JAFC | 李士明教授：黄酮醇的生物转化和肠道微生物介导的生物活性

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Introduction

膳食中的黄酮醇广泛分布于蔬菜和水果中，尤其富含于洋葱、苹果、一些绿叶蔬菜和红酒。黄酮醇的平均每日摄入量估计在20~40 mg之间，但在一些国家，如韩国、中国和波兰，黄酮醇的日摄入量可能超过60 mg。黄酮醇是全世界黄酮类化合物中消耗量第三大的亚类，占黄酮类化合物总摄入量的7%~9%，仅次于黄烷醇 (>80%) 和黄烷酮 (8%~10%)。尽管摄入量很高，但与黄酮醇消耗相关的主要问题是其口服生物利用度低，主要原因是大部分黄酮醇不能以其完整形式被吸收，而是由肠道微生物群和哺乳动物 II 相酶介导的新陈代谢，这意味着一旦摄入，它们将经历密集的代谢过程，包括肠道中的去糖基化以释放游离苷元，在肠道和肝脏中进行II期反应以形成葡萄糖醛酸化/硫酸化/甲基化缀合物，并与肠道微生物群相互作用以转化为酚酸代谢物。

由于广泛代谢作用的结果，黄酮醇摄入总量中只有不到5%可以直接穿透肠膜，然后原形吸收到门脉血中。例如，黄酮醇苷元如槲皮素，只以微量形式存在于血浆中，而主要作为II期糖醛酸/硫酸盐偶联物的形式存在。例如在尿液和粪便中，肠道菌群产生的酚酸是主要代谢产物，在大鼠中分别占槲皮素-4'-O-葡萄糖苷摄入量的9.4%和52%，而槲皮素及其糖苷则几乎不存在或只以微量存在。尽管口服生物利用度较差，但黄酮醇无疑具有多种促进健康的作用，例如免疫调节、神经保护和抗代谢紊乱等。

因此，黄酮醇的低生物利用度/高生物活性悖论被提出。在这种情况下，食物摄入后体内代谢对黄酮类化合物，包括黄酮醇的生物活性的调节作用受到了更多关注。对于II期代谢，已有几篇综述文章讨论了黄酮类化合物的葡萄糖醛酸/硫酸盐偶联物以及它们的母体的生物活性。对于结肠微生物介导的转化，新的证据表明它可能引发或增强母体黄酮醇的生物活性以及对人类健康的益处，这将是本综述重点讨论的问题。在一项健康志愿者进行的研究中，显示摄入的芦丁中0.02-2.8%以II相偶联物的形式在尿液中排泄，而肠道菌群产生的酚酸占到摄入量的22%，表明肠道微生物在人体内芦丁代谢中发挥了关键作用。

在过去的二十年里，人们一直致力于揭示黄酮醇的代谢特征和肠道细菌介导的转化，以及黄酮醇前体及其代谢物之间生物活性的潜在变化。在这个方向上，越来越多的证据表明，肠道细菌可能对黄酮醇的体内生物活性和对人类健康的最终益处负责或起作用。例如，肠道微生物群被认为是了解传统中药生物利用度的新领域。一些研究关注酚类物质与肠道细菌之间的相互作用，重点是微生物群在酚类物质新陈代谢中的关键作用。还研究了生物转化如何影响柑橘类黄酮的生物活性。然而，肠道微生物群和黄酮醇之间的相互作用尚未得到很好的了解。因此，本综述主要关注食物黄酮醇代谢物的代谢途径和生物活性，以强调肠道微生物群对黄酮醇代谢和相关生物活性的潜在影响。

黄酮醇的膳食来源

黄酮醇的基本骨架是2-苯基-苯并-γ-吡喃酮，苯环A和B通过4-吡喃酮（环C）连接，主要常见膳食黄酮醇是槲皮素、山奈酚、异鼠李素和杨梅素（图 1）。表1列出了这四种黄酮在代表性植物中的含量。槲皮素是植物性食品中最常见的黄酮醇之一，在绿叶蔬菜、洋葱、蓝莓等含量很高，洋葱中的含量为 39.21 mg/100 g。山奈酚最丰富的植物来源是菠菜、莳萝草，尤其是羽衣甘蓝，其含量高达46.80 mg/100 g。与绿叶蔬菜相比，水果和饮料中的黄酮醇含量通常较少。异鼠李素和杨梅素相对较少，其含量比槲皮素和山奈酚低。黄酮醇的基本结构是苷元。然而，大多数黄酮醇天然以O-糖苷形式存在，带有一个糖单元，例如葡萄糖、半乳糖和鼠李糖，或两个糖单元，例如芸香糖（6-O-α-L吡喃鼠李糖基-β-D-吡喃葡萄糖）和新橙皮糖（2-O-α-L-吡喃鼠李糖基-β-D吡喃葡萄糖）。植物来源中报道的槲皮素和山奈酚的主要糖苷列于表2中。糖基化最常发生在C-3位，但在某些情况下，如在洋葱中，也有5-、7-、3′-、4′-和5′-O-糖苷的报道。尽管苷元的数量有限，但黄酮醇苷的种类繁多。例如，据报道，仅山奈酚就有200多种不同的糖缀合物。这一点则尤为重要，因为不同糖部分或不同位置的糖基化可能会导致不同的生物利用度、不同的代谢位点、不同的代谢产物，甚至黄酮醇在体内的多种生物活性。

