益生菌與動(dòng)物腸道自由基的關(guān)系

腸道是物質(zhì)與能量代謝十分旺盛的器官,氧化還原反應(yīng)劇烈,細(xì)胞代謝產(chǎn)生大量自由基?一定水平的自由基對(duì)腸道免疫功能具有積極作用,但過量自由基會(huì)引起腸道損傷?脂質(zhì)過氧化?加速細(xì)胞衰老等一系列危害?

腸道益生菌對(duì)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收?腸道組織發(fā)育?免疫調(diào)節(jié)及抑制致病菌的侵染等有著重要生理作用?益生菌調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道生理功能的機(jī)制十分復(fù)雜。

本文對(duì)益生菌在通過調(diào)控腸道自由基水平,既可發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用,又防止對(duì)腸道氧化損傷的功能及其相關(guān)機(jī)制進(jìn)行了綜述?

1   細(xì)菌誘導(dǎo)腸道組織產(chǎn)生自由基的機(jī)制

腸黏膜上皮組織及細(xì)胞受到某些細(xì)菌刺激后,會(huì)產(chǎn)生活性氧自由基(ROS),這些 ROS 參與腸道生理功能的調(diào)控?細(xì)菌誘導(dǎo)的腸道細(xì)胞 ROS主要是由還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶家族(NADPH oxidase,NOX)催化合成的,NOX 家族中 NOX1 和雙氧化酶( dualoxidase,DUOX)在腸道組織中表達(dá)豐度很高[1]?病原菌能夠刺激機(jī)體腸道組織產(chǎn)生并釋放大量ROS,這些 ROS 可以協(xié)助機(jī)體對(duì)抗病原菌侵染,同時(shí),也會(huì)引起嚴(yán)重的炎癥反應(yīng),造成腸黏膜損傷[2-3]?病原菌釋放游離的尿嘧啶堿基作為信號(hào)分子,通過 G 蛋白偶聯(lián)受體(Gprotein?coupledreceptors, GPCRs),激活腸黏膜上皮細(xì)胞中的DUOX,誘導(dǎo)合成大量 ROS(圖 1)[3-5]?與病原菌不同,部分益生菌也能刺激腸道產(chǎn)生少量的ROS,這些ROS 不僅不會(huì)損傷腸道,還對(duì)腸道維持正常的生理功能有益?Alam 等[6]研究發(fā)現(xiàn),益生菌能夠通過刺激腸道吞噬細(xì)胞膜上的甲酰肽受體(formyl peptide receptors,FPRs),激活 NOX2,誘導(dǎo)機(jī)體腸道吞噬細(xì)胞產(chǎn)生 ROS? Leoni 等[7] 的研究指出,乳酸菌誘導(dǎo)的細(xì)胞 ROS 產(chǎn)生及細(xì)胞增殖依賴于腸上皮細(xì)胞的NOX1?Jones 等[8]利用從果蠅腸道中分離的乳酸桿菌進(jìn)行的研究表明,該菌能夠通過激活 NOX1 誘導(dǎo)腸道組織產(chǎn)生釋放ROS,這些ROS 可以刺激小鼠?果蠅等模型動(dòng)物腸道干細(xì)胞的分化,促進(jìn)腸組織更新?Yan 等[9] 的研究則發(fā)現(xiàn),益生菌能夠通過產(chǎn)生可溶性蛋白成分,誘導(dǎo)宿主腸道合成一定量的 ROS,有助于腸道細(xì)胞的存活及其生長(zhǎng)增殖?益生菌的誘導(dǎo)腸道細(xì)胞產(chǎn)生ROS 的機(jī)制與致病菌完全不同,其通過細(xì)胞壁上肽聚糖分子中的N-甲酰肽作用于腸黏膜細(xì)胞膜上的FPRs,激活細(xì)胞中的NOX1,合成一定量的ROS(主要是超氧陰離子),這些 ROS 可以激活相關(guān)信號(hào)通路,刺激腸黏膜組織的更新[3]?

