自然醫學：一文讀透食用益生菌的適應證和潛在作用機制

編者按：

益生菌產品廣受歡迎，然而益生菌的功效卻無定論。當前，關於益生菌的適應證和作用機制存在許多爭議。益生菌究竟對哪些疾病具有預防和治療效果？益生菌的功效是否依賴於成功定植？

今天，我們特別編譯以色列魏茨曼科學研究院 Eran Elinav 和 Eran Segal 團隊發表於

Nature Medicine

雜誌上關於食用益生菌的文章。該文綜述了食用益生菌對 5 種疾病的治療有效性以及益生菌發揮作用的潛在機制，並討論了當前益生菌所面臨的挑戰和解決措施等問題。希望本文能夠為相關的產業人士和諸位讀者帶來一些幫助和啟發。

① 益生菌的進展和障礙

幾個世紀以來，人們一直都很關注口服微生物的健康益處。“益生菌”一詞首次出現於 1974 年，其定義經過多番修訂逐漸演變為目前的通用定義，即：當適當給予時，對宿主健康有益的活的微生物。該定義由世界糧農組織/世界衛生組織於 2002 年提出［1］。

如今，益生菌已經發展為一個持續增長、規模超過數十億美元［2］的產業，是全世界最常用的膳食補充劑之一［3］。在許多常見食品中都可以看到益生菌身影，比如酸奶、乳酪、冰淇淋、零食和營養棒、早餐穀物和嬰兒配方食品等。益生菌甚至還被應用於化妝品中，並且可以以膠囊藥片的形式銷售［4］。此外，益生菌的應用得到了臨床醫生（尤其是腸胃科醫生）的廣泛支援［6］。

儘管益生菌很受歡迎，但是幾十年來關於益生菌在治療和預防疾病方面的功效研究資料往往指向不同的結論，在許多情況下都存在矛盾、爭論和困惑。

此外，歐洲食品安全域性［7］（European food Safety Authority）和美國食品藥品監督管理局［8］（ US Food and Drug Administration）等主要醫療監管機構尚未批准任何益生菌製劑作為治療疾病的藥物。

因此，益生菌作為膳食補充劑進行銷售時，往往考慮的是安全性、在胃腸道中的生存能力以及對食物味道沒有影響等特性，而不是明確的健康促進作用［9］。這種混亂的狀態亟需強有力的證據來證明益生菌對人類的益處和不利影響［10］。

因此，本文將重點討論當前益生菌研究取得的進展和侷限性，綜述現有研究資料分析所面臨的挑戰，並提出可能解決上述問題的策略和方法，以及將益生菌的研究轉變為可重複和高普適性且可測量的方法。

在本文中，非處方微生物干預措施都將被稱為益生菌，無論其益處和有效性如何。值得一提的是，本文不包括針對各種醫學適應證、非商業化的“下一代”微生物治療方法，即活體生物藥［11］。

本文會透過介紹一些經典研究案例，來討論以下問題：評估益生菌健康益處研究的證據力度和臨床解釋方面的“已知”和未知挑戰，可能的益生菌作用機制以及上述機制是否需要有效的腸道定植，益生菌與腸道菌群間的相互作用，安全性，以及未來研究方向。

② 臨床療效

幾十年來，科學家、食品和製藥企業對益生菌與人類健康間的關係進行了廣泛的研究，形成了諸多關於益生菌具有預防疾病和治療疾病的健康主張，如預防或治療急性、抗生素相關和艱難梭菌相關性腹瀉；改善炎症性腸病和腸易激綜合徵（IBS）； 降低新生兒遲發性敗血症和壞死性小腸結腸炎的風險。此外，還有包括消除幽門螺桿菌、減少呼吸道感染的發生率和嚴重程度、改善抑鬱症、預防或治療特應性皮炎以及減少與心血管疾病相關的危險因素［10］等健康宣告。

但是，比較遺憾的是，儘管與上述健康聲稱相關的某些臨床試驗方法學質量和有效性［12~16］均較高，但是也有很多采用了類似研究方法卻得出了陰性或者相反結論的研究，從而導致了矛盾、模糊不清和存有爭議的局面。

出現上述令人困惑的情況，主要是以下事實導致的：益生菌臨床試驗的許多資料屬於經驗性臨床資料，在資料收集方法、臨床結局終點和分析方法嚴謹性方面均有一定差異性。很多研究報告使用的是定性研究方法，自報“幸福感”相關引數，如情緒或社交情況［17，18］。其他研究者採用了一些臨床意義有限的量化標記物，例如健康個體中炎症標記物 C 反應蛋白（CRP）顯著降低［19］，或葡萄糖耐受個體在葡萄糖刺激後胰高血糖素樣肽1（GLP-1）升高［20］。

同樣，在這些研究中所應用的系統分析方法也各不相同，包括細胞培養、體外研究、動物模型和人體研究（可能是觀察性，也可能是隨機安慰劑對照試驗）。此外，即使在高質量的隨機對照研究中，不同研究中得到的益生菌作用也可能是相互矛盾的［21，22］。

導致益生菌研究結論矛盾的另一個原因是菌株。目前，益生菌工業中最常使用的微生物包括乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬，此外，乳球菌屬、嗜熱鏈球菌、大腸桿菌屬 Nissle 1917 和布拉迪酵母也是常用微生物［23］。

雖然多種益生菌屬和菌種某些與健康相關的作用機制是相同的（如膽鹽水解酶的產生）［24］，但其他特性可能是菌種，甚至是菌株特異性的，或者可能需要不同菌株之間的相互作用。

為了抵消上述方法學和結果分析方法的侷限性，克服以上發現的不足，研究人員和臨床醫生常採用系統綜述和薈萃分析的形式，對多種結果進行整合。使用這些工具在揭示總體趨勢方面可能非常有用。

