肠道是物质与能量代(dai)谢十(shi)分旺盛的(de)器官(guan),氧(yang)化还原反应剧烈,细胞(bao)代谢产生大量自(zi)由(you)基｡一定水平的自由基对肠道免疫(yi)功(gong)能具(ju)有积极作用(yong),但过量自由基会引起肠道损(sun)伤(shang)､脂质过氧化､加速细(xi)胞衰(shuai)老等(deng)一(yi)系列危害｡

肠道益(yi)生菌对动物(wu)营养物(wu)质的消化吸收､肠道组织发育､免疫调节及抑制致病菌的(de)侵染等(deng)有(you)着(zhe)重要生(sheng)理作用(yong)｡益生菌调(diao)节(jie)动(dong)物(wu)肠道生理功能的机制十分复杂。

本(ben)文对益生菌在通过调控肠道自(zi)由基水平,既可发挥免疫调(diao)节作(zuo)用,又防止对肠道氧化损伤的功能(neng)及(ji)其相关(guan)机制进行了综述｡

1   细菌诱导肠道组织产生自(zi)由基的机制

肠(chang)黏膜上皮组(zu)织及细(xi)胞受(shou)到某些(xie)细(xi)菌(jun)刺(ci)激(ji)后,会产生活性氧(yang)自由基(ji)(ROS),这些 ROS 参与肠道生(sheng)理功能的调(diao)控｡细(xi)菌诱导(dao)的肠道细(xi)胞 ROS主要是由还(hai)原(yuan)型烟酰胺腺嘌(piao)呤(ling)二核苷酸(suan)磷酸(suan)(NADPH)氧化酶家族(NADPH oxidase,NOX)催化合成的,NOX 家(jia)族中 NOX1 和双氧化(hua)酶( dualoxidase,DUOX)在肠道组织中表达丰度很(hen)高[1]｡病原(yuan)菌能够刺激机体肠道组织产生(sheng)并释放大量ROS,这些 ROS 可(ke)以协助机(ji)体(ti)对抗病原菌侵染,同时,也会引起严(yan)重的炎(yan)症反应,造(zao)成肠黏膜(mo)损伤[2-3]｡病(bing)原(yuan)菌(jun)释(shi)放游离(li)的尿嘧啶碱基作为信号分子,通过 G 蛋白偶联受体(ti)(Gprotein⁃coupledreceptors, GPCRs),激活肠黏膜(mo)上(shang)皮细(xi)胞中(zhong)的DUOX,诱导合成(cheng)大量(liang) ROS(图 1)[3-5]｡与病原(yuan)菌不(bu)同,部分益生(sheng)(sheng)菌也能(neng)刺(ci)激肠(chang)道产生(sheng)(sheng)少量(liang)的(de)ROS,这些(xie)ROS 不仅不会(hui)损伤(shang)肠道,还对肠道维持正常的生理功能(neng)有益(yi)｡Alam 等[6]研究发(fa)现,益(yi)生菌能够通(tong)过刺激肠道吞噬(shi)细胞膜上的甲(jia)酰肽(tai)受体(formyl peptide receptors,FPRs),激活(huo) NOX2,诱导机体肠道吞噬细胞产生 ROS｡ Leoni 等[7] 的研究指出,乳酸菌诱导的细胞 ROS 产生及细胞(bao)增殖(zhi)依(yi)赖于(yu)肠上皮细胞(bao)的NOX1｡Jones 等[8]利用从果(guo)蝇肠(chang)道(dao)中分离的乳酸(suan)杆菌进行的研究表明,该菌能够通过激活 NOX1 诱导肠道组织产(chan)生释放ROS,这些ROS 可以刺激小鼠(shu)､果蝇等模(mo)型动物肠道干细(xi)胞的(de)分化,促进肠组织更新｡Yan 等[9] 的研究则发现(xian),益生(sheng)菌能够通过产(chan)生(sheng)可溶(rong)性蛋白(bai)成分,诱(you)导宿主肠(chang)道合成一定量的(de) ROS,有助于肠道(dao)细(xi)胞的存活及其(qi)生长增殖｡益生菌的诱导肠道细胞产生ROS 的机制与致病菌(jun)完全(quan)不同,其通过细胞壁上肽聚糖分子中的N-甲酰(xian)肽作用于(yu)肠黏膜(mo)细胞膜(mo)上的FPRs,激活细胞中的NOX1,合成一定量(liang)的ROS(主要是超氧阴(yin)离子),这些 ROS 可以激活(huo)相(xiang)关信号通路,刺激肠黏膜组织的更新[3]｡

