通过扰乱细胞内的促氧化-抗氧化平衡，就会产生一种称为氧化应激的状况，对宿主细胞的DNA、蛋白质和脂质造成严重损害，从而危及宿主细胞的生存能力。氧化应激是由自由基在体内产生的一种负面作用，并被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素。
但是，自由基对健康也至关重要，例如，适合浓度的活性氧自由基可以调节和介导人体细胞的功能，一些重要的细胞过程的调节是在适量的活性氧存在下进行的，比如炎症、免疫反应和增殖，免疫细胞可以利用自由基来对抗感染。因此，身体内自由基的产生和抗氧化作用需要保持一定的平衡，保持自由基和抗氧化之间的平衡以及相关过程对保持健康十分必要。
自由基对人体的损害实际上是一种氧化过程，因此，要降低自由基的损害，就要从抗氧化做起。降低自由基危害的途径有两条：一是利用内源性自由基清除系统清除体内多余自由基；二是发掘外源性抗氧化剂，阻断自由基对人体的入侵。
人体内本身就具有清除多余自由基的能力，这主要是靠内源性抗氧化系统，它包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化酶等一些酶和谷胱甘肽等抗氧化剂。酶类物质可以使体内的活性氧自由基变为活性较低的物质，从而削弱它们对机体的攻击力。酶的防御作用仅限于细胞内，而抗氧化剂有些作用于细胞膜，有些则是在细胞外就可起到防御作用。这些物质就深藏于我们体内，只要保持它们的量和活力，它们就会发挥清除多余自由基的能力，使我们体内的自由基保持平衡。
现在我们的生活方式和环境因素导致体内产生过量的自由基，因此，要降低自由基对人体的危害，除了依靠内源性抗氧化系统外，还要寻找和发掘外源性抗氧化剂，利用这些物质作为替身，让它们与自由基结合，以阻断自由基的攻击，使人体免受伤害。
在自然界中，可以作用于自由基的抗氧化剂范围很广，种类极多。植物和动物以及所有其它形式的生命，都有自己的抵御自由基和氧化损伤的武器。因此，抗氧化剂在所有植物和动物来源的天然食品中都有。抗氧化剂的重要来源之一是蔬菜、药用植物、水果和香料，它们含有天然维生素和多酚化合物，可以作为抗氧化剂，预防疾病的发生，这也是富含植物性食物的饮食对健康有益的部分原因。
此外，大量研究表明，除了食物来源外，各种益生菌也具有抗氧化活性，可以阻止体内活性氧的增加。
最常见的益生菌包括双歧杆菌、乳杆菌、肠球菌、链球菌、芽孢杆菌和酵母菌等，形式多样。它们可以产生免疫调节化合物，刺激宿主免疫系统，平衡人体肠道菌群。此外，益生菌可以通过增加不同种类维生素的合成和乳糖的分解来帮助改善消化、矿物质的吸收和代谢过程。因此，它们可以保护肠道生态系统并保持其稳定。
抗氧化活性是益生菌对人体健康的另一个好处，它有助于降低癌症、心血管疾病以及帕金森病等神经系统疾病中高浓度的活性氧：
益生菌产生的胞外多糖等细菌结构化合物具有抗氧化活性等有益特性。
益生菌代谢物，比如不同类型的维生素（K、B1、B2、B3、B5和B9）、短链脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸）、抗氧化酶（过氧化氢酶或其它过氧化物酶）和分泌的蛋白质（细菌素），都与益生菌的抗氧化活性有关。
益生菌产生的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶，它们分别负责将有害的活性氧（比如超氧阴离子）和过氧化氢转化为危害较小的和中性的物质。
