碳水化合物通过调节肠道微生物区系改善肥胖相关代谢综合征的研究进展

◎ 贺巧玲，孙在兴，曹 敏，罗 皓，李玉峰

（1.西华大学，四川 成都 610039；2.四川省食品检验研究院，四川 成都 610000）

人体的肠道既是消化系统也是重要的免疫器官，其适宜的酸碱环境和丰富的营养底物为肠道微生物的栖息提供良好的环境[1]。肠道微生物区系（Gug Microbiota，GM）指一个巨大的可变微生物的代谢生态系统，这些微生物栖息在胃肠道中，与宿主建立共生关系，一般由约2 000种近1014个重约1.5 kg的微生物细胞组成，其中90%为细菌，其细菌基因组含量是人类基因组的100倍以上[2-3]。ECKBURG等[4]发现健康成年人肠道微生物区系基本分属于厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobia）和梭杆菌门（Fusobacteria）六大门，其中拟杆菌门和厚壁菌门是主要优势菌群。特定物种的GM与其宿主共同进化，进而最优地适应宿主的肠道环境，因此肠道微生物可参与宿主机体各种营养物质的代谢，进而影响宿主的代谢生理状况。GM的稳态及其代谢产物对人体健康的作用成为世界各国的研究热点。

GM是肥胖及其相关并发症、心血管疾病、免疫紊乱、过敏性疾病及癌症等疾病的促成因素[5-8]。饮食是影响GM稳态和多样性的重要因素之一，膳食营养元素（如碳水化合物）的种类、含量及平衡都会影响GM的组成。本文就膳食碳水化合物对GM组成变化的影响进行综述，并探究其通过调节GM对肥胖及其相关代谢综合征的作用，以期为膳食成分调节GM稳态的进一步研究提供参考。

1 肠道微生物与肥胖及相关代谢综合征

代谢综合征是以肥胖为中心，生理代谢层面的危险因子聚集的现象，会导致Ⅱ型糖尿病和非酒精性脂肪性肝病等疾病的风险增加。肥胖及相关代谢综合征都被认为与人体、人体的肠道微生物区系和环境之间的脱轨失衡有关。已提出的GM对代谢性疾病的参与机制包括GM将膳食纤维转化为短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids，SCFAs），并改善饮食能量的吸收获取；细菌脂多糖水平系统性增加及高脂饮食所引起的低级炎症导致脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）的肠道通透性增加[9]。通过对无菌小鼠和常规小鼠的比较及粪便移植研究可以得知肠道微生物区系在代谢性疾病中发挥的作用类型。

1.1 肠道微生物与肥胖症

在世界范围内，肥胖及其代谢并发症是一个重大的公共卫生问题，预计2050年全球肥胖率将会使国民医疗服务的年度总支出增加55亿美元[10]。肥胖常伴随着血脂异常、高血压和葡萄糖稳态受损等症状，尽管肥胖及其相关并发症被认为与遗传因素和外界环境有关，但越来越多研究表明，肥胖与GM失调密切相关。肠道微生物区系与肥胖之间的联系最早来自对小鼠模型和基因序列的研究。BÄCKHED等[11]利用C57BL/6型老鼠构建模型，无GM的无菌小鼠的脂肪含量较有GM的小鼠少60%。TURNBAUGH等[12]分别将肥胖小鼠和瘦型小鼠的GM移植到不同组无菌小鼠肠道中，发现移植肥胖小鼠GM的无菌小鼠的总脂肪含量增加更多。LEY等[13]研究人员还通过对遗传型肥胖ob/ob小鼠、瘦型ob/+小鼠和野生型同胞的肠道远端GM的基因序列分析，发现肥胖小鼠肠道中拟杆菌门丰度降低50%，而厚壁菌门的丰度增加，认为小鼠GM中厚壁菌门与拟杆菌门的比值增大可能会导致肥胖。徐海燕等[14]将14个肥胖个体分为健康组、胃肠道疾病组和慢性病组，提取3组样品粪便细菌宏基因组DNA，扩增其16S rRNA基因全长序列，发现肥胖个体肠道细菌多样性降低，拟杆菌门是肥胖人群GM中含量最高的菌门。

此外，大量的动物模型表明，GM可以通过不同的机制调节宿主能量稳态和肥胖。如研究人员还通过添加壳聚糖、山奈酚、南蛇藤醇等益生素对GM进行调节以观察肥胖小鼠GM的变化（图1），发现GM中如淡色梭状芽孢杆菌（Clostridium leptum）、鸡冠状梭状芽孢杆菌（Clostridium cocleatum）和粘液肠杆菌（Enterorhabdus mucosicola）等与肥胖指标密切相关[15-17]。

