研究发现不同种类的膳食纤维对人类健康有不同的益处
膳食纤维通过微生物组发挥作用，以改善心血管健康并预防代谢紊乱和癌症。为了了解膳食纤维补充剂对健康的益处，我们研究了两种流行的纯化纤维，阿拉伯木聚糖 (AX) 和长链菊粉 (LCI)，以及五种纤维的混合物。我们提出了代谢组学、脂质组学、蛋白质组学、宏基因组学、细胞因子面板的多组学特征，以及对健康和胰岛素抵抗参与者的临床测量。每一种纤维都与依赖于纤维的生化和微生物反应有关。AX 消耗与 LDL 的显着降低和胆汁酸的增加有关，有助于其观察到的胆固醇降低。LCI 与双歧杆菌的增加有关.然而，在最高 LCI 剂量下，肝酶丙氨酸氨基转移酶的炎症和升高会增加。这项研究深入了解了纤维补充剂的影响以及纤维诱导的胆固醇降低背后的机制，并显示了单个纯化纤维对微生物组的影响。
在人群层面，高纤维饮食可降低心脏病发作、中风和心血管疾病的风险。它们通过降低胆固醇使比吃西化饮食的人拥有更健康的血脂。膳食纤维主要是在植物（即水果、蔬菜、豆类、坚果、种子和谷物）中发现的碳水化合物，它们被肠道微生物群选择性地代谢，但在其他方面不能被人类消化。一旦被膳食纤维滋养，微生物群就会参与许多有益的功能，包括将碳水化合物发酵成短链脂肪酸 (SCFA) ，合成重要的维生素 (即， K 和 B 族维生素），以及启动免疫系统。了解膳食纤维如何影响微生物组，进而人类生物化学和生理学，对于有效使用膳食纤维补充剂来改善人类健康至关重要。
从化学角度上说，纤维在长度、支化、溶解度、电荷和其他特性上是不同的分子。它们通常被研究为来自植物来源的复杂混合物，这使他们的研究进一步复杂化。我们试图了解纯化的单个纤维成分的影响，并研究膳食补充剂对两种常见且结构不同的可溶性纤维的生理影响：阿拉伯木聚糖 (AX)，常见于全谷物和其他植物的半纤维素，以及长链菊粉(LCI)，存在于洋葱、菊苣根和菊芋中。AX 具有木糖主链和阿拉伯糖支链。分枝程度因植物而异，并影响其对微生物群的影响。此外，AX 结合了阿魏酸等酚类化合物，可通过潜在的抗氧化剂作用来减轻炎症。另一种纤维 LCI 由带有葡萄糖帽的果糖聚合物组成。菊粉可以是二聚体或聚合多达 60 个或更多果糖单元，相对于其较短链的低聚果糖对应物，选择 LCI 用于长度超过 25 个单元的聚合物。LCI 缺少 AX 上存在的结合酚类化合物。最后，我们还在五种纤维的背景下分析了 AX 和 LCI，其中还包括葡甘聚糖、抗性淀粉和阿拉伯胶。
可溶性纤维单独与健康益处相关，尽管根据植物来源和种群的不同，报告的结果相互矛盾。据报道，在人类和动物中，AX 可控制高血压、降低低密度脂蛋白 (LDL)、降低总胆固醇、降低血糖水平和改善胰岛素抵抗。已经提出了几种纤维降低胆固醇作用的机制，包括胆固醇与纤维的直接结合，防止吸收。另一种建议的纤维降低胆固醇的机制是隔离肠道中的胆汁酸，从而抑制胆汁酸的重吸收。然后游离胆固醇被代谢以产生新的初级胆汁酸，从而导致胆固醇的系统性降低。所提出机制的广度也表明，纤维可能具有几种诱导低胆固醇血症的机制。
LCI 增加双歧杆菌属的丰度——有时被认为是“健康微生物”——并减少便秘，以及改善糖尿病患者的空腹血糖和 HbA1C。它还被证明可以改善心脏、结肠和骨骼健康。然而，一些研究显示几乎没有益处和其他人认为菊粉在高剂量下可能有害。例如，据报道，小鼠中 20% 的高水平 LCI 在长期暴露后会导致小鼠肝损伤并最终导致肝癌。总之，这些混合的研究结果突出了纤维补充剂的个性化性质、其对研究人群的依赖性、纤维剂量的重要性以及对纤维影响的更深入的机械理解的需要。