2   益(yi)生菌对(dui)肠道自由(you)基的清除(chu)作用

过量的自由基(ji)会引起肠道(dao)组织(zhi)受损,肠黏(nian)膜通透(tou)性增加,进而诱(you)发(fa)肠黏膜溃疡和炎(yan)症反应(ying);对(dui)肠(chang)道尚(shang)未发育完全的动物而言,自(zi)由基造成的肠黏膜损(sun)伤会导致其(qi)死亡[10-12]｡肠道益生(sheng)菌参(can)与清除机(ji)体肠道代(dai)谢产(chan)生(sheng)的自由(you)基,从而保(bao)护肠道(dao)组(zu)织免(mian)于自由基的氧化(hua)损伤｡益生(sheng)菌产(chan)生(sheng)的过氧化物(wu)歧(qi)化酶 ( SOD )､谷胱(guang)甘肽(tai)过氧化物酶(GSH⁃Px)､含锰(meng)假性过氧化氢酶(mei)以(yi)及硫氧还蛋白还原酶(mei)､烟(yan)酰胺腺嘌呤二(er)核苷(gan)酸氧化(hua)酶(mei)等还原酶(mei)具有(you)清(qing)除ROS 的作(zuo)用(yong)[13-16]｡肠道中(zhong)的 ROS 主要包括超(chao)氧阴离子(zi)､过(guo)氧化氢(H2O2)和羟基自由(you)基等(deng),其中(zhong)羟自由基的活性最强,对细胞核酸､蛋(dan)白质(zhi)和脂类(lei)等均有很强(qiang)的氧(yang)化(hua)性,其能够(gou)显(xian)著诱导益生菌抗氧化相关(guan)酶的表达(da),激发(fa)益生菌的抗(kang)氧化能力[17]｡Kullisaar 等[17]从 1 名健康儿童(tong)的(de)肠道菌群中分(fen)离(li)得到 2 株(zhu)抗氧化菌(jun)株(zhu),这2 株菌(jun)对(dui)过氧(yang)化氢､超氧阴离(li)子､羟自由基(ji)等活性氧具有明显的抗性｡韩伟(wei)等[18]从(cong)腌制蔬菜中(zhong)分离的 5 株菌均表现较强的自由基(ji)清除能力,这些菌株对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)､羟自由(you)基等的清除(chu)率和脂质过氧化的抑制率相对较高(gao)｡白明等[19]研究(jiu)了(le)乳杆菌､双(shuang)歧(qi)杆菌(jun)､嗜(shi)热(re)链球菌和乳酸乳球菌等(deng) 40 株(zhu)益生(sheng)菌的抗氧化能力,结果证明,多(duo)数益(yi)生菌(jun)具有清除自由(you)基(ji)的能力,但种属和菌(jun)株间差别(bie)较大,其中乳酸乳球(qiu)菌清除自由基能(neng)力最强(qiang),嗜热链球菌次之,乳杆菌､双歧杆菌则(ze)比较弱｡这些(xie)体外试验结果表(biao)明,益生(sheng)菌(jun)能(neng)够(gou)清(qing)除(chu)自由(you)基(ji),其(qi)主要机(ji)制(zhi)可能是自(zi)由基刺激(ji)了菌体相关还原(yuan)酶系的(de)活性,从(cong)而激发了益生菌的还(hai)原能力,进而清除自由基(ji)｡体内(nei)试验(yan)也(ye)表明,益(yi)生菌可提高动(dong)物(wu)机体的抗氧化(hua)能力,清除体内代谢产生的自由基,发挥(hui)抗衰(shuai)老作用｡不同研(yan)究者以小鼠为模型,研究凝结芽(ya)孢杆菌､双歧杆菌､德氏乳杆菌(jun)､富硒沼泽红假单胞菌等(deng)(deng)益生菌的抗(kang)氧化(hua)作用,结果表(biao)明,其血清､肝脏､脑(nao)等(deng)组织中SOD､GSH⁃Px等(deng)(deng)相关还原酶的活性提高(gao),丙二(er)醛(MDA)含量下降,抗衰老相关基因的表达水平上调[20-26]｡闻平等(deng)[27] 的研(yan)究发现(xian),明串珠菌可(ke)提高家兔血清 GSH⁃Px､SOD等还原酶(mei)的(de)活性,降低血清 MDA 含量,并(bing)维持较长(zhang)时间,这提(ti)示明串珠菌及其发酵产物(wu)有提(ti)高家兔抗氧化能(neng)力(li)的作(zuo)用｡这些体内研究结果提示,益生菌能够刺激(ji)机体还原酶的表达或提(ti)高其活性,从而协助机体清除代谢产(chan)生(sheng)的(de) ROS,从而发挥(hui)抗氧化作用｡

