乳酸菌发酵天然产物：抗衰老与干细胞相关结局的作用机制与证据

《Foods》：Lactic Acid Bacteria-Fermented Natural Products: Mechanisms and Evidence for Ageing- and Stem-Cell-Related Outcomes

　　

摘要专业翻译 衰老是由慢性炎症、氧化应激和干细胞耗竭驱动的过程，构成了全球性的重大健康挑战。乳酸菌（LAB）发酵正被研究作为一种潜在的生物技术手段，用于增强天然产物（尤其是具有抗衰老潜力的多酚和生物活性植物化学物）的生物利用度和功能性。本综述综合了近年来关于LAB发酵天然产物的研究进展及其在调节长寿通路和干细胞再生中的作用。LAB发酵可通过释放或生物转化底物结合的植物化学物，以及产生代谢物（如有机酸、肽类，在某些系统中还包括短链脂肪酸（SCFAs）、环二肽（CDPs）或细菌胞外囊泡（BEVs））来改变复杂植物基质；各组分的作用需根据具体案例进行验证。在细胞和动物模型中，候选机制包括对核因子κB（NF-κB）、核因子E2相关因子2（Nrf2）以及AMP活化蛋白激酶-去乙酰化酶1（AMPK-SIRT1）信号通路的调控，尽管因果性活性成分通常尚未明确。某些LAB发酵制剂或LAB衍生组分已在皮肤、骨骼和神经细胞或动物模型中与干细胞相关结局相关联。CDPs和BEVs是候选的发酵相关介质，但其独立作用于人类衰老的证据仍处于初步阶段。总体而言，LAB发酵天然产物是功能食品和营养保健品领域一个有前景的研究方向，但其针对衰老相关结局的有效性和安全性仍需临床验证。未来研究应聚焦于标准化发酵条件、鉴定活性代谢物，并在人体研究中验证其临床疗效。

论文主体内容专业总结

1. 引言

衰老是一个多因素生物学过程，其特征是功能逐渐衰退及慢性疾病风险增加。核心挑战在于识别能够通过靶向关键机制（如氧化应激、慢性炎症和干细胞耗竭）来延缓衰老的干预措施。传统中药（TCM）及其他植物药长期用于维持活力与延长寿命，但许多天然活性化合物在其粗提形式下生物利用度或效力有限。近期进展表明，乳酸菌（LAB）发酵是一种有前景的策略，可增强这些天然化合物的生物活性。通过用益生菌LAB菌株发酵草药或植物材料，研究人员可以提升生物活性代谢物的含量，将前体转化为更易吸收的形式，甚至生成新型抗衰老分子。例如，用戊糖乳杆菌发酵的细叶胡枝子使其黄酮含量增加约2.5倍，并显著改善抗氧化和抗衰老活性。同样，用植物乳杆菌KKP 1527发酵苹果渣使总酚含量提高约30%，并富集了没食子酸、原儿茶酸和原花青素B2等多酚。这些例子说明，LAB发酵可以改变天然产物的化学组成和潜在生物可及性；每种菌株-底物-产品组合的功效必须单独评估。本综述概述了LAB发酵化合物在抗衰老益处方面的最新进展，重点关注机制见解及其对干细胞功能的影响，并探讨了两类特殊的LAB衍生代谢物——环二肽（CDPs）和细菌胞外囊泡（BEVs），讨论了它们在调节衰老和干细胞生物学中的作用，最后考虑了将这些发现转化为促进健康老龄化干预措施的挑战与未来方向。

2. 天然化合物的乳酸菌发酵

LAB广泛用于食品发酵和作为促进健康的益生菌。发酵过程中，LAB酶将植物材料中的复杂底物生物转化为更小、更具生物活性的化合物。这一过程可以改变化学特征，有时也能改变草药制剂的生物可及性。LAB发酵可增加可测量的游离或可提取酚类和肽类；这种变化通常反映的是结合形式的释放、水解或生物转化，而非植物多酚的从头合成。例如，植物乳杆菌发酵猕猴桃果肉显著增强了抗氧化活性，提高了酚类和黄酮水平，特别是原儿茶酸。同样，人参的益生菌发酵已知可将人参皂苷糖苷转化为稀有代谢物（如Compound K、Rh1），具有更高的生物利用度和生物活性。一项人体药代动力学研究发现，与未发酵人参相比，发酵人参增加了血浆中Compound K的暴露量；这支持了吸收的改变，但并未确立抗衰老的临床益处。LAB还分泌水解酶（蛋白酶、糖苷酶）来分解大分子，从而释放结合的抗氧化剂或生成新的代谢物。例如，大豆经LAB发酵可释放苷元型异黄酮并生成小肽。总的来说，LAB发酵提高了易吸收、生物活性强的化合物的产量，同时减少了有毒或惰性成分。它还能产生短链脂肪酸（SCFAs）、胞外多糖和有机酸，对宿主有益。然而，发酵是否比未发酵底物能改善生物学结果仍是配方特异性的，需要使用匹配的对照来验证。目前大多数抗衰老证据仍停留在临床前阶段，终点指标异质性大，剂量-反应关系或长期暴露的信息有限。

