[健身] 運動員的腸內菌 （中）

 

很少有研究關注運動對腸道微生物群的影響，迄今為止，除了七項實驗研究外，所有研究都使用了小鼠模型。這些初步研究表示，運動會影響腸道微生物群落的組成。大鼠的定期跑步運動與微生物群組成中產生丁酸鹽的細菌的增加以及丁酸鹽濃度的增加有關。其他動物研究表示，每天的輪跑運動可能會通過影響小鼠腸道微生物組成來改善不健康狀態的某些方面，例如飲食引起的肥胖、糖尿病和毒性。這些影響包括改變優勢門厚壁菌門和擬桿菌門之間的比例，後者已被發現與肥胖和其他疾病相關。動物和人類數據報告稱，與瘦子相比，胖子的厚壁菌門/擬桿菌門比率更高（即厚壁菌門增加和/或擬桿菌門減少）。然而，這在研究之間並不總是相同，並且可能是與宿主健康相關的門級模式的過度簡化。此外，微生物群的特定成員（如厚壁菌門和擬桿菌門）影響人類表型的機制仍有待充分闡明。因此，應謹慎解釋門比例的變化。

 

在對動物進行的運動研究中，對於哪些類群受慢性運動的影響幾乎沒有達成一致。除了運動與乳酸桿菌之間的正相關關係之外，沒有其他分類群在經常訓練的小鼠或大鼠中相對豐度持續增加。與久坐不動的對照組相比，跑步輪運動的小鼠具有較高的厚壁菌門，但較少的薄壁菌門和擬桿菌門，這減弱了口服暴露於環境毒素多氯聯苯引起的腸道微生物群的變化。運動小鼠與久坐不動的小鼠相比，厚壁菌屬物種豐度更高，擬桿菌屬/普雷沃氏菌屬比例下降。得出的結論是，運動增加了擬桿菌，同時減少了小鼠的厚壁菌門，這意味著運動在預防飲食誘導的肥胖症方面起著重要作用，產生類似於瘦小鼠的微生物組成。運動引起的厚壁菌門/擬桿菌門比率的變化與動物移動的距離成反比。經過訓練的小鼠體內含有與 Faecalibacterium prausnitzii 相關的細菌，它們可以通過產生丁酸鹽並通過黃素/硫醇電子穿梭降低管腔中的氧張力來保護消化道。簡而言之，丁酸鹽的健康相關影響與抗發炎特性、結腸細胞的直接餵養以及對飽腹感的影響有關。值得注意的是，丁酸鹽以及丙酸鹽和乙酸鹽為攝入大量（約 60 克/天）膳食纖維的人類提供了約 10% 的每日熱量需求。梭菌科和擬桿菌科以及瘤胃球菌屬的細菌豐度與運動動物的血乳酸數值呈負相關，而據報導，與響螺旋屬呈正相關。

 

而且，體育訓練所產生的變化似乎取決於個人的生理狀態。例如，無論是肥胖-高血壓大鼠還是正常大鼠，有規律的強迫運動對微生物群的豐富程度都有不同的影響。高脂肪飲食後運動對大鼠的微生物群的改變與正常飲食的大鼠不同，糖尿病小鼠產生的改變與其對照小鼠不同。總的來說，這些發現表示，長期運動對微生物群的調節不僅取決於個體的生理狀態，還取決於飲食。此外，動物強制運動與自願運動之間的另一個顯著差異是運動量。這在人類騎自行車的數據中得到了概括，需要在動物模型中進一步研究。最後，據觀察，與成年大鼠相比，運動對幼年大鼠的微生物群產生更有效的改變。在這些檢查運動訓練對腸道微生物群的影響的小鼠研究中，一個共同的發現是增加了 alpha 多樣性。使用基於小鼠模型的其他幾項研究也表示，與久坐不動的動物相比，有運動訓練的動物的 alpha 多樣性增加。

 

 