但是，它很容易受到各個分析步驟［25］中可能引入的偏差的影響，例如納入足以改變綜述結論的異常結果、實驗結果模稜兩可或者缺乏實際結果的研究。特別是，關於益生菌的薈萃分析，有時傾向於在同一個框架下對各種不相關的微生物進行分組研究，從而導致對結果的過度或錯誤解讀［26，27］。因此，即使是相似主題的薈萃分析，也有可能得出彼此矛盾的結論［28，29］。

因此，我們認為，薈萃分析可以作為高質量、大規模、多中心、隨機對照臨床試驗的有效補充，但是不能完全替代臨床試驗。

此外，與動物模型不同，人類在飲食、年齡範圍、遺傳背景和腸道菌群結構方面具有高度異質性，因此對同一干預措施可能有不同的反應。事實上，多項益生菌相關研究表明精確性的重要性，因為結果差異性往往與宿主及其微生物組或飲食相關因素相關（見圖 1）。在後文中，我們會進一步討論益生菌在腸道內的定植程度具有較大的個體差異性的問題，而這可能也是導致益生菌對宿主和/或腸道菌群影響不同的原因。

最後，許多益生菌研究是由益生菌商業企業或與之密切相關的專業團隊發起、資助和支援的［30］。雖然這一現實本身並不一定影響此類研究的有效性，但有必要透過非利益性的科學和醫學機構開展的研究，對益生菌功效作用進行獨立性驗證。

圖1。益生菌的精準性

③ 疾病1：急性胃腸炎

人們認為益生菌可有效預防或治療多種兒童或成人胃腸道疾病，主要是針對急性腹瀉。多項薈萃分析和系統綜述結果表明，某些製劑特別是包含布拉酵母菌［32］、鼠李糖乳桿菌 GG（LGG）［33］和乳桿菌屬內其他菌株［34］的製劑，可能會減輕兒童的急性腹瀉並將其疾病發作持續時間縮短約 1 天。同時，已有研究證明益生菌可有效預防和治療成人急性腹瀉。此外，有研究表明多種製劑，特別是包含布拉酵母菌和鼠李糖乳桿菌的製劑，均可有效改善健康兒童［35］、成人［36，37］和住院患者的［38］抗生素相關性腹瀉症狀。

相反，其他研究和薈萃分析結果顯示，益生菌在預防兒童［39］、成人［21］和老年人［37，40］的腹瀉功效方面表現出不同的結果。

值得注意的是，最近兩項高質量、大規模、多中心、隨機安慰劑對照試驗，對 1800 例急診科急性腸胃炎兒童進行鼠李糖乳桿菌（LGG 或 R0011），新增或不新增瑞士乳桿菌 R0052 的干預試驗，結果並未表現出明顯的臨床益處。

一項針對 4，000 多名兒童進行的早期薈萃分析結果表明，急性胃腸炎相關證據質量均較低，這導致了臨床管理指南中未納入益生菌作為治療手段［44］。而另一項研究仍主張使用鼠李糖乳桿菌和布拉酵母菌，儘管這些建議所依據的證據質量比較低。

雖然科學研究結果尚存在爭議，但許多人罹患腸胃炎時，會選擇服用含有益生菌的“功能性食品”，進行“自我治療”［46］。

④ 疾病2艱難梭菌相關性腹瀉

住院患者接受抗生素治療後，腸道菌群受損，這為艱難梭狀芽孢桿菌在腸道進行繁殖提供了機會，並可能會導致不同嚴重程度的疾病，從輕度腹瀉到威脅生命的假膜性結腸炎。

多項薈萃分析顯示，口服益生菌具有有益效果：預防艱難梭菌感染或與其相關疾病的發病率［47］，尤其是在暴露於抗生素的情況下［48］。

2017 年對 8，672 例病例進行的薈萃分析（包括不同益生菌菌株、年齡、劑量和給藥時間），發現了對於接受抗生素治療的患者進行益生菌干預可預防艱難梭菌相關性腹瀉（CDAD）的中度有益證據。但是需要注意的是，試驗之間存在相當大的異質性，並且事後分析結果表明，在低和中等風險水平艱難梭菌相關性腹瀉患者中，益生菌並無產生明顯影響［49］。

另一項薈萃分析結果顯示，在多種益生菌菌株中，只有布拉酵母菌對艱難梭菌有效［50］。然而，另有研究指出，布拉酵母菌可有效降低兒童罹患艱難梭菌相關性腹瀉的風險，但是對成人無效，不過該研究的證據質量較低［52］。

進一步對上述薈萃分析中納入的各項研究進行分析，結果發現大多數試驗中安慰劑對照組和實驗組，在試驗期間未發現艱難梭菌感染（8 個試驗）或發病率較低。大多數研究（34 個試驗）並未得出益生菌的不同菌株具有明顯改善艱難梭菌相關性腹瀉或艱難梭菌感染的作用。

可能的原因是，這些研究在艱難梭菌低發病風險的情況下，本身沒有足夠的力度來證明益生菌干預與療效有關。但是兩項以艱難梭菌高發病風險人群為物件的隨機對照試驗，包括迄今為止最大的益生菌試驗，在實驗組和安慰劑對照組之間都並未發現明顯的差異［40，53］。

因此，只有一小部分研究證據支援益生菌對艱難梭菌相關性腹瀉具有預防作用［16，38，54~57］，其中有兩項是未經同行評審的會議摘要［58，59］。 儘管在大多數研究中安慰劑對照組艱難梭菌發病率非常高，並觀察到一些有益的效果［16，38，54，55，57］，但其他研究（艱難梭菌相關性腹瀉發生率較低）的結果發現益生菌預防艱難梭菌相關性腹瀉的證據水平較低［30，60］。

