介绍

益生元效应定义为“选择性刺激肠道菌群中一种或有限数量的菌属/种的生长和/或活性，从而为宿主带来健康益处。” 本综述的目的是讨论与胃肠道疾病有关的益生元的定义、机理、功能和应用，特别关注肠易激综合症（IBS）和克罗恩病。

益生元

益生元的主要特征如下：（1）不能被人体肠道内源性酶消化；（2）通过常驻肠道菌群的特定属/种选择性发酵；（3）导致特定细菌有针对性地增加，从而赋予宿主健康益处。这些健康益处是多种多样的，包括通过增加肠道特异性免疫球蛋白和免疫调节白介素来进行免疫调节，以及减少促炎性白介素。对健康的好处还包括产生短链脂肪酸（乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐和乳酸盐），这些物质会降低管腔的pH值，这反过来可能对防止酸敏感的肠病原菌定植很重要。乙酸的产生还通过交叉喂食而促进了丁酸的产生，丁酸是结肠细胞的主要底物，因此有助于上皮的完整性。

益生元通常是饮食中的碳水化合物。满足益生元标准的两种主要碳水化合物是菊粉型果聚糖和低聚半乳糖（GOS），许多其他类别的碳水化合物仍在研究中。

益生元细菌特异性

细菌对它们可以利用的益生元具有不同的特异性。细菌基因组中的特定基因簇决定了细菌可以产生的糖酵解酶，因此，它们是否可以代谢益生元底物。表  1概述了最常见的益生元的细菌特异性基础。

表1. 益生元，降解它们的主要细菌群和发酵产物

大量研究表明，在健康人中补充菊粉型果聚糖可以促进双歧杆菌的生长。一项对30名健康志愿者补充5或8 g / d菊粉2周的双盲安慰剂对照交叉研究显示，两种剂量的双歧杆菌均增加。但是，有更多的响应者使用8 g / d。基线时双歧杆菌的数量增加导致对补充剂的反应减少，这表明菊粉补充剂对初始双歧杆菌浓度低的患者具有更明显的作用。

在双歧杆菌中已经确定了β-GOS特异性的遗传机制。与肠道菌群的许多其他成员相比，双歧杆菌具有更高的β-半乳糖苷酶（用于消化β-连接的半乳糖的糖酵解酶）的活性。另外，大多数双歧杆菌菌株产生这些酶的一种以上同种型，这表明双歧杆菌对这种益生元的存在具有快速而广泛的酶反应。 体外研究表明，双歧杆菌在消化之前会内化一些寡糖。已经显示寡糖和二糖在混合培养基中的葡萄糖之前优先被某些双歧杆菌利用。此外，青春双歧杆菌β-半乳糖苷酶II酶可消化较长链的寡糖，不含任何跨膜序列，表明该酶未被外部化，因此仅代谢内部化的寡糖。在细菌消化之前，益生元寡糖的内在化可能会阻止其他机会细菌的清除。为了确认β-GOS的生长特异性，粪便匀浆研究使用浓度为1％（w / v）的可变益生元底物，发现β-GOS特异性增加了双歧杆菌的最大生长速率，而没有增加其他细菌的生长。

β-GOS可以特异性增加体内双歧杆菌的生长。一项研究在59位健康志愿者中进行了一项随机交叉对照研究，比较了两种7 g / d剂量的β-GOS，结果表明两者均具有明显的促双歧作用。在40位老年人类志愿者的双盲10周交叉试验中补充5.5 g / d β-GOS，表明双歧杆菌显著增加。

益生元和免疫调节

益生元对特定细菌生长和代谢的影响似乎对免疫信号具有影响，正如在小鼠和人类体内研究所显示的那样。在饲喂FOS的Balb / c小鼠中，其粪便IgA的含量为饮食摄入的3％和5％。在鼠类研究中，其他短链菊粉型果聚糖也被证明能增加粪便中的IgA，但菊粉没有。生殖生物小鼠的IgA阳性细胞比野生型小鼠少两倍，表明肠道菌群在这种免疫球蛋白生产中的重要性。除了刺激免疫球蛋白外，FOS喂养的小鼠还抑制了腹膜巨噬细胞产生白介素-1β。IL-1β是巨噬细胞刺激后释放的首批细胞因子之一。这种钝化反应可能表明食用FOS具有免疫调节作用。

菊粉型果聚糖和GOS益生元的免疫调节作用已在人体中进行了研究。在健康的人类中，在多项研究中，菊粉型果聚糖调节许多肠道免疫标记。粪便中的IgA升高，派伊尔氏膜表达更高的IL-10和IFN-γ，脾脏中免疫细胞的活性升高。β-GOS也已显示对免疫功能有影响。在先前描述的针对老年受试者的β-GOS补充试验中，与安慰剂相比，免疫调节细胞因子IL-10升高，而IL-1β刺激降低。

