《科学》杂志说：饮食如何影响人体健康？肠道菌群是关键（一）
在2018年末，《Science》杂志出了一期特刊“Diet and health”，包含了4篇重量级综述，主要是关于优化人体代谢方面的知识。我会在后面的公众号文章中与大家一起分享，尽自己最大努力保证“原汁原味”。
在前面一篇的公众号文章中，给大家介绍了科学“断食”可以延年益寿（相关阅读：《科学》杂志说：科学断食可以健康长寿），今天给大家带来的是“肠道菌群是饮食和人体健康的交叉点”（文章直通车：http://science.sciencemag.org/content/362/6416/776）。将分两篇公众号文章给大家分别介绍，先和大家一起分享的是“Nutrients（营养）”章节,每一个小章节后面会有相应的“解读”。
话不多说，直接开始吧！
菌群可用碳水化合物
主要营养素和微量营养素都被证实可以修饰肠道微生物群，而在在众多的营养素中，膳食碳水化合物（CHO）的作用最为显著。“菌群可用碳水化合物”（microbiota-accessible carbohydrate，MAC）一词，用来描述肠道微生物代谢可用的CHO。
MACs是一组有许多种类的寡糖和多糖，它们的一个特定亚单位被称为益生元。益生元是一类低聚糖，能够选择性地促进双歧杆菌和乳酸菌的生长。这些典型的益生元，主要是不同链长的果糖和半乳糖，已经被证明可以改变人体肠道微生物群的成员，调节炎症和代谢综合征的标志物。
一些证据表明，饮食中MACs的改变对微生物群组成和功能有重要影响。与工业化社会相比，农业社会和游牧狩猎-采集社会中MACs水平较高，微生物的丰度和多样性更明显。而低MACs饮食会使许多菌群类群出现下降，在后代中多样性的丧失更为复杂，并且再次使用MACs后仍无法恢复。
在所有的细菌类群中，MACs摄入量较低导致的细菌丰度降低并不是一致的，因为某些通常利用膳食糖蛋白的细菌种类也可以利用肠道黏液层的糖蛋白作为替代能源。这些种类的细菌对黏液层的糖蛋白过度摄取可能是MACs摄入量过低的一个重要后果，长期的这种黏液层觅食已经被证明会破坏屏障的完整性，增强炎症和病原体敏感性。
图1：MAC发酵剂产生的SCFAs可以与宿主组织进行多种相互作用
MACs摄入不足的另一个后果是短链脂肪酸（SCFA）产量的减少（图1）。SCFAs是细菌发酵的主要终产物，是人类与其细菌之间互利共生的一个极好的例子。MACs为肠道细菌提供了一种重要的能量来源，随后产生的SCFAs对人体有益。
SCFAs不仅可以提供能量，也是一种具有生理效应的强力调控分子。SCFAs信号通过中枢神经系统和数个G蛋白偶联受体（GPCRs）来调节一系列生理过程，包括能量稳态、脂质和碳水化合物代谢以及炎症信号的抑制。
解读：肠道菌群受到我们摄入食物的影响，膳食碳水化合物（CHO）的作用最为显著，但并不是所有CHO肠道菌群可以利用，“菌群可用碳水化合物（MAC）”就是肠道菌群可以利用的CHO。提高MACs的摄入可以维持肠道黏液层屏障的完整性，减轻肠道炎症和减弱病原体的入侵；同时，MACs的代谢产物短链脂肪酸（SCFA）对人体健康有益，能调节一系列生理过程，包括能量稳态、脂质和碳水化合物代谢以及炎症信号的抑制。
膳食脂肪
膳食脂肪的增加也会大大改变微生物群的组成。
最典型的就是无菌小鼠不受高脂肪饮食的代谢后果影响，这表明肠道菌群可能是脂质诱导代谢功能障碍的重要介质。有研究发现肠道菌群对脂肪负荷非常敏感，对脂质消化和吸收至关重要。
与碳水化合物一样，脂质介导的微生物群效应取决于脂质的类型和来源。例如，与喂食高鱼油的小鼠相比，喂食富含源自肉类产品的长链饱和脂肪的等热量食物的小鼠显示出更强的胰岛素抵抗和脂肪组织炎症。这些代谢紊乱的小鼠（喂养饱和脂肪的小鼠）移植来自喂食鱼油的小鼠体内的微生物群后，炎症基本消失。
高脂肪摄入后的肠道微生物介导的代谢后果机制之一是通过脂多糖（LPS）的易位实现的，LPS是革兰氏阴性菌的细胞壁成分。据研究报道，高脂饮食后，人体内循环的LPS含量会增加，而肥胖人群这种效应会加剧。一旦进入循环，LPS通过toll样4受体信号引起一种强有力的炎症反应，这与心血管疾病和代谢疾病的发展有关。
初级胆汁酸是由胆固醇在肝脏中产生的，并促进膳食脂质的消化。一旦生成，初级胆汁酸被分泌到小肠中，在小肠中它们促进脂质的溶解和吸收。微生物对初级胆汁酸的改变包括共轭氨基酸水解、脱羟基作用、不同位置的羟基氧化和异构化（图2）。
图2：肠道细菌在胆汁酸修饰中起着重要作用
无菌小鼠胆汁酸的丰度较常规小鼠增加、多样性降低，在结直肠癌病例中观察到特殊的次级胆汁酸的富集。肠道菌群有助于调节胆汁酸的组成、丰度和信号传导，这种调节不仅是对脂质消化和吸收，而且对代谢疾病的发生和预防具有重要意义。
