Dietary fiber selectively regulates intestinal persistence of probiotic bifidobacteria

人类肠道是一个繁忙的生态系统，居住着数万亿微小的居民，它们帮助我们消化食物、训练免疫系统并保护我们免受疾病侵害。在这些居民中，被称为双歧杆菌（bifidobacteria）的一组细菌发挥着尤为重要的作用。在母乳喂养的婴儿体内，这些微生物通常占据主导地位，依靠母乳中发现的特殊糖分茁壮成长。它们充当守护者，有助于保持肠道壁强韧并防止有害的炎症。然而，当孩子开始断奶并开始食用固体食物时，情况发生了显著变化。虽然有些人终身都保持着高水平的这些益生菌，但另一些人则几乎完全失去了它们。科学家们长期以来一直想知道为什么会发生这种情况，以及我们的饮食中是否有什么东西可以帮助这些有益的微生物在从婴儿期向成年期的过渡中生存下来。

由新泽西医学院罗格斯大学的研究人员及其他机构领导的一项新研究，发现了一个决定这些细菌留存或消失的具体饮食因素。研究人员发现，一种存在于豆类、蔬菜和全谷物中的常见纤维——被称为棉子糖（raffinose）的物质，是双歧杆菌的关键生命线。当研究人员在小鼠身上进行测试时，他们发现，从标准饮食转向简化的、缺乏纤维的饮食会导致这些细菌迅速消失。然而，在水中添加棉子糖可以让这些细菌不仅存活下来，而且茁壮成长，即使在存在其他竞争性微生物的情况下也是如此。这表明，摄取这种特定纤维的能力是让这些保护性细菌在断奶后长期留在肠道内的关键。

为了了解这些细菌的行为方式，科学家们使用了高度受控的实验设置。他们首先使用了一些本身没有肠道细菌的小鼠，即处于“无菌”状态。研究人员将单一物种的双歧杆菌——短双歧杆菌（Bifidobacterium breve）引入这些小鼠体内，以观察其生存状况。最初，这些细菌在标准的实验室饮食下蓬勃发展。但当研究人员将小鼠切换到缺乏常规食物中复杂纤维的化学定义饮食时，细菌数量骤降。这些细菌的消失并非因为缺乏铁元素，也不是因为小鼠的免疫系统，而是因为它们仅仅是耗尽了生存所需的特定食物。

研究人员随后将注意力转向了这些细菌的遗传指令。通过分析细菌在饮食切换前后的活跃基因，他们看到了一个清晰的模式。细菌开始表现出压力迹象，开启了有助于在困境中生存的基因，同时关闭了用于生长和进食的基因。这表明细菌正在挨饿。团队假设，如果他们能提供细菌缺失的特定食物，压力就会停止，种群就会恢复。他们测试了几种纤维，包括菊粉（inulin）和果胶（pectin），但这些都没有起到作用。然而，当他们在饮水中加入棉子糖时，细菌立即恢复了。它们的数量回升到了高水平，且基因中的压力信号也消失了。

这种效应并不局限于仅一种细菌。研究人员测试了其他几种在人类肠道中常见的双歧杆菌物种。他们发现，大多数物种，包括长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）和动物双歧杆菌（Bifidobacterium animalis），也可以通过棉子糖得到拯救。然而，两种物种——两歧双歧杆菌（Bifidocomium bifidum）和青春期双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis）对棉子糖的反应并不理想。通过仔细观察这些群体之间的遗传差异，科学家发现，那些无法利用棉子糖的细菌缺少或拥有损坏版本的特定蛋白质，而这些蛋白质是抓取并处理该纤维所必需的。这就像是那些能够生存下来的细菌拥有打开这一食物来源之门的正确钥匙，而其他的则没有。

真正的考验出现在研究人员引入更复杂的环境时。在人类肠道中，双歧杆菌并非单独生活；它们与数百种其他细菌物种竞争。团队创建了一个由五种不同肠道细菌组成的简化群落，并将双歧杆菌加入其中。即使在这样一个拥挤的环境中，饮食切换也会导致双歧杆菌减少。但同样，在水中添加棉子糖让双歧杆菌能够站稳脚跟并保持大量存在，而群落中的其他细菌则不受影响。这表明，这种纤维提供了一种独特的竞争优势，使双歧杆菌能够通过竞争资源来胜过邻居。

为了观察这一发现对现实世界健康的意义，研究人员模拟了断奶和成长的过程。他们选取了仅携带几种细菌类型的小鼠，并引入了来自常规小鼠的完整、复杂的肠道群落，以模拟人类儿童在成长过程中获得的微生物多样性。在这些小鼠中，在饮食改变后的通常在一两周内，双歧杆菌就会消失。但在饮用含有棉子糖水的实验组小鼠中，这些细菌得以持续存在。研究人员随后在两种疾病模型中对这些小鼠进行了测试。在一种模型中，小鼠被流感病毒感染；在另一种模型中，它们被给予一种会导致严重结肠炎症的物质。在这两种情况下，通过棉子糖补充剂维持了双歧杆菌的小鼠表现得更好。它们体重减轻较少，肺部和肠道的炎症较轻，并且比失去这些细菌的小鼠表现出更好的康复迹象。

研究还观察了细菌内部的遗传机制，以了解它们如何利用这种纤维。他们创造了缺失了参与摄取棉子糖的特定基因的突变版本细菌。当这些突变体被置于复杂的肠道环境中时，即使有棉子糖可用，它们也无法生存。这证实了细菌需要一套特定的遗传工具来处理棉子糖，并且拥有这些工具对于在拥挤的肠道中生存至关重要。

研究结果表明，这些有益细菌的长期存在不仅仅取决于早期的接触，而是通过我们的饮食来积极维持的。虽然母乳提供了最初的助力，但豆类和全谷物等日常食物中的纤维对于我们在衰老过程中维持这些微生物的生存可能是必要的。研究人员提出，特定的饮食指南（或许可以从断奶时期开始）可以帮助确保更多人在一生中保留这些保护性细菌。这可能会降低患炎症性疾病的风险并提高整体韧性。这项研究强调了简单的饮食成分与我们内部生态系统的长期健康之间的直接联系，为通过我们选择的食物来实现更好的健康提供了一条潜在路径。