CRIT REV FOOD SCI︱肠道微生物群与脂溶性维生素
肠道微生物群（GM）是一个复杂的生态系统，有研究表明GM及其在整个生命周期中的动态变化，对调节必需微量营养素（如B族维生素）的状态、代谢和功能起着重要作用。脂溶性维生素（FSVs）是一组天然脂质，具有抗氧化、辅助因子和基因调控作用，是生理调控过程的核心。目前人们对GM与FSVs之间的关系尚不清楚。来自意大利的科研团队阐述了近年来FSV与GM相互作用的研究现状，讨论了FSV与GM相互作用的生理机制、干扰因素及对人体健康的影响，相关成果发表于《CRIT REV FOOD SCI》。
GM及其对FSV的影响
研究表明肠道失调会干扰脂溶性微量营养素代谢。对GM及其与宿主的共生关系具有潜在有害影响的环境因素和构成因素很多,包括食物来源的外源性物质，如杀虫剂、合成肥料和食品添加剂，以及遗传、年龄和性别。本综述重点关注已明确的环境变量，这些变量在GM失调与FSV代谢和功能变化之间存在因果关系，比如饮食治疗、药物干预，尤其是抗生素治疗。
饮食因素
据报道，饮食可快速、重复地影响肠道微生物组成。有研究证实，饮食中脂肪过量可能通过增加脂质的吸收而引起GM改变。其中西方饮食（其纤维含量较低，并且富含饱和脂肪，糖，动物蛋白，添加剂和盐）被认为是肥胖以及心脏代谢并发症（包括代谢综合征（MetS）、非酒精性脂肪肝疾病（NAFDL）、糖尿病和心脑血管疾病（CVD））主要原因之一。肥胖和MetS出现脂质紊乱和血清FSV低水平情况，暴露西方饮食并发展为肥胖和MetS表型的受试者在脂肪组织或脂肪肝中出现FSV螯合增加。这可能会限制其生物利用度和功能，并导致潜在毒性，其中包括：1）FSV肠道吸收和通过肠脂蛋白运输到肝脏的水平发生改变，2）肝脏和脂肪组织FSV积累水平发生改变，3）通过VLDL脂蛋白转运到外周组织的FSV肝脏代谢能力、向活性代谢物转化以及通过解毒和药物代谢途径排泄过量维生素发生改变（图1）。
不同于西方饮食，地中海饮食以及持续摄入FSV也可以增加肠道细菌多样性。饮食因素如膳食纤维，是人类营养的主要益生元，可影响肠肝轴，并且对FSV的肠道吸收和代谢均具有重要调节作用（图1）。典型地中海饮食中膳食纤维摄入量为25-30克/天，在特定素食饮食中每天最多可以增加至60克。膳食纤维可通过发酵产生短链脂肪酸（SCFA），人盲肠纤维发酵（约10%的热量需求）每天可产生400至600mmol SCFA。除了作为结肠细胞和肝细胞的能量来源外，SCFA通过肝脏和脂肪组织中AMP活化激酶的活化增加脂肪酸氧化从而调节能量代谢。SCFA还可以激活褐色脂肪组织增加线粒体功能和能量消耗，并提高胰岛素敏感性。同时它们可以调节饥饿感、饱腹感和肠道PH。此外，膳食纤维还可能对肠道免疫和屏障功能发挥作用。比如，乙酸调节肠道免疫应答，而丙酸和丁酸可促进肠屏障功能，改善紧密连接蛋白表达。在代谢异常和炎症的情况下，大量的丁酸盐可能会加剧炎症情况并促进肝脏肿瘤发生，因而需要更全面地了解在特定条件下持续产生的SCFA对肠肝轴的风险和益处。
饮食因素影响GM进而影响肠肝轴的另一个介质是胆汁酸（BAs）。BA是法尼醇X受体α（FXRa）以及其他受体（包括PXR，G蛋白偶联和维生素D受体（VDR））的配体。肠道细菌通过去结合、脱氢、二羟基化和硫酸化相关酶解产生不同的次级BA。在西方饮食中BA水平增加，尤其是次级脱氧胆酸（DCA）和石胆酸（LCA）增加。其中，LCA对哺乳动物细胞具有毒害作用，与结肠癌发生可能有关。此外，通过发酵食品引入的益生菌也可能有助于改善肠道健康，增加微生物多样性，最终影响FSV代谢（图1）。
抗生素和其他药物疗法
在20世纪50年代，人们发现在食物和水中引入低剂量的抗生素有利于牲畜体重的增长。而长期接触这类药物或具有类似活性的化合物，可能会引起抗生素导致的肥胖及异位脂肪沉积，增加NAFLD和NASH的风险。抗生素诱导的失调可以促进微生物繁殖，这些微生物从饮食中获取能量的能力更强，从而促进其在脂肪组织中储存。也有可能是脂肪细胞中线粒体基质金属蛋白的改变导致线粒体功能异常进而诱发肥胖。有研究证明抗生素治疗（氨苄青霉素，磺胺甲恶唑和甲氧苄啶）导致大鼠菌群紊乱，通过补充维生素E可改变肝脏、粪便和血液中的维生素状况和CYP450衍生代谢产物水平。除抗生素外，常用于慢性肾病治疗的磷酸盐结合剂也可以改变维生素状态，并通过与FSV（维生素K和D）和SCFA的相互结合而导致GM发生变化。GM的改变也与其他类型的药物（例如质子绒球抑制剂和非甾体抗炎化合物）有关，因此有必要研究其与FSV的代谢、状态和功能的相互作用。
Figure 1. Hepatic and intestinal nodes of the interplay between gut microbiota and the metabolism of FSV.