短链脂肪酸是益生菌在胃肠道中通过发酵膳食纤维产生的代谢物，为结肠细胞提供能量来源，维持肠道和免疫稳态。在氧化应激中，丁酸等短链脂肪酸的存在可增加抗氧化酶的活性，减少活性氧的损伤。
螯合能力是益生菌的另一种抗氧化作用，它可以螯合铜和铁离子等金属离子，阻止金属离子参与催化氧化反应。
某些益生菌可产生叶酸，它们可通过螯合金属离子和清除活性氧来提高叶酸水平和抗氧化能力。
某些益生菌菌株可以降低某些产活性氧自由基的关键酶的表达，包括NAPDH氧化酶和环加氧酶等。
许多益生菌菌株可以参与调节特定抗氧化信号通路，通过调节抗氧化信号通路中关键基因的表达，增强自由基的清除能力，从而减轻氧化应激。
在肠道菌群失衡的情况下，沙门氏菌、李斯特菌、弯曲杆菌等病原菌会大量生长，同时产生大量毒素、脂多糖等毒力因子，诱导炎症和活性氧的产生。在这种情况下，益生菌可以发挥重要作用。它们附着在肠道细胞上，这是先天免疫系统的第一道屏障，与致病菌竞争，抑制致病菌的定植和随后的感染。因此，益生菌可以平衡肠道菌群而发挥抗氧化作用。
1、心血管疾病
心血管疾病是一组与心脏和血管有关的疾病，包括冠状动脉疾病、心脏病和风湿性心脏病。心血管疾病多年来一直是导致死亡的主要原因。2021年，因心血管疾病登记的死亡人数约为2000万人，占全球死亡人数的近三分之一。久坐不动的工作、缺乏运动、长时间工作而没有闲暇时间、压力增加、吸烟、饮酒以及以高热量摄入和大量饱和脂肪、糖和盐为特征的不健康饮食是心血管疾病的主要风险因素。
此外，心血管疾病与代谢失调有关，比如肥胖、2型糖尿病、高胆固醇血症和高血压，所有这些都与高水平的活性氧产生有关。一些酶参与血管内皮中高水平活性氧的产生，包括功能失调的内皮型一氧化氮合酶、NADPH氧化酶和环加氧酶。许多研究表明，饮食干预和补充益生菌可以减少活性氧的产生、代谢综合征和心血管疾病的后果。
在不同生理条件下，一氧化氮合酶存在内皮型、诱导型和神经元型三种形式，这些酶催化L-精氨酸氧化产生一氧化氮的主要反应。一氧化氮是一种强大的信号分子，是血管内皮细胞产生的一种内源性血管扩张剂，在维持代谢和心血管稳态中起着关键作用。除一氧化氮合酶外，在有氧条件下，一氧化氮也可以通过其它一些不同的酶催化硝酸盐/亚硝酸盐和亚硝基硫醇产生。
在正常生理状态下，内皮型一氧化氮合酶在血管壁内皮中表达较多，它们产生的一氧化氮具有许多抗动脉粥样硬化的特性，包括血管舒张，可以防止白细胞迁移和粘附到血管壁，抑制低密度脂蛋白胆固醇。相反，在氧化应激和炎症等病理状态下，诱导型一氧化氮合酶表达增多，并且会抑制内皮型一氧化氮合酶，从而减少内皮型一氧化氮合酶产生的一氧化氮，导致血管内皮功能障碍。
在血管系统内皮功能障碍中，血管内皮不能产生具有生物活性的一氧化氮，这是心血管疾病的重要危险因素之一。导致内皮型一氧化氮合酶激活、一氧化氮生物利用度和血管舒张反应降低的炎症过程是诱发血管内皮功能障碍的重要因素。此外，糖尿病、高血压和高胆固醇血症等代谢综合征所产生的氧化应激和活性氧可影响血管内皮功能障碍并降低一氧化氮的生物利用度。
胆总管结扎大鼠补充复合益生菌（嗜热链球菌、长双歧杆菌、短双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌、保加利亚乳杆菌）可以改善细菌易位引起的血管氧化应激以及随后的促炎反应，防止肠系膜动脉内皮功能障碍。
