阿德尔·哈姆迪1、佘诗曼·劳埃德1、拉贾拉曼·埃里1、 Thi Thuhao Van 1、*编辑:Katarzyna Oszajca 1、Janusz Szemraj 1作者信息文章注释版权和许可信息PMCID:PMC12387267 PMID:40868838
抽象的
饮食模式已被确定为多种非传染性疾病最重要的可控风险因素之一,与老年人的健康寿命密切相关。不良的饮食选择可能触发免疫反应,例如加剧炎症反应和氧化应激,从而导致多种衰老特征的病理生理过程。目前正在探索新的饮食干预措施,以恢复肠道菌群平衡并促进老年人群的整体健康。益生菌,尤其是益生菌发酵产物——后生元,已被报道能够调节参与免疫、代谢、炎症和氧化通路的不同信号生物分子。本综述总结了后生元在促进健康老龄化和缓解多种年龄相关疾病方面的循证文献。我们提出,在以个体化肠道菌群为靶点的策略下,开发基于后生元的疗法和饮食干预措施,可能是改善老年人群健康的一个潜在方向。尽管证据日益增多,但关于后生元抗氧化和免疫调节活性的确切机制途径的数据仍未得到充分研究。加深我们对后生元机制和化学决定因素的理解,有助于疾病管理方法的改进,以及生物疗法的开发和优化。
关键词:后生元、衰老、年龄相关疾病、抗氧化剂、肠道菌群、免疫调节、健康老龄化
1. 引言
流行病学证据表明,随着公共卫生、医疗保健和生活方式干预的进步,人们对人类寿命延长的预期日益增强。世界卫生组织(世卫组织)预测,从2015年到2050年,老年人口数量将翻一番[ 1 ]。另一份近期发布的全球报告预测,65岁及以上人口的比例自2022年以来已从10%上升,并将持续增长至2050年的16%[ 2 ]。在澳大利亚,最新报告估计,澳大利亚65岁及以上人口占总人口的16%,预计到2066年将达到23%[ 3 ]。这些流行病学变化与寿命延长、出生率下降和生育率降低密切相关[ 1 ],因此,亟需制定老年健康计划来支持这一人口群体。
寿命(指生命持续时间)和健康寿命(指无病且功能正常的时期)密切相关[ 4 ]。一项报告估计,两者之间存在九年的差距[ 5 ]。随着年龄增长,由于细胞和分子损伤的累积,生理功能逐渐衰退,这一过程被称为衰老[ 4 ]。损伤与修复之间的平衡相互作用,受环境、随机因素和遗传因素的调控,被认为是维持功能、生存和衰老速度的关键[ 6 ]。值得注意的是,衰老的有害影响会增加罹患老年相关疾病的风险,并导致身体和认知功能的进行性下降,通常被称为虚弱[ 7 ]。虚弱通常被定义为个体在暴露于应激源后更容易出现不良后果,尤其是在年龄相仿的个体中[ 8 ]。体弱者生活质量下降,体力耐力降低,慢性病、合并症和残疾的患病率更高,死亡率也更高[ 9 ]。衰老和体弱给家庭带来巨大的挑战,造成情感和经济负担,退休、工作模式改变和医疗保健成本上升也加剧了经济压力[ 10 , 11 , 12 , 13 , 14 ]。据预测,2015年至2035年间,澳大利亚的医疗保健总支出将以年均3.33%的速度增长(从1660亿美元增至3200亿美元)[ 15 ]。因此,推广健康老龄化理念,以遏制医疗保健支出和经济负担预计出现的不可持续增长,变得至关重要。
健康老龄化的概念源于多种老年科学导向的方法,旨在维持和发展老年人的功能能力,从而促进老年人的健康[ 16 ]。包括药物治疗、饮食管理和运动在内的多种多维度老年科学干预措施,已展现出作为促进健康老龄化的非遗传策略的巨大转化潜力[ 17 , 18 ]。目前药物治疗方法的一个例子是使用FDA批准的抗癌药物雷帕霉素,该药物已被证明可以延长健康寿命并减轻与衰老相关的不良免疫反应[ 19 , 20 ]。雷帕霉素通过抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路发挥作用,从而促进自噬和蛋白质合成,进而有助于减少干细胞耗竭、线粒体功能障碍和慢性疾病的进展[ 21 ]。另一种有前景的药物是二甲双胍,它是一种用于治疗II型糖尿病的药物,并且已被证明具有通过延缓与年龄相关的慢性疾病的发生来延长寿命的潜力。这种降血糖药物在秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)中表现出延长寿命的作用,秀丽隐杆线虫是最有效的分子和行为衰老模型系统之一[ 22 , 23 ]。二甲双胍的作用机制与激活腺苷单磷酸活化蛋白激酶(AMPK)和抑制雷帕霉素靶蛋白复合物(TORC1)有关[ 24 ]。研究表明,基于二甲双胍的膳食补充剂可以改善小鼠模型的运动能力、优化胰岛素和血脂谱,并降低氧化和促炎标志物水平,从而促进健康衰老[ 25 ]。尽管雷帕霉素和二甲双胍这两种治疗药物都很有前景,但它们可能引起肠道并发症或代谢紊乱,这可能会限制它们在老年人群中的应用[ 26 , 27 ]。这就需要开展更安全的生物疗法的研究。
饮食模式,例如地中海饮食,被认为是影响年龄相关疾病发生和发展的关键可控因素,对老年人的健康寿命有显著影响[ 28 ]。多种营养丰富的食物,包括水果、蔬菜、全谷物、瘦肉蛋白和健康脂肪,已被报道能够靶向与衰老相关的病理生理学生物标志物,并促进健康老龄化[ 29 , 30 , 31 ]。尽管有令人信服的证据表明这些食物可以通过调节肠道菌群来改善健康,但这些非营养成分的抗衰老潜力仍需进一步探索[ 32 , 33 , 34 ]。
在介绍后生元之前,有必要简要区分几种常用的生物活性物质。益生菌是活的微生物,当摄入足够量时,能为宿主带来健康益处,但它们对环境条件敏感,可能对免疫功能低下的人群构成安全风险[ 35 ]。益生元是选择性发酵的膳食底物,例如菊粉和低聚果糖(FOS),它们能促进有益微生物的生长或活性,但过量摄入可能由于渗透作用而导致胃肠道副作用[ 36 ]。相比之下,后生元由国际益生菌和益生元科学协会(ISAPP)定义为非生命微生物及其成分的制剂,它们能为宿主带来健康益处[ 37 ],并在安全性、稳定性和保质期方面具有优势[ 38 ]。这些生物活性化合物的范围很广,从过氧化氢等小分子到细菌素等大分子(图1)[ 39 ]。它们源于肠道微生物的代谢活动,通过分解被称为益生元的纤维营养物质,直接或间接地影响肠道健康[ 40 , 41 ]。后生元还包括通过体外过程(例如丁达尔灭菌法)产生的细菌裂解物[ 42 , 43 , 44 ],可能含有肽、酶和其他复杂分子[ 41 ]。这些成分通常被称为热灭活益生菌和代谢产物[ 45 ],也可能来源于结肠内的体内发酵副产物,例如支链蛋白残基、酚类物质、短链脂肪酸、硫化氢和吲哚类化合物[ 46 ]。由于后生元对免疫、代谢和炎症的影响,人们对它们的兴趣日益浓厚[ 47 , 48 , 49 , 50 , 51 ]。值得注意的是,后生元和副益生菌的定义在科学界仍存在争议。一些研究者将“后生元”一词限定为纯化的微生物代谢产物[ 45 ],而另一些研究者,包括ISAPP共识,则对后生元的定义更为宽泛,涵盖了灭活的微生物细胞(例如,热灭活的益生菌)及其成分,前提是它们能为宿主带来健康益处。在本综述中,我们采用ISAPP的定义,该定义同时涵盖了无生命的微生物细胞及其生物活性成分[ 52 ]。图1。
