一文读懂:不同饮食模式和营养素如何影响肠道菌群
Miguel A. Valdovinos-Díaz 2021-08-27
不同的饮食模式会对肠道菌群带来什么影响?不同的营养素又会带来什么改变呢?

编者按:

饮食与肠道微生物之间存在密切的关系,不同的饮食模式会塑造不同的肠道微生物组。那么不同的饮食模式会对肠道微生物组产生什么影响呢?不同的营养素又会为肠道微生物带来什么改变呢?

今天,我们共同关注饮食与肠道微生物组。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

     
饮食与肠道微生物

饮食是决定人类肠道微生物组组成的关键因素。短期和长期的饮食变化都会影响肠道微生物组的生态。

短期内,丰富的动物蛋白质和动物脂肪摄入,会导致纤维、麸质或者是可发酵的低聚糖、二糖、单糖和多元醇(即 FODMAPs)摄入量减少,从而影响微生物组中有益物种的多样性和相对丰度。

肠型(enterotypes)与长期的饮食习惯有关。拟杆菌属为主的肠型与饮食中高动物蛋白和饱和脂肪的摄入有关,在西方人中居多;普雷沃氏菌属为主的肠型与大量摄入碳水化合物和蔬菜纤维有关,在农业社会和素食者中居多;瘤胃球菌属为主的肠型与长期食用水果和蔬菜有关。

尽管影响肠型的因素仍在讨论中,但成人的一生中约有 30%~40%的微生物会发生变化,饮食是导致上述变化的最重要因素之一。

母乳喂养被认为是婴幼儿完美的营养来源。在母乳喂养期间,婴儿的胃肠道被放线菌门(如短双歧杆菌、长双歧杆菌、齿双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、假小链双歧杆菌)和厚壁菌门(如乳酸杆菌、肠球菌和梭状芽孢杆菌)所定植。到了 2 至 3 岁,宝宝就会建立起类似成人的微生物组,而最终的成人微生物组组成将主要取决于婴儿时期、青春期和成年期的食物摄入类型。



     
宏量营养素和微生物组

高碳水化合物饮食有利于毛螺菌科、瘤胃球菌科、拟杆菌属、双歧杆菌属和梭状芽孢杆菌属类群 XVIII,以及一些肠杆菌科菌种的生长。

食用膳食纤维——即肠道菌可利用的碳水化合物(MACs),会增加肠道微生物组的多样性和丰富度,以及提高普雷沃氏菌属和拟杆菌属的比率。它还会显著增加几种可以产生短链脂肪酸(SCFA)的菌的丰度,包括毛螺菌属、阿克曼氏菌属、双歧杆菌属、乳酸杆菌属、瘤胃球菌属、罗斯氏菌属、梭状芽胞杆菌属、Faecalbacterium 菌属和多尔氏菌属。

高动物脂肪的摄入会增加耐胆汁微生物的丰度,如别样杆菌属、嗜胆菌属和拟杆菌属,并减少厚壁菌门的丰度,如罗斯氏菌属、直肠真杆菌和代谢植物多糖的布氏瘤胃球菌。

高蛋白的摄入会增加罗斯氏菌属、直肠真杆菌、普氏栖粪杆菌、乳酸杆菌属和拟杆菌属的丰度。

饮食中的宏量营养素也可以影响其他微生物,如古菌、真菌和噬菌体。碳水化合物的消耗与大量的甲烷短杆菌有关,这是一种通过代谢氢来产生甲烷和短链脂肪酸的古菌。饮食还会对真菌产生影响,这与炎症性肠病(IBD)的发病机制有关。

     
饮食和微生物代谢物

饮食会影响肠道微生物组的组成,但它们对肠道代谢组的影响更重要。

膳食纤维被肠道微生物代谢产生短链脂肪酸:乙酸、丙酸和丁酸,这些短链脂肪酸可以调节免疫功能以及肠道激素的产生,并维持肠道屏障功能、脂肪生成、血脑屏障完整性和脑功能的稳定。

蛋白质和氨基酸在肠道微生物脱氨作用下,会变为短链脂肪酸、支链氨基酸(异丁酸、异戊酸和 2-甲基丁酸)、苯酚化合物(苯丙酸、苯乙酸、对甲酚、吲哚丙酸和吲哚乙酸)、胺、硫化物和氨,这些产物对宿主有益,但也会产生其他与疾病有关的产物。

红肉中的蛋白质是 L-肉碱的来源之一,其被细菌分解代谢产生三甲胺(TMA)。TMA 进一步被肝脏代谢成三甲胺氧化物(TMAO),而 TMAO 与冠状动脉疾病的风险密切相关,因为它会促进动脉粥样硬化的发展。

