日粮纤维调节猪肠道微生物和肠黏膜屏障功能的研究进展_微生物试验报告与运用_微生物知识

日粮纤维调节猪肠道微生物和肠黏膜屏障功能的研究进展

2021-02-02 09:37:54 点击：

摘要：仔猪腹泻难题制约生猪养殖水平的提高。随着高铜、高锌、抗生素的限用禁用，仔猪腹泻亟需“绿色”替代方案。日粮纤维作为第六大营养素，具有维持肠道健康的生理功能。日粮纤维可以通过优化肠道菌群结构，调节黏膜屏障等作用促进猪肠道的健康发育与完整功能实现。文章就日粮纤维对猪肠道微生物以及黏膜屏障功能的可能作用途径以及相关作用机制进行综述，以促进日粮纤维在猪日粮生产上应用，尤其是仔猪日粮生产上的合理广泛利用。

关键词：日粮纤维；肠道菌群；黏膜屏障；短链脂肪酸；微生物

我国是养猪大国，生猪饲养量占世界总量 50% 以上；也是猪肉消费大国，猪肉占国内肉食类消费量的 60% 以上。但我国并不是养猪强国，每头母猪每年所能提供的断奶仔猪头数平均仅为 17 ～ 18 头，远低于发达国家 23 ～ 24 头的平均水平。断奶仔猪死亡是制约我国生猪养殖水平的最重要原因之一，每年约有 1.6 亿头仔猪由于腹泻而死亡。生产上通常使用抗生素及高铜、高锌来控制仔猪腹泻，但养殖粪污排放造成的抗生素及重金属污染带来的一系列环境问题已经危及人类健康安全，禁抗、限制使用高铜、高锌已经成了行业普遍共识。十三五期间，习近平总书记提出了“绿色”发展理念，调整畜牧业结构，降低养殖污染，发展绿色畜牧业是时代的要求和大趋势。2017年，农业部已经禁止高铜、高锌在生猪上的使用，并且我国养殖促生长抗生素禁止使用的脚步越来越近。因此迫切需要新型饲料添加剂替代抗生素或高铜、高锌，改善仔猪肠道健康，实现生猪养殖绿色发展的产业技术升级。

断奶仔猪腹泻的成因较为复杂，国际上普遍公认的是“过敏理论”，其原理为：过敏 -肠道屏障受损 -病原菌侵入 -腹泻。肠道屏障功能是建立在日粮、肠道微生物、黏膜层三者之间动态平衡的基础上，但该平衡十分脆弱。因此，提高肠道屏障功能是有效控制仔猪腹泻的关键。日粮纤维（Dietary fiber， DF）是不能被人和动物分泌的消化酶所消化的碳水化合物总称，包含菊粉、果胶、微晶纤维素、抗性淀粉、β- 葡聚糖等。大量研究表明，DF 可以被肠道微生物利用生成短链脂肪酸、维生素等营养物质，具备刺激肠道发育，优化肠道微生物区系，改善肠道屏障功能，影响机体代谢、动物行为甚至认知水平等功能。近年研究还发现某些 DF（如菊粉）还具有免疫调节功能。因此，日粮添加 DF 可能是控制仔猪腹泻的绿色途径。

1 DF 的含义及理化性质

传统观点认为，动物饲粮中的粗纤维会“降低消化率，稀释日粮养分并且降低动物的生产性能”。但是粗纤维组成分析基本上是测定酸和碱水解后的残留量。此种方法测定的纤维素占 50% ～ 80%，木质素占 10% ～ 50%，半纤维素占 20% 左右。由于植物细胞壁基础组分差异较大，所以粗纤维与 DF 之间并无固定的比例关联关系。由于结构上以及生理上的多样性，至今未有 DF 准确的定义。CODEX(Codex Alimentarius Commision， 2009)、国际的权威机构 EU(2008)、IOM(2001) 以及 AACC(2000) 均对 DF 进行了定义，这些定义区别主要在于对碳水化合物中单体的聚合度，以及人工合成类似物上的涵盖存在一定的差异，但是共同点在于都将 DF 归纳为不可被动物 / 人内源消化酶消化的一类碳水化合物聚合物。

