低聚半乳糖干预缓解肠道炎症的研究进展

高海娜，杨贞耐

（北京工商大学，北京食品营养与人类健康高精尖创新中心，北京市食品添加剂工程技术研究中心，北京 100048）

肠道炎症已成为我国社会健康的难题和挑战。炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）是在肠道菌群等因素的参与下，导致肠黏膜屏障功能受损，肠黏膜通透性增加，促炎物质进入肠黏膜，从而诱发机体免疫应答，使得肠道稳态被打破后引发慢性肠道炎症性疾病[1]。 近年来研究发现，IBD在中国的发病率正逐年增加[2-3]。据我国疾控中心数据显示，2014年IBD总病例数达约35 万，预计2025年达150 万[4]，呈现与经济发展程度正相关的趋势，患者年龄具有年轻化趋势，且被认为是一种全身性疾病，随着病情的发展可累及多种肠外器官，引起肠外病症表现[1]。IBD发病原因复杂，主要与遗传、环境、免疫和肠道菌群等有关[2]。

低聚半乳糖（galactooligosaccharide，GOS）是一种天然存在于哺乳动物乳中的功能性低聚糖，在动物乳中含量较少，在人乳中含量较多[5]。GOS是以乳糖为原料，经β-半乳糖苷酶作用，由2～9 个半乳糖基与1 个末端葡萄糖通过糖苷键连接形成的低聚糖[6-9]。GOS作为一种重要益生元，具有调节肠道菌群、改善肠道功能、免疫调节和预防过敏等功效[10]。本文综述肠道炎症的发生发展及近年来GOS缓解肠道炎症的研究进展。

1 肠道炎症的发生及干预治疗

1.1 肠道炎症的发生机制

肠道既是营养物质消化吸收的主要场所，也是保障机体内环境稳态的先天性屏障[11]。肠道稳态是指宿主（肠道屏障）、肠道内环境（包括肠道菌群）、营养和代谢产物等相互作用所构成的动态平衡状态[12]。肠道炎症一般始于肠道屏障功能损伤，导致肠道内稳态被破坏，进而造成获得性免疫紊乱、中性粒细胞和巨噬细胞渗透，释放大量细胞因子和趋化因子，增加肠上皮细胞中白细胞介素6（interleukin 6，IL-6）、环氧化酶2、肿瘤坏死因子α等基因和蛋白表达以及活性氧含量，降低空肠和回肠中过氧化氢酶、超氧化物歧化酶与谷胱甘肽过氧化物酶的活性，诱导肠道炎症和氧化应激的发生发展[13]。肠道屏障主要由肠上皮细胞（intestinal epithelial cell，IEC）和紧密连接（tight junction，TJ）等构成，它能够防止肠内有害物质（如细菌和毒素）穿过肠黏膜进入体内，抵抗感染和炎症[13-14]。其中，IEC是肠道屏障的第1道防线，它的发育及健康状态（细胞数量、形态学结构）不仅与营养吸收功能存在正相关关系[15]，还对早期免疫防御及调节肠道屏障损伤[16]具有十分重要的作用。TJ蛋白封闭IEC之间的空隙，在肠腔表面形成交织网络，是阻止腔内病原体通过细胞旁路的重要结构及维持肠道屏障功能的关键因子。TJ蛋白主要由跨膜蛋白（Occludin、Claudin-1等）、胞浆黏着蛋白（ZO-1等）与细胞骨架蛋白相连组成。肠内有害物质引起TJ蛋白表达量降低，TJ的通透性增加，意味着肠道屏障的完整性遭到破坏，肠道屏障功能失调。这会加剧氧化损伤或炎性反应，造成肠道急性或慢性炎症的产生[17-20]。由此可见，确保肠道内稳态对抵御外界物质入侵、保护人体健康具有重要意义。

1.2 肠道炎症的干预与治疗

临床治疗肠道炎症的药物主要是高效广谱抗菌药（氨基水杨酸、激素、硫唑嘌呤、环孢素、沙利度胺、英夫利昔、阿达木单抗等），这类药物虽疗效快，但副作用大，可能会导致肠道微生物群生态失调，如关键菌群缺失、致病菌增多、多样性降低和代谢机能改变等；在导致肠道有害菌数量改变的同时，也会导致患者肠道益生菌数量和种类发生改变，进一步加重肠道菌群紊乱，并造成肠道细菌和毒素发生移位，加剧病情恶化[21-22]。 因此深入研究肠道炎症的病理机制，加强有效缓解及预防肠道炎症物质的研发具有重要的科学意义。

