益生元促進動物腸道免疫的作用機理

和玉丹,萬培偉，王 庚

（1.江西生物科技職業(yè)學(xué)院,江西南昌330200；2.浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院）

益生元是現(xiàn)代腸道功能、腸道微生態(tài)調(diào)節(jié)的重要功能因子。在畜禽養(yǎng)殖業(yè)上，越來越多的研究報道，益生元的添加能改善動物生長繁殖性能，究其原因還是要歸功于益生元能從根本上調(diào)控有機體腸道菌群，進而間接發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用；亦或直接作用于腸道上皮細(xì)胞，通過對炎癥相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)控，來改善機體的免疫狀況，從而保證動物體處在健康的生理狀態(tài)。

1 益生元的概述

益生元是指能夠選擇性地刺激特定腸道菌的生長、活性而有益于宿主健康的非消化性食物成分，這是1995年國際“益生元之父”—Dr.Glenn Gibson對益生元進行的定義。Gibson等[1]在2004年又給出了最新的定義：益生元是一種可被選擇性發(fā)酵而專一性地改善腸道中有益于宿主健康的菌群組成和活性的食物配料，常稱雙歧因子。根據(jù)Gibson最新定義，作為益生元至少應(yīng)具備4個基本條件：一是在胃腸道的上部既不能被水解也不能被吸收；二是能選擇性地刺激腸內(nèi)有益菌（雙歧桿菌等）的生長繁殖和激活代謝；三是能夠優(yōu)化腸道有益菌的構(gòu)成和數(shù)量；四是有利于增強宿主機體健康。而在2010年，國際益生菌和益生元科學(xué)協(xié)會定義膳食益生元為“選擇性發(fā)酵的成分，它能對胃腸微生物的組成或活性產(chǎn)生特定變化，進而有利于宿主的健康”[2]。2015年Bindels等[3]提出將益生元進一步定義為“一種不被消化的混合物，通過腸道微生物的代謝，調(diào)節(jié)腸道微生物群組成或活性，從而賦予宿主有益的生理影響”。有別于傳統(tǒng)的益生元特定性刺激雙歧桿菌等某種益生菌概念，這一最新概念呼吁益生元作用要關(guān)注到整個微生態(tài)的結(jié)構(gòu)與功能的變化。

目前公認(rèn)的可作為益生元的物質(zhì)包括：功能性低聚糖、多糖、多元醇、蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物、植物提取物等等。功能性低聚糖包括低聚果糖、低聚木糖、低聚異麥芽糖、低聚半乳糖、低聚甘露糖和水蘇糖等；多糖，如菊粉、抗性淀粉等；多元醇，如木糖醇、甘露醇等；蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物，如酪蛋白的水解物、乳鐵蛋白等。其中功能性低聚糖是最主要的，也是研究的最多的一類益生元。而這其中又多以低聚半乳糖、低聚果糖、低聚木糖和甘露寡糖為主[4]。

2 益生元的生理功能

2.1 改善腸道微生態(tài)

通過添加益生元，腸道菌群數(shù)量得到提高，糞便排出量也有所增加。益生元在腸道中以溶解的狀態(tài)存在，這樣可以改變腸道的滲透壓，導(dǎo)致水流量的增加[5]。益生元在腸道被利用后可產(chǎn)生氣體、短鏈脂肪酸和乳酸鹽，這些物質(zhì)能影響消化道的運動性，從而有利于改善便秘。添加益生元可以使有益菌更好地生長[6]。Roberfroid等[7]報道，低聚糖能夠促進有益菌的生長，特別是雙歧桿菌和乳酸菌的增殖，而有益菌在消化道內(nèi)起到屏障作用，有益菌的增殖最終減少胃腸道疾病的發(fā)生。而致病菌如大腸桿菌、沙門氏桿菌、產(chǎn)氣芽胞梭菌等因不能利用低聚糖而導(dǎo)致饑餓死亡。另有研究表明，寡糖不僅能充當(dāng)碳源或營養(yǎng)物質(zhì)，而且寡糖還可以促進并調(diào)節(jié)雙歧桿菌的生長，并有黏附作用[8]。

