岩藻多糖对肠道屏障的保护作用研究

邱霞 王发合 秦益民 孙占一 余俊红 尹花

肠道不仅是营养物质摄取利用的重要场所，也是阻止致病菌及毒素等有害物质进入机体的先天性屏障。肠道屏障包括以上皮细胞为主的物理屏障，以肠液、黏液蛋白及消化酶为主的化学屏障，以免疫细胞和免疫因子为主的免疫屏障和内源性细菌构成的微生物屏障[1]。肠道屏障主要具有两个功能，一方面作为屏障可以阻挡进入肠腔的外来抗原、微生物及其产生的有毒有害物质吸收入体内；另一方面作为机体选择性的过滤器，将摄入的营养物质、电解质和水从肠腔内转移到机体代谢循环中[2]。肠道屏障功能出现异常与多种疾病发生发展密切相关。肠道屏障功能受损会导致营养物质的消化吸收功能紊乱、机体生长缓慢、免疫能力下降、增强对病原微生物的易感性，从而引起各种疾病。为了保障肠道屏障功能，科学家通过应用某些天然产物改善肠道pH值，调节肠道微生态，激活内源酶，最终调动和激发自身免疫系统，达到维护肠道健康的作用[3]。

岩藻多糖(fucoidan)是一种特有的含有硫酸基的活性多糖，主要存在于海带、裙带菜等褐藻的细胞壁基质、细胞间隙及分泌的黏液中，作为食源性天然产物，具有多种生物学活性[4]。近年来研究发现岩藻多糖通过修复肠黏膜、增强免疫功能、调节肠道菌群等来维护肠道健康，对肠道物理、化学、免疫和微生物屏障均有一定的保护作用[5]，本文主要针对岩藻多糖保护肠道屏障的作用和机制进行综述。

1 岩藻多糖对肠道物理屏障的作用

1.1 肠道物理屏障的结构功能 肠道物理屏障包括肠道动力功能和肠道上皮细胞及细胞间的连接，是肠道抵御外界环境的第一道防线，对肠道屏障结构和功能具有重要的意义。肠道上皮细胞间的连接包括紧密连接、黏附连接和桥粒等结构，其中紧密连接位于肠道上皮细胞外膜的顶端，是一细长的带状样结构，可以阻断肠腔中的细菌和毒素等大分子物质通过细胞间隙进入到血液循环中。紧密连接是最重要的细胞间结构，决定着整个肠道物理屏障的功能。它具有高度的动态稳定性，其通透性受到胞内外信号的调节和机体饮食、疾病、应激等的影响[6]。

1.2 岩藻多糖促进肠动力 肠道的波状收缩形成肠蠕动，是肠道物理屏障的重要组成部分，食物由胃初步消化后进入到小肠，小肠在吸收营养物质时产生蠕动，食物在小肠被消化后进入到大肠等待被排出体外引起大肠蠕动。肠动力与人体健康密切相关，肠蠕动增加使肠鸣音亢进会引起腹泻等症状，而蠕动减少则引起肠张力降低导致便秘等疾病。Matayoshi等[7]采用双盲随机临床试验进行了岩藻多糖改善便秘的功效研究，试验结果显示，每日服用1 g岩藻多糖持续4周可明显改善便秘患者的排便天数、排便次数、排便软硬指数和排便体积，如服用岩藻多糖持续8周效果更加明显，并且试验期间没有发现任何副作用。认为服用海蕴岩藻多糖可以促进肠道蠕动，改善便秘，具有很好的调理肠道机械屏障的功效。

