近年来,研究者逐渐意识到不仅是有益微生物本身能影响机体健康,其分泌的化学物质、灭活后的菌体及代谢产物同样有益[1]。2021年5月,国际益生菌和益生元科学会发布了后生元共识声明,明确了后生元的定义和范围,即后生元是指对宿主健康有益的无生命微生物和/或其他成分的制剂,不包括纯化的微生物代谢物和疫苗[2]。
大多数后生元是由乳杆菌属(Lactobacillus)和双歧杆菌属(Bifidobacterium)菌株灭活制备,遵循灭活细菌、保留益生活性的原则,经过菌株筛选、菌体培养、灭活处理、贮存保管等步骤获得[3]。由于其微生物已经失去了复制能力且不包含活细胞,因此更易在常温下贮存和运输,不会引起菌血症或真菌血症,而且对后生元的生产过程和效果更加可控及可预测;不仅可应用于食品和饮料,还可以用于药品、化妆品、保健品以及动物饲料等领域[4-7]。目前后生元的物质基础并不明确,对后生元更详细的定义及分类尚不完善,其范畴仍在不断拓展,研究较多的后生元成分主要是短链脂肪酸(short chain fatty acid,SCFAs)、磷壁酸(teichoic-acid,TA)、细菌表面蛋白等,其具有抗炎、抗氧化、平衡肠道菌群、增强肠道上皮屏障和增强免疫调节等功能[8-11],而这些成分又受到菌株类型、培养条件和灭活方式等多种因素的影响,导致后生元在成分组成和生物活性上存在差异,从而影响其在体内、外的免疫调节机制。由于后生元物质基础的复杂性,对后生元的鉴定方法也同样复杂多样,尚无统一标准。另外,虽然后生元被广泛证明有免疫作用,但对其发挥免疫功效的活性成分及其作用机制的解析尚不完善,这也是后生元后续研究和开发应用需要解决的问题。
后生元作为一种新型的生物活性成分及新兴的研究领域,仍在发展当中,尽管具有许多潜在的应用和益处,但在发展过程中也面临着挑战和问题,尤其是物质基础不清问题,限制了后生元后续一系列的研究和应用。本文旨在综述后生元的物质基础、对其生物活性产生影响的因素,以及其免疫调节机制等方面的研究进展,以期为后生元在营养学、食品领域和医学领域的应用提供更为坚实的理论基础。
1 后生元的物质基础
根据来源和性质,后生元的物质基础可分为胞外代谢物、胞内代谢物和菌体成分,这种分类有助于系统地研究后生元的组成、功能和作用机制。
1.1 胞外代谢物
后生元的胞外代谢物是指活菌在代谢过程中分泌到细胞外的物质,对宿主产生健康益处。主要包括有机酸、SCFAs、胞外多糖(exopolysaccharide,EPS)、肽类和蛋白质、细菌素、酶类等成分,它们通过不同的机制发挥作用,比如直接的抗菌作用、调节宿主的免疫反应、影响肠道上皮屏障的完整性以及通过与其他微生物竞争生态位来调节肠道菌群的平衡等。
1.1.1 有机酸
后生元在代谢过程中可产生有机酸,如乳酸、乙酸等,在降低肠道的pH值、调节宿主菌群、抑制有害菌的生长、促进肠道对矿物质的吸收、提高机体的营养状况等方面发挥重要作用。后生元的发酵上清液中可以检测到有机酸成分,这些有机酸有助于形成有益于益生菌生长的条件,并阻止病原体的增殖。不同菌株来源的后生元中有机酸的浓度有所不同,且对病原菌抑制作用和抗氧化活性也有差异[12]。研究发现利用副干酪乳酪杆菌(Lacticaseibacillus paracasei)和瑞士乳杆菌(Lactobacillus helveticus)可代谢产生乳酸和琥珀酸等成分,具有一定的抗菌和抗炎功能,也属于后生元的范畴[13]。从发酵制品中筛选出的后生元菌株,利用小鼠模型发现其具有良好的产酸性能和抑菌性能,产生的有机酸以乳酸为主,能增加小鼠微生物群落的多样性,维护肠道菌群稳态,缓解小鼠腹泻[14]。
有机酸因其多样的生物活性,在食品、医疗和畜牧等领域中广泛应用,成为当前研究的热点之一,但仍需进一步探索其作用机制和优化生产工艺:提高有机酸的产量、降低成本以及探明其具体的作用机制等,以实现更高效的抑菌效果和健康益处。
