劉榮瑜，王 昊，張子依，宋冬雪，陳錦瑞，汲晨鋒,*

（1.哈爾濱商業(yè)大學藥物工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150076；2.哈爾濱商業(yè)大學 抗腫瘤天然藥物教育部工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150076）

多糖是構成生命的四大基本物質之一，由至少10 個以上的單糖分子通過縮合、失水而成的高分子聚合物，分子結構式為(C6H10O5)n，結構模型如圖1所示。多糖在自然界中廣泛存在，主要存在于植物細胞壁、動物細胞膜以及微生物細胞壁中[1]。天然多糖具有廣泛的生物學效應，如抗氧化[2]、抗腫瘤[3-4]、免疫調節(jié)[5]、抗突變[6]、抗炎[7]、抗菌[8]、抗凝血[9]、降血糖[10]、降血脂[11]、保護肝臟[12]等作用，還能夠直接影響機體物質和能量的代謝，維持人類身體健康[13]。

圖1 多糖分子結構模型Fig. 1 Model for the molecular structure of polysaccharides

腸道菌群由寄居在宿主胃腸道內(nèi)的多種微生物如細菌、古細菌、真菌、病毒等構成。人類腸道的細菌總數(shù)可達到100萬億 個，大約由1 000多個種類組成，僅僅一個人的結腸內(nèi)就有400 種以上的菌種。人類腸道菌群以細菌為主，厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和放線菌門（Actinobacteria）占主導地位（圖2）。腸道菌群功能強大，具有保護腸屏障防止病原體入侵宿主、參與維生素（VK、VB）的合成、代謝功能、營養(yǎng)功能等屏障功能[14]。

圖2 腸道微生物主要組成菌屬Fig. 2 Major intestinal bacterial genera

短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）也稱為揮發(fā)性脂肪酸，是有2～6 個碳鏈的有機脂肪酸。腸道微生物可以將難消化的多糖發(fā)酵轉化為SCFAs（如丁酸、丙酸和乙酸）。SCFAs能夠為腸道上皮細胞提供能量，維持水電解質的平衡，調節(jié)腸道菌群平衡，改善腸道功能，且在抗病原微生物、抗炎、抗腫瘤、預防肥胖、預防非酒精性脂肪肝（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）和預防2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）方面具有重要作用[15-16]。其中，丁酸能夠為腸道上皮細胞提供近60%～70%的能量，具有促進腸道內(nèi)葡萄糖的生成、參與腸道內(nèi)糖代謝、維持能量穩(wěn)態(tài)的作用；丙酸能夠參與并調節(jié)膽固醇的合成，減少促炎因子的產(chǎn)生，減輕結腸細胞的DNA損傷，還可以同肝臟中的脂肪酸受體相互作用從而調節(jié)葡萄糖的產(chǎn)生；乙酸是腸道主要代謝物之一，可直接刺激神經(jīng)系統(tǒng)降低食欲，預防肥胖相關的高胰島素血癥和高甘油三酯血癥[17]。雖然大量的證據(jù)表明，增加SCFAs的產(chǎn)生有利于宿主發(fā)揮抗肥胖和抗糖尿病作用，但一些體外和體內(nèi)研究表明，SCFAs在腸道中的過度產(chǎn)生或積累也可能提升肥胖和T2DM風險[18]。

多糖是腸道菌群主要能源和營養(yǎng)來源，對腸道菌群有調節(jié)作用，對促進宿主機體健康發(fā)揮著重要作用。但在通常情況下宿主自身缺乏降解多糖的酶，導致機體不能直接消化吸收多糖，而腸道菌群則可以分泌多種降解酶，將多糖降解成機體可以吸收利用的物質，如SCFAs等[19]。因此，研究多糖與腸道菌群之間相互作用的關系對維持促進機體健康有著重大意義。本文總結了多糖與腸道菌群相互作用機制，包括多糖對腸道菌群調節(jié)的作用：1）多糖對腸道菌群的益生元作用；2）多糖對多種疾?。ㄑ装Y性腸病、腫瘤、肥胖和糖尿病、腹瀉）腸道菌群的調節(jié)作用。還有腸道菌群對多糖的代謝作用：1）腸道菌群對植物多糖的代謝作用；2）腸道菌群對動物多糖的代謝作用。以期為機體生命健康和合理膳食等方面的深入研究提供科學依據(jù)。

1 多糖對腸道菌群調節(jié)作用

多糖對人類健康有著深遠的影響，多糖中有些不可被人體直接消化的成分可以誘導腸道微生物群的組成或代謝改善，促進腸道菌群中雙歧桿菌等有益菌的增殖、抑制大腸桿菌等有害菌的生長來調節(jié)腸道菌群的結構，平衡腸道微生態(tài)，維持腸道菌群豐富度和多樣性，促進宿主機體健康。此外，多糖的發(fā)酵產(chǎn)物SCFAs對糖代謝相關疾病的改善有重大作用[20]。

