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-正文-

我們知道腸道微生物群影響健康,。然而腸道的內(nèi)部工作機制較為復(fù)雜，不僅有各種微生物,，也包括它們產(chǎn)生的氣體,，比如二氧化碳,、氫、甲烷和硫化氫以及各種微量氣體,，都是由腸道內(nèi)的化學(xué)相互作用和微生物群產(chǎn)生的,。

分析這些腸道氣體及其對飲食變化的反應(yīng)可以揭示腸道微生物群的產(chǎn)物和功能及其對人類健康的影響。更好地理解腸道內(nèi)產(chǎn)生氣體的復(fù)雜相互作用將提高我們預(yù)防,、診斷,、治療和監(jiān)測許多胃腸道疾病的能力。

了解腸道氣體的生理學(xué),，無論是由微生物發(fā)酵還是化學(xué)活動產(chǎn)生的,，是了解其對人類健康影響的第一步,。

氣體和食物沿著腸道的運輸

主要的腸道氣體：

氮氣(N₂),、氧氣(O₂)、二氧化碳(CO₂),、氫氣(H₂),、甲烷(CH₄)

其他氣體（以微量濃度存在）：

硫化氫(H₂S)、一氧化氮(NO)和含硫化合物等

腸道氣體可溶解在腸道的液體成分中,，或以氣體形式保留在頂空氣體中,。氣體可能通過吞食進入腸道，也可能通過內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)或細菌發(fā)酵產(chǎn)生,。

在腸道中,，氧氣（完全）和N₂（大部分）來自吞食的空氣（盡管少量N₂是通過結(jié)腸中蛋白質(zhì)的微生物反硝化作用產(chǎn)生的）。由于N₂在通過腸道期間未被吸收或代謝,，因此其水平在整個胃腸道內(nèi)保持合理穩(wěn)定,。

相反，腸道在整個長度內(nèi)變得越來越無氧,，隨著管腔微生物數(shù)量的增加,，氧氣濃度逐步降低；因此,，結(jié)腸中的氧氣濃度非常低,。（見下圖 ↓↓）

• 胃和小腸

胃和小腸中的二氧化碳部分是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，雖然一些吞咽的呼吸性二氧化碳確實會與胃中的氣體成分混合,。

• 近端小腸

在近端小腸中,，碳酸氫鹽（HCO₃^?), 由胰腺分泌，與十二指腸胃食糜中的鹽酸（HCl）發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，使管腔內(nèi)pH值從酸性（~3）增加到接近中性（~7.4）,，并產(chǎn)生CO2.

• 遠端小腸和結(jié)腸

在遠端小腸和結(jié)腸中,，腸道氣體的產(chǎn)生主要來自微生物群。

個體之間氣體產(chǎn)生模式的巨大差異，并且與腸道微生物群的性質(zhì)和可用底物有關(guān),。產(chǎn)氣的底物主要是飲食,，但粘液和糖蛋白的內(nèi)源性分泌也起作用。

腸道微生物群是小腸和結(jié)腸產(chǎn)氣的來源,，其組成在個體內(nèi)部和個體之間存在相當(dāng)大的多樣性,。

雖然腸道微生物群的豐度比率差異很大，但五門涵蓋了每人約160種的絕大多數(shù),，其中大多數(shù)屬于擬桿菌門和厚壁菌門,。

• 擬桿菌屬細菌利用多種底物來產(chǎn)生氣體和進行一般代謝。

• 雖然厚壁菌門的細菌占結(jié)腸內(nèi)物種多樣性的一半以上,，但它們的全部功能,，特別是在發(fā)酵和產(chǎn)氣方面，尚未得到充分的探索,。

許多因素影響腸道微生物群的組成,。由于功能和微環(huán)境的變化，胃腸道中的位置決定了存在的微生物的數(shù)量和類型,。

胃中的微生物含量較低,，且大多限制在每毫升約10³個微生物細胞，而微生物數(shù)量沿腸道長度增加,，在結(jié)腸中達到每毫升10¹⁰–10¹²個微生物細胞,。

宿主因素，尤其是早期接觸,，在決定個體中發(fā)現(xiàn)的獨特細菌組合方面起著關(guān)鍵作用,。由于兩歲后腸道菌群組成更加穩(wěn)定，所以兩歲前后的氣體分布有很大的不同,。所產(chǎn)生的氣體的體積和分布在很大程度上取決于細菌和基質(zhì)的豐度,。

在健康人的胃腸道中，小腸近端產(chǎn)生的氣體含量最低,，而回腸和結(jié)腸的氣體含量明顯增加,。

盡管微生物成分多樣，但腸道微生物群總體具有類似于器官的關(guān)鍵功能特征,。膳食碳水化合物的微生物發(fā)酵主要導(dǎo)致氣體和短鏈脂肪酸的形成,，后者直接影響宿主的健康。腸道微生物群還產(chǎn)生一系列具有不同功能的酶,，包括復(fù)雜飲食基質(zhì)的降解,，從而影響氣體分布,。不同人群有不同情況，下一章節(jié)了解下病理生理學(xué)中的腸道氣體,。

