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[转载]膳食纤维对代谢健康和肥胖的影响

已有 349 次阅读 2024-3-22 11:19 |系统分类:科普集锦|文章来源:转载

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肥胖代谢综合征在全球范围内日益流行,是21世纪人类健康面临的重大威胁之一。据世界卫生组织(WHO)全球数据估计,目前全球约13%(即近65亿)成年人口受肥胖症影响

肥胖代谢综合征对健康的危害包括增加患心血管疾病糖尿病高血压的风险,影响身体的免疫系统和内分泌系统,还可能导致肝脏疾病等

更令人担忧的是,模型预测到2030年,约五分之一的成年人将患有肥胖症,这些数字突显了寻求新疗法的迫切需要,这些新疗法将独特地利用肥胖和代谢综合征背后的复杂途径来促进体重减轻以及代谢和免疫系统的调节

"肥胖"是指身体过度脂肪堆积超过正常范围的体重。通常是由于摄入热量过多消耗热量不足导致的。同时肥胖患者还伴有慢性低度炎症,以及肠内分泌和神经激素的失调

体重通过激素神经代谢途径之间复杂的相互作用进行调节,并受到许多环境因素的影响。能量摄入支出之间的不平衡可能是由于多种因素造成的,包括饮食行为的改变异常的饱腹感或饥饿感以及低能量支出

目前主要有两种新兴的治疗方式:通过肠道微生物群膳食纤维肠道微生物群通过涉及粘膜和全身免疫、激素和神经系统的多种机制,深刻影响能量稳态的各个方面。

膳食纤维新陈代谢肥胖的益处也已通过机制研究和临床试验得到证明,在本文,我们讨论了不同纤维的理化特性纤维和肠道微生物群如何相互作用以调节体重稳态的最新发现,以及与使用膳食纤维作为补充策略

了解膳食纤维沿胃肠道的生理效应,包括肠道微生物群的作用,将支持开发利用微生物群和临床特征来预测个体对纤维补充反应的精准医学方法,用于调节免疫、代谢和体重稳态。随着临床前和临床研究继续探索膳食纤维能够促进哪些与健康相关的微生物群和代谢物,对这种纤维-微生物群的相互作用将为开发基于纤维的精准营养提供框架,以实现更优化、个性化的肥胖和代谢综合征相关治疗。

01关于肥胖你需要知道的

为了更好地预防和改善肥胖,我们需要先了解关于肥胖的一些知识

▼肥胖的病理生理学

✦ 肥胖患者肠内分泌和神经激素会失调

肥胖不仅仅是体重过高,其实是一种复杂的慢性进行性疾病,其特征是体内脂肪堆积过多以及肠内分泌神经激素信号通路失调,从而增加食欲能量储存

✦ 肥胖还伴有慢性低度炎症

肥胖也被描述为一种慢性低度全身炎症,循环促炎细胞因子水平升高,对中枢神经系统(CNS)以及参与能量和代谢稳态的所有器官产生负面影响

肥胖个体下丘脑尺寸的增加被认为是由于下丘脑炎症所致,这将加剧能量稳态失调。内脏脂肪组织和胃肠道失调似乎是全身炎症的主要原因。来自肥胖动物模型的大量证据支持肠道微生物群衍生的脂多糖数量增加通过增强细胞旁运动或通过乳糜微粒运输的跨细胞途径进入体循环的作用,从而启动许多炎症途径,进一步导致体重增加

尽管来自人类研究的证据不如来自动物模型的结果清楚地表明肠道来源的脂多糖肥胖之间的关联,但人体中的一些研究结果已将全身性脂多糖增加肥胖联系起来,特别是与肥胖相关的代谢疾病风险

此外,一些人类研究的结果表明,高水平的餐后内毒素血先于2型糖尿病的发生,这表明存在潜在的致病作用。

▼能量稳态的控制

在正常生理条件下,能量稳态通过调节饮食行为能量储存肠内分泌神经激素信号通路受到严格控制。除了胰腺产生胰岛素胰高血糖素之外,胃肠道和脂肪组织也会产生主要整合在下丘脑内的信号,以调节食物摄入能量消耗

✦ 肠内分泌激素有促食欲和抑制食欲两种作用

肠内分泌激素,由整个胃肠道中专门的肠内分泌细胞(EEC)响应营养和其他信号而释放。这些激素在胃肠道和远处器官中发挥局部作用,协调能量稳态的维持,包括饥饿、饱腹感肠道屏障完整性肠道转运、血糖控制整体能量平衡

肠内分泌激素的功能可根据其促食欲(刺激食欲)和厌食(抑制食欲)特性大致分类。胆囊收缩素(CCK)、肽 YY(PYY)、胰高血糖素样肽1(GLP1)、葡萄糖依赖性促胰岛素多肽(GIP)和胃泌酸调节素是主要由小肠EEC产生并在餐后释放以诱导饱腹感减少食物的摄入

从胃中释放的生长激素释放和从结肠中的EEC释放的胰岛素样因子5(INSL5)充当促食欲信号瘦素脂联素从脂肪组织中释放,也有助于调节饮食行为和能量稳态。

主要肠道激素及其对能量稳态的影响

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Deehan EC,et al.Nat Rev Gastroenterol Hepatol.2024

✦ 进食速度和食物适口性也会影响能量摄入

然而,肠道源性食欲激素的水平并不一定与能量摄入相关;此外,一些研究表明,人类对急性饮食的激素反应并未表现出对常量营养素摄入量长期差异的实质性适应。这些发现表明,其他因素,例如食物能量密度食物摄入速度以及食物的适口性,可能会增加人类的能量摄入

