丁酸梭菌與動物腸道互作機(jī)理的研究進(jìn)展

王 倩， 朱 琪， 晏 凱， 梁東梅， 楊卓婧， 喬家運(yùn)*

（1.天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津 300387；2.天津市畜牧獸醫(yī)研究所，天津 300381；3.天津市南開區(qū)疾病預(yù)防控制中心，天津 300000；4.河南省洛陽市動物衛(wèi)生監(jiān)督所，河南洛陽 471000）

丁酸梭菌，即酪酸梭菌，又稱酪酸梭狀芽孢桿菌，嚴(yán)格厭氧，是1933年由本千葉醫(yī)科大學(xué)宮入近治博士首先發(fā)現(xiàn)并報(bào)告的，因此又名宮入菌。丁酸梭菌為梭狀芽孢桿菌，菌體呈直桿狀或稍有彎曲，內(nèi)生芽孢，兩端呈鈍圓，周生有鞭毛，具運(yùn)動性，革蘭氏染色為陽性（易中華，2012；李雄彪等，2006）。該菌是人和動物腸道中共存的微生物，對于維持腸道的正?；顒泳哂惺种匾纳硪饬x（謝樹貴等，2007）。從20世紀(jì)40年代開始，日本等國將其作為整腸劑用于調(diào)理人體胃腸功能 （杜云平等，2009）。后來將其作為獸藥，用于治療畜禽腸道菌群紊亂，提高畜禽的生產(chǎn)力 （唐寶英等，2000）。丁酸梭菌作為一種厭氧芽孢桿菌，具有耐熱、胃酸、膽鹽的抗逆性等多種優(yōu)良特性，可產(chǎn)生丁酸、乙酸等代謝產(chǎn)物（張善亭等，2013；張曉陽等，2012），正在成為目前飼用益生菌產(chǎn)品中的一個很有潛力的品種，有著良好的應(yīng)用前景。

本文主要針對丁酸梭菌與動物腸道的互作機(jī)理進(jìn)行綜述，并展望丁酸梭菌今后的研發(fā)趨勢，以期為丁酸梭菌進(jìn)一步的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 調(diào)節(jié)腸道菌群

丁酸梭菌代謝過程主要產(chǎn)物為丁酸，其可以為腸道細(xì)胞正常生長提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)（Pryde等，2002），同時(shí)丁酸還能夠抑制腸道內(nèi)有害菌群的生長繁殖，進(jìn)而起到促進(jìn)腸道內(nèi)有益菌群增殖的 作 用 （Lupton，2004；Aso 等 ，1995）。 高 權(quán) 新（2012）通過“spot-on-the-lawn”方法研究了丁酸梭菌及其代謝產(chǎn)物對大腸桿菌生長的抑制作用，結(jié)果表明，丁酸梭菌及其代謝產(chǎn)物對大腸桿菌的活力有明顯的抑制作用，但是將培養(yǎng)丁酸梭菌后的MRS培養(yǎng)基（SCS）的pH調(diào)到7以后，抑制效果就會顯著降低，這說明丁酸梭菌的抑菌作用主要是通過代謝產(chǎn)物丁酸作用的發(fā)揮。

丁酸梭菌調(diào)節(jié)腸道菌群的另外一個機(jī)制是其能夠產(chǎn)生抗菌肽等抗菌物質(zhì)。抗菌肽是生物機(jī)體內(nèi)能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生的一類具有抗菌作用的生物活性肽，通過抑菌作用來調(diào)節(jié)腸道菌群的穩(wěn)定（Li等，2012）。王騰浩等（2015）通過試驗(yàn)分離純化得到丁酸梭菌抗菌肽，證明起抑菌作用的是抗菌肽。Konisky（1982）指出，經(jīng)抗菌肽處理的細(xì)胞，其DNA、RNA和蛋白質(zhì)的合成被抑制，且其F1F0-ATPase活性也被抑制，ATP濃度降低，細(xì)胞內(nèi)的K+外流。當(dāng)用低濃度的抗菌肽處理巴斯德梭狀芽孢桿菌后，會使細(xì)胞內(nèi)的K+外流，但是不會破壞其膜電勢；當(dāng)用高濃度的抗菌肽處理后，巴斯德梭狀芽孢桿菌膜電勢被消除，K+的主動吸收也被破壞，因此其生長受到抑制。

2 細(xì)菌定植

丁酸梭菌對于腸道具有高黏附作用，這一屬性對腸道微生物菌群的平衡、腸道細(xì)菌酶活性的穩(wěn)定和腸的滲透性至關(guān)重要，其可以進(jìn)一步促進(jìn)對腸道病原體的競爭排除（Gibson等，1994）。丁酸梭菌可以通過黏附到腸道上皮細(xì)胞，對致病菌產(chǎn)生黏附競爭性抑制，在一定程度上降低致病菌的增殖。宋增福等（2006）利用魚的腸道上皮細(xì)胞，以水產(chǎn)致病菌鰻弧菌為對照，研究丁酸梭菌對鰻弧菌的黏附抑制作用，結(jié)果表明，當(dāng)丁酸梭菌和鰻弧菌共同附于魚腸道上皮細(xì)胞時(shí)，丁酸梭菌能夠顯著抑制鰻弧菌的黏附，使其黏附率降低7.03%（P ＜ 0.05）。

