1．肠道微生物角度

说到益生菌，不得不首先提到肠道微生物，在对衰老相关机制的介绍中简单提到了肠道微生物与衰老的关系（如二甲双胍通过降低线虫肠道内微生物的叶酸和甲硫氨酸的代谢来延缓线虫的衰老）。

近十年来，随着宏基因组学的兴起和迅速发展，肠道微生物与机体健康和疾病之间关系的研究也成为最引人注目的焦点之一。相关研究于2011年、2013年都入选《Sicence》科学年度十大突破，该期刊甚至在2012年为肠道菌群专门开设了专辑，后又推出“肠道微生物与健康”专辑，对其重视可见一斑。还有人提出超有机体(metaorganism)的概念，即认为肠道菌群与宿主是共生关系，应把它们作为一个有机统一的物质和能量代谢系统来研究衰老机制与如何延缓衰老以及治疗疾病。

衰老在肠道菌群方面的表现,说明肠道菌群与衰老以及与衰老相关的疾病存在非常显著的相关性，例如正常的肠道菌群可通过影响淋巴细胞来调节机体对过敏原的反应，从而影响过敏疾病的产生，肠道菌群产生的类胡萝卜素类物质可在一定程度上降低动脉粥样硬化和中风的风险。肠道菌群的结构变化甚至可以影响机体的行为模式。赵立平课题组通过饮食限制模型小鼠研究了肠道菌群的分布与小鼠寿命的相关性。众所周知，减少食物摄人限制热量可以延长模式生物的寿命。该研究发现饮食限制模型小鼠肠道中与寿命呈正相关的乳杆菌属细菌数量增加以及与寿命呈负相关的细菌数量减少，且伴随着血清中脂多糖结合蛋白(Lipopoysacchride Binding Protein，LBP)水平的降低，说明节食的动物可以建立最佳的肠道菌群组合，通过减少整体炎症而改善了健康。肠道微生物群的这些结构变化与延长寿命之间确切的因果关系及作用机制尚需进一步研究，同时，这种变化能否用作开发LBP性抗衰老干预措施的生物标记尚需进一步确认。不过至少有望结合肠道菌群变化和血清LBP水平来对宿主衰老以及与年龄相关炎症反应的升高得出早期预警信息。

另外，有报道发现，一种典型的慢性炎症牛皮癣性关节炎是由皮肤微生物和炎症性肠道微生物共同促发引起的，也有报道发现，类风湿关节炎与肠道微生物Prevotella copri有关。另据纽约大学医学院的流行病学家发现，肠道细菌缺乏多样性会增加人们患上结直肠癌的风险。此外，结直肠癌患者肠道内的梭状芽孢杆菌含量少，革兰氏阳性的梭菌纲尤其是粪球菌属能将膳食纤维和糖类转化为丁酸，可抑制炎症和癌细胞在结肠内的生成。科学家表示，这项研究成果意味着对肠道内的微生物进行鉴定和识别，可帮助预防和治疗结直肠癌。

相关研究成果：

牛皮癣患者的肠道菌群组成：① 研究表明肠道菌群与过敏性皮肤炎等皮肤疾病存在相关性，但肠道菌群与牛皮癣的关联尚未明确；② 选取52名牛皮癣患者（PASI分数≥6），分析肠道菌群组成；③ 首次鉴定出“牛皮癣相关的核心肠道菌群”，可明确区分牛皮癣患者与健康人群；④ 另外，可将牛皮癣患者的肠型归类为2型；⑤ 相比于其它肠型（1型及3型），2型肠型的个体倾向于表现出更频繁的细菌易位，以及更高的炎症状态。

益生菌治疗类风湿关节炎，似乎无效：① 共计153名受试者的4项随机对照试验纳入荟萃分析；② 与安慰剂相比，补充益生菌并没有显著性地改变炎症参数（红细胞沉降率、TNF-α、IL1β、IL-6、IL-10、IL-12）和氧化应激指标（总抗氧化能力和丙二醛含量）;③ C反应蛋白显著降低，疾病活动度评分（DAS）显著提高；④ 由于试验数量太少，无法确定是否存在应变、剂量或持续反应效应；⑤ 益生菌在类风湿关节炎治疗中似乎没有多大疗效，需要进一步的证据得出确切的结论。

浙江大学医学院附属第一医院李兰娟院士课题组发现了毛螺菌科等细菌变化与重症肝病发病密切相关，并从分子生物学角度阐明了骨桥蛋白调节NKT细胞致肝损伤的机制，创建了纳米抗菌肽治疗内源性感染和微生态干预防治重症肝病的新策略，这意味着未来可以通过肠道微生物代谢标志物，鉴别诊断肝硬化和肝癌。肠道微生物还会影响抗癌药物对癌症的疗效，如法国国家卫生医学研究所等机构的研究人员发现，环磷酰胺能够破坏肠道黏液层，让肠道细菌进入循环系统，其中一些到达脾脏和淋巴结的细菌能促进免疫细胞生成，而免疫细胞会攻击癌细胞。但当研究人员用抗生素杀死试验鼠的肠道细菌后，环磷酰胺间接促进生成免疫细胞的能力降低70%。同一时期，美国国家癌症研究院等机构的科研人员选取正接受化疗、存活率为70%的癌症试验鼠，并用抗生素杀死其肠道细菌，结果导致这些试验鼠摄入的化疗药物不再起作用，它们的存活率也在两个月后下降到20%。

目前的研究大部分还集中在整体菌群失调对这些常见疾病的影响，尚没有太多与特定细菌分布失衡相关的报道，并且肠道菌群变化与衰老以及疾病发生究竟孰因孰果还是互为因果关系，目前尚不完全确定。但随着这方面研究的不断深入，疾病与特定细菌之间的相关性和因果关系也越来越多地被发现和证实。比如2007年Patrice D.Cani和他的合作者在糖尿病领域的顶尖杂志《糖尿病》中写道：小鼠肠道菌群的内毒素能够进入血液，引起低度的慢性炎症，从而导致小鼠出现肥胖、胰岛素抵抗等代谢损伤。赵立平课题组在2012年首次发现阴沟肠杆菌在人体肠道中的过度生长是造成肥胖的直接原因之一，这也是国际上首次证明肠道细菌与肥胖之间具有直接因果关系。

