腸道益生菌

血液腫瘤科/細胞治療中心 陳駿逸醫師   隨著科技的進步，以及對於腸道菌群與食物之間相互營養關係的理解，含益生菌的食品補充劑正逐漸為大眾廣泛接受。益生菌食品是新型功能性食品開發、蓬勃發展的領域。   各種動植物來源的食品基質，正被用作益生菌的潛在載體。下圖簡要展示了益生菌的食品補充劑的分類。   長期以來，乳製品一直被認為是益生菌最有效的載體。然而，近年來消費者的消費觀念發生了轉變，轉向以植物和肉類為基礎的益生菌的食品補充劑。這種轉變促使人們除了乳製品之外，還開發了許多其他類型益生菌的食品補充劑。   益生菌的食品補充劑的類型 動物來源性食品 動物性食品包括源自動物的食品，例如:肉類、蛋類、牛奶、優格等。 1.1 肉類製品 肉製品的益生菌食品補充劑是肉品產業中一個相對較新、且未被充分重視的領域。毫無疑問，肉類基質，尤其是香腸、薩拉米香腸等發酵產品，由於很少加熱，非常適合微生物菌叢的生長和存活。這些益生菌的食品補充劑產品的技術，挑戰在於因為醃製鹽、香料和其他微生物群的濃度較高、酸性環境以及水活性降低，微生物菌叢可能會失去活性或被殺死。此外，益生菌的食品補充劑所添加的微生物必須能夠耐受發酵的過程，並且能夠在胃中的酸性環境中存活下來。發酵的香腸被認為是益生菌的良好轉運體，因為脂肪分子對低 pH 值和膽汁具有保護作用。   1.2乳製品 優格、冰淇淋、起司、牛奶是世界各地常用來益生菌的乳製品食品補充劑。除了提供基本營養外，乳製品益生菌的食品補充劑還具有多種生理益處。

血液腫瘤科/細胞治療中心 陳駿逸醫師   近年來，益生菌相關實驗的宣傳和認知日益理性，並在市場上獲得了更廣泛的認可。隨著現代科學研究對人體微生物組的深入了解，新的益生菌類群得以鑑定，即為下一代益生菌，這促使人們研究更廣泛的人體微生物組，並鑑定其潛在的健康益處。   從鑑定新的微生物組到將其轉化為具有商業和經濟可行性的益生菌是一項極具挑戰性的任務，需要深入研究其生長培養基和環境條件的要求，並規範發酵和生產過程。首先，在開發新型益生菌的產品時，應注意新菌種的安全性，並對其進行完整的表徵分析。隨著技術的進步，應該開發更少偏差、更可重複的實驗方案，良好的統計設計和分析，對於任何微生物組研究都至關重要。   近年來，「組學」研究技術已徹底改變了益生菌從鑑定到工業生產的整個鏈。如上所述，益生菌的工業化生產是一項具有挑戰性的任務，從選擇合適的菌株、優化 pH 值、包封和微膠囊化培養物以獲得更好的存活率、評估益生菌細胞對食品感官特性的影響開始，每一步都需要標準化，而標準化會因菌株而異，並且取決於其商業需求。   菌株選擇是一項重要的標準，因此應檢查其體外生物學功能，即敏感性、穩定性、對消化系統酶的抵抗力。食品基質的選擇以及對成分或添加劑的影響，也會對益生菌的生長產生重大影響。包裝前加熱至 45°C 以上會破壞部分益生菌群，可透過在巴氏殺菌後添加培養物，實現無菌包裝來解決此問題。   近年來，有報告指出果汁是益生菌的潛在培養基，但由於有機酸的存在，在低 pH 值下維持益生菌的活力和活性是一個主要缺點。然而建議添加乳酸菌可在一定程度上解決這個問題。儲存溫度會對益生菌微生物的活力產生負面影響，可透過微膠囊化方法解決此問題。建議微膠囊化可透過創造有利的厭氧條件，使益生菌免受外部環境波動的影響。