1.1.2 SCFAs
SCFAs是肠道微生物在发酵过程中形成的绝大多数化合物的总称[15],常见的SCFAs有乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸及其异构体等,具有多种生物活性,而且SCFAs作为重要的免疫调节因子,能够调节肠道内包括巨噬细胞、T细胞等各种免疫细胞。比如乙酸盐通过恢复T细胞中组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)的信号从而平衡氧化-抗氧化的水平,来改善败血症诱导的急性肾损伤[16];SCFAs还可以间接调节小鼠外周组织生物钟变化,维持哺乳动物昼夜节律系统的稳态[17];SCFAs可通过增强黏蛋白的产生和上调紧密连接蛋白的表达,维护肠黏膜屏障的完整性,从而保护肠道内环境稳定;还能够促进调节性T细胞的膨胀和从头分化,减轻肠道炎症反应,抑制肿瘤细胞增殖和分化,增强免疫保护屏障[18-20]。此外SCFAs还能作为微生物群-肠-脑轴相互作用的中介,通过游离脂肪酸受体(free fatty acid receptor,FFAR)、G蛋白偶联受体(g protein-coupled receptor,GPR)和嗅觉受体向宿主发信号,进而影响微生物群-肠-脑的相互作用[21]。FFAR2和FFAR3作为连接肠道菌群和宿主的信使,可调节新陈代谢、炎症和激素稳态。乙酸盐、丁酸盐和C3-C6饱和脂肪酸等SCFAs可以通过激活FFAR2和FFAR3来发挥其生理功能,但目前FFAR2和FFAR3信号传导的分子机制尚未明确,因此未来的研究可以集中在深入理解SCFAs与免疫细胞相互作用的具体信号通路及其潜在的临床应用,以争取突破性进展[22]。
1.1.3 EPS
EPS是微生物在生长代谢过程中分泌到细胞壁外、易与菌体分离、分泌到环境中的水溶性多糖。乳酸菌产生的EPS可以改善食品的口感和品质,还具有免疫调节和抗肿瘤的生物学功能[23]。对2种由唾液链球菌嗜热亚种(Streptococcus salivarius subsp. thermophilus)和德氏乳杆菌保加利亚亚种(Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus)产生的EPS进行研究,利用配备示差折光检测器的凝胶渗透色谱测量两者的分子质量,结果显示两者产生的EPS分子质量小于植物乳植杆菌(Lactiplantibacillus plantarum)产生的EPS,利用GC-MS和火焰离子化检测器分析得出两者由葡萄糖、甘露糖和半乳糖组成,由于分子质量的变化和单糖的存在,可以清除DPPH自由基和ABTS阳离子自由基,产生抗氧化活性,并且效果随着EPS浓度的增加而增加,此外其对结肠癌和乳腺癌细胞系具有较好的抗癌活性,且能抑制致病菌、抗糖尿病和抗高血压[24]。
1.1.4 蛋白质和肽类
蛋白质是构成人体细胞和组织的主要物质,也是重要的后生元来源之一。抗菌肽(antimicrobial peptides,AMP)对细菌、病毒和真菌具有抗菌作用,一般通过破坏细菌细胞膜来发挥抗菌活性,此外,其还具有抗生物膜、免疫调节和其他活性[25],AMP可通过Caspase依赖性或非依赖性通路诱导癌细胞凋亡,导致线粒体的功能障碍来发挥抗癌活性;调节自噬标志物和自噬相关蛋白的表达,诱导癌细胞自噬;调节多种细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶的表达导致细胞周期阻滞,从而抑制癌细胞增殖;调节Wnt/β-catenin信号通路和抑制基质金属蛋白酶的表达来抑制癌细胞转移。正常哺乳动物细胞质膜内叶存在磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS),癌细胞中PS的表达会转移到质膜的外叶,导致癌细胞表面带负电荷,而许多AMP是阳离子两亲性肽,因此其可通过静电相互作用与带负电荷的细胞膜结合,导致膜破裂,细胞内容物流出,诱导细胞死亡[26]。目前被广泛研究的一种AMP类型是细菌素,其通过破坏细菌细胞壁或抑制细菌细胞内的重要代谢过程来发挥抗菌作用,尤其针对一些有害菌和病原体,可有效维持肠道微生态平衡和防止肠道感染[27]。