闡明胃腸道癥狀和腸道氣體之間的精確關(guān)系是未來生成氣體特征庫的關(guān)鍵,，這些特征庫可用于預(yù)防、診斷和監(jiān)測胃腸道疾病,。

胃腸道氣體通常被認為是引起多種胃腸道癥狀的原因,，這些癥狀可能發(fā)生在健康人或胃腸道疾病患者身上。

排出氣體——打嗝放屁

過度打嗝可能是由于非自愿吸入食道的空氣排出（胃上打嗝）或吞咽的空氣或氣體飲料排出（胃打嗝）,。

排氣（脹氣）是正?，F(xiàn)象，但如果（或被認為）過多和/或惡臭,，則可能是一個問題,。過度脹氣是吃了富含不易消化但可高度發(fā)酵的碳水化合物的食物的癥狀之一。

然而,，一般來說,，腹脹伴或不伴腹痛與產(chǎn)氣過量無關(guān)，而是內(nèi)臟敏感性改變的表現(xiàn),，或者在某些個體中,，通過蠕動推進清除腔中氣體的能力。

例如,，在健康人和IBS患者中，服用乳果糖（一種不可消化的雙糖）與結(jié)腸產(chǎn)氣（如呼吸中H2水平顯著增加所示）和腹脹有關(guān),，但只有IBS患者出現(xiàn)疼痛和腹脹癥狀,。在攝入菊粉（一種高度發(fā)酵的益生元）后也有類似的發(fā)現(xiàn)，之后MRI顯示的氣態(tài)結(jié)腸擴張與IBS患者的疼痛有關(guān),，但在健康人中沒有,。

總的來說，排氣（放P）的一些原因如下：

腸道氣體也可能對腸道產(chǎn)生直接影響，除了通過所謂的氣體傳遞素效應(yīng)增加腸道容積的作用外,。例如,，CH₄在減緩胃腸運動中的作用或H₂S在調(diào)節(jié)運動和內(nèi)臟敏感性中的作用已被記錄。

微生物群和氣體分子在胃腸道炎癥和功能性疾病的發(fā)病機制中也具有重要作用,。腸道缺氧和氣態(tài)條件的調(diào)節(jié)會影響腸道微生物群及其功能,。這種方法有可能改變短鏈脂肪酸的產(chǎn)生，短鏈脂肪酸具有多種穩(wěn)態(tài),、抗炎,、抗傷害和抗致癌作用。

粘膜通透性決定胃腸道內(nèi)容物和體液交換的效率,，并受食物分解和加工的影響,。

在腸道中，氧化還原相關(guān)的氣體物質(zhì)是由化學(xué)反應(yīng),、酶反應(yīng)和細菌活動產(chǎn)生的,，而這些反應(yīng)反過來又改變了腸道粘膜的微生物生態(tài)系統(tǒng)。由于腸道的粘膜表面被各種微生物定植,，異常的粘膜定植可導(dǎo)致局部粘膜和免疫系統(tǒng)的改變,，進而導(dǎo)致胃腸道疾病的發(fā)病機制。 

攝入可能改變微生物群落結(jié)構(gòu)的膳食成分,，單獨或添加益生元和益生菌,，可以潛在地逆轉(zhuǎn)黏膜定殖腸道菌群的病理變化。 

此外,，腸粘膜的健康對熱應(yīng)激高度敏感,，熱應(yīng)激可改變粘膜血流。血流量越高,，通過粘膜溶解到血液中的氣體越多,，從而能夠通過血流量更有效地清除腸道氣體。通過使用提高氣體滲透性的膳食添加劑,，如肉桂,，可以改善粘膜完整性。

IBD

與健康對照組相比，IBD患者的H₂S,、NO和VOCs（如氨,、胺、戊烷,、乙烷,、丙烷、辛烯,、甲基己烷和癸烯）水平有所升高,。

已證明，飲食中的氨基酸組成和蛋白質(zhì)消化率在改變IBD患者糞便中的VOC分布方面具有關(guān)鍵作用,。此外,，H₂S通過其對平滑肌的作用參與結(jié)腸順應(yīng)性的調(diào)節(jié)，并與結(jié)腸傷害性感受和IBD有關(guān),。

腸道氣體由化學(xué)或腸道微生物群產(chǎn)生,，根據(jù)其類型，可能對腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定產(chǎn)生一系列影響,。

當(dāng)胰腺中含有HCO₃^-時,，上消化道會產(chǎn)生CO₂ 與胃中的鹽酸反應(yīng)，大部分被吸收和/或排出,。每次攝入食物后,，在胃中或腸道其他部分（未被微生物群緩沖）都會產(chǎn)生CO₂。

此外,，CO₂是遠端小腸和結(jié)腸中碳水化合物細菌發(fā)酵過程中產(chǎn)生的主要氣體,。

二氧化碳是一種惰性氣體，因此,，除了通過體積相關(guān)效應(yīng)進行機械刺激外,，可能沒有其他特殊作用。與其他氣體相比,，它被被動吸收到循環(huán)中的速度相對較快，然后通過呼氣排出,。

細菌發(fā)酵是腸道產(chǎn)生H₂的主要來源,，產(chǎn)氫氣的菌：

羅氏菌屬Roseburia，瘤胃球菌屬Ruminococcus,，真桿菌屬Eubacterium,，梭狀芽孢桿菌屬，擬桿菌屬

當(dāng)腸道厭氧菌使用未完全氧化的營養(yǎng)基質(zhì)（如丙酮酸鹽）作為末端電子受體,，部分減少它們以產(chǎn)生能量時,，就會發(fā)生發(fā)酵；還原的吡啶和黃嘌呤核苷酸被再氧化以維持氧化還原平衡（下圖）。

