人体最强感觉器官!防肥胖、抗感染一手全包

2022
06/04

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胃肠道会控制我们吃什么、吃多少,还可以指挥免疫系统抵御病原体和寄生虫。

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小肠绒毛横截面的染色切片。来源:GRACE BURGIN, NOGA ROGEL和MOSHE BITON。

科学家在胃肠道和许多其他内脏器官中发现了与舌和上颚味蕾相同的味觉感受器,同时他们还发现这些新找到的感受器可以感知食物中的营养成分,并且调控着整个消化过程。它们会控制我们吃什么、吃多少,还可以指挥免疫系统抵御病原体和寄生虫。

澳大利亚阿德莱德大学的生理营养学家Richard Young这样描述道:“消化道并不是单纯的管道系统,实际上包含了许多有意思的反应过程。”了解消化道将有助于找到治疗糖尿病、肥胖及过敏性肠炎等疾病的新方法。

味觉感受器,从胃到皮肤

酸、甜、苦、咸、鲜(比如鸡汁、蘑菇、熏肉和谷氨酸钠的味道)是为人熟知的五味,它们帮助我们辨别食物是否值得一试。从生物化学的角度看,味道代表了食物所含的营养分子:土豆的甜味意味着碳水化合物、鸡肉的鲜味意味着蛋白质、咸肉汁意味着电解质;有的味道则蕴含着危险信号:孢子甘蓝的苦味意味着潜在毒素、酸味意味着可能出现腐败变质,比如在冰箱里放了太久的剩饭。

生物学家一直认为,在食物被吞咽的一刻,味觉感受器的工作就全部完成了。直到本世纪初,利物浦大学的生理学家Soraya Shirazi-Beechey团队获得了重大发现:消化道上存在葡萄糖感受器。他们的研究主要观察肠道吸收葡萄糖的过程,研究结果显示消化道上必然存在葡萄糖感受器,该感受器与口腔中的甜味受体本质上是一样的。

在Shirazi-Beechey的开创性研究成果之后,又有许多研究发现了存在于消化道及身体其他部位中的糖、脂肪、氨基酸和苦味化学物感受器。“我们在胃、肠道、胰腺、肺、中枢系统、睾丸和皮肤中都发现了这些味觉感受器。”Robert Margolskee说。Robert是费城Monell化学感觉中心的主任,早年领导了许多科研项目。

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科学家正在研究其他组织中味觉感受器的作用,如肺、睾丸和神经细胞。图源:NICOLLE R. FULLER/ SAYOSTUDIO

当然,即使这些感受器可能与口腔中的味蕾一样,它们的传导方式也会有所不同:当肠道中的甜味感受器被葡萄糖分子触发后,大脑并不会产生甜的感觉。因此,不论它们的作用是什么,许多科学家都会尽量避免在口腔之外的器官中使用“味觉感受器”,他们喜欢使用一个更笼统的词:营养感受器

糖尿病的新头绪

淀粉食物进入消化道后,其要立马决定需转运多少分解产物(葡萄糖)进入血液。转运的葡萄糖太少,会影响机体功能;转运得太多,则会导致心脏病,损害肾脏和神经等。为了维持适度的平衡,营养感受器会让消化道激活特定数量的葡萄糖转运分子并调控激素分泌

有越来越多的证据显示,II型糖尿病患者的这套调控系统存在功能障碍,这种失调在过度肥胖的成年人比较常见。在摄入丰富的碳水化合物后,消化道中的甜味感受器能够感受到糖的存在。此时小鼠体内名为SGLT-1的钠-葡萄糖协同转运蛋白水平会迅速升高,以此来控制葡萄糖水平,而人体内可能也存在同样的机制。葡萄糖从消化道转移到血液后,甜味感受器的激活水平会下降,从而使该反应也会减少。Young说:“这是防止摄入过量营养分子的安全机制。”

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三角代表甜味感受器,星号代表苦味感受器,圆形代表鲜味感受器,方形代表脂肪感受器。图源:NICOLLE R. FULLER / SAYOSTUDIO

Young的研究显示,II型糖尿病患者的这套安全机制受到了损坏。甜味感受器持续处于高激活水平,令消化道不断向血液运送葡萄糖。

目前还不清楚所有调控糖转运的感受器。不过,Shirazi-Beechey的研究已表明,甜味感受器是其中之一,也有研究表明SGLT-1在转运葡萄糖的同时它也有感知葡萄糖的能力,SGLT-1的这种功能对整个反应而言或许更为重要。Young正在做一个临床实验,主要研究阻断甜味感受器能否影响SGLT-1的增高,从而抑制血糖浓度上升。如果结果显示抑制了血糖上升,那么这个发现就可以给II型糖尿病带来新的治疗思路。