1.2 胞内代谢物
后生元的胞内代谢物是指在微生物细胞内由其代谢活动产生的物质,这些物质在微生物裂解后可以被释放出来,用于维持细胞的生存和功能。这些代谢物包括酶类、氨基酸、热休克蛋白(heat shock proteins,HSP)等。它们在细胞内参与能量产生、蛋白质合成、DNA合成等重要生物学过程。
胞内酶包括有消化酶、合成酶、转移酶等,它们在细胞代谢和能量产生中起着关键作用。在氨基酸中,色氨酸(tryptophan,Trp)作为一种必需氨基酸,对转基因小鼠有免疫调节作用,可以调节其先天性和适应性免疫细胞的生成、功能和运输[28];Trp在中枢神经系统的神经元中合成的5-羟色胺(5-hydroxytryptophan,5-HT),是一种神经递质,可以调节小鼠神经功能障碍[29]。HSP是一类在多种应激条件下表达量增加的蛋白质,帮助其他蛋白质正确折叠、防止聚集、促进修复以及参与蛋白质的运输等过程,在各种应激条件下发挥着重要作用,保护细胞免受氧化损伤;此外HSP还能与病毒蛋白相互作用改变激活状态,参与大分子蛋白质复合物的组装,并且影响人类、动物和植物宿主的不同病毒的复制、翻译、移动等过程,从而发挥其抗病毒活性[30]。
1.3 菌体成分
后生元的菌体成分是指对宿主健康有益的、遗传背景明确的灭活微生物和/或微生物菌体成分,这些成分包括但不限于肽聚糖、TA、脂壁酸、缩醛磷脂、膜蛋白等,这些成分在益生菌经过灭活加工后仍保留了大量营养和有效成分,对人体健康具有积极影响。
1.3.1 TA
TA是革兰氏阳性菌细胞壁的主要成分之一,通常包括脂磷壁酸(lipoteichoic acid,LTA)和壁磷壁酸[31],锚定在细胞膜上的LTA可以作为宿主免疫调节的活性成分。通过体外对人结直肠腺癌细胞系HT-29细胞和体内结肠炎小鼠实验证明,在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激的HT-29细胞中,LTA可引起IL-10的增加和TNF-α水平的降低,并且经LTA治疗的小鼠在外部结肠炎症状、疾病活动评分和体重增加方面改善显著[9];通过动物双歧杆菌乳亚种(Bifidobacterium animalis subsp. Lactis)BPL1干预秀丽隐杆线虫,发现BPL1的LTA通过胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor 1,IGF-1)途径发挥减脂特性,且该属性在高血糖条件下仍保留,这说明LTA有助于调节宿主的代谢过程,改善胰岛素抵抗,提高胰岛素敏感性,维持宿主的能量稳态,具有抗炎、抗氧化的功能[32];鼠李糖乳酪杆菌(Lacticaseibacillus rhamnosus)GG的LTA可以激活树突状细胞和T细胞,增加细胞黏附分子86(cluster of differentiation 86,CD86)和主要组织相容性复合体-Ⅱ(major histocompatibility complex-Ⅱ,MHC-Ⅱ)的表达,分泌低水平的促炎和抗炎细胞因子,从而提高机体免疫力[33];此外,LTA可以通过Toll样受体2(toll-like receptors 2,TLR2)介导的信号通路来激活细胞,从而发挥抗炎和免疫调节的作用[34]。
1.3.2 细菌表面蛋白