目前关于膳食纤维对肠道微生物组和宿主影响的文献主要是通过全饮食干预和横截面关联。这些调查提供了对膳食纤维影响的理解；然而，他们只能对单个纤维的生理效应做出有限的结论，当然，在横断面研究中排除了因果推断。纯化纤维对肠道微生物组的影响已在有限数量的前瞻性人类干预研究中进行了测试，但由此产生的对宿主的影响系统生物学仍然是一个悬而未决的问题。有必要确定单根纤维对微生物组的纯正影响，并建立相关的健康生物标志物，理想情况下是通过在同一个人身上测试不同的纤维。在这项研究中，我们通过分析粪便宏基因组学检查了 AX、LCI 和纤维混合物的影响、血浆蛋白质组学、代谢组学、脂质组学、血清细胞因子和临床价值。重要的是，我们的研究设计包括增加不同纤维之间的剂量和清除期，揭示了队列范围内的模式和对每种纤维的个体反应。这些结果对于确定单个纤维对人体健康和生理的影响具有重要意义。
该研究是一项纵向、随机、交叉设计（如图 1 所示），其中 18 名 IRB（23,602 名）同意的参与者（8 名男性和 10 名女性）定期在饮食中补充两种纤维，AX 和 LCI，以及由等量的 AX、LCI、金合欢组成的纤维混合物口香糖、葡甘露聚糖和抗性淀粉。参与者被随机分配首先服用 AX 或 LCI，并且总是最后服用混合纤维。对于所有纤维，每周的补充量从第一周（早餐时）10 克/天增加到第二周（早餐 10 克和晚餐时 10 克）的 20 克/天，最后增加到 30 克/天，第三周（早餐、午餐和晚餐各 10 克）。纤维系列之间包括一个 6-8 周的没有纤维补充的“清除”期。我们使用纯化纤维而不是全纤维食物，因为这最接近标准化干预，而且单一纯化纤维会产生不受其他植物化学物质影响的效果。参与者还保留了食物日志，以便监测他们的整个饮食，包括来自其他来源的纤维。
图1
参与者被随机分为两组，首先是 AX（下部结构）或 LCI（上部结构），最后是混合纤维。参与者每天摄入越来越多的纤维，持续 3 周。在基线、每周结束（第 1-3 周）和清洗期第 3 天和第 10 天（WD3 和 WD10）收集样本。参与者在每个周期之间的 6-8 周内没有服用纤维补充剂，以允许恢复到基线。在每个指定的时间点收集血液和粪便样本，并进行组学和临床分析。在这项研究中，参与者被要求在参加研究期间不要改变他们的饮食或饮食习惯。参与者被要求记录基线时一周和补充 30 克纤维（即第 3 周）一周内消耗的所有食品和饮料项目。根据从参与者那里收集的食物日志，研究营养师使用 ESHA 食品加工机营养分析软件（ESHA Research，Salem，OR）进行了营养分析，包括美国农业部的膳食研究食品和营养数据库（FNDDS）。
纤维与改善代谢和心血管健康有关，但尚未使用多组学数据集研究了解单个纤维对微生物和代谢组学反应的影响。在调查临床标志物（例如胆固醇和葡萄糖）的研究中，报告的结果有时不一致。使用交叉研究设计和对数千个标记和微生物途径的深入分析，我们发现单个纤维可以在群体和个体水平上产生显着而独特的反应。