細菌產(chǎn)氫的其他途徑包括丙酮酸裂解成甲酸鹽或丙酮酸通過丙酮酸合成酶（如丙酮酸-鐵氧還蛋白氧化還原酶）和氫化酶的活性生成,。

氫氣的產(chǎn)生通過三個主要機制進行調(diào)節(jié),。

Methanobrevibacter smithii是人類腸道微生物組中數(shù)量最多的產(chǎn)甲烷菌，在糞便中的含量高達 10⁹ CFU/g.  研究表明,，在結(jié)腸樣本中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌的比例范圍從 < 10³到超過 10⁹ CFU/g糞便,。

最近，發(fā)現(xiàn)了一種新的甲烷形成途徑,，它使用細菌鐵固氮酶從 CO₂ 中產(chǎn)生甲烷,。純鐵固氮酶存在于多種微生物中，可能通過向厭氧代謝CH₄的古菌和好氧嗜甲烷菌提供CH₄,，作為碳源和能量源,，在調(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用。

在結(jié)腸中,，產(chǎn)甲烷菌并不是唯一能夠利用 H₂的微生物群,。硫酸鹽還原菌能夠還原硫酸鹽作為其末端電子受體，形成硫化氫氣體（H₂S 或 HS^-）,。這種生化途徑能夠利用來自眾多電子供體的還原當(dāng)量,，包括：乳酸、丙酮酸,、乙醇,、甲酸、短鏈脂肪酸和氨基酸,。與產(chǎn)甲烷類似,，硫酸鹽還原為硫化氫氣體是通過電子傳遞鏈進行的。

在脫硫弧菌屬中發(fā)現(xiàn)了對 H₂具有最高活性和親和力的硫酸鹽還原菌,，其含量為10⁴ –10¹¹ CFU/g 濕重,。

•  在利用氫氣方面，硫酸鹽還原菌勝過產(chǎn)甲烷菌

由于腸道微生物群中的硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌競爭相同的 H₂ ,，決定性因素是用于硫化氫生產(chǎn)的硫酸鹽的可用性,。然而，從能量上講,，硫化氫生成是比甲烷生成更有利的反應(yīng),。人類糞便樣本的篩選試驗表明,，患者通常攜帶產(chǎn)甲烷菌或硫酸鹽還原菌，但在H₂豐富的情況下,，有報告稱兩者都存在并具有活性,。

在小鼠模型中比較產(chǎn)甲烷菌和H₂S生成的體內(nèi)研究證實，當(dāng)產(chǎn)甲烷菌和H₂S生成菌都存在時,，并且在可用硫酸鹽豐富的地方,，H₂S生成占主導(dǎo)地位，可行的產(chǎn)甲烷菌低于檢測限值,。通過減少可用硫酸鹽的數(shù)量,，甲烷生成已被證明是可回收的，這表明H₂S生產(chǎn)和甲烷生成之間存在直接的反向聯(lián)系,，并證實硫酸鹽還原菌在利用氫氣方面勝過甲烷生成菌,。

利用腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)生的H₂的第三種機制是通過產(chǎn)乙酸作用，這是細菌利用分子H₂作為還原當(dāng)量來源將CO₂還原為乙酸鹽的途徑,。

WLP是一種多步驟酶促途徑,，利用八種還原當(dāng)量和兩種CO₂形成醋酸鹽（下圖）。整個反應(yīng)產(chǎn)生的能量甚至低于產(chǎn)甲烷或硫化物生成,，ΔG′=?95kJ/mol. 在乙酰輔酶A最終底物水平磷酸化為乙酸鹽期間,，ATP由ADP生成。

然而,，最近有人提出,，它可能是一種再生氧化吡啶核苷酸和Fd以維持細胞內(nèi)氧化還原平衡的方法，而不是作為能量產(chǎn)生途徑的乙酸生成,。許多產(chǎn)乙酸細菌存在于電子受體稀缺的厭氧環(huán)境中,，產(chǎn)乙酸細菌通過WLP將CO₂用作電子受體的能力使其具有競爭優(yōu)勢。此外,，大多數(shù)丙酮能夠使用許多不同的電子受體和電子供體,，使它們能夠很好地適應(yīng)其環(huán)境的能量和氧化還原要求。

微生物群產(chǎn)生的H₂可通過飲食調(diào)節(jié),。例如,，難以消化的膳食碳水化合物的發(fā)酵通常會增加H₂的產(chǎn)生（在下一章節(jié)詳述）。H₂與其他氣體的比率也可能因膳食發(fā)酵基質(zhì)的可用性而不同,。例如,，纖維素和玉米麩皮可增加H₂產(chǎn)量，但不影響CH₄產(chǎn)量,。

當(dāng)產(chǎn)甲烷古細菌使用H₂或甲酸鹽作為電子供體還原CO₂或甲醇時，會產(chǎn)生管腔CH_4.