✦ 中枢神经系统调节饥饿、饱腹感和能量储存

中枢神经系统是多种肠道源性激素的重要作用部位,也是通过整合涉及自主下丘脑回路、皮质执行回路和皮质边缘奖励通路的大脑网络来调节饥饿饱腹感能量储存的中枢调节器。

下丘脑的弓状核内有两个独立且相对的神经元群:促食欲NPY-AgRP神经元促厌食POMC-CART神经元

NPY-AgRP神经元被能量不足和信号(如生长激素释放肽)激活,以刺激食物摄入,并被胃肠道中营养物质的存在饱足信号(如CCK和PYY)抑制。相比之下,瘦素等信号激活POMC-CART神经元会抑制进食,并由于释放与大脑黑皮质素受体结合的α-黑素细胞刺激激素而改变葡萄糖代谢

✦ 肥胖患者的能量信号受损导致易暴饮暴食

有证据表明,肥胖成人中营养信号的受损导致暴饮暴食和肥胖。在一项针对健康体重个体和肥胖个体的单盲、随机、对照交叉研究中,结果显示,肥胖个体在大脑对摄入营养素的反应中表现出整体和营养特异性受损。因此肠道和脂肪源性激素以及中枢神经系统共同是能量稳态治疗操纵的基本目标。

过去二十年的研究表明,肥胖代谢特征的特征是人类血清胆囊收缩素、胰岛淀粉样多肽胃饥饿素INSL5和胰岛素水平升高,同时瘦素GLP1和PYY水平降低

重要的是,这些血浆激素水平被发现随着减肥手术后肥胖的解决而恢复正常,从而强调了它们作为关键治疗靶点的作用。

▼基于药物的疗法

✦ 激素药物的疗法会受到胃肠道耐受性的影响

针对肥胖的内源性神经分泌机制的药物是治疗肥胖代谢综合征最有效的长期药物疗法。GLP1激动剂(索马鲁肽、利拉鲁肽和西他列汀)已被证明对持续减肥改善心脏代谢功能具有良好功效。

使用作用于GIP、GLP1或胰高血糖素受体的双重和三重激素受体激动剂的临床试验已显示出在减肥和改善代谢参数方面的卓越功效。

然而,这些基于肠降血糖素的疗法的使用目前受到高成本、有限的医疗保健覆盖范围和胃肠道耐受性问题的限制。此外,人们还担心这些药物对肠道功能的长期影响

✦ 基于饮食的疗法将是未来的趋势

由于这些限制,人们越来越有兴趣开发替代性肠促胰岛素靶向疗法,特别是基于饮食的方法,通过使肠促胰岛素激素(如GLP1和GIP)水平正常化治疗肥胖预防肥胖相关代谢功能障碍的发生。

02膳食纤维和代谢健康

在动物模型和人类中进行的大量研究表明膳食纤维摄入宿主代谢和减肥有好处,因此增加膳食纤维摄入量作为一种基于饮食的肥胖疗法已引起广泛关注。

膳食纤维是碳水化合物的一种聚合物,主要存在于植物食物中,可抵抗哺乳动物基因组中编码的酶的消化;它们到达近端结肠,在其中经历肠道微生物群不同速率和程度的糖分解发酵

✦ 目前大部分人群膳食纤维摄入不足

膳食纤维的生理益处多种多样,取决于其理化特性摄入量,膳食纤维的推荐膳食摄入量为每1000kcal 14克(成年女性每天25克,成年男性每天38克)。然而,目前大部分人群通常每天摄入的纤维少于15克,即推荐量的一半左右。

✦ 肠道微生物在纤维代谢促进健康中起重要作用

几项大型前瞻性研究已经证明了纤维消耗代谢健康之间的关联,目前的工作强调了肠道微生物群在将膳食纤维摄入有益效果联系起来。

越来越多的证据表明,肠道微生物群通过涉及免疫、激素神经系统影响的多种机制,深刻影响能量稳态的各个方面,并且肠道菌群失调或肠道微生物类群的异常组成可能会导致能量代谢紊乱并对脂肪组织、肌肉和肝脏造成影响

肠道微生物群发酵纤维会释放出多种代谢物,包括短链脂肪酸酚类吲哚化合物支链脂肪酸、乳酸、琥珀酸和各种气体(氢气、二氧化碳、甲烷、一氧化氮和含硫化合物)。

肠道微生物产生代谢物的途径和前体对饮食摄入具有高度适应性;因此,通过特定的饮食干预措施(例如膳食纤维)来针对微生物代谢改善代谢功能障碍肥胖的关键因素。

▼短链脂肪酸

短链脂肪酸是通过微生物可接触的膳食纤维发酵产生的主要代谢物,人体肠腔中主要短链脂肪酸的相对比约为乙酸盐(60):丙酸盐(20):丁酸盐(20)

短链脂肪酸可以通过与G蛋白偶联受体相互作用并抑制组蛋白脱乙酰化来介导多种局部和外周效应,从而导致基因表达的表观遗传调节变化

丁酸盐在结肠中被结肠细胞用作能量来源,而丙酸盐和乙酸盐通过门静脉吸收到肝脏,其中丙酸盐主要用作糖异生脂肪生成的底物;相反,乙酸盐以更高的量进入体循环。

✦ 短链脂肪酸影响激素分泌从而改善葡萄糖代谢

除了纤维对胃排空抑制消化的影响已得到充分证明外,增加饮食中的纤维含量可能会通过产生短链脂肪酸帮助减肥葡萄糖代谢

大量体外和小鼠研究表明,短链脂肪酸通过G蛋白偶联受体GPR41和GPR43(也称为FFAR3和FFAR2)直接刺激肠道肠内分泌细胞分泌胰高血糖素样肽-1(GLP-1)和肽YY(PYY)。