图1.具有代表性的黄酮醇苷元的化学结构

表1部分植物来源中代表性黄酮醇的含量

表2部分植物来源中槲皮素和山奈酚的主要苷类

黄酮醇为例的槲皮素的体内代谢和代谢物

摄入富含黄酮醇的食物或饮料后，嵌入基质中的黄酮醇可进入肠腔，并在体内开始持续的动态代谢过程。如图2所示，虽然膳食黄酮醇的化学结构多种多样，但根据其分子结构的不同，在消化过程中通常会产生有限的代谢活动，例如被哺乳动物水解酶和/或肠道微生物群脱糖生成糖苷衍生物，在肠细胞和/或肝脏中II相结合，以及被结肠细菌和/或哺乳动物酶环裂解生成酚酸。鉴于槲皮素是主要的代表性黄酮醇且研究最多，在此以槲皮素为例，了解黄酮醇在体内的代谢途径、代谢产物和生物利用率。

图2人类食用含黄酮醇的食物或饮料后，黄酮醇，包括黄酮醇葡萄糖苷和糖苷的代谢途径概述

哺乳动物水解酶的去糖基化

大多数天然黄酮醇以单糖和/或多糖苷衍生物的形式被消耗。因此，黄酮醇苷的体内代谢首先是在糖苷酶的催化下去除附着的糖分子。黄酮醇苷的去糖基化可在小肠、大肠或肝脏中进行，具体取决于连接的糖残基的位置和性质。有些黄酮醇苷可在小肠中发生脱糖作用。例如，摄入含有槲皮素-3′,4′-O-二葡萄糖苷、槲皮素-4′-O-葡萄糖苷和异鼠李素-4′-O-葡萄糖苷的轻炒洋葱后，共轭槲皮素和异鼠李素很快出现在人体血浆中，Tmax值小于1 h。相比之下，摄入槲皮素-3-O-芸香糖苷后，槲皮素共轭物的Tmax为6-7 h。结果表明，槲皮素葡萄糖苷的代谢发生在上消化道，而芸香苷类槲皮素的代谢主要发生在结肠。

小肠中发生的去糖基化反应主要由两种哺乳动物β-葡萄糖苷酶催化，即乳糖酶-根皮苷水解酶 (LPH) 和细胞膜广泛特异性β-葡萄糖苷酶 (CBG)。LPH是一种跨膜蛋白，对一系列黄酮醇-O-β-D-葡萄糖苷具有广泛的底物特异性。基于大鼠灌注模型的体内研究发现，27.6%的槲皮素-3-O-葡萄糖苷在肠道通过期间被LPH水解。CBG 是一种细胞膜酶，在哺乳动物的小肠、肝脏和肾脏中含量丰富。在被CBG水解之前，黄酮醇葡萄糖苷必须被转运到上皮细胞中，并且钠依赖性葡萄糖转运蛋白SGLT1被认为参与了跨上皮转运。槲皮素-4'-O-葡萄糖苷在CBG存在下迅速去糖基化，而槲皮素-3,4'-O二葡萄糖苷、山奈酚-3-O-葡萄糖苷和槲皮素-3-O芸香苷保持不变。该证据支持具有底物选择性的β-葡萄糖苷酶的水解作用。此外，据报道，小肠中的CBG能够缓慢水解槲皮素-3-O葡萄糖苷，而肝脏中的CBG不能缓解。

作为去糖基化的代谢产物，苷元形式的黄酮醇由于其亲脂性增加且接近细胞膜，可以通过被动扩散进入肠上皮细胞。使用Caco-2单层细胞作为肠上皮细胞模型，发现苷元槲皮素以游离和缀合苷元形式显着进入细胞，而槲皮素葡萄糖苷，包括槲皮素-4'-O-葡萄糖苷，都没有进入细胞。

槲皮素-3-O-葡萄糖苷和槲皮素-3,4'-O-二葡萄糖苷从顶端侧被有效吸收。不过，并非所有的黄烷醇苷元都能在小肠中被直接吸收，因为大量的黄烷醇苷元随后会到达结肠，并被微生物群处理。

哺乳动物第二阶段酶的代谢

黄酮醇苷元被摄入肠上皮细胞后，可局部受到尿苷5'-二磷酸葡萄糖醛酸转移酶(UGT)和磺基转移酶(SULT)等II相酶的作用，从而在肠道中获得葡萄糖醛酸化和/或硫酸化代谢物。在肝脏解毒过程之前，肠道在黄酮醇的代谢和结合中起主导作用。例如，在摄入富含槲皮素葡萄糖苷的洋葱后仅30 min内，血浆中就检测到了两种主要的II相结合物：槲皮素-3'-硫酸盐和槲皮素-3-O-葡萄糖醛酸化物，这表明槲皮素在肠上皮细胞中发生磺酸化和葡糖醛酸化的高效结合过程。异鼠李素-3-O-葡萄糖醛酸，源自槲皮素-3-O-葡萄糖醛酸的3'-O甲基化，可能发生在肝脏中，也被发现是血浆中槲皮素糖苷的主要II期代谢物。另外，槲皮素葡糖苷在血浆中的主要第二期代谢物也包括槲皮素-3-O-葡糖醛酸酯，这是由槲皮素-3-O-葡糖醛酸酯的3'-O甲基化在肝脏中可能发生的代谢产物。此外，在给予槲皮素葡糖苷后，还在人体血浆中检测到槲皮素-3'-O-葡糖醛酸酯、槲皮素-4'-O-葡糖醛酸酯和异槲皮素-4'-O-葡糖醛酸酯，以及两种部分鉴定的代谢产物，即槲皮素-O-葡糖醛酸-磺酸和槲皮素-O-二葡糖醛酸酯。在尿液中，槲皮素葡糖苷的主要第二期代谢产物包括槲皮素-4'-O-葡糖醛酸酯、槲皮素-3'-O-葡糖醛酸酯、槲皮素-3-O-葡糖醛酸酯和异槲皮素-3-O-葡糖醛酸酯，而较少量的代谢产物包括槲皮素-3'-磺酸和异槲皮素-4'-O-葡糖醛酸酯，以及几种槲皮素-O-葡糖醛酸-磺酸、槲皮素-O-二葡糖醛酸酯、异槲皮素-O-二葡糖醛酸酯和槲皮素-O-葡糖苷-葡糖醛酸酯等代谢产物。槲皮素的第二期酶结合物如图3所示。

