基于肠道菌群的海藻多糖对部分疾病影响的研究进展

张 宵，刘 杨，滕 博，张杰良

（汕头大学理学院生物系，广东汕头 515063）

肠道菌群是人体胃肠道内存在的细菌、真菌、病毒等群体的总称，大约有1×1014个微生物定植于胃肠道中，其中，厚壁菌（Firmicutes）和拟杆菌属（Bacteroides）等占肠道菌群优势菌种的98%以上，变形杆菌属（Proteus）、放线菌属（Actinomycetes）、梭状芽孢杆菌（Clostridium）和疣微球菌（Micrococcus verrucos）的数量和种类相对较少[1]。肠道菌群的稳定平衡对人体健康至关重要。正常情况下，肠道菌群保持着一种相对平衡的状态，以维持机体健康。一旦这种平衡打破，肠道菌群失调，就会影响人体健康，甚至引发一系列疾病，如炎症性肠病[2]、肠易激综合征[3]、结肠炎[4]、糖尿病和心血管疾病[5−6]等。

海藻是海洋中最丰富的的资源之一，中国每年野生海藻的收获量占全球的27%，栽培海藻的收获量占全球的72%，是全球海藻生产的领导者[7]。由于海藻富含蛋白质、多肽、氨基酸、矿物盐和多糖等多种生物活性物质，世界上许多地方都在培育海藻。多糖是海藻中一类分子量大、化学结构复杂的天然化合物，具有抗肿瘤、抗病毒、抗氧化、免疫调节、降血糖等多种生物活性[8−10]，依据其来源，主要分为红藻多糖、绿藻多糖和褐藻多糖[11]。近年来，海藻多糖对肠道菌群调节作用的研究逐渐受到重视。研究发现，由于人体内缺乏多糖水解酶，大多数的多糖不能被人体直接消化和吸收，而机体的肠道菌群对多糖的吸收发挥着重要的作用[12]。一方面，肠道菌群可以将多糖降解为单糖和/或低聚糖，促进机体对多糖的消化和吸收，并产生具有生物活性的代谢产物（如短链脂肪酸，short-chain fatty acids，SCFAs）；另一方面，多糖可以通过调节肠道菌群的组成和比例，促进有益菌的生长，抑制有害菌的增殖，使肠道菌群保持稳态平衡，从而改善机体的健康状况，达到治疗疾病的作用。Cui等[13]表明石花菜多糖（Gelidium pacificumOkamura polysaccharide，GPOP）能增加拟杆菌属和考拉杆菌属（Phascolarctobacterium）的相对丰度，减少瘤胃球菌（Ruminococcus）和幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）的相对丰度，抑制小鼠体重增加，这表明GPOP能有效治疗肥胖及其他肠道相关疾病。Lekshmi等[14]发现从可食用的褐藻（Padina tetrastromatica）中分离得到的硫酸岩藻多糖具有改善心血管疾病的作用。Ying等[15]研究表明口服岩藻聚糖提取物能有效预防葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的急性结肠炎。综上所述，海藻多糖在疾病的预防和治疗方面具有广阔的应用前景。因此，本文总结了海藻多糖对肠道菌群的调节作用以及其对肠道代谢疾病、心血管疾病和肠道疾病等疾病的影响，以期为海藻多糖对疾病的预防和治疗提供科学依据。

1 海藻多糖对肠道菌群的调节作用

近年来，随着人们对肠道微生物关注程度的增加，如何调节肠道菌群来促进机体健康也备受关注。研究表明，海藻多糖作为益生活性物质，具有调节肠道微生态平衡的作用，促进拟杆菌（Bacteroides）、双歧杆菌（Bifidobacterium）和乳杆菌（Lactobacillus）等有益菌的增殖，提高SCFAs的产量[16−17]。