无菌小鼠获得结肠癌小鼠肠道内的细胞后发现荷瘤小鼠具有更多数量的拟杆菌，而普雷沃氏菌科(prevotellaceae)和紫单胞菌科(porphyromona-daceae)细菌数量减少，表明肠道中某些微生物成分或许也是诱发大肠癌的风险因素之一。反过来，粪菌移植在治疗艰难梭菌相关性肠道疾病中有着十分有效的治疗效果。

相关研究成果：

利用菌群治疗2型糖尿病的新思路（综述）：① 用粪菌移植等方法已在动物实验中证明，肠道菌群失调介导了饮食诱发的2型糖尿病等代谢疾病；② 疾病早期，菌群失调可引发肠道屏障受损，使肠道细菌及其产物（LPS、PG等）易位到外围代谢组织，引发慢性低度炎症；③ 肠道菌群代谢的短链脂肪酸，经GPCR等受体介导的一系列营养感应信号通路，影响宿主外围组织的能量代谢；④ 用饮食干预和粪菌移植调节菌群，用各种药物调整影响肠道屏障和功能的关键因子，甚至疫苗，都可作为新型治疗策略。

在5名溃疡性结肠炎患者利用粪菌移植进行治疗的研究中发现，具有抗炎和产生短链脂肪酸作用的普拉梭菌、Rosebura faecis、卵形拟杆菌等在患者体内成功定植是治疗成功的标志。疾病的严重程度（以Mayo评分为衡量指标）与肠杆菌科细菌和毛螺旋菌科细菌所占比例高低有关。2011-2012年，研究人员在麻省理工大学建立了类似于血库和精子库的粪便库OpenBiome，主要给艰难梭菌（Clostridium difficile）感染患者提供粪便移植治疗材料。尽管该项目后来产生一些争议并且受到美国FDA的诸多限制，但是仍然对相关疾病的预防和治疗具有借鉴和启发意义。

相关研究成果：

精准消灭肠道特定细菌，改善结肠炎，这是首次报道精准编辑特定细菌可改善肠道炎症：① 在肠道炎症性疾病中，往往伴随着率属于变形菌门肠杆菌科的兼性厌氧菌过度滋生；② 肠杆菌科的细菌存在一些很特别的钼辅助因子依赖性呼吸通路，这些通路只在炎症发作期间活跃；③ 而在此期间使用钨酸盐能选择性抑制这些通路，从而阻止肠杆菌科细菌的扩张；④ 而在正常稳态下，钨酸盐只会对肠道菌群的结构产生微小改变；⑤ 在结肠炎小鼠模型中，钨酸盐介导的菌群编辑降低了肠道炎症的严重程度。

比起特定菌株，粪菌移植更有效恢复肠道免疫细胞：① 广谱抗生素处理小鼠8周后，分别定植大肠杆菌或约氏乳杆菌，或粪菌移植小鼠混合菌群；② 抗生素处理后，小肠、大肠及肠系膜淋巴结中的免疫细胞减少，粪菌移植或定植特定细菌物种可部分或完全恢复；③ 约氏乳杆菌定植后，小肠及脾脏中的CD4+及CD8+细胞数量最高，大肠杆菌及约氏乳杆菌定植均可恢复结肠中的上述细胞类群；④ 大肠杆菌及约氏乳杆菌定植增加Treg及活化DC的比例，但恢复程度不及粪菌移植，并可完全恢复肠道记忆性/效应T细胞。

应如何监管粪菌移植？(必读观点文)：① 目前对粪菌移植缺乏统一的有效监管，不同国家的政策差别较大；② 奥地利的观点最自由，认为粪菌移植是治疗手段而非药物；③ 美国FDA认为粪菌移植需进行新药申请流程（治疗艰难梭菌感染除外）；④ 可将粪菌移植监管纳入基因、细胞、组织的相应监管中；⑤ 监管需遵循的原则：各国监管协调、患者的知情决策权、粪便质量、供体匿名、疗效、信息、药物警戒；⑥ 监管框架须适应产品的演变，且应鼓励开展临床试验来确认粪菌移植对于其他疾病的可能优势。

体外利用粪菌发酵不同益生元：① 在粪便菌群体外发酵系统中，比较5种常见膳食纤维（β-葡聚糖、商业化β-葡聚糖Oatwell、低聚木糖、菊粉、包含菊粉/果胶/纤维素/半纤维素的商品化益生元WholeFiber）的益生元效应；② 发酵12h后，OatWell产生最多的丙酸盐，与β-葡聚糖的效应相似；③ 发酵24h后，低聚木糖显著增加双歧杆菌属；④ 菊粉及WholeFiber可增加有益菌属Collinsella，与之前的临床研究结果一致；⑤ 所有益生元均可促进有益短链脂肪酸的形成。

灵芝及茯苓多糖或是潜在益生元：① 从灵芝及茯苓的子实体及菌丝中提取蘑菇多糖，每日喂食给6周龄小鼠，持续15天后，分析小鼠的肠道菌群；② 灵芝多糖及茯苓多糖降低OTU多样性并显著重塑肠道菌群的组成；③ 喂食灵芝多糖及茯苓多糖后，小鼠肠道内可抗肥胖、产短链脂肪酸、降解多糖/木聚糖、产生乳酸的细菌的丰度显著增加；④ 灵芝多糖及茯苓多糖可作为益生元调节肠道菌群组成，其益生元活性可能有助于灵芝及茯苓发挥健康促进作用。

利用培养过艰难梭菌的上清培养粪菌的结果：① 挑选含有六种不同艰难梭菌的培养上清的2种条件培养基，用于培养粪便菌群，2种条件培养基中，菌群多样性都显著降低；② 大多数的差异发生在厚壁菌门中，具有潜在保护功能的肠道共生菌（如乳杆菌属、梭菌属XIVa）减少，条件致病菌（如肠球菌属）增加；③ 两种条件培养基中的细菌种群不同，可能与营养物的可利用性有关；④ 含有大肠杆菌、肠炎沙门氏菌或表皮葡萄球菌的培养上清的条件培养基，培养的粪便菌群与艰难梭菌条件培养基中的明显不同。