1.1 多糖對腸道菌群的益生元作用

益生元是一種不可消化的食物成分，包括果糖、低聚糖、阿拉伯低聚糖、異麥芽低聚糖、低聚木糖、抗性淀粉、乳糖、乳生物酸、甘露聚糖、軟糖、多酚和多不飽和脂肪酸，對宿主機體健康有積極作用[21-22]。益生元通過抑制病原體和刺激免疫系統(tǒng)來維持機體胃腸道健康，同時可以通過調節(jié)腸道菌群的組成和活性、改變腸道環(huán)境，對多種由于腸道菌群紊亂引起的疾病如炎癥性腸?。╥nfammatory bowel diseases，IBD）、結腸癌等起到預防作用[23]。多糖可作為益生元，對腸道微生物種類的增殖產(chǎn)生影響，可以提高腸道菌群中有益菌乳酸菌、雙歧桿菌等的豐度，降低腸道菌群中致病菌的豐度[24]，部分多糖作用機制總結如表1所示。

表1 多糖對腸道菌群的益生元作用機制Table 1 Probiotic mechanism of polysaccharides on intestinal flora

菊粉是植物中儲備性多糖，可以顯著提高小鼠胃腸道SCFAs濃度，降低腸道pH值，抑制有害菌的生長，并選擇性增加放線菌門中有益菌雙歧桿菌的數(shù)量[25]。乳酸菌胞外多糖在人腸道內(nèi)的代謝產(chǎn)物可以有效抑制腸道內(nèi)有害菌大腸埃希菌的生長，顯著增加SCFAs含量，尤其是丁酸的含量[26]。麥冬多糖可以增加小鼠腸道內(nèi)丁二酸的含量，增加雙歧桿菌和乳酸菌的數(shù)量，減少鏈球菌和大腸桿菌的數(shù)量[27]。木聚糖可以增加雙歧桿菌、乳酸菌等數(shù)量；給喂食高脂/高糖飲食的小鼠食用AXs可以使小鼠腸道中維生素性菌株豐富度顯著提高[28]。香菇多糖、?？嗵强梢源龠M正常小鼠腸道內(nèi)總SCFAs的產(chǎn)生，維持腸道穩(wěn)態(tài)，為機體提供能量[29-30]。RG I可以作為腸道菌群的益生元，刺激雙歧桿菌和乳酸菌等益生菌的生長[31]。胃腸道中的SCFAs濃度越高，腸腔中pH值越低，可以有效地抑制某些有害菌的繁殖，從而加速有益菌的功能[32]。給正常小鼠喂食杏鮑菇多糖可以使小鼠結腸中SCFAs濃度升高，包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、正丁酸和異戊酸。盲腸和結腸中內(nèi)容物pH值明顯下降并呈劑量依賴性降低。對正常小鼠糞便進行操作分類單元（operational taxonomic units，OTUs）聚類分析發(fā)現(xiàn)，在門水平上小鼠腸道菌群中厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門為主要的優(yōu)勢菌門，隨著杏鮑菇多糖的攝入，厚壁菌門相對豐度顯著降低，擬桿菌門相對豐度升高，變形菌門無明顯的變化；在類水平上，類桿菌、桿菌以及乳酸桿菌等有益菌相對豐度顯著增加而有害菌梭菌數(shù)量則明顯降低。對正常小鼠糞便微生物進行α-多樣性分析，發(fā)現(xiàn)Chao指數(shù)上升，說明杏鮑菇多糖可以使小鼠糞便微生物豐富度增加，進而發(fā)揮益生元作用。

1.2 多糖對多種疾病腸道菌群的調節(jié)作用

多糖也可通過調節(jié)腸道菌群來改善炎癥性腸病、腫瘤、肥胖、糖尿病以及腹瀉等多種疾病，促進機體健康，主要作用及機制如表2所示。

表2 多糖對多種疾病主要作用及其機制Table 2 Major therapeutic effects and mechanisms of polysaccharides on many diseases

1.2.1 炎癥性腸病

炎癥性腸病被定義為胃腸道慢性炎癥性疾病，其確切的發(fā)病機制尚不明確，但在病理中最直觀的變化是腸黏膜屏障受損、免疫失衡以及腸道菌群結構紊亂。多糖可以通過調節(jié)腸道菌群豐富度和多樣性，恢復腸道菌群結構來緩解炎癥性腸病癥狀。

DSS誘導的結腸炎大鼠腸道內(nèi)厚壁菌門的相對豐度明顯低于正常大鼠，丁酸產(chǎn)生菌普氏糞桿菌豐度明顯減少，擬桿菌門相對豐度高于正常大鼠，腸道菌群多樣性減少。金針菇多糖顯著提高了小鼠盲腸中SFCAs的濃度，其中乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和異戊酸的含量明顯增加，通過調節(jié)結腸炎大鼠腸道菌群微生態(tài)來改善大鼠結腸病理損傷，減輕炎癥反應，經(jīng)金針菇多糖治療的大鼠結腸結構與形態(tài)有明顯恢復，炎性細胞浸潤明顯減少。對經(jīng)過金針菇多糖治療的結腸炎大鼠腸道微生物進行OTUs聚類分析發(fā)現(xiàn)：在門水平上，大鼠腸道優(yōu)勢菌門分別是厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門，金針菇多糖可以顯著提高厚壁菌門的豐度、降低擬桿菌門豐度，使厚壁菌門/擬桿菌門比值恢復到正常水平；對大鼠腸道微生物進行α-多樣性分析發(fā)現(xiàn)，結腸炎大鼠腸道內(nèi)容物ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)以及Shannon指數(shù)全都有所提高，證明金針菇多糖可以改善結腸炎大鼠腸道菌群多樣性和豐富度；β-多樣性分析發(fā)現(xiàn)，通過主坐標分析（principal coordinates analysis，PCoA）顯示金針菇多糖治療的結腸炎大鼠腸道菌群的組成與結腸炎大鼠腸道菌群組成具有顯著差異，說明金針菇多糖對結腸炎大鼠腸道微生物結構組成有良好的影響；線性判別分析效應量（linear discriminant analysis effect size，LEfSe）分析顯示金針菇多糖可以有效降低結腸炎大鼠腸道菌群中引起疾病的螺桿菌科豐度，增加毛螺菌科的豐度，促進乳酸菌的生成[33]。

