研究發現不同種類的膳食纖維對人類健康有不同的益處
膳食纖維通過微生物組發揮作用，以改善心血管健康并預防代謝紊亂和癌癥。為了了解膳食纖維補充劑對健康的益處，我們研究了兩種流行的純化纖維，阿拉伯木聚糖 (AX) 和長鏈菊粉 (LCI)，以及五種纖維的混合物。我們提出了代謝組學、脂質組學、蛋白質組學、宏基因組學、細胞因子面板的多組學特征，以及對健康和胰島素抵抗參與者的臨床測量。每一種纖維都與依賴于纖維的生化和微生物反應有關。AX 消耗與 LDL 的顯著降低和膽汁酸的增加有關，有助于其觀察到的膽固醇降低。LCI 與雙歧桿菌的增加有關.然而，在最高 LCI 劑量下，肝酶丙氨酸氨基轉移酶的炎癥和升高會增加。這項研究深入了解了纖維補充劑的影響以及纖維誘導的膽固醇降低背后的機制，并顯示了單個純化纖維對微生物組的影響。
在人群層面，高纖維飲食可降低心臟病發作、中風和心血管疾病的風險。它們通過降低膽固醇使比吃西化飲食的人擁有更健康的血脂。膳食纖維主要是在植物（即水果、蔬菜、豆類、堅果、種子和谷物）中發現的碳水化合物，它們被腸道微生物群選擇性地代謝，但在其他方面不能被人類消化。一旦被膳食纖維滋養，微生物群就會參與許多有益的功能，包括將碳水化合物發酵成短鏈脂肪酸 (SCFA) ，合成重要的維生素 (即， K 和 B 族維生素），以及啟動免疫系統。了解膳食纖維如何影響微生物組，進而人類生物化學和生理學，對于有效使用膳食纖維補充劑來改善人類健康至關重要。
從化學角度上說，纖維在長度、支化、溶解度、電荷和其他特性上是不同的分子。它們通常被研究為來自植物來源的復雜混合物，這使他們的研究進一步復雜化。我們試圖了解純化的單個纖維成分的影響，并研究膳食補充劑對兩種常見且結構不同的可溶性纖維的生理影響：阿拉伯木聚糖 (AX)，常見于全谷物和其他植物的半纖維素，以及長鏈菊粉(LCI)，存在于洋蔥、菊苣根和菊芋中。AX 具有木糖主鏈和阿拉伯糖支鏈。分枝程度因植物而異，并影響其對微生物群的影響。此外，AX 結合了阿魏酸等酚類化合物，可通過潛在的抗氧化劑作用來減輕炎癥。另一種纖維 LCI 由帶有葡萄糖帽的果糖聚合物組成。菊粉可以是二聚體或聚合多達 60 個或更多果糖單元，相對于其較短鏈的低聚果糖對應物，選擇 LCI 用于長度超過 25 個單元的聚合物。LCI 缺少 AX 上存在的結合酚類化合物。最后，我們還在五種纖維的背景下分析了 AX 和 LCI，其中還包括葡甘聚糖、抗性淀粉和阿拉伯膠。
可溶性纖維單獨與健康益處相關，盡管根據植物來源和種群的不同，報告的結果相互矛盾。據報道，在人類和動物中，AX 可控制高血壓、降低低密度脂蛋白 (LDL)、降低總膽固醇、降低血糖水平和改善胰島素抵抗。已經提出了幾種纖維降低膽固醇作用的機制，包括膽固醇與纖維的直接結合，防止吸收。另一種建議的纖維降低膽固醇的機制是隔離腸道中的膽汁酸，從而抑制膽汁酸的重吸收。然后游離膽固醇被代謝以產生新的初級膽汁酸，從而導致膽固醇的系統性降低。所提出機制的廣度也表明，纖維可能具有幾種誘導低膽固醇血癥的機制。
LCI 增加雙歧桿菌屬的豐度——有時被認為是“健康微生物”——并減少便秘，以及改善糖尿病患者的空腹血糖和 HbA1C。它還被證明可以改善心臟、結腸和骨骼健康。然而，一些研究顯示幾乎沒有益處和其他人認為菊粉在高劑量下可能有害。例如，據報道，小鼠中 20% 的高水平 LCI 在長期暴露后會導致小鼠肝損傷并最終導致肝癌?？傊?，這些混合的研究結果突出了纖維補充劑的個性化性質、其對研究人群的依賴性、纖維劑量的重要性以及對纖維影響的更深入的機械理解的需要。