植物源性饲料原料的细胞壁含有丰富的 DF。超过 90% 的植物细胞壁都是由非淀粉多糖组成，其中又以纤维素、半纤维素以及果胶最为丰富。其他少量的非淀粉多糖主要包括果聚糖、葡甘露聚糖、半乳甘露聚糖、植物黏液、β- 葡聚糖以及树胶。 DF 的分析方法主要有两类：一类是酶化学法 (Englyst 法 )、另一类是酶或非酶重量分析法 AOAC（美国分析化学协会 ) 法包括酶 - 重量法、酶 - 分光光度法、酶 -HPLC 法、酶 -GC 等。从涵盖的DF组分上讲，Englyst法认定的DF只包含非淀粉多糖（NSP），而 AOAC 法不仅包括 NSP 还包括抗性淀粉及木质素，更具代表性（见图 1）。

DF 的主要理化性质包括水合作用、发酵性能及黏性等。根据这三种性质又可将其划分为不同纤维类型。DF 的理化性质对肠道的生理功能发挥着重要作用。

1.1 水合作用

水合作用主要包括水溶性、吸水力以及持水力三方面，反映的不是纤维溶于水的能力而是纤维将水整合进入其基质形成胶状悬浮体的能力。其中水溶性主要取决于纤维形成的多聚糖种类以及之间的化学键。例如纤维素、β-葡聚糖分别由β-1， 4- 糖苷键、β-1，6- 糖苷键连接形成不可溶性、可溶性纤维。其中不溶性纤维包括纤维素、木质素及部分半纤维素等，而可溶性纤维包括果胶、菊粉、葡聚糖以及阿拉伯木聚糖等。

1.2 发酵性能

由于发酵产物短链脂肪酸的生成，纤维的发酵性能一般促进肠道健康。不同类型 DF 发酵程度变异很大，从基本不发酵的木质素至发酵完全的果胶。纤维的发酵部位主要是后肠，快速发酵的纤维（可溶性）可被大肠菌群迅速发酵生成短链脂肪酸（Short-chain fatty acids, SCFAs），而慢速或者不完全发酵的纤维（不可溶性）可通过促进排便，缩短食糜在肠道的转运时间并增加粪便重量改善肠道健康；不同来源的纤维发酵生成的短链脂肪酸种类和浓度完全不同。

1.3 黏性

黏性是影响纤维生理功能的另一重要的理化性质，传统的动物营养学观念认为高黏性 DF 会影响营养物质的消化吸收，增加能量消耗，降低饲料的营养价值。一般可溶性纤维较不可溶纤维的黏性更强，长链纤维比短链更易形成网状结构，因而一般长链纤维较短链纤维黏性更强。黏性纤维包括可溶性多糖，例如果胶、瓜尔豆胶以及 β- 葡聚糖等。黏性纤维可调控血液中葡萄糖、胆固醇浓度，延长胃排空时间，减慢食糜在在小肠的通过速度。

