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《食品科學》:廣東省科學院吳清平院士、謝新強研究員等:功能益生菌對代謝綜合征的治療作用及其機制研究進展

發布時間:2023-09-08      瀏覽次數:1203    分享:

隨著生活方式的改變、飲食的西方化,糖脂代謝異常及其引發的疾病患病率越來越高,其中代謝綜合征則是糖脂代謝紊亂中的一種重要病癥,其特點是典型的向心性肥胖、全身性高血壓、胰島素抵抗和動脈粥樣硬化性血脂異常,代謝綜合征的患病率與肥胖和2型糖尿病的發病率呈正相關,約是2型糖尿病的3 倍。

“益生菌”是目前公認的腸道益生菌,包括乳酸桿菌、雙歧桿菌、鏈球菌和一些大腸桿菌等。除自身特性外,還會產生一些代謝產物,如分泌蛋白、有機酸、吲哚、細菌素、短鏈脂肪酸(SCFAs)等,益生菌通過其代謝產物調節宿主的腸道上皮屏障功能,增強宿主健康。此外,益生菌還可通過發酵各種食物發揮改善代謝綜合征的作用。益生菌因其作用形式的多樣性展現出廣闊的應用前景。因此,廣東省科學院微生物研究蔣同、謝新強*、吳清平*等從代謝綜合征的病理機制及益生菌作用現狀方面綜述益生菌改善代謝綜合征的最新研究進展。


1 代謝綜合征的病理機制研究

代謝綜合征又稱胰島素抵抗綜合征,目前關于代謝綜合征的發病機制仍知之甚少,胰島素抵抗以及慢性炎癥和氧化應激是最為廣泛接受的引起代謝綜合征發病的潛在機制。除此之外,隨著研究的深入,發現作為飲食誘導的宿主和微生物之間關鍵介質的腸道代謝物在代謝綜合征發生發展中也扮演重要角色。

1.1 胰島素抵抗通過介導游離脂肪酸加重代謝綜合征

胰島素抵抗是指由于胰島素靶細胞無法對處于正常循環水平的胰島素作出響應的一種病理狀態,目前認為發生的原因可能是由于蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP-1B)上調、炎癥和脂肪因子的產生、自由基的過度產生、胰島素受體底物-1/磷脂酰肌醇-3-激酶(IRS-1/PI3K)通路的失調和異位脂肪的過度堆積所造成,也有研究認為與患者體內胰島靶細胞中胰島素降解速率增加和線粒體功能障礙相關。胰島素抵抗可通過介導FFA的產生加重代謝綜合征,胰島素抵抗可降低肌肉等組織對葡萄糖的攝取,破壞胰島素的抗脂質分解作用,促進FFA的產生,而FFA的產生不僅加劇胰島素抵抗,還會引起氧化應激和炎癥,同時增加可溶性內皮激活標志物,減少內皮NO的產生,增加活性氧(ROS),導致內皮功能障礙,誘發動脈粥樣硬化等疾病。

1.2 脂肪組織通過分泌促炎因子促進代謝綜合征的發生

慢性炎癥主要由于促炎和抗炎之間的不平衡引起,高脂飲食會造成高血糖、高膽固醇血癥和肥胖并最終發展成代謝綜合征,并伴隨以外周促炎細胞因子活性增加為主的全身性低度炎癥。脂肪組織中含有巨噬細胞、肥大細胞、樹突細胞以及B細胞和T細胞等免疫細胞,在肥胖患者體內發現脂肪組織中促炎標志物如腫瘤壞死因子α(TNF-α)、超敏C反應蛋白(hs-CRP)、單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)和白細胞介素6(IL-6)等水平增加,具體表現為免疫細胞浸潤、M1型巨噬細胞數量增加、CD8+T細胞數量增加、調節性T細胞數量降低,其中TNF-α可降低胰島素受體及IRS-1磷酸化誘導胰島素抵抗。此外,脂肪組織作為內分泌器官,可分泌瘦素、脂聯素等激素和成纖維細胞生長因子21(FGF21)等生長分化因子。因此,在代謝紊亂的患者出現促炎因子水平的升高、巨噬細胞炎癥浸潤以及瘦素抵抗等癥狀。