▌結(jié)腸產(chǎn)甲烷菌豐度的個體間差異很大

在人類胃腸道中,，史密斯產(chǎn)甲烷短桿菌（Methanobrevibacter smithii）是負責(zé)將CO2和H2轉(zhuǎn)化為甲烷的主要產(chǎn)甲烷菌,。在呼吸中檢測到甲烷導(dǎo)致將個體分類為“甲烷生產(chǎn)者”或“甲烷非生產(chǎn)者”。然而，由于在許多甲烷非產(chǎn)生者的糞便中仍發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌,，這種分類似乎是人為的,，甲烷的檢測可能與呼吸中是否產(chǎn)生足夠水平的甲烷有關(guān)。每克糞便中存在濃度>1×10⁸菌落形成單位（CFU）的產(chǎn)甲烷菌已被認為是導(dǎo)致呼吸中甲烷可檢測水平的必要條件,。

▌CH₄的產(chǎn)生也受飲食基質(zhì)的數(shù)量和類型的影響

例如,，在健康人群中，飲食中含有大量不易吸收和消化的可發(fā)酵短鏈碳水化合物（稱為FODMAPs）,，導(dǎo)致CH₄生成量顯著減少,，H₂量相應(yīng)增加（通過呼吸試驗檢測到）。這種效應(yīng)在IBS患者中并不顯著,，IBS患者的氣體總量減少與癥狀的產(chǎn)生高度相關(guān),。此外，攝入木聚糖和果膠會增加CH₄的呼吸水平,，而乳果糖則不會,。

由于不同地區(qū)不同人群的腸道微生物群和飲食模式差異很大，因此被歸類為CH₄產(chǎn)生者的人口比例因種族而異也就不足為奇了,。例如,，一半的以色列成年人口和高比例的北非和中東個人是CH₄生產(chǎn)商，而在西方人口中,，只有三分之一的個人是CH₄生產(chǎn)商,。

在CH₄生產(chǎn)者隊列中，CH₄產(chǎn)量隨著年齡的增長而增加,。事實上,，在3歲之前沒有檢測到呼吸CH₄，但從近0%增加到6%,。以色列3-4歲年齡組為4%,，8-14歲年齡組為18%，成人約為50%.

▌ CH₄作為一種氣體傳遞素也具有生理效應(yīng)

事實上,，CH₄減緩結(jié)腸運動,，與便秘有關(guān)。此外,，由于CH₄的存在將其“母體”分子（H₂和CO₂）占據(jù)的體積減少了約20%,，因此減少了體積效應(yīng)。CH₄還抑制胃腸運動,，這一點可以從它與慢傳輸便秘的密切關(guān)系中看出,。

在臨床環(huán)境中，診斷試驗中呼氣中CH₄譜的價值比H₂更具爭議性,，但在診斷試驗碳水化合物吸收不良（例如,，IBS患者）時,，當(dāng)個體對不可消化的碳水化合物沒有產(chǎn)生可測量的H₂呼氣水平時，CH₄譜在診斷試驗中具有作用,。因此,，CH₄測量通常與H₂分析一起使用，以提高診斷的整體準(zhǔn)確性,。

人體內(nèi)硫化氫的生物生成主要通過兩條途徑進行：內(nèi)源性專門酶和作為腸道微生物群內(nèi)微生物代謝途徑的終產(chǎn)物或中間產(chǎn)物,。

 ◥ 途徑一：來自微生物群的硫化氫

腸道微生物組代謝半胱氨酸和蛋氨酸，以產(chǎn)生含硫結(jié)構(gòu),、代謝物,、信號分子和細胞能量學(xué)。硫酸鹽還原細菌利用硫代硫酸鹽生成硫化氫,。在結(jié)腸腔內(nèi),，幾種細菌能夠?qū)ys轉(zhuǎn)化為H₂S。

許多菌群(梭桿菌屬,、梭菌屬,、大腸桿菌屬、沙門氏菌屬,、克雷伯氏菌屬,、鏈球菌屬、脫硫弧菌屬,、腸桿菌屬)通過半胱氨酸脫硫酶將Cys轉(zhuǎn)化為H₂S,、氨和丙酮酸。

特別是,，大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌缺乏將蛋氨酸轉(zhuǎn)化為半胱氨酸的酶,。因此，這些物種不能使用蛋氨酸作為生長的來源,。

相比之下,，梭桿菌至少有四個基因編碼催化H₂S產(chǎn)生的不同酶。

微生物群的存在不僅與某些腸道（結(jié)腸和盲腸）中的游離H₂S濃度較高有關(guān),，而且與血漿中的游離H₂S濃度較高有關(guān),。

一種可能的解釋是，細菌產(chǎn)物泄漏到血液中,，并誘導(dǎo)產(chǎn)生H₂S的酶,。另一種可能性是，在常規(guī)小鼠的血液和組織中發(fā)現(xiàn)的H₂S生物等效物的一部分是由腸腔中的硫代謝細菌產(chǎn)生的,。此外,，個人飲食的特點和組成可能會對腸道中的硫鋁酸鹽濃度產(chǎn)生影響。

 ◥ 途徑二：內(nèi)源性產(chǎn)生H₂S的酶

哺乳動物內(nèi)源性產(chǎn)生硫化氫由三種酶進行：

CBS,、CSE,、MST

注：CBS 胱硫醚β合酶,；CSE 胱硫氨酸γ-裂解酶；

MST 3-巰基丙酮酸硫轉(zhuǎn)移酶

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• CBS 主要表達于腦,、肝,、腎和胰腺。

• CSE 主要表達于肝臟,、腎臟,、胸主動脈、回腸,、門靜脈,、子宮、大腦,、胰島和胎盤,。最近的研究，CSE是外周血管系統(tǒng)中H2S的主要來源,，在大腦中表現(xiàn)出適度的存在和活動,。