黃芪和黨參多糖聯(lián)合可以增加腸道內(nèi)產(chǎn)異戊酸和丁酸菌群數(shù)量，提高異戊酸和丁酸濃度，進一步通過SCFA受體參與免疫調節(jié)，促進腸上皮黏液分泌，減輕腸黏膜屏障受損程度，恢復菌群平衡和結構多樣性，改善小鼠結腸炎癥狀。對結腸炎小鼠腸道菌群進行OTUs聚類分析發(fā)現(xiàn)，在門水平上，結腸炎小鼠厚壁菌門、變形菌門豐度上升，擬桿菌門豐度顯著下降，經(jīng)聯(lián)合多糖治療后，厚壁菌門和擬桿菌門的相對豐度被調節(jié)回正常水平，顯著降低了變形菌門豐度；在綱水平上，聯(lián)合多糖明顯的抑制了由于結腸炎引起的類桿菌和桿菌的減少，并下調了梭菌的數(shù)量。對小鼠腸道微生物進行α-多樣性分析發(fā)現(xiàn)聯(lián)合多糖可以提高小鼠腸道菌群豐富度和多樣性。β-多樣性分析發(fā)現(xiàn)，結腸炎小鼠與聯(lián)合多糖治療結腸炎小鼠的腸道菌群結構具有明顯差異，證明聯(lián)合多糖可以影響小鼠腸道菌群的組成[34]。

1.2.2 腫瘤

癌癥（惡性腫瘤）是一種嚴重威脅世界人民生命健康的疾病。腸道菌群群落種類和大小的改變或者嚴重病理性失調會引發(fā)大腸癌，而多糖可通過調節(jié)腸道菌群，平衡腸道在體內(nèi)攝取能量，發(fā)揮抑制腫瘤生長的作用。

地皮菜活性多糖可以顯著改善AOM/DSS引起的大腸癌小鼠腸道菌群的改變，改善大腸黏膜屏障、抑制腫瘤細胞的增殖分化、減少癌細胞數(shù)量、緩解大腸癌癥狀。地皮菜多糖能夠改善小鼠大腸黏膜腺體結構紊亂，恢復腺體形態(tài)，降低腫瘤細胞數(shù)量。對大腸癌小鼠腸道菌群進行OTUs聚類分析發(fā)現(xiàn)，厚壁菌門和擬桿菌門所占比例較大，地皮菜多糖可以提高發(fā)揮抗腫瘤作用的厚壁菌門豐度，降低誘導大腸癌的擬桿菌門相對豐度；在屬水平上，明顯提高毛螺菌科毛螺菌屬、丁酸單胞菌屬、丁酸球菌屬等丁酸產(chǎn)生菌的數(shù)量，有效抑制擬桿菌-S24-7科和擬桿菌門的數(shù)量。對大腸癌小鼠腸道菌群進行α-多樣性分析發(fā)現(xiàn)，小鼠腸道菌群的Sobs指數(shù)、Chao指數(shù)以及ACE指數(shù)均有所升高，表明菌群豐富度增加；Shannon指數(shù)上升、Simpson指數(shù)下降，表明菌群多樣性也得到了提升。β-多樣性分析發(fā)現(xiàn)地皮菜多糖治療小鼠的腸道菌群組成與大腸癌小鼠相比具有顯著差異。綜合α-和β-多樣性分析可知，地皮菜多糖可有效調節(jié)小鼠腸道微生物豐富度和多樣性，恢復腸道菌群結構多樣性，維持腸道菌群整體平衡[35]。

粒毛盤菌YM130胞外多糖可以改善結腸癌小鼠腸道菌群失衡，緩解由癌癥導致的小鼠體質量下降、結腸長度縮短，恢復小鼠腸道屏障功能，減輕腸上皮損傷，并可以下調促炎因子水平，減輕炎癥反應、增強腸道免疫力，從而抑制腫瘤生成，改善小鼠結腸癌癥狀。對結腸癌小鼠腸道菌群進行OTUs聚類分析發(fā)現(xiàn)以厚壁菌門、變形菌門以及擬桿菌門為主要菌群。在門水平上，粒毛盤菌YM130胞外多糖可顯著提高擬桿菌門和厚壁菌門的相對豐度，降低變形菌門和芽單胞菌門相對豐度；在屬水平上，明顯增加了瘤胃菌屬、乳桿菌屬、毛螺菌屬、雙歧桿菌屬等12 種有益菌的數(shù)量，降低了擬桿菌屬、脫硫弧菌屬、大腸志賀氏桿菌等10 種致病菌的相對豐度。對小鼠腸道微生物進行α-多樣性分析發(fā)現(xiàn)，Chao 1、Shannon指數(shù)明顯提升，說明結腸癌小鼠腸道菌群的豐富度以及多樣性得到了改善；β-多樣性分析發(fā)現(xiàn)，結腸癌小鼠與粒毛盤菌YM130胞外多糖治療小鼠的腸道菌群結構具有明顯差異，說明此多糖可以改善小鼠腸道菌群結構；此外，粒毛盤菌YM130胞外多糖還可以增加腸道中乙酸、丙酸以及丁酸的含量，提高SCFAs的濃度[36]。

