短鏈脂肪酸在單胃動(dòng)物腸道中的生理功能及其作用機(jī)制的研究進(jìn)展

何榮香，唐紅艷，楊 玲，馬玉靜， 歐陽富龍，賀建華*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410128；2.長沙市郡德實(shí)驗(yàn)學(xué)校，湖南長沙 410005）

短鏈脂肪酸（Short-Chain Fatty Acid，SCFA）包括甲酸、乙酸、丙酸、異丁酸等碳原子數(shù)少于6 個(gè)的有機(jī)羧酸。短鏈脂肪酸容易被動(dòng)物后腸迅速吸收，既可以儲(chǔ)存能量又可以降低腸道滲透壓，并且短鏈脂肪酸對(duì)于維持大腸的正常功能和結(jié)腸上皮細(xì)胞的形態(tài)和功能具有重要作用，因此短鏈脂肪酸對(duì)動(dòng)物機(jī)體有著極其重要的作用。自2018 年8 月非洲豬瘟侵襲我國以來，養(yǎng)豬業(yè)遭受巨大損失。如何防御非洲豬瘟已經(jīng)成為養(yǎng)豬業(yè)首要解決的問題。經(jīng)過行業(yè)一年多的了解與摸索，除了外圍加強(qiáng)生物安全防范與出入物資病毒核酸檢測(cè)，對(duì)豬群“營養(yǎng)冗余”以及“飲水酸化”的防非措施也頗受推崇。因此，增強(qiáng)豬群抵抗力以及酸化飲水的功能性添加劑也日益受到重視，而既能增加動(dòng)物免疫又能酸化飲水的短鏈脂肪酸也受到行業(yè)的關(guān)注。本文就SCFA 在單胃動(dòng)物機(jī)體中提高腸上皮屏障功能、促進(jìn)腸道電解質(zhì)平衡、調(diào)節(jié)腸道微生物、抗癌等生理功能進(jìn)行綜述，為其研發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 SCFA 在單胃動(dòng)物腸道中發(fā)揮的生理功能及其作用機(jī)制

單胃動(dòng)物腸道中的SCFA 主要是由腸道中的厭氧微生物以難消化的結(jié)構(gòu)性碳水化合物（低聚糖、非淀粉多糖、抗性淀粉等）為底物通過發(fā)酵產(chǎn)生的。腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA 以乙酸、丙酸、丁酸的含量最高，三者共同所占的比例高達(dá)90%～95%，其余的SCFA 僅占一小部分（5%～10%）；而異丁酸、異戊酸等支鏈SCFA 多來自蛋白質(zhì)的分解[1]。消化道中的食物經(jīng)小腸之后最先到達(dá)結(jié)腸，因此結(jié)腸是單胃動(dòng)物腸道微生物發(fā)酵生成SCFA 的主要位置。在單胃動(dòng)物各腸段中SCFA濃度有很大差異，在結(jié)腸前端濃度最高，到結(jié)腸末端時(shí)濃度明顯下降[2]。連曉蔚[3]用從糞便中分離純化的微生物進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵過程中產(chǎn)生了多種SCFA，且發(fā)酵時(shí)所用的底物、菌種不同，發(fā)酵產(chǎn)物中的SCFA 的種類、含量、比例有較大差異，其中乙酸含量最高。趙姝嫻等[4]在仔豬飼糧中添加不同水平的葡萄糖酸，仔豬腸腔中的SCFA 含量顯著提高。由此證明，腸道微生物分解代謝產(chǎn)生的乙酸、丁酸可被單胃動(dòng)物直接吸收利用，是機(jī)體重要的能量來源。丙酸在丙酮酸逆轉(zhuǎn)化為葡萄糖的過程中起重要作用，且此過程對(duì)脂肪的合成有抑制作用。單胃動(dòng)物機(jī)體中的糖異生、 酮體以及甘油三酯合成過程均受丁酸的影響[5]。除此之外，SCFA 在保持腸黏膜的完整性、促進(jìn)杯狀細(xì)胞分泌、減少促炎因子的生成以及減緩腸道慢性炎癥的病癥等方面發(fā)揮著重要的作用。更重要的是，SCFA 能通過誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的分化和凋亡來抑制腸道腫瘤細(xì)胞的增殖[6-8]。

1.1 SCFA 維護(hù)腸上皮屏障功能

1.1.1 SCFA 對(duì)腸道黏液分泌的促進(jìn)作用 單胃動(dòng)物腸道營養(yǎng)物質(zhì)的吸收主要發(fā)生在腸道的黏膜層，而黏液層含有大量的由黏液細(xì)胞和腸上皮分泌的凝膠狀糖蛋白。黏液既在物理方面有潤滑作用，可以緩解腸腔內(nèi)容物對(duì)腸黏膜的損傷；又在化學(xué)方面有減少酸和蛋白酶對(duì)腸道黏膜的侵蝕作用；在微生物方面可為腸道菌群提供合適的生存環(huán)境，減少致病菌及有毒物質(zhì)對(duì)腸道的傷害[9]。而黏液中的黏蛋白的產(chǎn)生與MUC基因有關(guān)，其中MUC1、MUC3、 MUC4編碼位于膜上的黏蛋白，而MUC2與大腸中分泌性黏蛋白有關(guān)。Gaudier 等[10]研究顯示，當(dāng)培養(yǎng)基以葡萄糖作為碳源時(shí)，加入丁酸可以促進(jìn)腸道中MUC3和MUC5的表達(dá)；當(dāng)培養(yǎng)基以丁酸作為唯一碳源時(shí)，MUC3、MUC5和MUC2的表達(dá)量有大幅度提高。由此可以推測(cè)，SCFA 特別是丁酸有促進(jìn)單胃動(dòng)物腸道黏液分泌的作用。