甜味剂的真相

Young的研究结果还道出了一个不幸的事实:过去,人们认为人造甜味剂只激活了口腔中的甜味味蕾,在激发愉悦味觉体验的同时并不会给机体带来额外的热量,但近期的一些人体实验发现,甜味剂或许并不是完全无害的。如果消化道中的甜味感受器在调节消化和血糖浓度中扮演了重要的角色,那么人造甜味剂或许和真糖一样也会触发甜味感受器,从而干扰到这些关键环节。

在一项未发表的研究中,Young让27名志愿者每日服用三次胶囊。其中半数志愿者每天会摄入相当于一升半健怡可乐所含的甜味剂,而另一半志愿者所服用的胶囊中则放置安慰剂。两周后,Young发现,与安慰剂组相比,实验组在摄入葡萄糖后血糖浓度反应波动更大。Young的研究团队目前正在II型糖尿病患者中重复该实验,他认为在这个实验中,甜味剂将表现出更强的干扰作用。

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糖精之类的人造甜味剂,或许不仅仅能激活口腔的甜味味蕾,它们或许还可以干扰消化道中的甜味感受器,从而影响机体生理活动。图源:STEFAN EBERHARD

出乎大多数学者意料的是,苦味感受器也参与到了葡萄糖转运过程中。这些感受器位于消化道表面,或者至少——存在于一些与葡萄糖激素调节有关肠道细胞中。有少量研究发现,某些苦味感受器的基因变异与糖尿病罹患风险升高相关,但具体原因尚不清楚。近年研究发现,一种从啤酒花中提取出的苦味化合物可以改善糖尿病小鼠的葡萄糖调控力。

我需要更多的热量!

消化道中的营养感受器不仅仅可以调节消化过程。它们在决定摄入食物的种类和数量上也起着关键作用。对人类及任何其他动物来说,进食需要保证机体功能正常的情况下避免长胖。

20世纪70年代有一个经典实验,得到营养液补剂的猕猴在下一餐中会减少食物的摄入,而减少部分所含的热量恰好与补剂的热量相当。由于每支补剂(不论所含热量如何)都是被融入到了等量水中,通过胃管注入体内的,因此猕猴不会通过吞咽感受到补剂的味道。这就说明消化道一定可以直接感受热量含量。Harvey Grill是宾夕法尼亚大学糖尿病、肥胖与代谢疾病学会的肥胖部主任,他说:“不论是脂肪热量、氨基酸热量还是碳水化合物热量,这个系统都感知得到,该系统的本质是一个热量侦测装置,它不会对热量来源的性质加以区分。”

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当葡萄糖与肠道细胞上的甜味感受器结合时,感受器会通过像GLP-1这类的中介物G蛋白(Gustducin)触发激素释放,从而正向调节如SGLT-1这种的葡萄糖转运分子,使葡萄糖进入血液。GLP-1还会作用于神经细胞,引起饱腹感,进而发出停止进食的信号。图源:NICOLLE R. FULLER / SAYOSTUDIO

饱腹感不止能够控制我们的进食行为。对于人类这种食谱广泛的杂食性动物来说,常常会面临这样的选择:是吃更大份的带配料传统火鸡好呢,还是腾点肚子给四季豆好呢?再来一个派如何?这些选择题的背后都潜藏着一个第二驱动力,科学家叫它:食欲。它会驱使我们吃下超出身体所需的食物。

在食欲的驱使之下,营养感受器可以通过判断分析来决定吃什么。所有动物,包括人类,都会倾向于选择热量更高的食物。这也就是为什么人们会考虑再来一份土豆或者火鸡,而不是再来一份西芹杆。

为了证明人们喜欢一种食物的原因除了好吃还有热量高,布鲁克林大学Anthony Sclafani的研究团队进行了另一个经典实验。实验中,他们为小鼠提供了两瓶裝满零热量的调味水。当老鼠饮用樱桃味的水时,他们会通过胃管将糖溶液注入老鼠体内;当老鼠饮用葡萄味的水时,他们通过胃管向老鼠体内注入净水。结果显示,尽管老鼠没有通过口腔尝过甜味的糖溶液,它们消化道也知道哪瓶溶液更好,并且很快学会了选择饮用樱桃味的水。

