腸道微生物-腸-腦軸與豬營(yíng)養(yǎng)代謝

■趙 軒 邱勝男 許 璇 劉曉寧 梁代華 許 麗 石寶明*

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江省畜牧總站，黑龍江哈爾濱150000；3.谷實(shí)農(nóng)牧集團(tuán)股份有限公司，黑龍江哈爾濱150078)

動(dòng)物腸道中存在大量復(fù)雜多樣的微生物菌群，其總數(shù)是機(jī)體細(xì)胞數(shù)量的10倍[1]，此外，微生物群的組成和密度會(huì)伴隨胃腸道環(huán)境的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變[2]。腸道微生物由多種細(xì)菌菌株組成，這些細(xì)菌菌株彼此之間以及與宿主之間相互作用。胃腸道作為動(dòng)物機(jī)體的消化器官和感應(yīng)器官擁有著較為龐大的表面積，腸腔可以感應(yīng)各種營(yíng)養(yǎng)、微生物及其代謝產(chǎn)物和毒素等物質(zhì)，腸道可通過(guò)腸-腦軸對(duì)動(dòng)物機(jī)體生理活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)[3]。早在20世紀(jì)末，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)學(xué)家邁克·格爾松教授就提出了由腸管、腸道神經(jīng)系統(tǒng)和腸道微生物形成了人體的第二大腦-腸腦，它是一種能夠?qū)⑺拗魑⑸锎x、信號(hào)傳導(dǎo)以及免疫炎癥反應(yīng)聯(lián)系在一起的多向互作代謝軸，其在生理上與腸、肝、肌肉和大腦相連[4-5]，在調(diào)節(jié)胃腸動(dòng)力，內(nèi)臟敏感性，身體對(duì)應(yīng)激的反應(yīng)以及中樞認(rèn)知功能等方面發(fā)揮著一定的作用[6]。近年來(lái)，研究人員開始研究腸道菌群和大腦之間的關(guān)系，越來(lái)越多的證據(jù)表明，腸道微生物群可以在胃腸道和大腦之間存在的雙向溝通機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用[7]。微生物-腸-腦軸之間的雙向調(diào)節(jié)關(guān)系逐漸成為動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)代謝以至人類健康和疾病中熱門的研究方向。腸道中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化與代謝影響著豬的健康情況和生產(chǎn)性能，因此，機(jī)體的健康和有效的營(yíng)養(yǎng)代謝是豬獲得高生長(zhǎng)性能的核心環(huán)節(jié)。飼料中的營(yíng)養(yǎng)成分首先經(jīng)過(guò)動(dòng)物胃腸道消化，再經(jīng)過(guò)肝、腎等進(jìn)入到各個(gè)靶器官代謝沉積，以發(fā)揮促生長(zhǎng)的作用。本文從微生物與宿主腸道以及腦神經(jīng)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系入手，綜述了微生物-腸-腦軸在豬營(yíng)養(yǎng)代謝中的研究進(jìn)展。

1 微生物-腸-腦軸雙向交流機(jī)制

腸道通過(guò)2～6億個(gè)神經(jīng)元與大腦緊密相連[8]，主要包括迷走神經(jīng)、脊神經(jīng)和其神經(jīng)節(jié)和脊髓等[9]。腸道和大腦之間的雙向交流（腸-腦軸）早已被認(rèn)識(shí)到，來(lái)自大腦的信號(hào)會(huì)影響胃腸的運(yùn)動(dòng)，感覺(jué)和分泌形式，來(lái)自腸道的內(nèi)臟信息會(huì)進(jìn)而影響大腦的功能[10]。越來(lái)越多的研究表明腸道微生物菌群在雙向腦-腸軸中起到了關(guān)鍵作用，因此微生物-腸-腦軸的研究在近幾年也成為了醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。中樞神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)、腸神經(jīng)系統(tǒng)、相關(guān)內(nèi)分泌和免疫系統(tǒng)、腸道菌群參與了微生物-腸-腦軸的組成[11]。大腦可以通過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)微生物的組成和行為，而且腸道微生物可以通過(guò)各種途徑參與對(duì)腦的調(diào)節(jié)，包括神經(jīng)、內(nèi)分泌和免疫途徑等，從而觸發(fā)微生物-腸-腦軸雙向調(diào)控機(jī)制[12]。