细菌表面蛋白作为细胞壁和细胞膜的一部分,参与多种生物学过程,主要包括S层蛋白、LTA结合蛋白等,有研究表明,其对宿主细胞间的相互作用、信号传导、营养物质的吸收以及免疫反应等有一定作用[35-36],这是由于细菌表面蛋白可黏附到宿主生态位中,构成第一道防线,进而触发肠细胞中涉及核因子和丝裂原活化蛋白激酶的各种信号转导机制,影响下游通路的调节,例如负责免疫调节作用的细胞因子和抗菌肽的分泌等[37];S层蛋白作为构成细菌细胞外层的重要成分,为细菌提供了额外的保护层,是宿主-病原体相互作用的前线,在黏附、细胞生长和分裂中起关键作用,L.paracasei衍生的表面层蛋白对肠上皮屏障具有一定的保护作用,但其详细的作用机制和靶点需进一步阐明[38]。
虽然细菌表面蛋白介导或参与细胞-环境和细胞-宿主的相互作用,参与细胞各种生理和生化过程的调节,引发人体的免疫反应,但深入探索其功能、结构和具体的分子作用机制,能更好地理解其在细菌黏附、生物膜形成等过程中的作用,可以为开发新的治疗方法提供理论基础和技术支持。
后生元的物质基础及体内外研究总体情况如表1所示。
表1 后生元的物质基础及体内外实验
Table 1 The material basis and in vitro and in vivo experiments of post-generation
注:—代表无数据。
后生元来源物质基础相关成分实验对象实验结果参考文献长双歧杆菌长亚种(Bifidobacterium longum subsp. longum)CECT-7347胞外代谢物有机酸秀丽隐杆线虫增加线虫寿命、保护肠道细胞免受急性炎症、降低线虫中革兰氏阳性和阴性病原体的致死率[39]弯曲广布乳杆菌(Latilactobacillus curvatus)B67猪肉香肠减少了加工猪肉香肠和肉类加工表面的致病性生物膜细胞、抑制了致病性生物被膜在生物和非生物表面的形成[40]L. plantarum羔羊增强了血清和瘤胃液抗氧化活性、降低了血清脂质过氧化、上调了肝脏抗氧化酶和瘤胃屏障功能[41]5株L. plantarum(TL1、RS5、RG14、RG11、RI11)SCFAs蛋鸡母鸡日蛋产量的增加、粪便pH值和粪便肠杆菌科细菌种群降低、血浆和蛋黄胆固醇降低、粪便挥发性脂肪酸含量上升[42]乳酸菌EPS小鼠降低了高脂饮食诱导的体重增加、血清甘油三酯和胰岛素抵抗、影响肠道菌群的分布[43]短促生乳杆菌(Levilactobacillus brevis)M-10—降低肠道pH值,并被肠道微生物利用来生产丙酸、丁酸等SCFAs,显著提高人体肠道菌群的多样性,考拉杆菌属的相对丰度显著增加,而梭杆菌属和摩根菌属显著降低[44]L. plantarum胞内代谢物5-HT小鼠调节了沙门氏菌诱导的神经功能障碍[29]乳酸杆菌(Lacobacillus sp. La1和La2)菌体成分表面蛋白结肠癌细胞系HT-29细胞凝结、细胞数量减少[45]乳酸菌小鼠降低了高脂饮食诱导的体重增加、脂肪体重、血清甘油三酯和胰岛素抵抗[43]动物双歧杆菌乳亚种BPL1脂磷壁酸秀丽隐杆线虫减少脂肪沉积[32]
2 后生元成分及生物活性的影响因素
2.1 菌株类型
用于制备后生元的微生物主要有双歧杆菌属、乳杆菌属和酵母菌属(Saccharomyces)。双歧杆菌属是常见的益生菌,其衍生的后生元比如SCFAs,如丁酸、丙酸和乙酸,为结肠细胞提供能量,调节肠道环境,促进益生菌的生长[46]。乳杆菌属包括L.paracasei、L. plantarum、L.helveticus和L.rhamnosus等,其菌株衍生的后生元可有效抑制炎症并且激活抗炎细胞因子IL-10并调节IL-18相关反应,从而维持肠道稳态[47]。酵母菌属产生后生元的主要成分是β-葡聚糖,可以促进肠道内有益菌群的生长,增强免疫力,维护肠道健康,具有抗氧化、抗肿瘤和降血糖等作用[48-49]。有研究对嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)、L.helveticus、L. plantarum、L.rhamnosus和两歧双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)衍生的后生元成分分析发现,其产生的有机酸和SCFAs等成分的浓度有所不同,并且其抗菌、抗氧化活性也有所差异[12]。