1.3 岩藻多糖改善小肠组织形态 小肠壁的内表面有大量的环形皱襞，皱襞上有许多绒毛状的突起，叫小肠绒毛。小肠绒毛可增大小肠吸收的面积近600倍，起到过滤物质的作用。小肠绒毛长度和肠隐窝深度是衡量小肠消化吸收功能的两项重要指标，二者的比值显示小肠的综合功能状况。肠隐窝深度代表细胞的生成率，隐窝越浅细胞成熟度越好，分泌功能越好；隐窝深度增加表明肠道分泌功能变差。化疗药物环磷酰胺可造成肠黏膜物理屏障的损伤。小肠切片结果显示，空白组肠绒毛排列紧密，结构完整，且长度较长；而环磷酰胺模型组肠绒毛排列松散，长度变短，而且小肠绒毛长度和肠隐窝深度比值(V/C)显著下降。研究人员从海地瓜中分离岩藻多糖，分析其对损伤的肠道黏膜的作用，发现每日服用岩藻多糖可以减缓环磷酰胺诱导的肠道黏膜物理屏障的损伤。实验结果发现岩藻多糖干预后受到环磷酰胺损伤的小肠组织形态得到明显改善，小肠绒毛长度有不同程度的增长，其中分子量为50 kD组改善效果更加显著；另外，岩藻多糖及其酶解产物对V/C比值也有不同程度的改善作用，其中50 kD组改善效果更加显著[8]。研究人员对乳腺癌大鼠模型的肠道物理屏障结构进行分析发现，空白组大鼠肠道的绒毛比较平滑，其腺体也是正常的，而模型组大鼠的肠壁物理屏障结构受损明显，小肠绒毛剥落，丢失了绒毛结构，同时V/C的比值也明显降低。给这些大鼠每日服用岩藻多糖后，发现小肠绒毛的形态学结构得到明显改善，肠壁结构清晰，趋于完整，说明岩藻多糖可以一定程度上修复受损肠黏膜，增加紧密连接蛋白的表达，缓解肠道黏膜物理屏障的损伤[9]。

1.4 岩藻多糖修复肠道上皮细胞损伤 炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)是一种病因未明的肠道非特异性炎症性疾病，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，其肠道的病理改变主要表现为肠道物理屏障的损伤破坏。多项动物实验显示，岩藻多糖对人正常结肠上皮细胞增生有一定的促进作用，可明显缓解炎症性肠病模型组动物的相关症状，改善肠道病理评分，减轻肠黏膜物理屏障的损伤[10]。科学家发现肠道物理屏障损伤的致病机制可能是异常的细胞信号通路破坏了肠上皮细胞分化的关键基因[11]。Notch 1信号通路是介导结肠上皮细胞的分化过程的重要通路之一，Hes-1靶基因被激活之后，Notch 1信号传导，诱导肠道祖/干细胞增生，调控结肠上皮细胞的分化，促进结肠上皮细胞再生，修复肠道上皮细胞的损伤，缓解肠道黏膜屏障的破坏。研究发现炎症性肠病患者的易感性增加可能与缺乏Notch 1信号有关[11]。由于炎症性肠病是慢性复发性疾病，现阶段治疗药物效果有限，患者病情常迁延不愈，具有较高的复发率，生活质量受到严重影响。医务工作者一直在寻找治疗炎症性肠病的新方案，食源性天然产物中多糖类物质对肠道的保护作用近期受到科学家的广泛关注。国外一项动物实验研究[12]发现低分子量的岩藻多糖可以修复新霉素损伤的斑马鱼毛细胞，其机制可能与调节Notch信号通路相关。林媛[13]通过加入脂多糖构建人结肠上皮细胞炎性损伤的细胞模型；分别用低、中、高(50、100、200 μg/L)浓度岩藻多糖体外培养细胞观察岩藻多糖对炎症损伤细胞模型的影响。实验结果显示岩藻多糖干预组的细胞存活率显著上升，且与岩藻多糖培养基浓度呈正相关，说明岩藻多糖对炎症损伤所造成的肠道细胞增生率降低具有显著缓解作用，而且作用效果呈剂量依赖性。