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主要后生元及其获取途径。示意图展示了生成后生元的主要方法。这些方法包括细菌裂解、益生菌菌株的热处理/廷德尔化处理,以及益生菌衍生发酵或不可消化纤维和益生元的酶解。所得后生元包含多种生物活性化合物,包括短链脂肪酸 (SCFA)、多糖、维生素、细胞外囊泡以及更复杂的成分,例如蛋白质、酶和细胞壁碎片。
本综述旨在全面概述后生元的类型和主要生物活性成分,以及它们的作用机制和健康促进作用,尤其是在健康老龄化方面。它着重探讨了目前关于后生元作用机制的知识,包括抗氧化活性、免疫调节和维持肠道屏障完整性。此外,本综述还探讨了后生元对肠道菌群组成的影响,评估了其与益生菌相比的优势和局限性,并介绍了目前关于其在应对年龄相关疾病方面潜在作用的证据。
2. 后生元的主要成分
多种类型的后生元已引起科学界和工业界的广泛关注。以下章节将重点介绍关键的后生元成分,着重阐述其作用和已提出的作用机制(图1)。
2.1. 非活性完整细胞
热灭活是生产非活性益生菌最常用的技术,但其他非热灭活方法,例如化学灭活、辐射、磁场/超声处理、高静水压和冷冻干燥等,也已被应用。值得注意的是,最终产品的细胞组成和生物活性谱会因灭活方法的不同而存在显著差异[ 53 ]。例如,戊二醛化学灭活细菌会通过表面蛋白交联导致细胞死亡,从而改变细胞通讯和免疫调节[ 54 ]。而通过破坏细菌细胞壁(例如超声处理)进行灭活,则使得提取的细菌胞内成分在给药后仍能与宿主细胞发生相关的相互作用[ 55 ]。无论采用哪种方法,非活性益生菌细胞由于含有酶(例如超氧化物歧化酶)、肽和细胞壁相关分子等生物活性成分,仍然保留着许多与活菌相似的生物活性。这些成分可以发挥清除活性氧、减少促炎生物标志物和调节免疫途径等作用[ 56 ]。多项研究强调了非活性乳杆菌菌株(罗伊氏乳杆菌DSMZ-17648、约翰逊乳杆菌和嗜酸乳杆菌LB)在降低幽门螺杆菌载量和缓解肠易激综合征症状方面的有益作用[ 57 , 58 , 59 ]。
2.2 细菌素
细菌素是由多种乳酸菌产生的核糖体合成的胞外肽,以其对致病菌的类似抗生素的活性而闻名。由于其能显著抑制单核细胞增生李斯特菌和艰难梭菌等食品腐败致病菌,细菌素在营养保健品行业中发挥着重要作用[ 60 ]。两种从乳杆菌属中分离得到的、经美国FDA批准用于食品保藏并以商业形式销售的细菌素分别是Nisaplin™(乳酸乳球菌)和Alta2341™(乳酸片球菌)[ 61 , 62 ]。细菌素的抗菌机制包括增加细胞膜通透性、破坏质子动力势以及在靶细胞膜上形成孔道[ 63 ]。它们与细菌脂质II(细胞壁合成的前体)结合的能力有助于防止细菌产生耐药性[ 64 ]。将细菌素与多种抗生素联合使用,可对人类病原体提供广谱保护,从而防止抗生素滥用和耐药病原体的产生[ 65 ]。
另一项已提交的专利申请(US-9271518B2 和 WO-2010117255A1)重点介绍了一种具有潜在抗菌活性的乳杆菌衍生细菌素组合制剂,其作用包括减少粪便中肠杆菌科细菌的数量、增加乳杆菌的数量、改善肠道黏膜的完整性以及促进养殖动物的生长[ 66 ]。此外,一项关于干酪乳杆菌/副干酪乳杆菌衍生细菌素滴眼液的专利申请(US-20190175670A1)已提交,用于增强眼部上皮屏障并治疗炎症性眼病,例如过敏性/感染性结膜炎和春季角结膜炎,该申请适用于兽医和人类医学[ 67 ]。
细菌素也显示出免疫调节活性的潜力。在对产细菌素的植物乳杆菌菌株的研究中,研究人员发现,植物乳杆菌YRL45能有效降低RAW264.7细胞中添加脂多糖(LPS)诱导的IL1β、IL6、TNFα、一氧化氮和前列腺素E2水平的升高,从而减轻炎症[ 68 ]。
2.3 短链脂肪酸
短链脂肪酸(SCFAs),主要包括乙酸、丙酸和丁酸,是由人体肠道中的细菌发酵益生元和膳食纤维产生的[ 69 , 70 ]。这些SCFAs在人类粪便中的典型摩尔比分别为~60:20:20(乙酸:丙酸:丁酸),其失衡与健康问题有关[ 71 ]。
短链脂肪酸(SCFA)一旦被吸收入血,便可作为信号分子发挥作用,增强胰岛素功能并调节脂质和葡萄糖代谢[ 72 ]。它们通过下调过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)来调节肝脏葡萄糖和脂质水平[ 73 ],并通过G蛋白偶联受体(GPCR)影响免疫反应[ 74 ]。SCFA诱导的GPCR43调节支持T调节细胞的稳态,并抑制普雷沃氏菌科和螺杆菌属等致病菌,从而维持结肠健康[ 75 ]。研究强调了丁酸盐通过预防内毒素移位、巨噬细胞活化、增强CD103 +树突状细胞活性以及恢复紧密连接蛋白Zonula occludens-1的作用,从而保护肠道屏障并逆转肝脏缺血[ 76 , 77 ]。
2.4 细胞外囊泡
益生菌胞外囊泡作为一种具有潜在临床应用前景的后生元,已引起科学界的广泛关注[ 78 ]。这些囊泡含有肽聚糖降解酶(溶菌酶样酶或胞壁质水解酶)、黏附分子(菌毛/鞭毛亚基;FOCs/FLIs)以及其他膜蛋白(OMPs)[ 79 , 80 ]。多项体内和体外研究均强调了其免疫调节、抗炎和肠道屏障修复活性[ 78 ]。来自大肠杆菌Nissle -1917 [ 81 ]、大肠杆菌O6K5H-1 [ 82 , 83 ]、粘液嗜酸阿克曼菌ATCCBAA-835 [ 84 , 85 , 86 ]、植物乳杆菌WCFS-1 [ 87 ]、植物乳杆菌Q7 [ 88 ]、乳酸杆菌PRCC1301 [ 89 ] 和丁酸梭菌MIYAIRI-588 [ 90 , 91 ] 等菌株的细胞外囊泡已显示出对肠道屏障的保护作用,可抵抗病原体,并调节微生物群和相关的免疫调节。值得注意的是,一项研究表明,在韩国女性局部应用植物乳杆菌衍生的细胞外囊泡后,皮肤具有抗衰老活性,包括弹性改善、水分含量增加和皮肤色素沉着/皱纹减少[ 92 ]。
2.5. 肽聚糖作为细菌细胞壁衍生的后生元
从益生菌中分离的肽聚糖已被证实具有免疫调节、抗炎和抗癌活性[ 53 , 93 , 94 ]。干酪乳杆菌(L. casei)来源的肽聚糖的抗炎活性是通过下调IL-12实现的[ 95 ]。给予胞壁酰二肽连接的肽聚糖可抑制肥胖动物模型中的脂肪细胞炎症并降低葡萄糖耐受不良,且不会引起体重增加或改变肠道菌群[ 96 ]。革兰氏阳性菌鼠李糖乳杆菌GG( L. rhamnosus GG)分泌的具有肽聚糖水解酶活性的可溶性蛋白(p40/75)对肠道内壁完整性具有显著的保护作用,同时抑制肠道细胞凋亡并促进上皮稳态[ 97 ]。
2.6. 磷壁酸