2．“大脑——肠道——微生物”相互作用角度

人体约带有2kg左右的细菌。有研究表明，老年人与年轻人的肠道菌群存在差异，衰老与肠道菌群组成具有一定的相关性，从细胞数量上来说，人体其实是由10%自身和90%的共生微生物共同组成的一个超有机体，这些共生细菌中绝大部分位于人体肠道，与人体共生或寄生的微生物，如细菌，原生动物，病毒等的基因组的总和被称为人类的“第二基因组”，即人类宏基因组。人体菌群的种类和分布情况及其代谢产物与人体老化程度以及健康和疾病都有重要关系，大量研究证实，随着机体的衰老，有益微生物数量和有害微生物数量是此消彼长的趋势。

(l)微生物对宿主胃肠道的影响

研究微生物与宿主之间的关系时，常用的方法有：一是将无菌的试验动物（对照组）和移植入单种细菌或多种细菌的试验动物（试验组）进行比较；二是利用口服抗生素来干扰肠道的共生细菌，来探讨微生物对宿主功能的影响。在无菌小鼠肠道内植入人类和普通小鼠肠道的主要微生物多形拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron）的相关研究表明，肠道微生物能通过调节宿主基因表达来调控营养吸收，加强黏膜屏障，代谢异型生物质（xenobiotic）和促进血管增生，影响神经系统的功能。新霉素和杆菌肽两种抗生素的联合使用会大幅度减少小鼠肠道中微生物的多少。

相关研究成果：

抗生素对蜜蜂肠道菌群核心物种的影响：已有的研究发现，抗生素严重改变了蜜蜂肠道菌群的物种组成。通过蛋白编码基因的扩增子测序，追踪蜜蜂肠道菌群两个核心物种——Gilliamella apicola和Snodgrassella alvi在抗生素扰动后的种群动态发现，G.apicola遗传多样性大幅度降低并伴随着一些等位基因频率的增加，表现出了对抗生素干预的抗性，而S.alvi多样性则不受影响。说明抗生素不仅影响肠道菌群的物种组成，而且影响物种内等位基因的多样性。

由抗生素等诱导使微生物的群落结构变化，会导致生理炎症的产生。将副干酪乳酸杆菌投喂给小鼠后，抗生素引起的炎症、神经递质含量以及内脏运动反应都得到了改善。以上这些结果表明，共生细菌能够影响肠道的初级传入神经，证明了神经系统的感受部分与肠道微生物间的功能关系。

（2)宿主胃肠道生理状态对肠道微生物的影响

在正常状态下，宿主消化道为共生细菌提供了保证其群落结构和功能完整性的稳定生境。消化道的生理状况受到干扰则会导致微生物生境的失衡，从而改变微生物群落的组成。生物胺如去甲肾上腺素的释放能够影响肠道微生物的群落组成。这种神经递质能够刺激病原和非病原的大肠杆菌的体外生长并影响其与黏膜的黏附性。无论是消化道还是中枢神经系统引起的宿主生理状态变化，都能使消化道细菌群落组成产生变化。相反地，由于感染或抗生素甚至其他情况例如应激等诱导的微生物群落变化，则会导致生理炎症和扰乱消化道的生理状况。作为生境的消化道发生了变化，从而改变了其所支持生长的微生物种类。

(3)宿主大脑对肠道微生物的影响

对小鼠和恒河猴进行母婴分离的研究表明，母婴分离给幼兽带来的精神压力诱导系统细胞因子响应，肠道通透性增强，并使消化道微生物群落组成发生变化，乳杆菌数量减少。乳杆菌的减少似乎导致了肠道病原菌如空肠弯曲菌（Campylobacter jejuni）的出现，这些变化使消化道对炎症刺激更加敏感。

对成年动物施以利血平形成的压力模型中也伴随着消化道对炎症的敏感增强，但其潜在的机制应该与母婴分离模型不同。目前关于压力改变消化道菌群组成的机制包括：肠上皮细胞功能和黏液分泌的变化以及胃肠道动力的变化。如上所述，在压力期间释放去甲肾上腺素至消化道内将选择性地刺激某种特定的细菌生长，并影响其对肠道黏膜的黏附能力。

(4)肠道微生物影响宿主大脑和行为

关于大鼠肝功能衰竭模型的研究表明，某些细菌产生的苯二氮卓受体(benzodiazepine receptor)的配体可能有助于改善肝性脑病(hepatic encephalopathy)。连续施以婴儿双歧杆菌14天能使小鼠的血清色氨酸水平升高，表明共生微生物可以影响宿主代谢，从而可能影响小鼠的抑郁症状的行为。

对一小部分自闭症（也称孤独症，autism）病人的研究发现，其肠道微生物中梭菌较多，而在一个非对照试验中发现，少部分迟发性自闭症儿童在服用万古霉素(vancomycin)后，其自闭症状出现短时缓解。这时候对肠道微生物与自闭症行为之间的相关性还处于猜测阶段。研究发现，非侵入性病原菌进入盲肠，大脑会作出相应响应，这种响应被认为是通过从传入迷走神经到孤束核(nucleus of the solitary tract)和外侧臂旁神经核(lateral parabrachial nucleus)的信号所介导的。

小鼠感染幽门螺杆菌造成的胃生理上的改变会在成功杀灭这些幽门螺杆菌后得到改善，伴随感染出现的摄食行为的改变伴随着下丘脑食欲调节肽——阿片黑皮素原(POMC)的改变。感染幽门螺杆菌后，大脑化学和行为的改变可以在饲喂小鼠鼠李糖乳杆菌（L.rhamnosus）和瑞士乳杆菌（Lactobacillus helveticus）后得到。相关研究考察了共生微生物在“下丘脑——垂体——肾上腺皮质”轴(HypothalamicPituitaryAdrenal，HPA)对应激的响应中所起的作用，对于肠道微生物影响HPA发育的研究具有里程碑式的意义。