图3芦丁与槲皮素的II期共轭的拟议途径

肝脏是第二阶段代谢的另一个重要部位。肠道结合后，吸收的黄酮醇被输送到门静脉，然后到达肝脏，在那里发生补充结合，包括分别通过UGT、SULT和儿茶酚-O-甲基转移酶 (COMT) 进行葡萄糖醛酸化、硫酸化和/或甲基化。作为血浆中槲皮素葡萄糖苷的两种主要II相代谢物，异鼠李素-3-O-葡萄糖醛酸苷被发现比槲皮素-3-O-葡萄糖苷酸表现出更长的 Tmax（5.4 ± 0.2 h与 4.7 ± 0.3 h），这表明槲皮素-3-O-葡萄糖醛酸苷在肝脏中进行了吸收后3′-O甲基化。甲基化会降低分子的亲水性，随后的葡萄糖醛酸化和硫酸化通常是有效排出体外所必需的。尽管肝脏中的I相代谢是许多外源物质的常见代谢反应，但黄酮醇的I相代谢物几乎不存在于血浆、尿液或粪便中，这可能是由于肠上皮细胞中潜在的I相底物的迅速结合所致。黄酮醇及其肝脏中的代谢物随后进入体循环，或者分泌到胆汁中返回肠腔，进而可能发生再吸收和肠肝循环。

通过膜转运蛋白跨上皮转运黄酮醇的葡萄糖醛酸化/硫酸化代谢物

葡萄糖醛酸化和硫酸化衍生物是黄酮醇的主要体内代谢物。然而，一旦被UGTs/SULTs缀合，黄酮醇缀合物的跨上皮能力就会急剧降低，并且需要特定的转运蛋白。据记载，两个主要的膜转运蛋白超家族，即ATP结合盒(ABC)和溶质载体(SLC)转运蛋白有助于包括黄酮醇共轭物在内的多种物质的跨上皮运动过程。ABC转运蛋白的特点是SLC转运蛋白负责细胞的流出，而SLC转运蛋白则负责细胞的摄取。ABC转运蛋白的多个亚家族参与肠细胞中产生的黄酮醇共轭物的跨膜转运，包括通过基底外侧膜进入门脉血流和流回肠腔。例如，Pgp (ABCB1)、MRP2 (ABCC2) 和 BCRP (ABCG2) 都是ABC转运蛋白的亚家族，已被证明可与槲皮素葡萄糖苷酸相互作用，并将共轭物泵回肠腔或胆汁中。ABC转运蛋白的细胞外流效应可能会限制黄酮醇的口服生物利用度。例如，位于小肠肠上皮细胞刷状缘的ABCC2，被发现可将槲皮素葡萄糖苷酸泵回肠腔，事实上，这些结合物本身不再对人体具有生物利用度。OAT1和OAT3转运蛋白，属于SLC转运蛋白的OAT亚家族，经鉴定能够使细胞以底物结构依赖性方式摄取某些特定的槲皮素缀合物。此外，一些转运蛋白亚家族，如ABCB1、ABCC1-3、OAT1-4和OATP4C1被认为与黄酮醇在体内的吸收和分布以及尿液中的排泄有关。

通过肠道微生物群进行生物转化

上消化道未吸收的黄酮醇及其代谢物（可能包括未水解的糖苷、未吸收的苷元和和从肠细胞泵出的共轭物）将依次进入大肠，从而被局部微生物群分解。肠道细菌介导的黄酮醇生物转化发生在常规程序，即初始水解释放苷元，然后C6−C3−C6骨架环裂解产生一系列小酚类分解代谢物。

人体中某些类型的黄酮醇糖苷的去糖基代谢完全依赖于宿主肠道微生物群，例如芸香苷黄酮醇，因为人体中不存在芸香苷酶。槲皮素-3-O-芦丁苷（芦丁）的平行喂养研究证明了这一点，该研究在健康志愿者和回肠造口术患者之间进行，旨在评估小肠和大肠对芦丁吸收和代谢的相对贡献。健康受试者血浆中检测到的II期结合物的Tmax延长至摄入芦丁后约5 h，比服用槲皮素葡萄糖苷的Tmax长4 h。芦丁的吸收后意味着吸收发生在下肠而不是小肠。然而，在回肠造口术患者的血浆或尿液中未检测到或仅检测到微量代谢物，这表明结肠细菌在芸香苷代谢中发挥重要作用。

