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本文由墨玉曼巴編譯，董小橙、江舜堯編輯。 原創(chuàng)微文，歡迎轉載。 導讀 現代醫(yī)學之父希波克拉底曾經說過：“讓食物成為你的藥物，而不要讓藥物成為你的食物。”食物不僅是人類維持生長、繁殖和健康的必要條件，還可以調節(jié)和支持共生微生物群落在消化道內定植。食物的類型、質量和來源塑造我們的腸道微生物并影響它們的組成和功能進而影響宿主和微生物的相互作用。本篇綜述我們著重介紹膳食纖維，它可以與腸道微生物直接作用并導致產生關鍵的代謝物，如短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA），并討論膳食纖維如何影響腸道微生態(tài)和宿主的生理健康進而闡明如何利用飲食來調節(jié)腸道微生物健康。 論文ID 原名：The Impact of Dietary Fiber on Gut Microbiota in Host Health and Disease 譯名：膳食纖維對宿主健康和疾病腸道菌群的影響 期刊：CELL HOST & MICROBE IF：17.872 發(fā)表時間：2018.05 通信作者：Fredrik Backhed 通信作者單位：：瑞典哥德堡大學醫(yī)學研究所分子與臨床醫(yī)學系 綜述內容 1. 膳食纖維:定義、分類和來源 在過去的幾十年里，膳食纖維的定義一直是一個有爭議的問題。大多數國家接受2009年食品法典委員會的定義，即膳食纖維為由3種或3種以上可食用碳水化合物單體形成的具有抗內源性消化酶的聚合物，既不會水解也不會被小腸吸收。 膳食纖維可以從不同的角度進行分類，包括食物來源、化學結構、水溶解度、粘度和發(fā)酵能力。膳食纖維又細分為的多糖（非淀粉多糖）、抗性淀粉和抗性低聚糖（ROs），以上可溶性和不溶性的膳食纖維來源于不同的食物，抗性淀粉只能在含有淀粉谷類、豆類、塊莖和不成熟的水果等食物中發(fā)現；果膠在水果和一些蔬菜中含量較高，而β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖主要存在于谷類中。這些多聚糖和低聚糖廣泛在商業(yè)中應用。 2. 膳食纖維對腸道微生物生態(tài)的影響 飲食習慣對于腸道微生物群落的組分、多樣性和豐富度有很大影響。不同的飲食習慣會塑造不同的腸道微生物群落。長期飲食模式，特別是蛋白質和動物脂肪的攝入可以增加擬桿菌的豐度，碳水化合物或植物性食物可以增加普氏菌的豐度，這2種菌與腸型有關。工業(yè)化和非工業(yè)化的人也觀察到普雷沃特氏菌/擬桿菌比率的差異，表明這些細菌種群受長期飲食差異的驅動，如在西方飲食中的肉類可以驅動擬桿菌和非西方化飲食中的膳食纖維可以驅動普氏菌。 除了如上所述長期飲食對腸道微生物群落的影響，腸道微生物群落還會做出短期的反應。大量營養(yǎng)成分發(fā)生顯著變化會在24小時內引起對腸道微生物種群的應答。特別是，當人類主要以植物蔬菜為食時，具有降解纖維物質能力的菌群大量增加。最近一個隊列研究表明碳水化合物包括纖維物質減少到每天吸收30克后的24小時，觀察到了微生物群落快速的重組。碳水化合物的減少將會導致具有纖維降解能力的微生物動態(tài)變化，而乳球菌屬、鏈球菌屬和Eggerrthella屬的豐度增加，最終導致SCFAs水平降低。 