2 岩藻多糖对肠道免疫屏障的作用

2.1 肠道免疫屏障的结构功能 肠道是体内最大的免疫器官，肠道黏膜的25%由淋巴样组织构成，在肠道免疫屏障抵抗病菌侵袭的过程中发挥重要作用，其中淋巴细胞、巨噬细胞、肥大细胞等是免疫应答的诱导和活化部位。自然杀伤细胞、效应T淋巴细胞、效应B淋巴细胞、浆细胞等是肠道免疫的效应细胞，通过分泌效应因子等途径发挥特异性细胞免疫和非特异性细胞免疫功能。分泌型免疫球蛋白A(SIgA)在肠道固有层产生后经肠道上皮细胞加工后分泌到肠腔中，可阻断细菌、毒素和病毒等抗原在黏膜上的黏附，起到清除抗原的作用，在肠道免疫的效应分子中起着关键作用。肠道中的黏膜免疫反应由肠黏膜表面附着的抗原引发，外部抗原进入肠道后接触诱导部位，肠道黏膜中的淋巴滤泡集结将抗原物质转移到巨噬细胞，巨噬细胞对抗原进行加工，并将抗原转给辅助性T淋巴细胞，然后激活B淋巴细胞使其分化增生产生大量的分泌型IgA转运到肠腔后发挥生理功效。有些淋巴细胞游走到其他组织器官的黏膜表面，激活机体的黏膜免疫系统形成共拥黏膜免疫系统，同时激活系统免疫，抵抗病原微生物的入侵从而维持机体的健康状况[1]。

2.2 岩藻多糖激活肠道免疫细胞 研究人员[13]通过一系列科学实验发现岩藻多糖可刺激免疫活性细胞增生、分化、成熟，调节肠道辅助性T细胞Th1/Th2的比值，保护肠道的免疫屏障，减轻机体的炎症反应。Xue等发现岩藻多糖对DMBA诱发的乳腺癌大鼠的肠道免疫屏障损伤具有一定的保护作用，能使大鼠肠道紧密连接蛋白occludin和ZO-1的表达增加[9]。与此一致的是，Shang等发现岩藻多糖能够减少机体抗原负荷，缓解宿主的炎症反应，增加免疫球蛋白A(IgA)的表达，降低血清脂多糖结合蛋白水平[14]。O'Shea等对葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的猪结肠炎实验动物模型进行岩藻多糖灌胃干预，观察岩藻多糖对结肠炎病理改变的影响，发现岩藻多糖可改善猪的体质量、近端结肠病理评分及腹泻评分，同时降低了结肠IL-6 mRNA丰度[15]。

2.3 岩藻多糖调节细胞因子的表达 肠道黏膜免疫系统诱导细胞和效应细胞产生IL-1，IL-6，IL-8，TNF-α 等 致 炎 细 胞 因 子 和IL-4，IL-10，IL-13，TGF等抗炎细胞因子，这两种细胞因子在肠道免疫屏障防御方面发挥重要作用，二者的数量和功能异常或者平衡失调，与某些疾病的发生发展密切相关。越来越多的实验证据表明岩藻多糖能够调节肠黏膜中某些细胞因子的表达。Park等[16]研究发现岩藻多糖通过抑制巨噬细胞分泌IL-1β、IL-13、TNF-α、IL-6、IFN-γ等炎症因子，发挥其增强肠道免疫屏障功能，提高机体抗炎作用。TNF-α在炎症细胞信号转导中起着重要作用，消化内科医生应用TNF-α抑制剂改善急性结肠炎患者症状。实验结果表明岩藻多糖能阻断体外共同培养的肠道炎症模型中的巨噬细胞源性TNF-α的产生，对TNF-α信号有明显的抑制作用，考虑岩藻多糖作为TNF-α抑制剂辅助治疗结肠炎的可能性[17]。趋化因子在炎症反应中的主要作用是趋化细胞的迁移，吴俊仙等[10]研究发现口服岩藻多糖可以抑制趋化因子的表达，从而减轻肠道炎症反应。岩藻多糖还能通过增加细胞因子IL-6和IL-10的表达增加IgA的表达，从而增强肠道的获得性免疫[5]。科学家通过体内外实验还发现岩藻多糖可以直接与免疫细胞toll样受体作用，产生粘蛋白增强免疫应答[18]。