3   自(zi)由(you)基在益生(sheng)(sheng)菌发挥生(sheng)(sheng)理功能过程中(zhong)的作(zuo)用

ROS 的产生(sheng)是(shi)吞噬细(xi)(xi)胞(bao)对细(xi)(xi)菌(包括致病菌和共生菌)免疫应答(da)的重要特征(zheng),这提示(shi) ROS 在益生菌(jun)与宿主互作过程中发挥重(zhong)要作用｡肠道益生菌能够(gou)诱导果蝇肠道组织氧(yang)化酶系统的表(biao)达,刺激(ji)肠道细胞产生过氧化氢,进而抑(yi)制病原(yuan)菌在肠道中(zhong)的(de)增(zeng)殖及其侵染作(zuo)用,从而(er)维持(chi)肠上皮的完(wan)整(zheng)性[28-29];植(zhi)物体(ti)受到细菌刺(ci)激时(shi)也会(hui)产(chan)生ROS,从而抑制病(bing)原菌对自身的(de)侵染(ran),保(bao)护自(zi)身组织､细胞免(mian)受病原破坏[2]｡Kumar 等[1] 的研究发现(xian),鼠李糖乳(ru)酸(suan)杆菌(Lactobacillus rhamnosus GG,LGG)能够显著刺激 Caco⁃2 细胞释放ROS,这些ROS能够诱(you)导细胞(bao)泛素-蛋白酶(mei)体信号(hao)途径(jing)中泛(fan)素(su)连(lian)接酶(mei) 12 ( ubiquitin conjugatingenzyme 12,Ubc12)半(ban)胱氨(an)酸残基的(de)氧化失活,进(jin)而抑制核转(zhuan)录因子(zi)-κB(NF⁃κB)炎症(zheng)信号通路的(de)活性,从而发挥其免(mian)疫调节作用(yong)｡Lin 等(deng)[30]利用小鼠进行的(de)体内试验也得出(chu)相(xiang)似的(de)结论,LGG诱导的 ROS 能够导致(zhi)细胞内(nei) Ubc12 失活,抑制泛素(su)-蛋白酶体信(xin)号途径活性(xing),进而阻止 NF⁃κB炎症信号通(tong)路激活,阻止细(xi)胞炎(yan)症反(fan)应,并(bing)保护幼龄动物肠道黏膜组(zu)织的完整性,防(fang)止腹(fu)泻等疾病的发生｡

此(ci)外,ROS 还作(zuo)为炎症因子及生长因子刺激的细胞信号转导过程的第二信使｡在这一过程中,益生菌(jun)诱导(dao)产生的ROS 会导致(zhi)细胞信号通路(lu)相关蛋白的巯基迅(xun)速氧化失活,从而发挥第(di)二信使功能｡细胞(bao)内的酪氨酸磷酸酶就是这(zhei)样(yang)一类受(shou)ROS调节的巯基蛋白酶(mei),而酪氨酸(suan)磷(lin)酸(suan)酶(mei)(mei)是(shi)丝裂原活化蛋白激酶(mei)(mei)(mitogen⁃activated protein kinase,MAPK)､黏附斑激酶(mei)(focaladhesion kinase,FAK)和(he)NF⁃κB 信号通路的重要调节因子(zi),这(zhei)些信号(hao)通路在机体肠道免疫调节､细胞增(zeng)殖(zhi)和运动等(deng)过程中(zhong)发挥(hui)着重要作用[31-32]｡因此,肠(chang)道益生菌可通过刺激机体(ti)产生ROS,调节上述细胞信号(hao)通路,从而发挥相关生理调节作用(yong)｡