在轻度束缚应激条件下，与年轻的无特定病原菌级的小鼠(specific pathogen-free mice，SPF mice)相比，年轻的无菌小鼠释放的促肾上腺皮质激素（adrenocorticotrophichormone，ACTH)和皮质酮(corticosterone)增加。这种激素变化在无菌小鼠定植婴儿双歧杆菌后被完全逆转，但是定植SPF级小鼠的肠道微生物以后只有部分逆转。这表明SPF级小鼠存在的某些肠道微生物有助于抑制ACTH以及增加这种响应的细菌，而婴儿双歧杆菌明显是抑制ACTH的。对无菌小鼠单独定植肠道病原菌大肠杆菌的研究表明，大肠杆菌对应激响应的增加需要依赖对其肠上皮细胞的黏附。另外，上述增加的应激响应的逆转只在非常年轻的小鼠身上发现，表明宿主对应激响应神经调节的这种可塑性对于微生物输入具有敏感性是存在一个临界期的。

该研究的另一个重要发现是与SPF级小鼠相比，无菌小鼠大脑皮质和海马中源自大脑的神经营养因子的表达和蛋白质水平下降。该神经营养因子调节大脑几个方面的活性，包括情绪和认知功能。另有研究报道了无菌小鼠在应激和无负荷条件下情景学习的缺陷，该研究也发现，无菌小鼠在应激条件下表现出更高水平的焦虑（一个放大的应激响应）。以上研究表明肠道微生物影响大脑应激响应的发展，并影响年轻小鼠的认知功能。

有研究报道了对成年小鼠肠道微生物进行干扰会影响其行为。给小鼠灌胃抗生素（新霉素和杆菌肽）7天，并加抗真菌剂游霉素(primaricin)一起干扰小鼠肠道微生物，通过跳台实验(step-down test)和明暗箱实验(light box-dark box test)来观察小鼠的焦虑或胆怯行为。抗生素处理的Balb/c小鼠肠道微生物被干扰后，并没有表现出恐惧或焦虑而是表现出更高的活动性，表明肠道微生物影响成年宿主的行为。这与饮食改变引起的肠微生物改变会影响宿主行为的研究结果相一致。

免疫机制包括胃肠道中先天免疫反应的激活。先天性免疫反应和获得性免疫反应之间存在紧密的整合，获得性免疫反应的整合对于正常的认知功能非常重要。非侵入性病原体植入后，信号迅速传导到大脑，表现为脑干迷走神经核的活性上升，伴随出现小鼠的焦虑行为。由此，微生物的干扰可能通过依赖于迷走神经的方式来传导信号，并导致行为的改变，例如在大鼠的十二指肠植入乳杆菌能在几分钟内快速增强胃迷走神经的活性。

共生细菌的存在是如何传递给大脑的，并且是如何诱导行为改变的呢？一些研究表明可溶性因子(soluble factors)参与其中，因子-S(Factor-S)是睡眠不足的动物大脑和体液中累积的睡眠诱导物质，其独特之处在于它是来自于细菌的，并且来自于细菌的细胞壁。研究表明，胃肠道细菌是因子-S的重要来源，因为当口服抗生素干扰胃肠道微生物以后，正常的睡眠模式会被打乱。

具有轻微肝性脑病的患者服用长双歧杆菌和低聚果糖9周以后，其认知功能得到改善。尽管其作用机制尚难以理解，但长双歧杆菌可能抑制具有尿素酶活性的共生细菌，降低氨的水平或细菌来源的其他物质包括硫醇(mercaptan)和噻吩(thiole)的产生。

总的说来，肠道微生物影响中枢神经系统的可能机制主要有以下几方面：微生物组成的改变，免疫激活，迷走神经对刺激的响应和信号传导，色氨酸代谢，微生物代谢（如产生胆酸、维生素、短链脂肪酸等），微生物神经代谢（如产生神经递质和神经脂多糖等蛋白质），细菌细胞壁。近年来的研究发现肠道菌群影响宿主大脑、认知、情绪和行为，主要采用的方法包括使用无菌动物、致病菌感染的动物、暴露于益生菌制剂或抗生素的动物。这些研究大多数集中在微生物调节宿主应激反应及其相关的行为（通常为一些精神紊乱的行为，如焦虑、抑郁、自闭等）之内。肠道微生物的研究主要包括菌群变化与疾病或健康的相关性、肠道菌群对药物代谢和个性化治疗的影响以及通过对肠道菌群的干预（包括粪菌移植、特制菌药丸等）来达到治疗的目的。这些研究不但极大程度上增加了我们对人体与肠道共生细菌的认识，而且有助于设计合理的菌群干预方案。

相关研究成果：

利用超声波实时监控细菌在肠道的分布：① 在细菌中表达“声学响应基因”，它编码的气囊中空结构组件能散射声波并产生超声波可探测到的回声；② 压力脉冲可让气囊破裂，超声波信号就此消失，这可在追踪含气囊的细胞的位置时改善信号监测质量；③ 研究者构建了两种不同类型的气囊，它们在不同的压力脉冲水平下破裂，这使得通过超声波可以区分出携带这两种气囊的细胞；④ 将表达不同气囊的细菌菌株植入小鼠，可实现对它们的非侵入性体内时空监测，可了解它们在小肠或结肠的实时动态分布。

菌群研究数据，应多多共享！：① 组学研究（宏基因组、转录组、蛋白组以及影像等）带来了大量的研究数据，但是由于年代、技术、特定方法以及样本的不同，菌群数据库很难共享；② 菌群数据库现有：MG-RAST、Qiita及全球天然产物分子网络；③ 云存储平台有NIH cloud Commons，Illumina BaseSpace和Figshare；④ 数据的复杂性、多样性及不够标准化是共享的主要障碍；⑤ 除了公众认可最小报道数据标准外，鼓励/激励数据共享、对生命科学领域人员进行生物信息学培训等是可行办法。

