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最新观点 | 饮食-肠道微生物组-宿主之间的关系

作者:刘冰倩、张勇

与膳食相关的慢性疾病在全球范围内流行,而这些疾病与微生物群密切相关。肠道微生物群可能是构成营养研究的“暗物质”,膳食-微生物群的相互作用可能是产生有益生理效应的基础。因此,确定什么是促进健康或有害的食物以及相关的膳食模式并将这些证据转化为饮食指南至关重要。例如,蔬菜、水果和全谷物的益处以及深加工食品的不利影响。然而,许多争议仍然存在,导致公众普遍对什么是健康饮食感到困惑。

2022年6月8日,来自加拿大阿尔伯塔大学农业、食品和营养科学系的Armet和爱尔兰科克大学微生物与医学系的Walter在Cell Host & Microbe发表题为Rethinking healthy eating in light of the gut microbiome的文章综述了健康饮食与肠道微生物的关系。

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图1   比较全植物食品和加工食品对肠道微生物群的影响以及对宿主生理学、免疫学、新陈代谢和疾病风险的影响


研究人员比较了全植物食品和加工食品对肠道微生物群的影响以及对宿主生理学、免疫学、新陈代谢和疾病风险的影响。全植物食品可以提供植物化合物和膳食纤维,与肠道微生物群特别相关的是可发酵纤维,纤维为微生物提供生长基质,抑制粘液-聚糖代谢,防止小鼠肠道粘液耗竭、细菌侵入粘液层、下游炎症和感染。纤维发酵的主要终产物是短链脂肪酸(SCFAs),即主要是乙酸、丙酸和丁酸,它们引起各种各样的生理效应。这些影响包括对微生物群落的生态影响(例如,抗菌特性、减少氧气扩散到肠腔中)、对肠道屏障功能的影响(例如,诱导紧密连接蛋白和粘液产生),以及对宿主的直接代谢和免疫影响(例如,增加控制饱腹感的激素的产生、增加脂肪组织脂肪分解和改善胰岛素敏感性)。植物化合物通常与膳食纤维结合,赋予植物颜色、味道、气味和涩味。大多数(90%–95%)植物化合物不被小肠吸收,因此参与了与肠道微生物群的双向相互作用。肠道微生物负责通过脱甲基、开环和脱羟基等过程对植物化学物质进行生物转化,这可以提高其生物利用率、吸收、抗氧化和免疫调节作用。

相比之下,加工食品通常具有更高的能量密度,并且缺乏植物细胞中存在的三维结构。因此,营养物质主要是非细胞的(即不包含在细胞内),更容易被宿主消化。这些容易发酵的营养物质可能会促进小肠中的细菌过度生长,并产生不利的微生物组成和代谢特征,从而对免疫和内分泌功能产生负面影响,而它们不能被结肠微生物群利用。例如,高果糖糖浆已被证明会导致小鼠脂肪肝和葡萄糖不耐受,其方式与肠道微生物群的组成和功能变化有关。加工食品还可以包含食品添加剂,可以增强口感和保质期,从而影响肠道微生物群。合成乳化剂羧甲基纤维素(CMC)和聚山梨醇酯-80会损害肠道屏障功能,导致微生物群上皮细胞侵蚀,促进了小鼠的代谢异常和低度炎症,以及遗传易感小鼠的结肠炎,这与肠道微生物群存在因果关系。另一种乳化剂单月桂酸甘油酯在小鼠中也观察到了类似的结果。人体试验表明,人类短期摄入羧甲基纤维素也会显著改变微生物群的组成,降低粪便中的SCFA水平,并诱导细菌侵入粘液层。另外,加工食品中的高盐含量也可能改变微生物群。盐的消耗降低了乳杆菌的丰度,这与小鼠小肠固有层淋巴细胞和人类外周血淋巴细胞中T辅助细胞17细胞数量的增加以及血压升高有关。另一项对小鼠的研究报告了类似的结果,其中高盐饮食减少了乳杆菌的丰度,增加了促炎基因的表达,并在两个独立的疾病模型中加剧了结肠炎。因此,现有证据表明,加工食品和全植物食品会对人类健康产生不同影响,部分是由肠道微生物群介导的(图1)。膳食推荐全植物食品,如蔬菜、水果、全谷物、豆类和坚果,而少推荐含有添加糖、盐或饱和脂肪的加工食品。