体内研究表明,急性直肠输注醋酸盐短链脂肪酸混合物增加PYY和GLP1的全身水平。此外,一项人体研究表明,与单独使用菊粉相比,在20名健康成年人中,急性口服菊粉丙酸盐增加全身PYY和GLP1的水平,并减少食物摄入量,这表明丙酸盐水平增加在调节血糖新陈代谢方面发挥着作用。

✦ 短链脂肪酸影响神经系统抑制食欲和能量摄入

短链脂肪酸还可以直接与肠神经系统相互作用,从而允许肠道来源的短链脂肪酸向大脑直接发出信号。小鼠研究表明,短链脂肪酸给药可通过中枢神经系统相关机制抑制食欲和能量摄入

此外,体外和小鼠研究表明,短链脂肪酸可以通过多种机制增强血脑屏障,包括减少氧化和促炎途径以及增加紧密连接蛋白。

在小鼠研究中,乙酸盐和丁酸盐已被证明可以穿过血脑屏障并刺激迷走神经下丘脑,从而调节食物摄入量饱腹感。使用功能性磁共振成像的人体研究表明,结肠丙酸盐输送减少了与食物渴望相关的大脑区域的活动,并减少了食物摄入量

需要注意的是,尽管在人脑和脑脊液中发现了可测量浓度的短链脂肪酸,但人脑对循环短链脂肪酸的摄取似乎有限,这表明一些记录在案的循环短链脂肪酸对大脑活动的影响可能是这是由于短链脂肪酸诱导的与免疫和内分泌系统的相互作用,而不是大脑内的直接相互作用。

短链脂肪酸对能量稳态的作用机制

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Deehan EC,et al.Nat Rev Gastroenterol Hepatol.2024

✦ 短链脂肪酸影响脂肪的分解和积累

在培养的小鼠和人类脂肪细胞中,乙酸盐丙酸盐已被证明能够以G蛋白偶联受体依赖性方式促进脂肪分解抑制脂肪生成,从而可能减少非脂肪组织和脂肪组织中的全身脂质循环和脂肪积累,同时还提高胰岛素敏感性

在人类研究中,短链脂肪酸的直肠给药已证明可以促进全身脂肪分解,并且在体外培养的人类脂肪细胞中,短链脂肪酸也已被证明可以刺激瘦素分泌。短链脂肪酸还可以减少人类外植体脂肪组织的促炎细胞因子分泌,因此可能有助于减少与肥胖相关的全身低度炎症

注意:仍然存在一些不确定性

然而,尽管大量工作支持短链脂肪酸调节体重增加宿主代谢方面具有潜在的有益作用,但该领域关于短链脂肪酸在肥胖中的作用仍然存在很大的不确定性,因为许多影响主要体现在小鼠模型无法在人类研究中复制。

事实上,据报道短链脂肪酸水平升高和降低都与肥胖有关。然而,大多数人类研究测量粪便样本中的 短链脂肪酸,这反映了生产、吸收和利用的净结果,并不一定反映可能更相关的全身水平。

为了支持这一观点,对160名BMI在19.2 kg/m2至41kg/m2且葡萄糖代谢正常或受损的参与者进行的横断面研究中证明,全身短链脂肪酸水平空腹甘油呈负相关。三酰甘油和游离脂肪酸,与空腹GLP1呈正相关,而粪便水平与这些参数均无关联。此外还发现循环醋酸盐胰岛素敏感性之间呈负相关,而丙酸盐与胰岛素敏感性呈正相关

总体而言,研究短链脂肪酸宿主代谢的生理影响的可用人体体内数据仍然有限。由于纤维肠道微生物群人体新陈代谢之间相互作用的复杂性,目前尚不清楚增加纤维摄入量的有益影响是由于微生物代谢和某些代谢物(例如短链脂肪酸)的产生或其他有据可查的影响而产生的纤维的变化,包括运输时间营养吸收或粪便膨胀和结合的改变。

▼乳酸和琥珀酸

除了短链脂肪酸之外,肠道微生物群还在膳食纤维发酵过程中产生乳酸琥珀酸,然而,这些代谢物通常被认为是微生物生产短链脂肪酸的中间体。

✦ 肥胖和代谢综合征患者乳酸和琥珀酸含量增加

乳酸和琥珀酸以低浓度存在于血液和组织中,与没有肥胖的人相比,在肥胖和代谢综合征患者中检测到的水平有所增加。乳酸是宿主衍生的葡萄糖代谢产物,当糖酵解通量超过线粒体氧化时,血液中的乳酸会增加

✦ 乳酸可能作为活性信号分子减少促炎反应

因此,乳酸可以被认为是葡萄糖代谢受损的生物标志物。此外,体外和小鼠研究表明,乳酸可以作为活性信号分子,调节脂肪细胞功能和代谢,并通过GPR81依赖性和非GPR81依赖性来减少脂肪组织和免疫细胞功能中的促炎症反应

由于这些有益的发现,有人建议通过增加纤维摄入量和由此产生的乳酸产量来靶向GPR81可能代表肥胖和代谢紊乱的新治疗靶点

✦ 琥珀酸作为代谢稳态的一种信号分子

尽管琥珀酸传统上被认为是三羧酸循环的代谢物,但目前的研究已证明琥珀酸可作为参与应激组织损伤的代谢信号

肠腔中琥珀酸含量较低,但对小鼠的研究发现,细胞外琥珀酸的浓度随着纤维摄入量的增加而增加。琥珀酸可以通过与几种不同细胞类型(包括脂肪细胞和免疫细胞)上的琥珀酸受体1(SUCNR1;也称为GPR91)结合而充当信号分子