数学建模，助力开发有效的益生菌和人工FMT菌株：① 微生物组成员间、微生物组与宿主间的关联及互作极复杂，数学模型有助于理解并干预微生物组；② 益生菌有几十年研究历史，但能成功应对疾病的几乎没有，缺乏数学模型来预测功能或是原因之一；③ 未来，可利用数学模型鉴定肠道菌群中与健康相关的菌株，并挑选合适的益生菌菌株组合，以达到更好的临床试验效果；④ 针对粪菌移植，则可能使用人工合成的微生物群落代替健康供体粪便，可利用数学模型帮助预测合成群落中的互作关系及潜在的致病菌。

3．特定种类益生菌的角度

肠道菌群失衡的主要表现是共生菌比例的下降，因此，可以通过直接补充共生菌，或通过补充促进共生菌生长的物质来调节肠道菌群恢复健康。主要是乳酸杆菌和双歧杆菌，同时也有少量链球菌等，所谓“益生菌”主要指的就是这几类细菌。通过适当的方式适度的补充这些益生菌，可以在一定程度上调节肠道菌群组成，进而达到改善健康状况的目的。“益生元”对肠道有益处，低聚半乳糖、菊糖等都是“益生元”，低聚果糖可能也是潜在的“益生元”之一，摄入一定的果糖可增加人类肠道菌群中双歧杆菌的比例。

相关研究成果：

关于益生元的三点重要共识：在一个专门研讨会上，几位益生元研究和应用领域的权威专家，根据最新研究进展达成三大主要共识；1益生元的概念及定义：益生元是可被宿主菌群选择性利用的底物，并可促进宿主健康；2利用体外肠道模型技术可以帮助研究益生元效应：特别推荐PolyFermS系统，它可模拟包括近端、远端结肠等不同位置，并可实时控制pH、进气、温度等参数；3维生素或对菌群有潜在调节效应：如维生素B2可促进柔嫩梭菌群生长，后者在克罗恩病患者的肠道内减少。

4. 益生菌对衰老过程的具体影响

目前关于益生菌对衰老过程影响的研究主要集中于以下几方面：多种益生菌具有延长模式生物寿命或促进其生长，调节血脂、血压、血糖，保护神经干细胞，改善认知能力和情绪行为，抑制病毒引起的自噬等作用。

（1）延长人体寿命

俄国科学家诺贝尔奖获得者伊力亚·梅契尼科夫(Elie Metchnikoff)提出了酸奶长寿理论。张篪教授研究发现长寿老人体内的双歧杆菌比普通老人要多得多。

(2)延长模式生物寿命，并激活AMPK

①线虫

任发政课题组发现唾液乳杆菌FDB89通过能量限制效应DAF-16信号通路来延长线虫的平均寿命。有研究报道唾液乳杆菌可延长短寿命线虫的寿命，而罗伊氏乳杆菌SKN-1(P38)抑制野生型和短寿命线虫的寿命。双歧杆菌的细胞壁成分可以通过激活SKN-1(P38MAPK信号通路调控)来延长线虫的平均寿命，鼠李糖乳杆菌延长线虫平均寿命且减缓小鼠的结肠炎，植物乳杆菌和发酵乳杆菌延长线虫平均寿命。乳杆菌（瑞士乳杆菌、植物乳杆菌和鼠李糖乳杆菌）与双歧杆菌（婴儿双歧杆菌和长双歧杆菌）可以延长线虫平均寿命且增强线虫对沙门菌的防御能力。

此外，一氧化氮有助于增加血液流动、传递神经信号和调节免疫功能，而人类在衰老过程中一氧化氮水平会下降。一项新的研究表明，虽然线虫体内不像人类和很多其他有机体一样拥有产生一氧化氮所需的酶，但是以能够产生一氧化氮的枯草芽孢杆菌来饲喂这种线虫可以延长其寿命。这是由于产生的一氧化氮气体扩散至线虫组织中，并激活了一套基因的高特异性响应，这套基因的高特异性响应通过两种主调节物hsf-l和daf-16发挥作用，从而对环境胁迫产生较高的抵抗力和更长的寿命。这表明有望通过能够产一氧化氮的益生菌来延缓机体的衰老。

②果蝇

植物乳杆菌可以通过基于TOR通路影响幼虫的生长。正如前文所述，TOR是生长和寿命相关的调节因子，益生菌通过TOR通路来影响宿主寿命存在潜在的可能性。

③小鼠

多胺(polyamines)可以通过抑制巨噬细胞中炎性细胞因子的合成来降低全身性炎症，哺乳动物中，多胺随着年龄降低。肠道中多胺水平的下降与肠屏障功能紊乱有关，有研究发现，动物双歧杆菌LKM512可以增加肠道中多胺的含量，能通过其中的亚精胺诱导自噬来延长小鼠的寿命。

(3)调节肠道微生态平衡

益生菌通过产生乳酸或乙酸、有机酸、游离脂肪酸、过氧化氢、细菌素等使肠内环境保持酸性，抑制腐败菌的增殖和肠内腐败物质的产生来抑制炎症反应；也能够通过定植于黏膜、皮肤等表面或细胞之间而形成生物屏障，阻止病原微生物的定植，起着占位、争夺营养、生物夺氧、互利共生或拮抗作用。益生菌能缓解应激引起的消化道功能失调症状，并减缓承受母子分离压力的大鼠幼崽消化道中乳酸杆菌下降的趋势。

(4)调节免疫

免疫系统失衡时，辅助性T细胞(helper T cell，Th) Th2分泌过多，产生过多的免疫球蛋白E (immunoglobulin E,IgE)，释放出组胺，从而引起过敏反应。益生菌可通过增加Thl型抗体蛋白，减少Th2(NK)抗体蛋白，使免疫系统重新达到平衡。通过刺激机体的非特异性免疫功能，提高自然杀伤(NK)细胞的活性，增强肠道免疫球蛋白A(lgA)的分泌，刺激Thl分泌7干扰素（interferon-7，IFN-7），降低IgE，抑制Th2的增生与活性，改善肠道的屏障功能，进而缓解过敏症状。

