Nutrients：益生元研究的最新進展——專家研討會聲明

Giorgio La Fata, Robert A. Rastall, Christophe Lacroix,et al.Recent Development of Prebiotic Research-Statement from an Expert Workshop.Nutrients.2017 Dec 20;9(12). pii: E1376.

人類腸道微生物群由1013-1014個微生物組成（主要是細菌），其參與多種生物過程，如營養物質的利用和能量儲存、抗感染、免疫系統的成熟和功能調節、支持神經內分泌功能等，因此，對整體健康狀況至關重要。

微生物與宿主之間的相互作用從出生即開始，在成年期保持相對穩定，而在年老時，由於頻繁出現慢性和急性干擾（一些人形容為失調），導致穩定性下降。失調也發生於肥胖，糖尿病和代謝性炎症等情況下，儘管目前還不清楚這是否相關或存在因果關係。

早在二十世紀初，Elie Metchnikoff就報道稱保加利亞農民因為飲用酸奶而獲得更長的壽命，提出調節腸道微生物可以改善人類健康。 Tomotari Mitsuoka在20世紀60年代進一步提出某些飲食成分可能影響腸道中特定細菌群體，而這可能會影響宿主健康的觀點，他首先將飲食組成與細菌群體、活動和健康聯繫起來，為20世紀90年代中期制定益生元的概念奠定了基礎。最近，越來越多的研究顯示，人類腸道菌群紊亂與炎症性腸病、腸易激綜合征、肥胖和炎症等病理狀態有關，如果被證明是致病關係，那麼針對性地調節腸道微生物群可能提供預防甚至成為新穎的治療方法，證據是糞便微生物菌群移植在難辨梭狀芽孢桿菌治療中的最新發展。

此外，營養干預有助於建立或維持一個健康的腸道微生物群，「益生元」的使用正引起越來越多的關注，Gibson和Roberfroid在20世紀90年代引入了這一開創性的概念，強調飲食在調節腸道微生物群中的重要性及其與人類健康的關係。從那以後，這個定義被多次討論和修改，以適應新興的知識，儘管主要特徵大部分都保留了下來，但一些食品成分需要滿足的標準仍存在爭議。

考慮到我們對腸道菌群的了解日益增長，以及其對人類健康的重要性，益生元研究領域的學術專家會見了來自工業界的科學家，討論超越傳統概念的益生元研究進展，以及這些進展如何促進該領域的發展。研討會涵蓋的主題包括：（1）益生元概念的歷史和演變；（2）通過結腸發酵的體外模型研究益生元效應；（3）具有微生物調節性質的化合物（例如維生素）可能影響宿主健康。

益生元定義的發展

GlennGibson和Marcel Roberfroid首先將益生元定義為「一種不易消化的食物成分，通過選擇性刺激結腸中一種或少數幾種細菌的生長和/或活性對宿主產生有益影響，改善宿主健康」。那時，對腸道微生物生態系統的認識還比較有限，通過「選擇性」培養基計數細菌是常態，基於DNA的微生物學剛被引入，通常研究人員統計四到五個功能組和細菌總數，在這種情況下，選擇性刺激定義中所描述的「一種或少數幾種的細菌」的想法是非常有意義的。現在，人們對腸道微生物群有了更深入的了解，測序研究不斷揭示著生態系統多樣性的程度，然而，這些技術也可能存在局限性，有時會造成相當傾斜的圖像，而不提供絕對的細胞計數，根據方法的細節，它們也可能代表功能重要的細菌群，例如雙歧桿菌。相反，基於熒光探針的熒光原位雜交（FISH）計數法可以計數限定功能團的細胞，儘管調查人員必須知道要計算什麼，且這種方法不能識別未知的多樣性。宏基因組學和轉基因組學技術在未來幾年將有助於我們對生態系統的理解，第一個將提供微生物群的功能基因組成，而第二個使我們可以在微生物群中鑒定表達的轉錄物。值得注意的是，還有一個強大的「組學」技術，代謝組學，這種技術可以通過微生物代謝的表徵來研究複雜的宿主-微生物群關係。

腸道生態系統是一個非常多樣化，高度個體化，但功能保守的生態系統，益生元概念也在不斷發展。根據2008年在加拿大安大略省益生菌和益生元國際科學協會（ISAPP）第六次會議上提出的定義，飲食益生元是「一種選擇性發酵的成分，導致胃腸微生物組成和/或活性的特定變化，賦予宿主健康益處」，這個定義與原始的相似，但有一些重要的區別，首先，由於益生元會帶來更廣泛的變化，去除「一種或少數幾種」；其次，插入「飲食」和「胃腸」這兩個詞，將概念擴展到其他複雜的微生物生態系統，如「皮膚益生元」，「口腔益生元」或「陰道益生元」。 2017年，ISAPP共識小組提出了益生元的另一種定義，即「宿主微生物選擇性利用的底物，賦予宿主健康益處」。術語基質與「利用」一詞相一致，意味著「通過營養生長」，排除有生命力的微生物和抗微生物劑為益生元。定義更為直接，避免了不必要的技術術語，並像2008年的定義一樣，聲明目標不僅限於對雙歧桿菌和乳酸桿菌的刺激，還可以從其他有益的分類菌群中獲得健康益處。它首次討論底物（雖然沒有定義為「益生元」）可以通過不涉及宿主微生物選擇性利用的機制來影響微生物群的組成，例如礦物質，維生素和噬菌體。