磷壁酸是细菌肽聚糖细胞壁完整性和功能的重要结构成分之一,尤其是在革兰氏阳性菌中,在细菌黏附和细菌-宿主信号传导中发挥作用[ 98 , 99 , 100 , 101 ]。它们可以触发宿主免疫反应,导致IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12和IFN-α/TNF-α等细胞因子的释放[ 102 ]。研究表明,磷壁酸后生元具有免疫调节活性,例如与5-氟尿嘧啶和双歧杆菌来源的磷壁酸联合给药[ 103 ]。副干酪乳杆菌来源的磷壁酸的抗炎活性表现为磷酸化p38-AMPK水平升高和促炎NF-κB信号通路抑制,从而减少细胞因子的产生[ 104 ]。相反,人们观察到金黄色葡萄球菌等致病细菌产生的磷壁酸会诱发过度炎症,导致肠道屏障恶化[ 105,106 ]。
2.7 多糖
多糖是由糖苷键连接的糖分子,参与多种细菌细胞壁成分的结构。多项临床前研究表明,多糖作为后生元具有广泛的活性,可发挥抗炎、抗氧化和免疫调节作用[ 107 ]。来自非致病性芽孢杆菌(LBP-32)的胞外多糖在炎症诱导的RAW264.7巨噬细胞中表现出强大的抗氧化活性,其主要机制是通过下调活性氧(ROS)的积累[ 108 ]。这些抗氧化作用与NF-κB/丝裂原活化蛋白激酶信号通路的抑制有关。
德氏乳杆菌胞外多糖通过增强IgG、IgA和IgM的产生,表现出强大的体内免疫调节作用;具有显著的体外抗氧化活性;对枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌具有抗菌作用;并能提高肿瘤诱导小鼠的红细胞(RBC)、白细胞(WBC)和红细胞压积水平[ 109 ]。从发酵乳杆菌S1中纯化的胞外多糖也表现出强大的抗氧化和抗菌活性,并能改善肠道转运耐受性[ 110 ]。给予布氏乳杆菌TCP016的胞外多糖可调节肠道菌群组成,从而有助于减轻炎症引起的肝损伤[ 111 ]。
2.8 酶
细菌可以释放酶,其中许多酶具有抗氧化潜力[ 112 ]。嗜热链球菌和德氏乳杆菌的无细胞提取物显示出高水平的抗氧化剂,例如超氧化物歧化酶[ 113 ]。给予乳酸乳球菌的过氧化氢酶可提高氧化耐受性并降低1,2-二甲基肼诱导的结肠癌小鼠的肠道损伤程度。Tomusiak-Plebanek等人强调,几种乳杆菌菌株在炎症性肠病小鼠模型中的抗炎活性与抗氧化酶的表达水平密切相关[ 114 ]。此外,几种双歧杆菌菌株由于含有NADH过氧化物酶而表现出过氧化氢降解能力[ 115 ]。
2.9. 维生素
维生素是重要的酶辅因子,参与调节多种人体生理过程并维持健康。它们主要来源于膳食,但部分维生素也可由细菌合成[ 116 ]。叶酸通过增强四氢生物蝶呤的吸收发挥间接抗氧化作用,从而促进活性氧(ROS)的清除[ 117 ]。一些益生菌菌株,特别是双歧杆菌属的菌株,已被证实能够产生叶酸(维生素B9),叶酸是DNA合成和修复的重要营养物质。其中,青春双歧杆菌(B. adolescentis)和假链状双歧杆菌(B. pseudocatenulatum)是体外和体内研究中叶酸产生效率最高的菌株之一[ 118 ]。已有研究报道,双歧杆菌菌株中存在维生素积累现象,并观察到叶酸水平升高[ 119 ]。氰钴胺素(维生素B12)是乳制品中的重要成分,因其在清除自由基和再生谷胱甘肽方面的作用而为人所知[ 120 ]。对几种乳杆菌菌株的基因组分析表明,其中存在编码氰钴胺素生物合成所需酶的基因[ 121 ]。
3. 后生元相对于益生菌的优势
由于其直接和间接的健康益处以及独特的特性,后生元相比活益生菌具有诸多优势。与益生菌不同,后生元剂量标准化程度更高,有效性变异性更小,且对胃液、胆汁和蛋白水解酶的耐受性更强[ 122 , 123 ]。它们还具有诸多物流优势,例如易于储存、运输和维护,以及更长的保质期(长达五年)[ 124 ]。后生元支持快速生产技术和精确的定量控制方法[ 38 ]。后生元更适合婴幼儿等特殊人群,能够促进早期发育阶段的肠道健康,帮助免疫系统成熟并重建Th1/Th2平衡[ 125 ]。后生元的安全性优于益生菌,能够在不增加服用活微生物风险的情况下,模拟益生菌的益处。活微生物可能携带毒力因子,或在易感人群定植过程中获得抗生素耐药基因[ 38 ]。益生菌与一些不良反应相关,例如腹胀、肠胃胀气、菌血症、真菌血症和抗生素耐药基因转移,尤其是在老年人、免疫功能低下者和肠道屏障受损者中[ 35 ]。因此,后生元正逐渐成为促进健康老龄化和治疗老年相关疾病的一种更安全的替代方案。这将是本文综述的主要内容。
4. 后生元在健康老龄化和年龄相关疾病中的作用
4.1.肠道菌群失调是衰老的标志,后生元在健康老龄化中的作用
近年来,越来越多的证据表明,肠道菌群失调和微生物群多样性改变是衰老的核心标志[ 126 , 127 , 128 ]。最初,衰老的各种标志被概述并归类为三类:(i) 原发性损伤标志,(ii) 对原发性损伤的拮抗性标志,以及 (iii) 由前两类标志相互作用产生的整合性标志。与原发性、拮抗性和整合性标志相对应的具体生物学过程总结于图2 [ 129 ]。图2。
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衰老的标志及其与肠道微生物群的关联。研究识别出九种衰老标志,并将其分为三大类:(i)主要标志,(ii)拮抗性标志,以及(iii)整合性标志。肠道微生物群失调和微生物多样性改变已成为核心要素,由于其对宿主生理功能的显著影响,与其他衰老标志密切相关。
损害性特征包括免疫监视功能受损和免疫衰老加速,从而导致衰老细胞积累、组织纤维化、器官功能障碍,最终导致不健康衰老,使个体更容易患病[ 130 ]。触发的免疫反应、炎症加剧和氧化应激之间的相互联系也被认为与主要损害性特征的病理生理学有关[ 129 ]。拮抗性特征包括肠道菌群失调、炎症通路被触发以及与不健康衰老相关的病理生理级联反应[ 131 , 132 , 133 ]。对老年人肠道微生物组的宏基因组分析研究表明,与短链脂肪酸(SCFA)生成相关的基因表达下调,色氨酸/蛋白水解代谢途径基因表达上调,以及向腐败代谢的优先转变,最终导致病理性炎症[ 134 , 135 ]。此外,肠道菌群已被证实会影响健康寿命,一项研究显示,将年轻鱼类的肠道菌群重新定植到中年鳉鱼的肠道中,可以延长这些鱼的寿命[ 136 ]。另一项研究强调了将野生型啮齿动物的肠道菌群移植到早衰(过早衰老)啮齿动物体内,可以促进后者肠道功能的改善。这些受体啮齿动物表现出更多样化的肠道菌群,并且短链脂肪酸属的产量更高[ 137 ]。基于上述证据,后生元已成为促进健康老龄化的潜在工具,其能够调节肠道菌群[ 138 , 139 , 140 ]并赋予免疫调节特性[ 47 , 141 , 142 ]。
4.2. 目前对后生元作用机制的理解
4.2.1. 抗氧化作用和氧化应激缓解
抗氧化活性一直是研究人员对抗细胞损伤的主要研究领域之一[ 143 ]。清除自由基对细胞膜、DNA、蛋白质和其他细胞成分的损害,是缓解多种疾病和促进健康老龄化的有效策略,因为氧化应激在许多疾病的病理生理过程中起着核心作用[ 144 ]。通常,包括益生菌在内的非致病性微生物已经进化出对抗有害活性氧(ROS)的抗氧化策略(表1),例如产生多种抗氧化酶,如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、NADH氧化酶和过氧化氢酶[ 38 ]。
