肠道微生物代谢物参与多种生理过程

文章来源：【公众号】自闭症医学进展；ID号：woniubbhealth

《Gutmicrobialmetabolitesasmulti-kingdomintermediates》是KimberlyA.等2021年发表在NatureReviewsMicrobiology上的一篇综述。

肠道菌群在自身发酵过程中可产生大量代谢产物，这些代谢物或作为代谢反应的信号分子或直接作为底物，在宿主内发挥其作用，影响宿主的病理生理过程。

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简介

微生物在人体中的分布

人体内的微生物分布广泛，其中，在肠道中的微生物最多，皮肤、唾液、口腔黏膜、阴道黏膜和（眼球）结膜中也均存在微生物。此外，微生物数量庞大，人细胞：细菌细胞=1.1-1.3，且微生物基因约为人体内基因的1000倍。

肠道微生物主要包括细菌、真菌、古细菌和病毒，由于细菌在其中的占比远远高于其他微生物，故也称为肠道菌群，盲肠和近端结肠中的肠道菌群最多（人和啮齿类动物），小肠中相对较少。人类肠道定植着重达1千克的微生物，超过90%的肠道微生物由4种门类（phylum）的细菌组成，包括拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）。

微生物与宿主的相互作用非常复杂。微生物可能对宿主有益也可能对宿主有害，作用取决于作用的位置、饮食类型、代谢物循环水平等；膳食利用率和个体之间的变异性也能促进代谢物的产生；同样地，饮食也可能反过来影响微生物发酵，如微生物发酵通过产生短链脂肪酸（SCFAs）影响pH反过来影响膳食利用率。本文将以SCFAs为例，阐述肠道微生物代谢物对宿主的影响。

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短链脂肪酸（SCFAs）和多酚

饮食中的营养素在远端肠道被细菌代谢，产生许多化合物。SCFA是最常研究的一类小分子代谢产物，它是通过膳食纤维被肠道微生物发酵而产生的。

食物中的膳食纤维

膳食纤维包括多聚糖、低聚糖和抗性淀粉等，由于其独特的结构，膳食纤维不能在小肠中被酶解，而是在远端肠道中作为碳水化合物活性酶（CAZymes）的底物被降解，此过程可提高宿主的代谢功能。根据西方人的饮食数据，膳食纤维可提供人们所需的5%-10%的能量。SCFA中，乙酸、丙酸和丁酸的占比在95%以上；异丁酸、2-甲基丁酸、异戊酸、丙酸代谢物（乳酸和琥珀酸）等虽然含量较少，但同样发挥重要作用。

SCFA的来源

SCFA大部分来源于食物中的膳食纤维，少部分来源于结肠黏液层。当膳食中微生物可利用的碳水化合物（MACs）缺乏时，结肠黏液层是肠道微生物代谢所需的碳水化合物和蛋白质的主要来源。黏液层分内外两层，内层无通透性，外层是细菌栖息地，可作为细菌能量来源；黏液由大小肠的杯状细胞分泌，其中包含大量黏蛋白，黏蛋白分子量较大（>5000aa）且大部分为O-连接糖基化；复杂聚糖可在细菌酶的作用下从黏蛋白释放，当释放的量足够多暴露出蛋白核心时，黏液将被细菌酶水解。

食物中的多酚及其功能

膳食的发酵可以改变和/或修饰多酚。多酚在水果、蔬菜、谷物、茶、咖啡、酒等多种食物中均存在，结构多样，分子量大；按结构可分为：酚酸、类黄酮、木脂素、木质素、香豆素、芪类化合物等。多酚约10%在小肠中被代谢和吸收，90%在远端肠道被微生物分解；其抗炎、抗毒、抗菌作用使得其对心血管疾病、癌症、代谢性疾病、阿尔兹海默症和炎症性结肠炎中均发挥有益作用。

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环境、宿主和生化因素间的调节

膳食的组成决定了微生物发酵底物的来源和数量，同时也影响着微生物的结构和功能。

厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria）对微生物可利用的碳水化合物（MACs）改变的反应较大，在纤维素降解中起重要作用；拟杆菌门（Bacteroidetes）可以改变自身转录组以消化黏液，还可以诱导宿主产生可作为发酵底物的含岩藻糖的聚糖。

高微生物可利用的碳水化合物（MACs）饮食提高微生物多样性、促进SCFA的产生。小鼠中，低MAC饮食导致微生物群结构变化，导致微生物种类的减少；当培养代数增加时，微生物减少的种类增加；这种变化无法随着摄入高MAC饮食而逆转。同时，膳食的总能量密度、氮的利用率及与碳水化合物的相互作用（而不是碳水化合物本身）是微生物结构和宿主-微生物相互作用的关键。

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SCFA在人体的功能

（1）生理和生化功能：

①维持结肠上皮和黏液的肠道固有屏障功能；

②维持肠道运动；

③维持肠道激素的分泌，维持5-羟色胺（5-HT）、胆囊收缩素（CCK）、抑胃肽（GIP）和GLP-1的分泌；

④染色质调节作用；

⑤参与肠-脑轴；

⑥免疫功能。

（2）对宿主的疾病和健康状态：

①与宿主心血管代谢疾病相关，如动脉粥样硬化、肥胖、代谢综合征、Ⅱ型糖尿病和非酒精性脂肪性肝病等；

②与宿主神经和神经精神性疾病相关，如帕金森病、阿尔兹海默症、自闭症谱系障碍、焦虑和抑郁症等；③与肿瘤发生相关。

因此，科学的饮食结构对于生产肠道菌群的代谢物具有重要意义。除此之外，直接补充益生菌的代谢产物也会取得良好的效果。

参考文献：KrautkramerKA,FanJ,BäckhedF.Gutmicrobialmetabolitesasmulti-kingdomintermediates.NatRevMicrobiol.2021;19(2):77-94.doi:10.1038/s41579-020-0438-4