Su Jiyan等[38]的研究發(fā)現(xiàn)，靈芝多糖能抑制4T1-乳腺癌移植小鼠模型腫瘤的體內(nèi)生長，顯著增加荷瘤小鼠外周血中的細胞毒性T細胞（cytotoxic T cell，Tc）數(shù)量和Tc/輔助T細胞（helper T cell，Th）的比值。此外，靈芝多糖還明顯下調了脾臟中程序性死亡受體1（programmed cell death protein 1，PD-1）和腫瘤中細胞毒性T淋巴抗原-4（cytotoxic T lymphocyte antigen-4，CTLA-4）。通過對糞便微生物的基因序列分析發(fā)現(xiàn)，靈芝多糖能夠重塑荷瘤小鼠的腸道微生物群結構，包括5 個菌門中18 個菌屬，以及負責代謝、細胞過程和環(huán)境信息處理中信號通路的基因調控，促進向正常小鼠的方向發(fā)展。OTUs聚類分析發(fā)現(xiàn)，在門水平上，厚壁菌門和擬桿菌門占比90%以上，靈芝多糖可以提高厚壁菌門、變形菌門相對豐度，降低放線菌門、擬桿菌門、藍細菌門相對豐度；在屬水平上，靈芝多糖可以提高3 個與增強免疫應答相關菌屬的相對豐度，包括螺桿菌、不動桿菌以及理研菌。α-多樣性分析發(fā)現(xiàn)，移植瘤小鼠腸道微生物群的總體多樣性沒有受到影響；β-多樣性分析發(fā)現(xiàn)，靈芝多糖可以恢復移植瘤小鼠腸道微生物群，與正常小鼠相似，證實了靈芝多糖可以重塑腸道菌群的結構[37-38]。

1.2.3 肥胖及糖尿病

從2011年起，肥胖發(fā)病率在全球范圍內(nèi)便以驚人的速度持續(xù)增長，嚴重威脅到人類健康，T2DM主要是由胰島素缺乏或胰島素抵抗所引起的一種復雜的代謝紊亂疾病。多糖可以通過調節(jié)腸道菌群失調，改善腸道菌群結構起到預防肥胖的作用以及改善T2DM癥狀，包括降低甘油三酯、總膽固醇水平，增加胰島素水平、總抗氧化能力等指標。

玉竹多糖對HFD誘導肥胖大鼠有治療作用，玉竹多糖能夠抑制小鼠體質量增加、降低TG和TC的含量。對肥胖大鼠腸道菌群進行OTUs聚類分析發(fā)現(xiàn)，大鼠腸道菌群主要由厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門以及螺旋體門4大優(yōu)勢菌門組成，在門水平上，玉竹多糖可顯著抑制肥胖大鼠腸道內(nèi)放線菌門和變形菌門相對豐度；在屬水平上，玉竹多糖可以顯著降低梭菌、腸球菌以及乳球菌相對豐度，將糞芽孢菌屬和薩特菌屬相對豐度調整為正常水平。對小鼠腸道微生物進行α-多樣性分析發(fā)現(xiàn)，與肥胖大鼠相比，治療小鼠腸道微生物Chao指數(shù)明顯增高，表明小鼠腸道微生物豐富度升高；Shannon指數(shù)也得到了提升，表明大鼠腸道菌群多樣性得到了恢復。β-多樣性分析發(fā)現(xiàn)大鼠腸道菌群組成有顯著差異。玉竹多糖顯著提高了大鼠腸道內(nèi)SCFAs的濃度，包括異丁酸、丁酸和纈氨酸[39]。

黑種草籽多糖可以改善STZ誘導T2DM小鼠癥狀，降低了小鼠TG、TC表達水平，增加了INS水平，調節(jié)腸道菌群紊亂。小鼠腸道微生物OTUs聚類分析顯示厚壁菌門和擬桿菌門為小鼠體內(nèi)兩大主要組成，其次為變形菌門和放線菌門。經(jīng)種子多糖治療后小鼠腸道菌群中厚壁菌門相對豐度下降、擬桿菌門相對豐度上升、變形菌門相對豐度也有所降低；對腸道內(nèi)5 個優(yōu)勢菌屬進行分析發(fā)現(xiàn)種子多糖可以增加小鼠腸道內(nèi)類桿菌、乳酸桿菌和f-Muribaculaceae-Unclassified菌屬數(shù)量，減少毛螺菌科NK4A136和毛螺菌科未分類菌屬的數(shù)量。經(jīng)α-多樣性分析發(fā)現(xiàn)，種子多糖降低了小鼠腸道菌群Chao指數(shù)，升高了Shannon指數(shù)，說明種子多糖降低了小鼠腸道微生物的物種豐富度但提高了微生物群落的多樣性，改善了腸道菌群紊亂。由β-多樣性分析得知，治療小鼠與未治療小鼠腸道內(nèi)類桿菌和毛螺菌科NK4A136相對豐度具有顯著差異，推測種子多糖主要調節(jié)這兩種微生物數(shù)量來發(fā)揮作用。此外，種子多糖還升高了小鼠腸道內(nèi)乙酸的含量，降低了丙酸的含量[40]。

