蒋卓勤教授：膳食因素与肠道菌群的关系

人类消化道中存在大量的微生物，通常称为肠道菌群。人体菌群总量的80%定植在结肠。肠道菌群的组成和活动，从宿主出生开始主要受宿主基因、膳食和生活方式的影响。膳食是维持肠道菌群与宿主之间共生关系的重要组成部分。膳食成分中含有肠道菌群代谢所需的底物，并通过多种方式影响人类肠道菌群的结构和功能。肠道菌群也参与一些营养素的消化、吸收和合成，通过参与宿主多个代谢通路，影响宿主的身体健康，与宿主共同存在和发展。因此，了解膳食因素与肠道菌群的关系，为合理调整肠道菌群，促进人类健康具有重要意义。

一、肠道菌群的建立

母亲子宫内的生长发育环境是“无菌”的。对于经阴道顺产的婴儿，母亲阴道内的菌属（如乳杆菌属）在分娩过程中不断地迁移和定植于新生儿肠道；而剖宫产婴儿肠道菌群主要来自于皮肤菌群的肠道内迁移和定植[1]。

婴幼儿在生长发育过程中，喂养方式、辅食添加、外部环境的接触、感染、抗生素应用等各种因素影响其肠道菌群的多样性和增加速度[2]。母乳含有全价营养物质和丰富的低聚糖，后者可为双歧杆菌、乳杆菌等益生菌属提供营养物质，促进其生长繁殖。研究显示，母乳喂养婴儿肠道内双歧杆菌和乳杆菌属比例显著高于配方喂养婴儿；此外，母乳也含有多种免疫活性成分，可以抵御潜在的致病性微生物。也有报道，添加低聚糖类的配方喂养可以增加婴儿肠道内双歧杆菌和乳杆菌的数量。

添加辅食后，婴儿肠道菌群结构发生较大变化。当婴儿断奶后，尤其是开始摄入固体食物时，肠道菌群结构发生剧烈变化，并逐渐呈现更加稳定的、类似于成人的菌群结构。至3岁左右，幼儿的肠道菌群结构多样性和稳定性已与成人接近。

二、膳食因素与肠道菌群的相互影响

膳食中含有益生菌或益生菌类所需的营养成分，如发酵食品、加入益生菌的配方食品或益生菌补充剂。通过进食可将外界微生物补充至肠道微生态环境中。膳食也为肠道内共栖共生的菌群提供代谢底物，参与肠道菌群的代谢。可消化的碳水化合物、蛋白质和脂肪等宏量营养素进入肠道后主要在小肠被消化吸收，而不可消化吸收的膳食纤维、寡糖（低聚糖）、抗性淀粉和植物活性化学物质等进入结肠，以及未被消化吸收的蛋白质和脂类等被肠道菌群代谢，代谢过程主要包括发酵、降解、合成[3]。一些细菌种属，如拟杆菌属、双歧杆菌属和瘤胃球菌科等主要参与发酵，而普里沃菌、拟杆菌和瘤胃球菌某些种属主要参与降解作用。因此，膳食因素可调节肠道菌群结构和丰度，从而影响人体健康。

1. 碳水化合物

随膳食摄入的膳食纤维、低聚糖和抗性淀粉等不可消化吸收的碳水化合物不被消化而到达结肠，并被定植于结肠的菌群发酵分解，产生短链脂肪酸（主要包括乙酸、丙酸和丁酸）、二氧化碳、甲烷等代谢产物。短链脂肪酸可为宿主提供能量，并营养肠道菌群，降低肠道pH值，促进益生菌增殖，抑制有害菌定植和繁殖，从而影响肠道菌群结构。不可消化吸收的碳水化合物经肠道菌群发酵分解得到的发酵产物具有调节肠道免疫、激素释放、抑制肿瘤细胞增殖等作用[4]。其中，乙酸大部分被吸收转运至肝脏、肌肉和周围组织中，作为合成脂类的底物；丙酸被转运至肝脏，参与合成糖类；丁酸主要被肠道上皮细胞吸收利用，作为结肠上皮细胞的能源，发挥调节肠道上皮生长发育、维持肠道屏障、抗肿瘤和抗炎等作用。肠道内的重要有益菌种可能是产生丁酸的相关菌属，如双歧杆菌属和乳酸杆菌属。