近年来的研究表明，花青素[23-24]和黄芪汤[25]可以通过降低炎症细胞因子水平和增加紧密连接蛋白的表达进而预防脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）诱导的肠道炎症。黄参苷通过抑制磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B蛋白信号通路，降低炎症细胞因子水平、减少IEC凋亡和增加紧密连接蛋白的表达，进而缓解三硝基苯磺酸诱导的结肠炎[26]。黄连汤通过调节核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）信号通路和核因子E2相关因子2信号通路，增强肠道屏障功能，进而改善小鼠急性溃疡性结肠炎[27]。苦参露通过抑制Toll样受体4信号通路、NF-κB及丝裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）信号通路的激活，从而降低炎症细胞因子水平，进而减轻LPS诱导的肠道炎症损伤作用[28]。栀子花汤通过抑制促炎细胞因子和NF-κB信号通路预防肠黏膜损伤[29]。

微生物制剂（益生菌、益生元和合生元）对于维持肠道菌群平衡、促进肠道健康也具有非常重要的意义。2016年12月，国际益生菌与益生元科学协会将益生元定义更新为：一类能够被宿主体内的微生物选择性利用并对宿主产生健康效应的基质，此举扩大了益生元的范围，包括可能的非碳水化合物与非食物成分，也使作用部位不仅局限于胃肠道[30]。目前，益生元多为功能性低聚糖，其中，低聚果糖（fructo-oligosaccharide，FOS）通过调节腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）信号通路，增加TJ蛋白的表达，进而缓解肠道炎症[31]。魔芋甘露低聚糖与枯草芽孢杆菌联合诱导肠道氧化损伤[32-33]。低聚木糖能够有效促进肠道中植物乳杆菌[34]、鼠李糖乳杆菌[34-35]和双歧杆菌[36]的增殖，维持肠道菌群平衡。在牛乳配方粉中添加GOS和FOS可以有效增加婴幼儿粪便中双歧杆菌的数量，改善肠道 健康[37]，以减少过敏反应和异位反应性皮炎，增加骨矿化，或治疗与压力相关的疾病。

2 GOS干预缓解肠道炎症的研究

GOS是最安全的低聚糖，是一种天然的功能性食品添加剂[38]。2002年，美国食品药品监督管理局把GOS列为国际公认安全的食品添加剂之一[39]。日本、美国和欧洲等地区GOS均已实现商品化。而我国GOS产业起步相对较晚，直到2007年，中华人民共和国原卫生部第12号公告首次批准GOS为食品添加剂新品种，使用范围为婴儿配方食品、较大婴儿和幼儿配方食品，总量不超过64.5 g/kg[40]。2008年第20号公告批准GOS为新资源食品，使用范围扩增至乳制品、饮料、焙烤食品及糖果，食用量≤15 g/d[41]。

2.1 GOS理化性质

GOS是以乳糖为原料、经β-半乳糖苷酶作用，由2～9 个半乳糖基与1 个末端葡萄糖通过β-1,3、β-1,4、β-1,6糖苷键连接形成的直链或支链低聚糖[6-9]。GOS具有良好的水溶性，甜度为蔗糖的0.3～0.6 倍，耐酸耐热，在pH 3、160 ℃条件下保持15 min不会发生变性[42]。研究表明，不同来源的β-半乳糖苷酶直接影响GOS聚合程度、糖苷键类型和GOS产率，而聚合程度和糖苷键类型的变化决定了GOS的结构、活性行为及益生特性[43-46]。β-1,6和β-1,3糖苷键连接的GOS表现出较强的益生特性，可能是因为乳糖水解和转糖基平衡反应得到的GOS更容易被益生菌本身代谢[47-49]。

2.2 GOS对肠道炎症的潜在影响及缓解机制

GOS作为一种重要益生元，具有多种生理功能，包括：1）维持肠道菌群平衡，改善肠道环境；2）改善矿物质元素（钙和镁）的吸收[50]、防止骨质减少[51]； 3）调节血清胆固醇含量，改善脂质代谢[52]；4）预防龋齿；5）刺激增强免疫应答[53-55]、抗肿瘤；6）抑制阿尔茨海默病模型小鼠脑内Toll样受体2表达，降低反应性星形胶质细胞和小胶质细胞M1型活化，减少NF-κB p65蛋白活化和促炎因子表达，从而减轻神经炎症反应，发挥抗衰老[56]等生理功能。肠道菌群与宿主之间存在广泛的相互作用，其在维持肠道稳态中发挥重要作用[57]。GOS能够有效改善肠道炎症功能损伤，这是由于人体胃肠道内缺乏水解GOS的酶系统，GOS不会被消化降解而到达结肠，能够选择性刺激肠道内益生菌的生长和繁殖[58]，抑制有害微生物生长和腐败物产生，维持肠道菌群平衡。所以口服益生元可能比口服活性益生菌更有效[59]。