總之，不同佇列研究中發生艱難梭菌相關性腹瀉風險不同，對探究了不同益生菌菌株（包括真菌和細菌）的研究進行薈萃分析的研究［61］，或可有效解釋導致研究結果差異性的原因。

⑤ 疾病3：腸易激綜合徵和消化系統不適

腸易激綜合徵（Irritable bowel syndrome，IBS）是一種常見的、臨床表現複雜的疾病，病因不明。對 IBS 干預措施改善效果進行評估的試驗常常受到限制，這主要是因為該疾病是由主觀標準定義的。因此，最重要的是確保益生菌對IBS症狀的緩解不等於或低於安慰劑［62］。

最近的一項薈萃分析表明，益生菌可能對治療 IBS 症狀有效［63］，但應注意的是，沒有一種單菌株製劑被證明可有效緩解腹痛、腹脹或脹氣。 即使在益生菌組合中，一些被發現可有效減少症狀持續時間和腹痛評分，而另一些則無效。此處強調了菌株對疾病結果的重要影響。另外，對 9 篇系統綜述和 35 篇 RCT 研究進行的薈萃分析，結果並未發現各種益生菌菌株具有治療 IBS 症狀功效的證據［64］。

⑥ 疾病4：新生兒敗血症

益生菌的另一個潛在功效是預防新生兒遲發性敗血症和/或壞死性小腸結腸炎（Necrotizing Enterocolitis ，NEC，一種主要影響早產兒的腸胃炎）。動物模型和人類細胞培養實驗表明，針對 NEC 的保護機制可能涉及抗病原體的粘膜保護，以及某些益生菌菌株（例如 LGG）誘導的先天免疫和腸道上皮細胞成熟，導致炎症反應的減弱［67，68］。

此外，最近發表的一項大型RCT研究也證實了上述研究結果，即對印度農村的母乳餵養嬰兒（n = 4，556）口服植物乳桿菌 PP 11-217 和益生元低聚果糖混合物，具有預防新生兒敗血症和死亡的保護作用［12］。

但是，在英國一項對 1，310 名極早產兒進行的干預試驗中，在餵養嬰兒的配方食品中添加了短雙歧桿菌 BBG-001，結果發現對預防 NEC 或敗血症沒有顯著作用［69］。

2014 年，Cochrane 釋出了一份評估報告（包括 5，000 多名嬰兒），其中未包括上述兩項研究。評估報告指出，對早產兒進行單獨的乳桿菌干預，或乳酸桿菌與雙歧桿菌聯合干預，可有效降低早產兒［70 ］NEC 的發生率和死亡率，但對醫院感染性敗血症無效。

另一項系統評價和薈萃分析研究結果顯示，益生菌發揮預防早產兒敗血症有效作用的前提有兩個：益生菌菌株的聯合使用（與單一菌株相比）和純母乳餵養［71］。兩項薈萃分析報告顯示，益生菌對預防極低出生體重嬰兒 NEC［72］或敗血症［73］發病風險無統計學意義。

因此，即使是在這種應用前景比較大的適應症中，依然需要確保足夠的精確度，包括干預方式（如菌株組成、劑量、給藥方式和益生元的新增方式）和患者（如與出生體重、微生物暴露相關環境因素和飲食等）。需要強調的是，關於益生菌對內源性腸道菌群及其對腸道免疫、代謝和組織器官［74］的長期影響，值得進一步深入研究。

⑦ 疾病5：急性呼吸道感染

多項系統評價和薈萃分析表明，益生菌可以有效降低兒童、成人、老年人甚至運動員［75，76］罹患普通感冒、呼吸道感染和流感樣症狀的嚴重程度、持續時間和發病率。 然而，在這些薈萃分析中，證據質量評級為低或非常低。此外，關於各項研究之間治療效果的異質性具有重要影響。

一項納入了兒童和成人的薈萃研究結果顯示，益生菌可以降低兒童和成人呼吸道感染的嚴重程度和持續時間，但不能降低其發生率［77］。

造成研究結果差異性的原因，主要源於主觀判斷或間接性感染評估方式（如自我報告），或者是根據抗生素治療持續時間或缺勤天數來推斷疾病持續時間［75，82］。此外，差異性的原因還包括，治療組研究物件基線水平不同（如年齡、先前感染的次數［82］）、無明確臨床或生物學依據的二次抽樣［83，84］，薈萃分析中無法解釋排除試驗標準［75］，以及儘管存在違反常理的劑量-反應關係，但仍將療效歸因於治療［84］。

在因果關係上，非常需要直觀的資料依據，來說明在胃腸道中定植的益生菌可以影響遠端器官疾病的機理。

⑧ 腸道定植

關於益生菌作用機理，一個未解決問題是，給予的益生菌是否能夠在宿主胃腸道粘膜表面穩定或短暫地定植，以及它們的定植對宿主產生有益影響是否必要。益生菌菌株與腸上皮層的接觸，對實現宿主-微生物相互作用可能至關重要，例如接觸依賴性的免疫調節［85，86］，有效濃度的代謝產物分泌［87］和粘液層的改變［88］。 這場長達數十年的辯論，由兩個與定植有關的問題組成，下面將分別進行討論。

1.補充過程中的腸道粘膜定植

在進食期間補充益生菌，菌群會在腸道粘膜上定植嗎？令人驚訝的是，直到最近，這一極其重要的課題才在人類身上得到全面的直接探討。

大多數關於益生菌定植的說法，都是透過對糞便中益生菌菌種丰度的評估推斷出來的，而沒有直接檢查這是否真的反映了它們的定植能力，還是僅僅是微生物透過胃腸道直接排洩到了糞便中［89］。與糞便評估一樣，由於在體外環境中缺乏大量的宿主和微生物因素，在體外實驗中益生菌粘附在人胃腸道細胞上的研究［90，91］，對於體內定植來說可能並不是最佳證明。