1.3 氧化應激

氧化應激是由于體內氧化還原反應失衡,ROS在體內急劇增加,進而破壞脂質、蛋白質和DNA等生物分子的結構及功能,最終導致肥胖、代謝綜合征、糖尿病等慢性代謝疾病的發生。1)ROS通過脂質過氧化加重代謝綜合征。2)ROS通過蛋白質氧化改變其功能活性。3)ROS通過介導DNA甲基化引起細胞損傷。DNA甲基化與慢性代謝類疾病的發展密切相關,PPARαTNF等基因的DNA甲基化會導致嚴重的脂代謝失調,但通過干預這種甲基化可以減輕代謝紊亂的發生。

1.4 致病因子

腸道微生物、飲食、宿主三者之間的相互作用可能導致代謝綜合征的發生,不同的代謝產物影響疾病的發生發展。腸道微生物代謝譜的變化可能導致代謝綜合征的發生。

2、益生菌改善代謝綜合征的可能機制

益生菌是已被證明對人類健康有益的活的微生物,大量體內外和臨床試驗已證明了益生菌對人類健康的重要性,益生菌可通過多種方式改善代謝綜合征。目前研究已發現益生菌改善機制主要歸于以下4 種(圖1):強大的抗氧化特性、調控糖脂吸收轉化途徑、緩解炎癥和調節腸道菌群。

2.1 益生菌的抗氧化特性

氧化應激與肥胖和糖尿病等代謝類疾病發病機制密切相關,長期高脂飲食會引起ROS、自由基和丙二醛的產生,抗氧化酶活性降低,以及過度氧化應激的發生,研究表明部分乳酸菌在生長過程中會產生天然抗氧化分子如胞外多糖、類胡蘿卜素等或具有可調控多種氧化還原酶相關的代謝途徑,表現出一定抗氧化特性。在細胞各部位中發生的眾多酶促反應均會導致ROS的產生,特別是還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NAPDH)氧化酶(NOX)家族。益生菌除可以調節宿主產ROS的酶之外,還可以通過增加宿主超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽(GSH)的水平,達到降低血脂的目的。通過全基因測序發現乳酸菌自身攜帶抗氧化酶基因,能夠產生CAT、SOD等酶直接參與H2O2和ROS以及氧自由基的清除反應。此外,益生菌代謝產物及發酵制品也具有很強的抗氧化活性。研究表明,部分益生菌和/或其發酵代謝產物能改善氧化應激,從而緩解由氧化應激引起的糖脂代謝紊亂。

2.2 益生菌減輕炎癥損傷

低度的代謝性炎癥是導致肥胖和代謝綜合征的關鍵因素,益生菌及其代謝產物除具有抗氧化特性外還具有良好的減輕炎癥作用。益生菌抗炎機制可分為:1)調節腸道中樹突狀細胞的成熟;2)調節IEC和樹突狀細胞上TLR的表達;3)誘導IEC產生抗炎因子;4)誘導T細胞分化為Th2細胞。食用益生菌不僅降低c-Jun氨基末端激酶(JNK)的活化和組織中TNF-α、IL-6和IL-1β的表達,還減輕巨噬細胞炎癥浸潤,有助于改善炎癥引起的胰島素抵抗。包括植物乳桿菌K8、阿克曼氏菌等在內的多種益生菌可降低脂多糖(LPS)含量,具有改善機體炎癥的潛力。這種抗炎效果不止局限于菌株本身,其代謝產物和發酵制品也同樣具有此效果??傊?,益生菌能多角度、多途徑緩解宿主炎癥,繼而達到改善代謝紊亂的效果。

2.3 益生菌可調控糖脂吸收轉化途徑

代謝綜合征患者常伴隨血糖血脂異常,目前報道的有關降血脂、降血糖的益生菌作用途徑可分為:1)促進葡萄糖的代謝;2)促進膽固醇的轉化;3)抑制糖脂的吸收。GLP-1可促進胰島素的分泌,有研究發現益生菌代謝產物SCFAs可作為一種信號分子,刺激腸道L細胞,激活GPR41和GPR43,刺激GLP-1和PYY的分泌,控制葡萄糖的攝入,調節宿主能量代謝,從而達到治療代謝紊亂的效果。同樣,體內外實驗表明益生菌對α-葡萄糖苷酶的活性具有抑制作用,進而可延緩腸道對碳水化合物的消化吸收。膽固醇在體內的主要代謝途徑為通過肝臟轉化為膽汁酸,而益生菌不僅可以提高膽鹽水解酶活性而且本身也含有大量膽鹽水解酶,從而可促進膽固醇水解;其次益生菌可通過同化、共沉淀、黏附等方式發揮降膽固醇的作用;并且研究證實了L. johnsonii BFE6154可調控尼曼匹克C1型類似蛋白1的表達,抑制機體對膽固醇的吸收,改善高膽固醇血癥。