1.1 体外调节肠道菌群

体外模拟酵解是一种包含多种模型设计的创新性技术，可以使一个完整的肠道菌群在一段模型特定的时间内稳定培养，既能研究肠道微生物种类的存在，也能研究其相关的功能。由于体外模拟实验不需要考虑肠道微环境的复杂性以及不受伦理道德的约束，近年来开始成为研究者对体内代谢研究的一种有效的方法[18]。Xu等[19]用超声波-微波辅助提取法得到坛紫菜多糖（Porphyra haitanensispolysaccharides，PHP），通过将坛紫菜多糖与肠道菌群进行体外培养，发现坛紫菜多糖能够促进拟杆菌属的增殖，抑制变形菌门（Proteobacteria）（特别是大肠/志贺氏杆菌，Escherichia_Shigella）的生长，改变肠道菌群的组成和比例。Zhang等[20]发现体外培养的肠道菌群可以发酵昆布多糖（Saccharina japonicapolysaccharides，SJP）和昆布低聚糖（Saccharina japonicaoligosaccharides，SJO），与昆布多糖相比，昆布低聚糖更容易被肠道菌群酵解利用，产生更多的SCFAs，主要包括乙酸、丙酸和正丁酸；多糖和低聚糖都能够促进拟杆菌属的生长，减少变形菌和厚壁菌的数量；发酵后的昆布多糖分子量从1.38×105Da下降到3.81×104Da；荧光辅助糖电泳发现昆布多糖被降解为低聚糖，昆布低聚糖被酵解为单糖，结果表明低聚糖更有利于益生菌的增殖和有机酸的产生。Kong等[21]对肠道菌群进行体外培养，并分别添加不同质量的浒苔多糖（Enteromorpha proliferapolysaccharides，EPP）和低、高分子量（Mw<30 kD为低分子量，Mw>30 kD为高分子量）的昆布多糖（Laminaria japonicapolysaccharides，LJP），发现低分子量的昆布多糖（MWCOL）能产生更多的乳酸，高分子量的昆布多糖（MWCOH）有利于丁酸的产生；相比于对照组，浒苔多糖产生的总短链脂肪酸很低，这表明浒苔多糖不容易被肠道菌群酵解；昆布多糖和浒苔多糖都能够促进有益菌的增殖，包括肠杆菌（Enterobacter）、肠球菌（Enterococcus）、乳杆菌和双歧杆菌。Di等[22]通过体外发酵研究红江蓠多糖（Gracilaria rubrapolysaccharides，GRPS）对肠道菌群的调节作用，发现GRPS能够显著提高拟杆菌、普氏菌（Prevotella）和考拉杆菌（Phascolarctobacterium）的相对丰度，降低与肥胖密切相关的厚壁菌与拟杆菌的比值。综上所述，多糖对肠道菌群的影响与多糖的种类、分子量大小有关。

1.2 体内调节肠道菌群

许多多糖不能在口腔、胃和小肠中消化吸收，但其可以被大肠中的肠道微生物分解利用，产生酸性代谢产物SCFAs，从而降低肠道微环境的pH，促进肠道益生菌的增殖，抑制致病菌的生长[23]。刘萍等[24]发现褐藻糖胶（Fucoidan）能显著提高断奶仔猪盲肠中拟杆菌属的相对丰度和多样性，降低促炎细胞因子IL-22的含量。An等[25]用藻酸盐（Alginate）和昆布多糖（Laminaran）灌喂正常小鼠14 d后，发现两种多糖对小鼠的体重没有影响，但是增加了盲肠和粪便的重量；与空白对照组相比，两种多糖都能够提高盲肠有机酸（特别是丙酸）的含量，增加小鼠盲肠内厚壁菌的相对丰度；同时藻酸盐可有效提高放线菌门（Actinobacteria）的相对丰度，昆布多糖能显著提高变形菌门的相对丰度。Shang等[26]联合采用高通量测序与生物信息学分析方法研究得到，岩藻糖在破坏条件致病菌（如消化球菌，Peptococcus）的基础上，可显著提高无菌小鼠中有益菌群的相对丰度，其中包括乳酸杆菌（Lactobacillus）和瘤胃菌科（Ruminococcaceae）。这些结果表明海藻多糖有望通过促进肠道益生菌的增殖，抑制有害菌的生长，从而改善机体肠道微生物的组成和比例。