目前關于膳食纖維對腸道微生物組和宿主影響的文獻主要是通過全飲食干預和橫截面關聯。這些調查提供了對膳食纖維影響的理解；然而，他們只能對單個纖維的生理效應做出有限的結論，當然，在橫斷面研究中排除了因果推斷。純化纖維對腸道微生物組的影響已在有限數量的前瞻性人類干預研究中進行了測試，但由此產生的對宿主的影響系統生物學仍然是一個懸而未決的問題。有必要確定單根纖維對微生物組的純正影響，并建立相關的健康生物標志物，理想情況下是通過在同一個人身上測試不同的纖維。在這項研究中，我們通過分析糞便宏基因組學檢查了 AX、LCI 和纖維混合物的影響、血漿蛋白質組學、代謝組學、脂質組學、血清細胞因子和臨床價值。重要的是，我們的研究設計包括增加不同纖維之間的劑量和清除期，揭示了隊列范圍內的模式和對每種纖維的個體反應。這些結果對于確定單個纖維對人體健康和生理的影響具有重要意義。
該研究是一項縱向、隨機、交叉設計（如圖 1 所示），其中 18 名 IRB（23,602 名）同意的參與者（8 名男性和 10 名女性）定期在飲食中補充兩種纖維，AX 和 LCI，以及由等量的 AX、LCI、金合歡組成的纖維混合物口香糖、葡甘露聚糖和抗性淀粉。參與者被隨機分配首先服用 AX 或 LCI，并且總是最后服用混合纖維。對于所有纖維，每周的補充量從第一周（早餐時）10 克/天增加到第二周（早餐 10 克和晚餐時 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）。纖維系列之間包括一個 6-8 周的沒有纖維補充的“清除”期。我們使用純化纖維而不是全纖維食物，因為這最接近標準化干預，而且單一純化纖維會產生不受其他植物化學物質影響的效果。參與者還保留了食物日志，以便監測他們的整個飲食，包括來自其他來源的纖維。
圖1
參與者被隨機分為兩組，首先是 AX（下部結構）或 LCI（上部結構），最后是混合纖維。參與者每天攝入越來越多的纖維，持續 3 周。在基線、每周結束（第 1-3 周）和清洗期第 3 天和第 10 天（WD3 和 WD10）收集樣本。參與者在每個周期之間的 6-8 周內沒有服用纖維補充劑，以允許恢復到基線。在每個指定的時間點收集血液和糞便樣本，并進行組學和臨床分析。在這項研究中，參與者被要求在參加研究期間不要改變他們的飲食或飲食習慣。參與者被要求記錄基線時一周和補充 30 克纖維（即第 3 周）一周內消耗的所有食品和飲料項目。根據從參與者那里收集的食物日志，研究營養師使用 ESHA 食品加工機營養分析軟件（ESHA Research，Salem，OR）進行了營養分析，包括美國農業部的膳食研究食品和營養數據庫（FNDDS）。
纖維與改善代謝和心血管健康有關，但尚未使用多組學數據集研究了解單個纖維對微生物和代謝組學反應的影響。在調查臨床標志物（例如膽固醇和葡萄糖）的研究中，報告的結果有時不一致。使用交叉研究設計和對數千個標記和微生物途徑的深入分析，我們發現單個纖維可以在群體和個體水平上產生顯著而獨特的反應。
