合西生物丨预防和治疗缺铁性贫血的益生元、益生菌和后生元         

简介

贫血是一种红细胞数量或其中的血红蛋白浓度低于参考范围的疾病。贫血可能影响全球约1/3的人口。最常见的是缺铁性贫血。该病症会影响妇女、老年人，以及发达国家和发展中国家的儿童，导致不同程度的严重后果。铁在人体代谢过程中扮演着至关重要的角色，包括输送氧气、电子转移、氧化还原反应、激素合成和固定氮。机体中合适的铁水平的失调可能导致机体功能受损。在2016年，全球约有2.4万人死于缺铁性贫血。引起缺铁的原因可能与饮食（缺乏富含铁的食物）、铁吸收不良、慢性失血（如胃肠道失血）以及不同年龄阶段的高需求有关。铁可以从食物（如肉类或蔬菜）、药物或输血中摄取，但摄取铁的来源和类型都非常重要。帮助维持适当铁吸收和组织水平的几种机制与肠道中的共生菌有关。最常见和被广泛认可的是发酵作用，它能改善铁元素的吸收。

1.1.   益生元

根据国际益生菌和益生元科学协会（ISAPP）的当前定义，益生元是“一种被宿主微生物选择性利用并对健康产生益处的底物”。虽然大多数益生元通常基于碳水化合物，但其他物质，如多酚和多不饱和脂肪酸转化为它们相应的共轭脂肪酸，也被微生物群利用，因此可以纳入定义范围。在过去的20年中，由于研究工具的发展（如下一代测序）、对微生物群知识的扩展以及饮食、微生物和宿主系统之间的多向相互作用，益生元这一术语的范围发生了变化。益生元通常是经口给予的，但也可以直接给予肠道或身体的其他部位，如皮肤。

目前，要被归为益生元类别，产品必须抵抗水解过程、胃酸性pH、哺乳动物胃肠酶，并以未消化的形式到达结肠，被细菌发酵。此外，它还必须降低肠内容物的pH值，并刺激对宿主健康有积极影响的细菌物种的生长和活性。最为知名的益生元包括低聚糖（FOS）、半乳低聚糖（GOS）、菊糖、葡聚糖、果胶和乳果糖。益生元天然存在于食物产品中，如芦笋、大蒜、洋葱、小麦、蜂蜜、牛奶和香蕉，也可以工业生产。文献中有关利用纳米颗粒在益生元行业中的研究。研究表明，利用纳米技术使益生元以纳米益生元的形式获得新的应用，如改善药物传递和抗菌效果等。

1.2.益生菌

人类胃肠道是数以万亿计的不同微生物的栖息地，对宿主新陈代谢和多个器官的功能起着多向影响。生活在肠道中的所有微生物一起形成了一个复杂的生态系统，称为人类微生物群落。最近的许多宏基因组学研究表明，每个人的肠道微生物群由一种独特的微生物集合组成：大约150-400种细菌门，伴随着真菌、病毒和古菌。优势的细菌门包括拟杆菌门、厚壁菌门、变形菌门和放线菌门，其组成了人类微生物群落的95%。个体微生物组的具体组成在很大程度上变化，并且取决于许多因素，如宿主遗传变异、分娩方式、新生儿喂养方式、年龄、饮食、生活方式、疾病和药物。益生菌是具有对人类健康产生积极影响的活性微生物。在具有益生菌作用的多个菌群中，乳酸菌是最大的一类。数十亿的益生菌对青霉素和食品防腐剂等因素很敏感。益生菌必须通过食物和膳食补充品引入到机体中，并且其对人体机能的意义取决于正确评估的剂量，这对于达到积极效果至关重要。益生菌有几种不同的作用机制。它们可以调节肠道微生物群，与免疫系统相互作用。在临床研究中，乳酸菌和双歧杆菌等益生菌具有抗炎特性。益生菌最重要的已知作用之一是在致病微生物上起主导作用。此外，它们有助于产生短链脂肪酸（SCFA）、维生素、细菌素和胆汁酸盐的代谢。其中一些益生菌及其代谢物对铁吸收很重要，并影响贫血的进程。然而，益生菌的最终效果是与特定菌株和剂量相关的。