2 海藻多糖对疾病的影响

2.1 海藻多糖对代谢疾病的影响

2.1.1 对肥胖的作用 肥胖（Obesity）是由食物摄入过多或机体代谢改变而导致体内脂肪，特别是甘油三脂积聚过多造成体重过重的一种状态。肠道菌群在肥胖的发生发展过程中起着重要的作用。研究发现，肥胖者肠道中厚壁菌与拟杆菌的比值高于体重正常者，而双歧杆菌和拟杆菌数量比体重正常者少[27]。厚壁菌能将多糖转化为易吸收的单糖类和代谢产物SCFAs，产生更多可吸收的能量，致使体重增加。此外，肠道菌群的产物和代谢物可作用于远端器官（如脂肪组织、肝脏、大脑等），影响肥胖相关病理生理过程[28]。因此，对肠道菌群的组成和比例进行调节，可以有效控制肥胖患者的体重。

Sun等[29]研究发现，龙须菜多糖（Gracilaria lemaneiformispolysaccharides，GLP）可以降低高脂饮食诱导的小鼠体重，修复高脂饮食诱导的小鼠肠道损伤；降低总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、甘油三脂和丙二醛的水平，提高高密度脂蛋白胆固醇的水平；增加拟杆菌门的相对丰度，降低厚壁菌门的相对丰度。上述结果表明，龙须菜多糖可通过改善高脂饮食导致的血脂水平异常，抑制脂肪的堆积，改善高脂饮食诱导的肠道菌群失调。Duan等[30]用高脂饮食诱导小鼠肥胖，发现小鼠体重增加，厚壁菌门数量上升、拟杆菌门数量下降；添加昆布多糖组小鼠的肠道菌群接近正常组小鼠，菌群多样性增加；肝脏和附睾脂肪组织减少，血清总胆固醇、甘油三脂、丙二醛、低密度脂蛋白的水平均下降，高密度脂蛋白水平上升；同时，增加与肥胖负相关的细菌数量，如拟杆菌、瘤胃菌，上调G蛋白偶联受体（GPR41和GPR43）的表达。段萌萌等[31]也发现昆布多糖可以降低肥胖小鼠的体重，改善与肥胖相关的生化指标，如降低丙二醛、胆固醇和甘油三脂的含量，增加拟杆菌门的数量，减少厚壁菌门的数量。缪志刚等[32]用高脂饲料建立小鼠肥胖模型，发现草叶马尾藻多糖（Sargassum graminifoliumpolysaccharides，SGP）能抑制肥胖小鼠肠道大肠杆菌（Escherichia coli）的增殖，促进乳杆菌与双歧杆菌的生长。

2.1.2 对糖尿病的作用 糖尿病（Diabetes）是一种以慢性高血糖为特征的代谢性疾病，与肠道菌群关系密切。研究表明，肠道菌群失调是糖尿病的重要诱因[33]。肠道菌群可通过多种途径参与糖尿病的发生和发展，如：调节能量代谢、炎症反应及其他化合物代谢途径等[34]。与正常人相比，糖尿病患者肠道中双歧杆菌、拟杆菌和乳酸杆菌的数量减少，肠球菌、肠杆菌和厚壁菌的数量显著增加[35]。双歧杆菌、拟杆菌和乳酸杆菌分别是产乙酸、丙酸和丁酸的主要细菌，这也就是说糖尿病患者产SCFAs的数量会减少。SCFAs作为肠道菌群的代谢产物，可以降低脂肪和肝脏组织的过氧化物酶体增殖物激活受体活性，提高胰岛素感性，在糖尿病的发生、发展中发挥着重要的作用。

Cheng等[36]用链唑霉素（STZ）构建小鼠糖尿病模型，发现岩藻聚糖（Fucoidan）能有效改善糖尿病小鼠的症状，使小鼠空腹血糖水平、饮食、饮水量降低；修复肝组织损伤，抑制氧化应激反应；增加糖尿病小鼠肠道菌群的多样性，提高拟杆菌的丰度，降低厚壁菌的丰度，同时上调拟杆菌与厚壁菌的比值。Yang等[37]发现马尾藻低聚糖（Sargassum confusumoligosaccharides，SCO）能明显降低空腹血糖水平，保护肝脏细胞的结构；提高乳酸杆菌和梭菌XIVa（Clostridium XIVa）的丰度，降低拟杆菌、支原体（Allobaculum）和梭菌IV（Clostridium IV）的丰度；同时可以通过JNK-IRS1/PI3K信号通路发挥抗糖尿病的作用。