拋開定義，研究者解釋這個概念的方式也發生了變化。在早期，對有益菌和有害菌的區分相當簡單，導致過分強調刺激雙歧桿菌，它們是主要的可培養菌群之一，並且在益生菌方面具有已知的益處。與此同時，類桿菌經常被視為有害菌，但實際上這是一個巨大而多樣化的細菌群體，對宿主有一定的影響，包括正面和負面。

最近兩個ISAPP定義中有了對益生元更現代和細緻入微的理解，儘管選擇性刺激部分微生物群的中心概念仍然存在，並如同20世紀90年代一樣有效，但對微生物群體和活性的意義的有了更多認識。在IBD和肥胖中具有潛在有益作用的細菌，如產丁酸的普拉梭菌和嗜酸性艾克曼菌已被確定，隨著我們對生態系統的理解的增加，還會確定更多的細菌。事實上，近年來，人們將注意力從簡單區分有益菌和有害菌轉移到旨在了解宿主生理相關的微生物生態學和功能特徵的研究上。

此外，近來對短鏈脂肪酸（SCFA）在人體生理學中的廣泛功能的認識不斷進展，使人們更加關注腸內代謝物的作用而不是簡單的改變細菌種群。代謝組學是研究微生物與宿主生理之間複雜關係一種非常好的工具，該領域的知識正在迅速擴展，但是，有必要採用所有可用於調查腸道微生物群的技術，畢竟沒有一種方法優於其他，但每種都能補充信息。明智地使用測序，定量PCR，FISH探針和代謝組學技術可以提供一個真正的基於系統生物學的方法來研究益生元及其對宿主健康的影響。通過這種方法，我們可能會對益生元的作用方式有更深入的了解，這將進一步促進益生元概念的發展。

結腸發酵的體外模型

作為全面研究腸道微生物群中益生元功能的方法之一，腸道模型在此之前特別適用於動物試驗或人體臨床研究。體外腸道模型使我們能在高度控制的環境中，以及體內設置無法達到的水平上，獨立於宿主地研究飲食、微生物、藥物和生理因素對腸道微生物群的機械效應。因此近年來，這些模型迅速發展，解決了倫理相關的問題，為動物和人體研究提供了具有成本效益的工具。

在過去的幾十年中，人們已經開發了一系列含有最高密度微生物的系統來模擬結腸發酵，從簡單的厭氧分批培養系統到複雜的多級連續流動模型。需要注意的是，所有模型在條件和產出方面都是不同的，因此，在選擇最適合的模型時要認真根據所研究的科學問題考慮它們的特點和相關的局限性。大多數模型不能在結腸中繁殖固著狀態的細菌群體，而且不能達到腸道中的高細菌密度和微生物競爭，最近人們在PolyFermS系統中研製出了解決這些局限性的方法，包括將糞便微生物群固定在凝膠珠中模擬細胞密度和體內腸道微生物競爭。 PolyFermS腸道模型可擴展到嬰兒、老人或肥胖供體在內的多種配置，可在同一微生物群將對照與不同治療的效果進行比較，是研究多種益生元的作用機制和細菌代謝物特徵的理想選擇。例如，最近的試驗證實，健康成年人的微生物群能良好地代謝低聚半乳糖（GOS），低聚木糖（XOS）和β-葡聚糖，其整體代謝發生明顯變化，有益的SCFA如丁酸和丙酸增多。雖然在這些試驗中使用了不同的供體，而不能將這些有益效應和特定的系統發育群體反應聯繫起來，但在代表兩種不同腸型的三種不同微生物群得到了供體特異性反應，這些發現說明了從體外模型獲得的數據的敏感性和價值，並且強調了根據目標微生物群譜考慮益生元可以刺激不同細菌群和代謝途徑的重要性。

可能影響宿主健康的微生物調控化合物

有幾種化合物似乎可以通過宿主微生物的選擇性利用或與營養無關的機制影響腸道微生物群的組成。其中一個被深入研究的例子是維生素B2（核黃素）的作用和普拉梭菌的生長。普拉梭菌是一種佔主導地位的有益菌，嚴格厭氧，占人體腸道細菌總數的5-15％，它也是腸道中具有抗炎特性的主要產丁酸菌之一。普拉梭菌數量在性腸病患者，尤其是克羅恩病患者中減少，這可能是腸道炎症產生的氧化應激增加所致。