富含脂肪的饮食与更少量的短链脂肪酸的产生有关,并增加了到达结肠的胆汁酸,这些胆汁酸被微生物去羟基化后,会生成致癌的次级胆汁酸。

     
食品添加剂对肠道菌群的影响

在过去的几十年里,人类饮食最重要的变化之一是超加工食品的摄入,这些食品中含有天然或合成添加剂,如获准用于食品工业的人工甜味剂(NASs)和乳化剂。

摄入 NAS 可以改变肠道微生物组,并在宿主体内诱发一些由微生物组介导的不良反应,如葡萄糖不耐受和代谢综合征。研究表明,NAS 的摄入会导致拟杆菌属和一些梭状芽孢杆菌属丰度的增加,以及双歧杆菌属和乳酸杆菌属丰度的减少。相比之下,甜菊糖苷(从甜叶菊叶片中提取)与肠道微生物组的显著变化没有关联。不过,NAS 对肠道微生物组和能量代谢的影响还有待进一步研究。

羧甲基纤维素、聚山梨醇酯 80、卵磷脂和单双甘油脂肪酸酯是最常用的食品乳化剂。在流行病学研究中,这些乳化剂摄入量的增加与心血管疾病、代谢紊乱以及克罗恩病有关。乳化剂对肠道微生物组、粘膜屏障和炎症相关通路都有影响,并且在动物模型中发现,其会诱导疾病发生,但目前没有证据表明乳化剂与人类疾病有直接联系。

     
不同饮食模式对肠道菌群的影响

当前有多种流行的饮食模式,如地中海饮食、生酮饮食、素食、纯素食、无麸质饮食、低 FODMAP 饮食和间歇性禁食等,人们采用这些饮食来维持健康或达到某些治疗目的。研究人员已经评估了其中一些饮食模式对肠道微生物组的调节能力。

不过这些研究具有一些局限性,改变某一种特定营养物质的同时总是会改变其他微量营养素的摄入量。此外,很多饮食方面的证据都是从动物实验中获得的。

(1)地中海饮食

地中海饮食主要是水果、蔬菜、豆类、不饱和脂肪、鱼、橄榄油和葡萄酒,同时还有少量的肉类。几项流行病学研究表明,地中海饮食可以降低全因死亡和多种慢性疾病的风险。坚持这一良好的饮食习惯,可以降低厚壁菌门与拟杆菌门的比率,并提高粪便中短链脂肪酸的含量。

(2)生酮饮食

生酮饮食是一种低碳水化合物饮食(碳水化合物仅占摄入总热量的 5%~10%),这种饮食模式可以增加酮体的产生。它最初是被用于控制儿童难治性癫痫的病情,但最近几年,这种饮食模式开始被用于减肥,以及治疗其他神经系统疾病。

人体研究表明,这种饮食模式可能对肠道微生物组有负面影响,会导致其整体的丰富度下降。对于癫痫患儿来说,生酮饮食会使其双歧杆菌属、直肠真杆菌和小杆菌属的相对丰度减少,放线菌门和大肠杆菌的相对丰度增加。

(3)素食/纯素食

富含植物的饮食可以使人更健康,并且降低患病风险。比较杂食饮食与素食饮食的研究表明,坚持这两种饮食的人在肠道微生物组的多样性和丰富度上略有差异,在属和种水平上的差异更为明显。与杂食者相比,素食者肠道中某些拟杆菌门的丰度更高,特别是普雷沃氏菌属。而粪便中短链脂肪酸的水平则与水果、蔬菜和豆类的摄入量呈正相关。

(4)断食疗法/间歇性禁食

对超重成人的临床试验表明,间歇性禁食在不同情况下都是有益的,如肥胖、糖尿病、心血管疾病、癌症和神经系统疾病。人体研究表明,禁食干预增加了普氏栖粪杆菌、嗜黏蛋白阿克曼菌和双歧杆菌属菌种的丰度。但微生物组的生态学变化与间歇性禁食的代谢益处之间的关系尚未得到证实。

(5)无麸质饮食

无麸质饮食(GFD)影响了健康受试者的肠道微生物组。不同的研究表明,无麸质饮食使受试者微生物组中的大肠杆菌、史雷克氏菌属、食物谷菌科、肠杆菌科、梭状芽孢杆菌科、红蝽菌科、某些梭菌目菌种以及毛螺菌科的丰度增加,象牙海岸梭菌、乳酸杆菌属、普氏栖粪杆菌、双歧杆菌的某些种、多尔氏菌属、Blautia luti、Anaerostipes hadrus 、Eubacterium hallii、韦荣氏球菌科、布氏瘤胃球菌和粪便罗斯拜瑞氏菌减少。

