综述：人工甜味剂与宿主反应异质性：基于肠道微生物组的精准应用启示

人工甜味剂（Artificial Sweeteners, ASs）作为广泛使用的糖替代品，因其低热量及对血糖水平影响甚微的特性，契合当前膳食需求。然而，近期研究对其潜在干扰肠道微生物组稳态及后续健康结局的影响提出了关切，使得全面评估其效应日益重要。本综述系统梳理了队列研究、临床试验及动物实验的最新发现，整合了关于ASs的现有知识体系。研究人员探讨了围绕ASs健康效应的争议，并从肠道微生物组视角深入解析潜在机制，特别关注具有独特生理需求的特殊人群。关键发现表明，肠道微生物组可能通过四种潜在机制介导ASs对宿主健康的影响：破坏胆汁酸（Bile Acid, BA）稳态、调节色氨酸代谢、改变短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acid, SCFA）水平，以及调控脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS）渗漏。值得注意的是，由于特殊人群独特的生理状态（如发育阶段、代谢脆弱性或免疫失调），ASs的效应可能更为复杂，这需要针对性的研究。这些证据强调了需要对ASs进行平衡评估，兼顾其实际应用效益与跨人群的生物学效应差异。深入理解这些机制有助于为优化ASs使用、最小化潜在不良效应的循证膳食策略提供依据，尤其在具体场景应用中具有重要意义。

1. 1.
   引言
   过量糖摄入是全球肥胖流行和非传染性疾病（Noncommunicable Diseases, NCDs）发病率上升的主要驱动因素。为应对此问题，人工甜味剂（主要包括糖精、阿斯巴甜、三氯蔗糖和乙酰磺胺酸钾（Ace-K））作为糖替代品被广泛采用，主要归因于其低热量特性及在膳食管理中的适用性。目前其消费量持续增长，美国儿童消费率达25.1%，成人达41.4%，环境检测亦显示废水中有高浓度ASs残留，反映其日常广泛使用。全球ASs市场预计在2022至2027年间持续扩张，食品饮料仍为核心应用领域。然而，随着世界卫生组织2023年发布关于限制ASs用于体重控制和NCD预防的指南，围绕其长期效应的讨论不断演变。核心争议在于ASs诱导的生理反应是主要由甜味剂固有结构特性驱动，还是由宿主特定生理背景决定。越来越多的研究强调肠道微生物组是ASs相关生理效应的关键介质，不同ASs根据其化学结构产生不同的微生物扰动。例如，作为结构原型的三氯蔗糖是一种氯化二糖，性质稳定并可完整到达结肠，优先耗竭乳杆菌属（Lactobacillus）和瘤胃球菌属（Ruminococcus），破坏胆汁酸代谢和SCFA产生；而肽类甜味剂阿斯巴甜在上胃肠道快速代谢，富集特定的拟杆菌属（Bacteroides）物种并改变色氨酸代谢，导致吲哚硫酸盐生成升高。此外，基线微生物组组成是易感性决定因素，拟杆菌属丰度高的个体对ASs扰动表现出恢复力，而微生物多样性较低的个体则经历更显著的代谢和免疫改变。这些影响可能通过改变涉及胆汁酸、色氨酸代谢、短链脂肪酸和脂多糖的通路实现。基于此，本综述整合队列研究、临床试验和动物实验证据，批判性评估ASs，从肠道微生物组和三个核心宿主生理轴视角分析其生理影响机制，并关注具有独特生理需求的人群。研究人员提出层级框架：ASs的固有化学性质决定其微生物可及性和扰动潜力，而宿主特定生理背景和基线肠道微生物组配置决定这些扰动如何转化为代谢和免疫结局。在此范式下，ASs作为确定的扰动输入，宿主微生物生态和生理学塑造生物反应的方向、幅度和持久性。这些见解旨在为ASs使用指南的循证讨论提供依据，并支持制定定制化营养策略以优化其应用。
2. 2.