糖苷配基不仅由微生物菌群直接释放，而且还从肠上皮细胞或胆汁中输出，可以受到肠道微生物群的进一步分解成环。具体来说，黄酮醇苷元的降解首先是C2−C3双键的还原形成黄烷醇中间体，然后是中心杂环C环的分解代谢，最后芳香族A-/B-环裂解产生酚类化合物。黄酮醇骨架的断裂完全由肠道细菌引起，而随后的II相结合主要由哺乳动物酶催化。氢化、羟基化和侧链缩短可以由哺乳动物和微生物酶介导，而脱羟基和脱甲氧基化几乎完全由微生物群引起。以槲皮素为例，骨架的环裂变产生3,4-二羟基苯基丙酸（3,4-DHPPA) 和1,3,5三羟基苯（间苯三酚）；前者进一步分解代谢产生3,4-二羟基苯乙酸（3,4-DHPAA），这是槲皮素的重要代谢物。此外，3,4-DHPAA还会通过二羟基化、脱羧、甲基化和缩短侧链降解为多种芳香族代谢产物。健康受试者尿液中的三种酚酸，即3,4-DHPAA、3-甲氧基-4-羟基苯乙酸（高香草酸，HVA）和3-羟基苯乙酸（3-HPAA）被确定为主要代谢产物，占芦丁摄入量的 22%。在人或大鼠饲喂后的尿液或粪便排泄物中，在奶牛摄入芦丁后的瘤胃液中，或在黄酮醇与人粪便提取物或特定细菌菌株的体外协同发酵中，均检测到了4-羟基硫辛酸（4-HHA）和海马酸（HA）。槲皮素在体内的降解途径见图4。

图4.槲皮素生物转化为酚酸及相关衍生物的拟议途径

表3.已鉴定的参与人肠道黄酮醇生物转化的细菌种类

多种细菌已被鉴定与黄酮醇的肠道生物转化有关（表3）。例如，能够从黄酮醇糖苷中去除糖部分的细菌种类分布在双歧杆菌科（5个双歧杆菌属）、拟杆菌科（3个拟杆菌属）、肠球菌科（两个肠球菌属）和真杆菌科（真杆菌属之一）。就黄酮醇C环的裂解能力而言，厚壁菌门是人类肠道微生物群的优势门，其中包括瘤胃杆菌（Eubacterium ramulus）、糖化芽孢杆菌（Bacillus glycinifermentans）和黄腐菌（Flavonifractor plautii）。值得注意的是，Flavonifractor plautii（oribscindens梭状芽孢杆菌）是参与将黄酮醇分解为酚酸的研究最多的菌株。1991年，F. plautii已被证实能够将槲皮素转化为 3,4-DHPAA，并可能转化为间苯三酚。不过，最近的一项研究取得了重大突破，该研究发现肥胖小鼠血浆中4-HPAA水平的增加与富含黄酮醇的接骨木提取物中所含的山奈酚的体内代谢有关。此外，F. plautii的山奈酚转化能力通过体外粪便培养和无菌小鼠的体内定植。Eubacterium ramulus wK1也被证明可在无饥饿感大鼠模型中体内分解槲皮素。此外，只有一小部分肠道微生物群可以在体外培养，因此很难研究大多数不可培养的肠道共生菌的黄酮醇代谢潜力。因此有必要采用新技术以进一步鉴定和描述参与黄酮醇生物转化的肠道细菌和细菌酶。

生物利用度

在消化道的连续通过过程中，黄酮醇可以与其代谢物一起被吸收到门静脉血液中，这些代谢物可能包括苷元、酚酸和相关的芳香族分解代谢物以及硫酸化/葡萄糖醛酸化共轭物。然后，门静脉血液将这些代谢物带到肝脏，在那里进行进一步的II相反应。随后，黄酮醇以及肝脏的代谢产物进入全身血液，分布到有机组织和器官，最终通过肾脏从尿液中排出。同时，黄酮醇和相关代谢物难以被门静脉血吸收，并且部分通过胆汁中的肠肝转运再循环回肠腔，并通过粪便排出。一般来说，黄酮醇的水溶性低，膜渗透性有限，并且在体内进行广泛的代谢，导致口服生物利用度普遍较差。通过采用放射性示踪方法，对大鼠体内槲皮素-4'-O-葡萄糖苷的代谢物进行定量分析。摄入后6-12 h，尿液中放射性标记的代谢物累积了摄入量的52%，其包括3-HPAA、HA和少量BA，而粪便中检测到3-HPAA和少量HA，占摄入量的9.4%。至于芦丁，健康志愿者中有 0.02%~2.8%的摄入量以II相结合物的形式出现在尿液中，而更大比例（约 22%的摄入量）被肠道菌群降解为酚酸。在绝大多数喂养研究中，血液、尿液或粪便中都没有或仅有微量的槲皮素和芦丁。然而，一个例外是在16名健康志愿者中进行的双盲、饮食控制研究。该试验检测到口服100 mg芦丁后 4、6、8 和12 h，游离槲皮素苷元分别占血浆中总槲皮素的(37.7 ± 18.6)%、(14.6 ± 11.4)%、(10.1± 12.9)%和(10.7 ± 12.6)%，明显高于微量。然而，血液中未检测到芦丁。

事实上，黄酮醇的生物利用度在个体之间可能存在差异，甚至差异很大，这在一定程度上可以归因于肠道微生物群、饮食史以及宿主遗传多态性的变化。在这种情况下，有必要提出一个问题：黄酮醇吸收率高的人是否也会表现出更大的生物反应并进一步从其生物活性中受益更多？