总体而言，AX 以剂量依赖的方式改善了脂质谱，降低了 LDL、总胆固醇和其他脂质。然而，个体反应各不相同，一些参与者发现胆固醇水平几乎没有变化。那些反应强烈的人表现出不同的全身反应，包括在他们的宏基因组中更多的酚酸代谢基因并降低临床甘油三酯。在 LCI 补充期间，低剂量显示细胞因子适度减少和通常被认为有益的细菌增加。然而，在 30 g 时，一些参与者经历了细胞因子和肝酶 ALT 的峰值，这表明过多的这种纤维可能是有害的。总体而言，我们的研究结果表明，纤维的益处取决于纤维类型、剂量和参与者——由纤维、肠道微生物组和宿主之间的相互作用产生的一系列因素。这些结果对个性化响应和干预具有重要意义。
来自整个水果和蔬菜的异质纤维被认为对健康最有益，尽管尚未全面研究它们在发酵能力和其他化学性质方面的差异。在我们的研究中，混合纤维相对于单个纤维具有中间效应，表明这种特殊的纤维组合没有协同作用。例如，纤维混合物显示出与纯化 AX 相似的胆固醇降低趋势，但程度较小。此外，在补充 30g 混合纤维期间，细胞因子的一个子集会出现峰值，类似于 LCI，但程度较轻。几种高纤维食物具有降低胆固醇的作用，我们的研究表明，这些降低可能是由未精制植物性食物中纤维混合物的个别成分驱动的。
当前研究的一些局限性值得注意。我们的混合纤维补充剂中没有包含不溶性纤维，这可能会改变可溶性混合纤维的特性。此外，在我们的研究设计中，混合纤维总是出现在纯化纤维之后，这可能会引入一个混杂变量。然而，我们在每次补充纤维之间包含了一个漫长的清除期，这使得这种情况不太可能发生。此外，我们的研究没有将混合纤维补充剂与天然食品中混合纤维的消耗进行比较。因此，我们的结果可能会受到食用方式的影响，而全植物食品可能包括其他已知的植物化学物质和营养物质，这些植物化学物质和营养物质可以推动系统生物学朝着其他可能更健康的方向发展。
来自多种植物的 AX 可降低胆固醇，研究假设这是由于 AX 直接结合肠腔中的胆固醇，帮助胆固醇通过身体。我们的结果表明 AX 降低胆固醇与胆汁酸产生增加或胆汁中的其他变化有关。特别是，我们发现在补充 AX 期间胆汁酸增加。除了排出胆固醇池外，它们还充当胆固醇代谢的信号分子，结合受体 FXR 和 LXR，控制胆固醇代谢及其转化为胆汁酸。这些受体在我们研究的参与者中受到优先调节，胆固醇降低幅度最大。与这一假设一致，胆汁酸与胆固醇和胆固醇酯呈负相关。
在 AX 补充期间，PC、PE、CE 和其他脂质也会减少。与胆固醇类似，这些脂质以卵磷脂的形式在胆汁中分泌，但不像胆汁酸那样参与肠肝循环。因此，通过肠肝循环的胆汁中的脂质（即胆汁酸）增加，而不通过肠肝循环的脂质（即 PE、PC 和 CE）减少。这种增加的胆汁流量可能是由微生物组驱动的，因为许多胆汁酸与微生物组显着相关。因此，我们发现 AX 通过改变微生物组，使胆汁酸池多样化和扩大，增加胆汁流量，并改变胆汁成分——所有这些都有助于消耗胆固醇池。此外，在 AX 补充剂中，一些 CE 与排便频率呈负相关，尽管胆固醇本身没有。这表明增加排便的降胆固醇作用可能是由于胆固醇酯的通过。尽管排便频率增加，但在 LCI 补充期间 CE 不会减少，表明这种现象是 AX 特有的。因此，我们建议要完全了解膳食纤维降低胆固醇的作用，应该考虑影响胆固醇水平的多种机制，包括胆汁的变化和由微生物产生次级胆汁酸驱动的胆汁酸池。