NADPH氧化酶是活性氧产生的主要来源，它们是一类酶复合物，包括NOX1、NOX2、NOX3、NOX4、NOX5、DUOX1和DUOX2亚基。它位于白细胞和血管细胞膜上，催化超氧化物的产生。血管中高水平的超氧化物等活性氧与促炎细胞因子的升高相互关联，可引发炎症。
细菌脂多糖（LPS）可以激活TLR-4并引发促炎细胞因子、血管氧化应激和NADPH氧化酶的产生，从而引起内毒素血症。此外，有研究声称，TLR-4在高血压中表达增加。益生菌可以降低自发性高血压大鼠TLR-4的表达和NADPH氧化酶的活性，具有降低氧化应激的能力，从而发挥心血管保护作用。
前列腺素内过氧化物合酶（PTGS），也叫环加氧酶（COX），是一种具有COX-1和COX-2两种异构体的酶。COX-1在许多细胞中组成性表达，包括内皮细胞、血小板和肠上皮细胞。此外，COX-2催化花生四烯酸转化为类前列腺素，比如血栓素和前列腺素（如前列环素）。与一氧化氮合酶和NADPH氧化酶一起，COX在细胞内活性氧的产生中起着至关重要的作用。此外，COX-2的表达可被激素、生长因子、缺氧、细胞因子和自由基上调，所有这些都与动脉粥样硬化病变的发生有关。
有报道称，嗜水气单胞菌可增加COX-2和诱导型一氧化氮合酶的基因表达，从而通过增加活性氧和活性氮的产生，诱导胸腺巨噬细胞凋亡。胸腺巨噬细胞感染嗜水气单胞菌前使用益生菌嗜酸乳杆菌处理，可以降低COX-2和诱导型一氧化氮合酶的表达水平，从而减少与细胞凋亡和细胞毒性有关的活性氧的产生。
总之，益生菌可通过如下抗氧化机制阻止心血管疾病的发生：
改善细菌易位引起的血管氧化应激以及随后的促炎反应；
抑制NADPH氧化酶及其NOX1亚基活性，降低超氧化物水平；
提高内皮型一氧化氮合酶磷酸化水平；
降低COX-2和诱导型一氧化氮合酶的表达水平，从而减少与细胞凋亡和细胞毒性有关的活性氧的产生；
阻止血管内皮功能障碍。
2、癌症
癌症是细胞不受控制的增殖，是全世界第二大死亡原因。肺癌、乳腺癌、前列腺癌、子宫颈癌、结直肠癌、胃癌和肝癌是人类最常见的癌症类型。癌症是由许多内部和外部突变因素引起的，包括遗传缺陷、微生物（病毒）、化学物质、辐射、肥胖、久坐不动的生活方式、不健康的饮食（水果和蔬菜摄入量低）、吸烟和酒精等等，这些都会破坏DNA。化疗、手术和放疗是主要的癌症治疗方法，但由于它们严重的副作用和昂贵费用，有必要开发新的、安全的、廉价的癌症治疗方法。
益生菌可以通过其结构成分（比如细胞壁、蛋白质和脂质）和分泌物质（乳酸、乙酸、丁酸）与诱变剂结合，并抑制诱变剂的作用。
益生菌可以与病原体竞争结合上皮细胞，并摄取营养物质，分泌细菌素和过氧化氢等不同物质，以清除病原体和致癌微生物。
肠道菌群失调在各种癌症和微生物感染的发生中发挥着关键作用。益生菌有助于维持肠道菌群的健康平衡。口服益生菌会增加双歧杆菌、乳酸杆菌和肠球菌等有益细菌的数量，同时减少大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等病原体的数量。
此外，益生菌可以抑制结直肠癌患者肠道内病原体的易位，从而减少全身应激反应，增强全身/局部免疫。
癌细胞需要大量的ATP作为能量来源和上调代谢，以实现不受控制的增殖，从而导致癌细胞中产生大量的活性氧，促进细胞损伤和死亡。癌细胞中产生的最重要的活性氧是过氧化氢和超氧化物，它们通过磷酸肌醇3激酶（PI3K）、p38-丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）和核因子κB（NF-κB）信号通路促进细胞增殖，从而导致癌症的发生。此外，在癌细胞高水平的活性氧中，活性氧通过硫氧还蛋白系统的氧化引发细胞凋亡，导致凋亡信号调节激酶-1（ASK-1）解离，c-jun N-末端激酶（JNK）和p38信号通路激活，最终导致细胞凋亡。