图1 南蛇藤醇通过肠道微生物区系改善肥胖示意图

1.2 肠道微生物与非酒精性脂肪性肝病

非酒精性脂肪性肝病（Nonalcoholic Fatty Liver Disease，NAFLD）是代谢综合征中的肝脏疾病，特征是在没有大量饮酒和其他明确的致病因素存在的情况下肝细胞出现大泡状脂肪变性，是一种多因素疾病，通常与遗传、营养代谢及环境因素有关。

脂肪肝在儿童和青少年肥胖人群中急剧增加，已成此年龄段人群中最常见的慢性肝病[18]。SCHWIMMER等[19]采集了87名NAFLD儿童和37名无NAFLD的肥胖儿童（对照组）的粪便样品，利用16S rRNA扩增序列和元基因组鸟枪法测定GM组成与功能，以研究GM是否参与NAFLD的发病机制和严重程度。结果表明NAFLD患儿粪便中微生物多样性低于对照组，且NAFLD及其严重程度与编码炎性细菌产物的基因丰度有关。有研究发现，qPCR表明非酒精性脂肪性肝炎患者GM中拟杆菌门丰度较单纯性脂肪变性患者和健康受试者更低，而基因测序显示与健康受试者相比，非酒精性脂肪性肝炎（Nonalcoholic Steatohepatitis，NASH）患者肠胃中拟杆菌的数目增加、拟杆菌门丰度降低，虽然存在一定争议，但两项研究都说明GM影响NASH的发病机制[20-21]。发表于Gut Microbes的研究[22]采用单一菌种和乳酸菌与小球菌（Pediococcus）混合作用的方法建立NAFLD小鼠模型，发现NAFLD小鼠模型具有单一菌种和乳杆菌与小球菌混合感染的特点，认为GM稳态与NAFLD发病机制有关。

基于DNA测序技术的发展，PORRAS等[23]利用槲皮素调节GM失衡和激活相关的肠肝轴来治疗NAFLD。元基因组学研究显示，喂养高脂饲料的C57BL/6J小鼠肠胃中GM出现生物失调现象，其中厚壁菌门与拟杆菌门比率增加、螺杆菌属检出率显著增加，小鼠伴随着内毒素血症、肠屏障功能障碍和肠肝轴改变以及后续的炎症基因过度表达的现象。研究人员发现核桃绿壳多糖（Walnut Green Husk Polysaccharide，WGHP）对高脂饮食诱导的大鼠肥胖、NAFLD、炎症具有调节作用[24]。WGHP不仅能够改善GM多样性、降低肠道潜在致病菌的相对丰度、提高普氏杆菌和球藻的丰富度，还可以增加大鼠肠道中SCFAs的含量。

1.3 肠道微生物与Ⅱ型糖尿病

肥胖最常见的代谢并发症之一是胰岛素抵抗，胰岛素抵抗是Ⅱ型糖尿病（Type II Diabetes Mellitus，T2DM）发展的主要因素。2030年全球T2DM患病率将达到4.39亿，以GM组成变化为特征的肠道菌群失调已被证明在T2DM中起重要作用[25]。

WU等[26]从16例T2DM患者和12例健康成人的粪便中提取细菌DNA，研究T2DM患者GM的特征，定量PCR法发现糖尿病组GM中普通拟杆菌门（B.vulgatus）和双歧杆菌属（Bifidobacterium）含量较低，而荧光定量PCR显示双歧杆菌属丰度明显降低。测序结果显示，糖尿病组由拟杆菌门(53.6%)、副拟杆菌属(10.7%)、普氏杆菌属(10.7%)、双歧杆菌属(3.6%)、别样杆菌属(7.1%)、厚壁菌门(10.8%)和变形菌门(3.6%)组成；健康组标本中出现的条带分别为普氏菌属(58.8%)、拟杆菌门(11.8%)、别样杆菌属(5.9%)、厚壁菌门(17.7%)和变形菌门(5.9%)，糖尿病组与健康组GM中的优势菌属不同。论证得知，糖尿病组肠道菌群中的优势菌属与健康组不同，T2DM患者GM的改变与糖尿病的发病机制有关。

在轻度肥胖的T2DM成人患者中，代谢手术和药物治疗后GM组成变化[27]。观察到治疗12个月后粪杆菌属（Faecalibacterium）和瘤胃球菌属（Ruminococcus）丰度明显下降，而克雷伯氏菌属（Klebsiella）、γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）和肠杆菌属（Enterobacter）含量增加。以变形菌门与厚壁菌门的比值作为生态系统健康的标志，发现治疗后RPF显著增大。因此GM不论对轻度还是重度肥胖症都有很大的影响。