1.1 神經(jīng)調(diào)節(jié)途徑

胃腸功能的神經(jīng)調(diào)節(jié)主要依賴于三個(gè)系統(tǒng)，即中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)、自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)和腸神經(jīng)系統(tǒng)(ENS)，腸神經(jīng)系統(tǒng)(ENS)作為控制胃腸道的“第二大腦”起主要作用[13]。其主要組成成分為胃腸壁內(nèi)的神經(jīng)元，它可以通過(guò)迷走神經(jīng)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行溝通，迷走神經(jīng)是機(jī)體內(nèi)分布最長(zhǎng)、最廣的腦神經(jīng)，可以支配絕大部分呼吸和消化系統(tǒng)器官，同時(shí)負(fù)責(zé)感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)以及腺體分泌。迷走神經(jīng)傳入神經(jīng)在十二指腸固有層、空腸絨毛以及利貝昆氏腺(Lieberkuhn)隱窩中分布廣泛[14]，迷走神經(jīng)能調(diào)節(jié)血清素、γ-氨基丁酸、c-Fos蛋白等的表達(dá)量，并能將腸道菌群釋放的信號(hào)分子傳遞到大腦中，調(diào)節(jié)腦功能、動(dòng)物焦慮和抑郁行為[15]。Bravo等[16]研究表明，攝入益生菌后小鼠焦慮的情緒和抑郁的行為得到改善，大腦中γ-氨基丁酸受體表達(dá)量增加，切斷迷走神經(jīng)后，改善作用減弱甚至消失，說(shuō)明這種改善作用可能是由迷走神經(jīng)介導(dǎo)的。腸神經(jīng)系統(tǒng)與迷走神經(jīng)之間通過(guò)突觸連接組成“腸道菌群-腸神經(jīng)-迷走神經(jīng)-腦”信息傳遞途徑[17]。德國(guó)研究表明，腸道菌群代謝產(chǎn)生的短鏈脂肪作為信使物質(zhì)，經(jīng)過(guò)血液到達(dá)大腦，促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育和生長(zhǎng)，增強(qiáng)大腦的免疫功能[18]。一般認(rèn)為，動(dòng)物的思想和情緒等是由大腦所控制的，而且以往研究微生物-腸-腦軸的側(cè)重點(diǎn)多在于其在胃腸道疾病等方面的作用，但在現(xiàn)代科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可以通過(guò)此軸調(diào)節(jié)大腦部分功能并影響動(dòng)物機(jī)體的行為[19-20]，腸道微生物的組成和多樣性又可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)[21]。因此，越來(lái)越多的研究將關(guān)注微生物-腸-腦軸對(duì)神經(jīng)發(fā)育的潛在影響。

1.2 內(nèi)分泌調(diào)節(jié)途徑

腸道微生物既可以使腸壁內(nèi)分泌細(xì)胞釋放一些激素類物質(zhì)，如促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子、腎上腺皮質(zhì)酮和腦腸肽等，這些物質(zhì)通過(guò)外周循環(huán)系統(tǒng)作用于腦[22]，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)釋放一些多肽類物質(zhì)，如胃泌素、胰多肽、促胰蛋白酶肽和瘦素等，調(diào)節(jié)宿主的饑餓攝食、能量維持以及作息節(jié)律等多種行為[23]。反之，胃腸道內(nèi)存在的微生物菌群通過(guò)合成生長(zhǎng)抑制激素、乙酰膽堿或孕酮等內(nèi)分泌激素，可以主動(dòng)識(shí)別宿主體內(nèi)的同源性受體，當(dāng)腸道內(nèi)外相應(yīng)的激素達(dá)到一定濃度水平時(shí)，便可以調(diào)控宿主的神經(jīng)電生理過(guò)程[24]。乙酰膽堿、兒茶酚胺、血清素和組胺等是主要的神經(jīng)遞質(zhì)。這些神經(jīng)遞質(zhì)不僅存在于人類和動(dòng)物體內(nèi)，還存在于植物和微生物中[25]。兒茶酚胺類激素是能夠促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)的神經(jīng)遞質(zhì)，主要包括多巴胺、去甲腎上腺素和腎上腺素等，其中去甲腎上腺素促生長(zhǎng)效果比較好，體內(nèi)超過(guò)50%去甲腎上腺素是由腸道神經(jīng)系統(tǒng)分泌的，并且直接作用于腸道微生物，在維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮一定的作用[24]。腸道菌群可通過(guò)下丘腦-垂體-腎上腺軸（HPA軸）發(fā)揮作用，Crumey?rolle-arias等[26]的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，與SPF大鼠相比，無(wú)菌加劇了大鼠在急性應(yīng)激情況下的焦慮行為，并且下丘腦-垂體-腎上腺軸內(nèi)分泌活性變得更高。這證明了腸道微生物對(duì)機(jī)體內(nèi)分泌系統(tǒng)有一定的影響。