在少數試驗中可以透過內窺鏡檢查對粘膜益生菌定植直接定量，包括人群試驗［92~95］和豬動物實驗［96，97］。其中一些研究表明，在補充期間甚至在補充益生菌之後，可以從受試物件的胃腸道器官中分離出益生菌，而其他研究則顯示出高度有限的和可變的定植模式，且僅在少數受試個體中可以觀察到［98~101］。

值得注意的是，在上述研究中，透過培養或 16S rDNA 技術對益生菌定植情況進行評估，大大限制了補充的益生菌菌株和與益生菌密切相關且屬於同一物種和/或屬的內源性共生菌的可分辨性（見 Box1）。

利用結腸鏡檢查和胃鏡檢查技術，對食用 11 種益生菌菌株（屬於 4 種應用廣泛益生菌屬）的受試者進行菌種和菌株敏感性的宏基因組學評估［89］，結果發現食用益生菌菌株後，約 60%個體粘膜出現相關益生菌；使用超靈敏 qPCR 測定結果發現，其餘 40%受試者細菌定植抗性相近。

粘膜結合程度與糞便中益生菌菌株的丰度無關，但可以透過宿主和菌群因素的基線水平組合來預測，這凸顯了個性化益生菌的潛在未來前景。有趣的是，將“抗性”或“可定植”人群糞便菌群移植到無菌（GF）小鼠中，再現了供體對益生菌定植的易感性，表明存在優勢菌群介導的定植抗性機制［89］。

非定植依賴性益生菌可能對宿主有影響，如對食物消化的影響，但需要實驗證據。鑑於此，在上述研究［89］中，即便是在積極補充益生菌期間，“抗性”個體腸腔［102］中依然未檢測到益生菌菌株，這表明暫時和/或持續定植的粘膜相關益生菌可能是腸腔細菌的重要貯藏庫。

2.補充後益生菌在腸粘膜的永續性

停止食用後，益生菌是否仍會在腸道粘膜上持續定植？即使在允許定植的個體中，益生菌的定植是否在補充停止後持續，仍然不清楚。

在餵食含有 5 種益生菌菌株的發酵乳製品（FMP）的大鼠實驗中，發現在餵食期間所有大鼠糞便中都檢測到補充的菌株，但只有一部分大鼠在補充停止後 2 天，繼續檢測到這些菌株（5 種益生菌菌株中的一種，為乳酸乳球菌 CNCM I-1631）。將可定植和抗性大鼠的腸道菌群移植到無菌大鼠中，可以重複供體的定植性［103］。

在接受益生菌補充劑的人群中，有研究報告顯示，與其他菌種干預實驗相比 ［113］，隨著飲食中嬰兒雙歧桿菌 35624［104］、動物雙歧桿菌乳酸菌 Bb-12［105］、嗜酸乳桿菌 R52［106］、乾酪乳桿菌 DN-114 001［107］、約翰遜乳桿菌 La1［101，108］、植物乳桿菌299v［109］、羅伊氏乳桿菌 DSM17938［110，111］、鼠李糖乳桿菌（LGG，R11，19070-2）［100，106，111］和唾液乳桿菌 CECT5713［112］等干預期的結束，糞便中益生菌含量水平也逐漸降低。但是，在大多數研究中，干預結束後隨訪時間僅持續了 1～2 周。

在長時間隨訪研究中得到的結果表明，存在菌株和個體特有的持久變異性。停止益生菌干預後兩個月，十個人中只有一位受試者體內檢測到鼠李糖乳桿菌［114］；然而服用長雙歧桿菌 AH1206 的消費者中，在停止益生菌服用 6 個月後，依然有近 1/3 受試者糞便中檢測到了益生菌菌株［115］。

對攝入同時添加了上述 5 種菌株的發酵乳產品後，研究發現停止干預後五週，糞便樣品中僅檢測到乳酸桿菌 CNCM I-1631，同時只有一部分個體在補充前菌群組成不同於非攜帶者［103］。

Box 1 | 益生菌研究相關微生物組學分析策略

微生物組學研究領域的進展，為益生菌與常駐微生物群落之間的相互作用提供了一個全新的解決方案，同時可有效避免以往方法的侷限性和差異性，以解決出現相互矛盾結果的局面。

造成這種混亂局面的主要原因是，對“微生物組改變”的定義很寬泛。大多數研究都是利用糞便樣本中的 16S rDNA 相對丰度（RA），來評估益生菌對菌群的調節作用。當補充的益生菌隨糞便排洩後，其相對丰度（RA）的增加，有時可能是由於其他群落成員［206］的相對丰度（而非絕對丰度）降低導致的，但卻被錯誤地解釋為菌群改變［207］。同樣，熱滅活細菌的引入，有助於將其遺傳物質新增到樣本中，從而影響相對丰度［208］。

因此，干預益生菌菌株的相對丰度的升高，不應解釋為對微生物組的有益作用［209］。

基於 16S rDNA 分析的另一個重要侷限性在於，無法對干預益生菌菌株和同一物種內源性菌株進行區分，導致補充菌株丰度相對增加，此現象可能會被誤當作內源性菌株恢復［209］。利用培養技術或物種特異性探針技術［211］，透過對益生菌絕對丰度的測量，可有效避免上述問題，同時還可探究補充性益生菌菌株的變異情況［212］。

但是與 16S rDNA 分析技術不同，培養技術或物種特異性探針技術無法對益生菌干預前和干預後的菌群構型、β 多樣性和 α 多樣性等整體變化情況進行描述分析。然而宏基因組測序技術得出的結果也有可能是相互矛盾的［213，214］，儘管它具有菌株級解析度優勢，可有效鑑定益生菌對微生物組功能的潛在作用。