膳食中不可消化吸收的碳水化合物可促进肠道菌群有益的发酵过程和生长繁殖，有助于肠道健康，其摄入的量和类型影响人体肠道菌群结构及其代谢产物。对人粪标本开展的体外研究发现，肠道内布氏瘤胃球菌等特异性细菌种属可选择性地代谢特异性、不溶性碳水化合物底物，摄入富含抗性淀粉或膳食纤维的饮食可显著增加肠道内这类细菌的含量。通过对肠道菌群宏基因组进行测序，发现膳食长期以蛋白质和脂肪为主的人，肠道菌群以拟杆菌属为主；而以糖类为主要膳食成分的人，普氏菌占主导地位[5]；非洲儿童的饮食结构以植物性食物为主，其肠道菌群丰度高过富含动物性食物膳食结构的欧洲儿童。上述现象可能与不同地域人群膳食结构中不可消化吸收的碳水化合物的量和类型有关。

人体肠道中不同种属细菌对各种类型不可消化吸收的碳水化合物的代谢能力也存在差异，如布氏瘤胃球菌和青春双歧杆菌对抗性淀粉2（即生淀粉）和抗性淀粉3（变性淀粉或老化回生淀粉）具有较好的代谢活性[3]。低聚果糖和低聚半乳糖等功能性低聚糖类（又被称为益生元）可促进双歧杆菌、乳杆菌等有益菌增殖，抑制肠杆菌、沙门菌等有害菌在肠道内定植和繁殖。

2. 膳食脂肪

健康人群膳食脂肪主要在小肠内被消化吸收，约7%经粪便排泄。基于动物的研究结果支持膳食脂肪与肠道菌群之间的交互作用。肠道拟杆菌某些种属的量与饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的摄入有关。高脂饮食可降低肠道菌群的多样性及细菌总量，使粪便内丁酸含量减少，并显著减少肠道内双歧杆菌和罗斯菌的数目，可引起肠道炎性反应，诱导脂多糖类和其他细菌代谢成分从肠道进入血循环而导致体内播散，表现为血浆内炎性反应相关指标水平升高[6]。在不含碳水化合物的高脂饮食内加入益生元可以改善胰岛素抵抗，降低促炎性因子水平。

高脂饮食引起的菌群失调可能与其促胆汁酸分泌有关。脂类促进胆汁分泌，胆汁酸进入结肠后与编码胆盐水解酶类的肠道菌群相互作用，促进嗜胆菌属的生长，促进辅助性T细胞介导的免疫反应，并产生H2S等可破坏肠道上皮屏障功能的小分子毒性物质，加重结肠炎性反应[7-8]。对志愿者进行不同的饮食干预并采集干预时期的粪便进行肠道微生物组研究，发现以动物性食物为主的膳食可以增加耐胆汁酸菌的数量，而降低厚壁菌属（以代谢植物多糖为主的微生物）的水平[9]。

3. 膳食蛋白质

在小肠未被消化吸收的残存的膳食蛋白质进入结肠后，经肠道菌群发酵，产生短链脂肪酸、支链脂肪酸、氨盐基、酚类、吲哚类、N-亚硝基化合物、胺类和硫化物等代谢产物。其中，粪便支链脂肪酸含量可作为结肠蛋白质发酵的标志物。人类粪便中氨盐基随着摄入膳食蛋白质含量的增加而增加，大部分被肠道吸收，经肝脏代谢转化为尿素经尿排出；酚类等物质同样经结肠吸收，经肝脏代谢后，再经尿排出体外。膳食蛋白质在结肠中的发酵代谢产物，除了小部分作为肠道细菌和氨基酸的氮源以外，大部分对宿主肠道有害[10]。肠道上皮细胞长期暴露于蛋白质源性的毒性代谢产物中可能增加结直肠肿瘤和炎症性肠炎等肠道疾病的风险。

关于膳食蛋白质对肠道菌群结构影响的研究仍较少，较多的研究集中在对蛋白质发酵产物的检测方面，如红肉类摄入量增加可使粪便内硫化物和N-亚硝基化合物的含量明显增加。膳食中蛋白质与碳水化合物的比例可以影响发酵产物的含量，但对肠道菌群结构的影响仍未明确。