2   益生菌對(duì)腸道自由基的清除作用

過量的自由基會(huì)引起腸道組織受損,腸黏膜通透性增加,進(jìn)而誘發(fā)腸黏膜潰瘍和炎癥反應(yīng);對(duì)腸道尚未發(fā)育完全的動(dòng)物而言,自由基造成的腸黏膜損傷會(huì)導(dǎo)致其死亡[10-12]?腸道益生菌參與清除機(jī)體腸道代謝產(chǎn)生的自由基,從而保護(hù)腸道組織免于自由基的氧化損傷?益生菌產(chǎn)生的過氧化物歧化酶 ( SOD )?谷胱甘肽過氧化物酶(GSH?Px)?含錳假性過氧化氫酶以及硫氧還蛋白還原酶?煙酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶等還原酶具有清除ROS 的作用[13-16]?腸道中的 ROS 主要包括超氧陰離子?過氧化氫(H2O2)和羥基自由基等,其中羥自由基的活性最強(qiáng),對(duì)細(xì)胞核酸?蛋白質(zhì)和脂類等均有很強(qiáng)的氧化性,其能夠顯著誘導(dǎo)益生菌抗氧化相關(guān)酶的表達(dá),激發(fā)益生菌的抗氧化能力[17]?Kullisaar 等[17]從 1 名健康兒童的腸道菌群中分離得到 2 株抗氧化菌株,這2 株菌對(duì)過氧化氫?超氧陰離子?羥自由基等活性氧具有明顯的抗性?韓偉等[18]從腌制蔬菜中分離的 5 株菌均表現(xiàn)較強(qiáng)的自由基清除能力,這些菌株對(duì)1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)?羥自由基等的清除率和脂質(zhì)過氧化的抑制率相對(duì)較高?白明等[19]研究了乳桿菌?雙歧桿菌?嗜熱鏈球菌和乳酸乳球菌等 40 株益生菌的抗氧化能力,結(jié)果證明,多數(shù)益生菌具有清除自由基的能力,但種屬和菌株間差別較大,其中乳酸乳球菌清除自由基能力最強(qiáng),嗜熱鏈球菌次之,乳桿菌?雙歧桿菌則比較弱?這些體外試驗(yàn)結(jié)果表明,益生菌能夠清除自由基,其主要機(jī)制可能是自由基刺激了菌體相關(guān)還原酶系的活性,從而激發(fā)了益生菌的還原能力,進(jìn)而清除自由基?體內(nèi)試驗(yàn)也表明,益生菌可提高動(dòng)物機(jī)體的抗氧化能力,清除體內(nèi)代謝產(chǎn)生的自由基,發(fā)揮抗衰老作用?不同研究者以小鼠為模型,研究凝結(jié)芽孢桿菌?雙歧桿菌?德氏乳桿菌?富硒沼澤紅假單胞菌等益生菌的抗氧化作用,結(jié)果表明,其血清?肝臟?腦等組織中SOD?GSH?Px等相關(guān)還原酶的活性提高,丙二醛(MDA)含量下降,抗衰老相關(guān)基因的表達(dá)水平上調(diào)[20-26]?聞平等[27] 的研究發(fā)現(xiàn),明串珠菌可提高家兔血清 GSH?Px?SOD等還原酶的活性,降低血清 MDA 含量,并維持較長(zhǎng)時(shí)間,這提示明串珠菌及其發(fā)酵產(chǎn)物有提高家兔抗氧化能力的作用?這些體內(nèi)研究結(jié)果提示,益生菌能夠刺激機(jī)體還原酶的表達(dá)或提高其活性,從而協(xié)助機(jī)體清除代謝產(chǎn)生的 ROS,從而發(fā)揮抗氧化作用?