因此,不同的菌株在培养后的菌体及代谢产物上存在显著差异,也就是说后生元表现出的健康活性因其菌株特异性而在抗微生物活性、黏附于宿主细胞的能力等方面表现出不同的特性;而且不同菌株在生长过程中会表现出不同的生理状态和代谢特性,可能会通过产生特定的代谢物来调节免疫系统或抑制病原菌,这些差异会影响后生元的成分及功效。
2.2 培养条件
不同的培养条件,例如培养基成分、培养温度和时间、培养pH值等也会对后生元的成分、功能特性和稳定性产生显著影响。
培养基中底物和浓度的选择对于微生物的生长、代谢产物的形成和积累都有影响,如有研究开发了一种用于增强L.plantarum RS5后生元抗菌活性的精制培养基,使RS5后生元的抗菌活性提高了108%[50],CHANG等[51]利用优化培养基和MRS培养基进行对比,发现前者培养的后生元在组成和功能特性方面具有更高的表达活性,复溶脱脂乳培养基比MRS培养基更适合L.paracasei和L.helveticus发酵,获得更高含量的游离氨基酸和有机酸的后生元[13],利用3种不同新制培养基培养L.plantarum和副植物乳植杆菌(Lactiplantibacillus paraplantarum)来获得后生元,结果发现其衍生的代谢物,比如生物活性肽、多酚和SCFAs的含量,以及抗菌、抗肿瘤的活性都有所不同[52]。
温度决定微生物的生长速率和代谢产物的合成速率,不同的菌株对温度有不同的适应范围,而发酵时间决定了微生物的生长周期,从而影响微生物的代谢过程和最终产物的积累。有研究设定不同的培养基、培养温度和时间,测定其细胞外产物,发现其酶活力、生物膜量以及抗菌、抗病毒活性都有所不同[53]。因此在实际操作中,需要根据具体菌种和产品的需求来严格控制发酵过程中的温度,优化发酵时间,从而提高生产效率和产品质量。
pH值通过影响微生物代谢、酶活力以及细胞膜的电荷来改变细胞膜的通透性,进而影响菌体生长、产物合成以及代谢产物的排泄,有研究发现通过优化后生元的培养条件,最后选择培养时间和温度分别为20 h,37 ℃,且初始pH值为6.2,发现其后生元的抑菌效果最好[54]。因此,研究和控制培养条件,精确调控这些参数,不仅可以改善后生元的生物活性和免疫增强效果,还可以确保其在不同生产工艺下的稳定性和一致性。
2.3 灭活方式
后生元的制备最重要的步骤是“灭活方式”,主要包括高温、高压、酶处理、超声波、γ-辐射、萃取、超临界流体技术等[3]。由于环境胁迫可以激活微生物的细胞防御机制,导致其代谢产物的产生和含量会有所不同[55]。
不同的灭活方式会对后生元的成分产生不同的影响,从而使其发挥不同的效果,以及不同温度下的热处理会对后生元的抗氧化、抗炎特性和化学成分产生明显影响,比如与温度<100 ℃时的轻度失活相比,121 ℃的过高温度能显著改变后生元的化学分布,导致热敏活性成分的降解,并改变其生物功效[56];有实验对乳酸菌株经过80 ℃,5、15、30 min不同时间的灭活处理,结果发现与活细胞相比,热灭活菌株(特别是15 min灭活)对病原微生物的竞争能力最高,说明在热灭活过程中可以保留和修饰乳酸菌的某些益生特性[57]。高强度超声条件对后生元成分和功效也有所不同,例如其可以改善益生菌培养物的生长及其代谢活性,增加微生物代谢物或成分的产生[58],还可导致细胞内容物泄漏,从而使细胞死亡;使发酵乳中的4种双歧杆菌加速乳糖水解和转半乳糖基化,刺激有机酸的产生[59-60]。研究发现,L.acidophilus和L.paracasei在γ-辐照下能够诱导抗炎转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)下调,但在热灭活后没有说明免疫调节确实会受到不同灭活方法的影响[61]。