2.4 岩藻多糖促进免疫效应细胞 岩藻多糖通过促进免疫效应细胞，调节肠道免疫屏障，提高机体免疫能力，从而在抑制肠道肿瘤，缓解化疗副作用中具有辅助治疗作用。科学家体外试验表明不同来源的岩藻多糖可激发人体免疫效应细胞活性，下调胰岛素样生长因子Ⅰ受体(IGFR)信号通路、阻滞细胞周期、介导肿瘤细胞凋亡，从而抑制多种人结直肠癌细胞[9]。Usoltseva等[4]体外细胞实验发现，来源于波利团扇藻的岩藻多糖及其衍生物对人结直肠腺癌上皮细胞和人结肠癌细胞的生长具有明显抑制作用。研究发现岩藻多糖可以不依赖于p53基因，单独发挥其抑癌作用，当然也可以协同p53基因发挥抑癌作用。Chen等[19]发现岩藻多糖对结肠癌细胞内质网蛋白-29的表达有抑制作用，对凋亡蛋白Bax表达有促进作用，从而诱导结肠癌细胞的凋亡。Kim等[20]发现岩藻多糖通过死亡受体和线粒体介导途径影响细胞凋亡信号通路诱导结肠癌细胞凋亡。Azuma等分别给结肠癌小鼠模型喂食高分子量(300 ～330 kDa)、中分子量(110～138 kDa)及低分子量(6.5 ～40 kDa)的岩藻多糖，发现中分子量岩藻多糖对结肠癌肿瘤细胞的抑制作用最显著，高分子量岩藻多糖组干预的结肠癌小鼠的生存期最长，结果显示岩藻多糖可以提升小鼠脾脏中自然杀伤细胞的数量，增加小鼠机体的免疫力，产生有效的抗肿瘤作用[21]。

3 岩藻多糖对肠道微生物屏障的作用

3.1 肠道微生物屏障的结构功能 人体肠道内存在大量共生菌附着在肠道表面黏膜层上，刺激肠道上皮细胞分泌多种物质，与宿主形成动态稳定的微生态系统，称为肠道微生物屏障。正常生理状态下，肠道微生态的正常菌群及其代谢物参与人体所需维生素和氨基酸等物质的合成与代谢，促进机体对营养物质的消化吸收，通过竞争性黏附等机制抑制病原菌的定植和繁殖，提高人类抵抗肠道病原菌引起的感染性疾病的能力。肠道菌群的稳定性遭到破坏会降低肠道抵抗条件致病菌定植的能力。肠道微生物屏障在维持人体健康中起重要作用，是维持人体健康的必要因素，也反映了机体内环境稳定的状态[1]。Fasano等[22]发现肠道菌群协同肠道物理屏障和免疫屏障，调控肠道黏膜紧密连接，调节黏膜树突状细胞蛋白量，激活NF-κB，抑制促炎细胞因子，参与宿主免疫。多项研究证明，人体肠道菌群组成和功能受到包括饮食等多种因素的影响，肠道菌群在代谢性疾病中发挥重要作用，菌群失调是肥胖、糖尿病、高脂血症、高血压等多种疾病发生发展的重要危险因素[23]。

3.2 岩藻多糖重塑肠道菌群 岩藻多糖是对多种细菌有抑制作用的海藻多糖，抑菌活性的大小同岩藻多糖的分子量和硫酸基与糖醛酸的含量有关，分子量越低、糖醛酸含量越高、葡萄糖含量越低，其抑菌活性越强。体外实验研究发现海带来源的岩藻多糖在解聚为低分子量岩藻多糖后对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌均有抑制作用，并且对大肠埃希菌具有更强的抑制作用[24]。进一步研究其作用机制，发现岩藻多糖可以与细菌细胞膜蛋白结合，破坏磷脂双分子层和细胞膜的完整性，改变细胞膜蛋白的结构，破坏细菌的细胞膜。