研究發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌磷壁酸對丁酸梭菌的黏附能力有重要作用 （Delia等，2009；Bizzini等，2007）。磷壁酸是一類由核糖醇或甘油殘基構(gòu)成的陰離子聚合物，由于其鏈上羥基往往會被丙氨酸或 N-乙酰葡糖胺修飾，所以通常還帶有一定量的正電荷，形成正負(fù)電荷交替出現(xiàn)的聚合物結(jié)構(gòu) （汪海峰等，2011；Lovering 等，2010）。楊靜（2014）運(yùn)用TX-114法提取磷壁酸以后用磷壁酸和丁酸梭菌同時(shí)處理細(xì)胞，隨著磷壁酸處理濃度的增加，丁酸梭菌對細(xì)胞的黏附數(shù)量顯著下降，這表明，磷壁酸占據(jù)了丁酸梭菌的黏附位點(diǎn)。通過對羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磷壁酸丙氨酸殘基缺失時(shí)該菌在小鼠胃腸道中黏附的能力顯著下降 （p＜0.05）（Walter等，2007）。因此，丙氨酸殘基共價(jià)修飾對于磷壁酸在黏附、定植過程中發(fā)揮功能具有重要意義。但是對于丁酸梭菌磷壁酸的具體作用機(jī)制，目前還缺乏全面、深入的研究。

3 調(diào)節(jié)機(jī)體免疫力

丁酸梭菌可以調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫通路，其調(diào)節(jié)方式可能是通過特異性受體調(diào)控基因表達(dá)。Toll樣受體（TLR）可以識別機(jī)體中的許多細(xì)菌以及細(xì)菌產(chǎn)物并迅速激活天然免疫系統(tǒng) （Akira等，2004）。TLR受體可以分為許多種類，其中Kawai等（2010）研究發(fā)現(xiàn)，革蘭氏陽性菌磷壁酸的識別主要是通過TLR2。Gao等（2012）通過基因敲除的方法研究得出丁酸梭菌可以激活由TLR2介導(dǎo)的MyD88-非依賴性信號通路。王柳懿等（2017）以仔豬為模型，在飼料中添加丁酸梭菌以后，試驗(yàn)結(jié)果顯示，促炎因子TNF-α和1L-18的表達(dá)都有上升的趨勢。同時(shí)，TLRs的負(fù)調(diào)控關(guān)鍵性內(nèi)源調(diào)控因子Tollip水平也呈現(xiàn)上升趨勢，表明其機(jī)體在維持一個平衡的狀態(tài)，因此在未出現(xiàn)免疫過度的情況下提高了機(jī)體的免疫能力。但是楊靜（2014）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌隣壁酸能夠通過抑制NF-kB的表達(dá)減少炎癥因子TNF-α的分泌，在一定程度上預(yù)防腸炎的發(fā)生。從以上研究可以看出，丁酸梭菌磷壁酸的免疫調(diào)節(jié)功能，暫時(shí)還沒有找到明確的機(jī)制，需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

4 產(chǎn)生各種有益物質(zhì)

在動物腸道內(nèi)，丁酸梭菌產(chǎn)生的果膠甲酯酶可以與腸道分泌的酶協(xié)同消化果膠物質(zhì)，主要消化產(chǎn)物為 4，5-不飽和-D-半乳糖醛酸（Araki，2002）。Nakajima等（1997）從腸道丁酸梭菌中分離得到魔芋葡甘露聚糖降解酶，其可作用于多聚糖如魔芋葡甘露聚糖、咖啡甘露聚糖，產(chǎn)生寡糖和單糖。此外，丁酸梭菌還可以分泌淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶等一些酶類，在這些酶的作用下能夠產(chǎn)生葡萄糖、麥芽糖等（Kuroiwa 等，1990），這些糖類有利于腸道的消化吸收，也可以為腸道中的某些益生菌提供營養(yǎng)物質(zhì)。丁酸梭菌分泌的丁酸鹽和氫還能增強(qiáng)機(jī)體抗氧化酶活性，同時(shí)，丁酸梭菌在代謝過程中還可以合成多種維生素，如B族維生素、維生素 K和葉酸等，這些維生素可以分泌到細(xì)胞外，對促進(jìn)宿主腸道營養(yǎng)的全面吸收起著重要作用。

5 調(diào)節(jié)凋亡因子的表達(dá)