表1。
精选研究突显了后生元的抗氧化能力。后生元成分益生菌菌株的分离特性主要研究结果机制方面参考热处理,无活性将长双歧杆菌CECT-7347 在 121 °C、1 atm 压力下高压灭菌 20 分钟进行热处理。氧化应激后秀丽隐杆线虫的存活率提高。激活 DAF-16(FOXO 转录因子的线虫同源物),降低 IL-8,抑制 NF-κB 信号传导。[ 145 ]无细胞上清液乳酸植物杆菌RI11 在 MRS 肉汤中于 37°C 培养 48 小时。IL-10 升高;IL-8、HSP70、TNF-α 和 α1-酸性糖蛋白降低。血清谷胱甘肽过氧化物酶和锌/铜超氧化物歧化酶水平升高。[ 146 ]将L. plantarum RG11、RG14 和 TL1 在 MRS 肉汤中于 30°C 培养 10 小时。后生元处理动物的抗氧化活性和瘤胃屏障功能得到改善。血清谷胱甘肽过氧化物酶和锌/铜超氧化物歧化酶升高。[ 147 ]将L. plantarum SN4 和Bacillus amyloliquefaciens J 在 LB 或 MRS 肉汤中于 37 °C 培养 10 小时。已证实具有广谱抗菌作用、强抗氧化活性、抗炎作用和促进肠道伤口愈合的作用。抑制一氧化氮(NO)的产生。[ 148 ]将乳杆菌属(嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、乳酸乳杆菌、罗伊氏乳杆菌)和布拉氏酵母菌在 RPMI 1640 培养基中于 37°C 培养 24 小时。减少了氧化损伤,并表现出很强的自由基清除能力。下调 PGE-2、IL-8、IL-1β、IL-6、TNF-α;上调人巨噬细胞的 IL-10 产生。[ 149 ]胞外多糖在 37°C 的发酵液中,于有氧条件下培养 10 小时,培养出发酵乳杆菌S1;用三氯乙酸去除蛋白质。体外实验表明其具有抗氧化活性,可清除自由基。[ 110 ]将粘液芽孢杆菌TKU032 在 SPP 处理的培养基中于 37°C 下进行好氧搅拌培养 6 天;用乙醇沉淀胞外多糖。体外实验证实具有抗氧化活性和清除活性氧(ROS)的能力。[ 150 ]将L. helveticus MB2-1 在 33 °C 的发酵液中进行 24 小时好氧培养;用 0.9% NaCl 沉淀,超声处理,再用 75% 乙醇重新沉淀。体外实验表明具有抗氧化和清除活性氧的能力;增强了总抗氧化能力和超氧化物歧化酶(SOD)活性,并降低了大鼠体内的丙二醛含量。该活性归因于糖醛酸多糖与亚铁离子结合,类似于绿茶。[ 151 , 152 ]细胞分离物假肠膜明串珠菌经酶解和超声处理。表现出体外抗氧化和清除活性氧的活性。与对照组相比,该组表现出更高的抗氧化活性。[ 153 ]裂解物通过酶处理和超声处理裂解干酪乳杆菌CRL431。表现出体外抗氧化和清除活性氧的活性。黄曲霉毒素B1诱导的氧化应激下抗氧化反应的调节。[ 154 ]在新标签页中打开
值得注意的是,据报道,属于双歧杆菌属的几种益生菌(长双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、青春双歧杆菌和短双歧杆菌)能够产生大量的NADH过氧化物酶,从而降解过氧化氢[ 155 ]。因此,酶促后生元被认为具有应用前景,因为在体内模型中,植物乳杆菌的无细胞上清液与高谷胱甘肽过氧化物酶含量相关[ 146 , 147 ]。干酪乳杆菌的细胞提取物后生元在体外自由基清除试验中也显示出比其他菌种更高的抗氧化活性[ 156 ]。几种乳杆菌菌株和粘液芽孢杆菌TKU032分泌的胞外多糖后生元已成为具有自由基清除能力的潜在抗氧化剂[ 110 , 150 ]。多项研究表明,乳酸杆菌MB2-1 和动物双歧杆菌RH 中糖醛酸水平升高与抗氧化能力相关[ 151 ]。糖醛酸是一种带负电荷的多糖,已被证明具有铁螯合特性,可抑制活性氧的产生,从而防止羟基自由基的形成[ 157 ]。
4.2.2. 抗炎和免疫调节特性
肠道菌群稳态紊乱与炎症反应过度刺激有关,通过下调抗炎信号机制导致慢性疾病[ 158 ]。研究强调了后生元能够减轻促炎信号并减少细胞因子风暴的产生,使其成为SARS-CoV-2等疾病辅助治疗的潜在候选药物[ 159 ]。
对源自长双歧杆菌CECT7347的后生元的研究表明,其具有显著的抗炎活性,并通过特异性免疫反应减少肠道紊乱[ 145 ]。另一项研究表明,乳酸乳球菌来源的细菌素刺激猪免疫细胞后,IL-6和IL-1β水平升高,从而介导T细胞/B细胞的分化和增殖[ 160 ]。细菌素是由多种乳酸菌产生的胞外肽,已被证实具有显著的抗炎活性[ 161 , 162 ]。据报道,其他细菌素还能抑制肠道和泌尿生殖系统感染引起的炎症[ 163 ]。
Tejada-Simon 等人利用灭活益生菌和细胞成分激活白细胞免疫谱系的研究结果,引发了人们对后生元调节免疫反应的兴趣[ 164 ]。多项研究表明,后生元的细胞成分与先天免疫系统传感器之间的关联可能与免疫反应调节有关(表2)[ 165 , 166 ]。
表2。
精选研究重点介绍了后生元的抗炎和免疫调节特性。后生元成分益生菌菌株的分离特性主要研究结果机制方面参考脂磷壁酸从无细胞上清液中,使用丁醇/苯酚基溶剂从鼠李糖乳杆菌中提取。逆转紫外线诱导的皮肤过敏免疫抑制。皮肤中活化的树突状细胞和T淋巴细胞。[ 167 ]肽聚糖通过超声处理破坏细胞壁后,利用有机溶剂萃取法从鼠李糖乳杆菌中去除脂质。逆转聚肌苷酸:聚胞苷酸(poly I:C)引起的肺损伤。通过 TLR-3 激活增加 IL-α、IL-β、IL-γ、IL-6 和 IL-10 水平。[ 168 ]胞外多糖采用三氯乙酸沉淀蛋白质法从德氏乳杆菌中提取,然后在 4°C 下用乙醇沉淀过夜。改善肠道健康并抑制病毒复制。平衡的促炎和抗炎细胞因子反应。[ 169 ]短链脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸)采用水:乙腈进行液液萃取分离,然后涡旋振荡和过滤。通过恢复肠道菌群平衡来维持结肠健康。激活 GPCR-43,促进有益细菌生长并抑制致病细菌。[ 75 ]细菌素通过细胞收集和氯仿溶剂萃取法从乳酸乳球菌中收获。促进B细胞和T细胞的分化和增殖。IL-1β 和 IL-6 水平升高。[ 170 ]在新标签页中打开
包括核苷酸结合域(NOD)样受体和Toll样受体(TLR)在内的特异性模式识别受体(PRR)通常在宿主免疫细胞上大量存在,负责识别病原体的细胞成分并与之相互作用[ 171 ]。被称为表面(S)层的蛋白质/糖蛋白自组装亚基也被认为能够触发宿主免疫反应[ 172 ]。Konstantinov等人的研究表明,从嗜酸乳杆菌纯化的S层能够特异性地结合宿主树突状细胞和巨噬细胞上的C型受体[ 173 ]。