益生菌可能通过在肠道中释放免疫调控物质，经血液到胃从而抑制胃幽门螺杆菌的生长。乳酸乳球菌可以增强年轻小鼠的肠道免疫能力，抑制产H2S菌的生长，增加小鼠体重。临床试验表明，副干酪乳杆菌LP-33可改善人过敏性鼻炎，唾液乳杆菌和低聚果糖的合生元治疗儿童重度异位性皮炎方面优于单独使用低聚果糖。病毒感染会增加自噬标记物ATG16Ll和Beclin-1以及自噬调节剂mTOR的蛋白表达水平。有研究报道鼠李糖乳杆菌LGG抑制了悉生仔猪(gnotobiotic piglets)肠道中人类轮状病毒引起的自噬，将自噬标记物的蛋白表达降低至正常水平，诱导了自噬，抑制了病毒诱导的组织损伤。

(5)调节血压

有些益生菌能产生γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA），或能分解酪蛋白，产生能抑制血管紧张素转化酶（Angiotensin Converting Enzyme, ACE）活性的多肽。VPP、IPPO荟萃分析表明，益生菌发酵乳有降低大鼠血压的作用。干酪乳杆菌LC2W(CGMCCNo.0828)具有降低大鼠自发性高血压的作用。

(6)调节血脂

可能与其调节和利用内源性代谢产物并且加速短链脂肪酸代谢有关。

1977年，Gilliland提出了乳酸菌在生长过程中通过降解胆盐促进胆固醇的分解代谢，从而降低胆固醇含量的观点。

相关研究成果：

菊粉抑制高脂饮食小鼠肥胖的机制：①菊粉（可发酵膳食纤维）而非纤维素（不溶性膳食纤维）抑制高脂饮食（HFD）诱导的小鼠代谢综合征；②抑制短链脂肪酸的产生或敲除GPR43基因，不会显著影响这种保护作用；③HFD扰乱肠道菌群，抑制肠上皮细胞增殖，导致菌群入侵、低度炎症及代谢综合征；④菊粉可恢复IL-22的产生、肠上皮细胞增殖及抗菌基因的表达；⑤菊粉的保护作用依赖于菌群，抗生素处理或无菌小鼠中菊粉的保护作用降低；⑥菊粉通过天然淋巴细胞依赖性途径诱导IL-22的表达。

(7)调节血糖代谢

研究表明，发病初期肠道菌群紊乱是糖尿病的一个发病原因。小鼠／大鼠的动物试验表明，益生菌有助于预防妊娠糖尿病和治疗2型糖尿病。

(8)抗氧化与抗重金属毒性

Suh等研究发现了短乳杆菌的红参发酵产物用作化妆品成分的抗老化潜力。

鼠李糖乳杆菌LRH113发酵上清液具有抗氧化、抑制酪氨酸酶活性以及保湿能力，台湾生和生物科技股份有限公司与鼠李糖乳杆菌LRH113课题组等单位合作进行了相关的人体试验，结果表明，该益生菌的发酵上清液对紫外线斑、皮肤纹理、原生紫质以及水分散失率都有显著的改善作用。

吉林省农业科学院和吉林农业大学合作研究了植物乳杆菌C88联合人参多糖衰老模型小鼠的体内抗氧化作用。首先，体外抗氧化活性分析表明，人参酸性或中性多糖与C88的复合物均具有良好的自由基清除作用以及较强的铁离子螯合能力，且复合物的抗氧化作用均强于组合前的植物乳杆菌C88和人参多糖，酸性多糖与C88的复合物的作用强于中性多糖与C88的复合物。另外，对小鼠体内与年龄及脂质过氧化相关的抗氧化酶活性和非酶抗氧化活性的分析结果表明，复合物可明显增强自然衰老小鼠血清和肝脏中的超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(9lutathione peroxidase，GSH-Px)、过氧化氢酶(Catalase，CAT)的活性以及总抗氧化能力，同时降低小鼠血清和肝脏组织中的丙二醛。

(9)抑菌

有些益生菌可产生具有抑菌活性的低分子量蛋白质、多肽，或可产生能降解具有抑菌活性的多肽的前体物质，如细菌素(bacteriocin)，从而具有益生性和抗生素的双重功效，主要用于防腐剂和饲料用抗生素的替代物。细菌素有利于益生菌在胃肠道的竞争性环境中定植，如与不产生细菌素的菌株相比，唾液乳杆菌UCC118有助于增加小鼠肠道中的拟杆菌属和变形杆菌属的数量，降低放线菌属的数量，再如产细菌素的益生菌有助于控制人体肠道内的大肠杆菌感染。因此，细菌素的抑菌作用在很大程度上决定了益生菌对肠道菌群的影响。另外，益生菌可能可以通过改变肠腔中短链脂肪酸的组成，刺激结肠黏蛋白的产生或分泌抗体反应和抑菌活性来发挥其临床上的有益效果。

相关研究成果：

短链脂肪酸与儿童肥胖（综述）：① 肠道菌群通过其代谢产物影响能量供给、葡萄糖和脂质稳态，直接或间接地调节肥胖相关的生理及病理过程；② 过多的短链脂肪酸可能引起能量调节失衡，从而促进肥胖；③ 同时，短链脂肪酸也可通过结合胰岛β细胞表面的G蛋白偶联受体（FFA2/FFA3受体），促进由葡萄糖刺激引起的胰岛素分泌；④ 短链脂肪酸与L细胞表面的FFA2/FFA3受体结合，调节控制食欲的肽类激素的释放；⑤ 通过饮食、益生菌、益生元调节肠道菌群，是防治儿童肥胖的潜在新方法。

加强家庭干预，让肥胖儿童减去更多体重：① 172组家庭（孩子超重或肥胖、父母中一人超重或肥胖）随机分为3组，进行4个月基于家庭的减重治疗后，分别进行高/低剂量的体重控制干预（SFM+），或仅进行体重控制教育（对照组）；② 低剂量SFM+组的减重效果显著优于对照组，高剂量SFM+组的减重效果显著优于对照组及低剂量SFM+组；③ 低剂量SFM+组相对于对照组的减重优势主要由食物及活动监测介导；④ 高剂量SFM+组相对于对照组的减重优势主要由目标设定、家庭环境、家庭成员的健康行为介导。