• MST 主要表達于肝臟、腎臟,、心臟,、肺,、胸腺、睪丸,、胸主動脈和大腦,。

一旦進入循環(huán)，H₂S主要通過腎臟以游離或結(jié)合硫酸鹽的形式排出,。

 ◥ 其他途徑

紅細胞還通過無機和有機多硫化物產(chǎn)生硫化氫據(jù)估計,，紅細胞在恒定濃度為170μmol/(L cells)/min的時候可產(chǎn)生H₂S。人類紅細胞通過葡萄糖支持,、巰基和谷胱甘肽依賴反應(yīng)將大蒜衍生的有機多硫化物轉(zhuǎn)化為H₂S,。

線粒體酶半胱氨酰tRNA合成酶（CARS2）在催化Cys轉(zhuǎn)化為Cys-per/多硫化物物種中起主要作用。

用NADPH作為電子源,，硫氧還蛋白和GSH酶機制可有效地還原Cys/多硫化物,。因此，這些非標(biāo)準(zhǔn)酶途徑可能有助于細胞產(chǎn)生大量H₂S,。

血液中也顯示H₂S的非酶生成,，對前體代謝物半胱氨酸具有特異性。該反應(yīng)對全身基礎(chǔ)H₂S濃度的影響很小,，但在以釋放鐵升高為特征的病理條件下（如溶血性和出血性疾?。┛赡苁怯泻Φ摹?/p>

硫化氫的分解代謝主要通過線粒體中的氧化途徑發(fā)生,，同時產(chǎn)生ATP,。H₂S氧化發(fā)生在多種哺乳動物組織中，包括肝臟,、腎臟,、心臟和結(jié)腸細胞。

硫化氫的氧化途徑

在線粒體基質(zhì)中,，SQR將H2S氧化為GSSG,，并將衍生電子轉(zhuǎn)移到呼吸鏈，從而減少輔酶Q并驅(qū)動ATP合成,。GSSG通過SDO進一步氧化形成亞硫酸鹽,。或者,，硫氰酸酯催化GSSG,，形成硫代硫酸鹽陰離子。下一步,，產(chǎn)物亞硫酸鹽和硫代硫酸鹽陰離子被亞硫酸鹽氧化酶氧化為硫酸鹽,。

 SQR=硫化物醌氧化還原酶，SDO=過硫化物雙加氧酶，

 SO=亞硫酸鹽氧化酶,， GSSH=谷胱甘肽過硫化物

◥ 維生素B6的缺乏降低糞便中硫化氫

研究表明,，在飲食中缺乏維生素B6（一種CSE和CBS輔助因子）可使糞便中的硫化氫減少50%。飲食中維生素B6的缺乏顯著降低了糞便中硫化氫的水平,，可能是由于抑制了結(jié)腸組織中硫化氫的酶合成,。

在六周缺乏維生素B6的飲食后，糞便中的硫化氫水平恢復(fù)到了與對照組相同的水平,。這表明,，通過增加硫酸鹽還原菌活性，無菌小鼠腸道中硫化氫的生成向非酶途徑轉(zhuǎn)移,。

◥ 多酚提取物

營養(yǎng)食品多酚（漿果提取物）可將H₂S氧化為有效的抗氧化多硫化物，從而引發(fā)細胞保護作用,。該機制表明,，多酚會自動氧化為相應(yīng)的半醌類物質(zhì)，然后與H₂S反應(yīng)生成巰基,，最終形成多硫化物和硫代硫酸鹽,。

H₂S在低濃度下具有保護作用，但在高濃度下具有有害作用,。這一悖論反映在：

一方面,，H₂S作為一種氣體遞質(zhì)，可能有助于調(diào)節(jié)腸道的細胞過程,，如炎癥,、運動、上皮分泌和痛覺,。 

H₂S可用于治療結(jié)腸炎,，起到減少失調(diào)和幫助粘液層重建的作用。

而另一方面,，H₂S是一種有毒氣體,，在高濃度下被視為健康危害。

它對人體組織具有潛在毒性,，尤其是與NO一起存在時,，由于其損害β-氧化和脂質(zhì)及蛋白質(zhì)合成的綜合作用，但它具有重要的細胞信號特性,。 

一項實驗檢測了結(jié)腸中H₂S可用性的增加對大鼠血流動力學(xué)的影響,。Na₂S(一種H₂S供體)結(jié)腸內(nèi)給藥可產(chǎn)生強效、持久的降壓作用,，其持續(xù)時間是此前報道的腸外輸注后的數(shù)倍(>90分鐘),。

有趣的是，高血壓大鼠的動脈血壓比正常大鼠下降更明顯,。此外,，新霉素組大鼠硫代硫酸鹽和磺胺硫含量顯著降低,，對Na₂S的降壓反應(yīng)有增強趨勢。這些數(shù)據(jù)表明,，腸道來源的H₂S可能產(chǎn)生全身效應(yīng),，結(jié)腸H₂S穩(wěn)態(tài)的變化可能與高血壓有關(guān)。