   ASs认知的演变：证据与争议的整合
   历史上ASs被视为安全的糖替代品，不影响餐后血糖反应或体重增加。但近期流行病学、临床干预和动物模型研究揭示了含ASs食品的健康风险。在探讨具体代谢通路前，总结ASs诱导的基础微生物变化至关重要。
   2.1 流行病学证据关联ASs与慢性疾病
   营养流行病学观察性研究发现ASs摄入与代谢综合征（Metabolic Syndrome, MetS）相关疾病（包括肥胖、2型糖尿病（Type 2 Diabetes Mellitus, T2DM）和非酒精性脂肪肝病（Non-Alcoholic Fatty Liver Disease, NAFLD））存在令人担忧的关联。例如，一项纳入105588名个体的大型队列研究显示，每日摄入ASs者患T2DM的风险比显著升高至1.69。此外，较高ASs摄入量与心血管疾病（Cardiovascular Disease, CVD）发病可能性增加相关，频繁消费者CVD发病风险比为1.32。类似地，ASs还与慢性肾脏病（Chronic Kidney Disease, CKD）相关。新兴研究指出ASs可能与癌症（尤其是肥胖相关恶性肿瘤，风险比1.13）存在关联。此外，ASs还与阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）和抑郁症等神经系统疾病相关，可能通过肠-脑轴失调和神经炎症机制实现。值得注意的是，ASs摄入与死亡率呈U型关联，提示其长期健康效应可能存在复杂性。综上，尽管被推广为糖替代品，ASs已被关联到MetS、CVD、CKD、癌症及神经系统疾病风险。
   2.2 临床与动物研究的机制启示
   临床干预研究进一步证实这些关联，表明ASs可能损害葡萄糖耐受性并调节免疫反应。例如，一项纳入20名参与者的随机对照试验显示，摄入相当于FDA每日限量34%的三氯蔗糖和20%的糖精可导致既往健康的肠道微生物组组成发生显著变化。这些变化伴随葡萄糖耐受受损和餐后血糖水平升高，并由ASs诱导的肠道菌群失调介导，无菌小鼠粪便微生物移植实验证实了这一点。此外，主要来自啮齿类动物的证据表明，ASs可改变微生物生态，进而影响葡萄糖代谢、胰岛素敏感性、免疫功能甚至认知能力，提示这些变化与宿主生理和认知功能存在潜在联系。这些发现意味着肠道微生物组破坏在ASs诱导的不良效应中起核心作用。然而，这些表观差异可能反映了多种混杂变量的复杂相互作用，而非固有矛盾：① AS类型决定不同的微生物靶点和代谢后果，例如三氯蔗糖优先耗竭乳杆菌属和瘤胃球菌属，导致胆汁酸代谢和SCFA产生减少，而糖精选择性富集拟杆菌属物种并减少普雷沃氏菌属（Prevotella），通过改变色氨酸代谢导致吲哚硫酸盐生成升高；② 剂量和持续时间调节微生物反应，短期糖精暴露（28天）可短暂增加乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐产生，而长期三氯蔗糖暴露（6个月）诱导以SCFA耗竭、胆汁酸代谢减少和肠道屏障功能破坏为特征的慢性菌群失调；③ 摄入模式引入膳食基质效应，含额外碳水化合物的商业AS制剂（如含5%糖精和95%葡萄糖）与单独给予ASs产生不同的微生物结局，强调需在典型膳食背景下考量ASs。这些情境依赖的动态变化凸显了需超越通用安全性评估，转向针对人群和暴露的定制化评估框架。
3. 3.