2 碳水化合物对肥胖及相关代谢综合征的调节

饮食类型对GM的基因表达和组成有显著影响，维持GM多样性和平衡性是促进人类健康的关键（图2）。现有研究主要强调GM在营养吸收、维持肠道屏障完整性、脂肪生成和荷尔蒙状态等方面的重大意义，引发科学家从调节人体GM组成入手，进行预防和治疗代谢性疾病和恢复血糖稳态方面的研究。碳水化合物是人体从食物中获取能量的重要来源之一，但如膳食纤维这种属于植物细胞壁多糖的成分不能被人体肠胃酶消化，而是被GM经过发酵作用进行分解利用，肠道微生物可用于发酵的碳水化合物类型主要是抗性淀粉（Resistant Starch，RS）和非淀粉多糖。

图2 高脂饮食对肠道微生物区系的影响图

2.1 抗性淀粉对肥胖及相关代谢综合征的调节

RS能调节脂质代谢，对肥胖及其代谢综合征具有良好改善作用，RS分为5种类型（RS1～RS5），其营养特性存在一定程度的差异。通过评价RS和脂肪水平对C57BL/6小鼠GM的影响，WAN等[28]发现GM与碳水化合物和脂肪代谢相关组织基因表达有关，可预防小鼠受肥胖饮食有害影响。大米是碳水化合物的重要饮食来源，RS水平≥1.07%的大米被证明能抑制中等高脂饮食诱导的脂肪增加和脂肪细胞增大[29]。RS能改善高脂饮食喂养大鼠的肝脏代谢，ROSADO等[30]证明青香蕉抗性淀粉通过调节参与肝脏脂质代谢的关键蛋白表达改善代谢状态。TRACHSEL等[31]通过对比分析饲喂含有5%日粮与饲喂未修改的对照日粮的小鼠粪便，证明抗性马铃薯淀粉与肠道健康变化相关，该研究为调节GM以维持健康提供研究方向。食品加工条件会影响食品中淀粉的消化率，报道于Food Chemistry的研究将高抗性淀粉大米加工成米饭、牛奶、年糕和爆米花，监测其体外消化发酵过程[32]。数据表明米饼的抗性淀粉含量最高（11.98%），促进SCFAs合成的普氏菌属和抗炎杆菌（anti-inflammatoryFaecalibacterium）含量增加，GM失衡的标志物变形杆菌和巨型单胞菌（Megamonas）的丰度下降。该结果说明可利用抗性淀粉设计和生产适用于肥胖及其综合征患者的功能性食品。

GM可发酵RS生成具有益生作用的短链脂肪酸（SCFAs），调节脂质代谢。RS的发酵对GM的组成、多样性和丰富度的重塑有重要影响，通过GM对RS的发酵产生淀粉降解酶，促进肠道代谢产物生成，进而改善肠道屏障功能。RS2作为一种可产生SCFAs的结肠共生菌发酵的纤维素，其具有调节GM的功效，已被美国食品药物监督管理局批准可用于Ⅱ型糖尿病患者的高玉米抗性淀粉是一种商业RS2补充剂。ZHANG等[33]利用18月龄小鼠构建动物模型，随机分为对照组、高脂组和高脂+20%RS2组，16周后对比结果发现RS2逆转了高脂饮食所导致的体重增加和肝脏脂肪变性。小鼠粪便微生物DNA的16S rRNA测序表明，RS2使与肥胖、炎症和衰老相关的病原菌丰度降低；基于同源基因簇的功能分析显示，RS2使碳水化合物增加，降低氨基酸代谢。这些结果表明RS2对改善肥胖和由肥胖引起的NAFLD都具有良好的效果。RS3是退化后的淀粉，ZHANG等[34]研究人员通过将从美人蕉提取的淀粉衍生物Ce-RS3与常用降糖剂（二甲双胍）的降糖作用进行对比，结果表明Ce-RS3具有与二甲双胍相似的抗糖尿病作用，能够显著降低血糖。另外，Ce-RS3在增加GM多样性方面效果更好，其中普氏菌属显著富集，Ce-RS3调节的肠道微生物特性与T2DM相关指标密切相关，表明可改善糖尿病表型失调。RS5是一种淀粉-脂质复合体，会被低速水解消化，因此可为糖尿病和肥胖症患者提供一种血糖控制策略。ZHENG等[35]选择消化率可控的大米淀粉-油酸复合体（RS5）作为高脂饲料喂养大鼠的补充饲料，结果表明大米淀粉油酸复合制剂能显著降低大鼠体重，改善血脂及肝脏代谢水平，并改变大鼠GM组成，其中丁酸产生菌大量生长。据元基因组学数据显示，双歧杆菌属为人体摄入大米淀粉-油酸复合物后的主要降解微生物，其与淀粉降解酶的变化有关。