該研究中低血壓的作用最可能是由于外周血管舒張和心率降低,。相反,，小腸血流的局部變化不是H₂S依賴性低血壓的可能原因。結(jié)腸內(nèi)H₂S供體的血流動力學(xué)影響伴隨著門靜脈而非外周血H₂S氧化產(chǎn)物水平的升高,。因此,，腸道H₂S的全身效應(yīng)似乎是由一些肝臟依賴機制或結(jié)腸H₂S對腸道神經(jīng)系統(tǒng)的影響產(chǎn)生的。

硫化氫(H₂S)對心血管作用的推測途徑

一氧化氮是研究最多的生物遞質(zhì)之一。

目前有明確證據(jù)表明,，腸道細菌通過厭氧反硝化作用也會產(chǎn)生NO,，潰瘍性結(jié)腸炎患者的NO水平升高。

首先是硝酸鹽亞硝酸鹽NO途徑,。硝酸鹽被共生口腔細菌還原為亞硝酸鹽,，腸道細菌通過非酶酸性還原或亞硝酸鹽還原酶進一步還原亞硝酸鹽。最后,，腸粘膜表達NO合酶,，該合酶合成NO將l-精氨酸轉(zhuǎn)化為l-瓜氨酸。NO的循環(huán)效應(yīng)主要是通過各種組織的酶促生成來評估的,。

研究還發(fā)現(xiàn),，益生菌乳酸桿菌和雙歧桿菌通過降低腸道pH值，增加非酶亞硝酸鹽還原,，在腸道NO生成中發(fā)揮作用,。相比之下，脫硫弧菌將NO轉(zhuǎn)化為硝酸鹽,。

許多研究表明內(nèi)源性產(chǎn)生的NO廣泛參與自主神經(jīng)系統(tǒng)和腸道神經(jīng)系統(tǒng),，以及其在胃腸道穩(wěn)態(tài)中的功能。

NO在動脈和靜脈中形成，有助于控制血流,。證據(jù)表明NO作為炎癥介質(zhì)促進胃腸平滑肌的非腎上腺素能非膽堿能抑制,。

NO也可能在腸道中作為神經(jīng)遞質(zhì)或神經(jīng)調(diào)節(jié)劑發(fā)揮作用，而內(nèi)源性NO可能介導(dǎo)胃粘膜保護和調(diào)節(jié)胃粘膜血流,。刺激NO生成的藥物已被用于預(yù)防急性粘膜損傷,，雖然目前還不知道這種治療策略的進展。

許多研究表明一氧化碳在循環(huán)系統(tǒng)中所起的作用的重要性,。與 NO 和 H₂S 類似,，已發(fā)現(xiàn) CO 具有血管舒張和心臟保護作用。

CO 是在血紅素加氧酶 (H2O) 催化的反應(yīng)中產(chǎn)生的,。誘導(dǎo)型 H2O (HO-1) 和組成型 H2O (HO-2) 主要用于哺乳動物組織中的內(nèi)源性 CO 產(chǎn)生,。在胃腸系統(tǒng)中，CO 可能由表達 HO-1 的腸粘膜產(chǎn)生,。此外,，據(jù)報道，腸道微生物群（大腸桿菌）也表達 HO 同源物并在小鼠中誘導(dǎo) HO-1 的結(jié)腸表達,。腸道源性 CO 對體循環(huán)的可能影響仍有待闡明。

哺乳動物的腸道內(nèi)由幾種細菌和胃腸道組織形成大量的氨(NH₃),。事實上,，腸道菌群脲酶對尿素的降解(約7 g/天)是體內(nèi)約50%的總氨氮的來源。人體腸道中NH3的產(chǎn)生速率為4-10 g/天,。未結(jié)合的NH₃或隨糞便(~5 ~ 25 μg/g)排出,，或被腸道菌群轉(zhuǎn)化為氨基酸，或被GBB吸收,。健康人血漿游離NH₃濃度約為35 μmol/L,。循環(huán)NH₃可以在肝臟中轉(zhuǎn)化為尿素或谷氨酰胺，也可以隨尿液排出(2-3毫克/天),。

與高氨血癥相關(guān)的肝臟疾病和相關(guān)的神經(jīng)毒性作用已經(jīng)得到了很好的描述,，肝功能衰竭患者經(jīng)常使用抗生素治療，如新霉素,，以清除腸道污染,，減少細菌產(chǎn)生NH₃。

一些證據(jù)表明,，NH₃可能會影響循環(huán)系統(tǒng)的控制,。例如，有報道稱NH₃對離體大鼠心臟有正性肌力作用,。此外,，已有研究發(fā)現(xiàn)，健康成人吸入NH₃可導(dǎo)致腦血管擴張，但不影響動脈血壓,。最后,，肝衰竭患者血漿NH₃水平升高。

以上是對幾種主要的腸道氣體的產(chǎn)生及其功能的闡述,，下一章節(jié)我們來了解飲食對氣體分布的影響,。

迄今為止，習(xí)慣性飲食已被證明對腸道微生物群的組成有重大影響,，因此,，長期內(nèi)對氣體分布有重大影響。此外,，已經(jīng)證明,，通過使用大幅度增加的飲食基質(zhì)的短期飲食變化，腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)是可能的,。