随着肠道微生物群的参与，这个问题变得更加复杂，因为越来越多的证据表明，结肠中微生物群落介导的转化比小肠中发生的代谢具有更大的个体差异。要解决这些悬而未决的问题，还需要进一步的研究。

肠道微生物群衍生代谢物的生物活性

微生物群是体内黄酮醇生物活性的驱动因素吗？自20世纪40年代以来，人们在评估膳食黄酮醇的生物活性方面做出了大量努力。然而，这些研究中有许多是在体外使用超生理剂量的母体黄酮醇（例如芦丁和槲皮素）进行的，忽略了它们的体内代谢以及由此产生的代谢产物，因此缺乏生理意义。随着对黄酮醇体内代谢活动和生物利用度的了解不断加深，研究人员开始关注代谢物的生物活性，特别是本世纪初从肠道微生物群中提取的代谢物。值得注意的是，最近一些关于黄酮醇生物活性评价的研究开始研究黄酮醇前体的活性是否是由其体内代谢赋予的。在此，总结了直接研究黄酮醇选定代谢物的生物活性和微生物介导的母体黄酮醇分解代谢驱动的生物活性（表4）。

表4.关于肠道微生物群衍生的黄酮醇代谢物生物活性的代表性体内研究，包括对选定黄酮醇代谢物的直接研究和母黄酮的微生物分解依赖性生物活性研究

抗氧化活性

比较了黄酮醇前体及其酚酸代谢物的体外抗氧化活性。这项工作大部分集中在槲皮素和芦丁上。结果显示，3,4-DHPAA、3,4-DHT、HVA、PCA等代谢物的自由基清除能力显着，甚至可与槲皮素、芦丁相媲美，而3-HPAA、4-HPAA、HA的自由基清除能力较弱。采用结构-活性关系来解释结果，即与羟基化酚环和亲核区域相关的自由基清除活性。随后的细胞测定表明，其中一些代谢物可以减少脂质过氧化，但方式不同。例如，3,4-DHT抑制肝细胞胆固醇生物合成，而 3,4-DHPAA则增强总谷胱甘肽S-转移酶活性。

尽管黄酮醇在体外具有良好的自由基清除能力，但近年来黄酮醇的抗氧化活性是否能在体内准确反映仍受到质疑。这一争议源于对多酚的争论，即膳食多酚对体内循环抗氧化剂有相当大的贡献是否可行？质疑的主要原因是，血浆中多酚的浓度远不足以提供有效的抗氧化性能，因为它们的吸收和消除速度较差，并且它们对血浆总抗氧化能力的贡献小于2%。因此，ORAC数据库（氧自由基吸收能力，由美国农业部编制，用于量化各种食品的体外抗氧化能力）于2012年从美国农业部网站上删除，并指出“没有证据表明富含多酚食物的有益作用可归因于这些食物的抗氧化特性。然而，越来越多的证据表明体内代谢物的抗氧化潜力，这可能会证实黄酮醇对血浆内源性抗氧化剂的贡献。如第3节所述，血浆中黄酮醇代谢物的含量远高于其母体对应物。口服摄入100 mg槲皮素后，人血浆中葡萄糖醛酸化/硫酸化结合物的峰值浓度为1.16 μmol/L。至于肠道微生物代谢物，食用富含槲皮素的苹果会导致空腹血清中多种酚酸含量增加的分解代谢物在5~40 μmol/L范围内，与抗坏血酸等内源性抗氧化剂的浓度(30~100 μmol/L) 相当。II相结合物与更丰富的酚酸相结合，大大提高了体内摄入后总黄酮醇的水平，并且许多这些代谢物继承了其黄酮醇前体的自由基清除特性。因此黄酮醇在体内充当抗氧化剂并非不可能。然而，从迄今为止报道的研究来看，无法断定黄酮醇是否有助于体内抗氧化能力或贡献有多大。随着有关新陈代谢和代谢物活性的信息不断积累，这个问题可能在未来得到解答。

间苯三酚是肠道微生物C环裂解产生的黄酮醇的典型分解代谢物，已被证明可以预防辐射引起的氧化损伤并发挥辐射防护作用。间苯三酚预处理对小鼠全身电离辐射诱导的氧化应激和死亡具有显着的保护作用，并且该作用以剂量依赖性方式呈现。间苯三酚的辐射防护特性与其清除细胞内活性氧（ROS）和减轻氧化损伤有关。ROS水平降低抑制了MKK4/SEK1-JNK-AP-1（丝裂原激活蛋白激酶激酶4、c-Jun NH2末端激酶和激活蛋白1）信号通路，并进一步减少了辐射引起的细胞凋亡。此外，间苯三酚清除ROS可以最大限度地减少对脂质、DNA和蛋白质等细胞大分子的损伤，并保护细胞免受过量ROS损伤。另一项体内研究报告了间苯三酚的辐射防护潜力，该研究是在皮肤暴露于紫外线B辐射的小鼠身上进行的。辐射使皮肤增厚并刺激肥大细胞的积累，间苯三酚治疗可有效缓解这种情况。进一步的研究表明，间苯三酚的抗紫外线作用至少部分归因于其抗氧化活性，因为间苯三酚的给药降低了紫外线引起的氧化应激标记物的增加，如磷酸组蛋白 H2A.、8-氧代鸟嘌呤、蛋白质羰基和8-异丙基， X、8-氧代鸟嘌呤、蛋白质羰基和 8-异丙醇等氧化应激标志物的增加，并减少了B细胞淋巴瘤-2相关X（Bax）蛋白和活化的 caspase-3等凋亡介质的表达。这一结果与一项体外研究结果一致，即通过减轻氧化损伤，确定间苯三酚可保护人类角朊细胞免受紫外线B辐射的伤害。