GM与FSV之间的代谢和分子相互作用
据报道GM影响FSV的肠道吸收和吸收后代谢（图2）。此外，FSV可以调节肠道微生物组成，从而刺激或抑制细菌繁殖。在动物模型中补充FSV的研究和在不同类型疾病中进行的临床研究是这方面信息的主要来源。这种类型的相互作用主要包括通过刺激细菌产生抗微生物分子或免疫介导的机制来调控GM(图2）。
Figure 2. Components of the bidirectional interactions between the gut microbiota and FSV.
维生素A（VA）
VA（视黄醇）存在于动物产品中（内脏，牛奶和衍生物），以视黄酯形式存在，而在水果和蔬菜中则以类胡萝卜素（主要为β-胡萝卜素）形式存在。VA的消化和吸收过程与食物中脂类相似。VA主要存储在肝星状细胞中，但也以无活性的视黄酯形式存在于脂肪细胞和其他组织中。水解成视黄醇并与视黄醇结合蛋白结合后，通过RA6受体被转运到靶细胞中以供摄取。在细胞水平（包括肠上皮细胞和免疫细胞）发生的视黄醇酶促氧化形成活性代谢物视黄酸(RA)，其与核受体RXRs（-α、-β和-γ）和视黄酸受体（RAR-α、-β和-γ）相互作用，通过结合特定的DNA序列（例如RA应答元件）激活靶基因转录。维生素A具有预防贫血、调节精子形成、促进受孕、预防胎儿畸形等多种功能。它还参与诱导生热，保护皮肤免受细菌感染，抗炎活性和免疫调节作用。
VA对GM作用：RA对于B细胞转化为分泌IgA的细胞至关重要，后者通过与肠道不同区域中的GM相互作用对肠道免疫发挥重要作用（图2）。无菌小鼠研究表明，GM对于诱导B细胞克隆扩增和肠道IgA产生至关重要。肠道IgA是与细菌结合的异质性的免疫球蛋白，可以阻止细菌生长和通过肠道屏障进行移位。维生素A还可以刺激Th17细胞分泌IL17，这在宿主抵抗病原体的防御过程中进行免疫调节和白细胞募集至关重要。RA对肠道免疫细胞和微生物群落的影响也可通过TLR-4调节肠道屏障的完整性（图2）。在小鼠模型中发现RA（以25 μg RA/g体重进行2天治疗）通过多种机制（包括干细胞分化和增殖、肠道菌群修饰如降低Firmicutes/Bacteroides比率和增加乳酸杆菌）在肝脏再生中发挥重要作用。
GM对VA 作用：肠道组织与微生物群之间的共生也会影响类维生素A的生物合成。GM产生的蛋白质参与VA转运到肠细胞（如大肠杆菌表达的脂质转运蛋白Blc），通过次级和三级BAs调节FXR和RXR表达，通过视网膜转化为RA激活VA（图2）。此外，GM酶可以模拟加氧酶BCO1和BCO2（β-胡萝卜素9′,10′-加氧酶）活性将β-胡萝卜素催化生成类VA。它们还可以通过甲羟戊酸途径从头合成类胡萝卜素。因此，GM可能在调节维生素A的肠道吸收、代谢和免疫调节功能中发挥重要作用。结合VA在调节GM中的作用，推测GM和维生素A的代谢存在协同作用，从而触发肠肝轴正效应的良性循环，包括提高免疫力和肠屏障的完整性、肝组织再生和胰岛素功能。
维生素D（VD）
暴露在紫外线中，尤其是UVB（280-315 nm波长范围），皮肤中7-脱氢胆固醇合成VD。皮肤合成胆钙化醇（维生素D3）以确保约80%的营养需求。UVB可增加微生物群α和β多样性，与先天性和特异性免疫细胞的调节以及肠道和免疫介质的释放有关。饮食中的VD3和麦角钙化固醇（VD2）也有助于维持VD的状态。VD2和VD3需要肝脏和肾脏中表达两种细胞色素P-450亚型的酶进行激活。事实上，除了调节钙代谢的作用外，维生素D还参与不同的调节过程，包括减少刺激铁调素的促炎细胞因子，这对于增加铁的利用率和预防贫血、调节脑功能、伤害感受、心脏收缩力和血压相关的分子途径。同时，VDR对于通过调节微生物代谢产物（对碳水化合物、蛋白质/氨基酸、脂质和外源性物质代谢产生影响）来维持健康微生物组可能至关重要。