這些效應(yīng)可能是非特異性機械感受器反應(yīng)的結(jié)果，繼發(fā)于管腔拉伸,。然而,，這種機械感受器反應(yīng)也可能是由食物的體積效應(yīng)、管腔含水量（由于食物的滲透效應(yīng)而增加）,、食物中包含的氣體（例如碳酸飲料）,、吞食的空氣（N₂沒有被吸收或代謝，有證據(jù)表明它主要向遠端移動）或腔內(nèi)產(chǎn)生氣體（化學(xué)反應(yīng)或細菌發(fā)酵）引起的,。

攝入食物后腸道擴張也會導(dǎo)致內(nèi)臟-軀體反射,，這可能會改變前壁肌肉組織和膈肌的激活，并相應(yīng)改變腹腔容積,，可能導(dǎo)致胃腸道癥狀,。然而，腸易激綜合征發(fā)病機制中氣體產(chǎn)量和容量增加的直接作用仍存在爭議,。

在與食物攝入相關(guān)的潛在氣體來源中,，只有從空氣中吞下的N₂和腸道發(fā)酵產(chǎn)生的氣體可能會使腸道膨脹。雖然吞咽的空氣在臨床上很難調(diào)節(jié),，但在大多數(shù)IBS患者中,，選擇易發(fā)酵、緩慢吸收或難以消化的短鏈碳水化合物含量較低的食物會導(dǎo)致氣體生成減少（如呼吸中H₂排泄減少所示）和癥狀改善,。

? 食物的選擇影響排氣

食物選擇對每個肛門通過的腸道氣體量有重大影響.例如,，當(dāng)在飲食中限制發(fā)酵底物時,，健康個體和功能性腸道疾病患者每天的總排氣量平均<300ml。當(dāng)健康志愿者被喂食富含可發(fā)酵,、不可消化基質(zhì)（包括每天200克烤豆）的飲食時,，這一體積增加到每天500–1500毫升。

食物的選擇也會影響腸胃的氣味,，這通常與蛋白質(zhì)發(fā)酵的程度以及隨后產(chǎn)生的含硫微量氣體有關(guān),。

因此，通過調(diào)節(jié)大量營養(yǎng)素攝入（膳食碳水化合物,、蛋白質(zhì)和脂肪）進行飲食操作可以改變腸道氣體分布,。下面詳細了解這三大類營養(yǎng)物質(zhì)。

膳食碳水化合物是不同長度和大小的碳基分子,。在一般的西方飲食中,，估計每天有40克的膳食碳水化合物在小腸中逃逸宿主酶消化和吸收，到達腸道的發(fā)酵部分,。

? 小腸

在小腸中,，只有單糖被直接吸收，吸收過程的效率因單糖而異,。例如,，葡萄糖和半乳糖被迅速吸收，而果糖被緩慢吸收,，除非存在至少等摩爾濃度的葡萄糖,。當(dāng)過量的果糖負荷過大、通過小腸的速度過快或小腸吸收糖的能力減弱時,，就會發(fā)生果糖吸收不良，這是一種生理上的正常事件,。從淀粉酶介導(dǎo)的淀粉消化過程中釋放的膳食雙糖（如乳糖和蔗糖）和低聚糖需要在吸收前通過刷狀緣酶消化,。因此，當(dāng)這些酶的活性較低時,，它們的吸收就會失敗,，如乳糖酶或蔗糖酶-異麥芽糖酶缺乏。

其他低聚糖（如低聚果糖和低聚半乳糖）和非淀粉多糖由于小腸中缺乏合適的水解酶而不能消化,，因此根本不能被吸收,。

? 結(jié)腸

未被吸收的碳水化合物到達富含細菌的結(jié)腸，在那里可以發(fā)酵,。一般來說,，短鏈碳水化合物的發(fā)酵速度比長鏈碳水化合物（即聚合度（DP）大于10的碳水化合物）更快，在較短的時間內(nèi)產(chǎn)生更多的氣體,。

非淀粉多糖的溶解度和發(fā)酵性差異很大,。碳水化合物結(jié)構(gòu)的這種異質(zhì)性,，以及由此導(dǎo)致的小腸對碳水化合物的處理和在結(jié)腸中的命運，導(dǎo)致了三個功能概念：FODMAP,、纖維和益生元概念,。

? FODMAP

FODMAP是短鏈（DP<10）、緩慢吸收或難以消化的碳水化合物,，易于發(fā)酵,。在腸道中，F(xiàn)ODMAP具有滲透活性,，導(dǎo)致小腸管腔含水量增加,，并在近端結(jié)腸中發(fā)酵，產(chǎn)生氣體,。因此,，由于過量含水量或氣體產(chǎn)生的體積效應(yīng)，攝入FODMAP與管腔擴張有關(guān),。

當(dāng)內(nèi)臟過敏出現(xiàn)時,，攝入FODMAP可能會出現(xiàn)腹痛、腹脹和排便習(xí)慣改變等癥狀,。過量攝入FODMAPs可促進H₂的生成而不是CH₄,，減少FODMAPs可促進CH₄的生成而不是H₂，可能與H₂的生成速率有關(guān),。減少FODMAPs的飲食攝入現(xiàn)在是緩解此類癥狀的關(guān)鍵循證飲食療法,。

?  纖維

纖維有許多定義，但通常包括DP大于2的吸收不良或難以消化的碳水化合物,，因此包括許多FODMAP,。

纖維在胃腸道松動中起著關(guān)鍵作用，特別是通過擴大細菌數(shù)量和在管腔內(nèi)保留水分,，以及通過增加管腔傳輸速度,，引起結(jié)腸內(nèi)容物膨脹。