2.4 益生菌可調節腸道菌群的微生態平衡

近年來,隨著對腸道菌群的深入研究,人們對腸道菌群與疾病之間的關系研究越來越透徹,發現很多菌株對代謝綜合征相關的代謝類疾病均具有一定的調控作用。腸道菌群與宿主飲食、代謝參數密切相關,糖脂的過度攝入導致多種組織和器官功能障礙,腸道的通透性增加,腸道菌群失調。益生菌可通過分泌細菌素、鐵載體、溶菌酶、蛋白酶等物質改變腸道菌群組成。在肥胖和2型糖尿病患者的腸道菌群中存在大量的條件性致病菌,如梭狀芽孢桿菌、羅氏梭菌、埃格氏菌和大腸桿菌等。長期服用長雙歧桿菌BB536和鼠李糖乳桿菌GG能夠顯著降低厚壁菌門豐度,同時降低與促炎相關的腸道微生物以及一些條件致病菌的豐度,進而維持宿主的腸道健康。因而,益生菌可通過調控腸道菌群的組成緩解代謝綜合征患者的代謝紊亂。

表1、2所示分別為一些益生菌改善代謝綜合征的機制及益生功能。


3、改善代謝紊亂功能益生菌株的靶向篩選

目前靶向篩選具有改善代謝紊亂的益生功能菌株的方法具有操作簡單、周期短和高通量的優點,根據作用靶點和機制可分為3 大類:1)酶法篩選:酶法篩選主要是通過檢測益生菌對通路中關鍵酶活性的調控作用。2)基因篩選:可通過查找基因組信息快速篩選具有合成抗氧化酶、膽鹽水解酶、細菌素等基因的功能菌株。除此之外,在益生菌的基因組中還含有較多參與編碼利用低聚糖的基因,這為菌株進一步工業化應用提供了數據支撐。3)降解:可通過檢測一段時間內葡萄糖、膽固醇、草酸鹽、核苷、3-吲哚硫酸酚等物質的消耗量,初步篩選具有相應降血糖、降血脂和降尿酸功能益生菌。靶向挖掘具有降低血糖和血脂的健康功能微生物,可以作為治療代謝綜合征的新一代策略。

4、結  語

代謝綜合征是一種復雜的慢性疾病,影響因素眾多,并且會增加其他慢性疾病的風險,例如2型糖尿病、動脈粥樣硬化和非酒精性脂肪肝病等。這些疾病與代謝綜合征相關的糖脂代謝失調以及氧化應激、慢性炎癥和腸道微生物失調密切相關。益生菌廣泛存在于食物和腸道中,隨著測序和培養組學技術的進步,許多天然的益生菌被挖掘。目前已證實益生菌具有多種益生功能,可作為緩解或改善代謝綜合征及相關慢性疾病的治療方法。大量研究表明,益生菌具有很強的抗氧化能力,能改善宿主的氧化應激;能調節促炎/抑炎因子的分泌,減輕慢性炎癥和調節腸道菌群組成。在以往的研究中,已通過多種篩選方法發現具有不同功能的益生菌,但益生菌屬于較為籠統的概括,未能明確指出其具有功能性,因此提出“功能益生菌”一詞,有利于對相同功能的益生菌進行分類和篩選,同時有利于后續的商業化應用。但是也有報道益生菌的不良反應及在體內外的效果不一致現象,因此有必要評估益生菌的安全性和適用性,例如對抗生素耐藥性、溶血性、產生有害酶和毒素以及胃腸道耐受性進行全面評價。此外,益生菌的功效具有很強的個體差異性,不同菌株的培養條件以及處理方式也有一定差異,因此,在后續研究中可從菌體、菌發酵液、活菌、死菌等多方面進行設計預防和改善代謝綜合征的方案。

本文《功能益生菌對代謝綜合征的治療作用及其機制研究進展》來源于《食品科學》2023年44卷11期233-243頁. 作者:蔣同, 李龍巖, 張菊梅, 謝新強,吳清平. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220728-311. 。

來源:轉載于“ 食品科學雜志”公眾號原創文章,實習編輯~李雄;責任編輯~張睿梅。
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