2.2 促進礦物質(zhì)的吸收

Ohta[9]用添加了10%低聚果糖的飼料喂養(yǎng)小鼠，試驗結(jié)果表明，低聚果糖可以促進機體對鈣、鐵、鎂、鋅等元素的吸收，并可阻止因缺乏雌性激素而引起的骨質(zhì)丟失。另有研究發(fā)現(xiàn)，小鼠采食轉(zhuǎn)半乳糖寡糖后，鈣和鎂的吸收量得到了不同程度的提高，并且小鼠血中鐵的濃度也有所提高。以不同模型做試驗得到的研究結(jié)果表明，益生元能促進機體對礦物質(zhì)的吸收，而吸收礦物質(zhì)這一過程主要是在大腸發(fā)生[10]。益生元在腸道內(nèi)被有益菌利用，通過發(fā)酵產(chǎn)生有機酸，使腸道內(nèi)的pH值降低，改變了礦物質(zhì)在腸道內(nèi)的運輸過程，主動運輸和被動運輸都得到增強，最終使得礦物質(zhì)在腸道內(nèi)的代謝得到改善。因此，益生元可以促進機體對礦物質(zhì)的吸收[11]。進而可以利用食用益生元來防治骨質(zhì)疏松。

2.3 調(diào)節(jié)脂類代謝

功能性低聚糖益生元可以調(diào)節(jié)肝臟中脂肪代謝，降低血清膽固醇，提高HDL/LDL值。Dacidson等的試驗表明，每天給予患有輕度高膽固醇的病人18 g抗性淀粉一段時間后，血清總膽固醇和LDL-膽固醇含量降低[12～13]。

2.4 增強免疫力

益生元可以促進雙歧桿菌增殖，而雙歧桿菌具有很強的免疫刺激作用，能刺激巨噬細(xì)胞使其產(chǎn)生活性，巨噬細(xì)胞被激活后可分泌抗菌素，使淋巴細(xì)胞被刺激而分裂，不斷生成淋巴細(xì)胞[14]。對動物免疫力而言，腸道內(nèi)淋巴組織起重要作用，所以腸道內(nèi)有關(guān)淋巴組織的增強，可以使動物免疫力得到提高。益生元在體內(nèi)被有益菌利用，可以生成短鏈脂肪酸（主要是醋酸、丙酸、丁酸）和乳酸，酸的生成可以使腸道內(nèi)pH值降低，在酸性環(huán)境下腐敗不容易發(fā)生，并得到控制，而且排便得到促進[15]。在pH值較低的條件下，一級膽酸轉(zhuǎn)變成二級膽酸的反應(yīng)減少（二級膽酸有致癌性），氨和胺轉(zhuǎn)化成NH4+，從而有利于減少癌變。益生元發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸尤其是丁酸對大腸上皮細(xì)胞有營養(yǎng)作用，不僅可以作為結(jié)腸細(xì)胞的主要能源基質(zhì)，有助于免疫細(xì)胞的育成，而且可以增強細(xì)胞增生分化能力[16]。

3 益生元的作用機制

益生元的作用機理主要有間接與直接兩種方式。首先它可以間接的通過調(diào)控微生物菌群，進而發(fā)揮腸道免疫調(diào)節(jié)作用。其次，大量研究表明益生元也可以直接作用的腸道上皮細(xì)胞，通過過氧化物酶體增殖物激活受體（Peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR-γ）途徑之肽聚糖識別蛋白3（Peptides recognize protein 3，PGlyRP-3）、NFκB 以及MAPK信號通路發(fā)揮其抗炎作用[17～18]。

3.1 通過腸道菌群調(diào)控免疫

食入的益生元被腸道有益菌群利用，通過降解或者發(fā)酵的方式，轉(zhuǎn)化成為其單體形式或者生成短鏈脂肪酸[19]。前者能有效的對腸道微生物形成競爭性抑制，減少有害病原菌的粘附；同時可以被益生菌降解利用，從而促進其生長繁殖，形成微生態(tài)競爭優(yōu)勢[20]；后者即短鏈脂肪酸一方面可以降低腸道內(nèi)環(huán)境的pH，抑制有害菌的繁殖；為腸道上皮提供能量，促進腸上皮細(xì)胞的增殖，隱窩的增生，提高營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；最后與免疫細(xì)胞因子互作，調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的分化，保證機體免疫功能的正常行使[21]。最后，益生元自身也能有效降低有害菌粘附蛋白的表達，從而也能降低有害菌的定植與進一步繁殖[22]。

