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本文由墨玉曼巴编译，董小橙、江舜尧编辑。 原创微文，欢迎转载。 导读 现代医学之父希波克拉底曾经说过：“让食物成为你的药物，而不要让药物成为你的食物。”食物不仅是人类维持生长、繁殖和健康的必要条件，还可以调节和支持共生微生物群落在消化道内定植。食物的类型、质量和来源塑造我们的肠道微生物并影响它们的组成和功能进而影响宿主和微生物的相互作用。本篇综述我们着重介绍膳食纤维，它可以与肠道微生物直接作用并导致产生关键的代谢物，如短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA），并讨论膳食纤维如何影响肠道微生态和宿主的生理健康进而阐明如何利用饮食来调节肠道微生物健康。 论文ID 原名：The Impact of Dietary Fiber on Gut Microbiota in Host Health and Disease 译名：膳食纤维对宿主健康和疾病肠道菌群的影响 期刊：CELL HOST & MICROBE IF：17.872 发表时间：2018.05 通信作者：Fredrik Backhed 通信作者单位：：瑞典哥德堡大学医学研究所分子与临床医学系 综述内容 1. 膳食纤维:定义、分类和来源 在过去的几十年里，膳食纤维的定义一直是一个有争议的问题。大多数国家接受2009年食品法典委员会的定义，即膳食纤维为由3种或3种以上可食用碳水化合物单体形成的具有抗内源性消化酶的聚合物，既不会水解也不会被小肠吸收。 膳食纤维可以从不同的角度进行分类，包括食物来源、化学结构、水溶解度、粘度和发酵能力。膳食纤维又细分为的多糖（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纤维来源于不同的食物，抗性淀粉只能在含有淀粉谷类、豆类、块茎和不成熟的水果等食物中发现；果胶在水果和一些蔬菜中含量较高，而β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖主要存在于谷类中。这些多聚糖和低聚糖广泛在商业中应用。 2. 膳食纤维对肠道微生物生态的影响 饮食习惯对于肠道微生物群落的组分、多样性和丰富度有很大影响。不同的饮食习惯会塑造不同的肠道微生物群落。长期饮食模式，特别是蛋白质和动物脂肪的摄入可以增加拟杆菌的丰度，碳水化合物或植物性食物可以增加普氏菌的丰度，这2种菌与肠型有关。工业化和非工业化的人也观察到普雷沃特氏菌/拟杆菌比率的差异，表明这些细菌种群受长期饮食差异的驱动，如在西方饮食中的肉类可以驱动拟杆菌和非西方化饮食中的膳食纤维可以驱动普氏菌。 除了如上所述长期饮食对肠道微生物群落的影响，肠道微生物群落还会做出短期的反应。大量营养成分发生显著变化会在24小时内引起对肠道微生物种群的应答。特别是，当人类主要以植物蔬菜为食时，具有降解纤维物质能力的菌群大量增加。最近一个队列研究表明碳水化合物包括纤维物质减少到每天吸收30克后的24小时，观察到了微生物群落快速的重组。碳水化合物的减少将会导致具有纤维降解能力的微生物动态变化，而乳球菌属、链球菌属和Eggerrthella属的丰度增加，最终导致SCFAs水平降低。 3. 纤维形成了细菌的食物网 膳食纤维通过为微生物的生长提供底物来改变肠道的微生物环境，能利用膳食纤维的微生物会扩大他们自身的数量，肠道微生物拥有130种糖苷水解酶，22种多糖裂合酶，16种碳水化合物脂酶家族，根据纤维物质的可利用性为微生物的动态变化提供不同的能量来源。 膳食纤维对微生物的组成的影响有几个显著特征。第一，不易消化的碳水化合物，无论是益生元与否，都只能改变几个有限的微生物种类。第二，纤维的改变导致微生物种群的改变范围是很大的。第三，微生物对于膳食纤维的改变是高度个性化的。 4. 微生物代谢膳食纤维及其功能影响 膳食纤维是盲肠和结肠中微生物的重要能量来源。在特定的肠道环境下，厌氧细菌激活其一系列产物，如关键酶和代谢途径，进而代谢复杂的碳水化合物，产生代谢产物如SCFAs。SCFAs是以乙酸、丙酸和丁酸为主要成分的有机酸。SCFAs的主要作用是调控宿主的新陈代谢、免疫系统和细胞增殖。SCFAs主要在盲肠和盲肠附近发现，但他们也可以通过血液转运到外周循环中，通过门静脉作用于肝脏及其他外周组织，虽然SCFAs在外周循环中的含量很低，但是它们可以作为信号分子调节机体生物学过程。 膳食纤维摄入的减少，不仅会导致微生物多样性和SCFAs的减少，还会导致肠道微生物群落新陈代谢趋向于利用一些不经常利用的底物，会对宿主不利。为人提供高蛋白和低碳水化合物的饮食会导致总的SCFAs和丁酸的减少，并且还会产生有害代谢物。这些代谢产物的细胞毒性和促炎性会引起一些肠道疾病的发生。