抗炎作用

在用脂多糖刺激的小鼠巨噬细胞建立的炎症模型中，3,4-DHT可以抑制一氧化氮 (NO)、诱导型一氧化氮合酶 (iNOS) 和环氧合酶 2 (COX-2) 的产生并减少了促炎细胞因子的生成，主要是肿瘤坏死因子(TNF)-α，次要是白细胞介素(IL)-1β 和 IL-6. 核因子卡巴 B（NF-κB）信号的下调被认为参与了 3,4-DHT 的抗炎作用。在研究的其他黄酮醇细菌代谢物中也观察到了同样的效果，包括氯葡萄糖醇、3-HPAA、3,4-DHPAA 和 3,4-DHPPA，它们通过类似的作用机制发挥抗炎作用。

从黄酮醇代谢物中筛选具有高度抗炎活性的潜在候选物的有效策略，步骤如下。首先，以IL-1β刺激的CCD-18结肠成纤维细胞作为炎症模型，根据抑制前列腺素E2 (PGE2)产生的能力，初步筛选了一系列黄酮醇代谢物，以确定其对体外对炎症反应具有显着抑制作用。结果，从18种微生物衍生的酚酸中选出了两种黄酮醇分解代谢物，即3,4-DHPPA和3,4-DHPAA，以及氢阿魏酸（其他多酚的代谢产物）。然后对这三种代谢物在啮齿类动物中进行测试，结果显示，给予氢阿魏酸、3,4-DHPPA和3,4-DHPAA后，大鼠的蠕动率分别降低了27%、35%和40%。在爪压试验中，所有代谢物都能提高大鼠对卡拉胶诱导的痛觉减退的耐受性。最后，3,4-DHPPA被选作进一步评估其在右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的大鼠结肠炎模型中的抗炎作用。结果显示，口服3,4-DHPPA（50 mg/kg体重）显着降低炎症介质IL-1β、IL-8和TNF-α的表达，改善远端结肠的脂质过氧化和DNA损伤。摄入50 mg/kg 3,4-DHPPA后，大鼠粪便中3,4-DHPPA的含量与受试者不加限制饮食时人类粪便中发现的3,4-DHPPA含量 (5.2 μmol/L) 相似。这项研究表明，3,4-DHPPA能够在体内发挥抗炎作用。根据这些结果，我们假设含有大量3,4-DHPPA 前体（黄酮醇、原花青素等）的食物（例如洋葱、苹果和红酒等）可能会抑制人类的炎症反应。然而，目前可用的证据无法证明这一假设，因为几个关键问题仍不清楚。例如，当3,4-DHPPA作为食物摄入而不是直接施用时，是否观察到其抗炎活性。如果是，如何确定3,4-DHPPA具有抗炎作用，因为一旦摄入富含3,4-DHPPA前体的食物，就会产生多种代谢物。此外，可能有必要在传统、无菌和无菌模型中进行一项研究，以确认肠道微生物群参与体内3,4-DHPPA生产（作为黄酮醇的代谢产物）。如果这些问题得到解决，3,4-DHPPA的抗炎作用在临床试验中得到证实，3,4-DHPPA补充剂或富含黄酮醇的食品可能对人类的炎症和炎症相关疾病（如自身免疫性疾病、代谢综合征和恶性肿瘤）具有潜在的治疗和/或预防作用。

心脏代谢的好处

代谢紊乱是一组代谢功能障碍，包括胰岛素抵抗、糖耐量受损、血脂异常、高血压和中心性肥胖，在工业化时代的人群中普遍存在。代谢紊乱会增加多种心脏代谢疾病 (CMD) 的风险，例如心血管疾病、糖尿病和脂肪肝疾病。饮食干预，例如食用富含黄酮醇的蔬菜和水果，被提议作为防治CMD的一种可能策略，是一种补充传统的药物疗法。流行病学证据来自一项分析，其目的是在12项前瞻性队列研究的基础上，评估类黄酮摄入量与心血管疾病发病率或死亡率之间的相关性。研究发现，在所有七类类黄酮中，黄酮醇和黄酮与降低冠心病死亡率的相关性最强。在这种情况下，人们的注意力被归因于黄酮醇对心脏代谢的益处，特别是自过去二十年以来通过肠道微生物介导的转化而引起的益处，并取得了一些进展。

血糖调节的潜力

据报道，黄酮醇的几种酚酸分解代谢物能够调节细胞和动物模型中的葡萄糖代谢。在胰腺β细胞中，3,4-DHPAA可以保护细胞免受胆固醇刺激的胰岛素分泌受损的影响。3,4-DHPAA的β细胞保护作用与其抗氧化作用有关，包括抑制细胞和线粒体ROS、减少脂质过氧化、增加抗氧化酶活性以及激活核因子红细胞2相关因子2 (Nrf2)信号。这一观察结果与另一项研究一致，该研究报道HA和HVA改善葡萄糖刺激的胰岛素分泌并保持β细胞功能。在骨骼肌细胞中，HA可模拟葡萄糖氧化并保护线粒体功能免受氧化损伤。在链脲佐菌素诱导的高血糖大鼠体内，用3,4-DHT预处理可有效降低血糖并防止β细胞凋亡。此外，黄酮醇代谢物，特别是含有邻二羟基的代谢物，如3,4-DHT和3,4-DHPAA，是高级糖化终产物的潜在抑制剂。而高级糖化终产物是与许多慢性疾病（包括糖尿病及其并发症）的发生有关的生物标志物。一般来说，关于细菌衍生的黄酮醇代谢物的降血糖作用的现有数据不足。需要进一步研究以确定黄酮醇代谢物在体内血糖调节中的作用并揭示潜在的作用机制。