在细菌分泌的后生元领域,胞外多糖被认为是一种具有免疫激活作用的大分子,可作为微生物相关分子模式(MAMP)与模式识别受体(PRR)结合[ 174 ]。Zhou等人发现,通过CD103+树突状细胞呈递胞外多糖作为抗原,可促进趋化作用和淋巴组织募集,其机制是通过分泌细胞因子[ 175 ]。这些胞外多糖后生元已被证实能够提高干扰素水平,上调TLR-3表达,并增强趋化因子反应,包括CC基序配体-4和CXC基序趋化因子-10[ 169 , 176 , 177 ]。另一项研究发现,嗜热链球菌CRL1190益生菌及其胞外多糖能够减少幽门螺杆菌的黏附,并抑制人胃腺癌上皮细胞的炎症反应。
研究表明,短链脂肪酸能够与其识别的受体(游离脂肪酸G蛋白偶联受体)相互作用,从而维持肠道T调节淋巴细胞的稳态[ 75 ]。这体现在促进肠道共生菌双歧杆菌属的生长,同时抑制致病菌(如普雷沃氏菌科和螺杆菌属)的生长[ 75 ]。富含膳食纤维的饮食能够激活CD103+树突状细胞,从而刺激短链脂肪酸的产生,维持健康的肠道菌群,并保护肠道免受食物过敏的侵害[ 76 ]。其他益生菌代谢产物,如乳酸和吲哚衍生物,也被证实能够影响免疫反应。肠道CX3CR1+免疫细胞在乳酸刺激下,以GPR-31依赖的方式延伸树突[ 178 ]。
从比较的角度来看,多项研究表明,源自灭活微生物的后生元比活益生菌具有更优异的免疫调节活性。值得注意的是,研究发现益生菌经加热灭活后会释放多种热休克蛋白,从而增强其免疫调节作用[ 179 ]。一项比较活的和热灭活的干酪乳杆菌张氏菌株(LcZ)的研究表明,两种菌株均能通过增强促炎细胞因子的表达和Toll样受体的转录来改善巨噬细胞的固有免疫反应,其中热灭活菌株对免疫功能低下人群的安全性具有潜在优势[ 180 ]。对不同芽孢杆菌属(枯草芽孢杆菌FPTB13和解淀粉芽孢杆菌FPTB16)的灭活菌株和活菌株的比较研究发现,灭活菌株能诱导更高的细胞免疫反应[ 181 ]。另一项研究表明,热灭活的唾液乳杆菌A6、加氏乳杆菌A5 和嗜酸乳杆菌A2 后生元能够通过触发脾细胞干扰素-γ 的产生、IL-12/-10 p70 的增殖以及树突状细胞 IL-12 p70 的分泌来调节 Th1 驱动的免疫反应 [ 182 ]。
4.2.3. 后生元与肠道屏障完整性:机制和保护作用
维持肠道屏障的完整性对人体健康至关重要,因为它能抵御病原体和过敏原,同时维持免疫系统与共生微生物之间的平衡。肠道屏障的重要组成部分包括肠道各层、微生物群、免疫细胞、抗菌蛋白和紧密连接肽[ 183 ]。研究表明,后生元在强化肠道屏障方面的作用与活性益生菌类似。其作用机制主要包括:(i) 形成物理屏障,阻止病原体黏附于肠道膜;(ii) 免疫调节;(iii) 微生物群调节;和/或 (iv) 直接抗菌活性[ 48 , 138 ]。
在结肠炎小鼠模型中,给予热灭活的鼠李糖乳杆菌(L. rhamnosus)可保护黏膜通透性并恢复屏障功能,这被认为与肠道紧密连接蛋白-1(zonula occludens-1)和肌球蛋白轻链激酶(myosin light chain kinases)的上调相关[ 184 ]。副干酪乳杆菌(L. paracasei)来源的后生元在便秘动物模型中显示出增强的黏蛋白-2(mucin-2)表达,有助于恢复肠道屏障功能[ 185 ]。另一项体内研究表明,在结肠炎小鼠模型中,给予来自发酵乳杆菌(L. fermentum) MTCC5689、植物乳杆菌(L. plantarum) MTCC5690或鼠李糖乳杆菌GG( L. rhamnosus GG)的脂磷壁酸后,紧密连接肽表达上调[ 186 ]。
在断奶羔羊和线虫模型中,补充植物乳杆菌[ 187 ]或热灭活的长双歧杆菌CECT7347[ 145 ]后,也观察到紧密连接肽表达增加,尤其是claudin-1/4和occlusion。从鼠李糖乳杆菌GG中分离的上清液已被证明有助于保护人肠道平滑肌免受损伤和细胞损伤[ 188 ]。在用大肠杆菌处理的Caco-Goblet细胞(作为肠道细胞损伤的模型)中,与其它测试化合物相比,止泻药(鞣酸明胶)与灭活乳杆菌菌株(Tasectan Duo)的组合显示出协同保护作用,表现为降低细胞旁通量和增加跨上皮电阻[ 189 ]。
短链脂肪酸(如丁酸盐)与肠道上皮的再生支持有关[ 190 ]。短链脂肪酸可能的作用机制包括调节Caco-2细胞的跨膜通透性、增强跨上皮电阻以及提高紧密连接蛋白的基因表达[ 191,192 ]。
5. 衰老过程中肠道微生物群特征及后生元在缓解年龄相关疾病中的作用
肠道菌群是一个多样且复杂的微生物群落,与多细胞宿主共存于肠道内,其组成受宿主的日常饮食、行为以及社会和环境因素的影响[ 193 ]。根据宿主相关因素的不同,该微生物群落可包含超过2000种微生物。肠道菌群因其组成特征而表现出宿主特异性[ 194 ]。
多项研究强调了肠道菌群在宿主生理中的多种作用,包括代谢、抗炎/免疫调节和神经功能[ 195 ]。这些共生微生物的代谢优势源于它们利用有机和无机化合物以及分解植物性食物的能力[ 196 ]。这些微生物参与宿主的碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢途径,从而影响宿主的生理健康状况和对代谢紊乱的易感性[ 197 , 198 , 199 ]。
肠道微生物群的抗炎/免疫调节作用源于微生物代谢产物和表面分子与宿主信号受体的相互作用[ 200 , 201 ]。关于神经系统影响,已有证据表明特定肠道菌群在减轻压力、改善认知和记忆功能方面发挥着重要作用[ 202 ]。研究进一步将这些积极的神经系统影响与微生物群来源的代谢物联系起来,这些代谢物能够调节免疫炎症反应和神经元可塑性,从而对抗炎症和氧化损伤[ 203 ]。
5.1. 肠道微生物群特征的年龄相关变化及其对健康的影响
已有研究报道,多种内外因素会影响肠道菌群的数量和组成。这些影响因素通常可分为社会因素、生理因素和健康状况/疾病状况[ 195 ]。肠道生理功能的恶化会对肠道菌群产生显著影响。这种恶化通常会随着年龄的增长而加剧,其原因包括炎症增加、基因组不稳定、蛋白质稳态下降、表观遗传失调和细胞功能障碍[ 204 ]。
不良的生活方式、饮食质量、缺乏运动以及药物等外部因素也会对肠道菌群产生负面影响[ 205 ]。然而,目前针对这些外部因素对肠道菌群特征影响的详细研究仍然有限。社交网络也是影响肠道菌群组成的一个因素,因为居住在同一住所的个体通常具有相似的肠道菌群组成[ 206 ]。
5.2. 健康老龄化与非健康老龄化中的微生物组特征
