。国外经批准的益生元主要有阿拉伯木聚糖、甘露聚糖、果胶、β-葡聚糖、菊粉和果聚糖、低聚果糖、低聚半乳糖、抗性淀粉等，目前研究最多的主要是菊粉、低聚果糖和低聚半乳糖。值得注意的是阿拉伯木聚糖的水解产物（即阿拉伯木聚寡糖）因表现出增加双歧杆菌数量并能促进多种产丁酸盐细菌的增长，能更有效地减轻体重[14]。最近的研究表明干预前肠道微生物的特征决定了益生元对肥胖的治疗效果[15]。

3.1.2 益生元与肥胖物理、生化代谢参数 Nicolucci 等[16]用富含低聚果糖的菊粉对42 名超重或肥胖儿童干预16 周后发现，富含低聚果糖的菊粉能增加双歧杆菌数量、降低体重、体脂百分比、躯干脂肪百分比、血清白细胞介素-6 水平。一项随机、双盲、安慰剂对照试验中，将47 名肥胖受试者分别进行低剂量和高剂量的阿拉伯木聚糖干预，发现阿拉伯木聚糖干预能增加粪便中的总SCFA、乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐的浓度，降低肠道渗透性、增加肠道紧密连接功能，增加微生物群多样性。低剂量的阿拉伯木聚糖组结肠中的紧密连接蛋白（Occludin）表达增加，高剂量的阿拉伯木聚糖组紧密连接蛋白3（Claudin-3）和紧密连接蛋白4（Claudin-4）表达增加，但是阿拉伯木聚糖干预后肥胖受试者的代谢标志物无变化[17]。

3.2 益生菌的抗肥胖作用

3.2.1 益生菌概况 国际益生菌和益生元科学协会对益生菌的最新定义是一类活性微生物，食用足够量时能有益宿主健康。传统的益生菌以乳酸杆菌和双歧杆菌在临床上研究最多，Akk 被视为新一代益生菌。在我国，经国家卫生健康委员会批准应用于人体的益生菌主要有以下种类[2]。①乳酸杆菌属：包括德氏乳酸杆菌、短乳酸杆菌、嗜酸乳酸杆菌、保加利亚乳酸杆菌、干酪乳酸杆菌、发酵乳酸杆菌、植物乳酸杆菌、鼠李糖乳酸杆菌等；②双歧杆菌属：包括青春型双歧杆菌、两歧双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、动物双歧杆菌、长双歧杆菌、短双歧杆菌、嗜热双歧杆菌、乳双歧杆菌等；③肠球菌属：包括粪肠球菌和屎肠球菌；④链球菌属：包括嗜热链球菌、乳酸链球菌等；⑤芽胞杆菌属：包括枯草芽胞杆菌、地衣芽胞杆菌、凝结芽胞杆菌等；⑥梭菌属：酪酸梭菌；⑦酵母菌属：布拉氏酵母菌。

3.2.2 益生菌与肥胖物理、生化代谢参数 在一项探索性、随机、平行、双盲、单中心、安慰剂对照试验中，给220 名超重或肥胖人群进行乳酸杆菌和双歧杆菌组成的活性益生菌干预，这种益生菌由嗜酸乳杆菌CUL60、嗜酸乳杆菌CUL21、植物乳杆菌CUL66、双歧杆菌CUL20 和动物双歧杆菌亚种组成，干预6 个月后可显著减轻体重，改善低密度脂蛋白胆固醇[18]。Depommier 等[19]给予32 名超重和超重/肥胖的胰岛素抵抗女性志愿者每日口服补充1010 种活菌或Akk3 个月后，结果显示Akk 可以增加胰岛素敏感性、改善葡萄糖耐量、肝功能、降低血浆总胆固醇和炎症的水平、略微降低体重，而整体肠道微生物组结构未受影响。我国中南大学的段燕文团队[20]研究表明我国湖南省安化县的茯砖茶中富含的冠突散囊菌（Eurotium cristatum）可能作为一种益生菌通过有益地调节机体肠道微生物群发挥降脂减肥作用。一项荟萃分析表明，短期（≤12 周）补充益生菌可降低体重、体重指数和脂肪百分比，但影响范围较小，需要进一步的长期研究来探讨益生菌补充剂对体重等多种测量指标的影响[21]。

3.3 合生元的抗肥胖作用

3.3.1 合生元概况 微生物的发展导致了合生元的出现，2019年国际益生菌和益生元科学协会（International Association for Probiotics and Prebiotics Science，ISAPP）更新了合生元的定义，表明合生元是一种对宿主健康有利的混合物，包括活微生物和宿主微生物选择性利用的基质组成。合生元又分为互补合生元和协同合生元。其中互补合生元必须由益生菌和益生元组成，协同合生元不一定必须由益生菌和益生元组成，满足有益生菌和利于益生菌生长的活性物质即可。本研究讨论的合生元是包含益生菌和益生元的互补组合[22]。