VD对GM作用：据报道，VD通过直接或间接（GM介导）过程影响肠道免疫。已有证据表明维生素D可增强吞噬细胞活性、抗菌肽（β-防御素、儿茶素）分泌以及E-钙粘蛋白、claudin-1（一种紧密连接蛋白）、ZO-1（zonula occludens，紧密粘连蛋白）和occludin蛋白表达（图2）。维生素D还刺激Th2细胞增殖，从而维持抗炎细胞因子的产生，并抑制产生促炎细胞因子的Th1和Th17细胞。此外，VD刺激耐受性树突状细胞（DC）并调节具有杀菌活性的血管生成素4表达（图2）。在一项补充VD3的临床研究中发现，VD3补充8周可降低胃、十二指肠中变形菌门，而拟杆菌门水平增加。
GM对VD作用：GM组成的改变会干扰维生素D水平和生物学功能。这种改变主要通过激活FGF-23（主要由骨细胞和成骨细胞产生）抑制CYP27B1并诱导CYP24A1，从而干扰维生素的代谢活化（图2）。GM还可以通过次级BAs（主要是LCA）间接阻碍维生素活性，次级BAs与VD竞争VDR结合和激活（图2）。不仅如此，与VDR-LCA相互作用诱导回肠中的CYP24A1 mRNA表达，从而导致骨化三醇失活。菌群其他代谢产物，例如SCFA，尤其是丁酸，通过抑制炎症来增加肠道VDR表达。并且肠道维生素D缺乏与炎症、结肠长度缩短、粘膜结构紊乱、炎症细胞浸润有关。VD缺乏还与粘液层减少有关，这是由微生物组成改变引起，其特征是嗜粘蛋白-阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）增加，这是一种肠道粘液降解细菌。还有一些细菌可以表达类固醇羟化相关酶，这些酶能够羟化和激活VD。
维生素E（VE）
VE是指8个亲脂性分子，分为生育酚（TOHs）和生育三烯酚（T3）两个亚家族，主要存在于食用油、坚果和种子中。过量的VE在肝脏中代谢形成一系列代谢物，并通过胆汁和尿液排出。这些分解代谢产物包括长链、中链和短链代谢产物，主要通过CYP450介导的ω-羟基化和随后的侧链类似β-氧化的降解而产生。VE是细胞膜和循环脂蛋白最重要的脂溶性抗氧化剂，在预防和辅助治疗某些慢性和退行性疾病（例如动脉粥样硬化、阿尔茨海默氏病、癫痫相关的神经炎症和神经毒性）中具有重要应用。除了抗氧化功能外，VE及其相关的长链代谢物是PXR激动剂，其中苯并吡喃环的去甲基构型最为活跃。
VE对GM作用：动物和临床研究均表明，增加VE摄入量可能会改善免疫和炎症反应，并降低传染病风险（图2）。该维生素的免疫调节依赖于不同机制，包括Klotho表达增加， Klotho是主要在肾脏中产生的抗衰老和抗炎的单程膜蛋白，其是人成纤维细胞生长因子（FGF-19）共同受体。Klotho-FGF-19的结合通过降低CYP7A1（胆固醇-7-a羟化酶）表达在BA稳态中发挥重要作用。据报道，α-生育酚（400IU，2次/天）可降低人体内拟杆菌和乳杆菌丰度，以及拟杆菌门/厚壁菌门比值。也有研究将高和低剂量饮食α-生育酚（9mg/kg vs 3mg/kg）与小鼠不同肠道微生物组成进行关联研究。与高剂量组和标准饮食组相比，低剂量组厚壁菌与拟杆菌比值（以变形杆菌增多和疣微菌属减少为标志）有所改变。而疣微菌门中最丰富的物种嗜粘蛋白-阿克曼氏菌，具有保护性粘液层降解增加作用，与促炎症和肠道渗漏表型有关。
GM对VE作用：相对于其他FSV而言，GM与VE代谢和功能之间的研究相对较少。MetS和脂肪肝常见症状是肠道和肝脏炎症和氧化应激。这些病理显示多不饱和脂质氧化增加，从而增加细胞维生素E的氧化。另外，细菌内毒素血症可导致VC水平降低，进而导致抗氧化活性和α-生育酚生物利用度降低。GM对VE代谢和状态也有直接作用，这种情况在用抗生素治疗并补充了VE的大鼠研究中发现。
维生素K（VK）