一天只吃两顿，小鼠不易胖：① 小鼠分为2组，1组自由进食，另1组喂食等卡路里的食物，但每日仅在2个时间段进食（ITAD）；② ITAD进食方式改变了小鼠的节律性自噬及葡萄糖/脂质代谢，后者与进食方式驱动的循环胰岛素改变相关；③ ITAD进食方式减少了肥胖的发生，但增加了肌肉质量（不同于卡路里限制）；④ ITAD进食方式促进能量消耗，降低脂质水平，抑制糖异生，防止年龄/肥胖相关的代谢缺陷；⑤ ITAD进食方式改变了肝脏、脂肪组织、肌原、阿黑皮素原神经元特异性自噬。

(lO)抗癌／预防癌前病变

1962年，Bogdanov从保加利亚乳杆菌中分离出了3种具有抗癌活性的糖肽，首次报道了乳酸菌的抗肿瘤作用，短链脂肪酸也被认为在预防慢性溃疡性结肠炎和结肠肿瘤发生方面起着一定的作用。

关于唾液乳杆菌、罗伊氏乳杆菌和乳酸片球菌对线虫影响的研究发现，选择的这三个菌株能诱导与病原体响应相关的基因的表达，并抑制肿瘤样生殖细胞的生长。进一步地通过细胞实验发现，干酪乳杆菌的提取物可诱导胃癌细胞的凋亡，另外，研究较多的是乳杆菌属和双歧杆菌属预防结直肠癌的作用和机制。张兰威课题组在副干酪乳杆菌肽聚糖对结肠癌细胞免疫原性死亡的作用研究方面，提出了以免疫原性细胞死亡的标志蛋白——钙网蛋白作为研究靶点，下一步将研究肽聚糖影响钙网蛋白的机制。任发政课题组发现口服唾液乳杆菌可改善对二甲肼诱导的结直肠癌前病变大鼠的肠道菌群组成及肠道代谢产物组成，阻止病变的发生。

(11)防／治神经退行性疾病（脑一肠轴），改善认知／情绪／记忆力

加利福尼亚大学18-55分校的研究人员发现，食物中的细菌会影响人类的大脑功能。

益生菌可预防各种心理障碍、精神分裂和孤独症（自闭症）。美国研究人员发现，患有心理障碍（如自闭症）儿童的尿液中含有大量的3-（3-羟基苯基）-3-羟基丙酸[3-(3-hydroxyphenyl)-3-hYdroxypropionic acid, HPHPA]，高于相应的年龄和性别的对照组，也高于由于艰难梭菌感染引起复发腹泻的成人组。HPHPA出现在急性精神分裂症病人急性精神病发作期间的尿液样本中，口服万古霉素治疗后，HPHPA值显著下降。这种化学物质可能来自梭状芽孢杆菌属中的多种厌氧菌，重要的是，它是间酪氨酸3-羟基苯丙氨酸（3-hydroxyphenylalanine）的可能代谢物。间酪氨酸是一种酪氨酸类似物，会耗尽试验动物大脑中的儿茶酚胺，引起自闭症。

针对注意力不集中的儿童进行研究分析，发现他们的肠道内有过多的梭状芽孢杆菌分泌物，当其服用含有益生菌的酸奶后，肠道问题改善，注意力不集中的状况也有所改善。很多研究表明，肠道微生物可能影响宿主的焦虑和抑郁行为。

Cryan和Bienenstock联合研究团队发现，鼠李糖乳杆菌JB-I通过GABA 来发挥作用，由大脑和肠道微生物之间传递信号来影响小鼠的情绪行为，该益生菌能影响中央GABA（γ-氨基丁酸，中枢神经系统抑制性神经递质）受体在不同脑区的表达，影响低应激诱导的皮质酮水平，减少焦虑和抑郁症相关的行为。

自闭症是肠道菌群紊乱的表现，Kefir拟杆菌可以修复自闭症模型小鼠的肠道屏障，改善自闭症及其血清代谢和行为异常。Kefir对小鼠脑部的SFME神经系统干细胞具有保护性抗氧化作用(SFME cell：无血清培养的小鼠胚胎细胞Serum-free mouse embryo cell)。瑞士乳杆菌发酵乳的乙醇沉淀物能改善小鼠记忆缺失。

(12)改善骨质疏松症

酸奶有助于治疗老年性骨质疏松。在骨质疏松患者中，乳糖酶缺失的个体占多数。任发政课题组研究表明有望将精选到的益生菌用于人群及临床试验，从而有望将其作为膳食补充剂或临床辅助治疗手段应用于延缓人体衰老和缓解衰老相关的疾病。

二、功能性益生菌的预筛选

各种益生菌甚至同种益生菌的不同菌株，其益生功能各有不同。想要快速有效地定向寻找具有延缓衰老以及防治或改善与衰老相关疾病等作用的功能性益生菌，在初筛之前可能还需要一个体外预筛选的过程。

1．延缓衰老作用的益生菌体外预筛选

(1)单胺氧化酶抑制模型

Finch和Everitt提出的衰老的内分泌学说认为中枢神经系统存在“衰老钟”（控制衰老的神经结构）单胺类递质，如去甲肾上腺素（norepinephrine）、5-羟色胺（5-hydroxy tryptamine）、多巴胺(dopamine)等控制衰老钟的运行。而中枢神经系统中存在于线粒体外膜上的单胺氧化酶(monoamine oxidase, MAO)正是催化内源性和外源性单胺类物质氧化脱氨的催化剂，且该过程除了降低血清素、去甲肾上腺素和多巴胺，还产生可能会导致神经细胞死亡的活性氧（如H202）。

单胺氧化酶按底物类型的不同分为A型和B型：前者(MAO-A)位于神经元内，主要作用于极性芳香胺，如5-羟色胺、去甲肾上腺素、多巴胺等；后者(MAO-B)位于神经胶质细胞中，主要作用于非极性芳香胺，如苯乙胺(Phenethylamine)、苄胺(benzylamine)等。