3. LAB发酵产品的抗衰老机制

氧化应激是LAB发酵制剂可能在临床前模型中影响衰老相关表型的常见研究途径。在D-半乳糖诱导的小鼠衰老模型中，补充植物乳杆菌发酵豆奶显著增加了多个器官中抗氧化酶的活性，同时降低了氧化损伤标志物。分子分析显示，发酵豆奶激活了Nrf2/KEAP1通路。抑制慢性炎症是另一关键机制。某些LAB相关代谢物在实验系统中调节了免疫信号，但反应的方向和幅度取决于菌株、基质、剂量和模型。例如，某些环二肽（CDPs）干扰NF-κB通路，从而减少促炎细胞因子的产生。对营养感应通路（如mTOR、AMP活化蛋白激酶（AMPK）和去乙酰化酶）的调节也构成了LAB发酵化合物抗衰老作用的基础。LAB已知可产生多种氨基酸、多胺和其他能影响这些信号级联反应的代谢物。例如，SCFAs如丁酸盐（常在发酵草药混合物中增加）可激活AMPK，进而抑制mTOR并促进细胞清理过程。线粒体保护和代谢增强是与LAB发酵干预相关的进一步机制。一些发酵制剂或LAB衍生组分在细胞或动物实验中改善了线粒体读数。例如，用LAB衍生的胞外囊泡处理氧化应激下的细胞，增加了线粒体融合和三磷酸腺苷（ATP）的产生，保护细胞免于应激诱导的衰老。此外，肠道-大脑轴是发酵相关信号可能影响衰老相关表型的另一个整合途径。在自然衰老小鼠中，植物乳杆菌LLY-606改善了认知结果以及屏障功能指标，降低了炎症细胞因子。人体干预研究提供了早期但不一致的转化信号。在一项针对记忆力下降老年人的随机安慰剂对照试验中，服用植物乳杆菌OLL2712 12周后，某些记忆终点有所改善。而在另一项针对70岁以上低度炎症老年人的4周随机试验中，植物乳杆菌HEAL9降低了粪便钙卫蛋白，但未能显著降低血清C反应蛋白或改善认知结果。总之，LAB发酵天然化合物已被报道能在实验模型中影响若干衰老相关过程，但这些机制的趋同性应被视为一个工作框架，而非统一抗衰老干预措施的证据。

4. 对干细胞功能和再生的影响

衰老不仅损害分化细胞，还会损害成体干细胞。一种提议但尚未充分检验的应用是，LAB发酵产品支持干细胞相关的组织维护。一种方式是间接地通过为干细胞创造更有利的系统环境（低炎症、低氧化应激）。缓解这些因素可能间接支持干细胞功能，但来自特定LAB发酵制剂的直接证据仍然有限。此外，某些发酵植物药能主动刺激组织特异性干细胞。在皮肤和毛发方面，一项研究将混合草药经煎煮和LAB发酵后应用于静止期小鼠皮肤，处理组小鼠更快进入生长期，形成的毛囊更多。机制上，发酵草药上调了毛囊微环境中的Wnt3/10和β-连环蛋白，激活了隆突区干细胞启动新毛干形成。在神经系统方面，一项研究使用益生菌发酵的传统滋补方剂（十全大补汤）在东莨菪碱诱导的遗忘症模型中显示出与海马神经发生相关的结局。接受发酵草药配方的小鼠海马体中神经前体细胞的增殖显著高于对照组，且新生神经元存活和成熟更多。LAB本身或其发酵产物也能直接影响间充质干细胞（MSCs）。一项体外研究报告，德氏乳杆菌乳酸亚种KUMS-Y33可抑制人脂肪来源MSCs的脂肪生成并增强成骨标志物。肠道-大脑轴也可能通过将肠道生态系统与神经、内分泌和免疫对再生微环境的控制耦合起来，间接影响干细胞健康。例如，在肠道-骨髓轴中，SCFAs、乳酸盐、色氨酸代谢物等被提出作为影响全身细胞因子环境和造血干细胞调节的信号。目前的临床证据也定义了一个重要差距。上述人体衰老研究测量的是认知、炎症或衰弱相关结局，而非体内干细胞数量、谱系输出或再生功能。最直接相关的临床背景是造血细胞移植。总之，现有报告支持特定发酵产品或LAB衍生组分与干细胞相关结局之间的假设性联系，但直接效应、活性成分、剂量-反应关系以及与人体组织维护的相关性仍不明确。

