益生菌对肠道菌群的影响

群结构有别于健康人群。 虽然目前还不清楚究竟 是肠道微生物菌群的变化引起了代谢类疾病的发 生， 还是代谢类疾病的发生导致了肠道微生物菌 群的变化，但是有一点可以肯定：通过改变肠道微 生物菌群的构成，对人体的健康产生影响，同时也 可能对某些疾病的治疗提供帮助。 人体生物学是 由人体基因组和人体微生物组两部分组成的，其 中人体基因组的改变是极为困难的， 但是人体肠 道内微生物构成的改变相对比较容易[8]。 饮食、抗 生素类药物以及环境等因素均可以影响个体肠道 菌群的组成 ， [9-11] 其中以饮食因素影响最大。 大量 的研究发现， 直接服用富含益生菌菌株的胶囊及 其发酵乳制品， 可以将大量活性益生菌菌株送达 人体肠道， 从而直接并有效地对人体的肠道微生 物组成产生影响。
2010 年 ，De Filippo 等 [27]应 用 焦 磷 酸 测 序 技 术对 15 名欧洲儿童和 14 名非洲布基纳法索儿童 的肠道菌群进行了研究，结果表明，饮食习惯和环 境差异均对肠道菌群的组成有较大影响。 在非洲 布基纳法索儿童的肠道内， 拟杆菌门和硬壁菌门 的比例为 73∶27，而这一比例在欧洲儿童的肠道内 为 27∶73。 同年，Dethlefsen 等[28]采用同样的方法分 析了使用抗生素 10 个月期间人肠道微生物的变 化。 在环丙沙星的 2 个治疗疗程中，菌群组成总体 平衡，略有增减，但每个疗程的药物治疗都会打破 这种平衡， 其中一位受试者接受环丙沙星治疗后 完全失去了一种普通细菌， 在研究期间再也没有 恢复。 此外还发现肠道中双歧杆菌数量均显著增 加，乳杆菌数量极显著的增加，表明食用降低热值 的糖替代物可改善肠道健康。 上述实验表明抗生 素可以导致人肠道中定居细菌的长期改变。 2010 年 ，Beards 等[29]评 估 了 非 消 化 性 碳 水 化 合 物 制 成 的低能量巧克力对肠道菌群是否具有调节作用，
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中国食品学报
2011 年第 9 期
尽管这些方法的应用为人们认识肠道微生物 生态学提供了新的视角， 然而这些方法并不能让 研究人员在一次试验中全面、 平行分析多个样本 中的微生物群落信息， 因而也不能对不同来源的 多样本间微生物分子生态学进行关联分析。
第 2 代测序仪 Recho 454— ——焦磷酸测序平 台 （Pyrosequencing）的 出 现 为 全 面 、 快 速 、 准 确 地 研究微生态环境中微生物多样性提供了新的方 法。 2005 年，Margulies 等[24]优化、改良 Recho 454 测序技术，并用来进行 SNP 检测和微生物群落多 样性分析。 虽然这一方法可以在一次测序试验中 获得大量序列， 但不能在一次试验中平行分析多 个样本。 为了克服这一缺陷，人们在焦磷酸测序前 为每个样品加上一段 8～10 个被称作样品特异性 条 形 码 （barcode） 或 者 标 签 （Tag） 的 核 苷 酸 序 列 ， 这 样就可以实现高通量、多样本的平行试验[25]。 这种 方 法 被 称 为 多 重 条 形 码 焦 磷 酸 测 序 技 术 （Multiplex barcoded pyrosequencing）， 该方法的应用可 以在一次实验中分析多个样本，大大节约了实验成 本，提高实验效率，并且可以实现不同样本间的关 联分析[26]。 由此，这一技术已广泛应用到深矿井、土 壤、深海生物圈、慢性创伤部位、人类口腔及肠道 等微生态环境中微生物多样性的检测和研究中。
1 国内外关于益生菌对肠道菌群影响的 研究现状
1.1 肠道微生物构成研究手段和技术 传统肠道菌群的研究主要是建立在纯培养技
术之上的，然而这些方法耗时、费力，操作复杂，并 且受到培养条件的约束，不能全面、客观地反映肠 道菌群的真实情况。 分子生物学技术的快速发展 为肠道菌群研究提供了全新的方法和思维， 特别 是宏基因组理论的提出以及与之相结合的技术逐 步 问 世 ，诸 如 变 性 梯 度 凝 胶 电 泳 技 术 （DGGE） 和 荧 光 定 量 PCR 技 术 （RT-PCR）等 ，提 供 了 成 套 的 基 于非培养的微生物研究技术。
第 11 卷 第 9 期 2 0 1 1 年 12 月
中国食品学报
Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology
Vol． 11 No． 9 Dec． 2 0 1 1
益生菌对肠道菌群的影响
— ——以 Lactobacillus casei Zhang 研究为例
张家超 1 郭 壮 2 孙志宏 1 陈 卫 2* 张和平 1* （1 内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室 呼和浩特 010018
2 江南大学食品学院，食品科学与工程国家重点实验室 江苏无锡 214122）
摘要 人体肠道内栖居着数以万亿计的微生物，这些微生物在繁衍的过程中逐渐达到种类和数量的平衡，而这 种平衡与机体正常代谢密切相关。 一旦肠道菌群结构发生失调，各种代谢类疾病便随之而来。 益生菌在肠道内 的大量繁衍 ，可调节紊乱的肠道菌群结构并提高机体的免疫能力 ，进而帮助恢复健康水平 。 近年来 ，国际上科学 研究的热点逐渐集中于益生菌对肠道菌群的影响以及肠道菌群和疾病的关系。 本文概述国内外有关益生菌影 响肠道菌群的研究现状。 以 1 株具有完全自主知识产权并且已成功实施产业化应用的益生菌菌株— ——Lactobacillus casei Zhang 为例，详实说明益生菌对人肠道菌群的影响。 在此基础上提出本学科现存的若干研究瓶颈 及今后的发展方向。
变 性 梯 度 凝 胶 电 泳 （DGGE） 是 近 几 年 来 肠 道 菌群多样性及肠道菌群变化研究运用较多的一项 技术。 PCR-DGGE 最先由德国的 Muyzer 等[18]应用 于微生物领域的研究， 其原理是扩增 16S rDNA 多变区基因序列，利用不同 DNA 片段解链条件以 及梯度变性胶等特性， 完成对碱基组成不同的 DNA 片段的分离。 该方法省时、省力、操作简便、 灵敏度高，可检测到一个核苷酸水平的差异。
实时荧光定量 PCR（Real-time Polymerase Chain Reaction） 技术于 1996 年由美国 Applied Biosystems 公司推出，该技术的问世实现了 PCR 从定性 分析到定量分析的飞跃。 近年来， 由于该方法高 效、准确的定量特性，被广泛用于肠道微生物菌群 中 某 些 特 定 菌 群 的 定 量 分 析 。 2004 年 ，Matsuki 等[22]应用该技术和荧光原位杂 交 技 术 （FISH）对 6 名健康志愿者肠道内的 6 种优势菌群进行了定量 分析，结果表明球形 梭 菌 （Clostridia coccoides）的 含量为 10.4 log cfu/g，柔嫩梭菌（Clostridia leptum） 为 10.1 log cfu/g，脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis） 为 10.7 log cfu/g，Bifidobacterium 为 9.8 log cfu/g， 奇异菌属（Atopobium cluster）为 9.9 log cfu/g，普氏 菌属（Prevotella）为 10.1 log cfu/g。 2006 年，荷兰瓦 格宁根大学 Haarman 等[23]应用该技术监测 3 组婴 儿在服用含有益生菌配方奶粉后肠道内 8 种乳杆 菌数量和比例的变化情况。 监测结果表明，在服用 含有益生菌的奶粉后婴儿肠道内嗜酸乳杆菌数量 明显增加，而其它几种乳杆菌变化不明显，但总的 乳杆菌数量略有提升。
关键词 益生菌； 肠道菌群 文章编号 1009-7848（2011）09-0058-11
10 年前， 当人类基因组计划顺利完成时，整 个科学界都为之轰动— ——“生命密码” 被破译，人 类对自己的认识将愈发深刻。 当科学家以为人类 所有问题将迎刃而解的时候， 更多的事实却悄悄 地指向一个被忽视的领域— ——肠道菌群。 正常人 体内存在大量的共生菌群， 这些细菌大部分寄生 在人的肠道中，超过 1 000 万亿个，是人体细胞总 数的 10 倍。 其微生物基因数量约 300 万个，大约 是人类基因组基因数量的 100 多倍。 如此海量的 基因能够帮助微生物适应多变的环境， 同时形成 了与人体密不可分的互惠共生关系[1]。 研究发现， 不同肠道微生物结构和组成影响着宿主的营养物 质加工、能量平衡、免疫功能、胃肠道发育及其它 多种重要的生理活动。 同时，研究发现糖尿病[2-3]、 肥 胖 症[4-6]、高 血 压[7]等 代 谢 类 疾 病 的 患 者 的 肠 道 菌