普拉梭菌被證明具有使用核黃素作為細胞外電子轉運蛋白的特殊能力，使其能夠耐受有限數量的氧。儘管由核黃素提供的耐氧性是有限的，並且不利於這種專性厭氧菌的有氧生長，但是刺激普拉梭菌生長可能是這種維生素的功能之一，核黃素可能具備微生物調節性質，有潛在的臨床意義。為了驗證這一假設，Harmsen及其同事最近在健康男性成年人中進行了一項試驗，結果發現核黃素確實增加了每克糞便中普拉梭菌的數量，經過一周的清除期後，普拉梭菌數量再次下降，但是沒有降至基線水平。這種效應與另一組厭氧菌羅斯氏菌的增加和大腸桿菌的減少相平行，提示腸道中厭氧條件和氧化還原狀態的改善。假定在使用維生素的低需氧條件下，其他厭氧的有益微生物可以生長，這將為製造和應用這種益生菌（在正常即充氧環境中不能存活的）—— 維生素組合物來預防人類疾病開闢了新的可能性。

除了維生素B2之外，其他非碳水化合物類化合物也可通過「選擇性利用」或其他機制調節腸道微生物群，對宿主產生有益作用。例如，紅葡萄酒中所含的多酚類化合物可以選擇性的調節人類腸道微生物群的生長（類桿菌和雙歧桿菌屬的生長增加），飲用紅酒後腸道微生物群的變化與甘油三酯和膽固醇的降低有關，將多酚的攝入量與宿主的心血管益處聯繫起來，這可以通過炎性標記物C反應蛋白的濃度降低來證實。微生物調節作用也可能存在於礦物質，如鈣和鐵，以及益生元和微量營養素的組合中。高鈣飲食的小鼠血漿內毒素水平較低，內毒素表型較弱，這與類桿菌和雙歧桿菌的生長有關。最後，最近的研究還發現補充ω-3多不飽和脂肪酸（PUFA）可能會改變人類腸道微生物，Menni和他的合作者發現在中老年婦女群體中，循環中的ω-3脂肪酸水平與更高的微生物群多樣性和更高丰度的產短鏈脂肪酸的毛螺旋菌相關聯。同樣，Wason和他的合作者觀察到，補充ω-3多不飽和脂肪酸劑可逆性的增加雙歧桿菌、羅斯氏菌和乳桿菌在內的幾個菌屬的丰度。綜上，這些數據表明幾種非碳水化合物類化合物調節腸道微生物群，但它們是否有資格作為益生元，仍存在爭議。

雖然益生元的定義在過去二十年來同微生物研究技術一同不斷發展，但是作為益生元的資格是什麼仍然存在爭議。根據最新的ISAPP定義，益生元是一種被宿主微生物選擇性利用的底物，賦予宿主健康益處。選擇性刺激部分微生物群的中心概念仍然有效，但是對微生物群體和活動的意義的理解已經形成，雙歧桿菌和乳酸桿菌不再代表腸道微生物群中唯一功能重要的成員，代謝交叉現象增強了腸道細菌生態系統的複雜性。因此，真正的挑戰是將益生元與特定的生態系統變化和/或代謝物產生聯繫起來，最後與宿主的健康相關聯。

模擬結腸發酵的複雜的體外模型最近已經被開發用於研究益生元對微生物特定種類和總體組成，以及代謝產物的影響。但是，它們也有局限性，例如，只能模擬微生物群發酵/利用某種益生元的能力，而不能說明與這些變化相關的功能含義。雖然可以在體外評估丁酸的增加，但這並不總能預測腸道微生物與宿主細胞或宿主來源的可溶性因子的真正相互作用。為此，需要將來自體外和體內系統的數據與人類研究相結合來產生額外的數據。這些系統的另外一個代表是腸道類器官：一種三維體外組織模型，保留了體內腸道組織的許多生理相關特徵。這些類器官有一個重要特點，在存在細菌和病毒攻擊的情況下，它們仍是穩健的模型，從而能用於真正的共培養實驗，在這種模型中上皮細胞和微生物可以在相同的培養皿中保持較長時間，因此，它們代表了一個模塊化，高度適應性的用於評估宿主-微生物相互作用的分子基礎的模型系統。

隨著人們對各種營養成分對微生物組成和代謝產物的影響的認識不斷增加，科學家們將繼續發展益生元的概念。這包括最近發現的非碳水化合物類化合物，如多酚，礦物質，營養脂質和維生素，迄今尚未考慮其對腸道微生物群的潛在影響，考慮到在生理條件下，維生素和脂質大部分在小腸的上部被吸收而不能到達胃腸道的遠端部分，這並不令人意外。然而，它們對宿主生理學的影響是否至少部分通過調節腸道微生物來介導仍是未知的，需要進一步研究。

-THE END-

不 一 樣 的 消 化 科

編輯 / 葉峰

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