1.3.后生元

后生元的代谢产物具有稳定的化学结构信号分子，能够优化宿主特定的生理功能、调节、代谢和/或与宿主的内源性微生物群的活动相关的行为反应。根据国际益生菌和益生元科学协会（ISAPP）于2021年制定的新定义，后生元是指“对宿主健康有益的无生命微生物和其代谢产物的制剂”。后生元存在于所有天然发酵制品中，以及人体肠道内。最重要的后生元代谢物包括维生素、有机酸、短链脂肪酸和氨基酸，如色氨酸（Trp）等。根据微生物的类型、菌株和代谢产物，后生元的效果是非常不同的，与益生元的情况类似。后生元的益处可以是直接或间接的。直接的益处来自后生元对宿主细胞的作用。间接的益处包括在肠道内形成酸性环境或通过铁螯合配体的形成使铁吸收增加。

本文总结了关于益生元、益生菌及其代谢物（后生元）对贫血的预防和治疗，以及其对机体铁状态的作用机制的研究结果。在这篇综述中，我们主要关注缺铁性贫血（IDA），因为它是世界人口中最常见的贫血类型，也是科学家们主要研究的课题。

2. 益生元在贫血中的作用

低聚半乳糖（GOS）是一类由β(1-3)、β(1-4)和β(1-6)键连接的碳水化合物聚合物，其结构中含有半乳糖。GOS的天然来源是人乳和牛奶。GOS可溶于水，在酸性环境和高温下的稳定性取决于链的长度和键的分布。它们是由乳糖转化而来的，最常见的转化酶是β-半乳糖苷酶。据信，GOS可以增加铁的吸收。这可能是因为益生元降低结肠的pH值，增加Fe3+还原为Fe2+的能力，以及通过发酵过程增强SCFA产生，并可能促进结肠吸收面积的增加。研究表明，肯尼亚一项实验，婴儿在食用富含富马酸亚铁（FeFum）和EDTA铁钠的玉米粥中添加7.5克GOS的，其铁吸收增加了62%（与未接受GOS的组相比）（表1）。然而，另一项研究显示，在贫血或缺铁的婴儿中，添加7.5克GOS到一餐中并没有显著增加铁的吸收（表1）。研究学者比较了不同益生元和抗坏血酸含量的婴儿配方奶粉中铁的生物利用度。结果表明，益生元和抗坏血酸含量最高的牛奶具有最高的铁的生物利用度。值得注意的是，在均衡了被测试婴儿配方奶粉中的益生元含量后，没有观察到铁的生物利用度的差异。我们也知道，铁补充可能会产生胃肠道副作用。因此，值得注意的是，在铁补充期间添加GOS可以减少对肠道微生物群的破坏性影响。研究表明，在4个月大时，通过补充铁和GOS的婴儿与仅接受铁补充的组相比，拥有更多的双歧杆菌和乳酸菌，并且克罗氏菌的数量较少。此外，在铁和GOS组与未接受铁补充的对照组之间，个别细菌菌株的数量没有显著差异。还注意到，与Fe +GOS组相比，接受Fe补充的婴儿肠道脂肪酸结合蛋白的水平更高，但在GOS组和对照组之间没有显著差异。成人贫血患者的研究也证实了GOS对铁吸收的有益效果。研究表明，在缺铁的妇女中，添加GOS使来自FeFum的分数铁吸收（FIA）在单次使用水后增加了61%，在进餐后增加了28%（表1）。研究人员还检查了长期补充GOS是否会改善铁的吸收。结果显示，每天补充15克GOS四周后，未含GOS的测试膳食中来自FeFum的铁吸收没有改变。此外，GOS并未改善来自FeSO4的铁吸收，这也得到了其他研究者的证实（表1）。