   ASs诱导的肠道微生物组组成改变：下游健康效应的基础机制
   3.1 AS介导的肠道菌群失调是核心介质
   慢性AS摄入从根本上重塑肠道微生物组的分类和功能架构，形成菌群失调状态，成为下游代谢、免疫和神经扰动的近端驱动因素。在糖精、三氯蔗糖、阿斯巴甜和Ace-K等多种AS类别中，一致的模式是：有益共生菌分类群耗竭，机会性或促炎性菌群扩增。ASs选择性抑制维持肠道稳态的关键有益共生菌分类群。最显著的是，乳杆菌属耗竭在多种ASs中均被观察到：糖精、三氯蔗糖和Ace-K均显著降低乳杆菌属丰度。类似地，瘤胃球菌属及相关瘤胃球菌科成员被糖精、三氯蔗糖、Ace-K和新甜蜜素耗竭，这是AS摄入最一致的微生物变化之一。毛螺菌科（Lachnospiraceae）成员（主要的丁酸盐生产者，包括毛梭菌属（Lachnoclostridium））也被三氯蔗糖、Ace-K和新甜蜜素减少。长期AS暴露（≥11周）进一步耗竭嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila），这种降解黏蛋白的细菌对维持肠道屏障完整性至关重要。其他显示耗竭的分类群还包括颤螺菌属（Oscillospira）、多尔氏菌属（Dorea）和阿德勒茨氏菌属（Adlercreutzia）。这些共生菌共同构成负责产生SCFA、维持上皮屏障功能以及通过竞争排斥和细菌素产生防止病原体定植的核心功能群。它们的耗竭损害了定植抗性（即微生物组防止病原体定植的内在能力），从而增加对肠道感染的易感性。相反，AS暴露促进潜在致病和促炎性分类群的扩增。值得注意的是，ASs增加变形菌门（Proteobacteria）丰度，三氯蔗糖在克罗恩病模型中升高多个变形菌纲水平，并在结肠炎模型中增加总体变形菌门水平。链球菌属（Streptococcus）扩增见于糖精和三氯蔗糖暴露后。同时，特定拟杆菌属物种发生选择性富集：糖精增加脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）和普通拟杆菌（Bacteroides vulgatus），阿斯巴甜富集脆弱拟杆菌、产酸拟杆菌（Bacteroides acidifaciens）和粪拟杆菌（Bacteroides coprocola）。其他显示扩增的促炎性分类群包括普雷沃氏菌属、梭杆菌属（Fusibacter）、另枝菌属（Alistipes）和黏螺旋菌属（Mucispirillum）。这些组成变化共同有利于形成促炎性微生物群落结构，其特征为内毒素产生潜力升高和有益代谢物合成能力降低。ASs诱导的这些微生物群落结构变化转化为四类关键代谢物的深刻改变：SCFA、胆汁酸、色氨酸衍生代谢物和LPS。SCFA产生菌的耗竭降低了丁酸盐和丙酸盐水平，而胆汁酸代谢细菌的丧失破坏了次级胆汁酸生物合成。色氨酸代谢重定向至促炎通路，减少有益吲哚衍生物并增加吲哚硫酸盐。同时，革兰氏阴性变形菌的扩增上调LPS生物合成基因。后续章节详述各类代谢物如何介导ASs诱导的病理生理学：胆汁酸改变损害TGR5/FXR信号传导，色氨酸代谢物变化失调AHR/PXR通路，SCFA耗竭损害结肠细胞能量代谢和屏障完整性，LPS积累驱动TLR4/TLR5–NF-κB炎症级联。
   3.2 胆汁酸肠肝循环稳态破坏
   胆汁酸肠肝循环受损已被确定为代谢和胃肠道疾病发病机制的主要因素。Ace-K处理克罗恩病小鼠显著升高初级胆汁酸（Primary Bile Acids, PBAs）中的胆酸（Cholic Acid, CA）水平，同时降低次级胆汁酸（Secondary Bile Acids, SBAs）中的脱氧胆酸（Deoxycholic Acid, DCA）浓度。相比之下，长期摄入三氯蔗糖（饮水中0.1 mg·mL⁻¹，持续11周）导致粪便、血液和肝脏中DCA水平升高，同时降低肝脏中牛磺酸结合胆汁酸和游离胆汁酸含量。然而，这些对比发现不应过度解读为Ace-K和三氯蔗糖对胆汁酸代谢具有固有相反作用。关键区别在于Ace-K在克罗恩病模型中评估，而三氯蔗糖在健康小鼠中测试。由于疾病相关炎症可显著改变肠道微生物生态、胆汁盐水解酶/7α-脱羟能力和肠肝胆汁酸循环，ASs诱导的胆汁酸变化方向和幅度可能高度依赖情境。