这种热量至上的选择足以盖过口腔味觉偏好。在另一实验中,Sclafani为小鼠提供加了甜味剂的溶液和不甜溶液。但在小鼠饮用不甜溶液的同时,研究员会通过胃管向小鼠体内注入糖。小鼠最开始倾向于饮用含甜味剂的溶液,然而最后小鼠选择了喝不甜的水,并且饮用量是甜味剂水的四倍。“这说明口味会影响饮食,但是当超过24小时,消化道的感受器被激活后,其产生的影响将更为持久。”John Glendinning表示,他是纽约巴纳德学院的感觉生理学家,与Sclafani合作进行研究。他说,这种对摄入高热量食物的渴求会超越饱腹感,这也就解释了为什么现在有数目庞大的肥胖人群和高热量饮食。

切除胃部带走了感受器?

大多数与食欲和饱腹感有关的实验都是在小鼠身上完成的,不过许多专家认为相同的机制在人体内也同样存在。这里最有力的证据就是肥胖治疗术中的胃分流术,在胃分流术中,医生会切除或分流胃大部、小肠上半段和十二指肠。分流手术可以让许多患者迅速减掉大部分多余体重,并维持健康水平

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孢子甘蓝这类蔬菜中含有可以激活苦味感受器的化学成分,在胃、肠道以及口腔中都有苦味感受器的存在。图源:AETAYLOR / PIXABAY

为什么胃分流术的效果如此之好呢?胃分流术切除了十二指肠,而十二指肠中含有大量的营养感受细胞。Sclafani认为,十二指肠的切除阻滞了食欲相关的通路,从而让人不再想进食。另一方面,Gribble认为,胃引流术最重要的一点是增强了饱腹感。因为,目前最新的手术形式是袖状胃切除术,即只缩小胃容积,而不切除或分流十二指肠。”她认为,经过袖状胃切除术,食物可以快速通过胃部到达肠道,而肠道靠后的部分有更多可以分泌饱腹感激素的细胞。当食物到达此处时,饱腹感激素水平将会升高,因此袖状胃切除术后,食物提前进入这部分肠道,可以让饱腹感来得更快

消化道也是监察官

有时,消化道需要处理消化食物以外的问题。许多毒素、细菌和其他病原体都会与苦味感受器结合,当在胃中出现这一反应时,胃就会阻挡这些物质,减缓它们进入肠道的速度。当这些物质被运送到肠道中后,苦味感受器又可以刺激粘液分泌,引起腹泻,从而使有毒物质快速排出体外。这两个反应都是为了减少有害物质在小肠内贮留的时间,防止其被身体吸收。

近期研究显示,消化道中的感受器还可以提醒免疫系统攻击寄生虫。通常,免疫系统存在两种免疫反应的平衡:第一种免疫反应叫做I型炎症应答,是对病毒和细菌做出的免疫反应;第二种反应叫做II型反应,是对寄生虫等大型病原体做出的免疫反应。小鼠肠道味觉感受器激活后,肠道细胞便能作出相应反应,但是研究人员将细胞的这种功能抑后,这些小鼠的II型免疫反应便出现了障碍,而I型免疫反应则出现亢进。Hong Wang是Monell化学感觉中心的分子生物学家,也是该实验的负责人,他说,现代发达国家的寄生虫相对较少,因此消化道中的这些感受器的激活程度也较低,这也就解释了现在某些肠炎疾病盛行的原因。

但具体是哪些感受器从中发挥作用我们还不得而知,因为在细胞接收信号后,甜味、鲜味和苦味感受器(以及其他的感受器都采用了相同的激活机制。苦味感受器是最有可能参与其中的,因为除了营养素以外,它能感受到的物质种类是最广泛的。琥珀酸盐是细菌和原生生物的代谢产物,因此另一个可能的参与者便是琥珀酸盐感受器。严格来说,它不是味觉感受器,不过据Wang在Monell研究中心的同事Peihua Jiang讲,琥珀酸盐感受器的激活机制与其它的味觉感受器是一样的。

显然,还有很多有关味觉感受器和其它消化道感受器的秘密等待科学家去发现。纽约威尔康奈尔医学院的生物医学研究员Sandra Steensels说,有些学者现在正把目光投向嗅觉——气味感受器。目前,只有一件事情是肯定的:不论是狼吞虎咽还是细嚼慢咽,你品尝食物的时间都远比想象的更久。

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关键词:
感受器,消化道,甜味剂,器官,人体

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