2.2 非淀粉多糖对肥胖及相关代谢综合征的调节

非淀粉多糖一般包括纤维素、半纤维素、果胶及其他多糖，膳食纤维素根据其水溶性分为可溶性纤维素和不可溶性纤维。XU等[36]发现在不影响肥胖小鼠体重的情况下，补充6%复合可溶性纤维（Composite Soluble Fiber，CSF）的高脂饮食显著改善了肥胖小鼠的胰岛素敏感性，补充CSF后，S24-7家族和球囊菌属的细菌在肠道中的富集明显增加，志贺氏菌属丰度下降，CSF能通过对GM的有益调节来促进胰岛素敏感性，甚至减少肥胖。麦麸通常指小麦籽粒外层，含有43%～62%的膳食纤维以及一些淀粉、蛋白质、脂质等，可改善胃肠健康和缓解代谢紊乱。DEROOVER等[37]为研究减小麦麸粒径是否能增加其发酵性，促进肠道微生物间的交叉喂养，从而产生健康效应。由此对正常体重和肥胖参与者进行饮食干预，通过对餐后血清中累积的SCFAs定量评估减小麦麸粒径对碳水化合物发酵的影响。研究发现，小粒径麦麸能增加肥胖参与者的SCFAs浓度，但这些变化对促进宿主健康影响无关。亚麻籽纤维也被发现能够增加盲肠阿克曼属和双歧杆菌的丰度，通常认为这2个属与改善代谢健康有关[38]。食物在胃肠道中的分解过程是复杂的，与静态模型相比，动态模型可以复制复杂的消化过程，在研究流体动力学对消化率的影响中更具优势。BIANCHI等[39]利用人体肠道微生物生态系统模拟器进行体外发酵试验，研究长双歧杆菌BB-46、长双歧杆菌BB-46联合果胶和柠檬粗提果胶对肥胖相关GM的影响，通过对GM组成、SCFAs和NH4+水平的分析来评价效果，结果表明柠檬酸果胶对丁酸产生菌及与抗炎作用相关的菌种均有刺激作用。

多糖是动植物细胞壁的组成成分，具有免疫调节、抗病毒、降血糖和调节胃肠道等功能。β-葡聚糖存在于燕麦和大麦胚乳细胞壁中，是一种可溶性纤维，大麦β-葡聚糖的有益代谢作用主要是抑制食欲和改善胰岛素敏感性，这些作用主要是通过GM产生的SCFAs促进肠道激素分泌而产生[40]。枸杞多糖是中草药和功能性食品中功能最强的活性成分之一，具有优秀的抗氧化作用、可降脂和保护肝脏，GAO等[41]将枸杞多糖（Lycium Barbarum Polysaccharide，LBPs）与有氧运动（Aerobic Exercise，AE）联合作用，发现LBP+AE组表现出高GM多样性和丰度，部分拟杆菌和SCFAs含量增加，但变性杆菌和拟杆菌比值减小。结果表明LBP、AE和LBP+AE对高脂饮食诱导的NAFLD具有良好的益生作用。据Food Chemistry报道[42]，补充4 mg·kg-1的萝卜绿叶多糖可降低体重增加和体脂百分比，研究者用高脂饮食诱导肥胖C57BL/6J小鼠，发现高脂饲料的摄入使小鼠GM中厚壁菌门丰度增加、拟杆菌门和疣微菌门丰度降低，而补充萝卜绿叶多糖可使小鼠GM组成恢复正常稳态水平。肥胖的特征是肠道内环境平衡失衡，与代谢紊乱密切相关，牛乳低聚糖可调节GM和肠道屏障功能，促进健康[43]。

3 结语

高能量饮食会改变肠道微生物，导致肠道功能障碍，从而形成内脏脂肪和全身代谢失调。多项研究表明，可通过改变饮食调节GM组成和稳态作为肥胖、NAFLD和T2DM的治疗方法，但其机制有待继续研究。膳食碳水化合物能够显著影响肠道健康，抗性淀粉和非淀粉多糖在结肠被微生物利用、发酵，产生对肠道稳态有益的SCFAs，进而改善肥胖症及相关综合征。

随着生物技术的进步以及宏基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术的联用，对肠道微生物有更进一步的系统性了解，有助于针对性利用膳食成分调节GM稳态，促进人体身体健康。本文介绍利用膳食碳水化合物调节GM稳态改善肥胖、NAFLD和T2DM的相关研究，为居民膳食结构中碳水化合物含量组成及预防肥胖及相关代谢综合征的功能性食品的开发提供参考。