多项研究已确定了与年龄相关的肠道微生物群特征。随着年龄的增长,优势有益微生物群类群显著减少,包括Coprococcus sp.、Faecalibacterium sp.、Roseburia sp.、Prevotella sp.、Lachnospira sp. 和Eubacterium rectale,以及与健康相关的属Lactobacillus sp. 和Bifidobacterium sp.(第 1 组)[ 205 , 207 ]。第一组共生微生物似乎被其他共生菌群所取代,例如假定的有利菌属,如Odoribacter sp.、Barnesiella sp.、Butyricimonas sp.、Butyricicoccus sp.、Akkermansia sp.、Oscillospira sp.和Christensenellaceae(第二组),以及致病菌群,如Anaerotruncus sp.、Streptococcus sp.、Bilophila sp.、Eggerthella sp.、Enterobacteriaceae、Escherichia sp.、Desulfovibrio sp.和Fusobacteria(第三组)[ 207 ]。这些后期的肠道菌群变化是衰老,尤其是不健康衰老的明确标志[ 208 ]。
对健康老龄化(以长寿、高体力活动、健康饮食和/或低认知衰退为特征)与不健康老龄化(以虚弱、炎症、认知障碍、心血管疾病、肥胖、体力活动减少、偏头痛、代谢综合征、骨质疏松症和死亡前期为特征)的肠道微生物组特征进行比较研究,结果显示两者存在重叠之处[ 209 , 210 , 211 , 212 , 213 ]。不健康老龄化的特征是优势共生菌群的减少,这与自然衰老相似,同时伴有更广泛的致病菌群的出现,包括第3组以及与疾病相关的梭菌属(梭状芽孢杆菌、哈氏梭菌、共生梭菌、柠檬酸梭菌和博尔特梭菌)和瘤胃球菌[ 209 , 214 ]。相比之下,健康老龄化组的肠道微生物组特征与第 2 组相似,共生菌群数量增加,这些菌群在生理年龄增长过程中数量上升,但在与年龄相关的疾病导致的不健康老龄化过程中数量下降。该菌群包括Odoribacter、Barnesiella、Butyricimonas、Butyricicoccus、Akkermansia、Oscillospira和Christensenellaceae,这些菌群被认为是健康老龄化的标志物 [ 211 , 215 ]。
简而言之,肠道菌群会随着年龄增长和宿主生理状况的变化而发生变化。第一组菌群通常会在年龄增长过程中被替换,尤其是在不健康衰老过程中。第二组菌群代表与健康衰老相关的菌群特征,它们会随着年龄增长而增加,但在与年龄相关的健康状况恶化过程中减少。最后,第三组菌群是病理菌群,它们会随着年龄增长而变得更加丰富,尤其是在不健康衰老的情况下[ 204 ]。
5.3. 后生元在调节肠道菌群和促进健康老龄化方面的临床证据
研究强调了后生元在促进肠道菌群生长和功能活性方面的作用,尤其是在有益菌(例如双歧杆菌和乳杆菌属)不足的情况下[ 216 ]。后生元通过增强益生菌,在维持肠道菌群平衡、预防病原体定植、保护肠壁完整性以及增强宿主-微生物群平衡关系等方面具有潜在的健康益处[ 217 ]。此外,后生元还可以改变肠道菌群的组成,使其向特定菌群倾斜,从而改善肠道的生理状态[ 122 ]。
Zhang 等人的一项研究表明,与活体益生菌相比,给予结肠炎小鼠源自青春双歧杆菌B8589 的后生元后,其粪便微生物群组成、β 多样性和宏基因组潜力均发生显著改变[ 138 ]。作者报道,在给予后生元的小鼠组中, Muribaculaceae spp.、拟杆菌目 M9、拟杆菌目 M10和A. muciniphila 的丰度显著增加,而大肠杆菌、肠道拟杆菌和胆汁螺杆菌的丰度则呈负相关。肠道微生物群组成在门水平上的结果与其他粪便微生物组研究的结果高度一致[ 90 , 218 , 219 , 220 ]。另一项研究则强调了给予后生元后肠道微生物群在物种水平上的变化[ 221 ]。这些证据凸显了基于健康特征菌群的后生元疗法的潜在开发价值,以及针对个体化微生物群的干预措施在促进老年人健康老龄化和延长寿命方面的应用前景。未来还需要开展更多纵向研究,以证实特征菌群及其后生元在老年人群中的作用。
6. 特定年龄相关疾病和后生元干预措施
后生元在广泛的治疗和工业应用方面展现出巨大的潜力,能够改善人类和动物的健康和个人护理(图 3)[ 183 ]。图 3。
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后生元在临床治疗、农业动物饲料和化妆品护肤中的应用。
为了缓解呼吸系统疾病并减少复发,多种致病菌的细菌裂解物(多价机械细菌裂解物)以及源自肺炎链球菌III型、化脓性链球菌A群、卡他莫拉菌、金黄色葡萄球菌和流感嗜血杆菌的Lantigen B细菌裂解物均显示出有益效果[ 222 , 223 ]。含有热灭活的曼氏分枝杆菌的膳食补充剂可通过调节T调节淋巴细胞有效控制潜伏性结核病[ 224 ]。虽然这些细菌裂解物因其非活性微生物来源和促进健康的作用而被归类为后生元,但它们在结构和功能上也与口服灭活疫苗相似,尤其是在免疫刺激作用方面。
此外,一些后生元已显示出调节免疫检查点抑制剂、增强其抗癌活性的潜力[ 225 ]。与单药治疗相比,鼠李糖乳杆菌与免疫检查点抑制剂(例如程序性细胞死亡蛋白-1抑制剂)联合口服的临床试验结果显示,非小细胞肺癌患者的预后更佳[ 226 ]。此外,保加利亚乳杆菌来源的溶菌酶裂解物可通过促进白细胞再生和增强免疫系统,降低白血病患者的化疗副作用[ 227 ]。下文将着重阐述后生元干预在老年相关疾病中的具体作用。
6.1 心血管疾病和代谢紊乱
老年人面临更高的心血管疾病风险,因为衰老本身就是一个独立的危险因素。然而,其他合并症因素,例如糖尿病、虚弱和肥胖,也会加剧这一风险[ 228 ]。这些疾病会促进炎症和血栓形成,并导致血压升高、动脉粥样硬化性高脂血症和高血糖[ 229 ]。除了代谢性疾病的进展外,宿主利用食物能量的能力也与肠道菌群失调有关。在此背景下,后生元在缓解代谢紊乱相关因素方面展现出潜力,且不会显著改变肠道微生物群的组成[ 230 ]。鉴于高血压患者与健康个体相比,肠道有益菌(包括Oscillibacter、Faecalibacterium、Bifidobacterium、Roseburia、Butyrivibrio和Coprococcus )的水平通常降低,这种微生物变化与炎症和代谢失衡有关,这一点尤其重要[ 231 ]。
后生元,尤其是短链脂肪酸(SCFAs),是目前公认的通过多种机制影响血压的代谢产物。它们具有抗炎、免疫调节和抗氧化特性[ 232 ],并能抑制肝脏脂质合成酶,同时降低尿毒症毒素的生物水平,这两者都有助于维持血管完整性[ 233 , 234 ]。后生元SCFAs在血压调节中的作用体现在其能够降低丁酸给药后小鼠模型中血管紧张素II驱动的高血压[ 235 ]。丙酸和乙酸(而非丁酸)对人嗅觉G蛋白偶联受体(GPCR;Olf78/OR51E2)具有亲和力,该受体通过触发肾小球旁细胞分泌肾素来影响血压调节。这证实了这些脂肪酸在调节血管功能方面的潜力[ 236 ]。