实验研究发现岩藻多糖可以改变肠道菌群结构，增加菌群多样性，提高肠道菌群的丰度，具有保护肠道微生物屏障功能的作用[9]。Shi等发现每日饮食中添加50 mg/kg·bw岩藻多糖可以改变正常小鼠的肠道菌群，增加菌群多样性，显著增加小鼠肠道中益生菌Coprococcus、Rikenella、Butyricicoccus的数量和丰度，从而减轻CTX诱导的肠黏膜损伤[17]。Liu等[25]研究发现裙带菜来源的岩藻多糖可以增加雄性SD大鼠肠道中放线菌(Actinobacteria)、肠杆菌属(Enterobacter)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、芽孢杆菌属(Bacillus)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、普雷沃菌属(Prevotella)、颤螺菌属 (Oscillospira)、阿克曼菌(Akkermansia)和脱硫弧菌等的相对数量与丰度，降低变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、梭菌属(Clostridium)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、气球菌属(Aerococcus)和乳杆菌属相对数量与丰度。同时发现岩藻多糖可提高小肠内容物中的细菌BSH酶活性和干酪乳杆菌DM8121的BSH活性。Shang等[14]采用高通量测序和生物信息学分析方法，研究了不同分子量岩藻多糖对肠道菌群的调节作用，发现岩藻多糖处理后显著增加了乳酸杆菌和瘤球菌科等有益细菌的数量。这一系列研究提示岩藻多糖或可作为潜在的益生元调节肠道微生态，为临床医生和健康管理人员预防和治疗相关代谢疾病带来启示。

3.3 岩藻多糖通过肠道菌群介导辅助治疗疾病岩藻多糖可作为功能性食品和潜在益生元微生态调节剂，通过肠道菌群介导辅助治疗某些疾病[26]。检测发现膳食中补充岩藻多糖可以重塑肠道菌群，保持肠道微生物群的平衡组成，科学家认为岩藻多糖可以作为肠道微生物群调节剂用于促进健康和治疗肠道功能紊乱，显著降低宿主体内的抗原负荷和炎症反应，减少血清脂多糖结合蛋白水平，保持机体肠道年轻态[16]。Chen等[19]研究发现岩藻多糖改善肠道菌群的同时缓解环磷酰胺导致的肠道黏膜损伤，逆转肠黏膜在药物治疗期间的损害，这对肿瘤化疗前后的营养干预具有很好的指导意义。

Liu等[25]检测结果表明自裙带菜提取的岩藻多糖通过肠道菌群的介导对高脂膳食诱导小鼠血脂异常具有改善作用。进一步研究发现血脂异常小鼠肠道中葡萄球菌的丰度较高，岩藻多糖可明显减少该菌属数量；岩藻多糖还可以显著升高与肥胖呈负相关的拟普雷沃氏菌属的丰度。Chen等[27]应用16S rRNA基因测序分析肠道菌群，研究发现补充岩藻多糖可以降低高脂膳食引起的棒状杆菌、短杆菌和空气球菌丰度和数量，有效恢复高脂膳食诱发的大鼠肠道菌群稳态破坏，改善血脂异常。

研究发现糖尿病前期和糖尿病患者的阿克曼菌显著减少，而岩藻多糖干预糖尿病模型小鼠后此菌明显富集，阿克曼菌失调症得到显著改善，胰岛素抵抗等代谢紊乱得到逆转[28]。认为岩藻多糖可能通过调节肠道菌群，降低炎症水平，改善糖耐量，预防和延缓糖尿病的发生发展。此外，岩藻多糖可能还通过细菌物种的先天信号分子减少了脂多糖的产生，对糖尿病产生保护作用[9]。科学研究表明肠道微生物代谢物可以限制自身免疫T细胞的表达频率，预防1型糖尿病[29]。越来越多的证据表明，微生物产生的短链脂肪酸在调节葡萄糖稳态方面具有独特的作用，与糖尿病的发生发展呈显著正相关[30]。而来源于羊栖菜的岩藻多糖提高了产生丁酸和乙酸的产生菌Alloprevoella的相对丰度，可能是未来治疗糖尿病有前途的补充或者替代药物之一[31]。

Shang等[14]实验表明岩藻多糖可通过降低血清细菌脂多糖水平改善肠道菌群组成和功能，维持肠道菌群平衡，降低宿主体内的抗原负荷和炎症反应，在慢性代谢性疾病中发挥正向调控作用。一项使用小鼠疾病模型的研究[32]证明岩藻多糖对饮食诱导代谢综合征有类似有益作用。研究结果发现[32]，两种日本纹层藻来源的岩藻多糖能显著减少体质量的增长、降低空腹血糖、改善肝脏脂肪变性、缓解机体炎症反应。进一步从肠道菌群的角度分析治疗效果的机制，发现岩藻多糖可以丰富异丙戊菌、布劳提亚和拟杆菌等有助于宿主健康的有益菌，增加短链脂肪酸的产生，阐明了岩藻多糖作为一种抗代谢综合征的功能食品应用可能性[32]。