2 DF 对肠道微生物的影响

DF是寄居在宿主后肠中的密集厌氧微生物的主要能量来源，微生物发酵生成的短链脂肪酸可为宿主提供能量和营养物质，否则这些将不能被宿主利用。肠道基因组学研究表明，肠道微生物可编码成千上万的碳水化合物酶类（Carbohydrate-Active Enzymes，CAZymes）降解糖复合物、多糖以及寡糖生成可发酵的单糖：其中微生物的纤维素酶、β 甘露聚糖酶、木葡聚糖酶主要分布于 GH5、GH6，GH9、GH12、GH44、GH45、GH48 和 GH74 基因 ( 糖苷键水解酶，Glycoside Hydrolase，GH) 家族；木聚糖酶主要分布于 GH10 和 GH11 基因家族；果胶酶则主要分布于 GH28、 GH88、GH105、PL1、PL2、PL3、PL4、PL9、PL10、PL11 和 PL15 家族（Polysaccharide Lyase，PL，多糖裂解酶家族）。虽然 DF 不能被宿主内源消化酶降解，但肠道中寄居的不同微生物可编码不同的 CAZ 酶从而分解利用不同的碳水化合物（分解不同的糖苷键）。例如，纤维素是葡萄糖以β-1,4-糖苷键连接形成的，而拥有 GH1、GH3、GH5、GH7、GH8、GH9、GH44、GH48、GH51 的微生物就可以将纤维素分解利用。DF 的添加可以促使富含分解该类 DF 的 CAZ 酶的微生物增殖，进而成为微生物群落中的优势菌群，而那些缺乏 CAZ 酶的微生物则很有可能会淘汰消失。日粮中 DF 的添加不仅可促进含有该纤维的糖苷键水解酶的主要降解微生物的生长，还可以通过“互养模式”促进其他可利用纤维主要降解微生物分解的二级产物的微生物增殖，从而达到调控肠道菌群的作用。

在猪日粮中添加 DF 可以实现优化肠道菌群的作用已经得到大量研究证实。日粮中添加 34% 的抗性淀粉增加了公猪结肠前端产丁酸菌，如普拉梭菌和埃氏巨型球菌的丰度，降低了潜在致病微生物，如钩端螺旋体属微生物的丰度（P ＜ 0.05）。促进了结肠上皮细胞三羧酸循环及脂肪酸 β- 氧化的进程。母猪饲粮中添加 34% 的抗性淀粉能够增加结肠产丁酸菌柔嫩梭菌、布氏瘤胃球菌丰度，降低可能致病菌大肠杆菌和假单胞菌属丰度，同时增加结肠短链脂肪酸乙酸、丙酸、丁酸浓度。仔猪日粮中添加 3.0g/kg 纤维寡糖可以提高肠道紧密连接蛋白 Claudin-1 和 Zonula Occludens-1(ZO-1) 的表达，调高双歧杆菌 Bifidobacterium、乳酸菌 Lactobacilli 的丰度；降低致病菌如猪链球菌 Streptococcus suis、大肠杆菌 Escherichia coli 的丰度，促进仔猪肠道健康发育。抗性淀粉显著提高了猪肠道中有益菌：粪球菌 Coprococcus、瘤胃球菌 Ruminococcus，和 Turicibacter的丰度，并且粪肠球菌属与瘤胃球菌属与食糜中 6- 磷酸葡萄糖、麦芽糖、花生四烯酸，9,12 十八碳二烯酸、油酸浓度存在正相关。说明抗性淀粉不但影响猪肠道菌群，也会影响菌群代谢及其终产物。而仔猪日粮中添加苜蓿可以提高规则粪球菌 Coprococcus eutactus 的丰度；降低致病菌如猪链球菌 Streptococcus suis 的丰度，优化仔猪肠道菌群结构。