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图2  食物和食物组对宿主-微生物相互作用的影响



蔬菜、水果、全谷物、植物性蛋白食品、多脂鱼以及低脂发酵乳制品在膳食指南中被一致推荐定期食用(绿框)。这些产品提供各种膳食成分(纤维、植物化学物质、不饱和脂肪酸和活细菌),可以通过与肠道微生物群的相互作用有益于健康。在人类全膳食控制喂养试验报告称,富含菊粉的蔬菜可增加双歧杆菌水平,促进饱腹感,并减轻体重。另一项人类干预试验表明,全谷物的抗炎作用与肠道微生物群的变化平行发生。植物蛋白食品(如豆类、坚果)应经常食用,豆类还含有植物化合物,如黄酮醇(已知具有抗炎作用的类黄酮的一个亚群)和酚酸,与谷物中的那些相比,它们的生物利用度更高。最新的证据表明,肠道微生物群在豆类的健康影响中发挥了作用(图2)。例如,补充绿豆减少了喂食高脂肪饮食的小鼠的体重增加和脂肪积累,但没有减少喂食相同饮食的无菌小鼠的体重增加和脂肪积累。多脂鱼是长链ω-3脂肪酸二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)的主要天然膳食来源之一。与用猪油喂养的小鼠相比,用鱼油喂养的小鼠的盲肠微生物群移植给无菌小鼠后体重增加较少,并且白色脂肪组织炎症减少。鱼类来源的omega-3补充剂增加了粪球菌属物种的丰度,这与富含甘油三酯的脂蛋白水平呈负相关。因此,在多不饱和脂肪酸的心脏保护作用中,肠道微生物群可能是一种介质(图2)。相比之下,大多数指南建议适度食用瘦肉(黄色方框),这会增加肠道中几种潜在有害的微生物代谢物(氨、对甲酚、硫化氢)。膳食指南建议避免高脂肪乳制品和加工肉类(红框)。这些食物富含饱和脂肪,通过增加次级胆汁酸和丰富的致病生物对宿主健康产生有害影响。此外,加工肉类和一些奶酪包含硝酸盐和亚硝酸盐,它们通过微生物生物转化代谢为基因毒性化合物。


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图3   饮食、肠道微生物群和人类健康饮食之间复杂、多向的因果关系


肠道微生物群和人类健康饮食之间复杂、多向的因果关系可以直接或独立于微生物群影响人类健康(A1)。即使没有微生物组的因果作用,由于饮食的独立平行效应(A2)或由于饮食诱导的宿主生理变化改变了微生物组(A3),饮食的生理效应也可能与微生物组的变化相关。相比之下,微生物群可以通过饮食改变微生物群的组成和功能(B2),或者通过饮食成分(如植物化合物)和饮食诱导的宿主衍生化合物(如胆汁酸)的微生物生物转化和生物活化,调节饮食对健康的影响(B1)(B3)。

总而言之,饮食与健康密不可分,世界各地的饮食指南高度一致,但是对饮食-微生物-宿主相互作用的考虑有限。在指南推荐食物中,天然完整植物性食物(蔬菜、水果和全谷物)、鱼类等可通过膳食纤维等改善肠道菌群,产生健康益处。加工食品、红肉和加工肉类等食物可通过促进肠道菌群紊乱、产生菌群代谢毒素等途径对免疫和内分泌功能产生负面影响。微生物组科学可通过改善肠道菌群、靶向菌群调节、精准营养等手段推进健康的营养策略。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.chom.2022.04.016





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