腸道具有阻止腸腔內(nèi)細(xì)菌、毒素等有害物質(zhì)侵入機(jī)體內(nèi)的重要屏障功能 （Kiesslich等，2012），腸道上皮細(xì)胞是腸道上皮屏障中最重要的部分，致病菌可以通過誘導(dǎo)宿主細(xì)胞凋亡突破腸道上皮屏障，使宿主發(fā)生腸道疾?。╓illiams等，2013；Baumgart等，2002）。腸道病原性大腸桿菌（EHEC）是一類主要的腸道傳染性病原菌，其可以通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和壞死途徑引發(fā)腸道疾?。∕undy 等，2006）。 高權(quán)新（2011）以雞胚腸道細(xì)胞為模型，研究丁酸梭菌對EHEC誘發(fā)的細(xì)胞凋亡和壞死的抑制作用，試驗(yàn)結(jié)果顯示，丁酸梭菌處理后EHEC引發(fā)的細(xì)胞凋亡率要顯著低于未經(jīng)處理的EHEC引發(fā)的細(xì)胞凋亡率。試驗(yàn)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)丁酸梭菌可以抑制EHEC誘導(dǎo)的凋亡因子 FAS、P53、XIAP、BclXL、Bcl2 mRNA 的表達(dá)，同時(shí)還可以抑制caspase-9和caspase-3的活力，緩解EHEC誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。因此，丁酸梭菌可以通過調(diào)節(jié)凋亡因子的表達(dá)，抑制EHEC誘導(dǎo)的腸道疾病。

6 改善腸道結(jié)構(gòu)促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)吸收

腸道是生物機(jī)體中最大的消化器官，通過對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收促進(jìn)機(jī)體的生長（Purchiaroni等，2013）。腸上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞（iIEL）是分布于消化道黏膜上皮細(xì)胞之間的一種獨(dú)特細(xì)胞群，通過與腸上皮細(xì)胞的相互作用，介導(dǎo)黏膜局部的免疫防御，抵抗腸道致病菌的入侵 （劉北星，2009）。iIEL數(shù)量的增加可以在一定程度上提高宿主的免疫力（楊倩等，2005）。 吳杰等（2018）以大鼠為試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^在飼料中添加丁酸梭菌，研究其iIEL數(shù)量的變化情況，研究發(fā)現(xiàn)相較于對照組，添加丁酸梭菌以后，iIEL數(shù)量明顯增多。同時(shí)，腸上皮細(xì)胞的數(shù)量和絨毛的長度呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著腸上皮細(xì)胞數(shù)量的增多，小腸的營養(yǎng)吸收能力也會增強(qiáng)（常銀蓮等，2016）。隱窩是腸絨毛根部的上皮下隱至固有層形成的管狀小管腔，隱窩深度增加會減弱營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力 （吳佳靜等，2012；馬玉龍等，2005）。 因此，絨毛高度/隱窩深度能夠很好地反映小腸的功能情況。劉亭婷等（2012）通過在蛋用仔雞飼料中添加丁酸梭菌，研究其對腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)，添加不同濃度丁酸梭菌的試驗(yàn)組與對照組相比，均不同程度的增加了空腸的絨毛高度和黏膜厚度，1000 mg/kg丁酸梭菌組的絨毛長度/隱窩深度（V/C）值顯著高于對照組（p＜0.05）。因此，丁酸梭菌可能是通過其代謝產(chǎn)物丁酸作用于腸上皮細(xì)胞，丁酸是腸道上皮組織細(xì)胞再生主要營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而提高動物機(jī)體腸道的黏膜免疫系統(tǒng)。

7 展望

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，丁酸梭菌還可以在以下幾個方面進(jìn)行研究：丁酸梭菌是嚴(yán)格厭氧菌，這是限制丁酸梭菌廣泛應(yīng)用的一個主要原因，所以對于丁酸梭菌的生產(chǎn)工藝還需要進(jìn)一步的研究，同時(shí)需要優(yōu)化得到更加適合丁酸梭菌增殖的培養(yǎng)基；對于丁酸梭菌及其代謝產(chǎn)物與動物腸道的作用機(jī)制目前了解不夠全面深入，需掌握其具體的作用機(jī)理，以發(fā)揮其更大的作用，得到更加廣泛的應(yīng)用；通過試驗(yàn)來研究丁酸梭菌在不同的動物以及同一動物的不同發(fā)育階段中合適的添加量；研究丁酸梭菌和其他益生菌之間的相互作用，以期能夠達(dá)到更好的作用；丁酸梭菌具有調(diào)節(jié)凋亡因子表達(dá)的作用，因此可研究其在癌癥治療方面的具體作用機(jī)制，以期為人體癌癥治療方面提供新的方向；通過基因工程技術(shù)，對丁酸梭菌進(jìn)行改造，培育出具有良好性能、更加適合腸道環(huán)境的新型菌種；丁酸梭菌的磷壁酸具有免疫調(diào)控的功能，但是有研究表明，某些益生菌的磷壁酸被基因敲除后，具有了更好的免疫調(diào)控作用，針對這一矛盾，可以作進(jìn)一步的深入研究。