血液腫瘤科/細胞治療中心 陳駿逸醫師   益生菌能夠增強人類的免疫系統，因為這些菌株參與了產生免疫調節化合物的製造，例如:抗體、細胞激素、介白素和淋巴細胞。   當病原體入侵宿主時，益生菌微生物會與腸道上皮細胞相互作用，觸發腸道中趨化激素和細胞激素的製造。   宿主的腸道細胞黏膜內壁會產生IgA抗體，這是宿主對抗病原體的一種防禦機制。此外，目前發現過敏性疾病的中期之IgE抗體水平會下降，從而表明了益生菌在調節免疫系統和相關疾病方面的重要地位。   口服補充益生菌與恢復正常發炎反應、緩解抗氧化的活性、控制大腦對感覺和情緒的敏感性以及降低焦慮程度有關。這些效應源自於人體腸道內益生菌與中樞神經系統之間的相互作用（也就是腸腦軸），這種相互作用會影響促發炎和抗炎細胞激素的釋放。   此外，乳酸桿菌和雙歧桿菌的菌株具有調控中樞神經系統的神經傳導物質-γ-氨基丁酸 (GABA) 和乙醯膽鹼）的潛力 。因此，益生菌被認為是治療各種神經發育障礙的可能之新型治療劑。   腸道菌群會透過製造代謝產物（例如:細菌素、代謝酶、胺基酸和胜肽、短鏈脂肪酸、維生素、抗氧化劑、抗發炎和免疫調節劑以及胞外多醣）等來增強腸道的生理功能，從而帶來對健康的益處。  

血液腫瘤科/細胞治療中心 陳駿逸醫師   人們對大腸桿菌和枯草桿菌等菌株所產生的核黃素(Riboflavin)，進行了廣泛的研究。核黃素是消化系統更有效率地吸收鐵和吡哆醇所必需的。   Riboflavin作為輔酶黃素單核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸的前體，在多種生物氧化和還原反應中發揮關鍵作用。   益生菌代謝後釋放的維生素代謝物的作用機制   核黃素的濃度會因為乳製品加工製程的不同而改變。研究發現在發酵乳製品生產過程中，加入不同的菌株會導致核黃素濃度的增加或是降低。此外，雙歧乳酸桿菌被認為是維生素B群的來源，尤其是吡哆醇(pyridoxine)和硫胺素( thiamine)，它們對維持宿主的腸道健康至關重要。   葉酸屬於B群維生素，僅可由植物乳酸桿菌大量製造產出。葉酸是細菌代謝所必需的維生素之一。葉酸參與多種代謝的功能，例如:核苷酸的合成、DNA的複製和修復。參與細菌代謝和葉酸生物合成的基因已被鑑定為乳酸乳球菌MG1363中的葉酸基因組。目前尚無這些代謝物的直接合成途徑。然而，這會導致不同代謝物的釋放，例如:莽草酸和分支酸，它們則是葉酸合成的前驅物。  

各種益生菌菌株都能夠大量合成胞外多醣，其中僅由乳酸桿菌產生的胞外多醣近年來已獲得GRAS（一般認為是安全的）認證。胞外多醣是由醣核苷酸前體在酵素的作用下所產生的。這些高分子量的碳水化合物成分可以被蛋白質、磷脂質以及一些非碳水化合物成分取代。   益生菌胞外多醣的合成可以透過兩種不同的方式進行，例如:胞外的生物合成途徑和胞內生物合成途徑。Homopolysaccharides經由胞外的生物合成途徑合成，而heteropolysaccharides則經由胞內和胞外的途徑所合成。   在胞外生物合成途徑中，糖分子單體被釋放到細菌的細胞外，然後在糖基轉移酶的作用下，在細胞外聚合，從而合成胞外多醣的聚合物。例如，蔗糖在細菌細胞內還原為葡萄糖和果糖，然後釋放到細胞外進行進一步的酶解。這些殘基隨後在葡聚醣蔗糖酶和果聚醣蔗糖酶的作用下發生聚合，分別轉化為葡聚醣和果聚醣。   在胞內的生物合成途徑中，聚合物在細胞內會進行必要的修飾。糖殘基被轉運到細胞內，轉化為各種單體單元，這些單體單元部分聚合，然後附著在脂質載體膜上，即類異戊二烯。修飾後，單體被釋放到細胞外，並組裝成多醣體。合成的雜多醣相對複雜，其活性取決於多種因素，如酵素、載體和由染色體或質粒來源的基因編碼的轉運蛋白。   寡糖被認為是益生菌的食物來源，從而支持其生長、並調節各種生物活性代謝物的產生。這些寡糖以不可消化的交聯聚合物形式存在於植物中，其差異體現在所連接的單體單元數量和糖基部分的類型上。   一些可用的寡糖包括菊糖、葡萄糖寡糖、寡糖和木寡糖。葡萄糖寡糖對腫瘤的發展具有保護作用。此外，半乳寡糖具有通便的作用，可減輕便秘和腸躁症（尤其是在老年人中）引起的嚴重症狀。   寡糖被認為是益生菌的食物來源，從而支持其生長並調節各種生物活性代謝物的產生。這些寡糖以不可消化的交聯聚合物形式存在於植物中，其差異體現在所連接的單體單元數量和糖基部分的類型上。  