收稿日期： 2011-10-23 项目来源： 国家杰出青年科学基 金 （No. 31025019）；教 育
部 创 新 团 队 发 展 计 划 （IRT0967）；国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （863 计 划 ，2011AA100901， 2011AA100902 ） 资 助 作者简介： 张家超，男，1986 年出生，博士生 通讯作者： 陈卫，张和平
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源自文库
益生菌对肠道菌群的影响— ——以 Lactobacillus casei Zhang 研究为例
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的调整宿主肠道微生物的组成， 激活宿主内源性 微生物群或者免疫系统的活性来实现的。 口服益 生菌能够治愈或缓解多种胃肠道或与胃肠道相关 的疾病。 目前研究证实口服益生菌有助于缓解乳 糖不耐症， 预防或者治愈胃肠炎（gastroenteritis）、 抗 生 素 相 关 性 腹 泻 （antibiotic -associated diarrhea）、 旅行性腹泻 （traveler’ s diarrhea）、 便秘 （constipa tion） 及 肠 道 感 染 （intestinal infections）， 同时可抑制有害微生物在宿主肠道中定植， 对肠 易激综合征（irritable bowel syndrome， IBS）、炎症 性肠炎（inflammatory bowel disease， IBD）及结肠 癌 （colon cancer）等 肠 道 相 关 性 疾 病 具 有 良 好 的 预防和治疗作用 。 [13-16] 近年来，关于益生菌菌株对 肠道菌群影响的研究报告越来越多， 新的研究手 段也不断呈现， 益生菌对肠道菌群的影响已经成 为益生菌及相关领域的研究热点。 本文在概述国 内外关于益生菌影响肠道菌群研究现状的基础 上， 以 1 株具有完全自主知识产权并已成功实施 产业化应用的益生菌 菌 株— ——Lactobacillus casei Zhang 为例，详实说明益生菌对人肠道菌群的影响。
益生菌 （Probiotic）， 源于希腊语 “对生命有 益 ”，是 定 植 于 人 体 肠 道 内 ， 能 产 生 确 切 健 康 功 效 的活的有益微生物的总称。 早在上个世纪初（1907 年），著名细菌学家、诺贝尔奖得主梅切尼科夫即 提出益生菌可以延年益寿的假说。 益生菌主要包 括乳杆菌 （Lactobacillus） 和双歧杆菌（Bifidobacterium）[12]， 其益生作用主要是通过直接或者间接
2001 年，Satokari 等[19]应用该技术配合种属特 异性引物， 对健康人粪便中双歧杆菌属的多样性 进行了研究。 通过对 DGGE 图谱中特异性条带的 测序，发现青春双岐杆菌（Bifidobacterium adolescentis）、动物双歧杆菌（Bifidobacterium animalis）、 长 双 歧 杆 菌 （Bifidobacterium longum）、 链 状 双 歧 杆菌（Bifidobacterium catenulatum）、角形双歧杆菌 （Bifidobacterium angulatum）、两歧双歧杆菌 （Bifidobacterium bifidum） 在人体肠道中普遍存在，而 两歧双歧杆菌是优势菌群。 同年，Walter 等[20]应用 乳杆菌特异性引物和 DGGE 技术揭示了人肠道内 乳杆菌的多样性， 其研究结果表明， 嗜酸乳杆菌 （Lactobacillus acidophilus）、 加 氏 乳 杆 菌 （Lactobacillus gasseri）、 鼠 李 糖 乳 杆 菌 （Lactobacillus rhamnosus） 和 干 酪 乳 杆 菌 （Lactobacillus casei） 在 人 肠 道 内 大 量 存 在 。 2004 年 ，Bartosch 等 [21]使 用 RT-PCR 和 DGGE 相结合的方法对健康老人和长 期服用抗生素类药物老人的肠道菌群进行了分 析。 结果表明，健康老人肠道菌群的种类和有益菌 群的数量明显高于长期服用抗生素类药物的 老人。