1.3 免疫調(diào)節(jié)途徑

腸道微生物還可以通過(guò)免疫系統(tǒng)的激活，使中樞神經(jīng)系統(tǒng)與其之間啟動(dòng)雙向溝通[27]。大量研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物代謝底物及產(chǎn)物，可以改變體循環(huán)中促炎和抗炎因子的表達(dá)水平，影響大腦功能。比如，腸道微生物代謝產(chǎn)生的丁酸可誘導(dǎo)腸道T淋巴細(xì)胞分化，減少炎癥反應(yīng)，緩解結(jié)腸炎[28]。細(xì)胞因子可作為免疫信號(hào)分子調(diào)控神經(jīng)性紊亂病變和心理學(xué)疾病，如焦慮、抑郁、認(rèn)知行為等。研究表明，外周血中IL-1、IL-6、TNF等炎癥細(xì)胞因子通過(guò)自由擴(kuò)散和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)血腦屏障，進(jìn)入腦組織，進(jìn)而改變大腦中神經(jīng)元的活化狀態(tài)導(dǎo)致抑郁[29]。哺乳動(dòng)物m iRNA已被證明是調(diào)節(jié)宿主基因表達(dá)的重要因子，并參與宿主細(xì)胞分裂和免疫反應(yīng)等。研究表明，腸上皮細(xì)胞內(nèi)的m iRNA可以調(diào)節(jié)杯狀細(xì)胞的分化并增強(qiáng)寄生蟲感染誘導(dǎo)的Th2型免疫應(yīng)答，共生細(xì)菌可以誘導(dǎo)宿主m iRNA的表達(dá)，但具體機(jī)制尚不明確，推測(cè)它與共生細(xì)菌的物質(zhì)代謝，表面抗原和腸道菌群-宿主相互作用有關(guān)[30]。

2 微生物-腸-腦軸信號(hào)

目前來(lái)源于腸道微生物并影響腸上皮的信號(hào)因子已經(jīng)被廣泛研究，包括Toll樣受體信號(hào)傳導(dǎo)[31-32]和通過(guò)二肽或三肽信號(hào)傳導(dǎo)的機(jī)制，例如N-甲酰甲硫酰-亮氨酰-苯丙氨酸[33]。然而，如上所述，微生物產(chǎn)生的一系列信號(hào)分子，可以與其他微生物的受體以及宿主細(xì)胞的受體相互作用。通過(guò)這些不同的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，腸道微生物群通過(guò)內(nèi)分泌，免疫和神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制影響神經(jīng)系統(tǒng)。比如，碳水化合物在大腸經(jīng)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈揮發(fā)酸（SCFAs）可以通過(guò)很多途徑來(lái)調(diào)節(jié)腸-腦軸的作用[34-36]。靶向自誘導(dǎo)信號(hào)分子(Autoinducer-3)可以刺激真核細(xì)胞表面的腎上腺素受體，而人腸上皮細(xì)胞的表面則存在α-2受體。信號(hào)通過(guò)α-2腎上腺素受體傳導(dǎo)是細(xì)菌抑制腸道分泌的一種機(jī)制，危及宿主排除病原體的能力[37]。

雖然健康和患病狀態(tài)下腸微生物群對(duì)宿主信號(hào)傳導(dǎo)的作用已經(jīng)被廣泛研究，包括運(yùn)動(dòng)性、分泌性和免疫功能，但是目前胃腸道和神經(jīng)系統(tǒng)之間的微生物信號(hào)之間直接的傳導(dǎo)作用研究并不廣泛。微生物信號(hào)分子可以在腸通透性增強(qiáng)的情況下（例如，在炎癥或應(yīng)激期間）直接與傳入神經(jīng)末端相互作用，或者它們的信號(hào)可以通過(guò)上皮中的“轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞”傳遞到腸壁內(nèi)的神經(jīng)元。腸道嗜鉻細(xì)胞作為腸道中傳入神經(jīng)末梢信號(hào)的傳感器可以用于這方面的研究。有研究顯示，GF小鼠血清中5-HT水平顯著低于SPF小鼠[38]，腸道中的芽孢菌能夠促進(jìn)結(jié)腸嗜鉻細(xì)胞分泌5-HT[39]。5-羥色胺是一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)[40]，作用于大腦中的某些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，影響宿主記憶、情緒、性格和行為的表達(dá)。