4. 植物化学物质

人体对膳食中的植物化学物质的吸收率较低，不同的植物化学物质的吸收差异很大，但植物化学物质经肠道菌群代谢的产物可被大量吸收。一些植物化学物质在结肠中经细菌发酵代谢，可对肠道菌群发挥调节作用，其发酵代谢产物被吸收进入人体内也可发挥抗氧化、抗炎、免疫调节、降血脂和调节血糖等作用。例如，大豆异黄酮的肠道细菌代谢产物雌马酚以及花色苷的肠道细菌代谢产物原儿茶酸经肠道吸收后，可在体内表现出重要的保健作用。临床上采用中药材黄连的有效成分黄连素（小檗碱）治疗细菌性腹泻有效。

三、小结

膳食是影响肠道菌群组成以及改变肠道菌群表达的重要因素。膳食中营养成分的种类、数量及平衡状态会影响宿主肠道菌群的组成和数量；而肠道菌群的比例、数量、稳定状态及其代谢产物会影响宿主的健康。人类肠道的微生物成千上万种，菌量达数十万亿，只有肠道微生态平衡才能更好地维持健康，而菌群失衡就会危害健康。最近有文献报道，经高度纯化处理的可溶性膳食纤维在某些动物个体中，可能会引起某种肠道菌群的过度生长和失调，这种细菌带来的异常发酵过程可能会增加罹患肿瘤的风险[11]。肠道菌群对膳食的改变十分敏感，短期膳食改变导致的肠道菌群的变化是可逆的，而长期膳食改变导致的肠道菌群的改变较为稳定而难以恢复，甚至是不可逆的[12]。只有食物多样化、平衡膳食、坚持良好的饮食习惯才有利于维护肠道的微生态平衡，促进人体健康。

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参考文献

1. Dominguez-Bello MG, Costello EK, Contreras M, et al. Delivery mode shapes the acquisition and structure of the initial microbiota across multiple body habitats in newborns[J]．Proc Natl Acad Sci U S A, 2010, 107(26):11971-11975.
2. Koenig JE, Spor A, Scalfone N, et al. Succession of microbial consortia in the developing infant gut microbiome[J]. Proc Natl AcadSci U S A, 2011, 108 Suppll:S4578-4585.
3. Salonen A, de VoswM. Impact of diet on human intestinal microbiota and health[J]. Annu Rev Food Sei Technol, 2014, 5:239-262.
4. Smith PM, Howitt MR, Panikov N, et al. The microbial metabolites, short-chain fatty acids, regulate colonic Treg cell homeostasis[J]. Science, 2013, 341(6145):569-573.
5. Arumugam M, Raes J, Pelletier E, et al. Enterotypes of the human gut microbiome[J]. Nature, 2011, 473(7346):174-180.
6. Lappi J, Salojiirvi J, Kolehmainen M, et al. Intake of whole grain and fiber-rich rye bread versus refined wheat bread does not differentiate intestinal microbiota composition in Finnish adults with metabolic syndrome[J]. J Nutr, 2013, 143(5):648-655.
7. Sartor RB. Gut microbiota: diet promotes dysbiosis and colitis in susceptible hosts[J]. Nat Rev GastroenterolHepatol, 2012, 9(10):561-562.
8. Devkota S, Wang Y, Musch Mw, et al. Dietary-fat-induced taurocholic acid promotes pathobiont expansion and colitis in ILl0-/-mice[J]. Nature, 2012, 487(7405):104-108.
9. David LA, Maurice CF, Carmody RN, et al. Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome[J]. Nature, 2014, 505(7484):559-563.
10. Yangale EP, Mottram DS, Gibson GR. Gut microbial activity, implications for health and disease: the potential r01e of metabolite analysis[J]. J Proteome Res, 2012, 11(12):5573-5585.
11. Singh V, Yeoh BS, Chassaing B, et al. Dysregulated Microbial Fermentation of soluble fiber induces cholestatic liver cancer[J]. Cell, 2018, DOI: doi.org/10.1016/j.cell. ED, Smits SA, Tikhonov M, et al. Diet-induced extinctions in the gut microbiota compound over generations[J]. Nature, 2016, 529(7585):212-215.