總體而言，AX 以劑量依賴的方式改善了脂質譜，降低了 LDL、總膽固醇和其他脂質。然而，個體反應各不相同，一些參與者發現膽固醇水平幾乎沒有變化。那些反應強烈的人表現出不同的全身反應，包括在他們的宏基因組中更多的酚酸代謝基因并降低臨床甘油三酯。在 LCI 補充期間，低劑量顯示細胞因子適度減少和通常被認為有益的細菌增加。然而，在 30 g 時，一些參與者經歷了細胞因子和肝酶 ALT 的峰值，這表明過多的這種纖維可能是有害的?？傮w而言，我們的研究結果表明，纖維的益處取決于纖維類型、劑量和參與者——由纖維、腸道微生物組和宿主之間的相互作用產生的一系列因素。這些結果對個性化響應和干預具有重要意義。
來自整個水果和蔬菜的異質纖維被認為對健康最有益，盡管尚未全面研究它們在發酵能力和其他化學性質方面的差異。在我們的研究中，混合纖維相對于單個纖維具有中間效應，表明這種特殊的纖維組合沒有協同作用。例如，纖維混合物顯示出與純化 AX 相似的膽固醇降低趨勢，但程度較小。此外，在補充 30g 混合纖維期間，細胞因子的一個子集會出現峰值，類似于 LCI，但程度較輕。幾種高纖維食物具有降低膽固醇的作用，我們的研究表明，這些降低可能是由未精制植物性食物中纖維混合物的個別成分驅動的。
當前研究的一些局限性值得注意。我們的混合纖維補充劑中沒有包含不溶性纖維，這可能會改變可溶性混合纖維的特性。此外，在我們的研究設計中，混合纖維總是出現在純化纖維之后，這可能會引入一個混雜變量。然而，我們在每次補充纖維之間包含了一個漫長的清除期，這使得這種情況不太可能發生。此外，我們的研究沒有將混合纖維補充劑與天然食品中混合纖維的消耗進行比較。因此，我們的結果可能會受到食用方式的影響，而全植物食品可能包括其他已知的植物化學物質和營養物質，這些植物化學物質和營養物質可以推動系統生物學朝著其他可能更健康的方向發展。
來自多種植物的 AX 可降低膽固醇，研究假設這是由于 AX 直接結合腸腔中的膽固醇，幫助膽固醇通過身體。我們的結果表明 AX 降低膽固醇與膽汁酸產生增加或膽汁中的其他變化有關。特別是，我們發現在補充 AX 期間膽汁酸增加。除了排出膽固醇池外，它們還充當膽固醇代謝的信號分子，結合受體 FXR 和 LXR，控制膽固醇代謝及其轉化為膽汁酸。這些受體在我們研究的參與者中受到優先調節，膽固醇降低幅度最大。與這一假設一致，膽汁酸與膽固醇和膽固醇酯呈負相關。
在 AX 補充期間，PC、PE、CE 和其他脂質也會減少。與膽固醇類似，這些脂質以卵磷脂的形式在膽汁中分泌，但不像膽汁酸那樣參與腸肝循環。因此，通過腸肝循環的膽汁中的脂質（即膽汁酸）增加，而不通過腸肝循環的脂質（即 PE、PC 和 CE）減少。這種增加的膽汁流量可能是由微生物組驅動的，因為許多膽汁酸與微生物組顯著相關。因此，我們發現 AX 通過改變微生物組，使膽汁酸池多樣化和擴大，增加膽汁流量，并改變膽汁成分——所有這些都有助于消耗膽固醇池。此外，在 AX 補充劑中，一些 CE 與排便頻率呈負相關，盡管膽固醇本身沒有。這表明增加排便的降膽固醇作用可能是由于膽固醇酯的通過。盡管排便頻率增加，但在 LCI 補充期間 CE 不會減少，表明這種現象是 AX 特有的。因此，我們建議要完全了解膳食纖維降低膽固醇的作用，應該考慮影響膽固醇水平的多種機制，包括膽汁的變化和由微生物產生次級膽汁酸驅動的膽汁酸池。