膳食益生元的微生物作用

人乳中天然存在的人乳低聚糖与β-GOS具有某些结构相似性，并导致母乳喂养的婴儿中双歧杆菌数量增加。尽管菊粉型果聚糖在许多植物性食品中天然存在，但尚无研究调查食品中天然存在的益生元是否会特别影响肠道菌群。有证据表明，富含植物性食品和膳食纤维的饮食确实会影响肠道菌群，而膳食中的天然存在的非消化性低聚糖含量较高。两项研究将成年人和儿童的西式饮食与非洲农村饮食进行了比较，发现非洲人群中的高纤维饮食与更大的细菌/硬皮比率（儿童增加两倍，成人增加4.7倍）相关，并且大便中丁酸含量更大。在成人研究中，这与炎症和癌症相关的增殖标志物较低有关。高纤维饮食对肠道菌群的影响不是特异性的，因此不适合作为益生元的定义。但是，对健康的潜在好处不容小视。

益生元在胃肠道疾病中

当肠道菌群群落暂时或永久改变，并称为“营养不良”时，就会发生从稳定的肠道环境的转变。可能导致营养不良的因素包括抗生素、饮食、宿主免疫系统、炎症和感染性肠胃炎。肠道菌群失调在包括IBS和克罗恩氏病在内的许多胃肠道疾病中均可见，并且可能在其发病机理和可能的治疗中起关键作用。IBS和克罗恩氏病的一些共同特征是微生物多样性降低、双歧杆菌含量降低，IBS和克罗恩氏病中类杆菌与硬壁菌的比率降低，以及粪便中普氏杆菌减少。

肠易激综合症中的益生元

肠易激综合症是一种慢性功能性肠病，其病因尚不完全清楚，尽管肠道菌群的作用存在，包括先前的肠胃炎、痢疾、结肠产气量改变和低度炎症都已在一些IBS患者中被确认。

两项使用低聚果糖（剂量为6 g / d）和菊粉（剂量为20 g / d）针对成人IBS的的研究表明，症状或粪便排出量没有改善。另一项试验显示短链FOS（5 g / d）复合症状评分得到改善。一项使用β-GOS的单中心12周平行交叉试验显示，双歧杆菌的剂量依赖性刺激分别为3.5和7.0 g / d。与安慰剂相比，在接受益生元的两组中，作为一项整体评估所衡量的症状缓解都得到了显著改善，但是当评估和分类个别症状时，较低的剂量导致较低的症状评分，肠胃气胀、腹胀和粪便稠度降低。因此，当考虑在IBS中使用益生元时，益生元的类型和剂量可能很重要。

克罗恩病中的益生元

克罗恩氏病是一种肠炎性疾病，是由遗传易感性人群对共生肠道菌群的不适当粘膜炎症反应引起的。

动物研究表明，菊粉型果聚糖益生元通过肠道菌群的有益调节可有效治疗克罗恩病，但人类的证据缺乏说服力。一项对10名患者进行的初步研究显示了使用前景，15g/d低聚果糖/菊粉治疗活动性克罗恩病3周导致双歧杆菌增多和疾病活动减少（Harvey Bradshaw指数）。在103例活动性克罗恩病患者中使用15 g/d低聚果糖/菊粉和67例轻/中度活动期或非活动期疾病患者使用20 g/d低聚果糖/菊粉进行的两项大型随机对照试验并未证实这一发现。此外，第一个研究中的益生元组有更严重的症状，在第二个研究中，由于症状有更高的戒断率的趋势。因此，大剂量菊粉型果聚糖益生元可加重活动性克罗恩病的症状，也许可以解释为什么它们也会消耗更少的天然产物果聚糖和很少使用益生元补充剂。

益生元和低FODMAP饮食的对比方法

虽然使用益生元增强双歧杆菌的生长似乎可以减轻IBS症状，但研究受到所使用益生元类型和剂量的限制。另一方面，越来越多的证据表明，低FODMAP饮食在IBS 以及可能在炎症性肠病中用于治疗功能性胃肠道症状的机理和功效。菊粉、低聚果糖和GOS都在这样的饮食限制。两项RCT提供了低FODMAP饮食在IBS症状管理中功效的临床证据。然而，两项研究中双歧杆菌均减少（在第一项研究中明显降低），而在第二项研究中，低FODMAP饮食后大便pH值较高。如果升高的结肠pH可使肠道致病菌定植，则肠道微生物区系中的这些变化可能值得关注。对非气体形成性双歧杆菌使用特异性较窄的益生菌或益生元，同时配合低FODMAP饮食，可以调节肠道菌群，只要这不会显著降低IBS症状改善的功效。在克罗恩病管理功能性胃肠症状使用低FODMAP饮食的研究中，只有一个已经调查了肠道菌群的影响。

结论

益生元在维持肠道菌群多样性，提供底物并促进产生对肠道健康有益的代谢产物（例如短链脂肪酸）的特定糖酵解细菌的生长方面具有潜在优势。在IBS中，益生元的临床试验数量有限。尽管试验有很多局限性，但如果存在有益效果，则可能与所用益生元的类型和剂量有关。