血管内皮保护和抗高血压

尽管有大量证据阐明长期食用富含黄酮醇的食物与改善血管功能之间存在关系，但摄入黄酮醇后，肠道细菌代谢物对这种有益血管效应的贡献仍不清楚。进行了一项随机、对照、双盲、交叉干预人体试验，以确认饮食干预对内皮功能的益处，特别是通过评估循环代谢物来评估潜在的作用机制。食用富含多酚的蓝莓饮料（包括槲皮素）后，受试者的血管功能显着改善，其特征是血流介导的扩张增加，且与摄入量和时间有关。代谢物分析确定了血浆中总共有多酚酸代谢物，这与监测期间血流介导的扩张的增加一致。这些益处似乎在机制上与循环酚酸代谢物的作用及其对中性粒细胞NADPH氧化酶活性的抑制作用相关。此外，3-HPPA（槲皮素的微生物代谢物）可抑制单核细胞与内皮细胞的粘附（动脉粥样硬化的最早特征之一），并保护血管功能。研究表明，3-HPPA对NF-κB通路的抑制参与了对人主动脉内皮细胞中细胞粘附分子E选择素表达的下调。

3,4-DHPAA和3,4-DHT的降血压活性在体内外均得到证实。具体而言，3,4-DHPAA和 3,4-DHT可诱发离体大鼠胸主动脉和松弛的肠系膜动脉 100%松弛。在自发性高血压大鼠体内，无论以栓剂或缓慢输注方式喂食，3,4-DHPAA和3,4-DHT均降低了平均收缩压和舒张压。然而，它们的作用机制不同。3,4-DHPAA的抗高血压作用是基于内皮和一氧化氮的，前列腺素和钙激活钾通道也参与其中，而3,4-DHT的抗高血压作用与这些因素无关。另一项对自发性高血压大鼠进行的体内研究表明，联合给予三种酚酸，即3,4-DHPAA、3,4-DHT和3-HPAA，也能有效降低血压，但强度和维持时间各不相同。3,4-DHPAA与3,4-DHT的组合效果轻微且非常短暂，而3,4-DHPA与3-HPPA组合效果更显着，但持续时间也很短。然而，3-HPPA和3,4-DHT的组合具有持久的效果。这项研究表明，不同黄酮醇代谢物的某些组合可能比单一疗法表现出更明显的降血压作用，这对于高血压患者具有临床意义。

鉴于上述来自体外和人体研究的证据，胃肠道中形成的几种酚酸代谢物被认为有助于口服黄酮醇的血管内皮保护和抗高血压作用，并强调了肠道微生物介导的体内代谢的重要性。此外，一些研究表明，膳食多酚对心血管健康的益处与其口服摄入剂量有关。例如，在一项对健康男性进行的剂量依赖性研究中，急性摄入蓝莓饮料（总蓝莓多酚含量分别为 319、639、766、1278和1791 mg），观察到血管内皮功能在摄入766 mg之前呈剂量依赖性增长，摄入量越高，增长越平稳。766 mg含蓝莓多酚饮料相当于240 g新鲜蓝莓，其中包括26 mg槲皮素，这是人类饮食中可接受的每日摄入量。在这项研究中，当可可黄烷醇的摄入量不超过200 mg时，吸烟者的内皮功能障碍会以剂量依赖性的方式得到逆转，当摄入量从200增加到400 mg时，内皮功能障碍会达到稳定。元数据分析表明，内皮功能在总可可多酚摄入量≤500 mg时呈线性增加，之后在较高摄入量时观察到内皮功能下降，并且内皮功能增加与类黄酮剂量之间的剂量反应关系是非线性的。然而，长期摄入包括黄酮醇在内的多酚对内皮功能以及其他生物活性的影响需要进一步研究，以建议应摄入多大“剂量”的特定膳食成分，以最大限度地发挥相关生物功能制剂的健康益处。

预防肥胖引起的脂肪肝

脂肪肝的特点是肝脏内脂肪堆积过多。肥胖被认为是导致非酒精性脂肪肝（NAFLD）最重要的危险因素。最近，3,4-DHT被证明能够延缓NAFLD的进展。在ob/ob小鼠中，3,4-DHT给药显着改善了NAFLD相关的致病特征，包括体重、肝脏质量、脂肪量、肝脂质积累、生化血液指标和肝脏中的脂肪生成基因表达。机制研究表明，3,4-DHT的抗NAFLD作用部分归因于其抑制 p300 组蛋白乙酰转移酶 (HAT) 的活性，因为 HAT 介导的组蛋白尾部赖氨酸残基乙酰化与脂肪生成相关基因的转录激活有关。在体外，25 μM剂量的3,4-DHT可抑制80%以上的HAT活性，明显强于3,4-DHPAA、HAV和芦丁。在HepG2细胞中，3,4-DHT剂量依赖性地消除p300−组蛋白结合，诱导组蛋白亚基低乙酰化，最终导致脂肪生成基因下调并减轻脂质积累。药物亲和力响应靶点稳定性分析结合对接模拟表明，3,4-DHT直接与p300 HAT的溴二聚体结合。

