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低成本生態健康豬仔腸道微生物代謝產物及益生菌的調控作用

2019-03-05 16:17:59 點擊：

導讀

腸道是動物最大的消化器官和免疫器官，也是微生物數量和種類最多的部位。腸道微生物與宿主具有密切的互作聯系，一方面，宿主給腸道微生物提供穩定的生長環境; 另一方面，腸道微生物能幫助宿主消化食物，抵御病原菌，并能產生短鏈脂肪酸( short chain fatty acids，SCFAs) 、膽汁酸和維生素等代謝產物，從而調控宿主的生理健康并影響疾病發展。本文主要就仔豬腸道微生物的組成與分布、腸道微生物代謝產物的種類與作用，以及益生菌對仔豬腸道微生物組成與功能的影響等方面進行綜述，以期為仔豬腸道微生物的研究和疾病防治提供科學依據。

仔豬腸道微生物

仔豬在出生前胃腸道是無菌的。仔豬在出生后，一些來自于母體產道及環境中特定的兼性厭氧菌( 如大腸桿菌和鏈球菌) 就迅速定植于其腸道內，并創造一個缺氧的環境，隨后厭氧菌( 如擬桿菌、乳酸菌、雙歧桿菌和梭菌) 開始定植，形成簡單的微生物區系。仔豬腸道微生物受宿主遺傳背景、飼糧成分和生長環境等影響，仔豬斷奶前的腸道微生物以厭氧菌為主，斷奶后隨著仔豬的生長發育不斷發生變化，最終與宿主建立和諧的共生關系。研究認為，仔豬腸道中微生物主要是厭氧菌和兼性厭氧菌，大多數屬于擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門、變形菌門和疣微菌門，其中厚壁菌門和擬桿菌門占90%以上。仔豬不同腸段微生物的種類和數量存在顯著差異，且管腔微生物和黏膜微生物的種類和數量也存在差異，腸黏膜中普氏菌屬、糞球菌屬和柔嫩梭菌屬要多于腸道內容物。小腸因具有pH、氧含量和抗菌物質的水平高于大腸以及食糜在此滯留時間較短等特點，決定了小腸中微生物以快速生長的兼性厭氧菌( 梭菌屬和變形桿菌門) 為主，并具有較強的耐酸耐膽鹽能力，小腸中微生物數量為10⁴ ～10⁷ CFU /mL。而大腸是腸道中微生物數量最多的部位，以擬桿菌科和梭菌屬為主，微生物數量達到了10¹¹ CFU /mL。

2腸道微生物的代謝產物

腸道微生物通過自身代謝和與宿主共代謝產生一系列代謝產物( 表1) ，如短鏈脂肪酸、膽汁酸、多胺、吲哚和維生素等，從而影響宿主生理健康。目前，通常可以采取氣相色譜( GC) 、液相色譜( LC) 和高效液相色譜( HPLC) 等代謝組學方法來檢測這些代謝產物。

2.1 短鏈脂肪酸

短鏈脂肪酸是指碳鏈中碳原子小于6 個的有機脂肪酸，其中含有2 ～ 6 個碳原子的短鏈脂肪酸又稱為揮發性脂肪酸，包括乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸和戊酸等，以乙酸、丙酸和丁酸為主( 95%) ，它們主要由小腸不能消化吸收的纖維、少量的蛋白質和肽等營養物質在結腸和盲腸經厭氧微生物的發酵作用產生。短鏈脂肪酸是結腸上皮細胞的主要能源，能為仔豬提供2% ～ 10%的能量。腸道中產生的短鏈脂肪酸大部分( 80% ～90%) 在結腸被吸收，其中僅一小部分被微生物自身利用，如脫硫腸狀菌( Desulfotomaculum spp.) 。腸道不同部位的短鏈脂肪酸產生量存在差異，以盲腸和前端結腸短鏈脂肪酸含量最高( 70 ～ 140 mmol /L) ，末端結腸短鏈脂肪酸含量顯著下降( 20 ～ 40 mmol /L) 。研究表明，短鏈脂肪酸可直接激活腸上皮細胞的G 蛋白偶聯受體( GPR) ，包括GPR41、GPR43 和GPR109，從而在調節仔豬能量利用、腸道運動、細胞增殖、調節腸道微生態平衡方面發揮重要作用。