3 后生元的免疫调节作用机制
后生元在免疫调节方面发挥着重要作用,其可以通过调节肠道菌群的平衡,抑制有害菌的生长,促进有益菌的增殖,从而改善肠道环境,还可以通过激活免疫细胞、调节免疫因子分泌等方式,增强机体的免疫力。目前对于后生元具体的作用机制尚未有明确的研究,本文总结如图1所示(创建于BioRender)。
图1 后生元的免疫调节机制图
Fig.1 Immunomodulatory mechanism diagram of metazoan
注:PAMP:pathogen-associated molecular patterns,病原相关分子模式;TRIF:toll/interleukin-1 receptor(TIR)domain-containing adaptor protein inducing interferon-β,含TIR结构域的适配蛋白诱导干扰素-β;IRFs:interferon regulatory factors,干扰素调节因子;MyD88:myeloid differentiation primary response protein 88,髓样分化初级应答蛋白88;IFN-α/β:interferon-α/β,干扰素-α/β;IKK-α/β/γ:inhibitor of nuclear factor kappa-B kinase subunit-α/β/γ,核因子 B激酶抑制因子亚基α/β/γ;Keap1:kelch-like ECH-associated protein 1,Kelch 样 ECH 关联蛋白1;Nrf2:nuclear factor erythroid 2-related factor 2,核因子E2相关因子2;I B:inhibitor of nuclear factor kappa -B,核因子 B抑制因子;sMaf:small musculoaponeurotic fibrosarcoma proteins,小肌肉腱膜纤维肉瘤蛋白;ARE:antioxidant response element,抗氧化反应元件。
3.1 调节肠上皮屏障功能
后生元中的分泌蛋白和EPS等成分可以增强肠上皮屏障功能,减少病原体的侵袭,从而间接影响免疫反应。来自L.rhamnosus GG的蛋白质和主要分泌蛋白(major secreted protein,Msp),比如Msp1/p75和Msp1/p40[62];从双歧杆菌中提取的EPS,可以减少炎症以促进屏障功能[63];特定的双歧杆菌可以激活信号通路,如丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信号通路,改善炎症相关的生态失调[64];SCFAs达到足够的水平会改变上皮屏障功能,并抵御LPS诱导的破坏[65]。
LIU等[66]研究了发酵粘液乳杆菌(Limosilactobacillus fermentum)HF06发酵衍生的后生元对溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)的缓解作用,结果显示小鼠肠道粪便水分含量和促炎细胞因子和氧化应激水平显著降低,蛋白水平显著升高,肠道黏膜屏障增强,而且通过调节某些细菌的丰度来恢复肠道菌群失调,同时调节了SCFAs的水平。L.rhamnosus培养上清液中的细菌素、LTA、表层蛋白和分泌蛋白等成分,可以增强肠道黏蛋白表达和防止LPS或TNF-α诱导的肠道屏障损伤,下调肠黏蛋白、封闭小带-1(zonula occludens-1,ZO-1),能够加速新生大鼠肠道防御的成熟,并防止新生大鼠口服大肠杆菌K1感染[67]。