在健康個體中，更高的心肺適應性（通過峰值或最大攝氧量、VO2peak 或 VO2max 測量）與微生物多樣性和糞便丁酸鹽的增加相關。還確定了一組核心基因相關功能，而不是具有高健康的個體的一組核心細菌分類群。此外，大約 20% 的腸道細菌 α 多樣性變化可以單獨用 VO2peak 來解釋；事實上，VO2peak 是唯一顯著增加 alpha 多樣性的變量。主要發現表示，心肺健康是健康人腸道微生物多樣性的良好預測指標，其表現優於其他幾個變量，包括性別、年齡、BMI 和多種飲食成分。此外，增強的細菌多樣性與某些微生物代謝功能呈正相關，包括趨化性、運動性和脂肪酸生物合成。如前所述，由於 VO2peak 與群落組成的變化沒有顯著相關性，因此該結果表示功能可能是比物種豐富度更好的預測指標。該研究還證實了運動大鼠表現出高心肺健康與 SCFA、丁酸鹽的增加之間存在正相關。當梭狀芽孢桿菌、羅氏菌屬、毛螺菌科和丹毒絲菌科的相對豐度增加時，觀察到糞便丁酸鹽增加。這些短鏈脂肪酸來源於大腸中微生物群對未消化植物纖維的發酵。

 

與 VO2peak 最相關的功能類別與細菌運動（細菌運動蛋白、鞭毛組裝和細菌趨化性）、孢子形成有關，並且在較小程度上與已知使細菌群落能夠感知和響應環境因素的雙組分系統有關。這些關聯背後的一種可能機制可能源於以下觀察：丁酸鹽在心肺功能較高的參與者中含量更高，可以調節中性粒細胞趨化性。 VO2peak 與 LPS 生物合成和 LPS 生物合成蛋白呈負相關，這些蛋白質在不太適合的參與者中升高。 LPS 是革蘭氏陰性菌細胞壁的主要成分，當存在於血液中時被認為是一種內毒素。通過與位於許多細胞類型上的細胞外 toll 樣受體 4 結合，LPS 引發可能對宿主有害的強烈發炎反應。持續低量的LPS轉位進入血液循環可誘發與肥胖和其他代謝症候群發展相關的慢性低度發炎狀態。這些發炎狀態被認為在某種程度上源自對久坐不動的人體內升高的血液 LPS 的發炎反應。運動訓練通過降低升高的血液 LPS 來減輕發炎。 VO2peak 和 LPS 生物合成途徑之間的反比關係意味著增加體力活動的有益結果，這可能導致 LPS 生物合成減少。

 

還探討了健康年輕人的心肺健康與相對腸道微生物群組成之間的關係，表明厚壁菌門/擬桿菌門的比例與最大攝氧量顯著正相關。雖然沒有發現腸道微生物群與健康、營養攝入或人體測量變量之間的其他關係，但最大攝氧量佔個體相關腸道細菌變異的約 22%（由厚壁菌門/擬桿菌門比率確定）。在停經前婦女的橫斷面研究中，心肺健康與腸道微生物群組成相關，與年齡和碳水化合物或脂肪攝入量無關。與高 VO2max 組相比，低 VO2max 的參與者擬桿菌較少，但直腸真桿菌 – 球狀梭菌較高。攝氧量與直腸真桿菌-球狀梭菌呈負相關，但與其他細菌無關。在調整年齡和飲食攝入量後，所有顯著的關聯仍然存在。

 

在職業橄欖球運動員中，他們具有獨特的飲食模式（更高的能量攝入量和蛋白質、脂肪、碳水化合物、糖和飽和脂肪的每日攝入量，蛋白質佔總能量的比例要高得多）和高強度的身體活動，與對照組相比，腸道微生物群的多樣性更高。然而，目前尚不清楚這種影響是由於運動、高蛋白飲食、這兩種因素的結合，還是其他因素造成的。

 