在某些情况下，癌细胞通过核因子-红细胞2相关因子2（Nrf2）调节高水平的活性氧， Nrf2是调节各种抗氧化剂和抗炎蛋白基因表达的最重要的转录因子。这个因子对于维持细胞氧化还原状态的平衡，保护细胞免受氧化应激和炎症反应非常重要。磷酸酶和张力蛋白同系物（PTEN）是由PTEN基因编码的脂质磷酸酶。PTEN的突变会激活致癌性的PI3K-Akt通路和诱导Nrf2。KRAS和MYC信号是诱导Nrf2并调节抗氧化反应的其它不同因子。由于突变，在各种癌症和肿瘤发生中Nrf2及其调节因子Keap1的激活更多。
据报道，从芽孢杆菌LBP32中纯化的胞外多糖具有抗氧化和抗炎作用。纯化的胞外多糖可抑制LPS刺激的RAW 264.7巨噬细胞促炎介质的产生以及潜在的分子机制，包括NF-κB和MAPKs信号通路的激活以及细胞内活性氧的产生。此外，来自益生菌鼠李糖乳杆菌GG的可溶性因子会激活MAPK并诱导肠上皮细胞中热休克蛋白Hsp25和Hsp72的表达，从而保护肠上皮细胞免受各种应激，比如热应激、渗透应激和氧化应激。此外，嗜酸乳杆菌 606的可溶性多糖可在不同的癌细胞系（如HT‐29细胞）中诱导细胞凋亡、增殖，并表现出强大的抗氧化活性。解淀粉芽孢杆菌SC06可通过调节Nrf2/Keap1信号通路平衡猪肠上皮细胞IPEC-1的氧化应激，从而减少活性氧的产生。同时，凝结芽孢杆菌T242可激活Nrf2/Keap1信号通路，降低HT-29细胞的氧化应激。此外，鼠李糖乳杆菌GG产生的胞外多糖可通过降低Keap1-Nrf2信号通路和线粒体通路中的caspase-3、Bax/Bcl-2比值，减少IPEC-J2细胞的活性氧和凋亡。因此，癌症可以通过不同的机制触发或抑制活性氧的产生，因此调节活性氧的产生对于癌症治疗非常重要。
结果表明，许多益生菌具有螯合能力。一项研究评估了19种菌株的金属螯合能力，嗜热链球菌821螯合Fe2+金属离子的能力最强，长双歧杆菌15708螯合Cu2+的能力最强。另一项研究报道，干酪乳杆菌KCTC 3260可去除金属离子，最终阻断氧化链式反应。研究人员用艰难梭菌感染的胃肠道模型模拟氧化还原状态的改变，结果发现益生菌可以通过铁还原能力和铜螯合作用抵消氧化还原状态的失调。
总之，益生菌可通过如下抗氧化机制与癌细胞作斗争：
活性氧在癌细胞中增加，并作为一种信号分子激活MAPKs和NF-κB途径，导致癌细胞存活，益生菌通过抑制MAPKs和NF-κB通路，诱导不同肿瘤细胞系的细胞凋亡，从而抑制细胞增殖。
超氧化物歧化酶SOD1在各种癌症中也会增加，从而诱导肿瘤坏死因子-α和氧化应激信号，增加细胞的增殖、侵袭和迁移，益生菌可通过其抗氧化酶减少活性氧，并通过其螯合能力抑制超氧化物歧化酶。
益生菌可诱导对抗应激的热休克蛋白和调节Nrf2/Keap1信号通路，从而减少活性氧的产生。
3、衰老
衰老是一个不可逆的复杂生物过程，是遗传和环境因素引起的细胞内和细胞外各种损伤随时间积累的结果。在衰老过程中，细胞和组织的细胞和分子功能下降，引起许多生理变化、炎症，最终导致癌症、心血管疾病和神经退行性疾病等疾病。