考虑到糖酵解和蛋白水解，高纤维饮食会抑制蛋白质发酵，减少食用肉类和脂肪带来的有害影响。 5. 膳食纤维和SCFAs对宿主的影响 5.1 对粘液产生和肠道内氧含量的影响 肠上皮细胞覆盖了一层黏液层，从而与微生物分离。机体防御微生物的入侵和感染的主要机制之一就是维持黏液层的结构良好和完整。肠道微生物和饮食习惯是维持黏液层正常的重要因素。低纤维饮食会引起肠道微生物群落的变化，导致粘液层的严重恶化从而导致慢性炎症性疾病的发生（图1）。膳食纤维和SCFAs会刺激粘液的产生和分泌。乙酸和丁酸会维持粘液产生和分泌的平衡。长期缺乏膳食纤维会损害粘液屏障并且增加与黏蛋白降解有关微生物的丰度。最近的一个研究表明，结肠中丁酸的β-氧化会消耗大量的氧气，最终形成肠道内一个厌氧环境。由于产生丁酸的细菌对氧十分敏感，丁酸的氧化会使这部分细菌大量减少。 图1 低纤维和高纤维饮食对宿主肠道微生物群落组成、多样性和功能的影响 5.2 对免疫系统的影响 健康的肠道微生物群落有助于免疫系统的成熟和发展。SCFAs在调节和维持固有免疫系统中具有重要作用，SCFAs可以通过GPR43依赖的方式以及诱导组蛋白H3乙酰化的方式促进结肠调节性T细胞（Tregs）的生成。SCFAs在调节和维持先天性和适应性免疫的正常功能中起到重要的作用。 5.3 纤维摄入对全身的有益作用 5.3.1 以炎症性肠病为例 在西方国家，炎症性肠病（IBD）的发病率正在上升。西化的饮食和肠道细菌多样性的降低，特别是产丁酸细菌的减少会增加IBD的患病率。此外，低纤维摄入量与克罗恩病发病率的增加有关。纤维的预防作用可能是由于结肠中SCFAs水平升高，尤其是丁酸，丁酸可以通过GPR43发挥抗炎的功能。 5.3.2 以慢性阻塞性肺病和哮喘为例 膳食纤维的吸收和SCFAs对肺部生理机能也有一定的影响。哮喘病人会消耗更多的脂肪和更少的纤维物质。一项前瞻性研究显示谷物纤维摄入量和患慢性阻塞性肺病（COPD）的风险呈反比。在小鼠中，延长低纤维喂食，会加重气管疾病，而喂食丙酸后这种情况会有所缓解。 5.3.3 以肥胖和糖尿病为例 在很多国家，肥胖是一种流行性疾病，它受很多因素影响。高纤维的吸收和增加肠道微生物群落多样性与更低的体重增加有关。近期一个研究，超重和肥胖人群食用富含低聚果糖的菊粉16周后，可使他们的脂肪减少。以上研究表明，增加可酵解的纤维对于肥胖人群很有用。 肥胖与2型糖尿病（T2D）息息相关，与肥胖不同，T2D与降解纤维菌群丰度的降低有关。因此，高葡萄糖指数饮食（可消化淀粉高和纤维含量低）会增加患糖尿病的风险。服用可溶性纤维，如低果糖和长链菊粉，可以改善肠道失调、减少体重增加和提高葡萄糖代谢，这些转变至少归因于下降的肠道通透性和内毒素。 6. 膳食纤维的非SCFAs效应 前文主要集中在纤维发酵产生的SCFAs，但是微生物代谢纤维物质也会产生一些其他的影响。阿魏酸（FA）是一种在植物细胞壁中发现的酚类化合物。微生物代谢膳食纤维，例如谷物麸皮，可以产生FA。在消化道内，FA可以调节肠道生理机能或转运至血液进而影响机体健康。 膳食纤维也会结合大量的微量元素包括铜离子、钙离子和锌离子并将他们转运到肠道末端。膳食纤维可以通过向细菌和肠道末端提供微量营养素来参与保持健康的肠道生态。 膳食纤维也可以作为一种平台将生物分子和细菌结合的非常紧密。例如，小肠中的共轭胆汁酸在被拟杆菌和乳酸菌去结合前，可以与纤维结合。胆盐去结合是进一步被低丰度细菌，如梭状芽胞杆菌，生物转化为次生胆汁酸的先决条件。因此，我们认为胆汁酸和特异性细菌结合到同样的纤维上可以解释为什么低丰度的细菌可以作为高效的生物分子转变器从而提高次级胆汁酸的产量。次级胆汁酸，如脱氧胆酸，有很多重要的生理作用、与2种结直肠癌（CRC）都呈现正相关并且可以改善代谢（图2）。 图2 膳食纤维在结肠中的非短链脂肪酸作用 7. 膳食纤维的定量和个性化 膳食纤维在保护和缓解人类肠道炎症性疾病的研究已经持续了很多年。最近一项研究表明，人体每天摄入膳食纤维50克以上有益于健康。然而，从常规食物中摄入足够的膳食纤维还是有一定挑战的，可以通过提供含有膳食纤维的食物来解决这一问题。现代人类对膳食纤维的耐受剂量是一个普遍问题，膳食纤维摄入过量会导致胃胀气、胃痛、腹泻和便秘等。需要指出的是，每个人对纤维物质的耐受程度不同，而且随着时间的推移，胃肠道和肠道微生物对纤维物质的适应能力都会有所提升。未来，可以根据个人情况摄入特定的纤维类型来降低副作用。 结语 总之，膳食纤维是一种维持肠道生态健康，特别是调节营养元素和宿主的生理健康的重要化合物。为第二代益生元和补充缺失的重要肠道微生物筛选新型纤维物质，将成为影响人类肠道微生物相关疾病的下一项重要挑战。最后，更好的理解饮食和微生物之间的相互作用，将有助于个性化营养学的发展和有效的降低更多肠道炎症疾病。
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