為了研究運動員急性運動的影響，使用代謝組學和 16S rRNA 測序分析檢查了 20 名業餘跑步者在半程馬拉松比賽前後的糞便代謝物和微生物群。根據α多樣性分析，多樣性差異不大，但某些微生物群成員的豐度在跑步前後表現出差異。在門層級上，跑步後檢測到在人體腸道中的功能未知的Lentisphaerae和Acidobacteria。在物種層級上，Coriobacteriaceae 和 Succinivibrionaceae 科顯著增加。 Coriobacteriaceae（放線菌門）參與膽汁鹽和類固醇激素的代謝以及人類腸道中膳食多酚的活化。 Coriobacteriaceae 與 15 種代謝物呈正相關，表示 Coriobacteriaceae 的代謝可能是運動在預防疾病和改善健康結果方面作用的潛在機制。這些增加的代謝物表示跑步促進了微生物群衍生的代謝。在屬層級上，半程馬拉松跑降低了糞便 Ezakiella、Romboutsia 和 Actinobacillus 的豐度，但增加了 Coprococcus 和 Ruminococcus bicirculans 的豐度。據稱，放線桿菌屬導致幾種不同的動物疾病，例如牛的放線菌病、新生小馬駒的嚴重敗血症和人類牙周病。因此，對這種潛在病原體的抑制代表運動具有抗發炎作用。有趣的是，磷酸戊糖途徑是一種與糖酵解平行並涉及葡萄糖氧化的代謝途徑，是半程馬拉松後最豐富的途徑。這些發現突出了運動促進健康益處的微生物群衍生機制。

 

一項研究招募了參加波士頓馬拉松比賽的運動員，並進行了一組久坐控制，以識別與運動表現和恢復狀態相關的腸道細菌。對馬拉松賽事前 1 周和賽事後 1 週收集的每日糞便樣本進行 16S 核醣體 DNA 測序。馬拉松後，細菌屬韋永氏菌（Veillonella） 的相對豐度增加，並且是運動前和運動後狀態之間差異最大的微生物特徵。此外，與非跑步者相比，跑步者中韋永氏菌更為普遍。 韋永氏菌物種通過甲基丙二酰輔酶 A 途徑將乳酸代謝為 SCFA 醋酸鹽和丙酸鹽。為了在第二個實驗和額外的一組人類運動員中複製這些結果，在運動前後對來自超級馬拉松運動員和奧運會賽艇運動員的糞便樣本進行了總體基因體學宏基因組測序。隨著運動後 Veillonella 的相對分類豐度增加，類似的發現也得到了重現。此外，Veillonella 甲基丙二酰輔酶 A 通路在運動後的宏基因組樣本中過多的表現。鑑於甲基丙二酰輔酶A途徑在利用乳酸的微生物中的流行率有限，這種運動後的富集可能意味著韋永氏菌引起腸道微生物群代謝庫的功能變化。似乎 Veillonella 屬在運動後的運動員中豐富，並且 Veillonella 物種用於乳酸代謝的代謝途徑也豐富了。 Veillonella 的腸道定植可以通過提供一種替代的乳酸加工方法來增加克氏循環，從而將全身乳酸轉化為重新進入循環的 SCFA。運動員胃腸道中較高量的乳酸有利於該屬的生長，而這些細菌可能反過來產生一種有助於表現的化合物。

 

在第三組實驗中，從上述馬拉松運動員和接種小鼠的糞便樣本中分離出一株異型韋永氏菌。在一項臨床前交叉試驗中，與對照組相比，接種 Veillonella 的小鼠在跑步測試中的疲勞時間延後了 13%，並且運動後發炎症細胞因子顯著減少。它們還更有效地將乳酸轉化為 SCFA 丙酸酯。重要的是，發現這些動物的全身乳酸能夠穿過腸道屏障進入腔室，使其可作為微生物 SCFA 轉化的基質。綜上所述，這些實驗表示，V. atypica 通過將運動誘發的乳酸代謝轉化為丙酸，從而提高了跑步時間，從而確定了一種天然的、微生物組編碼的酶促過程，可提高運動成績。雖然其他研究報告丁酸鹽是運動微生物群的一個突出特徵，但這項研究表明丙酸鹽是另一種重要的有益 SCFA。此外，這些臨床前、概念驗證實驗首次表示，可以有效轉移運動員的有益微生物以提高表現。雖然在動物模型中進行，但這項研究值得注意，因為它從相關功能到因果功能邁出了重要的一步，將運動員微生物組用於更廣泛的人類健康和表現應用。

 

在縱向研究設計中，首次報導運動訓練可以調節以前久坐的人腸道微生物群的組成和代謝能力。精瘦和肥胖受試者接受了 6 週控制飲食的耐力訓練，然後是 6 週的清除期。運動引起的腸道微生物群和 SCFA 的調節與精瘦參與者的身體成分和肥胖參與者的 VO2max 的變化密切相關，與飲食無關。在洗脫期之後，一旦運動訓練停止，運動引起的微生物群變化就會在很大程度上逆轉。