在人类中,横断面研究报告称,血浆琥珀酸水平肥胖葡萄糖代谢损伤之间存在负相关。据报道,琥珀酸还可以充当生热激活剂和褐变剂,并且对脂肪分解具有影响

一项使用脂肪细胞特异性Sucnr1敲除小鼠和从肥胖人群中分离出的人类脂肪细胞的研究发现,通过与SUCNR1相互作用调节脂肪细胞中的生物钟和瘦素表达,琥珀酸诱导的代谢效应具有新功能。

✦ 琥珀酸可能有助于解释代谢与炎症之间的联系

还有强有力的证据表明琥珀酸-SUCNR1信号传导可以充当代谢应激炎症之间的联系。

利用人类原代巨噬细胞证明,细胞外琥珀酸可以诱导巨噬细胞产生抗炎作用。有趣的是,肥胖全身琥珀酸水平高有关,但脂肪组织驻留巨噬细胞中琥珀酸受体的表达减少,这可能有助于解释为什么肥胖患者往往无法控制炎症

在小鼠模型中,研究表明,肠道微生物群响应补充低聚果糖 的饮食而产生的琥珀酸增加,通过充当肠道糖异生的底物并随后减少肝脏葡萄糖的产生改善血糖控制能量代谢

随着越来越多的研究检查琥珀酸诱导的生理效应,它可能有助于阐明细胞外琥珀酸的作用及其在调节宿主代谢中的局部和全身作用模式以及如何最好地针对这些途径。

▼肠道气体

✦ 微生物发酵膳食纤维产生的气体会导致一些胃肠道症状

膳食纤维经微生物发酵还会进一步产生H2、CO2和CH4等气体。然而,纤维发酵过程中气体产量的增加可能会引起不良症状,并且是个体不耐受高水平纤维的主要原因之一。

因此,还需要进行更多研究来增加肠道气体对宿主生理和代谢影响的了解,使用纤维和大量营养素的饮食控制来减轻患有与产气相关的胃肠道疾病的患者症状

03膳食纤维对胃肠道的生理作用

了解膳食纤维在胃肠道中的生理效应机制,包括其与肠道微生物群的作用,将有助于开发基于膳食纤维的补充策略,以调节免疫代谢和体重稳态

▼膳食纤维的异同

所有膳食纤维的共同特征是它们的低聚或多聚碳水化合物结构可抵抗小肠的消化,并且如果分离和合成,则对人类健康显示出生理益处。然而,纤维之间的化学和物理结构以及理化特性存在巨大的异质性

常见分离和合成的商业膳食纤维

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✦ 膳食纤维的差异会影响其对人体的作用

具有较长、无支链的线性碳水化合物结构(如纤维素)通常不溶于水性溶剂,阻碍了人类肠道微生物群对其进行发酵,使较少的微生物能够接触到这种结构。

相比之下,具有混合连接或支链的低聚合物和聚合物通常可溶于水,更容易被肠道微生物接近。因此,随着聚合度的增加,可溶性纤维倾向于将水和其他化合物截留在聚合物内和聚合物之间,从而以浓度依赖性方式增加粘度分子量也会影响微生物的发酵和短链脂肪酸生产速率;然而,分子量与发酵之间的关系取决于纤维结构,且不一定是线性的。

尽管纤维通常根据物理化学性质(例如溶解度、粘度、结合能力或发酵性)进行分类,但这种分类并不能反映离散纤维结构所表现出的全部性质

例如,来自高粱或稻米等草类的阿拉伯木聚糖低聚物或简单结构的聚合物很容易发酵,而复杂结构的阿拉伯木聚糖要么在整个结肠中缓慢发酵,要么很难被人类肠道微生物群作用

因此,了解纤维的结构和理化特性,尤其是分离或合成后的纤维,对于更精确地应用纤维来治疗肥胖至关重要

▼近端胃肠道的生理反应

膳食纤维的理化特性影响它们在胃肠道中的作用,从而决定它们对炎症代谢能量稳态的影响。

✦ 粘性纤维和较大纤维会增加饱腹感并减少摄入

从口腔开始,粘性纤维大纤维颗粒(如谷类麸皮)可以通过获得更坚硬和耐嚼的食物基质来延长咀嚼和口腔感官暴露,从而改变内分泌相对饱腹感的反应并减少能量摄入

当食品应用中热量密集的糖和脂肪减少时,菊粉、低聚果糖和微纤丝纤维等纤维也可以保持感官特性(如甜味和口感)。天然食品中的纤维基质进一步充当唾液淀粉酶等消化酶的屏障。咀嚼过程中这些三维植物细胞壁结构的维持影响细胞内成分(如淀粉)沿胃肠道的生物利用度

增加食糜粘度的纤维,例如较高分子量的混合连接或支化聚合物和微纤丝纤维,可促进胃扩张延迟胃排空。小肠腔内增加的食糜粘度通过限制营养物质向粘膜扩散和内源性消化酶的活性进一步延迟营养物质吸收,这通过触发回肠破裂进一步减慢近端胃肠传输

✦ 纤维结构影响脂质的吸收和利用率

除了粘度之外,某些纤维结构还可以结合或捕获化合物,例如常量营养素微量营养素酚类胆汁酸,从而延迟或阻止小肠吸收。胆汁酸与膳食纤维的结合会干扰胆汁酸的肠肝循环并阻碍胶束形成,从而减少脂质的吸收和利用率

此外,增加纤维结合胆汁酸向大肠的输送可能会导致微生物胆汁盐水解酶和 7α-脱羟酶将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸。对人类和小鼠的研究以及使用分离的人类胰岛和哺乳动物培养细胞的体外实验表明,这些次级胆汁酸通过多种膜和核受体(包括G蛋白偶联胆汁酸受体(TGR5)和法尼醇X受体,导致饱腹感增加、肝糖原合成、肝脏、棕色脂肪和肌肉组织中的胰岛素分泌和能量消耗