3.2 调节与免疫细胞受体的相互作用
通过分子相互作用研究和动物模型验证,确定了当多种微生物相关分子模式与免疫细胞的特定模式识别受体相互作用时,可激活免疫细胞,引发免疫反应。具体来说,后生元中的微生物相关分子模式(microbe-associated molecular patterns,MAMPs)能够与免疫细胞的特定模式识别受体(如TLR)、核苷酸结合寡聚化结构域(nucleotide binding oligomerization domain,NOD)受体和C型凝集素等相互作用[68],这种相互作用促使各种细胞因子和免疫调节剂的表达,从而实现对局部和全身水平免疫调节的作用。比如LTA作为TLR2/TLR6异源二聚体中的配体,以这种二聚体形式与TLR2/TLR6结合,会触发下游信号传导通路,从而引发免疫应答[69];肽聚糖或其衍生的多肽与NOD2存在相互作用,这是由于NOD2作为一种模式识别受体,能够识别细菌细胞壁中的胞壁酰二肽(muramyl dipeptide,MDP),从而激活下游的核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)和MAPK通路,从而引发免疫反应[70];CpG寡脱氧核苷酸(cytosine phosphoric acid guanine oligodeoxynucleotides,CpG-ODN)与TLR9结合后,会激活一系列信号传导途径,最终导致炎症因子如TNF-α、IL-1、IL-6和IL-12的产生[71];酵母(如酿酒酵母)中的β-葡聚糖能够直接与TLR2、TLR4、TLR5以及C型植物凝集素-1(dectin-1)等受体结合,并通过协同作用增强免疫应答,并且通过激活NF-κB、MAPK、脾酪氨酸激酶(spleen tyrosine kinase,Syk)等信号通路,进一步调节免疫细胞的功能[49];脂蛋白能有效激活TLR2信号通路,TLR2与TLR1或TLR6形成二聚体,与CD14和CD36等配体结合,共同激活NF-κB,进而诱导细胞因子的分泌[72]。
3.3 调节宿主代谢途径
后生元中的代谢物如SCFAs,特别是丁酸,可以通过组蛋白乙酰化激活脂肪氧合酶,改变紧密连接的通透性,影响免疫反应[73];乳酸等代谢物可通过肠道小肠单核细胞中GPR31依赖的树突突起,介导免疫反应[74];罗伊氏粘液乳杆菌(Limosilactobacillus reuteri)产生的色氨酸衍生物——吲哚,能激活小鼠肠道中的CD4+T细胞的芳香烃受体,诱导其分化为双阳性上皮内淋巴细胞[75];利用体外肠上皮细胞与巨噬细胞的共培养系统实验发现,L.plantarum和L.rhamnosus的后生元在调节肠上皮细胞中LPS介导的细胞毒性方面,有效激活抗炎细胞因子IL-10并调节与IL-18相关的反应,降低了LPS刺激细胞产生促炎因子IL-6、TNF-α和一氧化氮(nitric oxide,NO),从而增强机体免疫反应[47,76]。
3.4 调节抗氧化活性
抗氧化活性可以帮助保护免疫细胞免受活性氧(reactive oxygen species,ROS)损伤,维持免疫系统的健康和功能,氧化应激可以促进炎症反应,而有效的抗氧化防御可以减轻炎症,从而增强机体免疫反应[77]。ROS和抗氧化物质可以作为信号分子,影响免疫细胞的信号传导途径,如巨噬细胞和树突状细胞,可以利用ROS来杀死病原体,而抗氧化活性的调节可以影响这一过程,进而影响免疫反应[78]。