许多因素，比如端粒缩短、DNA损伤、肿瘤抑制因子和细胞周期抑制剂，都与衰老有关。此外，衰老的自由基理论认为，衰老现象是由于氧化损伤随着时间的推移而积累。众所周知，氧化应激、高水平的活性氧产生和低水平的抗氧化酶（比如超氧化物歧化酶）是衰老的重要问题，过量的活性氧会导致DNA、蛋白质和脂质等大分子的损伤，破坏它们的功能。
另一项研究揭示了益生菌与衰老相关损伤减轻之间的关系。植物乳杆菌DR7、发酵乳杆菌DR9和罗伊氏乳杆菌8513d可以显著提高衰老大鼠AMPK亚基-α1的表达，减少端粒缩短。此外，在衰老小鼠模型中，补充瑞士乳杆菌KLDS1.8701能够清除氧自由基，改善衰老相关的变化，比如降低脏器指数和肝损伤。瑞士乳杆菌KLDS1.8701还能调节肠道菌群组成，导致丁酸的产生。此外，它通过肠-肝轴和调节Nrf-2途径减少肝脏氧化应激。此外，益生菌（副干酪乳杆菌BCRC 12188、植物乳杆菌BCRC 12251和嗜热链球菌BCRC1386）能够通过诱导Nrf2或血红素氧合酶-1（HO-1）的表达来提高超氧化物歧化酶和过氧化氢酶等抗氧化酶的活性，抑制脂质过氧化，并通过降低caspase-3的激活来抑制细胞凋亡，这最终导致衰老相关疾病的改善。
据报道，随着时间的推移，活性氧在大脑中积累，会导致神经元损伤并导致神经退行性疾病。阿尔茨海默病和帕金森病是两种重要的衰老相关的进行性神经退行性疾病，特别影响64岁及以上的老年人。许多因素，比如不健康的生活方式、遗传、炎症性疾病、代谢综合征（高血糖、糖尿病、高血压）和高水平的氧化应激，都与中枢神经系统的神经退行性疾病有关。
帕金森病的症状主要包括运动症状和非运动症状，运动症状主要包括震颤、肌强直、运动迟缓和姿势步态障碍，非运动症状包括精神健康障碍、认知障碍、痴呆和胃肠道问题。 同样，阿尔茨海默病是一种以记忆问题、认知障碍和运动障碍为特征的进行性疾病。β-淀粉样蛋白和磷酸化的tau蛋白（轴突微管稳定性的重要蛋白）的积累与阿尔茨海默病的发病机制有关，可导致神经炎症、神经退行性病变和最终的神经元死亡。通过β-淀粉样蛋白寡聚化，过氧化氢等活性氧增加，导致线粒体亲环素D活化，释放凋亡诱导因子、细胞色素C，最终导致神经元细胞死亡。此外，β-淀粉样蛋白刺激小胶质细胞产生炎症介质，穿过血脑屏障，导致神经炎症。此外，在阿尔茨海默病患者大脑中，高水平的活性氧可增加β-淀粉样蛋白的形成，促进疾病的发生。因此，活性氧是与阿尔茨海默病相关的关键机制之一。
氧化应激和炎症是神经退行性疾病的两个关键因素。在衰老过程中，促炎介质的增加会削弱免疫系统。此外，肠道菌群失调可能与一些神经退行性疾病有关，包括帕金森病和阿尔茨海默病。到目前为止，这些进行性疾病还没有确切的治疗方法，服用药物虽可以减轻症状，但化学药物治疗对病人有很多副作用。许多研究报道了益生菌的抗氧化和抗炎作用，它们在自然、安全、低成本治疗神经退行性疾病方面具有良好的潜力。
益生菌产生的一些代谢物具有积极的免疫调节作用，可增强肠道上皮屏障的完整性。此外，它们还能维持肠道内稳态，平衡肠道菌群组成。因此，胃肠道中乳酸杆菌和双歧杆菌的存在可通过减少病原体和增加超氧化物歧化酶活性从而减少β-淀粉样蛋白斑块的大小来抑制炎症和活性氧的产生。其它研究报道，口服屎肠球菌和鼠李糖乳杆菌可以减少肿瘤坏死因子TNF-α的产生，这是一种促炎细胞因子，可增加阿尔茨海默病中的β-淀粉样蛋白。此外，它们还能减少氧化应激反应，激发大脑中抗氧化酶的活性。