2.2 海藻多糖对心血管疾病的影响

动脉粥样硬化（Arteriosclerosis，AS）是最常见的心血管系统疾病，其主要特征为脂质和复合糖类在动脉内壁的异常聚集，在发展过程中受多种机制的调控。研究发现，肠道菌群及其代谢产物SCFAs能够影响宿主三甲胺（TMA）/氧化三甲胺（TMAO）代谢途径，从而参与动脉粥样硬化的发生发展[38]。LEfSe（Linear discriminant analysis Effect Size）分析检测发现，相比于正常小鼠，动脉粥样硬化小鼠肠道内拟杆菌门和厚壁菌门的比例降低，疣微菌门（Verrucomicrobia）的相对丰度显著提高[39]。对人体粪便样本的体外研究发现，经过富含岩藻聚糖的褐藻（Ascophyllum nodosum）处理后，拟杆菌门与厚壁菌门的比值提高[40]。Nguyen等[41]发现，昆布多糖可以改变高脂饮食小鼠的肠道菌群组成和比例，摄入昆布多糖的小鼠，其肠道菌群中拟杆菌、副杆菌（Parabacteroides）和梭菌XIVa的数量增加。肠道菌群的改变可导致碳水化合物活性酶（CAZymes）水平的改变，包括与人类体重指数下降相关的酶的增加，这表明昆布多糖可以改变高脂饮食对小鼠的影响。此外，昆布多糖可以减少结肠内肠杆菌的数量[42]。而研究发现，动脉粥样硬化性心血管疾病患者体内的的肠杆菌科（Enterobacteriaceae）和链球菌属（Streptococcusspp.）的数量高于正常人。这表明海藻多糖能够调节肠道菌群，减少高脂饮食对动脉粥样硬化的影响。

2.3 海藻多糖对肠道疾病的影响

炎症性肠病（Inflammatory bowel disease，IBD）是一种病因尚不明确的慢性肠道炎症性疾病，主要包括溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD）。IBD患者相比于正常人，肠道菌群的多样性降低，乳杆菌、双歧杆菌、拟杆菌等有益菌数量减少，致病菌如变形杆菌和放线菌的数量增加[43−44]。研究发现，CD患者的肠杆菌数量降低，UC患者肠道中的柔嫩梭菌群（Faecalibacterium prausnitzii）和人罗斯拜瑞氏菌（Roseburia hominis）数量降低[45]。肠道致病菌可破坏肠道粘膜屏障，其分泌的肠毒素会使肠道通透性进一步增加，使致病菌可以直接侵害肠上皮细胞。当致病菌过度定值于肠上皮细胞时，肠上皮细胞的能量代谢减弱，导致上皮细胞受损，就会使肠道发生炎症反应。大量研究表明，海藻多糖作为生物体中重要的大分子物质之一，对治疗肠道疾病，保障肠道健康具有重要的作用[46−47]。

Xue等[48]研究岩藻聚糖对1，2-二甲基苯肼（1,2-dimethylhydrazine）诱导溃疡性结肠炎小鼠的影响，发现小鼠结肠中炎性细胞因子IL-17、IL-23水平下降，IFN-γ、IL-4和IL-10水平上升；结肠组织中β-连环蛋白和下游目标基因C-Myc、CyclinD1及Survivin的表达下降；二胺氧化酶、脂多糖表达下降，紧密连接蛋白Claudin1、Claudin2和ZO-1表达上调；普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）数量减少，瘤胃菌科和乳杆菌科数量明显增加；丁酸和戊酸数量明显增多。O’Shea等[49]发现昆布多糖和岩藻聚糖可提高结肠炎猪的体重，降低炎症细胞因子IL-6的相对表达和肠杆菌科的丰度。结果表明海藻多糖有助于有效预防肠道损伤的发生。孙占一等[50]发现岩藻多糖可以抑制幽门螺杆菌的增殖，保护胃黏膜，治疗胃溃疡及胃部相关疾病。