目前，观察到的差异主要是由甜味剂化学性质还是宿主病理背景驱动仍未解决，这应被视为该领域的关键知识缺口。此外，胆汁酸通过法尼醇X受体（Farnesoid X Receptor, FXR）和TGR5作为信号分子，调节包括炎症和代谢在内的多种生理过程。既往研究表明，摄入三氯蔗糖（饮水中0.1 mg·mL⁻¹）抑制FXR表达，而FXR参与T2DM和NAFLD的形成。此外，ASs可能通过TGR5信号通路影响胰高血糖素样肽-1（Glucagon-Like Peptide-1, GLP-1）分泌，可能促进T2DM和NAFLD的发展。鉴于TGR5和FXR调节核因子κB（Nuclear Factor Kappa B, NF-κB）活性，它们的抑制进一步将ASs与炎症联系起来。研究还强调了某些胆汁酸（如DCA）与神经系统疾病的潜在关联。DCA可穿过血脑屏障并激活小胶质细胞，引起神经炎症和Tau蛋白过度磷酸化。这些发现强调了在评估ASs生理效应时需考虑肠道微生物组介导的胆汁酸调节。
   3.3 色氨酸代谢物水平改变
   肠道色氨酸代谢是一个多方面、严格调控的过程，包含三个主要通路：吲哚衍生物通路、血清素通路和犬尿氨酸通路。AS暴露持续降低微生物组衍生的吲哚代谢物（如吲哚-3-乙酸（Indole-3-Acetic Acid, IAA）和3-吲哚丙酸（3-Indolepropionic Acid, 3-IPA）），导致芳香烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor, AHR）和孕烷X受体（Pregnane X Receptor, PXR）激活受损。这些受体通常通过涉及细胞色素P450酶（Cytochrome P450 Enzymes, CYP）和解毒通路的转录程序促进上皮完整性、免疫耐受和神经元保护。该信号轴的丧失促进NF-κB激活，并可能导致炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）、MetS和神经行为改变。此外，糖精暴露与尿毒症毒素吲哚硫酸盐生成增加相关，这是一种与肠道和全身病理相关的色氨酸衍生代谢物。吲哚硫酸盐通过动力蛋白相关蛋白1—干扰素调节因子1轴促进线粒体自噬，导致线粒体功能障碍和上皮通透性增加，从而破坏肠道屏障完整性。这种屏障破坏放大了全身炎症，并通过激活AHR–NF-κB信号通路，参与CVD和CKD的发病机制。同时，犬尿氨酸通路（色氨酸代谢的主要途径之一，受吲哚胺2,3-双加氧酶（Indoleamine 2,3-Dioxygenase, IDO）调节）也深受ASs诱导的菌群失调影响。例如，三氯蔗糖给药增加犬尿氨酸水平和更高的犬尿氨酸/色氨酸比值。喹啉酸（Quinolinic Acid）是一种强效神经毒素，由犬尿氨酸经犬尿氨酸3-单加氧酶（Kynurenine 3-Monooxygenase, KMO）合成。它通过过度激活N-甲基-D-天冬氨酸（N-Methyl-D-Aspartate, NMDA）受体导致大脑兴奋性毒性，可能引起神经元死亡。ASs（如糖精）已被证明可增加喹啉酸水平，提示在神经退行性疾病（如AD和抑郁症）背景下值得研究的潜在机制关联。总之，这些发现强调了ASs驱动的微生物扰动如何将色氨酸代谢重编程为促炎和神经活性输出。
   3.4 短链脂肪酸水平改变
   短链脂肪酸通过激活G蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptors, GPRs）发挥广泛的生理效应，从而影响能量代谢、葡萄糖调节和免疫功能。新兴证据表明，糖精、三氯蔗糖和Ace-K等ASs对SCFA水平产生双向调节，这一过程受宿主特定生理变量（包括基线微生物多样性、肠道通透性、代谢状态和暴露持续时间）支配。这些因素共同决定了升高的SCFA是作为有益代谢信号，还是作为能量过度积累和炎症的贡献者。具体而言，基线微生物多样性和群落结构影响SCFA产生菌分类群的丰度和微生物交叉喂养能力，从而影响AS暴露是导致SCFA产生的短暂增加，还是在菌群失调下SCFA生物合成减少。同时，肠道通透性和宿主代谢状态通过决定SCFA主要支持屏障完整性和抗炎信号传导，还是反而促进内毒素相关炎症和代谢应激，来塑造改变的SCFA水平的下游后果。