這項研究支持這樣一種觀點，即腸道微生物群的組成與運動狀態有關，運動引起的變化可能是暫時的，需要持續刺激。值得注意的是，運動誘導產生 SCFA 的分類群（Faecalibacterium 物種 [spp.] 和 Lachnospira spp.）和遺傳機制（丁酸調節基因，BCoAT）的變化在精瘦人與肥胖參與者中更為顯著。這種聯繫也得到了觀察到的腸道微生物群代謝能力變化的支持，這種變化可能是短暫的，可能依賴於重複的運動刺激。一篇日本的文獻評估了耐力運動是否會調節老年受試者的腸道微生物群，以及這些變化是否與宿主的心臟代謝表型有關。在一項隨機交叉試驗中，33 名日本老年男性參加了一項為期 5 週的耐力運動計劃。基於 16S rRNA 基因的宏基因組分析顯示，耐力運動對腸道微生物群多樣性的影響不大於個體差異，而介入期間 α 多樣性指數的變化與收縮壓和舒張壓的變化呈負相關，尤其是在運動期間。微生物組成分析表示，與對照組相比，運動期間艱難梭菌的相對豐度下降，而響螺旋菌的相對豐度增加。這些分類群的變化與幾個心臟代謝危險因素的變化相關。這些發現代表腸道微生物群的變化與心臟代謝危險因素有關，如收縮壓和舒張壓。似乎微生物的SCFA 通過與宿主 SCFA 受體相互作用來影響血壓。在另一項針對老年受試者的研究中，研究了為期 12 週的運動介入對健康女性腸道微生物群組成的影響。在完成有氧運動的受試者中，腸道擬桿菌的相對豐度增加。此外，運動介入後擬桿菌的增加與 6 分鐘步行測試的增加呈正相關。人們普遍認為，擬桿菌量較低與肥胖和代謝症候群的患病率較高有關，擬桿菌可能有助於抑制代謝功能障礙。然而，擬桿菌有時與較高的 BMI 和西化飲食有關；因此，在 12 週運動介入後觀察到的相對豐度增加可能是由於與其他類群相比，它能夠轉移基質，這些類群在高脂肪飲食（即雙歧桿菌）中可重複下降。

 

最近通過綜合宏基因組學和代謝組學分析，對 39 名糖尿病前期、未接受藥物治療的超重男性進行了控制良好的運動介入。受試者保持他們的正常飲食習慣，並隨機分為對照組（無運動；n = 19）或有監督的高強度運動計劃（n = 20），包括每週 3 次 70 分鐘的有氧和阻力間歇訓練。儘管介入帶來了整體代謝益處，但約 30% 的受試者在血糖控制和胰島素敏感性的改善方面對運動的反應不佳。那些確實有反應的人顯示空腹胰島素和胰島素阻抗指數值的穩態模型評估顯著降低（分別為 – 42.70% 和 – 49.60%）。在研究腸道微生物群時，運動反應者和非反應者之間在組成和功能變化方面存在明顯的分離，伴隨著微生物代謝物的明顯改變。具體來說。反應者顯示出產生 SCFA 和分解 BCAA 的功能途徑的更高基因表達。這些可能與葡萄糖代謝的陽性結果有關，因為 BCAA 的增加與胰島素阻抗有關。氨基酸分解代謝（支鏈氨基酸和芳香族氨基酸）和碳水化合物發酵的代謝產物也有變化趨勢，這與相關代謝酶編碼基因的改變模式一致。相反，運動介入後無反應者的微生物特徵與久坐對照組的微生物特徵更相似，表示這些個體的腸道微生物群適應不良。如同文獻所示在職業橄欖球運動員中，參與 DNA 複製和氨基酸代謝的通路在有反應中優先增強。此外，有反應者中與聚醣生物合成和脂質代謝相關的基因升高。儘管反應者和非反應者之間的基礎微生物結構沒有明顯差異，但能夠根據基礎微生物組特徵建立基於機器學習算法的模型，該模型準確預測了與血糖控制和胰島素敏感性相關的運動結果。這增加了使用腸道微生物群篩查運動阻抗可能性高的個體的可能性，以便及時實施個性化調整，以最大限度地提高運動介入的效果。