4 肠道化学屏障对岩藻多糖的吸收作用

肠道化学屏障主要是由黏液层所构成，黏液层可改变肠道微生物的位点，防止它们与宿主肠道组织细胞的直接接触。此外，肠道中产生的一些物质如胆汁胆盐、黏多糖、溶菌酶和糖蛋白等也起到一定的化学屏障作用。化学屏障缺陷可导致肠道通透性增加，从而造成肠上皮细胞炎症损伤，而且黏液层破坏的解剖部位与形态学上肠道损伤的部位相关[33]。肠上皮细胞紧密连接蛋白在肠道化学屏障中具有重要意义，其受损程度与肠黏膜的通透性成正相关。而黏膜通透性的增加为肠腔细菌、毒素等物质穿透肠黏膜而进入其他组织、器官或循环系统提供了机会，最终导致疾病。吴俊仙等研究发现口服岩藻多糖能上调肠上皮细胞紧密连接蛋白的表达，修复肠上皮黏膜的完整性，保护肠道化学屏障，说明岩藻多糖具有预防和辅助治疗肠炎的作用[10]。

在肠道中，各种形式的胆汁酸充分发挥各自的生理功能。肠道上段胆汁酸与脂类的消化吸收有关。肠道下段胆汁酸自身发生变化：在肠内细菌作用下发生转化，并在肠黏膜中大部分以原来的或转化的形式按主动运输或被动运输机制被重新吸收，只有一小部分随食物残渣排出体外。研究发现[25]来自裙带菜的岩藻多糖改善血脂异常模型动物血脂水平的作用机制，发现岩藻多糖可增加影响脂质代谢的肝脏胆汁酸合成限速酶CYP7A1，从而改善由高脂饮食造成的肝脏脂肪变性。还发现岩藻多糖通过降低与胆固醇生物合成相关基因的蛋白- 固醇调节元件结合蛋白2(SREBP-2)的表达降低肝脏TC和TG水平。SREBP-2可以通过诱导3羟基3甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMG-CoA Reductase，HMGCR)和胆固醇合成途径的其他酶的基因转录，选择性地激活胆固醇从头合成。因此岩藻多糖可能通过介导HMGCR 和SREBP-2来改善血脂异常。

5 小结

肠道是人体最大的消化器官，每天摄入食物的99%靠肠道吸收。因此，肠道功能对机体健康和寿命具有举足轻重的影响。肠道屏障功能出现异常导致营养物质的消化吸收功能紊乱、生长缓慢、抗病能力下降、对病原微生物的易感性增强，引起各种疾病的发生。岩藻多糖作为天然的功能食品在保护肠道物理屏障、化学屏障、免疫屏障和微生物屏障方面效果显著。首先，岩藻多糖可以促进肠蠕动，改善小肠形态结构，修复肠道上皮细胞；其次，岩藻多糖能够激活肠道免疫细胞，调节细胞因子的表达，促进免疫效应细胞；再次，岩藻多糖扶植肠道有益菌群的增生，抑制有害菌群的植入，调节肠道菌群的结构与代谢功能，通过肠道菌群介导预防治疗疾病，最后，岩藻多糖减少肠道通透性，修复肠黏膜炎症损伤，并调节胆汁酸合成影响脂质代谢。

由于岩藻多糖在胃和小肠内不能被消化降解，而被大肠内细菌降解后进行生物转化发挥其生物学功能。不同的岩藻多糖的来源和提取方式不同，其分子量和岩藻糖组成等具有明显差异，对肠道屏障的作用效果也存在一定的差别。未来需要更多的基础研究和临床研究验证岩藻多糖保护肠道屏障的机制，探索其作为微生态调节剂的开发应用。随着科学家的深入研究，岩藻多糖有望成为预防和治疗胃肠道疾病和慢性代谢性疾病的替代药物和功能食品。