3.2 通過炎癥相關(guān)信號通路調(diào)控炎癥

3.2.1 過氧化酶物體增殖物激活受體（PPAR-γ）途徑

相關(guān)研究[23～24]表明，益生元可促進PPAR-γ在Caco-2細(xì)胞中的表達，同時降低細(xì)胞的促炎因子表達量；但是當(dāng)加入PPAR-γ相應(yīng)拮抗劑的之后，上述的抗炎作用消失了，這說明PPAR-γ對抗炎起著決定性作用；同時研究發(fā)現(xiàn)，在干擾其下游的PGlyRP-3（本身具有抗炎作用）之后，抗炎作用仍然存在，說明PPAR-γ抗炎信號通路的下游關(guān)鍵分子不止PGlyRP-3一個。

3.2.1 核轉(zhuǎn)錄因子NFκB及MAPK途徑

同時另外的研究指出低聚果糖能直接影響細(xì)胞的磷酸化過程，從而調(diào)節(jié)腸道免疫[25]。通過對低聚果糖處理過的細(xì)胞進行激酶組學(xué)分析，得到了其可以同時降低NFκB與MAPK信號通路的磷酸化[26]。其中對與NFκB，低聚果糖不僅降低了它本身的磷酸化，同時升高IκB的表達，使得NFκB受制于細(xì)胞質(zhì)中，這可以通過免疫熒光來檢測入核的NFκB來側(cè)面反映[27]。

低聚果糖同時降低了P38與ERK1/2的磷酸化程度，而這在MAPK信號轉(zhuǎn)到通路中發(fā)揮著細(xì)胞生長、分化以及凋亡的關(guān)鍵調(diào)控作用，它們磷酸化水平的降低，說明了低聚寡糖降低了細(xì)胞的免疫靈敏度，使其具有更好的免疫耐受。

4 在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用

Janardhana[28]等研究指出益生元能調(diào)節(jié)雞腸道盲腸免疫細(xì)胞的增殖分化，從而影響腸道局部免疫；不過同時也調(diào)節(jié)了全身免疫水平。益生元在對雞的熱應(yīng)激方面的報道中表明低聚半乳糖降低了雞空腸熱休克蛋白HSP70、HSP90的表達，并且抑制了白細(xì)胞介素-6與白細(xì)胞介素-8的表達[29]。Yang等[30]通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳技術(shù)分析結(jié)果，仔雞飼喂益生元后，顯著提高了香農(nóng)指數(shù)與豐富度，表明益生元可以調(diào)節(jié)腸道微生物區(qū)系。

Mcdonnell等[31]在研究低聚半乳糖對肥育豬腸道免疫影響中，發(fā)現(xiàn)低聚半乳糖的添加能有效抑制鼠傷寒沙門氏桿菌感染引起的炎癥反應(yīng)，并且增加回腸內(nèi)白細(xì)胞介素-10以及粘液素-2的表達。Cindy[32]在研究母源性低聚果糖對仔豬影響時，發(fā)現(xiàn)低聚果糖顯著增加仔豬腸系膜淋巴結(jié)中單核細(xì)胞的密度，同時增加了派爾集合淋巴結(jié)sIgA的分泌，說明其對后代腸道免疫的完善起到一定作用。Alizadeh[33]等研究發(fā)現(xiàn)對仔豬飼喂一定低聚半乳糖后，促進仔豬腸道緊密連接蛋白的表達以及提升β防御素-2的轉(zhuǎn)錄水平。

5 小結(jié)

綜上所述，隨著益生元定義的不斷精確與擴展，已經(jīng)打破了傳統(tǒng)的觀念，不再局限于寡糖類物質(zhì)，其代謝部位也不在拘泥于結(jié)腸，而是擴展到整個消化道。慢慢的發(fā)現(xiàn)，益生元不僅僅可以間接通過影響腸道菌群，來調(diào)節(jié)機體免疫；同時也能直接作用于腸道上皮細(xì)胞，調(diào)控炎癥反應(yīng)，從而能夠?qū)π笄萆a(chǎn)和健康產(chǎn)生影響。但是益生元更深層次的免疫機制尚不清楚，只能能通過現(xiàn)有的炎癥通路得到其發(fā)揮作用的直接證明，并不能找到根本機制所在，所以進一步的工作也許放在探究益生元如何調(diào)控腸道上皮細(xì)胞內(nèi)各種信號通路會更有意義。