部分乳糜泻(CD)患者,尽管采取了 GFD 饮食,但是仍存在胃肠道症状,检测其肠道微生物组发现,变形菌门的丰度增高,拟杆菌门和厚壁菌门的丰度降低。而在非活跃期的患者的肠道微生物组中,双歧杆菌属的丰度降低。50%的 CD 患者的假单胞菌属菌种丰度会增加。

而在采用了 GFD 的非乳糜泻麸质/小麦敏感(NCG/WS)患者的粪便微生物组中,拟杆菌科、罗斯氏菌属、普氏栖粪杆菌和假单胞菌属的丰度增加,毛螺旋菌科、拟杆菌属、布劳特氏菌属、多尔氏菌属、粪球菌属、柯林斯菌属的丰度降低。

这些结果表明,健康受试者采用 GFD 能降低肠道微生物组的细菌丰富度,而且对其微生物组组成的影响与 CD 或 NCG/WS 患者不同。对于健康的受试者来说,GFD 会导致其微生物组中有益物种(如双歧杆菌属)减少,并有利于条件致病菌的生长,如肠杆菌科细菌和大肠杆菌。相比之下,对于 CD 或 NCG/WS 患者来说,GDF 可以恢复其肠道微生物组,减少促炎性菌种,改善胃肠道症状。

(6)低FODMAP饮食

FODMAP 会诱发肠易激综合征(IBS)患者的腹部症状。FODMAP 引起肠易激综合征症状的机制包括:由于渗透作用导致小肠中的水分增加,以及细菌发酵引起的结肠中的气体增多。低 FODMAP 饮食可以缓解 50%~80%的肠易激综合征患者的症状,特别是在腹胀、胀气、腹泻和整体症状方面具有显著的改善效果。

FODMAP 碳水化合物包括低聚果糖(FOSs)、低聚半乳糖(GOSs)、低聚木糖(XOSs)、多元醇和果糖,它们具有益生元作用,可以刺激有益健康的细菌的生长,如双歧杆菌属、嗜黏蛋白阿克曼菌和普氏栖粪杆菌。

因此,采取低 FODMAP 饮食可能会对肠道微生物组生态产生负面影响。大多数研究表明,低 FODMAP 饮食不会改变微生物组的丰富度和多样性。在大部分研究中,采用低 FODMAP 饮食会造成放线菌门和双歧杆菌属的相对丰度降低。此外,低 FODMAP 饮食降低了厚壁菌门特别是丁酸盐产生菌(尤其是普氏栖粪杆菌)的丰度,增加了嗜胆菌属的相对丰度。不过,这些变化可以通过补充 FOS、GOS 和菊粉来逆转。

(7)精准营养

精准营养的目的是确定个体微生物组的关键特征,以预测个体对特定食物成分的反应,从而设计出对身体有益的饮食。有证据表明,特定种类的肠道微生物可以用来预测人们对特定饮食反应。

食用以大麦为基础的面包后,表现出葡萄糖代谢改善的受试者,其肠道微生物组中往往含有更丰富的普雷沃氏菌。肠道中具有一定丰度的嗜黏蛋白阿克曼菌的超重和肥胖成年人,在采取低卡路里饮食之后,他们的胰岛素敏感性和脂质代谢往往会有显著改善,身体脂肪也会显著减少。在肠易激综合征患儿中,那些对低 FODMAP 饮食有反应的人的微生物组中,拟杆菌科、韦荣球菌科和梭菌目的比例相对较高。

通过将基线微生物组特征与其他个体特征相结合,目前已有更精确的方法被开发出来用以预测对饮食的反应。在一项针对超重或肥胖的非糖尿病患者的研究中,通过采集肠道微生物组、饮食习惯、人体测量学和血液等参数,并利用机器学习方法,预测了受试者对相同食物的餐后血糖反应上的差异。这些发现表明,精准营养对于实现不同个体的特定饮食的影响结果预测是必要的。

     
结论

饮食显著地改变了肠道微生物组的生态,而这反过来又对健康和疾病产生了深远的影响。关于不同饮食模式和食品添加剂对肠道微生物组和代谢组的影响的研究,已经取得了重要的进展。毫无疑问,饮食可能是调节肠道微生物组最有力的工具,但仍然需要更深入地了解饮食-宿主-微生物组之间复杂的相互作用。精准营养已经开始被用于临床实践,以预测对特定饮食的反应和治疗的结果。

参考文献:

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原文来源:WGO Handbook on gut microbiome:A global perspective

作者|Miguel A. Valdovinos-Díaz

编译|Koko

审校|617

编辑|咲

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