血液腫瘤科/細胞治療中心 陳駿逸醫師     人體缺乏某些複合性碳水化合物的消化酶，導致部分碳水化合物無法被消化。這個問題可以透過攝取益生菌來解決，益生菌富含有能夠發酵這些未消化碳水化合物的酵素。   在發酵過程中，複合糖會被轉化為一系列短鏈脂肪酸 (Short chain fatty acids/SCFA)、氣體（如甲烷、二氧化碳和氫氣）和能量。因此，宿主細胞獲得了抗菌的活性，並同時利用釋放的能量完成各種代謝的活動。這種發酵反應貢獻了每日 10% 的熱量需求。   其中丁酸鹽(Butyrate)是主要的短鏈脂肪酸，大約佔能量的 60% 至 70%，因此被認為是大腦、結腸和肌肉細胞的燃料來源。此外，這些短鏈脂肪酸在治療抗生素相關腹瀉、大腸癌、發炎性腸道疾病和心臟病等疾病方面也表現出有益作用。   通常，這些化合物稱為揮發性脂肪酸，由 1 至 6 個碳原子的陰離子組成，其中乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽的產生比例較大。雖然短鏈脂肪酸可以從各種來源直接獲得，但其主要來源仍然是腸道中複合碳水化合物所發酵。   根據飲食性質、腸道微生物種群密度和結腸中的轉運時間，腸道中 短鏈脂肪酸 的產量約為每天 500 至 600 mmol。當與唾液乳酸桿菌的亞種 Salicinius等菌株一起施用時，丙酸鹽和丁酸鹽形式的短鏈脂肪酸產量則會顯著增加。此外，益生菌與不同菌株（如:鼠李糖乳酸桿菌）的組合，便可產生大量的短鏈脂肪酸。  

血液腫瘤科/細胞治療中心 陳駿逸醫師   益生菌在宿主細胞的腸道中發酵蛋白質，有助於產生小胜肽、氨基酸、內酯和吲哚，從而改善宿主在各個方面的健康狀況。首先，這些胺基酸透過在發酵過程中誘導所合成的短鏈脂肪酸和其他代謝物（如:吲哚和酚）來發揮作用。   這些代謝產物有助於能量的維持平衡，並增強宿主細胞對各種病原體入侵的抵抗力。其次，胺基酸及其衍生物能夠控制脂質和碳水化合物的代謝。因此，食品和乳製品中使用的許多合成香料，都來自蛋胺酸、苯丙胺酸、蘇胺酸和其他的支鏈胺基酸。最後，這些胺基酸有助於控制各種疾病，例如:D-色氨酸作為一種免疫調節化合物，可以降低過敏反應引起的過度活動。   維生素是人類生長發育所必需的一類物質。由於人類無法合成維生素，因此需要透過飲食來提供，否則可能導致某些類型的維生素缺乏症。益生菌可被視為人類補充維生素的天然平台，從乳製品、動植物產品、胃腸道等分離出來的大多數微生物，都能產生不同的維生素。   我們對大腸桿菌和枯草桿菌等菌株中核黃素的產生進行了廣泛的研究。核黃素是消化系統更好地吸收鐵和吡哆醇所必需的。它還在多種生物氧化和還原反應中作為輔酶黃素單核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸的前體發揮關鍵作用。核黃素的濃度會因加工技術的變化而變化，暗示乳製品的加工過程存在差異。   研究發現，在發酵乳製品生產過程中，不同菌株的加入會導致其含量增加或減少。此外，雙歧桿菌被認為是B群維生素的來源，尤其是吡哆醇和硫胺素，這些維生素是維持宿主腸道健康所必需的 ，葉酸屬於B群維生素，僅可由植物乳桿菌大量地去生產。