后生元可以通过与金属离子螯合,生成抗氧化物质,上调宿主抗氧化活动或相关基因表达,调节信号通路,降低ROS酶活力,影响胃肠道微生物群,从而调控宿主抗氧化机制[79]。对断奶后羔羊喂食L.plantarum RG14、RG11和TL1的后生元后发现,膳食后生元增强了血清和瘤胃液的抗氧化活性,降低了血清脂质过氧化,上调了肝脏抗氧化酶和瘤胃的屏障功能,增强了其免疫反应[41];LI等[80]发现,SCFAs可以通过调节肠道微生物群来提高鲫鱼抗病能力,增强免疫反应并增加宿主的抗氧化能力。
3.5 调节神经系统
肠道菌群参与合成神经递质及其前体(γ-氨基丁酸、多巴胺、血清素和神经肾上腺素),通过调节和促进神经炎症、神经传递和神经发生的能力影响神经功能[81]。微生物酶代谢营养物质可合成宿主神经递质,从而降低营养物质的生物利用率[82],比如SCFAs可以刺激肠嗜铬细胞产生5-HT,影响食欲行为,通过肠-脑轴对免疫反应产生影响[83];小鼠实验表明,肠道中产生的醋酸可以通过中枢代谢机制调节食欲[84];细菌合成的维生素,如核黄素、叶酸和钴胺素也存在于益生菌产品中,后生元也可能还保留着这些维生素,特别是维生素B对中枢神经系统有重要的作用[85]。
啮齿类动物抑郁症模型研究表明,后生元一些成分可抑制炎症反应,降低皮质酮水平,改变神经代谢产物水平,从而减轻抑郁症症状[86]。L.plantarum衍生的后生元可有效防止小鼠感染、抑制体重减轻、细菌易位和组织损伤,抑制感染引起的SCFAs的减少,显著抑制脑损伤和神经炎症,L.plantarum后生元预处理还发现了对神经活性分子的显著调节[29]。
4 结语
后生元作为一种对宿主健康有益的无生命微生物和/或其他成分的制剂,近年来其在免疫调节、抗炎、抗氧化等方面显示出了显著的生物活性和应用潜力。后生元包括有机酸、SCFAs、EPS、细菌表面蛋白等多种菌体、胞内及胞外成分,其中SCFAs、LTA、EPS等成分是目前的研究热点。除此之外,菌株类型、培养条件和灭活方式均是影响后生元成分及生物活性的重要因素,尤其是灭活方式的选择。最后,发现后生元可以通过多种途径调节免疫系统,包括促进树突状细胞和淋巴细胞的免疫反应,以及通过诱导TNF-α和IL-10的分泌来维持免疫稳态等,此外,后生元还可通过提高抗氧化性能、增强肠上皮屏障功能等机制,帮助宿主维持体内稳态,从而揭示了其在调节肠道菌群平衡、增强机体免疫力、抗炎抗菌等方面的多重功效。
近年来对于后生元的研究热点不仅关注于其免疫调控方面,还有在促进营养吸收、防治慢性疾病等方面的潜力。a)后生元在提高老年人对疫苗的免疫反应能力、缓解老年人便秘并改善消化吸收和缓解老年人肥胖、骨质疏松等慢性疾病方面展现巨大潜力;b)后生元在修复皮肤屏障、促进伤口愈合、抵御皮肤光老化和均衡皮肤菌群等方面也有应用潜力;c)后生元能改善肠易激综合征、炎症性肠病、结肠炎和便秘等肠道疾病。所以针对老年人群体的研究和产品开发、保证后生元在皮肤上的活性及稳定性,以及在预防和治疗炎症性肠病的产品研究等方面成为当前研究热点。除此之外,如何高效富集有效因子、确保后生元产品的稳定性和安全性的技术也是后生元未来研究的热点。
总之,尽管后生元在调节免疫系统方面表现出显著的潜力,但其具体的作用机制仍需进一步研究和明确。未来的研究应更加深入地探讨后生元在不同宿主中的作用机制,以及如何通过优化其制备工艺和应用策略来最大化其健康效益,并且由于后生元的来源多样且复杂,如何确保其在生产过程中的稳定性、产品质量的一致性是一个重大难题;我国目前缺乏对后生元明确的标准法规体系和监管体系,这给产业界的应用带来了诸多挑战,进而影响产品的创新和发展。随着后生元分类、成分和功效机制的进一步明确,其在食品、医药等领域的应用前景将更加广阔,为人类健康提供更多的保障。
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