2.2 膽汁酸

膽汁酸主要在肝臟由膽固醇合成并分泌到膽汁，膽汁酸作為膽汁的重要成分在脂肪代謝中起著重要作用，能有效地增加膽固醇和脂溶性維生素的吸收。按照來源來分，膽汁酸可分為初級膽汁酸和次級膽汁酸。初級膽汁酸是肝細胞直接以膽固醇為原料在膽固醇7α－羥化酶( 7α-hydroxylase，CYP7A1 ) 和甾醇－ 27 羥化酶( sterol-27-hydroxylase，CYP27A1) 催化合成的膽汁酸，包括膽酸( cholic acid，CA) 、鵝脫氧膽酸( chenodeoxycholic acid，CDCA) 及相應結合型膽汁酸。初級游離膽汁酸在腸道細菌作用下進一步經膽鹽誘導酶的脫羥基作用降解為次級膽汁酸，包括脫氧膽酸( deoxycholic acid，DCA) 及石膽酸( lithocholic acid，LCA) ，它們分別經膽酸和鵝脫氧膽酸通過7α－羥基脫氧后得到。大部分的膽汁酸( 90% ～95%) 在回腸末端被重吸收，并經門靜脈到達肝臟進行腸肝循環; 剩余的膽汁酸( 5% ～ 10%) 主要被腸道中多數厭氧微生物( 擬桿菌、梭菌、真細菌、乳酸菌、大腸桿菌等) 和少數需氧菌( 放線菌和變形菌等) 分泌的膽鹽水解酶( bile salt hydrolase，BSH)水解為初級游離膽汁酸，僅少部分膽汁酸直接隨糞便排出體外。大部分次級膽汁酸( 如脫氧膽酸) 通過回腸上皮細胞中的轉運載體吸收或直接經腸道被動吸收，石膽酸的重吸收率較低，大多通過糞便排出體外。膽汁酸的合成和代謝途徑見圖1。研究證實，初級和次級膽汁酸分別通過激活法尼醇X 受體( FXR) 和G 蛋白偶聯跨膜受體5( TGR5) 來調控宿主糖代謝、脂代謝和能量代謝。研究發現，炎癥性腸病、腸易激綜合征和短腸綜合征等臨床疾病都與膽汁酸的含量異常相關。

2.3 膽堿代謝物

腸道微生物能代謝膽堿產生三甲胺氧化物( trimethylamine oxide，TMO) ，然后被肝臟的黃素單加氧酶( flavinmonooxygenases，FMOs) 代謝產生氧化甲胺( trimethylamine-N-oxide，TMAO) 。研究發現，小鼠飼糧中補充TMAO 或富含膽堿、肉堿和γ－丁酰甜菜堿能加速血栓的形成，并能通過降低CYP7A1 的活性減少初級膽汁酸的合成，增加心血管疾病的風險。研究發現，高膽堿飼糧顯著增加了小鼠盲腸管腔紅蝽桿菌、韋榮球菌和支原體的豐度，這與小鼠體內高水平的TMAO 密切相關，研究還發現TMAO 是通過調節內源細胞釋放鈣離子( Ca²⁺ ) 而過度增加了血小板的活性，可能會增加動脈粥樣硬化的疾病風險。

2.4 其他代謝物

色氨酸是仔豬生長的必需氨基酸，腸道微生物能代謝色氨酸產生犬尿酸、血清素、褪黑素、吲哚、吲哚酸、糞臭素和色胺等代謝產物，這些代謝產物可通過與芳烴受體( AhR) 結合促進宿主免疫穩態。飼糧中有1%～ 2%的色氨酸可被轉化為五羥色胺和褪黑素，其中血清素作為一種神經遞質能控制胃腸蠕動、敏感性和分泌并能影響食欲和情緒。大腸桿菌( E. coli) 能代謝色氨酸產生吲哚，能減少促炎因子白細胞介素－ 8( IL-8) 的表達，增加抗炎因子白細胞介素－ 10( IL-10) 的表達，加強腸上皮屏障功能并減少病原菌的定植。此外，腸道中存在一種特定的細菌——生孢梭菌( Clostridium sporogenes) ，能特異性代謝芳香族氨基酸產生吲哚丙酸，吲哚丙酸被證明具有降低腸道通透性、調節免疫細胞活性等作用。

3益生菌對仔豬腸道微生物的影響

益生菌是指直接飼喂動物并通過調節動物腸道微生態平衡達到預防疾病、促進生長、提高飼料利用率的活性微生物的總稱，主要包括芽孢桿菌、乳酸菌和酵母菌三大類。研究發現，益生菌可能通過與病原菌競爭腸道的黏附位點和營養底物，并通過代謝產生乳酸、乙酸等降低腸道的pH 來阻止病原菌定植腸道，還能調節仔豬腸道微生物的群落結構、增加營養物質的代謝能力、控制病原菌等，從而促進仔豬腸道健康。

