山梨醇是一種天然多元醇，不易被小腸吸收，因此被廣泛用作低熱量甜味劑，如無糖口香糖、糖果和無糖飲料等，但過量攝入可導(dǎo)致滲透性腹瀉。有研究表明：攝入3克山梨醇會引發(fā)IBD（炎癥性腸病）患者的胃腸道癥狀，而攝入5克山梨醇會加重IBS（腸易激綜合征）患者的胃腸道癥狀。碳水化合物不耐通常與乳糖、果糖或山梨醇的攝入有關(guān)，影響著高收入國家30%的人口。臨床上山梨醇不耐受常歸因于吸收不良，但其潛在機(jī)制仍未明確。
為此，美國加州大學(xué)Andreas J. Bäumler 團(tuán)隊在Cell雜志上發(fā)表了一篇題為“High fat intake sustains sorbitol intolerance after antibiotic-mediated Clostridia depletion from the gut microbiota”的文章，揭示了腸道菌群介導(dǎo)山梨醇不耐受的機(jī)制，以及通過菌群干預(yù)進(jìn)行改善的可行性，并展示了通過調(diào)整腸道微生物群落來治療或預(yù)防此類不耐受的廣闊前景。
技術(shù)路線圖
抗生素與高脂飲食：延長山梨醇不耐受的聯(lián)合效應(yīng)
將C57BL/6J小鼠分為低脂飲食組和高脂飲食組，同時灌胃給予單劑量抗生素Str（鏈霉素）。研究發(fā)現(xiàn)抗生素處理與高脂飲食相結(jié)合會導(dǎo)致山梨醇不耐受的跡象，包括體重減輕、糞便含水量增加以及盲腸中山梨糖醇水平的升高。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SDH（山梨醇脫氫酶）活性降低是山梨醇不耐受的潛在生物標(biāo)志物。
圖1. 長期山梨醇不耐受的小鼠模型
梭狀芽孢桿菌：山梨醇分解代謝的基因的主要來源
通過16S rRNA測序分析發(fā)現(xiàn)，抗生素處理后和高脂飲食攝入顯著降低了梭狀芽孢桿菌（Clostridia）的相對豐度。通過宏基因組分析鑒定出421個參與碳水化合物分解代謝的基因，基因的差異豐度顯示，經(jīng)過Str處理4周后，其減少的基因比增加的基因更顯著。因山梨醇在細(xì)菌中的分解代謝有兩種途徑，一種與SDH相關(guān)，一種與山梨醇-6-磷酸2脫氫酶相關(guān)，宏基因組分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在抗生素處理前收集的樣本中，兩者的編碼reads主要均來自于梭狀芽孢桿菌，抗生素使用史和高脂肪攝入減少了梭狀芽胞桿菌的豐度，使得芽胞桿菌成為山梨醇分解代謝中最重要的基因來源。
圖2. 梭狀芽胞桿菌是山梨醇脫氫酶基因的主要來源
山梨醇分解代謝益生菌治療長期山梨醇不耐癥
通過接種大腸桿菌Nissle 1917、Anaerostipes caccae（A. caccae）和植物乳桿菌NICMB8826-R菌株發(fā)現(xiàn)，這三種益生菌都對山梨醇引起的腹瀉提供了一定程度的保護(hù)，但是只有A. caccae將糞便含水量降低到山梨醇不耐受的對照組的水平，且A. caccae促進(jìn)了梭狀芽胞桿菌豐富度的增加。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌Nissle 1917的山梨醇分解代謝與其防止長期山梨糖醇不耐受的能力有因果關(guān)系。
圖3. 山梨醇分解代謝益生菌可以防止長期的山梨醇不耐受
丁酸的益生菌治療可以促進(jìn)微生物群的恢復(fù)
丁酸是一種過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR-γ）激動劑，可維持結(jié)腸上皮缺氧，限制氧氣向腸腔擴(kuò)散。Str使用史和高脂肪攝入與盲腸丁酸濃度的顯著降低有關(guān)，接種A. caccae可提高盲腸丁酸水平。接下來，為了確定丁酸是否激活上皮PPAR-γ信號以促進(jìn)長期山梨醇不耐受小鼠的微生物群恢復(fù)，給小鼠接種了三丁酸甘油酯（TB：可在大腸中被酶裂解釋放丁酸）。結(jié)果表明，給小鼠接種TB可以恢復(fù)盲腸丁酸水平，促進(jìn)微生物群的恢復(fù)，并在補(bǔ)充山梨醇后對腹瀉產(chǎn)生抵抗力。此外，缺乏上皮細(xì)胞PPAR-γ信號的小鼠無法通過使用A. caccae或TB來保護(hù)山梨醇誘導(dǎo)的腹瀉，也無法恢復(fù)上皮缺氧。這些結(jié)果表明，宿主上皮中的PPAR-γ信號對于維持對山梨醇不耐受的保護(hù)以及丁酸的恢復(fù)和微生物群的恢復(fù)至關(guān)重要。
圖4. A. caccae恢復(fù)長期山梨醇不耐受小鼠的丁酸鹽水平和上皮缺氧
5-ASA：促進(jìn)微生物群恢復(fù)，預(yù)防山梨醇不耐受
通過在有抗生素使用史和高脂肪攝入的小鼠中添加5-ASA（5-氨基水楊酸，PPAR-γ激動劑）飲食和山梨醇，發(fā)現(xiàn)5-ASA處理可以保護(hù)小鼠免受山梨醇誘導(dǎo)的腹瀉、有助于恢復(fù)結(jié)腸上皮缺氧狀態(tài)、增加梭狀芽孢桿菌的豐度，提升盲腸丁酸水平。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，用5-ASA進(jìn)行預(yù)防，可以恢復(fù)高脂飲食中經(jīng)Str處理的小鼠中梭狀芽孢桿菌的豐度，可以防止山梨醇在盲腸內(nèi)容物中的積累，可以減少糞便含水量。因此，用5-ASA預(yù)防性激活上皮細(xì)胞PPAR-γ信號，通過促進(jìn)微生物群恢復(fù)，從而使微生物山梨醇分解代謝正常化，可防止暴露于抗生素和高脂肪攝入后長期發(fā)生山梨醇不耐受。
圖5. 5-ASA治療可防止長期山梨醇不耐受的發(fā)展
小結(jié)
本研究為山梨醇不耐受的機(jī)制提供了新的見解：抗生素合并高脂飲食誘導(dǎo)山梨醇不耐受，接種丁酸生產(chǎn)菌A. caccae可恢復(fù)正常的梭菌豐度，并通過刺激上皮過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR-γ）激動劑信號來恢復(fù)結(jié)腸上皮的缺氧狀態(tài)，從而保護(hù)小鼠免受山梨醇誘導(dǎo)的腹瀉。因此微生物對山梨醇的代謝影響可能是診斷、治療和預(yù)防山梨醇不耐受的潛在靶點。
參考文獻(xiàn)
Lee JY, Tiffany CR, Mahan SP, et al. High fat intake sustains sorbitol intolerance after antibiotic-mediated Clostridia depletion from the gut microbiota. Cell. 2024.
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