3. 纖維形成了細菌的食物網 膳食纖維通過為微生物的生長提供底物來改變腸道的微生物環(huán)境，能利用膳食纖維的微生物會擴大他們自身的數量，腸道微生物擁有130種糖苷水解酶，22種多糖裂合酶，16種碳水化合物脂酶家族，根據纖維物質的可利用性為微生物的動態(tài)變化提供不同的能量來源。 膳食纖維對微生物的組成的影響有幾個顯著特征。第一，不易消化的碳水化合物，無論是益生元與否，都只能改變幾個有限的微生物種類。第二，纖維的改變導致微生物種群的改變范圍是很大的。第三，微生物對于膳食纖維的改變是高度個性化的。 4. 微生物代謝膳食纖維及其功能影響 膳食纖維是盲腸和結腸中微生物的重要能量來源。在特定的腸道環(huán)境下，厭氧細菌激活其一系列產物，如關鍵酶和代謝途徑，進而代謝復雜的碳水化合物，產生代謝產物如SCFAs。SCFAs是以乙酸、丙酸和丁酸為主要成分的有機酸。SCFAs的主要作用是調控宿主的新陳代謝、免疫系統(tǒng)和細胞增殖。SCFAs主要在盲腸和盲腸附近發(fā)現，但他們也可以通過血液轉運到外周循環(huán)中，通過門靜脈作用于肝臟及其他外周組織，雖然SCFAs在外周循環(huán)中的含量很低，但是它們可以作為信號分子調節(jié)機體生物學過程。 膳食纖維攝入的減少，不僅會導致微生物多樣性和SCFAs的減少，還會導致腸道微生物群落新陳代謝趨向于利用一些不經常利用的底物，會對宿主不利。為人提供高蛋白和低碳水化合物的飲食會導致總的SCFAs和丁酸的減少，并且還會產生有害代謝物。這些代謝產物的細胞毒性和促炎性會引起一些腸道疾病的發(fā)生?？紤]到糖酵解和蛋白水解，高纖維飲食會抑制蛋白質發(fā)酵，減少食用肉類和脂肪帶來的有害影響。 5. 膳食纖維和SCFAs對宿主的影響 5.1 對粘液產生和腸道內氧含量的影響 腸上皮細胞覆蓋了一層黏液層，從而與微生物分離。機體防御微生物的入侵和感染的主要機制之一就是維持黏液層的結構良好和完整。腸道微生物和飲食習慣是維持黏液層正常的重要因素。低纖維飲食會引起腸道微生物群落的變化，導致粘液層的嚴重惡化從而導致慢性炎癥性疾病的發(fā)生（圖1）。膳食纖維和SCFAs會刺激粘液的產生和分泌。乙酸和丁酸會維持粘液產生和分泌的平衡。長期缺乏膳食纖維會損害粘液屏障并且增加與黏蛋白降解有關微生物的豐度。最近的一個研究表明，結腸中丁酸的β-氧化會消耗大量的氧氣，最終形成腸道內一個厭氧環(huán)境。由于產生丁酸的細菌對氧十分敏感，丁酸的氧化會使這部分細菌大量減少。 圖1 低纖維和高纖維飲食對宿主腸道微生物群落組成、多樣性和功能的影響 5.2 對免疫系統(tǒng)的影響 健康的腸道微生物群落有助于免疫系統(tǒng)的成熟和發(fā)展。SCFAs在調節(jié)和維持固有免疫系統(tǒng)中具有重要作用，SCFAs可以通過GPR43依賴的方式以及誘導組蛋白H3乙?；姆绞酱龠M結腸調節(jié)性T細胞（Tregs）的生成。SCFAs在調節(jié)和維持先天性和適應性免疫的正常功能中起到重要的作用。 5.3 纖維攝入對全身的有益作用 5.3.1 以炎癥性腸病為例 在西方國家，炎癥性腸?。?/span>IBD）的發(fā)病率正在上升。西化的飲食和腸道細菌多樣性的降低，特別是產丁酸細菌的減少會增加IBD的患病率。此外，低纖維攝入量與克羅恩病發(fā)病率的增加有關。纖維的預防作用可能是由于結腸中SCFAs水平升高，尤其是丁酸，丁酸可以通過GPR43發(fā)揮抗炎的功能。 