3 微生物-腸-腦軸對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的感應(yīng)

自主神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)介導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腸道間的通信，交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)都屬于自主神經(jīng)系統(tǒng)，它們?cè)谡{(diào)節(jié)腸道功能方面具有突出的作用。它可以調(diào)節(jié)腸胃運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)腸胃中的酸分泌以及對(duì)腸道免疫應(yīng)答也有極大影響[41]。自主神經(jīng)系統(tǒng)介導(dǎo)的黏液分泌調(diào)節(jié)對(duì)腸道黏液層的大小和質(zhì)量有極其重要的作用，它通過(guò)影響上皮細(xì)胞的反應(yīng)直接參與腸道內(nèi)免疫細(xì)胞的免疫激活。這表明神經(jīng)會(huì)影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝和宿主的免疫應(yīng)答。腸道中存在參與微生物蛋白質(zhì)合成、核酸代謝、能量供應(yīng)及其他細(xì)胞內(nèi)代謝過(guò)程的多種不同微生物，它們對(duì)氨基酸的利用能力不盡相同，它們可以利用腸腔中游離的短肽和氨基酸作為氮源參與代謝過(guò)程。腸道中的擬桿菌屬、丙酸菌屬、梭菌屬、鏈球菌屬、乳桿菌屬等主要起到降解蛋白質(zhì)的作用。有研究表明，豬空腸或回腸的某些革蘭氏陰性菌，如Klebsiella spp和Prevotella spp，可以有選擇性的氧化賴氨酸(Lys)、蘇氨酸(Thr)和精氨酸(Arg)，Kleb?siella spp還可以合成谷氨酰胺(Gln)、亮氨酸(Leu)和異亮氨酸(Ile)等[42-43]。氨基酸通過(guò)腸道菌群的代謝可以為宿主提供營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，也可以作為信號(hào)分子調(diào)節(jié)腸道或者機(jī)體的各項(xiàng)生理活動(dòng)。蛋白質(zhì)在腸腔內(nèi)通過(guò)各種蛋白酶消化后，其產(chǎn)生的短肽或氨基酸，可以被腸腔壁的上皮細(xì)胞表面分布的受體識(shí)別。有研究表明，腸上皮細(xì)胞表面的味覺(jué)受體1和3(T1R1/TIR3)異二聚體受體可以感應(yīng)腸內(nèi)腔的色氨酸，激活受體的磷酸化過(guò)程，將下游信號(hào)傳遞至哺乳動(dòng)物細(xì)胞mTOR信號(hào)分子，激發(fā)細(xì)胞的DNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成[44]。谷氨酸能夠作為味覺(jué)受體1和3(T1R1/TIR3)的配體參與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的感應(yīng)，而且，谷氨酸也是一種神經(jīng)傳導(dǎo)遞質(zhì)，谷氨酸的增加可以顯著促進(jìn)腹腔迷走神經(jīng)的傳入神經(jīng)活性，調(diào)節(jié)神經(jīng)行為[45]。在腸道內(nèi)，氨基酸作為配體，不僅參與mTOR信號(hào)的活化，也參與飽感激素的調(diào)控，調(diào)節(jié)宿主的飲食。G蛋白偶聯(lián)受體93(GPR93)、鈣敏感受體(CaSR)等對(duì)不同氨基酸的識(shí)別可以促使小腸腸壁細(xì)胞分泌調(diào)節(jié)性的腦腸肽。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物能夠通過(guò)各類自身分泌的蛋白酶代謝腸腔內(nèi)的蛋白質(zhì)，產(chǎn)生宿主自身不能合成的肽類物質(zhì)，如精氨酰谷氨酰胺Arg-Gln和丙氨酰丙氨酸Ala-Ala[46]。已有研究表明豬空腸上皮細(xì)胞能夠表達(dá)二肽轉(zhuǎn)運(yùn)體小肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(PepT1)[47]，并具有轉(zhuǎn)運(yùn)某些三肽的能力。Ai?to-inoue M等[48]對(duì)斷奶仔豬進(jìn)行研究，其結(jié)果顯示小腸上皮細(xì)胞對(duì)二肽丙氨酰谷氨酰胺Ala-Gln和甘氨酰谷氨酰胺Gly-Gln的吸收效率高于谷氨酰胺Gln單體。所以說(shuō)經(jīng)過(guò)微生物代謝過(guò)程，生成的某些小肽類物質(zhì)可能會(huì)經(jīng)過(guò)小腸上皮肽類的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)影響到機(jī)體的代謝過(guò)程。