一项针对肥胖和2型糖尿病患者(n=23)的研究证明,将结合胆汁酸输送到回结肠区域可降低餐后血糖空腹胰岛素水平,并增加GLP1分泌,这支持了胆汁酸在葡萄糖代谢中的作用。

✦ 膳食纤维会影响小肠对营养的反应

尽管了解甚少,但膳食纤维可能会进一步改变驻留的小肠微生物群,在大鼠模型中显示这种相互作用会影响小肠营养感应,特别是低聚果糖诱导的脂质感应,从而促进肠内分泌细胞(EEC)释放GLP1以增加饱腹感

在培养细胞、动物模型和人类中进行的大量工作也表明微生物代谢物胃肠道味觉受体表达和活性的改变有关,从而导致味觉偏好食物摄入的改变。

最后,所有膳食纤维,无论是天然存在的、分离的还是合成的,都可以通过简单地用不可消化的碳水化合物代替一部分可消化的化合物来减少能量摄入,这与能够在不改变感官特性的情况下在食物中实现更高水平的较低粘性纤维相关。

总体而言,小肠的营养吸收率受到结构依赖性的影响,增加了纤维消耗的阻碍。这有助于促进饱腹感减弱餐后血糖、血脂和炎症反应,而这些反应通常在肥胖症中失调

▼结肠和肠道微生物群

纤维摄入量的增加相当于未吸收的营养物质增加,这些营养物质到达近端结肠并可供人体肠道微生物群利用。

膳食纤维对胃肠道的生理影响

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Deehan EC,et al.Nat Rev Gastroenterol Hepatol.2024

✦ 微生物对膳食纤维作用改善排便和减轻炎症

与小肠中的化合物结合的纤维进一步在结肠中被作用,使底物和其他生长因子接近利用它们的特定微生物。肠道微生物群对发酵缓慢或发酵不良的化学和物理结构,如大纤维颗粒、纤维素或车前草,通过刺激蠕动粘膜分泌抑制水的重吸收来提供其他胃肠道益处,这已被证明可以增加体积和软化人类粪便。

这些纤维通过抑制微生物发酵可能减少结肠转运时间,促进结合化合物的排泄并减轻全身炎症。尽管可发酵纤维还可以通过增加微生物生物量以及产生短链脂肪酸和气体来影响结肠转运时间,但纤维发酵的主要生理效应归因于假定有益微生物的结构特异性扩张以及随后结肠内短链脂肪酸其他代谢物的产生。

✦ 富含膳食纤维的饮食使肠道微生物群更丰富

纤维到达结肠时会引发微生物群落内复杂的交互作用,这些群落共同获取、降解和利用代谢产物,最终丰富了成员多样性

初级降解和次级发酵释放短链脂肪酸、气体和其他代谢产物,被代谢物利用者进一步转化,影响与结肠细胞的相互作用。

消耗可发酵纤维支持多种微生物群成员,解释了纤维结构多样的饮食与多样化微生物群的关联,这是健康肠道微生物组的特征

结肠中成员的富集和代谢产物的促进取决于纤维结构个体群落生态因素,如结肠微环境。研究表明,特定饮食可增加能量利用降低脂肪含量,并提高胰高血糖素样肽-1(GLP-1),而食物摄入量无显著变化。

✦ 复杂结构的膳食纤维增加结肠远端的短链脂肪酸产量对代谢有利

尽管纤维发酵过程中微生物群落产生的副产物主要发生在结肠近端,但通过消耗具有结晶或复杂结构的纤维可以减慢发酵速率,从而减轻肠道气体的产生并将短链脂肪酸输出转移到远端

研究表明,增加短链脂肪酸远端产量可通过上调PYYGLP1肠内分泌激素,对人类的饱腹感血糖能量代谢产生有利影响

事实上,在肥胖男性中,远端结肠中施用的醋酸盐增加脂肪氧化和循环PYY;然而,当在近端结肠中施用醋酸盐时,没有看到效果。尽管向增加脂肪氧化和PYY产生的转变意味着有利的能量代谢,但仍需要进一步研究来确定是否可以通过增加远端结肠中纤维发酵和短链脂肪酸的产生来减少体重和肥胖

✦ 远端结肠可能是未来治疗肥胖的靶点

糖分解发酵向远端结肠的扩展和延伸进一步减少了膳食和粘膜蛋白质的发酵。蛋白水解发酵的抑制部分是由于肠道微生物对碳水化合物而非氨基酸的普遍偏好,以及乳酸和纤维发酵过程中结肠pH值降低抑制蛋白水解酶

人类蛋白水解发酵的减少可能会随后降低被认为有害和促炎的病原体(例如脱硫弧菌)和代谢物(例如氨或对甲酚)的水平。纤维和蛋白质发酵之间的平衡已在人类身上得到证实,因为增加抗性淀粉的剂量以及将饮食模式从高蛋白、低碳水化合物转变为体重维持饮食已被证明可以增加粪便中的短链脂肪酸并减少支链脂肪酸,支链氨基酸发酵产生的代谢物。

促进结肠中短链脂肪酸的产生可能会通过刺激粘液分泌上调紧密连接蛋白增加抗菌肽浓度调节结肠上皮增殖增强胃肠道屏障完整性,共同减轻细菌脂多糖的易位和随之而来的代谢性内毒素血症。总之,这些结果支持将远端结肠作为控制肥胖的治疗靶点。