早产儿由于胃肠功能不成熟、抗生素应用及缺乏母乳喂养等原因，肠道菌群定植延迟，多样性显著降低，影响了肠道及全身免疫系统的成熟，严重时出现坏死性小肠结肠炎[60]。GOS可以通过调节肠道菌群结构和比例，修复肠道屏障功能，缓解肠道炎症。在婴幼儿配方乳粉中添加GOS后，婴儿粪便中双歧杆菌与乳酸杆菌的数量及乙酸含量明显增加[61]，进而促进婴幼儿免疫系统的发育。GOS能够早期干预早产新生大鼠肠道菌群，提高双歧杆菌数量，减少肠球菌数量[62]。GOS早期干预可改善哺乳仔猪回肠肠道形态结构，提高对碳水化合物的消化与吸收能力，促进回肠肠道发育，调节回肠肠道菌群组成，并在一定程度上提高回肠肠道屏障功能[63-64]。使用GOS能有效缓解阿莫西林治疗期间导致的双歧杆菌丰度降低，且在停药后有利于肠道微生物群代谢活性的恢复[65]。GOS还可以通过促进TJ蛋白的表达，保障肠道屏障完整性，缓解肠道炎症。GOS不仅能够通过维持肠道菌群平衡来增强细胞对细菌或病毒的抵御功能，还能够通过诱导肠道上皮细胞分化，修复细胞创面，进而调节上皮屏障功能[66]。GOS通过促进TJ蛋白的表达，减轻脱氧雪腐镰刀菌醇对B6C3F1小鼠绒毛结构和肠道屏障功能的损伤[67]。补充GOS能有效改善重症急性胰腺炎继发性感染后的肠屏障功能障碍[68]。GOS分解产生的短链脂肪酸不仅可以通过降低肠道pH值抑制外源性致病菌和肠道内固有真菌等的生长繁殖，改善肠道内微生物的种群比例[69]，还可以通过调节NF-κB和AMPK信号通路，使肠道内免疫球蛋白A和免疫球蛋白M数量显著提高，进而预防乳鼠轮状病毒腹泻[70]，还可以激发T细胞表面的短链脂肪酸受体43活性，从而抑制结肠肿瘤细胞的增殖和炎症反应[71]。口服含有10 g/100 mL GOS制剂的饮用水能够增加抗炎菌群数量，减少促炎菌群数量，进而潜在预防直肠癌的发生发展[72]。

3 结 语

国内外学者越来越重视功能性低聚糖类益生元对肠道菌群调节机制的研究。GOS具有多种生理功能，包括调节免疫应答、抗病毒、促进肠道内有益菌增殖以及抑制肠杆菌、肠球菌和产气荚膜梭菌等的增殖。GOS对肠组织乃至整个机体的物质代谢和免疫稳定发挥着重要作用。

相比常规药物，益生元与益生菌缓解炎症具有高效、副作用小等优势，在肠道炎症发生发展中的作用备受关注，已成为缓解肠道炎症的研究热点。双歧杆菌BCM、嗜酸乳杆菌LCM和植物乳杆菌ZLP001能够调节肠道内Occludin、Claudin和ZO-1的表达，改善肠道屏障功能完整性，缓解肠道炎症[73-74]。副干酪乳杆菌06TCa19和乳酸链球菌ML2018能够激活p38 MAPK信号通路，抑制IL-8表达，改善肠道炎症[75-76]。罗伊氏乳杆菌I5007可能通过增加结肠内容物中丁酸的含量，进而刺激猪肠上皮细胞先天性免疫防御肽表达，缓解仔猪肠道炎症[77]。

目前对GOS调节肠道菌群、缓解肠道屏障损伤的作用机制研究仍然较少，因此，未来以GOS影响肠道菌群为切入点，进一步研究GOS缓解肠道炎症的可能作用途径及机制，有助于深入了解GOS益生价值，为预防各种肠道炎症疾病提供新的策略。