 

為了檢查不同形狀的微生物群之間的潛在因果關係，將來自兩個反應者的微生物群，和來自上述實驗的兩個無反應者的移植到常規抗生素治療的小鼠中。與來自反應者的微生物群灌胃的小鼠相比，在血糖控制和胰島素敏感性方面模擬了顯著改善。來自無反應者的微生物群定植的小鼠缺乏變化。總之，來自人類和動物研究的結果表示，運動可能對個體腸道微生物群的組成和功能產生不同的影響。雖然未來的研究是有必要的，但這項研究提出了一種可能性，即腸道微生物群的構成可能是運動效果的決定因素（即有反應者與無反應者），並且針對腸道微生物群可以最大限度地提高運動的益處。可能是運動通過重塑對微生物生長和相互作用至關重要的腸道微環境（例如發炎和氧化狀態以及局部免疫）放大了基礎腸道微生物群的細微差異，最終導致血糖控制對運動的不同反應干涉。最後，這些發現進一步強化了這樣一種觀點，即宏基因組學和代謝組學評估的腸道微生物群的功能能力可以在其群落結構不發生重大變化的情況下發生顯著改變，並且宿主表型的變化可能更依賴於代謝能力和微生物群的代謝物，而不是組成本身。

 

在迄今為止最長的運動介入文獻中，研究了在 6 個月內，具有相似運動能量消耗的不同強度和方式的定期有氧訓練對腸道微生物群的影響。總共 88 名久坐的超重/肥胖受試者被隨機分為四組包括習慣性生活（控制組）、非電動自行車主動上下班、中等強度的休閒運動或劇烈運動。與對照組相比，所有運動組的 Beta 多樣性都發生了變化，劇烈強度組的參與者表現出異質性降低。此外，與對照組相比，劇烈運動組在 3 個月時的 alpha 多樣性增加更多。可能需要更劇烈的運動來誘導久坐、超重/肥胖受試者的腸道微生物群發生變化。在一項針對急性運動的研究中，高強度間歇訓練和中等強度的持續訓練都會影響胰島素阻抗及久坐不動的個體在進行 2 週運動介入後的腸道微生物群。具體而言，擬桿菌門增加，厚壁菌門/擬桿菌門比率下降。這一結果與運動員有關，因為擬桿菌的增加在複雜糖聚合物的代謝轉化和蛋白質降解中起著至關重要的作用。同時梭菌屬和 Blautia 屬也減少了。梭菌在全身免疫反應中起著重要作用，而 Blautia 據稱會增加促發炎細胞因子的釋放。有趣的是，結腸葡萄糖濃度與擬桿菌屬正相關，與厚壁菌門、厚壁菌門/擬桿菌門比率和 Blautia 屬呈負相關。此外，Blautia 屬的豐度較低與更好的全身胰島素敏感性相關。這些結果強調了腸道基質攝取對全身的重要性，尤其是葡萄糖攝取方面的變化可能對腸道微生物群產生積極影響。

 

最後，在一項觀察性研究中，探討了四名訓練有素的超耐力男運動員對長時間、高強度跨洋划船的腸道微生物群反應，描述了微生物多樣性、豐度和代謝能力的變化。從運動員那裡獲得連續糞便樣本進行宏基因組全基因組測序，以記錄微生物群落結構和相關功能基因圖譜，賽前、賽中、賽後和賽後 3 個月，在連續、無支持的 33天，5000公里越洋賽艇賽事過程記錄。 Alpha 多樣性在整個超耐力賽中不斷增加，早在比賽第 17 天就很明顯。這種增加與心肺健康的任何變化無關，VO2max 賽前和賽後相似。分類學組成的變化包括產生丁酸鹽的物種的豐度增加，以及與改善代謝健康和改善胰島素敏感性相關的物種。參與特定氨基酸和脂肪酸生物合成的細菌種類的功能潛力也增加了。具體而言，參與 L-異白氨酸和離氨酸生成的功能性代謝途徑的基因表達增加，這在減少劇烈運動期間的肌肉疲勞和損傷方面發揮重要作用。微生物來源的離氨酸也可能有助於人體蛋白質庫。必需氨基酸可用性的變化會影響造血功能，進而可能增加攜氧能力和心肺健康。微生物群落結構和宏蛋白質組學的許多適應性在 3 個月的追蹤中仍然存在。