1.2.4 腹瀉

腸道菌群與機體之間應維持一種相對平衡的關系，當這種平衡被打破后，腸道菌群就會紊亂、失調，進而引起一系列的疾病，其中AAD則是腸道微生態(tài)失衡的經(jīng)典標志。

葛根多糖可以將抗生素相關性腹瀉小鼠體內(nèi)碳水化合物、氨基酸和能量代謝恢復到正常水平，改善腸黏膜損傷，恢復腸道微生物群落結構、豐富度以及多樣性。對小鼠腸道微生物群落結構進行OTUs聚類分析，發(fā)現(xiàn)葛根多糖可以降低小鼠腸道內(nèi)放線菌門、變形菌門和軟壁菌門的相對豐度；在屬水平上則能有效逆轉小鼠腸道內(nèi)脫硫弧菌數(shù)量的減少，并提高糞球菌、棒狀桿菌、短桿菌、寡源桿菌以及梭菌等有益菌的豐度。對腹瀉小鼠腸道微生物區(qū)系進行α-多樣性分析發(fā)現(xiàn)，葛根多糖治療小鼠腸道微生物的Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)有明顯增高；β-多樣性分析發(fā)現(xiàn)治療小鼠腸道微生物組成與腹瀉小鼠存在明顯差異，說明葛根多糖對小鼠腸道菌群組成具有積極影響。葛根多糖增高了小鼠盲腸中乙酸、丙酸、丁酸含量，降低了不利于腹瀉小鼠腸道環(huán)境平衡的異戊酸含量[41]。

紅藻硫酸多糖可以預防小鼠細菌性腹瀉，通過調節(jié)紊亂的腸道菌群，恢復腸道微生物豐富度和多樣性平衡，可以顯著降低小鼠腹瀉率和腹瀉指數(shù)，恢復腸組織黏膜結構和形態(tài)的完整性，顯著減輕炎癥反應。對小鼠腸內(nèi)容物OTUs聚類分析發(fā)現(xiàn)擬桿菌門和厚壁菌門為優(yōu)勢菌群，在門水平上，硫酸多糖提高了腹瀉小鼠厚壁菌門豐度，降低了放線菌門和變形菌門的豐度；在屬水平上，提高了雙歧桿菌屬、乳酸桿菌屬以及瘤胃菌屬的相對豐度[42]。

2 腸道菌群對多糖的代謝作用

腸道菌群十分復雜，以細菌為主，主要由擬桿菌門和厚壁菌門組成，也包括少量放線菌門和變形菌門。人體腸道菌群可利用的主要能量和營養(yǎng)來源為宿主碳水化合物和膳食復合碳水化合物。膳食復合碳水化合物包括植物多糖和動物多糖。但人體消化道一般無法直接消化吸收動植物多糖，需要借助腸道菌群分泌的多種多糖降解酶，對其進行代謝降解才能被機體利用。人體腸道菌群中多糖的代謝是由碳水化合物活性酶（carbohydrate-active enzymes，CAZymes）介導的，包括多糖裂解酶（polysaccharide lyase，PLs）、糖苷水解酶（glycoside hydrolases，GHs）和碳水化合物酯酶（carbohydrate esterases，CEs）。人類基因組不會針對不同的糖苷鍵而編碼足夠的有效CAZymes，這一原因限制了人體對糖的酵解利用。而腸道微生物基因集約為人類補體基因的150 倍，可誘導數(shù)千種互補的CAZymes，并可以靶向消化代謝數(shù)十種多糖，幫助人體更好地吸收利用多糖，促進機體健康[43]。腸道菌群對多糖的作用機制如表3所示。

表3 腸道菌群代謝多糖機制Table 3 Metabolic mechanisms of polysaccharides by intestinal bacteria

2.1 腸道菌群對植物多糖的代謝

植物細胞壁為腸道菌群所需營養(yǎng)物質多糖的主要來源。植物多糖的成分包括纖維素、半纖維素、果膠以及阿拉伯半乳糖蛋白（arabinogalactan proteins，AGPs）。纖維素是由葡萄糖以β-1,4-糖苷鍵連接而成的大分子多糖；半纖維素由木聚糖、木葡聚糖和甘露聚糖組成；果膠是含有大量半乳糖醛酸、RG I、RG II以及同聚半乳糖醛酸（homogalacturonon，HG）的植物細胞壁多糖；AGPs是由β-半乳聚糖、阿拉伯糖和蛋白質構成的植物糖蛋白。植物多糖中最復雜的多糖為RG I、RG II、木聚糖和AGPs[50]，本文以這4 種主要成分為例，闡釋腸道菌群對其代謝降解的作用。