过往的研究多集中于 DF 对肠腔内容物中微生物区系的影响，对肠黏膜微生物区系变化的关注很少。而由于黏膜微生物定植在黏膜层表面，更接近肠道上皮 / 免疫细胞，并且区系结构相对稳定，可以持续脱落入肠腔对肠腔微生物起到“接种作用”，其对宿主肠道免疫功能的调节作用可能更为直接、重要。猪不同肠道部位菌群分布存在异质性，相应的功能也存在差异，了解不同位置菌群对营养干预的相应变化有利于制定适宜的策略调节肠道菌群，促进肠道健康。在此基础上，本课题组发现同一肠道部位中肠腔与肠黏膜上菌群分布与功能也存在差异， SparCC 共线性网络分析发现普雷沃式菌科、毛螺菌科以及韦荣氏球菌科在肠腔和肠黏膜微生物上都形成共现性微生物菌群，而来自于 γ- 变形菌门中机会性致病菌则仅在猪肠道黏膜上形成共现性微生物菌群，猪肠道菌群空间分布的异质性以及共生模式是与其所在“生态位”的微环境紧密相关。添加果胶、菊粉和微晶纤维素三种 DF 对仔猪微生物区系组成及功能的影响存在肠段之间、肠腔与黏膜之间的差异。三种 DF 均显著降低了回肠黏膜菌群的定植（特别是一些病原菌的丰度），降低了回肠黏膜菌群群落的 α 多样性，保护了仔猪黏膜屏障。而 DF 对回肠肠腔微生物的改变有限。不同 DF 对后肠的核心菌群存在特异性优化作用，其中菊粉促进了猪后肠肠黏膜上双歧杆菌的增加而果胶则显著促进了后肠肠黏膜中普雷沃式菌科的增加，具有优化肠道菌群的作用。（未发表数据）

3 DF 对黏膜屏障的调节作用

3.1 黏膜屏障

肠道黏膜屏障是由微生物屏障、黏液层屏障、机械屏障、免疫屏障共同构成（见表 1）。四者不是相互孤立，这些屏障相互作用和支持，共同维护着肠道的健康。肠道微生物是协调这四个屏障功能的重要载体。仔猪肠道发育不完全，微生物区系薄弱，断奶打破肠道内环境平衡，对肠道各个屏障均有显著地影响。因此，恢复仔猪肠道内环境平衡，加强肠道微生物区系缓冲，调节和保护功能，是解决仔猪腹泻的关键所在。

3.2 DF 对黏膜屏障的调节作用

肠道细菌拥有降解黏蛋白必需的唾液酸酶和糖硫酸酯酶，但是糖硫酸酯酶的最佳 pH 值（pH 值 5.0）要远低于唾液酸酶的最适 pH 值（pH 值 7.8）。因此，小肠液中性的 pH 值将导致微生物对硫酸化黏蛋白的降解程度可能要远远低于对唾液酸化黏蛋白的降解。黏性（膨胀）纤维的摄入主要增加大鼠小肠中唾液酸化黏蛋白（相比于硫酸化黏蛋白）的含量。肠道中硫酸化黏蛋白的降低可能会导致黏蛋白降解速度的提高，使得微生物更易通过黏液屏障与肠道上皮细胞直接接触。

H.Ito 等在小鼠中的研究发现，高黏度的可溶性纤维会增加肠道杯状细胞数量，而低黏度纤维的作用不显著。可溶性纤维会增加黏液的基础性分泌，但果胶并不改变杯状细胞数量。S. Hino 等研究发现，无论是给大鼠饲喂可溶性 DF（魔芋、车前草或者瓜尔豆胶，50g/kg）还是不可溶性纤维（聚苯乙烯、麸皮或者玉米皮，80g/kg）都能增加回肠杯状细胞数量。此外，对人的研究表明饮食中缺乏纤维会导致结肠黏液层变薄，减弱黏液屏障。DF 对杯状细胞或者黏液层的作用可以通过直接和间接的作用实现，直接的作用被报道与纤维的理化性质（黏性以及溶胀性）有关，而间接的作用则与肠道菌群的调控有关。

不同纤维来源对于仔猪肠道的上皮细胞屏障影响并不一致。仔猪日粮中添加 10% 的小麦麸纤维可显著上调肠道黏膜的紧密连接蛋白（ZO1 以及 OCLN）基因的表达 (P ＜ 0.05)，而饲粮中添加10%的玉米纤维以及大豆纤维却对紧密连接蛋白无显著影响。此外，体内、外的研究均表明 DF 的发酵产物短链脂肪酸可以促使肠道上皮细胞增殖。另一方面乳酸杆菌能显著上调 Caco-2 细胞的紧密连接蛋白 OCLN 和 Claudin 基因的表达，而大肠杆菌与肠道上皮细胞接触则导致紧密连接蛋白（ZO-1和Occludin）降解，肠道通透性增加进而引发肠道屏障功能的紊乱。