有趣的是，一些研究報告了益生菌相關的基因、途徑或微生物代謝物對微生物組功能的影響，儘管微生物組的功能性改變可能是補充益生菌菌株的基因產物導致的，而不是微生物群落改變的結果［115，215，216］。

另一個限制因素是人們對 “健康微生物組”的定義（益生菌可能是該定義的一部分）。這一定義即使在評估與益生菌相關的微生物組調節作用研究時，也無法達成相關共識。而且在多數情況下，益生菌引起的微生物組變化的報道也相互矛盾。

例如，產氣莢膜梭菌［208，211，212］或大腸埃希氏菌［212，217，218］以及各種臨床環境［174］都屬於這種情況。舉個例子，在炎症性腸病患者中發現，糞便中益生菌相關性產丁酸鹽性細菌（主要是梭狀芽孢桿菌）相對丰度增加，嗜雙歧桿菌和對羥基苯甲酸桿菌相對丰度降低。在另一項益生菌（

B。wadsworthia

）干預佇列（n=107）研究中，得到了相似的實驗結果，實驗物件臨床症狀得到明顯改善［202］。然而，該研究結果並未在 RCT（n=55）研究［219］中得到復現。

重要的是，即使益生菌干預與菌群變化具有相關關係，也需要注意這些變化可能源於疾病本身的調控作用，而非源於對益生菌的暴露。迄今為止，尚未有研究證明益生菌相關微生物組調節與疾病表型變化具有直接因果關係。

圖 2。 益生菌與宿主及其微生物組之間的機制相互作用。

⑨ 作用機制

研究人員認為，益生菌的有益作用是透過多種機制實現的，包括誘導免疫調節、生理應激保護、抑制病原體、調節微生物組以及改善腸上皮的屏障功能（見圖 2）。

這些機制研究往往受限於以下幾個方面：對細胞培養系統的依賴性太重，往往會忽略胃腸道粘膜微生態環境中微生物與微生物、微生物與宿主之間相互作用的生理性線索。因此，這些實驗往往無法在體內實驗中復現。

另一個侷限性源於，外源性“人類相容性”益生菌在小鼠胃腸粘膜中的定植能力比在人體內定植能力差［89，116］。

宿主之間的差異性可能在功能性上有一定的意義，因為與自身攜帶菌群的小鼠相比，給小鼠移植人類菌群，會對宿主免疫系統［117，118］或宿主代謝組［119］產生明顯不同的效果。

值得注意的是，一些益生菌特性同時具有菌種和菌屬差異，如雙歧桿菌和乳酸桿菌都會產生 β-半乳糖苷酶，可以彌補乳糖酶功能不足［120，121］。而其他性狀可能是由菌種特異性［122］或菌株特異性［123］引起的，或者是益生菌菌株之間的相互作用［124］，還需要進一步討論。

⑩ 潛在作用機制1免疫調節

多項研究表明，益生菌可影響免疫相關基因的表達、抗炎途徑活性和免疫標記物水平，透過調節腸上皮細胞 NF-κB、促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）、Akt（也稱為磷酸肌醇-3-激酶，PI3K），過氧化物酶體增殖物啟用受體-γ、CRP、白介素（IL-6、IL-8）、腫瘤壞死因子 TNF-α、IL-1β 和干擾素 γ（IFN-γ）調節作用［125］等多種依賴於接觸的機制。

有趣的是，在一些研究中發現，活菌和死菌對基因表達有不同的影響。結果表明，微生物細胞表面和活性分泌分子都可能影響腸道轉錄組［126］。

關於益生菌對宿主免疫影響的其他示例包括：乳酸桿菌介導的 toll 樣受體 2（TLR2），透過脂磷壁酸（LTA）［127］對 TNF-α 分泌的依賴性刺激；長雙歧桿菌介導的接觸依賴性 IL-10 分泌［128］；類胰蛋白酶依賴的雙歧桿菌菌毛引起的 TNF-α 反應［90］；長雙歧桿菌 36524 中的細胞表面胞外多糖（sEPS）調節腸道和肺中的促炎細胞因子和輔助性 T 細胞 17（TH17）反應［129］；鼠李糖乳桿菌中的免疫刺激細胞表面附屬物（SpaCBA）的介導作用（體外）——與人腸粘液的結合以及 TNF-α、IL-6、IL-10 和 IL-12 的 TLR2 依賴性調節［130］。

體內作用機制的其他示例還包括：LGG 誘導活性氧的產生，以及隨後透過 SpaC 介導的腸上皮粘附作用［131］，以抑制 TNF-α 誘導的腸 NF-κB 活化作用；唾液乳桿菌 Ls33（不是嗜酸乳桿菌 NCFM）的肽聚糖，以核苷酸結合寡聚化結構域（NOD2）–IL-10-依賴性的方式，保護小鼠免受化學性結腸炎的侵害［122］；嗜酸乳桿菌 L-92 與 microfold 細胞（M細胞）結合，引發其表面蛋白 A（SlpA）的免疫調節作用［132］；嬰兒芽孢桿菌 35624 誘導人 TLR2 依賴性 T 調節細胞［133］；動物乳桿菌 Bb-12 誘導 IgA 的分泌［134，135］。

綜上所述，多數研究均表明，宿主細胞和益生菌之間需要有一定的物理接觸或接近，以發揮促炎和抗炎反應的潛在誘導作用，這突出了益生菌干預環境的重要性。在定植的個體中觀察到以上變化的臨床結果，無論是否有益，都值得進一步人體試驗研究。