血液腫瘤科/細胞治療中心 陳駿逸醫師   益生菌能夠在宿主腸道內合成具有生物活性的代謝物，從而幫助我們創造一個能夠消滅潛在致病微生物的身體環境，並增強宿主對有害細菌入侵的抵抗力，從而促進益生菌的生長。   益生菌誘導的免疫調節複合物，可以透過核因子κB(NFKB)和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)等多重途徑，促進不同細胞的分泌。此外，益生菌還能促進免疫細胞的分化，並將免疫細胞釋放到宿主體內。   腸道益生菌菌株，例如:雙歧乳酸桿菌、長雙歧乳酸桿菌、嗜酸乳酸桿菌、乾酪乳酸桿菌、植物乳酸桿菌、鼠李糖乳酸桿菌和布拉氏酵母菌，能夠產生一系列的生物活性代謝物，包括蛋白質、碳水化合物、維生素、酵素、寡糖、胞外多醣、短鏈脂肪酸、細菌素和免疫調節化合物。因此，腸道菌叢被人類認為是一種新興獨特治療化合物的來源，可以用於對抗肥胖、微生物感染、代謝失調和宿主免疫相關問題。   下圖展示了益生菌菌株產生的各種生物活性代謝產物，我們將在以下內容中詳細介紹。   益生菌菌株釋出的各種生物活性代謝物。   細菌素(Bacteriocins)是由腸道環境中的有益菌所合成的異質性、低分子量的多胜肽（由20-60個胺基酸殘基組成）。革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌都能夠產生這些抗菌的化合物，阻止病原微生物入侵宿主的腸道，進而幫助益生菌建立特定的生態。   每種細菌素在大小、結構、抗菌效力、免疫機制和目標細胞受體方面均具有獨特性。它們無毒性且活性譜較窄。細菌素通常表現有所不同，既可以作為定植肽，也可以作為抗菌（殺死）肽或信號肽。   來自乳酸桿菌的細菌素因為無毒性且安全可靠，引起了食品技術專家的關注，可以用來防止食源性革蘭氏陽性致病菌所造成的食品腐敗。根據所使用的劑量、純化程度、標靶細胞的生理狀態和實驗條件，這些細菌素既可以用來殺菌，也可以抑制細菌。這些作用是因為它們能夠與目標細胞受體結合，從而誘導孔隙的形成、細胞 DNA 的降解，以及抑制肽聚醣(peptidoglycan)的合成。此外，細菌素也可作為抗生素替代品或補充劑。   除了幾種益生菌菌株外，乳酸桿菌、乳球菌、明串珠菌、片球菌和腸球菌都能夠合成大多數不同的細菌素。這些抗菌肽是無色、無臭、無味。這些化合物可以依照其分子量、敏感性、熱穩定性、翻譯後修飾和作用機制分為不同的類別:

血液腫瘤科/細胞治療中心 陳駿逸醫師   腸道疾病與腸道菌群有著最直接的關係。中藥可以透過作用於腸道菌群，在各種腸道疾病的治療中扮演關鍵的角色。   大腸激躁症 (簡稱IBS) 是一種功能性腸道疾病，其特徵是排便時或排便習慣改變時，且會反覆腹痛。影響大腸激躁症 發生的因素包括腸道菌叢改變、腸道通透性、腸道免疫功能、內臟高敏感性、腦腸軸作用、心理狀態。   一項統合分析顯示，與對照組相比，大腸激躁症患者的腸桿菌、乳酸桿菌和擬桿菌的數量會增加，而糞桿菌和雙歧桿菌數量則是顯著減少。痛瀉要方在中醫中被認為是治療肝脾失調腹瀉的主要藥物。研究發現中藥方劑之痛瀉要方透過調節腸道菌群來降低腹瀉型大腸激躁症患者的血清素水平。與對照組相比，大腸激躁症患者的的厚壁菌門與擬桿菌門的比例會升高，而使用痛瀉要方治療後厚壁菌門與擬桿菌門的比例會因此降低。最近的研究表明，厚壁菌門與擬桿菌門的比例與大腸激躁症的發生發展密切相關。   痛瀉要方治療還能降低梭菌（Clostridium）的豐度。在腸道中，膽酸經由梭菌的7α脫羥基酶活性轉化為脫氧膽酸，而脫氧膽酸可以增加結腸血清素的合成。此外，痛瀉要方治療能夠顯著增加AKK菌的相對豐度，但AKK菌大腸激躁症中的作用機轉尚不清楚。   另一項研究表明，烏雞丸（一種中藥方劑）透過促進腸粘膜杯狀細胞增殖，改善腸粘膜屏障，緩解大腸激躁症之腹瀉和結腸蠕動紊亂症狀。研究結果表明，大腸激躁症的大鼠體內AKK菌的豐度，會比正常大鼠低20倍，而接受烏雞丸治療後，AKK菌的豐度則會高出234倍。腸粘膜層作為腸道內容物與黏膜表面之間的潤滑劑和生理屏障，大量的AKK菌在維持黏膜層的完整性方面發揮了關鍵作用。然而，烏雞丸促進其生長的機制尚不清楚，有待進一步研究。  

血液腫瘤科/細胞治療中心 陳駿逸醫師   腸道疾病與腸道菌群有著最直接的關係。中藥可以透過作用於腸道菌群，在各種腸道疾病的治療中扮演關鍵的角色。   大腸激躁症 (簡稱IBS) 是一種功能性腸道疾病，其特徵是排便時或排便習慣改變時，且會反覆腹痛。影響大腸激躁症 發生的因素包括腸道菌叢改變、腸道通透性、腸道免疫功能、內臟高敏感性、腦腸軸作用、心理狀態。   一項統合分析顯示，與對照組相比，大腸激躁症患者的腸桿菌、乳酸桿菌和擬桿菌的數量會增加，而糞桿菌和雙歧桿菌數量則是顯著減少。痛瀉要方在中醫中被認為是治療肝脾失調腹瀉的主要藥物。研究發現中藥方劑之痛瀉要方透過調節腸道菌群來降低腹瀉型大腸激躁症患者的血清素水平。與對照組相比，大腸激躁症患者的的厚壁菌門與擬桿菌門的比例會升高，而使用痛瀉要方治療後厚壁菌門與擬桿菌門的比例會因此降低。最近的研究表明，厚壁菌門與擬桿菌門的比例與大腸激躁症的發生發展密切相關。   痛瀉要方治療還能降低梭菌（Clostridium）的豐度。在腸道中，膽酸經由梭菌的7α脫羥基酶活性轉化為脫氧膽酸，而脫氧膽酸可以增加結腸血清素的合成。此外，痛瀉要方治療能夠顯著增加AKK菌的相對豐度，但AKK菌大腸激躁症中的作用機轉尚不清楚。   另一項研究表明，烏雞丸（一種中藥方劑）透過促進腸粘膜杯狀細胞增殖，改善腸粘膜屏障，緩解大腸激躁症之腹瀉和結腸蠕動紊亂症狀。研究結果表明，大腸激躁症的大鼠體內AKK菌的豐度，會比正常大鼠低20倍，而接受烏雞丸治療後，AKK菌的豐度則會高出234倍。腸粘膜層作為腸道內容物與黏膜表面之間的潤滑劑和生理屏障，大量的AKK菌在維持黏膜層的完整性方面發揮了關鍵作用。然而，烏雞丸促進其生長的機制尚不清楚，有待進一步研究。