2.4 海藻多糖对其他疾病的影响

便秘（Constipation）是一种以功能性胃肠紊乱为特征的疾病。肠道菌群紊乱是便秘发生和进展的重要原因，而便秘也会进一步加重病人肠道菌群紊乱[51]。程宇娇等[52]分析了不同剂量的螺旋藻多糖（Spirulina platensispolysaccharides，PSP）对地芬诺酯诱导便秘小鼠的治疗效果，发现低、中、高剂量组小鼠首次排黑便时间缩短，同时小鼠体重没有明显增长；PSP治疗后，小鼠肠道内木聚糖酶和蛋白酶活性恢复到正常组水平；在门分类水平上，拟杆菌门和疣微菌门丰度增加，厚壁菌门丰度降低；在科分类水平上，乳杆菌科（Lactobacillaceae）丰度增加；同时，PSP治疗后葡萄糖激酶水平上调。研究表明螺旋藻多糖可通过改善肠道微生态，缓解小鼠便秘症状。Ren等[53]研究浒苔多糖（Enteromorpha polysaccharides，PEP）对洛派丁胺诱导腹泻小鼠的保护机制，发现拟杆菌和变形菌的丰度增加，厚壁菌和放线菌的丰度降低；血清中一氧化氮（Nitric oxide，NO）浓度显著降低；远端结肠VIPR1表达水平下调，5-HT4表达水平上调；肠动力功能增强，便秘相关的肠炎症得到缓解。苏莹莹等[54]分别用裙带菜多糖（Wakame polysaccharides，WP）及其寡糖（Wakame oligosaccharides，WO）治疗便秘小鼠，发现肠道乳杆菌数量增加，裙带菜多糖和低聚糖均能改善肠道菌群，缓解便秘，但裙带菜低聚糖对便秘小鼠的治疗效果不及裙带菜多糖，这可能与多糖和低聚糖的分子量大小不同有关。

研究还发现，海藻多糖能够通过改变肠道菌群的组成调节免疫。邵青玲等[55]给断奶仔猪添加不同水平的海带多糖（Kelp polysaccharides）和褐藻多糖（Alga polysaccharides）日粮，发现海带多糖组能显著降低大肠杆菌的数量，提高结肠组织抗炎细胞因子IL-10的表达；褐藻多糖可显著降低肠杆菌的数量，提高异丁酸的含量，增强断奶仔猪的免疫力，但是对促炎细胞因子的表达没有显著影响。

3 结论与展望

肠道微生态平衡是机体健康的基本保障。当肠道菌群失调时，导致一系列病理生理发生改变，从而引发各种疾病。而肠道菌群易受饮食习惯的调控。因此，可以通过合理的膳食对患者或亚健康状态的人进行干预，达到改善某些疾病的目的。海藻多糖正是可以用来改善健康，预防肠道相关疾病的具有潜力的优质益生元。多糖可以作为人体肠道菌群的主要碳源，促进有益菌的生长，并通过其代谢产物调节肠道菌群。

随着人们对海藻多糖调节肠道菌群的不断深入研究，海藻多糖通过调节肠道菌群而发挥改善疾病的作用逐渐引起人们的重视。然而，这些研究仍处于起步阶段，存在很多不足。多糖的种类、产地、提取方式不同，缺乏行之有效的质量控制指标；此外，多糖结构复杂，其结构特征关系到肠道菌对多糖的利用程度；同时海藻多糖通过调节肠道菌群而发挥治疗代谢性疾病和肠道相关疾病的作用机制尚不清楚；临床试验研究较少，限制了海藻多糖在医学领域的应用。因此，研究学者今后应加强海藻多糖的结构研究及其对肠道菌群的调节作用，揭示多糖通过调节肠道菌群而发挥治疗代谢性疾病和肠道相关疾病的具体途径，为更好的开发利用海藻多糖提供科学的理论依据。