▼其他因素的影响

除了膳食纤维结构之外,还有一些生态因素会影响纤维发酵过程中促进健康相关的微生物和代谢物的产生。

✦ 结肠转运时间影响微生物群和宿主代谢

结肠转运时间被认为是影响肠道微生物群宿主代谢的关键因素,转运时间较慢与纤维发酵速率降低短链脂肪酸减少远端结肠pH值蛋白水解发酵增加以及肠道对粪便能量的回收减少。

体外实验进一步表明,结肠pH值的降低可通过选择对酸敏感的微生物(如拟杆菌)来塑造参与纤维结构发酵的独特微生物群落。由于参与结肠纤维发酵的大多数共生微生物是专性厌氧菌,因此如在炎症中观察到的那样,结肠微环境中氧浓度的增加,也通过支持耐氧微生物(例如大肠杆菌)的大量繁殖来形成特殊菌群成员

✦ 不同人群对补充膳食纤维会产生个性化反应

由于生态因素影响微生物对膳食纤维个体化反应,因此在实施基于可发酵纤维的治疗策略来预防和治疗肥胖代谢综合征时,需要从个人生态角度出发。

据报道,纤维引起的肠道微生物群变化仅限于少数主要反应类群,而其余成员和代谢副产物则发生更多个性化变化

例如,数十年的人类研究证实,低聚果糖低聚半乳糖等益生元寡糖可通过选择性促进经常用作益生菌的乳酸菌双歧杆菌来增加乳酸和乙酸,从而为人类带来健康益处

丁酸盐生产菌

体外研究还表明,厌氧丁酸菌真杆菌粪杆菌丁酸盐生产菌可以通过乳酸和乙酸的交叉喂养或通过利用抗结晶淀粉、木聚糖和菊粉等底物来富集。

丙酸盐生产菌

另外,丙酸盐生产者,如拟杆菌属副拟杆菌属葡萄杆菌属韦荣球菌属,可以通过交叉饲喂乳酸和琥珀酸盐或通过降解底物(如酯化抗性淀粉、果胶和木聚糖)来富集。

下一代益生菌

下一代益生菌有望改善患有肥胖和代谢综合征的成年人的代谢,其中包括Akkermansia muciniphilaAnaerobutyricum soehngenii ,这两种细菌已被证明可以通过补充纤维来丰富

小结

因此,可发酵膳食纤维可用于选择性地扩大肠道微生物群内与健康相关的类群。然而,仍需要进行更多研究来阐明与肥胖和代谢功能障碍有因果关系的其他共生微生物和代谢物,并可通过选择膳食纤维来靶向。

▼拓展:肠脑轴的调节

肠脑轴连接肠道中枢神经系统,促进双向通讯。这一过程牵涉到肠神经系统迷走神经、内源性大麻素系统以及神经免疫神经内分泌通路。

肠道代谢产物可直接调节神经系统活动,通过作用于肠神经元迷走神经交感神经末梢,或者经体循环传输至大脑。

★ 肠道微生物产生的多种神经递质会影响食欲

此外,肠道微生物还产生多种神经递质,如血清素、多巴胺、乙酰胆碱GABA(γ-氨基丁酸),这些物质通过迷走神经在肠神经系统或中枢神经系统内发挥作用。一项小鼠研究指出,细菌肽聚糖片段与大脑下丘脑神经元上的NOD2相互作用,调节食物消耗和体温,进而影响食欲

研究者还发现,从肥胖小鼠体内提取的微生物移植到瘦小鼠体内,可影响大脑奖励系统,与微生物代谢产物3-3'-羟苯基丙酸存在因果关系,影响多巴胺能和阿片类标记物,进而调节食欲行为和动机。进一步分析显示,嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansia)、Muribaculum普雷沃氏菌(Prevotellaceae)和副拟杆菌(Parabacteroides)的水平与3-3'-羟苯基丙酸血浆水平相关。

肥胖症中微生物群与肠道之间的相互作用

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Deehan EC,et al.Nat Rev Gastroenterol Hepatol.2024

这些研究共同表明,肠道微生物群与宿主相互作用,通过不同的自主神经体细胞神经内分泌途径改变新陈代谢,并且肥胖患者的这些相互作用发生了实质性改变。实际上,每个途径都代表了可以通过饮食干预(例如增加纤维摄入量)进行调节的潜在途径。

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体重增长:目前为止我们所知道的一切(更新你的减肥工具箱)

04治疗肥胖的精准医学方法

治疗肥胖症的精准医学方法是通过个性化的诊断治疗方案来帮助患者减肥改善健康状况。这种方法结合了先进的科学技术和专业知识,以确保每位患者都能得到最有效的治疗。

通过精准医学方法,医生可以根据患者的基因生活方肠道微生物群和其他因素制定个性化的治疗计划,从而更好地管理和治疗肥胖

▼根据微生物组进行个性化饮食治疗

对于减肥饮食干预的反应存在着高度的个体差异,这种差异可以归因于多种因素,包括遗传背景微生物群组成以及生活方式因素(如进餐时间、睡眠、锻炼和昼夜节律)。为了实现减肥效果,需要确定影响个体对饮食干预反应的关键因素,并制定个性化的营养策略

✦ 肠道微生物群是预测减肥效果的良好指标

研究表明,基线微生物宏基因组谱,尤其是与纤维降解相关的几个基因的存在,与随后的体重减轻密切相关。在一项为期6个月的减重研究中,研究人员发现,个体的肠道微生物群是预测体重减轻效果的一项重要指标。

特定的肠道细菌,如布劳特氏菌(Blautia wexlerae)和多氏拟杆菌(Bacteroides dorei),在含量丰富的个体往往能更好地预测体重减轻效果

此外,体重减轻活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)、马赛拟杆菌(Bacteroides Massiliensis)和芬氏拟杆菌(Bacteroides Finegoldii)相关。