4   小 结

受到细菌(jun)等(deng)刺激后,产生释放自(zi)由基是一种十分保守的(de)免疫调节机制,从植物(wu)到高等(deng)动物(wu)均存在类似(si)的机制｡动(dong)物(wu)肠道中生存着大量(liang)微生物(wu),这(zhei)些微(wei)生物通过调节肠道细胞自由(you)基的水平,影响(xiang)相(xiang)关细胞信(xin)号通路的活(huo)性,从而调节机体肠道(dao)生理功能,这是(shi)肠道(dao)益生(sheng)菌发挥生(sheng)理作(zuo)用的重要机制｡解析益生菌诱导及(ji)清除肠道(dao)自由(you)基的(de)机制(zhi),揭示自由(you)基作为(wei)第(di)二信(xin)使(shi)在益(yi)生(sheng)菌刺激的(de)细胞(bao)信(xin)号转导过程中的(de)作用,对全面了解肠道益生菌的免疫调节(jie)作用机(ji)理､探(tan)究(jiu)肠道(dao)菌群与(yu)宿主健康的(de)关系以及新型益生菌制剂的(de)开发具(ju)有重要意义｡

参考文献:

[ 1 ]   KUMARA, WU      H, COLLIER⁃HYAMS        L       S, et   al.Commensalbacteria modulate cullin⁃dependent signaling via generationof reactive oxygen species[ J] .The

EMBO Journal,2007,26(21):4457-4466.

[ 2 ]   KIM SH,LEE W J.Role of DUOX in gut inflammation:lessons from Drosophila model of gut⁃microbiotainteractions[ J] .Frontiers in Cellular andInfection Microbiology,2013,3:116.

[ 3 ]   PATEL P H,MALDERA J A,EDGAR B A.StimulatingcROSstalk between commensal bacteria and intestinal stem cells [ J ] . The EMBOJournal, 2013, 32

(23):3009-3010.

[ 4 ]   LEE K A, KIM S H, KIM E K, et al. Bacterial- derived uracil as a modulator of mucosal immunity andgut⁃microbe homeostasis in Drosophila [ J ] . Cell,

2013,153(4):797-811.

[ 5 ]   LEE K A,LEE W J.Drosophila as a model forintestinal dysbiosis and chronic inflammatory diseases [ J] .Developmental& Comparative Immunology,2014,42

(1):102-110.

[ 6 ]   ALAM A,LEONI G,WENTWORTH C C,et al.Redoxsignaling regulates commensal⁃mediated mucosalhomeostasis andrestitution and requires formyl peptidereceptor 1 [ J ] . Mucosal Immunology,2014, 7 ( 3 ):

645-655.

[ 7 ]   LEONI G,ALAM A,NEUMANN P A,et al.AnnexinA1,formyl peptide receptor, and NOX1 orchestrateepithelial repair[ J] . TheJournal of Clinical Investigation,2013,123(1):443-454.

[ 8 ]   JONES R M,LUO L,ARDITA C S,et al.Symbioticlactobacilli stimulate gut epithelial proliferation viaNox⁃mediated generation of reactive oxygen species

[ J] .The EMBOJournal,2013,32(23):3017-3028.

[ 9 ]   YAN F,CAO H,COVER T L,et al. Solubleproteinsproduced by probiotic bacteria regulate intestinal epithelial cellsurvival and growth[ J] . Gastroenterology,

2007,132(2):562-575.

TOMITA T,SADAKATA H,TAMURA M,et al.Indomethacin⁃induced generation of reactiveoxygenspecies leads to epithelial cell injury before the formation ofintestinal lesions in mice[ J] .Journal of Physiology andPharmacology,2014,65(3):435-440.

PERRONE S, TATARANNO M L,SANTACROCEA,et al.The role of oxidative stress on necrotizing enterocolitis invery low birth weight infants[ J] .Current

PediatricReviews,2014,10(3):202-207.

PERRONE S,TATARANNO M L,STAZZONIG,etal. Oxidative injury in neonatal erythrocytes [ J] . The

Journal of Maternal⁃Fetal & Neonatal Medicine,2012,

25( Suppl.5):104-108.

BRUNO⁃BÁRCENA J M, ANDRUS J M, LIBBY SL, et al. Expressionof a heterologous manganese superoxide dismutase gene in intestinallactobacilli provides protection against hydrogen peroxide toxicity[ J] .Applied and Environmental Microbiology,2004,

70(8):4702-4710.

ROCHAT T,GRATADOUX J J,GRUSS A,etal.Production of a heterologous nonheme catalase by Lactobacillus casei: anefficient tool for removal of H2O2and protection of Lactobacillus bulgaricusfrom oxidative stress in milk[ J] .Applied and EnvironmentalMicrobiology,2006,72(8):5143-5149.