（表1的具体内容未提供，只提到了研究中的一些结果和对比，无法提供具体内容。）。

低聚果糖（FOS）是一类在结肠远端发酵的低聚糖。它们在洋葱、大蒜、小麦、芦笋和香蕉中天然存在。FOS可以通过酶β-果糖苷酶的转果糖化反应，或通过菊粉水解获得。FOS在人体内对铁的吸收作用尚不清楚。更深入的研究是在大鼠上进行的。有研究FOS对贫血大鼠铁的生物利用度的影响。实验表明，添加FOS可以改善铁的生物利用度，这是通过血红蛋白和肝脏中铁储存水平来衡量的（表2）。在另一项研究中，也在患有缺铁性贫血的大鼠中，显示添加FOS的组与未添加FOS的组相比，在摄入铁缺乏饮食的大鼠中，生物利用度略有改善。另一方面，在摄入铁含量适当的饮食组中，添加FOS并没有改变铁的生物利用度。此外，研究表明，FOS可以预防全部切除胃的大鼠的贫血发生（表2）。研究观察了短链FOS和菊粉对大鼠切除胃的贫血发生的影响（表2）。结果显示，补充FOS的组的血红蛋白和血细胞比容值显著高于对照组和补充菊粉的组。同样的学者还研究了FOS增加铁吸收的机制是否与大肠的吸收有关。为此，将一组大鼠分为胃切除后、盲肠切除后和同时切除胃和盲肠后的亚组，其中每个组的一半被喂养富含FOS的饮食。结果观察到添加益生元明显预防了红细胞比容和血红蛋白的降低，但在同时切除胃和盲肠的大鼠组中，FOS预防贫血的能力显著降低。这证明在胃切除大鼠中，FOS通过在大肠中发挥作用来预防贫血。

菊糖是另一种属于低聚糖类的益生元。食物来源包括朝鲜蓟、芦笋、香蕉、洋葱、大蒜、小麦、菊苣和蘑菇。菊糖补充剂能够改善放疗后的粪便一致性和丁酸数量增加。研究观察到，在为期45天，每周五次补充铁、锌、铜、维生素A、维生素C和菊糖的儿童中，血红蛋白、血细胞比容、MCV、MCH和铁蛋白的值有所改善。学者认为其中一个原因可能是添加了菊糖。然而，在贫血病例中，并不是所有研究都证实了菊糖在增加铁吸收方面的作用。研究表明，将20克菊糖每天三次补充4周给贫血妇女并没有增加铁的吸收（表1）。菊糖对动物铁吸收的影响也进行过研究。研究表明，将菊糖添加到给大鼠灌胃的Fe2(SO4)3中可以增加铁的生物利用度，长链菊糖的效果最显著（表2）。另有研究也证明了摄入菊糖后大鼠肠道中铁吸收的增加效应（表2）。

果胶是最常见的植物细胞壁多糖之一。它是一种水溶性纤维，其结构含有半乳糖酸。果胶的类型根据酯化度而异。在食物中，柑橘、苹果、李子、梨以及蔬菜、豆类和坚果中都含有果胶。目前只有少数研究评估了果胶对铁吸收的影响。一项研究评估了不同酯化度的5克果胶对健康女性体内5毫克FeSO4的铁吸收的影响。根据果胶酯化度的不同并没有明显差异。在另一项研究中，同一个研究者在禁食的女性中发现，250毫克果胶的剂量对铁的生物利用度没有影响。研究表明，向婴儿奶粉中添加果胶会降低铁的生物利用度，并且低酯化度果胶相对于高酯化度果胶的效应更大。此外，研究显示了果胶对铁的生物利用度的影响。试验观察到，在贫血大鼠组中，高酯化度和低分子量果胶的添加与对照组相比，与更高的血红蛋白再生效率、血细胞比容值、血清铁水平和转铁蛋白饱和度。

表1：益生元在人体贫血中的研究总结

表2：益生元在动物贫血中的研究总结

FIA - 铁吸收率，FS - 硫酸亚铁，FP - 磷酸铁，Ht - 血细胞比容，Hb - 血红蛋白浓度，HRE - 血红蛋白再生效率，SI - 血清铁，UIBC - 非饱和铁结合能力，Hb-Fe - 血红蛋白铁，抗坏血酸（AA），RAF - Raftilose，YF - 尤加利粉，GX - 胃切除术，CX - 盲肠切除术，GCX - 胃切除术和盲肠切除术，MCHC - 平均红细胞血红蛋白浓度，DE - 酯化度，HP菊糖 - 高性能菊糖，MW - 分子量，MCHC - 平均红细胞血红蛋白浓度，TIBC - 总铁结合能力。