VK来源于植物的叶醌（PK）或VK1，例如水果、坚果、全谷物、多叶绿色蔬菜和大豆，以及细菌来源的VK2（也称为MK，menaquinones）。内源性MK包括MK-4，是由人体内PK转化为甲萘醌并随后由UbiA异戊二烯基转移酶结构域蛋白1（UBIAD1）催化生成的异戊二烯形成。MK-4是类固醇和外源性受体（SXR）的配体，主要在肝脏和肠道中表达，负责类甾体代谢和外源性解毒相关基因的表达调控。此外，MK-4是PXR的强配体，通过调节CYP7A1和CYP8B1表达，进而调节BAs合成。肠道细菌MK的产生有助于满足维生素K的需求。VK作为γ-谷氨酰羧化酶（GGCX）辅助因子，可催化谷氨酸（Glu）残基羧化为维生素K依赖性蛋白（Gla-蛋白）中的γ-羧基谷氨酸（Gla）残基，这是蛋白激活关键步骤。
VK对GM作用：据报道，MKs在促进共生体选择性生长的肠道内稳态中起关键作用（图2）。此外，MKs参与原核生物呼吸电子转运链，还提供抗氧化活性并保护细胞膜免受脂质过氧化作用。MK-7具有免疫调节作用，可通过调节肠道炎症和免疫功能来维持GM（图2）。MK-7调节人单核细胞衍生的巨噬细胞中TNF-α、白介素-1α（IL-1α）和IL-1β等细胞因子、表达。此外，MK-7可预防小鼠结肠癌，影响小鼠肠内肠道微生物组成，并有效刺激细菌代谢。并且益生菌和MK-7都可影响GM组成以及脂联素产生，从而促进抗癌作用。
GM对VK作用：在食物或结肠发酵中参与MKs生成的细菌包括枯草杆菌和韦荣球菌（MK-7）、大肠杆菌和志贺氏菌（MK-8）、迟缓真杆菌（MK-6）和普氏拟杆菌。相对于回肠，远端结肠MKs浓度最高。并且GM能够刺激VDR表达，因此有可能通过MK-7改善VD状况（图2）。MKs的生物利用度和血浆半衰期值不相同，其半衰期大于MK-4。MKs的吸收可以由胆汁酸介导，也可通过被动扩散发生。除维生素K1外，肝脏中也存在MK。此外，食物基质和营养成分可能会影响MK的传递及其对维生素K状况的影响。在这种情况下，重要的是要考虑肠道失调可能导致细菌菌群中MKs产生菌相对增加，这可能与血栓性事件风险增加有关，特别是在受高凝状态或凝血障碍影响的患者中，需要使用血栓前制剂进行治疗。服用含有FSV K和E补充剂的受试者也被确定为较高凝血风险人群。
ω-3和ω-6脂肪酸
亚油酸（ω-6）和α-亚麻酸（ω-3）是必需脂肪酸（EFAs）。这些EFA在某些情况下被不适当地定义为维生素F，主要存在于植物油、果油以及富含脂肪的鱼类中。它们的“必要性”取决于人类细胞缺乏去饱和酶活性，不能在脂肪酸前体（从头合成或从饮食来源的）中引入ω-3和ω-6双键。因此，长链ω-3多不饱和脂肪酸（PUFA）、二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）主要是由α-亚麻酸经过延伸和去饱和反应形成，而花生四烯酸（AA） 来自亚油酸前体。DHA约占大脑中多不饱和脂肪酸的40%，占视网膜60%，AA是膜脂中含量最丰富的多不饱和脂肪酸，是类花生酸类的重要前体。除了在炎症和内皮功能中的作用，ω-3脂肪酸及其代谢产物对胃肠道健康和新陈代谢具有多种影响，包括免疫调节、肠屏障调节和GM组成调节。有研究表明，ω-3的抗癌作用可能是通过改变肠道微生物组成而发生的。
小结
越来越多研究表明营养物质和GM之间的相互关系。而FSV和GM之间的相互作用是双向的,这对宿主代谢、营养、胃肠道生理和免疫功能等方面具有重要影响。FSV通过调节免疫应答和炎症途径，维持肠屏障完整性以及产生抗菌肽和BA来影响GM的组成和功能。而GM在不同程度上影响FSV合成、代谢和转运。更好地理解这些相互作用，以及它们对肠道和代谢稳态的影响，将是疾病预防和治疗策略以及个性化营养制定的关键。
参考文献
Valentina Stacchiotti et al. Metabolic and functional interplay between gut microbiota and fat-soluble vitamins. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, DOI: 10.1080/10408398.2020.1793728.
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