高脂饮食喂养的小鼠中，DF 可重塑肠道菌群，并促进肠上皮细胞增殖及抗菌基因的表达，而菊粉的益生作用又依赖于肠道菌群；DF 可以通过恢复受损的肠道黏液层，防治受到高糖脂低纤维的西方饮食影响的小鼠肠道；抗生素处理或无菌小鼠中菊粉的保护作用降低。长期或间接性 DF 不足的情况下，肠道菌群诉诸宿主分泌的黏膜糖蛋白作为营养源，导致黏膜屏障被侵蚀，更多致病菌侵入黏膜，机体炎症反应加重。即使后续日粮中添加包含 14 种多糖（菊粉、阿拉伯木聚糖、β- 葡聚糖等）的 DF 也并不能治愈或减轻这样的结肠炎症。

用菊粉预饲小鼠，可以降低 Citrobacter rodentium 感染后肠道的炎症反应以及 Smad7 的表达，可通过影响 NF-κB 和 Smad 7 信号转导通路促进宿主保护性免疫反应。J. Kovacs-Nolan 等研究发现，β-1，4- 甘露二糖（MNB）可以通过 TLR2/4 信号通路激活巨噬细胞，诱导小鼠回肠 Th1 和 Th2 型细胞因子的表达，提高粪 IgA 和脾脏 NK 细胞活性。LPS 刺激后，MNB 降低了 TNF-α、IL-6、iNOS 和 IL-10 的含量，增加 NK 细胞活性，提示 MNB 可以调控肠道和系统免疫反应，防止 LPS 诱导的免疫抑制。 R. Badia 等研究发现，从 Yacon 根中分离的果寡糖可提高肠道先天性免疫功能，增加 sIgA 的分泌，提高 IL-6、巨噬细胞炎症蛋白 MIP1a 以及 TLR4 受体的表达。L. Che 等研究发现，饲喂甜豆纤维影响了肠道屏障、免疫以及代谢相关的蛋白和基因表达，显著改善了仔猪大肠的免疫功能。给仔猪饲喂 4% 可发酵的糊精纤维可激活 Th2 相关的免疫通路，选择性下调促炎因子，减轻三硝基苯磺酸（TNBS）诱导的结肠炎症状。

3.3 DF 的直接调节作用

最近有研究表明，肠道上皮细胞可以产生直接的、非益生的作用，但到目前为止仅有少量研究关注到这个问题。目前已有若干实验室利用人源多个不同肠道上皮细胞系证实了 DF 可直接调控肠道免疫反应。M.Ortega-Gonzalez 等的研究结果证实，菊粉以及果寡糖、低聚半乳糖、羊奶寡糖可作为 TLR4 的配体直接作用于肠上皮细胞，诱导大鼠 IEC18 肠上皮细胞系的生长相关癌基因（GROα）、单核细胞趋化蛋白 1（MCP-1）以及 MIP2 的表达，其诱导效率可达 LPS 的 50% ～ 80%。这些 DF 的免疫调控作用依赖于 IκB-α 磷酸化，Myd88 或 TLR 基因敲除显著地降低反应。M.Zenhom 等用寡糖、α3- 唾液乳糖、果聚糖直接处理 Caco-2 细胞时，激活了肽聚糖识别蛋白 3（PGlyRP3）以及 PPARγ 信号转导通路，下调 IL-12 的分泌、TNFα、IL-8 的基因表达，NF-κB 核转位减少。以 Caco-2 细胞为模型，BermudezBrito 等发现，菊粉、果胶、果寡糖、阿拉伯木聚糖直接激活树突状细胞的能力并不强，上皮细胞在介导 DF 的免疫调节有着十分重要的作用。Caco-2 上皮细胞培养液可以直接刺激树突状细胞生产 IL-6、IL-8、IL-12、TNF-α、MCP-1 和 MIP-1α，DF 可以通过 TLR-Myd88 信号通路引起 Th1 细胞因子的变化，从而显著抑制了上皮细胞的免疫刺激作用。DF 可以直接作用于肠道，并不依赖于共生菌的增殖。这类碳水化合物能够与致病菌结合，阻止其与黏蛋白糖链的黏附；还可以直接上调 IL-10 和 INF-γ 细胞因子，影响回肠和盲肠的 IgA 反应。