✦ 具有高发酵肠道微生物水平时增加纤维摄入有利于减肥

这些微生物群,如阿克曼氏菌普雷沃氏菌,由于其处理植物来源复杂纤维的能力,与富含纤维的饮食密切相关。相比之下,食用低纤维饮食的个体通常具有更高水平的拟杆菌;而食用高纤维饮食的人群普雷沃氏菌更丰富。在人类减肥试验中,与普雷沃氏菌水平较高的个体相比,以拟杆菌为主的个体在摄入富含纤维的饮食时通常不太可能减肥或维持体重减轻效果

这些发现表明,高水平发酵代谢的肠道微生物群(如普雷沃氏菌)可能更有利于减肥,尤其是在增加纤维摄入量时。

最后,试验(n=1002)的数据显示,肠道微生物群组成是餐后脂质血糖反应,以及空腹心血管代谢标志物的良好预测因子。然而,必须指出的是,肠道微生物群组成仅解释了餐后甘油三酯、葡萄糖和C肽升高的5-7%变化,其他因素也在其中起作用。

▼基于表型的干预措施

将基于精准医学的方法应用于肥胖代谢紊乱的另一种方法是根据个体的潜在病理生理学和行为特征使用针对表型的干预措施

肥胖表型通常可分为四类:异常饱腹感异常餐后饱腹感情绪性进食异常静息能量消耗。针对每种表型进行了可行性试验,比如通过使高纤维饱腹感异常的个体饮食,可以关闭大脑饥饿中枢并实现最大的胃扩张。支持这一概念的是,与接受标准治疗的参与者相比,接受表型定制生活方式干预的参与者减重更多代谢和临床参数改善更显著

✦ 根据不同表型采取饮食会有更好的效果

在一项为期12周的饮食干预试验中,患有肌肉胰岛素抵抗肝脏胰岛素抵抗的人被随机分配到高单不饱和脂肪酸饮食低脂肪、高蛋白和高纤维饮食。具有肌肉胰岛素抵抗的个体(n =149)在食用低脂肪、高蛋白和高纤维饮食时代谢参数有更多改善,而具有肝脏胰岛素抵抗的个体食用高单不饱和饮食时,肝脏胰岛素抵抗(n=93)有更大的改善。

需要注意的是,另一种基于代谢表型的方法根据CORDIOPREV-DIAB试验显示出相互矛盾的结果。可能是由于研究人群的差异或饮食干预措施的组成差异造成的,说明了基于某些表型设计精准饮食干预措施的还存在一些挑战。

通过营养干预进行个性化葡萄糖优化研究旨在测试这种通过根据组织特异性胰岛素抵抗表型调节膳食营养素含量改善葡萄糖稳态参数和心脏代谢健康的方法。

尽管开发个性化营养干预措施存在相关的挑战,但这些原理验证研究总体上支持使用基于生物和表型因素开发个性化饮食干预措施的基本概念。

此外,了解肠道微生物及其基因途径如何与饮食成分相互作用可能有助于设计更有效的个性化疗法,并有可能提高饮食干预减肥的成功率

▼基于纤维的策略

膳食纤维结构和理化多样性为开发基于纤维的策略提供了潜力,还能从一定程度上改善肥胖和代谢综合征药物和手术疗法

富含纤维的天然食品,如全谷物蔬菜水果、豆类、坚果和种子,为以肥胖为中心的医学营养疗法提供了非淀粉多糖和抗性淀粉的混合来源,分离和合成的浓缩和均匀特征纤维为针对代谢综合征病理生理学的营养保健品开发提供了途径。

✦ 膳食纤维对于控制肥胖有重要作用

几种纯化的食品级膳食纤维已经作为食品成分或补充剂在市场上销售,其中许多可以被选定的微生物群落获取、降解和利用

一项包含22项随机对照试验、总共1428名参与者的系统回顾和荟萃分析表明,使用分离的可溶性膳食纤维补充剂(菊粉、低聚果糖、抗性玉米糊精、瓜尔豆胶、亚麻籽粘液、海藻酸盐粉、葡甘露聚糖和黄原胶)的个体至少12周后, 与对照干预措施相比 ,体重减轻代谢功能改善显著更高(可消化的碳水化合物),支持补充分离纤维在控制肥胖中的作用。

然而,体重的减少相对适度(平均差-1.25公斤),表明单独分离的可溶性纤维可能无法实现实质性的体重减轻。

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补充膳食纤维需要和个体特征相匹配

使用基于膳食纤维的策略相关挑战在于需要什么剂量才能产生有益效果以及个人对这些剂量的反应如何

通常,小鼠和大鼠模型中使用的剂量转化为人类每日摄入量>100 g ,这可能会导致严重的副作用。事实上,一项对18名参与者进行的纵向、随机交叉研究表明,补充30克菊粉会增加促炎细胞因子(如IL-6和TGFβ)以及肝酶的水平

另一项结合使用人体组织样本、人体结肠活检离体培养和细胞培养模型的研究表明,饮食中的β-果聚糖可引发人体巨噬细胞和患有活动性肠道炎症的炎症性肠病患者的活检样本中的促炎症反应。研究人员推测,在缺乏发酵纤维(如β-果聚糖)所需的特定微生物类群(如罗氏菌属普氏粪杆菌)的个体中,这些未发酵的纤维可能会在胃肠道中诱发炎症反应