⑪ 潛在作用機制2對病原體的防禦作用

有人認為益生菌主要是透過附著在上皮細胞和物理阻斷病原體的粘附能力，來抑制病原體的定植。上述理論也在細胞培養［136］，和在小鼠體內檢測沙門氏菌和嗜酸乳桿菌 LAP5 或發酵乳桿菌 LF33 ［137］的實驗中有所體現。

嗜酸乳桿菌 A4 可以透過上調粘蛋白 2（MUC2）、IL-8、IL-1β 和 TNF-α 表達水平，來拮抗大腸桿菌 O157：H7 對腸上皮細胞的粘附作用［138］。有研究顯示，多種雙歧桿菌屬菌株可在體內產生乙酸鹽，透過調節環境酸度等相關作用機制，從而抑制產生志賀毒素的大腸桿菌 O157：H7 的表達［137］。多種乳酸菌可以產生細菌素，從而發揮抗菌活性作用［140］。例如，唾液乳桿菌 UCC118 產生的 Abp118 細菌素，可保護小鼠免受單核細胞增生李斯特菌感染［141］。

其他作用機制可能涉及細菌群體感應（Quorum Sensing，QS）的中斷。例如，嗜酸乳桿菌 La-5 在體外抑制了大腸桿菌 O157：H7 的自誘導因子-2（AI-2）和某些毒力因子的表達［142］；嗜酸乳桿菌 GP1B 在體外抑制了艱難梭菌的自誘導因子-2（AI-2）活性，對感染艱難梭菌的小鼠施用嗜酸乳桿菌 GP1B，可明顯提高其存活率［143］；羅伊氏乳桿菌 RC-14 產生介體因子，透過干擾金黃色葡萄球菌細菌群體感應，從而抑制其毒力（包括毒性休克綜合徵毒素-1 的表達）［144］。

重要的是，QS 分子的產生和對 QS 訊號產生響應，是病原菌和共生菌共有的特徵［145］。因此，體內 QS 訊號的複雜程度和響應者的丰度，可能與體外實驗有所差別［146］。此外，QS 甚至可以抑制體內共生細菌［147］的生長。

⑫ 潛在作用機制3改善屏障功能

關於益生菌改善腸道屏障功能潛在的機制作用已被提出，並在其他文獻中作了綜述［148］。主要包括上調緊密連線（TJ）蛋白（包括 claudin-1，occludin 和 ZO-1）表達水平、改善跨上皮電阻（TEER）、促進粘液分泌（透過上調結腸上皮細胞中 MUC2，MUC3 和 MUC1 表達水平）、促進丁酸鹽分泌以及對菌群組成的調節。

上述作用可能是透過介導區域性代謝產物的分泌來完成的。例如，植物乳桿菌產生的羥基-順式-12-十八碳烯酸（HYA），已被證明可透過 G-蛋白偶聯受體（GPR）-40-絲裂原活化蛋白激酶（MEK）-細胞外訊號調節激酶（ERK）［149］途徑調節 TNF 受體 2 的表達，抑制緊密連線蛋白的通透性以及 IFN-γ 和 TNF-α 誘導的 occludin、ZO-1 和 claudin-1 的下調。

特應性皮炎小鼠模型的研究表明，HYA 可降低小鼠面板 TNF-α 水平和增加 claudin-1 水平［150］，並透過 GPR40 依賴性方式，改善病原體誘導的牙齦上皮屏障受損［151］。

有學者認為，從 LGG 中純化的兩種分泌蛋白（分別稱為 p40 和 p75），可透過抑制細胞因子誘導的上皮細胞凋亡，來維持腸上皮的內穩態［152］。

其他作用機制可能需要直接粘附在細胞粘膜上，如乳酸桿菌菌株在 HT29 細胞［153］中誘導的 MUC3 表達，以及在 Caco-2 細胞［88］中誘導 MUC2 表達。對於粘附性的需求，可能解釋了為什麼在體內補充普通商用 VSL#3 益生菌混合物，會導致關於增加粘蛋白分泌能力相互矛盾的結果。

需要強調的是，當研究人員試圖在臨床試驗中驗證上述研究發現時，往往無法得出定論。在某些試驗中，可以觀察到益生菌對多種潛在疾病具有明顯的改善作用［156~158］，而在其他試驗［159~162］中則未觀察到任何有益作用。這些差異是否代表了早期研究不重視益生菌的定植作用，仍有待確認。

⑬ 益生菌作用的其他機制

商用益生菌的先決條件之一是抵抗膽汁鹽介導的生長抑制。例如，乳酸桿菌和雙歧桿菌透過產生膽鹽水解酶（BSH）來抵抗膽汁。其中膽鹽水解酶可從類固醇核心基團上解離釋放出甘氨酸或牛磺酸［24］。膽鹽水解酶的活性與機體的有益代謝作用有關，包括減少小鼠體重增加、降低血漿膽固醇和肝臟甘油三酯水平［163］，還可以降低人體膽固醇水平［164］。然而，膽汁酸的解離，可能導致機體對膳食脂肪的消化不良和膽結石的形成以及葡萄糖耐量降低［165］。

有學者提出，益生菌可透過腸-腦軸中樞神經系統訊號傳導，幫助宿主抵抗焦慮、抑鬱和傷害等作用［166］。餵食鼠李糖乳桿菌 JB-1 的小鼠，其大腦中 γ-氨基丁酸 A 受體（GABA-A）和 γ-氨基丁酸 B 受體（GABA-B）mRNA 的表達出現特定區域性變化，這可能與皮質酮對應激和焦慮相關行為的反應減弱有關，在迷走神經切斷的動物中未觀察到［167］相關變化。

儘管如此，同樣的菌株對調節人類壓力和認知能力則無效［168］。在小鼠實驗中（即將益生菌移植到無菌小鼠中），母體高脂肪飲食會導致母鼠和子代腸道菌群失調，並且造成子代社會行為異常。