3. 缺铁性贫血中的益生菌

许多研究显示肠道微生物群与缺铁有关。众所周知，缺铁对肠道微生物群的组成和对肠道感染的易感性有影响。此外，已有一些研究记录了益生菌对铁吸收的积极影响。研究显示了植物乳杆菌299v对预防缺铁性贫血的积极影响。这株菌株改善了高加索欧洲人的非血红蛋白铁吸收能力。研究结果描述了植物乳杆菌299v与蔗糖、铁和维生素C联合使用在缺铁预防和治疗中的附加效应。在这项研究中，一个组只接受维生素C和铁，而第二组则额外摄取植物乳杆菌。研究结束时，第二组的铁血液水平较高，因为铁吸收增加。植物乳杆菌299v在数项研究中受到关注，这些研究聚焦于不同类型的缺铁症。还有研究表明，植物乳杆菌299v与梨联合使用可增强铁的吸收。他们发现增加益生菌剂量对血红蛋白和血细胞比容没有明显影响。有研究报告称，在需要额外铁补充的人群中，使用植物乳杆菌299v与餐食一起摄取可增强铁的生物利用度。

缺铁研究还关注其他潜在有益的益生菌类型，如乳杆菌或嗜酸乳杆菌。实验证明，乳杆菌进入肠上皮细胞，并通过铁氧化物纳米颗粒释放铁，从而获得足够的铁水平。这两者的合作是增加铁吸收的一种新方法。此外，研究显示，嗜酸乳杆菌的使用可以增加肠道细胞中铁蛋白的形成。

试验分析了益生菌菌株在预防缺铁方面的机制。与其他益生菌的使用相比，植物乳杆菌299v显著增强了铁吸收过程。这个过程可能是通过免疫调节、抗炎反应、通过还原三价铁形成易吸收的二价铁，并增强肠上皮细胞对铁的摄取能力来实现的。

但并非所有的研究都报道了益生菌对铁状况的积极影响。有研究在儿童群体中使用植物乳杆菌299v，发现仅接受铁补充治疗的缺铁性贫血患儿与接受益生菌治疗的患儿之间的铁蛋白水平没有显著差异。总结了有关益生菌的研究如表3所示。

表3. 评估贫血中益生菌的研究。

4. 代谢型后生元在贫血中的作用

4.1. 维生素

贫血过程中的重要维生素，也可以被归类为后生元的是叶酸（FA）。叶酸在DNA的合成、甲基化和修复中起重要作用，也被称为一种抗氧化剂。FA是氨基酸、嘌呤和胸腺嘧啶的合成的辅酶。FA缺乏会导致生长停滞和贫血。在食物中，我们可以在深绿色蔬菜、牛肉、鸡蛋和全谷物中找到FA，另外FA也可以由肠道细菌合成。对人类来说，每日对FA的需求完全可以通过饮食或补充实现。包括在肠道内寄生的细菌在内的很多物种都具有从头合成FA的能力，例如大肠杆菌、嗜酸乳酸杆菌和双歧杆菌。高水平合成的菌株有双歧杆菌(Bifidobacteriumbifidum)和婴儿双歧杆菌亚种(Bifidobacterium longum subsp.infantis)，低水平合成叶酸的菌株有短双歧杆菌(Bifidobacterium breve)、长双歧杆菌亚种(Bifidobacterium longum subsp. longum)和青少年双歧杆菌(Bifidobacterium adolescentis)。研究证实，被这三个双歧杆菌属（A组P = 0.004，B组P < 0.001，C组P =0.049）菌群寄生的患者在粪便中叶酸水平较高。乳酸杆菌是另一常见的人类肠道共生菌群，最近已被研究为叶酸的潜在生产者。乳酸杆菌属已成功用于叶酸丰富的发酵乳制品的生产。在食物中添加嗜酸乳酸杆菌与较高水平的维生素B12和叶酸血清（后生元）（P < 0.05）以及较低的贫血患病率（P < 0.01）相关。

4.2. 短链脂肪酸

短链脂肪酸（SCFAs）是膳食纤维、抗性淀粉和非淀粉多糖（NSPs）在人体肠道中的发酵产物。SCFA的组成是多变的，取决于微生物群落和底物的可利用性。主要的SCFA有乙酸（AA）、丙酸（PA）和丁酸（BA）。SCFA几乎在肠道的各个部位产生，但主要在大肠的近端部位。SCFA作为有机酸能够降低肠道的pH值。一方面，它们改善了金属的生物利用度，并形成了一道保护屏障，防止致病微生物的定植。另一方面，肠道的酸化可能会损伤肠道细胞。