本课题组利用猪空肠上皮细胞 IPEC-J2 细胞系作为试验对象，对 DF 对肠道上皮细胞的直接免疫作用进行了相关研究。采用 Multiplex Map Kit 与 Luminex 液相悬浮芯片测定 IPEC-J2 细胞上清液中 13 种细胞因子的含量。结果发现菊粉较对照组在 24h 时同时显著增加了 IPEC-J2 中促炎因子（IL18、IL6、IL2、 GM-CSF）的分泌以及抗炎因子 IL10 的分泌，而果胶显著增加了 IL18、IL8的分泌，其中菊粉孵育 24h可显著上调 TLR4的表达量，暗示菊粉可能通过激活 TLR4 模式识别受体调节肠道免疫因子的分泌。菊粉和果胶对肠道上皮细胞的免疫调节模式不同。而菊粉和果胶在体外实验和动物试验对肠道免疫因子的影响并不一致。菊粉对同时大幅提高 IPEC-J2 促炎以及抗炎因子的分泌但并未引起动物肠道炎症的过度炎症，暗示 DF 对肠道上皮细胞的影响时需要充分考虑黏液层、肠道上皮细胞、树突细胞以及 T 细胞等之间的互作（张莉，未发表数据）。

4 “DF- 肠道菌群 - 黏膜屏障”生理轴

粘膜层作为分割肠淋巴层与肠道菌群的动态屏障，通过黏液层、上皮细胞与紧密连接蛋白的协同合作，共同抵御肠道有害菌对肠道的侵蚀。而黏膜免疫主要包括先天性免疫和获得性免疫两部分，其中先天性免疫由物理屏障、先天免疫细胞与分子构成，在肠内，这些细菌通过模式识别受体（Pattern Recognition Receptor, PRR）受嗜中性粒细胞和巨噬细胞的活性控制，以识别和响应微生物的异常变化。PRR 识别微生物相关分子模式（MAMP），主要包括肽聚糖、鞭毛蛋白、脂多糖（LPS）和微生物的核酸结构。PRRs 由 Toll 样受体（Toll-Like receptors，TLRs），核苷酸结合寡聚化结构域（Nucleotide binding Oligomerization Domain，NOD）样受体（NLRs），视黄酸可诱导基因 1（Retinoic Acid inducible Gene，RIG-1）样受体（RLRs），C型凝集素受体（C-type Lectins Receptor，CLR）等。而获得性免疫主要是由 T 细胞和 B 细胞构成，病源微生物侵入后一段时间，T细胞和 B细胞或者其他免疫细胞会分泌细胞因子、抗菌肽、sIgA 等物质与先天性免疫系统协同应对。