用羅伊氏乳桿菌 ATCC PTA 6475（注意：不是約翰遜氏乳桿菌 ATCC 33200）對高脂肪飲食母體進行干預，結果顯示其可恢復母體降低的室旁核催產素水平，並有效改善社交行為［169］。在大鼠實驗中發現，羅伊氏乳桿菌 DSM 17938 還可能以瞬時受體電位類香草素 1（TRPV1）依賴性的方式［170］，表現出抗傷害作用。同時，在大鼠實驗中還發現，嗜酸乳桿菌 NCFM 可誘導腸道上皮細胞中 μ 阿片受體和大麻素受體的表達，發揮鎮痛作用［171］。

需要注意的是，正如最近有關益生菌對焦慮影響的薈萃分析結果一樣［172］，在動物模型中產生的明顯健康效應，不一定能轉化為人類健康益處。因此，儘管有研究表明益生菌具有顯著影響腸腦軸的潛在作用，但是人們還未發現其中關鍵作用分子，如何將動物模型中的有益發現轉化為對人類有效的治療方法至關重要。

⑭ 與宿主內源性微生物組的相互作用

雖然益生菌對宿主的影響，不一定與宿主內源性微生物組的相互作用有關，但是益生菌的引入通常與“有助於調節腸道菌群組成和恢復腸道菌群失調”等健康聲稱相關聯——既可以作為機體自身菌群健康的有利因素，也可以作為益生菌保護宿主免受疾病侵害的機制［1］。

儘管如此，益生菌對健康人群腸道菌群能發揮多大的調節作用（如果有的話）仍然存在爭議。2015 年的一項系統性綜述突出強調了這一點，該綜述報告的 7 項研究中有 6 項研究缺乏益生菌對宿主菌群影響的證據［173］。另一項更早的系統性綜述，對不同試驗中所使用的益生菌進行了分析，發現其中只有 21%發生了菌群的改變［174］。需要注意的是，對宿主菌群的假定影響可能源於分析偏差（見 box 1），而表徵益生菌對胃腸道菌群原位影響的試驗很少（見 box 2）。

可能影響益生菌調節微生物組能力的一個重要決定因素，就是採取益生菌干預之前，腸道的內源性微生物環境可能具有較大的個體差異性。抗生素對微生物組［175］具有極大的干擾性，可以減輕對益生菌［116］和病原菌［176］的定植抗性。在使用抗生素情況下，認為益生菌會佔據空置的生態位，並可防止病原體定植和與抗生素相關的腹瀉［35］，或糾正與抗生素相關的營養不良［1］。

但是，支援益生菌在抗生素干擾後，可促進腸道微生物組重建的能力的證據，通常是基於細菌培養物或特異性熒光原位雜交或 qPCR 探針。它們只能代表干擾微生物組的極小一部分，即使使用這種方法，研究結果中所發現的菌群失調修復作用可能依然是片面的［177，178］或作用甚微［179］，並備受爭議［174］。

綜上所述，除了干預菌株、劑量和持續時間或微生物組分析方法［173，174，180］，食用期間益生菌菌株本身可能會短暫存在之外，大多數研究不支援益生菌在組成或功能上具有微生物組調控作用。在報告益生菌相關微生物組改變的研究中，很難指出常見的微生物變化模式是什麼。儘管有些研究報道了微生物組改變與健康促進作用是同時發生的，但沒有一項研究顯示出兩者之間具有因果關係。因此，迄今為止還不可能先驗地宣稱這種微生物組改變是有益的。

Box 2 | 量化益生菌對胃腸道微生物組的影響

儘管糞便樣本可能無法準確代表胃腸粘膜粘附的微生物組［220］，但只有少數研究表徵了益生菌對腸道微生物組的原位影響。

對接受植物乳桿菌 299v 菌株干預的個體（n=29）進行菌株培養實驗，研究結果表明，糞便樣本中梭狀芽胞桿菌呈現富集現象，但直腸或升結腸粘膜中梭狀芽胞桿菌並未出現富集現象［99］。同樣，透過與自身基線水平或對照組個體相比，接受益生菌干預人群下消化道管腔或粘膜上微生物組成，並未發生明顯的改變［89］。

在大鼠中，VSL#3 加劇了與化學性結腸炎誘導相關的管腔菌群物種多樣性的減少，但對粘膜相關微生物組無明顯影響［221］。相反，在結腸炎相關結直腸癌的小鼠模型（經偶氮甲烷處理的 II10-/-小鼠）中，補充 VSL#3 導致變形桿菌的粘膜擴張和疣狀芽胞桿菌科、卟啉菌科和梭狀芽胞桿菌的減少，這些變化會促進腫瘤的發生發展［222］。

在罹患貯袋炎患者中，也觀察到了益生菌相關微生物調節作用的相互矛盾性結果，儘管研究中相關變化僅僅是由於將 VSL#3 引入生態位導致的［223］。

⑮ 安全性

雖然益生菌在治療或預防疾病作用功效的爭論持續了數十年，但通常認為人類補充益生菌是安全的，同時大多數益生菌菌株獲得了監管機構的安全性認可［181］。這一安全性認可，主要是基於食品中益生菌的安全使用歷史和臨床試驗中觀察到健康療效，而不是以安全性為主要指標的觀察結果［4］。

雖然益生菌在健康成人中的應用可能是安全的，但在嬰兒［182］和極低出生體重新生兒［183］中使用益生菌，可能會增加感染和/或死亡風險；在重症監護病房的重症成年和嬰兒以及術後、住院或免疫功能低下患者，感染和/或死亡風險增加的部分原因可能是菌血症和真菌感染［35，184~186］。