2.1.1 腸道菌群對RG I的降解作用

RG I主要由鼠李糖和半乳糖醛酸組成，RG I-B為[(→4)-α-D-Galp A-(1→2)-α-L-Rhap-(1→)]n[51]。轉錄組數(shù)據(jù)分析表明，RG I-B可以上調編碼GHs和PLs的PULs表達。腸道擬桿菌降解RG I的主要作用機制如圖3所示，RG I-B的降解首先是由細胞表面PLs引發(fā)的，進入細胞周質的低聚糖首先被2 種特異性不同的PLs解聚，然后進一步由GHs降解為具有鼠李糖-半乳糖醛酸重復序列的寡糖，并通過3 種主要β-1,4-半乳糖苷酶（BT4151、BT4156、BT4160）的協(xié)同作用，從RG I-B中降解出半乳糖基產(chǎn)物，進而達到降解RG I的目的。RG I-PULs除了降解RG I-B，還可以去除連接在RG I側鏈上的單糖殘基來降解RG I[46]。擬桿菌降解RG I多糖獲得了營養(yǎng)，便可以使降解酶的催化性能得到優(yōu)化，激活特定PULs的糖鏈，確保在整個生長過程中持續(xù)供應誘導分子，由于多糖被降解，機體也可以更好地利用吸收多糖，促進機體的健康，形成了多糖與菌群相互作用的良性循環(huán)。在人類結腸中，多形擬桿菌基因組中也存在RG I-PULs，但其具體的降解機制尚不清楚[48]。

圖3 RG I降解途徑[46]Fig. 3 Schematic illustration of RG I degradation pathway[46]

2.1.2 腸道菌群對RG II的降解作用

RG II屬于植物細胞壁多糖，由13 種不同的單糖和21 種不同的糖苷鍵排列成不同側鏈的骨架構成。Ndeh等[45]通過腸道微生物Bacteroides thetaiotaomicron揭示了RG II的降解機制，確定了參與RG II降解的酶以及PULs（圖4）。RG II的降解主要依賴PULs對其骨架進行裂解，骨架發(fā)生裂解之后促進酶的嵌入，使得側鏈進一步發(fā)生降解。B. thetaiotaomicron可以裂解RG II中21 個糖苷鍵，大部分糖苷鍵裂解的過程僅發(fā)生在細胞周質。B. thetaiotaomicron利用7 個新的GH家族（GH137-GH143），包括1 個糖苷內(nèi)切酶（BT1012、GH140）、1 個DNA水解酶（BT1020、GH143的N端）、2 個β-L-阿拉伯糖苷酶（BT0996、GH137的N端；BT1020、GH142的C端）、1 個α-2-O-甲基-L-葡萄糖苷酶（BT0984、GH139）、1 個α-L-葡萄糖苷酶（BT1002、GH141）和1 個α-半乳糖醛酸酶（BT0997、GH138），以及1 個新的果膠甲基酯酶（BT1017），通過促進BT1023來啟動RG II骨架裂解，骨架裂解后，與GalAs相連的糖苷鍵進一步由BT1001進行斷裂[50]。

圖4 RG II降解途徑[45]Fig. 4 Schematic illustration of RG II degradation pathway[45]

2.1.3 腸道菌群對木聚糖的降解作用

木聚糖是植物半纖維素的主要成分，主要由β-D-(1→4)連接的木聚糖組成主鏈骨架結構，因側鏈單糖種類不同而不同[52]，主要分為葡萄糖醛酸木聚糖（glucuronoxylans，GXs）、AXs和葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖（glucuronoarabinoxylans，GAXs）[53]。木聚糖可以促進擬桿菌、雙歧桿菌等有益菌的生長并誘導其發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸，在體內(nèi)發(fā)揮益生元的作用。多糖降解通常發(fā)生在結腸近端，由于發(fā)酵產(chǎn)生SCFAs會使結腸pH值下降，而蛋白質降解則發(fā)生在結腸的遠端，腸道菌群對木聚糖的降解恰好在結腸的遠端進行，由于結腸遠端的pH值降低，蛋白質的降解被抑制，因此有降低結腸癌風險的作用[54]。擬桿菌門中包括2 個不同的PULs（PULXylS和PUL-XylL），通過編碼木聚糖降解酶降解木聚糖。雙歧桿菌則只能利用gpPULs編碼的ABC與細胞表面的糖結合蛋白結合，再通過1,4-β-木聚糖內(nèi)切酶和β-木糖酶對木聚糖進行降解。厚壁菌門可以分泌多種木聚糖降解酶，包括乳酸菌和羅氏菌[55]。

2.1.4 腸道菌群對AGP的降解作用

AGP主要由阿拉伯糖和半乳糖組成，與含有絲氨酸、蘇氨酸以及羥脯氨酸的蛋白質相連。在雙歧桿菌屬中只有少量長雙歧桿菌（包括B. thetaiotomicron、糞擬桿菌、單形擬桿菌、卵形擬桿菌等）可以代謝簡單的AGP，但活性較差[56-57]。其中多形擬桿菌可以編碼3 種α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶（GH51、GH146和BT0369），前2 種酶屬于阿拉伯糖內(nèi)切酶，它們在B. thetaiotomicron表面開始降解，然后通過SusCH/SusDH系統(tǒng)導入細胞質后，利用BT0369斷開α-1,2-L-阿拉伯呋喃糖側鏈對AGP進行降解。此外，B. thetaiotomicron中的Gal-PUL還可以編碼1 個作用于周質的β-半乳糖苷酶（GH2家族）和1 個作用于細胞表面的β-1,4-半乳糖苷酶（GH53家族），由β-1,4-半乳聚糖酶在細胞表面水解成半乳糖鏈，然后導入到細胞周質中由β-半乳糖苷酶進一步降解[46]。