5.3.2 以慢性阻塞性肺病和哮喘為例 膳食纖維的吸收和SCFAs對肺部生理機能也有一定的影響。哮喘病人會消耗更多的脂肪和更少的纖維物質。一項前瞻性研究顯示谷物纖維攝入量和患慢性阻塞性肺?。?/span>COPD）的風險呈反比。在小鼠中，延長低纖維喂食，會加重氣管疾病，而喂食丙酸后這種情況會有所緩解。 5.3.3 以肥胖和糖尿病為例 在很多國家，肥胖是一種流行性疾病，它受很多因素影響。高纖維的吸收和增加腸道微生物群落多樣性與更低的體重增加有關。近期一個研究，超重和肥胖人群食用富含低聚果糖的菊粉16周后，可使他們的脂肪減少。以上研究表明，增加可酵解的纖維對于肥胖人群很有用。 肥胖與2型糖尿?。?/span>T2D）息息相關，與肥胖不同，T2D與降解纖維菌群豐度的降低有關。因此，高葡萄糖指數飲食（可消化淀粉高和纖維含量低）會增加患糖尿病的風險。服用可溶性纖維，如低果糖和長鏈菊粉，可以改善腸道失調、減少體重增加和提高葡萄糖代謝，這些轉變至少歸因于下降的腸道通透性和內毒素。 6. 膳食纖維的非SCFAs效應 前文主要集中在纖維發(fā)酵產生的SCFAs，但是微生物代謝纖維物質也會產生一些其他的影響。阿魏酸（FA）是一種在植物細胞壁中發(fā)現的酚類化合物。微生物代謝膳食纖維，例如谷物麩皮，可以產生FA。在消化道內，FA可以調節(jié)腸道生理機能或轉運至血液進而影響機體健康。 膳食纖維也會結合大量的微量元素包括銅離子、鈣離子和鋅離子并將他們轉運到腸道末端。膳食纖維可以通過向細菌和腸道末端提供微量營養(yǎng)素來參與保持健康的腸道生態(tài)。 膳食纖維也可以作為一種平臺將生物分子和細菌結合的非常緊密。例如，小腸中的共軛膽汁酸在被擬桿菌和乳酸菌去結合前，可以與纖維結合。膽鹽去結合是進一步被低豐度細菌，如梭狀芽胞桿菌，生物轉化為次生膽汁酸的先決條件。因此，我們認為膽汁酸和特異性細菌結合到同樣的纖維上可以解釋為什么低豐度的細菌可以作為高效的生物分子轉變器從而提高次級膽汁酸的產量。次級膽汁酸，如脫氧膽酸，有很多重要的生理作用、與2種結直腸癌（CRC）都呈現正相關并且可以改善代謝（圖2）。 圖2 膳食纖維在結腸中的非短鏈脂肪酸作用 7. 膳食纖維的定量和個性化 膳食纖維在保護和緩解人類腸道炎癥性疾病的研究已經持續(xù)了很多年。最近一項研究表明，人體每天攝入膳食纖維50克以上有益于健康。然而，從常規(guī)食物中攝入足夠的膳食纖維還是有一定挑戰(zhàn)的，可以通過提供含有膳食纖維的食物來解決這一問題。現代人類對膳食纖維的耐受劑量是一個普遍問題，膳食纖維攝入過量會導致胃脹氣、胃痛、腹瀉和便秘等。需要指出的是，每個人對纖維物質的耐受程度不同，而且隨著時間的推移，胃腸道和腸道微生物對纖維物質的適應能力都會有所提升。未來，可以根據個人情況攝入特定的纖維類型來降低副作用。 結語 總之，膳食纖維是一種維持腸道生態(tài)健康，特別是調節(jié)營養(yǎng)元素和宿主的生理健康的重要化合物。為第二代益生元和補充缺失的重要腸道微生物篩選新型纖維物質，將成為影響人類腸道微生物相關疾病的下一項重要挑戰(zhàn)。最后，更好的理解飲食和微生物之間的相互作用，將有助于個性化營養(yǎng)學的發(fā)展和有效的降低更多腸道炎癥疾病。
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