儘管如此，除了益生菌菌株本身作為病原體引起的血液感染試驗之外，益生菌使用與感染風險增加之間的這種因果關係仍有待驗證。值得注意的是，對數百項益生菌試驗進行的兩項大規模系統綜述結論發現，關於不良事件和安全性問題報道並不多［187，188］，在此呼籲開展非行業贊助、獨立、高質量、多中心對照試驗，來完成對負面臨床療效的評估以及對上述高危人群不利影響的評估，最好結合監管機構的評估［189］。

有趣的是，對人類個體進行抗生素治療後，益生菌菌株在結腸的定植增加，與長期持續的益生菌誘導性菌群失調相關［116］。與未進行抗生素干預組相比，糞便和胃腸道粘膜菌群重建程序出現顯著延遲。干預性乳酸桿菌菌株所分泌的可溶性因子，可直接抑制（至少在體外）人類菌群的生長［116］。

另外兩項實驗也得出了相似的結論。與未進行益生菌治療組相比，對個體進行抗生素治療後，益生菌補充與腸道微生物組中觀察到的物種數量相關［190，191］；另外一項研究結果［192］顯示，與安慰劑組相比，益生菌對抗生素治療後微生物群 α 和 β 多樣性沒有顯著影響。

值得注意的是，在使用抗生素時，抑制菌群重建，可能會對健康產生長期顯著的影響。長期菌群失調可能阻礙菌群對致病性真菌的定植抗性，這可能可以解釋，採用抗生素治療後個體使用益生菌和傳染病風險增加間的關係［35，183，185，193~195］，如 1 型和 2 型糖尿病、肥胖症、特發性關節炎、哮喘、過敏和炎症性腸病［176］。

基於上述研究的觀察結果，我們認為，在未來的臨床試驗中，為了更好地評估益生菌對兒童、免疫缺陷患者和危重患者食用益生菌的安全性，關注益生菌的長期作用效果是至關重要的。

表1。 益生菌研究領域注意事項及相關解決方案

⑯ 未來發展方向

益生菌研究資料、個人立場、證據強度、直觀感覺和商業利益，加上缺乏足夠的醫療監管，種種因素混雜在一起，使得對實驗結果進行客觀解釋變得幾乎不可能。儘管可能存在這種不幸的情況，但我們認為，微生物組學領域的最新發現以及高通量測序和實驗技術的引入，有助於研究者們對益生菌的一些基本概念進行重新審視，並將重點放在生物學相關的問題上，以促進從經驗性到臨床、疾病和患者導向性療法的轉變（見表 1）。

這也就意味著以機制為導向的方法要取代“黑箱”操作方法，即不是隨意採用一個或多個有限的細菌組合，而是精心篩選出可以促進健康的組合。並根據精心制定的標準，完成益生菌製劑的設計。

其中需要重點關注的內容是，目標人群及臨床適應症。微生物治療的目的同樣也需要仔細確認，並應該考慮一系列相關問題。

對宿主的影響是透過外源性細菌分泌分子、調節內源性菌群，還是透過其他假定的接觸依賴性機制，將這些細菌與腸上皮細胞相連並實現遠端或間接介導的？預期的益生菌效應是菌株特異性的，還是由許多益生菌菌株共有的？一種非食品級的菌株是否適合處理特定臨床適應證？

例如，在小鼠中補充 Akk 菌，可以預防飲食誘導的代謝綜合徵，並防止化學誘導性結腸炎［11］。

Fecalibaterium prausnitzii

與克羅恩病活動性、IBS和結直腸癌呈負相關，可有效保護小鼠免受化學誘導的結腸炎［11］的侵襲。

作為目前可及的商用益生菌，在充分考慮消費者安全的情況下，強化對宿主與常駐微生物組和潛在新型益生元微生物之間相互作用的認識，是至關重要的。

高效的益生菌治療，可能需要開發解決菌群定植抗性的方法。這可以透過對宿主基線水平和微生物組特徵［89，103，115，116］建立預測模型，來評估菌群的定植能力，同時需要對患者進行分層治療［196］或生成個性化的菌群組合。其他方法可能包括合理聯合使用“益生元”［12］、定植修飾劑［197］或耐藥菌株特異性藥物［198］或對抗共生體抑制機制。

益生菌的副作用——抗生素使用條件下對宿主轉錄組和菌群重建的不利影響，需要綜合更多抗生素方案和益生菌菌株組合並進行全面的評估，透過將人類微生物組轉移到無菌小鼠中進行建模，以評估益生菌可能導致的營養不良等潛在長期臨床後果。

但是，在使用抗生素後的環境下，與益生菌相關菌群失調可能在其他臨床環境中具有積極作用。抗生素引起的“無生態位釋放”會明顯改善益生菌定植，並透過允許益生菌在多種菌群紊亂相關的疾病狀態下定植，從而增強益生菌功能。

從經驗上的“一刀切”方案轉變為更具針對性的方法，必然需要更好地理解影響外源性細菌定植的因素和人-腸粘膜的定植抗力。但是，在兼顧消費者安全的同時，利用特定菌株、特定人類亞群和特定臨床環境產生的結果，將會更可靠，並且重複性會更高。

最後，精心規劃的大規模隨機和盲法臨床試驗，應該優先考慮納入那些缺乏商業利益的研究，並將其作為循證依據制定的主體。應當對研究終點進行客觀和分層評估，以平衡可能造成掩蓋效應、結局混淆或不良結果的差異。

需要重視對不良反應研究、報告和發表。應鼓勵臨床醫生和消費者進行無偏見的風險和收益評估，以提高在各種臨床環境下資料的準確性，並驅動決策的制定。保證資料的可獲得性和共享性，有效促進全球協作，以產生積極成果。鑑於目前對現有益生菌缺乏足夠的醫療監管，與其他任何人類醫學干預措施一樣，在此更需強調下一代益生菌使用時需獲得正式監管批准程式的重要性。