2.2 腸道菌群對動物多糖的代謝

動物多糖主要由糖胺聚糖（glycosaminoglycans，GAGs）和黏蛋白-O-聚糖組成，是機體腸道重要的營養(yǎng)來源。人體無法直接代謝動物多糖，需要借助腸道菌群進行降解和利用[50]。

2.2.1 腸道菌群對GAGs的降解作用

GAGs附著在細胞表面和細胞外基質的蛋白質上，屬于蛋白多糖，是由葡萄糖胺（肝素（heparin，Hep）、硫酸乙酰肝素（heparan sulfate，HS））或半乳糖胺（硫酸軟骨素（chondroitin sulfate，CS））與糖醛酸相連組成。人腸道菌群中的擬桿菌門可以產(chǎn)生降解GAGs的酶，研究表明，11 種不同擬桿菌對GAGs底物利用率不同，與其是否編碼相關功能蛋白相關，其中B. thetaiotaomicron起到了主要的降解作用[20]。

2.2.1.1 腸道菌群對Hep/HS的降解作用

由于Hep和HS的聚合度不相同，所以有學者推測它們的降解可能發(fā)生在不同的細胞區(qū)間。Hep和HS的解聚發(fā)生在脫硫之前，Cartmell等[58]揭示了B. thetaiotaomicron通過表達的PLs、GHs、硫酸酯酶來如何共同解決Hep和HS的硫酸化問題。B. thetaiotaomicron對Hep和HS的降解機制如圖5所示，當B. thetaiotaomicron遇到Hep或HS時可以激活PULs，PULs基因簇可以編碼4 個PLs，其中PL-12裂解酶位于細胞表面，而其他3 種裂解酶（PL-12、PL-13、PL-15）則位于細胞周質。HS在細胞表面可被PL-12裂解酶降解，供機體利用。在細胞周質中，Hep和HS可同時被剩余3 種PLs降解，每種PL對不同硫酸化程度的亞結構都表現(xiàn)出特異性，最終雙糖產(chǎn)物在糖苷鍵被GH88水解之前，其結構中的糖醛酸被硫酸酯酶脫去。目前為止，厚壁菌門基因組中只存在1 個可以編碼PL的位點（PL-12），可能有助于Hep和HS的降解，但具體機制尚不明確。

圖5 B. thetaiotaomicron 對Hep和HS的降解途徑[58]Fig. 5 Degradation pathways of Hep and HS by B. thetaiotaomicron[58]

2.2.1.2 腸道菌群對CS的降解作用

擬桿菌門成員B. thetaiotaomicron、B. caccae、B. ovatus等編碼PULs對CS的降解具有高度特異性。CS可由SusCH/SusDH對轉運體系統(tǒng)轉運至細胞周質中，然后B. thetaiotaomicron編碼PLs將其裂解代謝。CS二糖可以降低腸道菌群中引起炎癥菌群的相對豐度，而經(jīng)過降解的CS發(fā)生了脫硫，CS脫硫后則會引起機體產(chǎn)生炎癥，有益菌相對豐度減少，說明CS降解雖然能夠為B. thetaiotaomicron提供營養(yǎng)，但卻可能無法促進機體腸道菌群健康[59]。厚壁菌門對CS的降解過程與Hep和HS降解過程相似，不同的是CS只能被厚壁菌門成員中間鏈球菌降解成為低聚糖，然后再通過其他菌將其發(fā)酵成SCFAs，其中乙酸、丙酸、丁酸等發(fā)揮對腸道菌群調節(jié)的作用，維持正常機體腸道菌群的平衡、改善機體腸道菌群紊亂的狀態(tài)，減輕由于腸道微生態(tài)失衡引起的疾病。

2.2.2 腸道菌群對黏蛋白-O-聚糖的降解作用

黏蛋白是一種高度糖基化修飾的高分子質量蛋白，其糖鏈主要是由N-乙酰氨基葡萄糖、N-乙酰半乳糖胺、巖藻糖和半乳糖組成的低聚糖構成，是胃腸道黏膜的主要屏障之一，能夠有效阻止病原體和人腸道菌群進入黏膜上皮細胞，預防由病原體和微生物所引起的疾病[49]。結腸黏液中的黏蛋白可以為人體腸道菌群提供豐富的營養(yǎng)，因此腸道菌群對黏蛋白的代謝降解也十分重要。Ruas-Madiedo等[59]發(fā)現(xiàn)人體腸道菌群對黏蛋白的降解方式主要是通過代謝修飾O-聚糖，變形菌門中雙歧桿菌可以代謝黏蛋白。降解黏蛋白需要特定的GHs，目前已發(fā)現(xiàn)12 種能夠降解黏蛋白的CAZymes，它們分別是GH2、GH20、GH29、GH33、GH42、GH84、GH85、GH89、GH95、GH98、GH101和GH129。Tailford[60]和Katoh[61]等揭示了雙歧桿菌屬成員Bi. longum對黏蛋白的降解途徑，降解作用位點如圖6所示，MUC1在細胞外被Bi. longum基因組編碼的GH101家族α-N-乙酰半乳糖胺內(nèi)切酶降解為半乳糖-β-1,3-N-半乳糖胺，再借助ATP結合轉運蛋白進入細胞質，在細胞中被GH12家族的半乳糖-N-二糖磷酸化酶進一步發(fā)酵成SCFAs，參與機體能量代謝以及碳水化合物代謝，對腸道微生物起到調節(jié)菌群紊亂、恢復菌群豐富度和多樣性等積極作用。