肠道菌群中拟杆菌门细菌的增加，厚壁菌门细菌和双歧杆菌的减少与阿尔茨海默病有关。此外，在阿尔茨海默病患者中，被称为促炎细菌的埃希氏菌/志贺氏菌等病原菌水平较高，而被称为抗炎细菌的直肠真杆菌水平较低。肠道菌群失调为病原体的定植提供了适宜的环境，这会增加肠道通透性，破坏肠脑轴。肠道菌群在形成由各种微生物和不同人类细胞组成的许多网络中发挥关键作用，包括肝细胞（肠肝轴）和神经元（肠脑轴），它们通过微生物代谢物（比如短链脂肪酸）相互交流，以维持肠道和免疫稳态。一些细菌成分可通过体循环从肠道进入大脑。比如，在肠道菌群失调时，一些细菌成分，比如脂多糖，可通过体循环从肠道到达位于大脑的β-淀粉样蛋白斑块，从而增加炎症、氧化应激，最终发展为阿尔茨海默病。
4、肥胖
肥胖是一种慢性多因素疾病，是心血管疾病、糖尿病、非酒精性脂肪肝和癌症等非传染性疾病的危险因素之一。这些情况会降低生活质量，并可能导致过早死亡。肥胖被定义为脂肪组织中脂质积累增加，这是由于摄入高热量饮食造成的。
脂肪因子是由脂肪组织产生的生物活性分子，它们具有不同的功能，包括炎症（IL-6、IL-1β和TNF-α）、调节食物摄入（瘦素）和产生活性氧。此外，活性氧的产生会引发脂肪因子的不规则产生，这与代谢综合征和肥胖有关。在肥胖人群中，炎症、氧化应激和随后的损伤都很高，而抗氧化的水平很低。
肠道菌群是影响肥胖和其它代谢综合征的另一个因素。高脂饮食可导致肠道菌群组成发生变化，厚壁菌门/拟杆菌门的比值、乳杆菌属、双歧杆菌属和肠杆菌科的细菌增加，而肠杆菌属的细菌减少。相反，低脂饮食会导致拟杆菌门细菌增加，厚壁菌门/拟杆菌门比值、乳杆菌属、双歧杆菌属和肠杆菌科的细菌减少。
肠道菌群组成会随着食物的不同而变化，导致特定菌群占据主导地位。例如，富含膳食纤维的食物会增加普雷沃氏菌的数量。此外，益生菌可以改变肠道菌群，特别是肠道菌群失调的情况下，并使它们保持平衡。此外，益生菌直接或间接影响脂肪因子，乳酸菌可通过脂肪组织诱导瘦素等脂肪因子的分泌。因此，口服益生菌对一些代谢紊乱具有很好的治疗能力。
总结
近年来，益生菌的消费越来越普遍，对益生菌的研究也成为一个热门话题。益生菌是摄入足够数量，对宿主健康有益的活性微生物，常见的包括乳酸杆菌、双歧杆菌和少数酵母菌。益生菌在人体肠道微生物生态系统的形成中发挥重要作用。目前，许多研究都集中在肠道菌群的调节上。益生菌能够结合肠上皮细胞，占据细胞受体，产生抗菌物质，共同抑制病原微生物的生长。此外，益生菌可以通过不同的机制刺激体液免疫系统和细胞免疫系统。
抗氧化活性是益生菌对人体健康的另一个好处。氧化应激与心血管疾病、癌症和肥胖等多种不同疾病的发生有关。因此，维持促氧化与抗氧化的平衡对健康至关重要。益生菌作为一种有效的抗氧化剂近年来受到人们的关注，某些益生菌菌株单独补充或与食物结合使用具有抗氧化功效，可以减少氧化损伤。益生菌的抗氧化作用主要是通过螯合金属离子、利用自身抗氧化代谢物、调节宿主抗氧化酶的活性、提高宿主抗氧化代谢物水平、调节宿主信号通路、降低活性氧产生酶的活性、调节肠道菌群等机制发挥的。
益生菌通过抑制NADPH、增强内皮型一氧化氮合酶磷酸化、降低环加氧酶-2的表达、促进内皮功能而对心血管健康产生积极影响。
益生菌可通过其抗氧化酶的作用来减轻活性氧的有害作用，并通过其螯合特性抑制超氧化物歧化酶，从而在肿瘤生物学中获得有利的结果。
益生菌通过提高抗氧化酶水平和减少氧化应激，在减缓衰老过程中发挥重要作用。
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