然而,，纖維在溶解度,、發(fā)酵性和鏈長方面具有高度的異質(zhì)性，因此它們對結(jié)腸生理學(xué)有著廣泛的影響,。

纖維發(fā)酵的位置最終取決于其鏈長以及是否與其他類型的纖維一起施用,。如果單獨服用，容易發(fā)酵的低聚糖和高度發(fā)酵的長鏈纖維,，如某些形式的抗性淀粉和燕麥麩皮,，大部分在近端結(jié)腸中發(fā)酵。

相反,，緩慢發(fā)酵的纖維,，如麥麩纖維,，在整個結(jié)腸內(nèi)發(fā)酵。建議攝入緩慢可發(fā)酵或不可發(fā)酵的纖維（如不可發(fā)酵的可溶性纖維梧桐和甲基纖維素）以及易發(fā)酵的纖維（如高直鏈淀粉）,，以將纖維發(fā)酵的位置向遠端移動,，改善大腸各區(qū)域的發(fā)酵分布。

?益生元

益生元被定義為“宿主微生物選擇性利用的具有健康益處的底物”,。目前,，益生元主要局限于低聚果糖、低聚半乳糖,、低聚木糖,、菊糖和抗性淀粉，在較小程度上,，因為大多數(shù)纖維導(dǎo)致細菌的非特異性增殖,。益生元的代謝（發(fā)酵）主要釋放氣體。

因此,，為了達到臨床效果（如促進松弛,、減少氣體形成或改變腸道微生物群的相對組成），對膳食碳水化合物和腸道氣體的調(diào)控需要考慮多個方面,。

大部分膳食蛋白質(zhì)被上消化道的內(nèi)在酶分解并吸收,，估計每天有12-18克剩余的未消化殘余蛋白質(zhì)到達結(jié)腸。

在結(jié)腸中,，這些蛋白質(zhì)的代謝通過兩條主要途徑進行,。細菌可以分解結(jié)腸中的蛋白質(zhì),，并利用產(chǎn)生的氨基酸生物合成結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)或其他細菌蛋白質(zhì),?；蛘撸鞍踪|(zhì)可以由細菌發(fā)酵,，這一過程產(chǎn)生的代謝物比碳水化合物發(fā)酵產(chǎn)生的代謝物更加多樣化,。例如，在缺乏氧氣的情況下,，梭菌屬和梭桿菌屬（嚴格或兼性厭氧細菌）可以利用氨基酸進行發(fā)酵。該工藝的產(chǎn)出包括短鏈脂肪酸,、支鏈脂肪酸（如異丁酸,、2-甲基丁酸和異戊酸）、H₂,、CO₂和氨以及少量H₂S,、甲硫醇、酚,、醇和有機酸的生產(chǎn),。

暴露于膳食蛋白質(zhì)會改變微生物組的多樣性和組成,。然而，增加蛋白質(zhì)輸送到腸道微生物群的主要影響似乎是改變參與氨基酸降解的微生物的代謝特征,。

在蛋白質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生的氣體代謝物中,，糞便中的氨濃度可能被用作有價值的蒸汽生物標(biāo)記物，因為氨濃度會隨著蛋白質(zhì)攝入量的增加而增加（10–30 mmol/l）,。

H₂S也是蛋白質(zhì)發(fā)酵的一個潛在有用的生物標(biāo)志物,，因為它的管腔濃度在食用富含肉類的食物的人身上增加，并且在體外新鮮排出的糞便中添加半胱氨酸會顯著刺激H₂S的產(chǎn)生,。然而,，了解蛋白質(zhì)發(fā)酵對宿主生理學(xué)和病理生理學(xué)的影響仍處于早期階段，進一步了解需要良好控制的人類干預(yù)研究,。

由于多達7%的膳食脂肪在小腸中未被吸收,，腸道微生物群暴露于相當(dāng)數(shù)量的膳食脂質(zhì)中。迄今為止,，只有少數(shù)研究調(diào)查了膳食脂肪對人體腸道微生物群的影響,，幾乎沒有一項研究關(guān)注氣體的產(chǎn)生。

據(jù)報道,，高脂肪飲食的攝入與人類糞便短鏈脂肪酸水平和雙歧桿菌數(shù)量的大幅下降有關(guān),；然而，在這項研究中,，碳水化合物的攝入沒有得到控制,。

在小鼠中，高脂肪飲食引起的微生物群變化似乎是可逆的,，不太可能歸因于肥胖表型本身,。在小鼠中，高脂肪飲食也會引起腸道的低度炎癥,。這種變化可能會改變氣體剖面,，但這一假設(shè)需要未來的具體研究。

目前,，對腸道氣體分布及其隨時間和整個腸道長度的變化的了解還較為膚淺,，主要是因為大多數(shù)腸道氣體測量方法要么是間接的，要么是高度侵入性的,。了解這些氣體分布將增強我們對食物和藥物對人體影響的認識,。腸道氣體的評估可能是未來具有較高診斷和/或監(jiān)測價值的疾病生物標(biāo)記物。

通過腸道菌群檢測,，了解與氣體產(chǎn)生相關(guān)菌的代謝,，也可以側(cè)面反映腸道氣體的情況，在預(yù)防,、診斷和干預(yù)疾病的所有階段可將其正確利用作為參考,。

附錄：

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主要參考文獻：