解读：肠道菌群是脂质诱导代谢功能障碍的重要介质，对脂质的消化和吸收至关重要。与碳水化合物一样，脂质介导的微生物群效应取决于脂质的类型和来源。我们需要更多的摄入“优质”脂肪（如鱼油），减少源自肉类产品的长链饱和脂肪。高脂肪摄入后的肠道菌群介导的代谢后果机制之一是通过脂多糖（LPS）的易位实现的， LPS一旦进入循环，会通过toll样4受体信号引起一种强有力的炎症反应，这与心血管疾病和代谢疾病的发展有关。
膳食蛋白质
膳食蛋白可以调节微生物组成和代谢产物的生成，氨基酸提供肠道菌群必需的碳和氮。氨基酸分解代谢产生大量影响宿主生理过程的代谢物（图3）。
图3：氨基酸与肠道微生物的相互作用
氨基酸分解代谢的附加代谢物包括支链脂肪酸、吲哚类、酚类、氨类、胺类等，均可影响人体健康。例如，苯酚、吲哚和胺可以与一氧化氮结合形成具有基因毒性的N-亚硝基化合物，这种化合物与人类胃肠道癌症有关。相比之下，色氨酸的微生物代谢物吲哚丙酸可以维持肠道内的稳态，防止实验性结肠炎。
膳食蛋白质的来源也决定了依赖微生物的代谢产物的性质。从氨基酸L-肉碱中产生的化合物三甲胺氧化物（TMAO）可能是最好的例子，这种物质在动物蛋白中含量丰富，但在植物蛋白中含量不高。TMAO可预测不同人群的心血管事件，并与脂肪肝的发展有关。
解读：膳食蛋白可以调节肠道菌群的组成，并影响其代谢产物的生成。同碳水化合物和脂肪一样，膳食蛋白质的来源也决定了依赖菌群的代谢产物性质。最好的例子就是三甲胺氧化物（TMAO），这种物质在动物蛋白中含量丰富，但在植物蛋白中含量不高。TMAO可预测不同人群的心血管事件，并与脂肪肝的发展有关。血液中TMAO的升高可导致心脑血管疾病发生的风险增加。（相关阅读：关注TMAO-心血管疾病预测的风险因子）
微量营养素
肠道微菌群调节各种微量营养素的合成和代谢。以B族维生素为例，100多种细菌都能合成B族维生素，细菌通过相互合作交换B族维生素来保证生存。维生素和微生物群之间的关系似乎是双向的，因为宿主提供的几种维生素塑造了微生物群组成，并在细菌中提供关键功能。
例如，核黄素调节细菌细胞外电子转移和氧化还原状态，维生素D及其受体在一定程度上通过塑造微生物生态系统来帮助调节肠道炎症。
和维生素一样，金属也是许多哺乳动物和细菌生理过程中所必需的辅助因子，可以显著地改变微生物群。锌缺乏症可能是发展中国家儿童致命腹泻的一个重要危险因素，它会增加致病菌的数量。
高盐摄入量与心血管疾病的发生密切相关。最近的研究数据表明，在实验动物和人类中，高盐饮食的高血压效应是通过降低乳酸菌水平和随后增加的促炎性17+T辅助细胞来实现的。
解读：肠道微菌群调节各种微量营养素的合成和代谢。维生素和菌群之间的关系是双向的，宿主提供的维生素塑造了菌群的组成，并在细菌中提供关键功能，反过来，菌群影响维生素的吸收和功能。在这里，必须提到高盐摄入与心血管疾病的发生密切相关，尤其我们湖南地区喜欢辛辣食品，盐严重超标（相关阅读：震惊：湖南地区盐摄入均值8.5g/天，减盐，刻不容缓），减盐迫在眉睫。
食品添加剂
食品添加剂对肠道菌群和肠道内稳态的影响是另一个有待研究的领域，对人类健康可能有潜在的影响。尽管对健康的影响通常归因于主要营养素的构成，但一些研究表明，有害影响可能是由食品添加剂造成的。
例如，给小鼠喂食两种膳食乳化剂聚山梨酯-80和羧甲基纤维素，会导致肥胖、肠道炎症和代谢功能障碍。由于无菌小鼠不受有害后果的影响，这些作用不仅需要肠道菌群参与而且需要足够多的肠道菌群，而移植乳化剂处理过小鼠的肠道菌群可以再现代谢紊乱。
这些乳化剂广泛存在于食品中（如低脂产品、冰淇淋、葡萄酒和腌菜），在上述研究中使用的剂量与人类摄入的剂量相当，这些结果尤其引人担忧。
除了乳化剂，非营养性甜味剂（NNS）也与肠道相关的代谢改变有关。在一系列以啮齿动物和人类为研究对象的实验中，NNS的消耗以依赖于微生物的方式产生葡萄糖耐受不良。
解读：食品添加剂会影响肠道内的稳态，对人体健康产生不利的影响。乳化剂广泛存在于食品中（如低脂产品、冰淇淋、葡萄酒和腌菜），可能引起肥胖、肠道炎症和代谢功能障碍。非营养性甜味剂（NNS）也与葡萄糖耐受不良有关，摄入过多会引起糖尿病。
THE END
饮食影响人类健康的多个方面，与肥胖、2型糖尿病和心血管疾病等慢性代谢性疾病有着千丝万缕的联系。膳食营养不仅对人类健康至关重要，而且对人类肠道内数万亿微生物的健康和生存也至关重要。肠道菌群利用摄入的营养物质进行基本的生物过程，这些过程的代谢产物对人类生理产生重要影响。已经有越来越多的证据表明，饮食对人类健康和疾病有着广泛的影响，这些影响的基础就是肠道菌群。