这些研究强调了基于将特定纤维混合物与宿主现有微生物功能特征相匹配个性化饮食疗法的必要性。

▼将纤维与健康相关微生物群结合

了解膳食纤维如何沿着胃肠道表现并与人体肠道微生物群相互作用后,可以根据纤维独特的理化特性对肠道微生物群的影响以及对饱腹感血糖血脂炎症反应的影响来合理选择纤维。

✦ 根据对肠道微生物群的影响等选择合适的纤维

一个商业化的例子是PolyGlycopleX,它是海藻酸钠、魔芋胶和黄原胶的混合物,协同相互作用形成高粘性和凝胶形成的多糖复合物,先前已证明可以促进饱腹感降低总胆固醇水平。

注:人们可以推测,将PolyGlycopleX与有利于丙酸产生的可发酵纤维混合物配对可能会增强临床反应,因为人类补充丙酸已被证明对饱腹感胆固醇代谢有良好的影响。

39名患有高心脏代谢疾病风险的成年人服用含有七种可发酵纤维的专有混合物,可以改善葡萄糖胆固醇代谢的替代标志物,并显著调节肠道微生物的组成和功能特征。

快速(菊粉)和缓慢(抗性淀粉)发酵纤维的混合物,旨在将乙酸盐的产生扩展到远端结肠,也被证明可以在健康个体的餐后促进能量消耗减弱血糖反应,但有趣的是,它并没有患有糖尿病前期的个体。

这些结果强调了微生物发酵能力的改变以及正常体重个体和肥胖或代谢功能障碍个体之间短链脂肪酸代谢的差异会影响对纤维补充剂的反应

✦ 纤维引起的微生物变化会影响代谢、信号传导

虽然纤维混合物是一种新兴方法,可以部分克服对纤维补充的个性化反应,但仍需要精心设计的临床前和临床研究来开发和确定此类纤维混合物单独以及与治疗肥胖症和代谢综合征的护理标准相结合的功效。

对14名成年人进行的受控饮食研究中使用特定的纤维组合,证明不同的纤维组合微生物功能基因表达和生长中引发了共同的和纤维特异性的反应。

例如,豌豆纤维和菊粉或豌豆纤维、菊粉、橙纤维和大麦麸的组合都促进了多种拟杆菌的生长,并增加阿拉伯低聚糖低聚木糖利用的途径。

此外,纤维诱导的特定微生物基因的变化可能与宿主葡萄糖代谢钙调神经磷酸酶AKT信号传导细胞凋亡、激肽释放酶-激肽蛋白酶和免疫过程的变化相关。

尽管体外研究进一步证明了离散纤维结构能够操纵肠道微生物组的潜力,但仍需要在人体中进行额外的随机对照试验来确认纤维补充剂的生理效应。

▼协同合生元或粪菌移植

膳食纤维健康相关细菌基因组之间的联系表明,活体微生物的施用,无论是益生菌、活体生物治疗药物还是粪菌移植,都可能与选择性发酵的膳食纤维相互作用。

与将益生菌和益生元结合在一起的互补合生元不同,这种精确配对是协同合生元开发的基础,其中精确开发底物以供共同施用的活微生物选择性利用,从而为宿主带来健康益处

✦ 膳食纤维协同合生元改善代谢和肥胖

一些早期的临床前和临床研究结果表明,协同合生元可能并不总是可预测地相互作用以促进健康。例如,根据三氯蔗糖与乳果糖的比率估计,在94名肥胖个体中补充益生元低聚半乳糖、益生菌青春双歧杆菌或协同合生元已被证明可以类似地增强肠道屏障完整性

然而,根据系统评价和荟萃分析的报告,合生元补充剂,或益生元(或多种益生元)和益生菌(或多种益生菌)的一般配对,已显示出减轻体重纠正肥胖代谢失调的希望。

一个例子是Pendulum Glucose Control,它是菊粉低聚果糖嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansia muciniphila)、拜氏梭菌丁酸梭菌和婴儿双歧杆菌专有混合物,已被证明可以改善2型糖尿病患者的葡萄糖代谢,这些患者单独通过饮食和运动治疗。

✦ 膳食纤维的摄入与粪菌移植的效果会相互影响

整个粪便微生物群落的管理可能会进一步受益于精确膳食纤维的共同管理,这些纤维支持群落内与健康相关的成员调节防止微生物植入的环境限制。

在一项研究中,粪菌移植与不可获取的微晶纤维素 (n=17) 配对,但不是可发酵纤维混合物(n=17)(抗性麦芽糖糊精、IV型抗性淀粉和阿拉伯胶),改善了接受者中肥胖和代谢综合征患者的胰岛素敏感性

微晶纤维素是一种食品添加剂,也常用作药物包衣材料。它是一种水溶性纤维素衍生物,具有优异的增稠、乳化、稳定等功能。在食品工业中,微晶纤维素常用于调制冰淇淋奶油、果冻等产品;在药物制剂中,微晶纤维素常用作控释药物的包衣剂。

补充微晶纤维素有助于增加群落丰富度以及几种与健康相关的类群的植入或富集,例如AkkermansiaChristensenellaceaePhascolarctobacter,这可能是通过将结肠环境转向更有利的条件,例如减少肠道炎症

捐赠者在获得粪便之前的饮食会进一步影响粪菌移植的功效。例如,与遵循地中海减肥(n=16)或健康饮食指南(n=19)饮食后接受自体粪菌移植胶囊的个体相比,含有绿茶和较高膳食纤维的地中海饮食在粪菌移植后8个月可减弱体重增加

总体而言,将益生菌活生物治疗粪菌移植疗法与具有离散结构的新型纯化的膳食纤维相结合,将有助于开发创新的营养保健品和药物疗法,通过平衡失调的肠道微生物群来针对代谢综合征的病理生理学。

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本文转自:谷禾健康



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