同时，多巴胺也是MAO-B的底物，且脑中多巴胺的分解代谢主要依靠MAO-B (MAO-A作用仅占20%)。抑制MAO-B的活性可减少多巴胺的降解和再摄取，提高脑内多巴胺浓度，并通过降低H2O2、MPP+（1-methyl-4phenylpyridinium,1-甲基-4-苯基吡啶离子）等神经毒素的水平延缓黑质细胞的死亡过程。由于MAO-B抑制剂不仅能改善帕金森病症状，而且还能起神经保护作用，因此，是目前抗帕金森病药物研发的热点。MAO-A主要分布：胃肠道、肝脏、肾脏、肺。MAO-A分布于肾上腺素神经元内，它的一个重要作用就是平衡大脑中5-羟色胺的分泌。MAO-A的高低直接影响个体的情绪水平，进而对其行为产生影响。

目前，MAO-A基因与暴力攻击行为和抑郁症的关联性也是研究的一个热点。而MAO-A抑制剂可在一定程度上对个体的暴力情绪或抑郁症情绪水平产生一定的影响。Robinson发表的关于MAO和衰老关系的报告中就提到人的后脑及血小板中MAO-B的活性随年龄上升，在45岁以前，酶的活性曲线是平缓的，而45岁以后，呈现直线上升趋势，这被认为是老化的标志。Eckert等人进一步指出，在许多脑区，MAO-B的活性与年龄呈正相关，而MAO-A无此现象。Brody的研究表明，人脑皮层神经元在70-90岁内丧失数量达到总神经元库的30%，神经元的丧失为胶质细胞所补偿，这一过程与MAO-B随年龄上升一致，而MAO-A随年龄下降与神经元丧失一致。在衰老脑组织中，MAO-A和MAO-B的消长，直接影响了单胺类递质的代谢及其调节功能。

人们一直以来都在寻找方法合成MAO的抑制剂，希望能通过抑制MAO活性来缓解抑郁症、帕金森综合征、阿尔茨海默症等衰老相关的神经退行性疾病。Knoll首先使用MAO-B抑制剂司来吉兰(selegiline, L-deprenyl)实现了大鼠寿命的延长。然而临床用于治疗神经系统疾病的化学合成药物多属于不可逆抑制剂，疗效不佳且副作用大，近年来研究侧重于合成可逆的选择性抑制剂和寻找纯天然低副作用的抑制剂。MAO抑制剂不仅能提高脑内儿茶酚胺的水平，而且对治愈一些老年常见的抑郁症也颇有效。有研究发现，MAO-A及抑制MAO-A的转录因子Rl对细胞凋亡和增殖起作用，抑制MAO-A会阻止细胞凋亡，MAO-A和R1参与了原癌基因c-Myc诱导的细胞增殖信号通路。近年来还有报道MAO是氧化应激的另一个重要来源，其活性影响心脏的生物学功能，MAO抑制剂有可能用于缺血性和非缺血性心肌疾病。

已报道的天然MAO抑制剂，大多源自植物、真菌和放线菌，少数源自动物组织，乳酸菌来源的几乎没有。乳业生物技术国家重点实验室利用该模型首次筛选到一株鼠李糖乳杆菌KF-7 (CGMCC No.6430)和一株干酪乳杆菌JH-23，其代谢产物具有抑制MAO的作用。

(2)自由基清除为代表的抗氧化模型

该模型常用指标包括对自由基的清除能力，如对DPPH、羟自由基、超氧阴离子等的清除能力；氧化应激的耐受能力，如对一定浓度的O2或H2O2的耐受能力；抗脂质过氧化的能力，如对亚油酸过氧化抑制率或脂质过氧化产物丙二醛的含量进行测定来反映；产生抗氧化物质的能力，如某些益生菌能够产生如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、过氧化氢酶(catalase，CAT)、NADH氧化酶、金属硫蛋白等特殊的活性物质表现其抗氢化特性。

(3)Caco-2细胞模型

Caco-2细胞模型（the human colon adenocaricinoma cell lines model，人结肠腺癌细胞模型）的细胞系来源于人体结肠癌细胞，主要用于研究药物吸收及营养物质的转运调节，在抗衰老的研究中可能可以利用Caco-2细胞作为细胞来源，建立与细胞衰老相关的细胞脂质过氧化损伤模型，从益生菌中筛选有抑制脂质过氧化能力的菌株。

2．调节血压作用的益生菌体外预筛选

主要采用血管紧张素转化酶(angiotensin converting enzyme，ACE)抑制模型，如干酪乳杆菌LC2W(CGMCC No0828)等。

3．调节血脂作用的益生菌体外预筛选

主要采用胆固醇移除模型（如罗氏乳杆菌DSM122460）以及降解胆盐和结合胆固醇模型，如植物乳杆菌ST-Ⅲ(CGMCC No.0847)和干酪乳杆菌BD-Ⅱ(CGMCC No.0849)等。

4．调节血糖作用的益生菌体外预筛选

主要采用麦芽糖酶／a-葡萄糖苷酶( maltase/a-9lucosidase)抑制模型，如干酪乳杆菌JH-28. LC2W (CGMCC No. 0828)和植物乳杆菌ST-Ⅲ(CGMCC No. 0847)等。

相关研究成果：

与IBS风险增加相关的蔗糖酶-异麦芽糖酶基因突变：① 在7个家族性肠易激综合征（IBS）病例中，对蔗糖酶-异麦芽糖酶（SI）的外显子进行测序；② 相比于健康对照组，先天性蔗糖酶-异麦芽糖酶缺陷（CSID）突变在IBS患者中更为常见；③ 15Phe在6/7的病例中可被检测到，这一突变与IBS风险增加相关；④ 15Phe等位基因的剂量与排便频率、粪便菌群中Parabacteroides的丰度显著相关；⑤ 带有15Phe的SI蛋白，在体外表现出显著降低（降低35%）的酶活性。

5．调节免疫作用的益生菌体外预筛选

主要采用刺激外周血单核细胞(peripheral blood mononucleacells, PBMCs)增殖的细胞模型（如副干酪乳杆菌M5AL、J23AL、G15AL和T3AL）和利用琼脂扩散法、孔扩散法的体外抑菌模型如长双歧乳杆菌J16和干酪乳杆菌LC2W (CGMCC 0828)等。