SCFA，如丁酸、丙酸和乙酸被认为是铁吸收的介质。在动物研究中，SCFA与贫血的关系存在矛盾的数据。研究发现，贫血小鼠的所有SCFA浓度增加，但在另一项研究中，贫铁大鼠肠道中产生SCFA的细菌如罗氏菌属、真杆菌属群的数量减少；丙酸和丁酸也减少，因此可能存在物种差异。在患有缺铁性贫血的婴儿中，发现了丁酸产生菌种，如罗氏菌属、粪球菌属和丁酸球菌属的相对丰度的降低，但粪便中的丁酸水平没有变化。丙酸和丁酸已经被证实在体外可以增加缺氧诱导因子2α（HIF2α）的RNA水平，并抑制HIF2α的活性。HIF2α是一种转录因子，调节十二指肠中铁的吸收。HIF2α影响调节铁吸收的三个关键基因：铁转运蛋白、二价金属转运蛋白1和十二指肠细胞色素b。总之，铁缺乏贫血期间SCFA的增加似乎可以改善铁的吸收。

4.3. 天门冬胺酸

天门冬胺酸（Trp）是八种外源氨基酸之一，在蛋白质合成中起作用。人体肠道中的天门冬胺酸代谢通过三个主要途径进行：（1）肠道微生物直接代谢，（2）宿主细胞中的酮喹啉途径，以及（3）酶转化为5-羟色胺（5-HT）。天门冬胺酸在肠道的代谢调节了可利用的天门冬胺酸总量，影响着5-羟色胺系统和免疫系统。酮喹啉途径作为天门冬胺酸分解的主要途径，越来越受到关注，因为它的失调与炎症、肿瘤增殖、神经退行性疾病和抑郁症有关。天门冬胺酸的可用性和代谢被报道与吸收不良（如果糖吸收不良综合征）和情绪障碍有关。升高的吲哚胺2,3-双加氧酶活性以及增加的天门冬胺酸降解被认为参与了血红蛋白水平下降和贫血的发展。研究表明，血清中天门冬胺酸水平降低与更低的血红蛋白值相关。同时，天门冬胺酸的10%增加与血红蛋白水平增加1.59%相关。天门冬胺酸的可用性是蛋白质合成和细胞生长的限制因素，对造血也很重要。目前的数据显示，血清中的天门冬胺酸水平与铁储备蛋白铁蛋白相关（p = 0.038，r = 0.100）。天门冬胺酸的10%增加与铁蛋白的6.45%增加相关。该研究发现，贫血患者的血清中天门冬胺酸水平较低，而天门冬胺酸降解速率增加。

促炎细胞因子γ干扰素（INF-gamma）和肿瘤坏死因子α（TNF-alpha），以及吲哚胺2,3-双加氧酶酶参与天门冬胺酸的分解，抑制了造血。因此，天门冬胺酸分解为酮喹啉加剧了炎症，导致这种必需氨基酸的缺乏。与此同时，血清中的天门冬胺酸倾向于共价结合到白蛋白上。由于白蛋白是一种负反应期蛋白，它还会降低天门冬胺酸水平。

此外，一些研究表明，在与益生菌相关的发酵食物或饮料中，乳酸发酵还可能对铁的生物利用度产生积极影响。例如，一项实验中动物模型中显示，与益生菌相关的发酵乳饮料增加了大鼠对铁的吸收。研究人员在人体试验中报告称，与膳食一起使用乳酸发酵蔬菜可以增加铁的生物利用度。作者使用了植物乳杆菌的培养物进行蔬菜发酵，并将其添加到膳食中。他们发现，与新鲜蔬菜相比，乳酸发酵蔬菜加入膳食后人体中的铁吸收增加。同样，学者在他们的体外研究中使用植物乳杆菌培养物对高粱和莧菜进行发酵，发现由这些谷物制成的非酒精饮料铁的生物可获得性增加。表4中总结了与后生元质相关的研究。

表4. 评估贫血后生元的研究。

5. 总结

最常见的缺铁性贫血 (IDA) 影响全球超过20亿人口。但是，IDA很容易通过饮食和药物治疗。目前已知，益生菌，尤其是富含铁的GOS，能够显著改善患者的健康和铁状况，另外，肠道益生菌植物乳杆菌299v能够改善铁的吸收，预防贫血。后生元里的SCFA，在维持铁含量中发挥着最明确的作用。后者通过酸化作用，并介导铁的运输。通过与益生菌发酵导致的体外酸化也能改善铁的吸收。总之，益生元、益生菌和后生元影响人体对铁的吸收和状况，应在缺铁性贫血的整体治疗中予以考虑。