先天性免疫是由微生物与不同模式识别受体结合，激活下游免疫反应实现的。Toll 样受体（TL2、TL4、TL5）与 NOD 受体（NOD1、NOD2、NLRC4、NL-PR3）为微生物与黏膜屏障结合的主要受体。而 Th1、Th2、Th17，Treg 和细胞毒性淋巴细胞是获得性免疫中主要的效应 T 细胞，Th17 细胞产生促炎细胞因子，如 IL17、IL-21，以增强炎症。Treg 细胞分泌抗炎细胞因子 IL-10 以减轻炎症。Th17 和 Treg 细胞分化之间的动态平衡由细胞因子如 IL-6、IL-21 和 IL-2 所调节。巨噬细胞、树突状细胞（DC）和先天淋巴细胞（ILC）可以感受抗原，然后分泌细胞因子或趋化因子来调节炎症响应。ILC3 充当抗原呈递细胞（APC）能够以主要组织相容性复合体（MHC）II 依赖性方式独特地抑制 CD4+T 细胞应答，并能够分泌 IL-22 参与修复受损的上皮细胞。ILC2 可以产生 IL-5 和 IL-13 以发挥上皮衍生的 IL-25 和 IL-33 的作用抗蠕虫。T 辅助 3 型（Th3）细胞、调节性 B 细胞（Breg）和上内淋巴细胞（IEL）具有通过 IL-10 抑制过量的 Th1 和 Th17 应答的能力和 TGF-β 产生。这些免疫调节细胞通过相互作用共同维持肠内黏膜稳态。

微生物影响黏膜屏障的作用机制主要由以下几条：①直接接触（direct physical contact）；②产生的代谢物（短链脂肪酸、胆汁酸、TMA、吲哚类物质）（production of metabolites）； ③自身脱落的结构类物质，如鞭毛（shedding of structural components）。而营养物质通过肠道微生物生成代谢产物，进而调节黏膜屏障上免疫信号。代谢产物的作用既可以直接作用于免疫细胞，也可以作用于肠上皮细胞，进而影响下游相关信号通路。而 DF 不仅能调节肠道菌群组成和功能，还能调节微生物代谢产物短链脂肪酸（SCFAs）或者转化某些宿主代谢物质例如胆汁酸组成等，不仅改善肠道健康，还能影响机体代谢、动物行为。

DF 发酵的主要产物是短链脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFAs），包括乙酸、丙酸、丁酸以及琥珀酸盐等。 SCFAs 的生成会导致肠腔中 pH 值的降低，既可以抑制病原微生物的生长也可以促进一些营养物质的吸收。乙酸还在双歧杆菌抑制病原菌过程中发挥重要作用。丁酸可为肠道上皮细胞供能；增加肠道中黏蛋白的生成继而改变黏液层中黏附的微生物；还可改善紧密连接的完整。因而，SCFAs 的生成在维持肠道屏障功能方面发挥着重要作用。95% ～ 99% 的 SCFAs 可被机体迅速吸收并通过不同的生物合成途径被宿主利用。通常，乙酸会转运至肝脏并作为肌肉组织的能量底物；丙酸则在肝脏转化为葡萄糖；丁酸则主要被结肠上皮细胞利用作为其代谢活动的重要来源。Chen 等发现在 Caco-2 细胞培养体系中添加 SCFAs 可有效的促进上皮细胞的保护与修复功能。SCFAs 在大肠还可以刺激水和钠离子的重吸收从而限制腹泻的产生。SCFAs 主要通过以下途径参与肠道免疫调节：①可抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的活性，抑制核转录因子 NF-kB 的基因表达，下调促炎因子的产生从而抑制肠道炎症。②通过短链脂肪酸受体 -G 蛋白耦联受体 GPR41、GPR43以及 GPR109A等发挥作用，刺激细胞信号转导途径，上调 Toll 样受体的表达。SCFAs 与其受体 GPR 和 HDAC 相结合，并引起调节性 T 细胞与树突细胞增殖，或分泌 IL-18 增强黏膜屏障对有害微生物的抵御性。宿主免疫系统识别并消除病原微生物通过激活效应 T 细胞功能，这一过程也受 SCFA 介导的 HDAC 抑制和 mTORC1 活化调节。例如，丁酸和丙酸可以诱导调节性 T 细胞（Treg）的分化，帮助控制肠道炎症，这些作用是通过抑制组蛋白的去乙酰化完成。肠道炎症的控制可以帮助维持肠道屏障，从而降低炎症性肠病（IBD）或者结直肠癌（CRC）发生的可能性。除了肠道中主要 SCFAs的乙酸、丙酸以及丁酸以外，我们对其他的 SCFAs 的潜在益处尚不清楚。近来的研究表明，高纤维日粮可以增加 SCFAs 诱导激活 GPR43 以及 GPR109A，从而激活对于肠道稳态很关键的 NL-RP3 炎症体。