圖6 糖苷鍵降解作用位點[60]Fig. 6 Action sites for glycoside bond degradation[60]

3 結 語

多糖可以通過調節(jié)腸道菌群將紊亂的菌群恢復到正常水平、增加菌群的豐富度和多樣性，來維持機體腸道菌群平衡，起到治療疾病和促進機體健康的作用，但多數(shù)多糖中發(fā)揮作用的確切活性成分結構和對菌群結構、豐富度、多樣性具體的作用機制還不夠清楚，需要對其制備方法、理化性質、一級結構信息和高級結構特征開展系統(tǒng)全面的研究工作，確定調節(jié)腸道菌群的物質結構基礎，闡明構效關系[62]。并針對不同的成分分別研究其對腸道微生物群的作用，確定不同結構對疾病的影響；對不具有腸道菌群調節(jié)活性或活性較弱的多糖，可以進一步應用硫酸化、甲基化、磷酸化等方法對其結構進行修飾和改造，獲得活性多糖衍生物，發(fā)揮治療作用。

已有研究表明多糖聯(lián)用能夠重建結腸炎小鼠腸道菌群平衡、減輕結腸黏膜損傷程度、改善小鼠結腸炎癥狀，聯(lián)用發(fā)揮的作用比單獨用藥作用更加顯著[34]。多糖來源廣泛，具有多種顯著的活性，可對腸道菌群引起的不同類型疾病產(chǎn)生預防和治療作用，根據(jù)其對機體腸黏膜屏障、免疫平衡和菌群結構的作用機制具有多樣性的特點，可以在遵循中醫(yī)藥配伍原則的前提下，利用復合多糖來更好發(fā)揮多糖對腸道微生物的作用，進而更加有效地治療疾病。

研究表明梭菌對結腸炎的治療作用是具有兩面性的，艱難梭菌會惡化結腸炎，而產(chǎn)孢梭菌則通過參與氨基酸代謝來維持腸黏膜屏障緩解結腸炎癥狀[27]。這一結果表明僅宏觀地進行某一類腸道菌群的生物學功能分析和定義還不夠科學和嚴謹，應按照分類的不同找出有治療作用的具體腸道菌的種類，研究其對疾病具體的作用機制。腸道菌群對多糖的降解是通過編碼PULs來實現(xiàn)的，但腸道菌群基因組是如何進行編碼的研究目前尚屬空白，為了能夠更清晰了解降解機制，應該更加集中地分析代謝食物網(wǎng)以及關鍵基因。因此，僅對腸道菌群進行OTUs聚類分析、α-多樣性分析和β-多樣性分析是不全面的，應該利用更加深入全面高效的技術來明確菌群的具體結構變化、代謝能力和全部基因組的功能，便于更加深入了解多糖與腸道菌群的關系與作用。

高通量測序和宏基因組學已經(jīng)成為分析腸道菌群的常用技術，高通量測序能夠在較低的成本下大量地收集物種的遺傳信息[63]，無需培養(yǎng)菌群也能直接分析菌群組成和豐富度，并將其與相關疾病關聯(lián)起來進行分析，但會出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差，影響數(shù)據(jù)結果；宏基因組學可以對菌群進行無限次測序，分析菌群多樣性，但其有效測序量較低、成本較高，并且全長基因物種分類數(shù)據(jù)庫容量較低，只適用于豐度較高的菌群。因此，探索新方法來分析腸道菌群應成為未來的研究重點，包括宏基因組學、基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學、培養(yǎng)組學及全微生物分析等多組學聯(lián)合分析技術，以為科學地闡明多糖與腸道菌群相互作用關系提供有力支撐[64-66]。

腸道菌群在體內(nèi)數(shù)目龐大，且參與多種器官的調節(jié)，可作為疾病治療作用的靶點。腸道菌群對機體生理軸的調節(jié)作用及信號通路還未被廣泛研究，包括腦-腸軸、腸-心軸、腸-肝軸、腸-膽軸、腸-脾胃軸、腸-肺軸、腸-腎軸、腸-肌軸等[67-70]。今后還需要更多的基礎和臨床研究來探究腸-生理軸作用的具體機制、信號通路及靶點分子。

多糖可作為益生元來促進腸道中有益菌增殖、抑制致病菌的生長，維持腸道微生物菌多樣性，促進腸道微生態(tài)平衡，也可通過調節(jié)腸道菌群豐度改善多種由于菌群紊亂引起的一系列疾病，而腸道菌群反過來也可以通過分泌多種多糖降解酶協(xié)助機體利用本身無法直接代謝吸收的多糖，促進機體健康。但多糖對某些腸道菌群具體調節(jié)機制目前還不明確，甚至某些多糖還會引起疾病，目前對于多糖治療疾病具體用法用量研究較少；腸道菌群對多糖降解機制尚不明確，兩者之間相互作用機制研究工作不夠系統(tǒng)，因此，今后應從宏觀到微觀開展更加深入的研究工作。