動(dòng)物剛出生腸道菌群與其宿主就有了相互作用，微生物及其代謝物促進(jìn)宿主進(jìn)化和功能成熟[49]。腸道菌群在食物和外源物質(zhì)的代謝中產(chǎn)生大量小分子，這些小分子在宿主細(xì)胞與微生物之間起著信息傳遞的作用[50]。正常的腸道微生物可以利用腸道中的氮源來(lái)合成微生物蛋白，為動(dòng)物提供蛋白質(zhì)。后腸中的微生物可以發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生短鏈揮發(fā)酸（SC?FAs）[1]，如乙酸、丙酸等，SCFAs也可由蛋白質(zhì)降解和氨基酸發(fā)酵產(chǎn)生。腸道微生物還可利用日糧中未被消化的蛋白質(zhì)和碳水化合物等物質(zhì)，生成一些代謝產(chǎn)物，包括生物胺、吲哚、3-甲基吲哚和酚類等物質(zhì)[51]，這些代謝產(chǎn)物可以刺激交感神經(jīng)及自主交感神經(jīng)，并可以調(diào)節(jié)血腦屏障，影響腦的發(fā)育，其次，還可以作用于腸道，調(diào)節(jié)腸道內(nèi)分泌，反向作用與腸-腦軸影響機(jī)體的健康。研究發(fā)現(xiàn)，高蛋白質(zhì)飼糧(19.8%或20.1%粗蛋白質(zhì))攝入的斷奶仔豬同低蛋白質(zhì)飼糧(14.5%或14.8%粗蛋白質(zhì))攝入的仔豬相比，結(jié)腸食糜中腐胺、亞精胺、支鏈脂肪酸、組胺和氨氮的濃度，結(jié)腸IL-1β、IL-10、轉(zhuǎn)化生子因子-β(TGF-β)、黏蛋白 MUC1、MUC2、MUC20的基因表達(dá)量顯著增加，食糜中柔嫩梭菌群細(xì)菌豐度增加，而飼糧中可發(fā)酵碳水化合物添加量增加后，毒性物質(zhì)(如亞精胺、組胺)濃度降低，炎癥因子表達(dá)沒(méi)有顯著上調(diào)，球形梭菌(Clostridium coccoides)的豐度顯著增加[52]。說(shuō)明了這些微生物會(huì)通過(guò)各種方式參與腸-腦軸，與其共同完成對(duì)宿主的代謝活動(dòng)。

“微生物-腸-腦軸”是一個(gè)多組分概念模型，描述連接大腦認(rèn)知與腸道內(nèi)分泌，神經(jīng)和免疫系統(tǒng)的雙向應(yīng)答機(jī)制。這種雙向的腸-腦相互作用參與許多重要功能的調(diào)節(jié)。在健康中，腸-腦相互作用有助于消化過(guò)程的調(diào)節(jié)，包括胃腸運(yùn)動(dòng)功能，分泌、吸收以及調(diào)節(jié)食物攝入，調(diào)節(jié)腸相關(guān)免疫系統(tǒng)，同時(shí)身體的狀態(tài)和情緒也會(huì)影響胃腸道。在疾病中，改變的腸-腦信號(hào)和相互作用可能是各種厭食，惡心和嘔吐，功能性胃腸疾病如消化不良和腸易激綜合征的病理生理學(xué)基礎(chǔ)，到系統(tǒng)性免疫或情緒障礙。但是目前，大腦和腸道菌群雙向調(diào)控功能的研究主要采用鼠作為研究對(duì)象，在豬上鮮有研究，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)手段調(diào)控腸道內(nèi)環(huán)境和機(jī)體健康代謝還有待進(jìn)一步研究。豬在解剖學(xué)和生理學(xué)方面與人類高度相似[41]，以豬為動(dòng)物模型，研究腸道微生物及其代謝產(chǎn)物對(duì)機(jī)體生理功能的調(diào)控、對(duì)免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等的影響，有助于闡明微生物與宿主之間的關(guān)系，并且對(duì)人疾病和健康相關(guān)研究有十分重要的意義。