3.3.2 合生元与肥胖物理、生化代谢参数 da Silva 等[23]的研究对肥胖患者进行合生元干预后在减轻体重、降低BMI、减少促炎标志物、改善血脂、血糖、升高饱腹激素产生了有益的效果。一项关于肥胖成年人的随机双盲对照试验表明，与单独的双歧杆菌菌株和低聚半乳糖改善结肠渗透性相比，双歧杆菌和低聚半乳糖合用时没有改善肥胖成人的肠道屏障功能，可能是由于补充的益生菌与宿主本身的肠道菌群发生了相互作用，也表明需要更多的研究来评估合生元的最佳组成和功效[24]。

3.4 后生元抗肥胖作用

后生元指在发酵过程中由益生元及益生菌产生的生物活性化合物，具体包括短链脂肪酸、各种细菌素、维生素、多肽、微生物细胞裂解物、胞外多糖等，具有免疫调节及肠道屏障保护等作用[25]。细菌来源的分泌因子、细胞成分和代谢物、细胞壁成分，可以减轻胰岛素抵抗和改善肥胖小鼠模型的葡萄糖耐量[26]。后生元目前是肥胖微生物组学研究的新兴领域，有关研究较少。

4 微生态制品干预肥胖的机制

4.1 益生元来源的短链脂肪酸效应

益生元来源的短链脂肪酸（包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐）可以作为配体与肠内分泌L 细胞上表达的G 蛋白偶联受体GPR41 和GPR43 识别并结合，刺激肠内分泌L 细胞分泌肠道激素酪酪肽（Peptide YY，PYY）和胰高血糖素样肽-1（glucagon like peptides-1，GLP-1），这两种激素都参与调节血糖稳态，导致胰岛素增加和胰高血糖素分泌减少，诱导肠道糖异生，同时这些激素通过下丘脑饱食中枢来抑制食欲，产生饱腹感，进而减轻体重，需要强调的是短链脂肪酸产生的丁酸盐不仅具有抗炎特性，还可以通过增加免疫球蛋白A（immunoglobulin A，IgA）的产生和调节细胞因子来调节免疫系统。除此之外，产生短链脂肪酸的益生元还可以促进离子和微量元素（如钙、铁和镁）的吸收，调节肠腔的酸碱度[27]。

4.2 改善肠道屏障功能、调节炎症与免疫

Cani 等[28]给肥胖小鼠喂食益生元碳水化合物后发现能升高胰高血糖素样肽-2（glucagon like peptides-2，GLP-2），降低血浆LPS、促炎细胞因子[如白细胞介素（interleukin，IL）-1a、IL-1b、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF)-α、干扰素（interferon，INF）-γ 和IL-6]，减轻炎症，这些变化可能与产生的内源性GLP-2 有关，GLP-2 是一种肠道营养型胰高血糖素衍生肽，能调节肠道细胞的增殖，参与肠道通透性的调节，从而减少肥胖相关的全身炎症。

Akk 被视为新一代益生菌、与低度炎症、胰岛素抵抗呈负相关，喂食有活性的Akk 可降低体重和脂肪量、降低炎症、胆固醇水平，缓解动脉粥样硬化并改善肠道屏障功能，可能与通过Akk 菌外膜的蛋白质“Amuc-1100”调节免疫发挥作用降低肠道渗透性有关[29]。

4.3 恢复肠道菌群稳态，抗病原微生物

大多数的研究表明益生元能通过刺激肥胖机体胃肠道中乳酸杆菌和双歧杆菌的生长来干预肥胖机体肠道微生物群的组成和丰度。益生菌还可以通过对肠道黏膜和上皮的竞争性黏附、增加肠道黏液来抑制病原微生物的生长[27]。

5 结语

微生物制剂（益生元、益生菌、合生元、后生元）在预防和治疗肥胖中表现出了有益的结果，但总体效果仍不显著，机制尚不清楚。原因可能与未充分认识与肥胖有关的特定菌株、特定微生物代谢物的特性和功能、缺少对饮食、年龄、性别、体力活动、人群亚组可变量的有效控制以及缺乏标准统一的研究方法、未明确筛选出治疗肥胖的有效益生元、益生菌、合生元及它们的剂量、有效组合、干预时间限度等有关。随着基因组学和代谢组学等多组学的发展以及人类研究的丰富、对变量的有效控制，以微生物群为靶向治疗的益生元、益生菌、合生元、后生元将会在肥胖预防和治疗中会发挥重要作用。