3   自由基在益生菌發(fā)揮生理功能過程中的作用

ROS 的產(chǎn)生是吞噬細(xì)胞對(duì)細(xì)菌(包括致病菌和共生菌)免疫應(yīng)答的重要特征,這提示 ROS 在益生菌與宿主互作過程中發(fā)揮重要作用?腸道益生菌能夠誘導(dǎo)果蠅腸道組織氧化酶系統(tǒng)的表達(dá),刺激腸道細(xì)胞產(chǎn)生過氧化氫,進(jìn)而抑制病原菌在腸道中的增殖及其侵染作用,從而維持腸上皮的完整性[28-29];植物體受到細(xì)菌刺激時(shí)也會(huì)產(chǎn)生ROS,從而抑制病原菌對(duì)自身的侵染,保護(hù)自身組織?細(xì)胞免受病原破壞[2]?Kumar 等[1] 的研究發(fā)現(xiàn),鼠李糖乳酸桿菌(Lactobacillus rhamnosus GG,LGG)能夠顯著刺激 Caco?2 細(xì)胞釋放ROS,這些ROS能夠誘導(dǎo)細(xì)胞泛素-蛋白酶體信號(hào)途徑中泛素連接酶 12 ( ubiquitin conjugatingenzyme 12,Ubc12)半胱氨酸殘基的氧化失活,進(jìn)而抑制核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF?κB)炎癥信號(hào)通路的活性,從而發(fā)揮其免疫調(diào)節(jié)作用?Lin 等[30]利用小鼠進(jìn)行的體內(nèi)試驗(yàn)也得出相似的結(jié)論,LGG誘導(dǎo)的 ROS 能夠?qū)е录?xì)胞內(nèi) Ubc12 失活,抑制泛素-蛋白酶體信號(hào)途徑活性,進(jìn)而阻止 NF?κB炎癥信號(hào)通路激活,阻止細(xì)胞炎癥反應(yīng),并保護(hù)幼齡動(dòng)物腸道黏膜組織的完整性,防止腹瀉等疾病的發(fā)生?

此外,ROS 還作為炎癥因子及生長(zhǎng)因子刺激的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的第二信使?在這一過程中,益生菌誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS 會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞信號(hào)通路相關(guān)蛋白的巰基迅速氧化失活,從而發(fā)揮第二信使功能?細(xì)胞內(nèi)的酪氨酸磷酸酶就是這樣一類受ROS調(diào)節(jié)的巰基蛋白酶,而酪氨酸磷酸酶是絲裂原活化蛋白激酶(mitogen?activated protein kinase,MAPK)?黏附斑激酶(focaladhesion kinase,FAK)和NF?κB 信號(hào)通路的重要調(diào)節(jié)因子,這些信號(hào)通路在機(jī)體腸道免疫調(diào)節(jié)?細(xì)胞增殖和運(yùn)動(dòng)等過程中發(fā)揮著重要作用[31-32]?因此,腸道益生菌可通過刺激機(jī)體產(chǎn)生ROS,調(diào)節(jié)上述細(xì)胞信號(hào)通路,從而發(fā)揮相關(guān)生理調(diào)節(jié)作用?

4   小 結(jié)

受到細(xì)菌等刺激后,產(chǎn)生釋放自由基是一種十分保守的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制,從植物到高等動(dòng)物均存在類似的機(jī)制?動(dòng)物腸道中生存著大量微生物,這些微生物通過調(diào)節(jié)腸道細(xì)胞自由基的水平,影響相關(guān)細(xì)胞信號(hào)通路的活性,從而調(diào)節(jié)機(jī)體腸道生理功能,這是腸道益生菌發(fā)揮生理作用的重要機(jī)制?解析益生菌誘導(dǎo)及清除腸道自由基的機(jī)制,揭示自由基作為第二信使在益生菌刺激的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的作用,對(duì)全面了解腸道益生菌的免疫調(diào)節(jié)作用機(jī)理?探究腸道菌群與宿主健康的關(guān)系以及新型益生菌制劑的開發(fā)具有重要意義?

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