肠道微生物不仅可以代谢日粮成分（DF），而且能够转化宿主分泌代谢的胆汁酸调控肠道健康。胆汁酸一直被认为对细胞的先天性免疫可发挥直接的调控作用。胆汁酸可降低单核细胞、巨噬细胞、树突细胞以及肝脏巨噬细胞的促炎性因子。这一作用主要是由两种不同的宿主受体介导的：胆汁酸受体（Farnesoid X Receptors, FXR）和 G蛋白耦联胆汁酸受体 1（TGR5，胆汁酸的膜型受体）。两种受体都可以类似的方式被初级胆汁酸和次级胆汁酸激活。FXR，是一种核配体激活的转录因子，可与视黄酸受体 RXR 形成异二聚体。合成的 FXR 激动剂对于小鼠模型的结肠炎具有保护作用，然而对 FXR 基因缺乏（FXR-/-）的小鼠则呈现出更严重的病理。FXR-/- 的小鼠也表现出持续性的肝炎以及肝脏肿瘤。TGR5（G 蛋白耦联的受体），与胆汁酸结合会引发细胞内 cAMP 水平的提高以及 ERK 的激活。与 FXR 类似，采用合成的激动剂激活巨噬细胞以及Kupffer细胞的TGR5受体，可以通过干扰依赖 NF-kβ 的转录来抑制 LPS 诱导的促炎性细胞因子的表达。这与直接抑制 NF-kB 的激活相关。初级胆汁酸和次级胆汁酸都能够激活 FXR 以及 TGR，目前尚且不清数初级胆汁酸和次级胆汁酸之间平衡的偏移会有什么功能性的改变。初级胆汁酸 CDCA 是法尼基衍生物 X 受体 FXR 的配体可抑制 LPS 诱导的巨噬细胞的 IL1β、IL-6 以及 TNF-α 的释放。胆汁酸的肠肝循环这一生理过程受到肝脏中复杂的膜转运系统以及肠道中核受体的调节，一方面有毒的胆汁酸会导致炎症、凋亡以及细胞死亡。另一方面，胆汁酸激活的核受体以及GPCR信号会保护肝脏、肠道以及巨噬细胞免受炎症。已有研究表明 DF 可以影响胆汁酸池的组成，一方面胆汁酸可以通过肠道受体直接调控肠道先天性免疫，另一方面胆汁酸组成的改变也会对肠道微生物组成产生影响从而对肠道免疫起到调节作用。

5 小结及展望

DF 对黏膜免疫的直接影响时需要充分考虑黏液层、肠道上皮细胞与其它免疫细胞（例如树突细胞）之间的互作，以后的试验中可建立肠道上皮细胞与免疫相关细胞的共培养模型来探究 DF 的直接免疫作用会有更深入直观的理解。

肠道菌群的动态变化符合“安娜·卡列尼娜原则”，健康 / 平衡状态都很相似，而疾病 / 失衡各有各的不同。如何通过特定微生物或代谢产物判断猪肠道微生物群落的结构状态，并利用特定 DF 实现靶向性调控，需要前期大量的试验积累工作建立相应的数据库，才能将其更好的应用于实际生产。并且 DF 对猪肠道微生物的影响还主要集中在特定菌群丰度的改变，其与黏膜屏障功能变化之间的关系仍只停留在相关性的研究水平，缺乏具体机理与相关分子机制的研究。如何通过定向微生物培养技术、无菌动物等方法手段，实现从一个 C（Correlation）到另一个 C（Casuality）的跨越，可能是下一步工作的重点。

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日粮纤维调节猪肠道微生物和肠黏膜屏障功能的研究进展

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