例如，短期AS暴露可能增强SCFA产生菌增殖，导致SCFA浓度升高。AS暴露下升高的SCFA水平与糖异生增强相关，由丙酮酸等关键中间产物上调驱动，这与改变的碳水化合物发酵和宿主葡萄糖代谢中间产物相关。丙酮酸水平升高可能导致葡萄糖过度产生和能量积累，从而损害葡萄糖调节并促进胰岛素抵抗。此外，乙酸盐也可进入三羧酸（Tricarboxylic Acid, TCA）循环，产生过量ATP并促进肝脏脂肪生成和肥胖。证据表明ASs可能通过升高SCFA水平潜在影响宿主健康。尽管SCFA通常被认为是有益的，但并非总是如此，因为高水平SCFA已被报道产生某些不良影响。在健康个体中，SCFA通过激活GPR41和GPR43等G蛋白偶联受体发挥抗炎和免疫调节作用。然而，与AS暴露下的发现一致，一项研究表明，邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯处理导致小鼠结肠中SCFA水平升高并上调Gpr41和Gpr43表达，进而增强饮食热量提取并促进肝脂肪变性和体重增加。此外，高水平SCFA可能限制抗癌药物的有效性。因此，SCFA的生理效应似乎取决于宿主健康状况和特定情境因素，强调需要细致评估其在ASs相关通路中的作用。相反，慢性三氯蔗糖暴露可能诱导肠道微生物组菌群失调，从而损害SCFA生物合成所需酶的表达或活性。一项人体研究显示，连续21天摄入180 mg·d⁻¹三氯蔗糖增加了SCFA（丙酸盐、丁酸盐和戊酸盐）的产生，而以相同浓度摄入11周的小鼠则降低了SCFA（丙酸盐和丁酸盐）水平。作为结肠细胞的关键能量来源，丁酸盐通过上调闭锁蛋白（Occludin）和ZO-1等紧密连接蛋白支持黏膜完整性。其耗竭促进LPS等内毒素易位进入循环，引发炎症级联，导致胰岛素抵抗和MetS、NAFLD等代谢紊乱。总之，虽然ASs可能通过刺激微生物发酵短暂增强SCFA产生，但持续摄入似乎会破坏微生物和代谢稳态。值得注意的是，当宿主微生物组多样性降低、肠道通透性增加时，SCFA更易受到干扰。这些发现强调了阐明ASs长期后果及调节其不同生理效应的宿主因素的必要性。
   3.5 脂多糖渗漏
   新兴研究表明，ASs显著增强肠道革兰氏阴性菌中LPS生物合成基因的表达。升高的LPS水平损害细菌外膜稳定性，促进其易位穿过肠上皮并促进内毒素血症，这是全身炎症和代谢紊乱的关键贡献因素。LPS介导的肠道屏障破坏还通过Toll样受体（Toll-Like Receptors, TLRs）信号触发先天免疫激活，随后诱导NF-κB通路激活并上调促炎细胞因子（包括IL-6、IL-17、TNF-α和IL-1β）。据报道，三氯蔗糖增加肠上皮细胞中TLR（特别是TLR4和TLR5）的表达。这种上调可能增强细胞对其配体（如TLR4）的敏感性，从而增强LPS暴露触发的炎症信号通路。细胞因子的持续升高促进持续性炎症状态，这是包括代谢紊乱和自身免疫疾病在内的多种病理状况的关键驱动因素。同时，这种失调的炎症反应影响免疫细胞（包括中性粒细胞、淋巴细胞和T细胞），导致髓过氧化物酶（Myeloperoxidase, MPO）产生增加。三氯蔗糖暴露已被证明增加中性粒细胞中MPO活性，导致结肠氧化应激和组织损伤升高。升高的MPO水平与CVD相关，因为它们通过氧化低密度脂蛋白和促进泡沫细胞生成来加速动脉粥样硬化。值得注意的是，这些促炎介质不仅与糖尿病和肥胖等代谢紊乱有关，还参与自身免疫疾病、胃肠道疾病甚至神经退行性疾病的发病机制。这表明ASs的影响超出了代谢功能障碍，涵盖更广泛的免疫学效应。深入了解这些机制对于开发旨在减少ASs摄入不良健康效应、促进肠道和免疫稳态的干预措施至关重要。
4. 4.
   人工甜味剂与宿主生理轴：对特殊人群和疾病状态的启示
   过去十年，越来越多的研究调查了ASs在脆弱群体中的效应，包括处于不同生命阶段（如生命早期、老年人）的个体和患有慢性病（如糖尿病、IBD）的个体。这些研究揭示肠道微生物组、免疫功能和代谢稳态（由发育转变和疾病病理生理学共同塑造的动态因素）在介导ASs反应中起着关键作用。研究人员通过一个新颖的综合框架整合现有证据，该框架以三个核心宿主生理轴为中心：免疫能力、代谢状态和发育/表观遗传可塑性。该框架超越了生命阶段和疾病状态之间的传统界限