另一方面,三种短链脂肪酸(SCFA)激活了小鼠G蛋白偶联受体(GPCR):GPR41(游离脂肪酸受体;FFA3)、GPCR43(FFA2)和GPCR109a,进而降低NF-κB的激活以及由此产生的促炎介质(TNF-α、IL-1β和IL-6)的产生[ 237 ]。GPCR43通过调节炎症通路、影响血脑屏障通透性和增加胰高血糖素样肽的产生,对血压产生间接影响[ 238 ]。表3总结了SCFA在心血管疾病中的临床前和临床证据。
表3。
精选临床前和临床研究,重点介绍后生元的心血管调节活性。后生元成分研究描述发现参考丙酸、丁酸、乙酸在 C57BL/6 小鼠中进行 1 g/kg 肠外给药。心率和平均动脉压降低。[ 239 ]对自发性高血压大鼠进行为期 13 周的口服补充治疗(0.5 mg/kg/天)。血压降低。[ 240 ]对 92 名患者进行观察性临床队列研究;测量粪便和血液样本中的 SCFA 水平,并与血管钙化评分进行相关性分析。SCFA 水平与血管钙化和血脂谱呈负相关。[ 241 ]丁酸 乙酸在 TLRY264H 狼疮易感小鼠中进行为期 8 周的口服补充(68 mM 乙酸盐;40 mM 丁酸盐)。增强内皮依赖性血管舒张,降低血压和左心室肥厚,并改善肠道屏障完整性。[ 242 ]丙酸在灌注血管紧张素 II 的野生型和 ApoE–/– 小鼠中进行口服给药(200 mmol/L)。收缩压和舒张压均降低。[ 243 ]对喂食高脂饮食的 ApoE–/– 小鼠进行 4 周口服补充(200 mg/kg)。血浆低密度脂蛋白、极低密度脂蛋白、总胆固醇和动脉粥样硬化病变面积均降低。[ 244 ]高胆固醇血症患者接受为期 8 周的口服补充治疗(500 毫克,每日两次)。血浆脂质浓度降低。在维生素 D3/尼古丁诱导的血管钙化大鼠模型中,进行 6 周的口服或直肠给药(200 mM)。主动脉钙含量降低 59%;TNFα、IL-1β 和 IL-6 表达降低;血管巨噬细胞浸润减少;肠道菌群失调和屏障完整性改善。[ 241 ]丁酸在大鼠中进行静脉注射(0.14–5.6 mmol/kg)。血压降低。[ 245 ]在血管紧张素 II 输注小鼠中,进行 28 天的肠外给药(1 g/kg)。改善了预收缩主动脉环的血管舒张反应。[ 246 ]在新标签页中打开
除了短链脂肪酸外,其他后生元成分,包括胞外多糖和脂磷壁酸,也因其潜在的心血管活性而备受关注[ 247 ]。另一项研究发现,在体内小鼠模型中,口服乳酸乳球菌(L. lactis)来源的胞外多糖后,其血浆和肝脏样本中均表现出类似的抗氧化作用[ 248 ]。乳酸克菲兰杆菌(Lactobacillus kefiranofaciens )来源的胞外多糖(克菲兰)已被证实具有多种药理活性,例如可降低易卒中自发性高血压大鼠的血压升高和血脂含量[ 249 ]。关于脂磷壁酸,体外和体内实验均表明,该后生元可通过免疫调节/抗炎作用发挥抗动脉粥样硬化作用。用植物乳杆菌分离的脂磷壁酸治疗可降低人白血病单核细胞 (THP1) 中 IL-8/TNF-α 的表达,并抑制高达 60% 的 THP1-人脐静脉内皮细胞 (HUVEC) 的黏附能力,这是由于黏附分子 VCAM1、ICAM1 和 E-选择素的表达降低所致 [ 250 ]。此外,在高脂/高胆固醇饮食动物模型中,肠外给予植物乳杆菌分离的脂磷壁酸可减少巨噬细胞/单核细胞向动脉腔的浸润 [ 250 ]。
后生元还可以通过改变代谢异常协变量(包括高血糖和肥胖)间接影响心血管疾病风险。据报道,短链脂肪酸激活GPCR43可抑制胰岛素驱动的白色脂肪细胞内脂质积累,并通过促进脂质消耗来调节能量稳态[ 251 ]。肠道GPCR43和GPCR41的激活也与饱腹感和葡萄糖稳态相关[ 252 ]。GPCR与脂肪酸的相互作用可通过刺激肠道内分泌L细胞分泌胰高血糖素样肽-1和肽YY来体现[ 251 ]。丁酸和丙酸均已被证明可通过激活交感神经元和促进肠道糖异生来改善葡萄糖/能量稳态[ 253 ]。值得注意的是,B. animalis IPLA R1 分离的胞外多糖对胰岛素敏感性有积极影响,因为在喂食高脂饮食的大鼠中口服给药可降低血清胰岛素水平,而不会引起稳态模型评估评分或空腹血糖指数的显著波动[ 254 ]。
6.2 神经退行性疾病
临床前研究表明,多种益生菌分泌组与宿主中枢神经系统(CNS)功能相关的年龄相关生物学过程(包括系统衰老和神经退行性疾病的发病机制)呈正相关[ 255 , 256 , 257 ]。除了与神经退行性疾病相关的免疫调节、抗炎和抗氧化特性外,后生元还能积极影响血脑屏障的完整性,而血脑屏障是疾病治疗的关键靶点[ 258 ]。有证据表明,长期使用抗生素引起的肠道菌群失调会导致短链脂肪酸(SCFA)的消耗,进而导致动物模型中CNS屏障通透性增加和情绪/认知功能障碍[ 259 ]。从巨球菌(Megasphaera massiliensis)和副拟杆菌(Parabacteroides distasonis)中分离出的上清液的神经保护机制,因其抗氧化特性、促进神经细胞分化和减少小胶质细胞衍生细胞因子的产生,而与阿尔茨海默病和帕金森病的病理机制密切相关[ 260 ]。植物乳杆菌( L. plantarum)和长双歧杆菌(B. longum)的发酵作用则显示出提高神经元活力、增强脑源性神经营养因子(BDNF)表达和降低促凋亡基因表达的能力[ 261 , 262 ]。
据报道,短链脂肪酸(SCFA)与其分子宿主受体的相互作用对野生型和阿尔茨海默病动物模型中的神经发生至关重要[ 263 ],并且已被证实能够提高注意力缺陷多动障碍(ADHD)患者血清中脑源性神经营养因子的水平[ 264 ]。从乳杆菌属中分离出的丙酸和丁酸与脂多糖(LPS)诱导的中枢神经系统损伤后动物模型中血脑屏障稳态和完整性的恢复有关[ 265 , 266 ]。不同乳杆菌菌株的胞外多糖也具有抗氧化活性,能够保护PC-12细胞和β-淀粉样蛋白诱导的SH-SY5Y细胞免受氧化应激损伤[ 267 , 268 ]。植物乳杆菌(L. plantarum)来源的细胞外囊泡可上调脑源性神经营养因子(BDNF)的表达,并缓解皮质酮诱导的小鼠海马细胞系和体内束缚应激小鼠模型中应激诱发的抑郁样行为[ 269 ]。此外,鼠李糖乳杆菌(L. rhamnosus)来源的细胞外囊泡可减轻脂多糖处理的小鼠小胶质细胞的炎症反应[ 270 ]。这些后生元还具有保护体外小鼠海马来源的HT22细胞和体内Tg-APP/PS1小鼠免受β-淀粉样蛋白诱导的氧化应激的作用[ 271 ]。
6.3 骨骼健康和骨质疏松症
老年人群罹患骨质疏松性骨折的风险显著升高,而骨质疏松性骨折与生活质量下降、发病率增加甚至死亡率升高相关[ 272 ]。骨稳态受肠道-免疫轴调控,肠道微生物群通过IL-4/10、细胞毒性T淋巴细胞相关抗原-4、转化生长因子-β和干扰素-γ等因子促进细胞调节性B细胞、T细胞和Th1/2免疫细胞的发育,从而抑制破骨细胞(骨吸收细胞)的形成[ 273 , 274 ]。此外,调节性T/B细胞分泌的转化生长因子-β可促进破骨细胞(成骨细胞)的分化,因此肠道微生物群在调节骨形成和骨吸收平衡方面发挥着至关重要的作用[ 275 ]。