3.1 調節腸道菌群結構和多樣性

研究表明，添加釀酒酵母顯著增加了斷奶前后仔豬盲腸和結腸管腔微生物菌群的豐度，并與盲腸和結腸中多種細菌屬存在正相關性。本課題組前期研究也發現，活性干酵母可顯著降低早期斷奶仔豬回腸和結腸內容物pH，并顯著降低其大腸桿菌的數量。屎腸球菌和乳酸菌復合物顯著增加了斷奶仔豬糞便中乳酸菌的數量，促進了物質代謝和能量代謝，以屎腸球菌的效果更好;此外，屎腸球菌還可減少仔豬小腸中大腸桿菌和需氧菌的數量。解淀粉芽孢桿菌能夠增加剛出生仔豬回腸管腔中乳酸菌和雙歧桿菌的數量，降低空腸管腔中大腸桿菌的數量。研究發現，飼糧中添加嬰兒雙歧桿菌和乳雙歧桿菌能有效降低鼠傷寒沙門氏菌處理的斷奶仔豬糞便中沙門氏菌的數量，緩解沙門氏菌的感染。益生性大腸桿菌能分泌小菌素，抑制炎癥腸道中沙門氏菌和大腸桿菌的生長，還能緩解沙門氏菌的感染。給豬長期補充屎腸球菌能阻止產腸毒性大腸桿菌( ETEC) 對腸道的感染。Trevisi 等發現給ETEC K88 處理的斷奶仔豬補充鼠李糖乳桿菌并不影響仔豬腸道中乳酸菌、酵母菌等數量，卻增加了糞便中ETEC 的數量，損害了腸道健康。

3.2 調節腸道微生物代謝產物的產生

研究認為，益生菌的部分益生作用與調節腸道菌群產生的代謝產物有關，以短鏈脂肪酸和膽汁酸的研究報道較多。例如，丁酸梭菌作為丁酸產生菌，能增加斷奶仔豬糞便中巨型球菌和霍氏真桿菌的數量，加強乙酸的產生和利用，產生更多的丁酸，從而調節斷奶仔豬的腸道健康。在妊娠期和哺乳期給母豬飼糧添加復合益生菌制劑可顯著提高仔豬糞便中的短鏈脂肪酸的含量，同時發現短鏈脂肪酸產生菌( 梭菌群Ⅳ和ⅪⅤa) 的豐度也顯著升高。本課題組前期也發現，不同品種仔豬的腸道微生物代謝產物( 尤其是短鏈脂肪酸和膽汁酸) 存在顯著差異，其中生長速度較快的長白仔豬中結腸內容物中短鏈脂肪酸和次級膽汁酸含量要顯著高于生長速度較慢的梅花豬。短鏈脂肪酸作為信號分子能通過與其GPＲ受體結合，調節宿主的脂肪酸代謝、糖代謝和膽固醇代謝，還可激活腸道L 細胞分泌胰高血糖素樣肽( GLP-1) ，從而調節胰島素的釋放來影響采食與生長。最新研究表明，早期抗生素處理會破壞哺乳仔豬回腸和盲腸的腸道菌群平衡及其代謝穩態，尤其是使得短鏈脂肪酸產量減少，蛋白質發酵產物產量( 如腐胺、尸胺等) 增加。但是，給斷奶仔豬飼喂復合益生菌EBS( 屎腸球菌、芽孢桿菌和酵母菌) 顯著提高了仔豬糞便中乙酸和丙酸的含量，而復合益生菌EBL ( 屎腸球菌、芽孢桿菌和副干酪乳桿菌) 顯著提高了仔豬糞便中乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的含量，從而提高斷奶仔豬的生產性能并降低腹瀉率。

此外，研究還表明，口服膽汁酸結合能力強的益生菌［如乳酸乳球菌( Lactococcus lactis) ］，可促進膽汁酸的在小腸的解離，從而促進解離的膽汁酸在大腸重吸收效率。植物乳桿菌可以顯著上調小鼠CYP7A1 基因的表達水平，同時增加小鼠糞便中膽汁酸的排泄，從而降低小鼠血清中低密度脂蛋白和甘油三酯的濃度。益生菌可能是通過調節膽鹽水解酶( BSH) 和膽汁酸誘導酶( BAI) 的活性，引起膽汁酸的解離和脫羥基反應，從而調節膽汁酸代謝，進而影響宿主的膽固醇生理代謝過程。此外，膽汁酸也被證實對早期斷奶仔豬的腸道完整性和生長性能具有改善作用。

4小結

腸道是微生物、營養物質與免疫細胞充分接觸的場所，腸道微生物具有消化和發酵碳水化合物、維持腸道正常功能、調節免疫、競爭抑制病原菌等益生作用，從而調控仔豬生長，這些作用可能是腸道微生物產生特定的小分子代謝產物作為下游信號分子與宿主受體結合來實現的。通過微生物組學、宏基因組學和代謝組學技術可研究腸道微生物和代謝產物的變化，并通過生物信息學手段可分析腸道微生物和宿主表型相關性，但腸道微生物及其代謝產物如何影響宿主代謝，尤其是對關鍵功能菌的鑒定和影響宿主表型的關鍵代謝物的篩選仍比較困難。目前對于仔豬腸道代謝產物與宿主健康關系的研究仍處于起步階段，因此，利用無菌動物模型和多組學聯用手段全面剖析腸道微生物及其代謝產物的變化，以及對宿主表型的因果關系研究是未來腸道微生物研究的重要方向。