SERRANO L M, MOLENAAR D, WELS M, etal.Thioredoxin reductase is a key factor in the oxidativestress response ofLactobacillus plantarum WCFS1

[ J] .Microbial CellFactories,2007,6(1):29.

TALWALKAR A, KAILASAPATHY K, HOURIGANJ,et al.An improved method for the determinationof NADH oxidase in the presenceof NADH peroxidase in lactic acid bacteria[ J] .Journal of MicrobiologicalMethods,2003,52(3):333-339.

KULLISAAR T,ZILMER M,MIKELSAAR M,etal.Two antioxidative lactobacilli strains as promising probiotics[ J] .International Journal of Food Microbiology,2002,72(3):215-224.

韩伟(wei),刘文群,黄丽婵(chan),等.5 株微生物抗氧化作用的初步研究[ J] .食品与机械(xie),2008,24(5):45-47,51.

白明,孟(meng)祥晨.益生菌抗氧(yang)化(hua)活性及菌体抗氧(yang)化(hua)相关成(cheng)分的分析[ J] .食品与发酵工业,2009,35( 5):6-

11.

刘锋,张娟娟,张海,等.凝结芽孢杆菌 TBC169 株(zhu)对亚(ya)急性衰老模(mo)型小鼠的抗衰老作用(yong)[ J] . 中国老年学杂志(zhi),2009,29(4):433-436.

王跃,张宏娟,刘明方,等(deng).双歧杆(gan)菌脂磷壁酸(suan)抗(kang)氧化作用的(de)实验研究(jiu)[ J] . 中(zhong)国老年学杂志, 2007, 27

(13):1254-1257.

陈施羽.小白鼠肠(chang)道菌(jun)群中乳酸菌(jun)的筛选及其抗衰老(lao)作用初探[ D] . 硕士学位论文. 成都(dou):四川师范大(da)学,2007:1-66.

王挺(ting),李弋. 双歧杆(gan)菌对D-半乳糖致衰老(lao)小鼠的抗衰老(lao)作用[ J] . 中(zhong)国老(lao)年(nian)学杂志,2007,27 ( 1):45 -

48.

AKYOL S,MAS M R,COMERT B,et al. Theeffectof antibiotic and probiotic combination therapy on secondary pancreaticinfections and oxidative stress pa⁃

12 期王进波等:益生菌(jun)与动物肠道自由基(ji)的关系 3549rameters in experimental acute necrotizingpancreatitis Drosophila [ J ] . Developmental Cell, 2005, 8 ( 1 ):

         [ J] .Pancreas,2003,26(4):363-367.       125-132.

曩潇潇,何(he)瑶,王(wang)晓炜,等. 富硒沼泽红(hong)假(jia)单胞菌(jun)对 [30]   LIN PW,MYERS L E S,RAY L,et al.LactobacillusD-半乳(ru)糖致衰(shuai)老小(xiao)鼠抗氧化系统的(de)影响(xiang)[ J] . 安(an)徽(hui) rhamnosus blocks inflammatory signaling in vivo via

         农业(ye)科学,2007,35(16):4850-4852.       reactive oxygen     species        generation [ J ] . Free      Radical

龚灵芝,陈小连,徐建雄.微生物(wu)源(yuan)性抗氧化剂(ji)对高(gao)     Biology andMedicine,2009,47(8):1205-1211.

         不饱和脂肪酸饲料致大鼠自由基损伤模型的影响 [31]     JONES R M,MERCANTE J W,NEISH A S.Reactive

         [ J] .饲(si)料工(gong)业,2008,29(20):32-34.oxygen       production   induced      by      the    gut    microbiota:

闻平,黄锡全,汪毅,等. L. SP. HXQ001 菌对(dui)家免(mian)抗(kang) pharmacotherapeutic implications[ J] . Current Medici氧化能力的影响[ J] . 中国微生态学杂志,2002,14 nal Chemistry,2012,19(10):1519-1529.

         (2):76.[32]   NEISH AS.Redox signaling mediated by the gut mi⁃

HA E M,OH C T,BAE Y S,et al. A directrole for crobiota[ J] . Free Radical Research, 2013, 47 ( 11):dual oxidase inDrosophila gut immunity[ J] .Science, 950-957.