至于黄酮醇摄入对宿主健康的影响和体内黄酮醇代谢以及肠道微生物群的参与之间的联系，Osborn等人取得了重大突破，他们肯定了肠道微生物对与黄酮醇相关的代谢益处的贡献。研究发现，补充富含黄酮醇的饮食可以显着保护小鼠免受高脂肪饮食引起的肥胖。对门静脉血液中代谢产物的分析表明，4-HPAA在干预后水平的增幅最大。考虑到4-HPAA与脂肪量百分比和血浆胰岛素水平之间的负相关关系，进一步研究发现使用4-HPAA治疗肥胖小鼠可通过减少甘油三酯沉积、减轻肝细胞气球化和炎症来逆转肥胖诱导的肝脂肪变性，并最终减轻肝损伤。这些数据表明，黄酮醇摄入的抗肥胖作用至少部分归因于肠道微生物群产生的4-HPAA。对人类粪便发酵和无菌小鼠定植进行的进一步研究表明，F. plautii物种能够将山奈酚底物完全转化为4-HPAA。简而言之，这些结果支持肠道微生物群有助于黄酮醇摄入对宿主健康的影响，而且这种有益影响实际上取决于由专用肠道细菌转化而来的黄酮醇代谢物。

Conclusion

在过去的几十年里，黄酮醇代谢物的定性和定量分析以及生物活性评价的研究日益增多，因为黄酮醇代谢物一旦被摄入，就会在肠腔内的微生物群的介导下，在肠上皮细胞和肠细胞中的II相酶的作用下进行广泛的生物转化。由于广泛的代谢转化，黄酮醇以其游离苷元形式存在于血液循环中，表现出普遍较低的生物利用度。相比之下，黄酮醇代谢物，特别是肠道微生物群衍生的酚酸，可能达到与生物活性分子相匹配的血液浓度，并发挥多种健康促进作用，例如抗氧化、抗炎和抗CMD作用。这提出了一个有趣的前景：天然黄酮醇的生物利用度可能并不像以前认为的那样是生物活性的限制因素。这一概念似乎挑战了生物活性化合物的传统概念，生物活性化合物被定义为能够被吸收并直接作用于目标的生物分子。然而，正如在第4节中讨论的那样，这一概念目前正在通过越来越多的新研究得到证实，并得到更多研究人员的认可。越来越多的证据表明，体内代谢产生的生物活性酚酸，特别是肠道微生物介导的转化产生的生物活性酚酸具有多种促进健康的作用。这可以合理解释黄酮醇和其他类黄酮的低生物利用率和有益健康活性之间的矛盾。因此，在不久的将来，有必要获得更多的数据，特别是人体研究数据，以了解药代动力学和药效学的详细情况、黄酮醇摄入的生物活性、代谢物及其母体对应物与专用细菌或不与专用细菌进行的针对性比较，以及明确的代谢途径，从而确定最终的生物效应和肠道微生物群的作用，并进一步阐明膳食黄酮醇和其他植物化学物质的生物利用度和生物活性之间的关系。

Biotransformation and Gut Microbiota-Mediated Bioactivity of Flavonols

Meiyan Wanga,*, Yanling Lua, Qifan Wua, Guomin Chena,b, Hui Zhaoa, Chi-Tang Hoc, and Shiming Lib,c,*

a Tianjin Key Laboratory of Food and Biotechnology, School of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin, 300134, China

b Hubei Key Laboratory for EFGIR, Huanggang Normal University, Huanggang, Hubei, 438000, China

c Department of Food Science, Rutgers University, New Brunswick, New Jersey 08901, United States

*Corresponding authors.

Abstract

Consumption of fruits and vegetables has been associated with a reduced risk of multiple diseases, such as metabolic disorders. Flavonols are the most ubiquitous flavonoids in fruits and vegetables. However, dietary flavonols exhibit a general low oral bioavailability for their extensive biotransformation mediated by phase II enzymes in enterocytes and liver as well as by microbiota in the gut lumen. In this context, flavonols have brought attention to a paradox between low bioavailability and health-promoting effects. Flavonols are often transformed prior to absorption, which could change their biological activity. Compared to their parent compounds, the corresponding metabolites of flavonols in vivo might exhibit similar or higher intrinsic bioactivities, or perhaps a decreased efficacious effectiveness. Indeed, a growing body of evidence from biological function studies of metabolites supports the positive and significant contribution of in vivo metabolic processes, particularly conversion mediated by gut microbiota, to the health-promoting benefits of flavonols. As such, further understanding of the metabolic fate of flavonols and biological activities of their metabolites as well as the possible impact of microbiota-mediated conversion on the bioactivity is of great significance to guide a rational diet with flavonol-rich fruits and vegetables and/or flavonol-containing functional foods.

Reference:

WANG M Y, LU Y L, WU Q F, et al. Biotransformation and Gut Microbiota-Mediated Bioactivity of Flavonols[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2023, 71(22): 8317-8331. DOI:10.1021/acs.jafc.3c01087.

编辑：王佳红；责任编辑：张睿梅

封面图片来源：图虫创意