值得注意的是,文献证据表明,多种后生元具有抗骨质疏松活性[ 276 ]。从植物乳杆菌MD35中分离的后生元已被证实可通过减弱信号调节激酶磷酸化和抑制NF-κB介导的破骨细胞相关基因表达,影响小鼠骨髓来源巨噬细胞培养物中的破骨细胞分化[ 277 ]。此外,体内研究结果还表明,植物乳杆菌MD35后生元对绝经后骨质疏松小鼠模型中雌激素缺乏引起的骨丢失具有有效的保护作用。分离的短链脂肪酸(SCFAs)通过下调破骨细胞相关的骨吸收和维持Treg淋巴细胞驱动的炎症反应,在骨稳态调节中发挥重要作用[ 278 ]。
此外,据报道,从弯曲乳杆菌38-CS中分离出的后生元可通过下调TRAF6/NF-κB/MAPKs通路,抑制绝经后骨质疏松小鼠模型中NF-κB介导的破骨细胞分化和骨丢失[ 279 ]。从鼠李糖乳杆菌、罗伊氏乳杆菌-6475和唾液乳杆菌MG4265中提取的细胞上清后生元也可通过调节免疫系统和/或NF-κB介导的破骨细胞相关基因表达来抑制破骨细胞生成[ 275 , 280 , 281 ]。在高纤维饮食小鼠中补充丙酸和丁酸,通过重编程破骨细胞代谢(从氧化磷酸化转向增强糖酵解)和下调破骨细胞相关基因(NFATc1 和 TRAF6)来增加骨量[ 282 ]。
7. 后生元的经济潜力和监管前景
在消费者对安全、稳定、有效的微生物组靶向产品的需求不断增长的推动下,后生元在食品和制药领域的经济潜力日益受到认可[ 283 , 284 ]。由于其在不同pH值和温度条件下的稳定性等技术优势,以及降低生产和储存成本的作用,后生元被添加到功能性食品(如乳制品和非乳制品饮料)和治疗产品中引起了广泛关注[ 283 ]。市场趋势表明,行业利益相关者在开发基于后生元的制剂方面不断创新,例如CytoFlora®和Del-Immune V® ,这凸显了这些化合物的商业可行性[ 283 ]。然而,工业规模化生产的主要障碍仍然是缺乏明确的监管标准和定义,这阻碍了一致的质量控制和产品分类[ 37 ]。目前的全球法规没有为后生元的审批提供统一的框架,这使得功效声明、标签和产品开发变得复杂[ 37 , 285 ]。为确保安全且标准化的商业化,未来的工作重点必须放在建立监管定义、验证健康声明、制定生产标准以及针对特定健康状况的适当给药系统上。弥补这些不足将有助于把后生元的科学前景转化为可持续的经济和治疗成果[ 283 ]。
8. 后生元研究和治疗应用面临的挑战和未来方向
这篇综述强调了后生元因其多效性(包括抗氧化、抗炎和免疫调节活性)以及对肠道屏障完整性、肠道生态系统和肠道菌群特征的直接影响而具有潜在的治疗应用价值。研究人员已开始鉴定出一些与人体代谢和生理过程显著相互作用、促进健康老龄化、改善健康状况和延长寿命的特定后生元成分。然而,后生元也面临着一些挑战和局限性,需要加以明确解决,才能充分发挥其治疗应用价值并提高患者依从性。尽管临床前和临床研究均取得了突破性进展,但一些研究模糊了益生元和后生元之间的界限,因为它们的影响往往没有被分开评估[ 122 ]。
另一项研究局限性在于,由于受试动物模型与人类在肠道微生物群特征、免疫信号通路和环境协变量等方面存在生理差异,导致研究结果难以转化应用[ 286 ]。这会使准确模拟年龄相关疾病变得复杂,阻碍结果的推广应用,并对制定可靠的临床建议构成挑战。将后生元用于特定疾病治疗的另一个挑战是,我们对它们改善健康的机制知之甚少。目前大多数研究都集中在调节动物肠-脑轴上;然而,我们需要开展更多研究,以加深对后生元与人体疾病管理机制之间联系的理解[ 122 ]。
由于后生元固有的特性和研究设计的差异,已发现一些研究结果不确定甚至相互矛盾[ 286 ]。一些研究的后生元具有免疫原性,类似于革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的细胞壁成分,例如脂多糖和脂磷壁酸。一些研究表明,脂磷壁酸可通过降低IL-12和增加IL-10的产生发挥抗炎活性[ 287 ],而另一些研究则发现这种细胞壁成分缺乏显著的抗炎活性,并且可能导致肠道黏膜损伤[ 288 ]。这种差异可能是由于不同研究中后生元的制备方法、益生菌菌株、给药途径、剂量和制剂不统一造成的,这使得比较和确定最佳使用方法变得复杂[ 289 ]。尽管后生元在功能和配方方面展现出良好的优势,但由于对其精确成分的了解仍存在诸多空白,这限制了其安全应用,也阻碍了其被归类为具有稳定活性成分的药物。因此,后生元更常被开发为膳食补充剂或添加到功能性食品中,例如酸奶[ 290 ]。
后生元的一个独特局限性在于它们无法在肠道内增殖或生长,且在停止补充后无法持续发挥作用。因此,需要创新的递送系统来延长其有效时间并减少给药频率[ 291 ]。研究还可以依赖于对与积极健康影响相关的新型后生元生物标志物的定量评估。量化后生元生物标志物有助于确定宿主微生物组的生物水平是否不足或是否提示某种疾病,以及补充后生元是否有益[ 292 ]。
由于其已被证实的健康益处,后生元正被探索整合到食品和保健产品中。目前市场上已有部分后生元产品可供人类使用[ 61 , 62 , 170 ]。然而,后生元食品补充剂面临着监管和标准化方面的挑战。缺乏统一的分类框架给基于后生元的干预措施的标准化和安全性保障带来了挑战[ 293 ]。个体在微生物组特征、饮食模式、表观遗传学以及患者对口味、成本和便利性的依从性等方面的差异,都可能构成挑战,需要更全面的理解和广泛的研究。此外,某些后生元的摄入可能与某些宗教或文化信仰相冲突,从而给市场准入、产品注册和开发带来挑战[ 101 ]。这些挑战为未来的研究方向奠定了基础,未来的研究应侧重于根据个体微生物组特征和健康状况定制的个性化后生元利用方案[ 294 ]。此外,由于后生元代表了营养学、治疗学和生态学的交叉领域,因此必须考虑跨学科合作、长期临床试验以及可负担性和可及性策略方面的伦理最佳实践。
作者贡献
概念化:AH 和 TTHV;方法:AH、TTHV、RE 和 CL;正式分析:AH 和 TTHV;调查:AH;资源:TTHV;撰写初稿:AH;审阅和编辑:TTHV、CL 和 RE;可视化:AH;监督:TTHV、RE 和 CL;资金筹集:TTHV。所有作者均已阅读并同意发表稿件的最终版本。
机构审查委员会声明
不适用。
知情同意声明
不适用。
利益冲突
作者声明不存在利益冲突。
资金声明
这项研究由RMIT副校长高级研究员计划资助。
脚注
免责声明/出版商声明:所有出版物中所包含的陈述、观点和数据仅代表作者或撰稿人个人意见,并不代表MDPI和/或编辑的立场。MDPI和/或编辑对因内容中提及的任何观点、方法、说明或产品而造成的人身或财产损害不承担任何责任。
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