 

 

總體而言，體育活動可能促進豐富的細菌群落和增加功能途徑的機制尚未完全闡明，但可能涉及內在和外在因素的組合。例如，身體活躍的人更有可能接觸到他們的環境生物圈（例如，在戶外度過的時間）並遵循整體健康的生活方式，因此擁有更豐富的微生物群。同時，耐力訓練的內在適應性，例如血流量減少、組織缺氧以及轉運和吸收能力增加，會導致胃腸道發生變化。據文獻報導，胃腸道轉運時間的變化會影響結腸腔內的 pH 值，這可能導致腸道微生物群的組成發生變化。例如，較長的結腸轉運時間與腸道微生物群多樣性降低有關，這與從近端結腸到遠端結腸轉運過程中 pH 值的增加相平行。重複進行有氧運動可以增加健康個體和慢性便秘中年患者的胃腸道轉運時間。然而，在較高強度下（例如，高於 70% VO2max），胃排空似乎延遲。有氧運動還會增加糞便 SCFA 濃度，從而降低結腸腔的 pH 值。此外，作為運動副產品並在全身循環的代謝物（例如乳酸）可能會通過腸道過濾並作為某些細菌分類群（例如韋永氏菌）的能量來源。每個生態系統（包括腸道微生物群）中都存在對營養和資源的競爭。因此，許多這些微生物特徵可能是“形態匹配功能”的結果，因為腸道中的群落是由可用資源塑造的，由宿主的生理機能決定。這些和其他潛在的適應性機制，例如腸道 pH 值的變化，可能會創造一個環境環境，允許更豐富的群落多樣性和代謝功能。無氧能力和阻力運動訓練也可能影響群落組成，但迄今為止，還沒有研究檢查這些與腸道微生物群相關的參數。一次急性的長時間過度運動會對腸道功能產生有害影響。劇烈運動將血液從內臟循環重新分配到活躍的呼吸組織。長期腸道低灌注會損害粘膜穩態並導致腸細胞損傷。可能會導致腸道缺血，特別是在脫水的情況下，表現為腹部絞痛、腹瀉或偶爾血性腹瀉。這種不利影響在耐力運動中尤其如此。結果，腸道通透性增加，被認為是由幾種緊密連接蛋白的磷酸化驅動的。這些事件使腸道粘膜容易受到內毒素易位的影響。小鼠適度的耐力運動與較小程度的腸道通透性、保持粘液厚度和較低的細菌易位率以及小腸組織中抗微生物蛋白的產生和基因表達（α-防禦素、β -防禦素，Reg IIIb 和 Reg IIIc)。這些變化可能有助於減輕壓力引起的腸道屏障功能障礙的影響。在人類中，體力活動可以改善腸燥症患者的胃腸道症狀。總體來說，這些結果是運動對腸道健康的差異和劑量反應效應的證據，但其潛在機制尚未在健康人身上得到充分探索。

 

目前的研究機構支持運動作為一種重要的行為因素的作用，它可以影響腸道微生物組成和功能的定性和定量變化，從而對宿主有益。儘管這些變化可能不會以類似的方式在個體之間發生，並且也可能取決於微生物群和宿主的基礎特徵。然而，根據目前的研究，運動似乎可以豐富微生物群的多樣性，刺激可以調節粘膜免疫、改善屏障功能的細菌的增殖，並刺激能夠產生防止胃腸道疾病和提高性能的物質的細菌和功能通路（即，SCFA）。事實上，運動可能是改變腸道微生物群組成和恢復腸道共生的重要介入措施。然而，過度和/或長時間的高強度運動可能不會產生這些影響。值得注意的是，某些類群可能在運動員中富集，例如與瘦體表型相關的 A. muciniphila 和產生丙酸鹽的 Veillonella（通過乳酸代謝）。此外，與肥胖個體相比，微生物群組成的更高多樣性與瘦體表型相關。精英運動員身上明顯多樣的、有利於代謝的腸道微生物群很可能是多年高營養攝入和高強度體育活動和訓練的累積表現，貫穿整個青年、青春期和成人參與高強度運動。

 

 

延伸閱讀：[健身] 運動員的腸內菌 （上）