5. 环二肽（CDPs）作为生物活性代谢物

在LAB发酵产生的各种代谢物中，环二肽（CDPs），也称为2,5-二酮哌嗪，作为候选生物活性化合物引起了关注，尽管针对衰老的具体证据有限。CDPs是由两个氨基酸环化形成的小环状分子。LAB可通过专用酶或作为蛋白质降解的副产物生成CDPs。感官和暴露考虑方面，几种2,5-二酮哌嗪是苦味、金属味、涩味或口干感的食物成分。定量食物基质比较进一步说明了为何浓度、感官相关性和生物活性必须分别评估。CDPs在实验系统中具有广泛的生物活性，可能与衰老相关过程有关。许多CDPs表现出强大的抗氧化和抗炎特性。例如，环(His-Pro)被发现能增加神经元细胞的总抗氧化能力并保护它们免受淀粉样蛋白β毒性。其他CDPs直接靶向炎症信号；如环(Phe-Pro)可抑制免疫细胞中的NF-κB活化。此外，一些CDPs已被报道能影响细胞生长和命运，但缺乏干细胞调节的直接证据。结构-活性方面，CDPs足够小，可能具有生物可利用性并能穿过肠道屏障。然而，并非所有CDPs都是有益的——其效果取决于结构和环境。LAB发酵倾向于偏向产生某些CDPs。上述CDPs是进一步研究的候选物，而非已确定的抗衰老分子。

6. 细菌胞外囊泡（BEVs）作为抗衰老效应分子

除了小分子，LAB还分泌携带生物活性成分货物的纳米级膜囊泡。这些细菌胞外囊泡（BEVs）通常是直径20-250纳米的脂质双层囊泡。对于革兰氏阳性LAB，BEVs封装了蛋白质、肽聚糖片段、脂磷壁酸、代谢物甚至核酸。它们可以参与微生物-宿主通讯，尽管货物组成和生物学效应随生产菌株和制备方法而变化。在发酵背景下，BEVs可存在于发酵产品中或由肠道中的益生菌释放。BEVs可在实验系统中被哺乳动物细胞摄取。这种摄取可以在体外调节细胞行为。在一项皮肤衰老研究中，局部应用植物乳杆菌BEVs增加了真皮成纤维细胞密度和胶原蛋白含量，从而改善了皮肤弹性和减少了皱纹深度。BEVs已在细胞和疾病模型研究中被探索其免疫调节和应激反应效应。某些BEVs携带的肽聚糖和磷壁酸基序可与宿主细胞上的Toll样受体2（TLR2）结合，诱导抗炎状态并加强屏障功能。重要的是，BEVs可以保护细胞免受氧化损伤。口服的乳酸杆菌衍生EVs在小鼠结肠炎模型中改善了肠道炎症和屏障功能障碍。值得注意的是，BEVs包裹了许多本文讨论的有益因子，但其活性成分及其可重复性仍不确定。因此，BEVs应被视为一种新兴的细菌组分，需要严格的特征描述、毒理学、药代动力学和受控临床试验。

7. 挑战与展望

该领域面临若干挑战。标准化和可重复性是核心问题，需要严格的工艺控制或生物技术路线以实现关键抗衰老代谢物的一致生产。机制阐明同样紧迫，必须确定哪种代谢物驱动哪种效应。安全性和监管障碍需要谨慎处理，因为发酵草药产品和后生元介于食品和药品之间。最终，有效性证据将依赖于人体研究。由于衰老不是一种疾病，务实的设计可能侧重于年龄相关状况作为替代指标。最后，个性化反应可能影响转化成功，因为发酵产品与宿主微生物组或遗传学之间的相互作用可以调节功效。该领域有望利用尖端工具加速进展。代谢组学和转录组学分析有助于识别与发酵暴露相关的分子变化，而LAB的基因组编辑提供了一条操纵选定代谢物产量的途径。