1.1.2 SCFA 加強(qiáng)腸道屏障的完整性 單胃動(dòng)物腸內(nèi)能量不足會(huì)影響結(jié)腸上皮營養(yǎng)狀態(tài)，短期缺乏內(nèi)會(huì)造成黏膜萎縮，長期缺乏會(huì)造成“營養(yǎng)性結(jié)腸炎”，破壞腸道屏障結(jié)構(gòu)的完整性。丁亞萍等[11]試驗(yàn)結(jié)果顯示，SCFA能維持全腸外營養(yǎng)（Total Parenteral Nutrtion，TPN）大鼠小腸黏膜細(xì)胞正常形態(tài)，并促進(jìn)腸黏膜細(xì)胞分裂增殖，起到保護(hù)腸黏膜機(jī)械屏障的作用。SCFA 還能提高胰液中胰酶的分泌，并增加腸道細(xì)胞中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1（SGLT-1）和葡萄糖載體-2（GLUT-2）的mRNA的表達(dá)，提高腸道細(xì)胞對(duì)葡萄糖的吸收能力[12-13]。此外，乙酸鹽可擴(kuò)張腸道血管、增加腸道血流量。SCFA 對(duì)腸上皮細(xì)胞的能量供應(yīng)及代謝狀況有良好的改善作用，對(duì)黏膜細(xì)胞的增殖和黏膜形態(tài)的維護(hù)也有積極作用。Dallas 等[14]在TPN 大鼠模型中，腸道無菌小鼠的腸上皮細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)自噬現(xiàn)象，在灌服丁酸鹽后可使腸上皮恢復(fù)完整性。其原因可能是TPN 大鼠結(jié)腸細(xì)胞中丁酸代謝通路受到抑制，丁酸鹽的缺失導(dǎo)致β氧化、 三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化關(guān)鍵酶減少，使得ATP 生成受阻，導(dǎo)致AMPK 激活和p27kip1 磷酸化，最終導(dǎo)致細(xì)胞自噬。而丁酸可直接被結(jié)腸細(xì)胞吸收，在線粒體中經(jīng)歷β氧化生成乙酰輔酶-α并進(jìn)入TCA 循環(huán)，使NAD+ 還原為NADH；NADH 進(jìn)入電子傳遞鏈最終產(chǎn)生ATP，為結(jié)腸細(xì)胞供能，從而抑制細(xì)胞的自噬。Bai 等[15]研究結(jié)果顯示，SCFA 可以通過提高ZO-1 蛋白和緊密連接蛋白o(hù)ccludin-5 表達(dá)量來降低腸道通透性，增強(qiáng)腸上皮細(xì)胞的屏障功能，減少機(jī)體對(duì)有害物質(zhì)的吸收。綜上可知，SCFA 主要是通過調(diào)節(jié)腸道細(xì)胞增殖或者調(diào)節(jié)與代謝相關(guān)蛋白的表達(dá)量來提高腸道屏障的完整性。

1.2 SCFA 對(duì)腸道炎癥的抑制作用 炎癥反應(yīng)時(shí)機(jī)體的內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)活化，促使E- 選擇素、ICAM-1 以及VCAM-1 等免疫細(xì)胞黏附分子基因的表達(dá)，導(dǎo)致白細(xì)胞黏附到血管內(nèi)皮，進(jìn)而向組織中轉(zhuǎn)移，最終擴(kuò)大炎癥反應(yīng)。Kobayashi 等[16]研究表明，SCFA 可以通過對(duì)固有免疫、適應(yīng)性免疫進(jìn)行調(diào)節(jié)以及影響白細(xì)胞募集反應(yīng)，從而對(duì)腸道炎癥起到抑制作用。

如圖1 所示[17]， SCFA 主要通過2 種方式對(duì)固有免疫進(jìn)行調(diào)節(jié)。一是促進(jìn)局部炎癥反應(yīng)。SCFA 通過腸上皮細(xì)胞TLRs，增強(qiáng)腸上皮細(xì)胞NF-κB 轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，促進(jìn)TNF-α的分泌，同時(shí)抑制IL-8 和白細(xì)胞趨化因子MCP-1 的產(chǎn)生[18]。 二是抑制腸黏膜炎癥。SCFA可促進(jìn)中性粒細(xì)胞表面選擇黏附分子（L-selectin）的表達(dá)以及中性粒細(xì)胞趨化物（CINC-2αβ）的釋放，誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞向炎癥部位遷移。而適應(yīng)性免疫主要通過T/B 淋巴細(xì)胞分化產(chǎn)生效應(yīng)細(xì)胞來起作用。如丁酸可以激活T 細(xì)胞上的GPR43(G-Protein-coupled Receptors )受體，提高小鼠胸腺外FOXP3+ 型Treg 的含量，從而對(duì)炎癥起抑制作用[19]。SCFA 還可促進(jìn)B 細(xì)胞中漿細(xì)胞分化基因的表達(dá)，誘導(dǎo)B 細(xì)胞向漿細(xì)胞分化。漿細(xì)胞通過分泌IgA 來提高腸道黏膜和免疫系統(tǒng)的抗體反應(yīng)，最終起到局部控制腸道微生物和炎癥的作用[20]。

圖1 SCFA 對(duì)免疫的調(diào)節(jié)

機(jī)體發(fā)生炎癥時(shí)，白細(xì)胞在抗原的刺激下從血液中大量滲出并遷移聚集到局部炎癥部位的現(xiàn)象稱為白細(xì)胞募集反應(yīng)。當(dāng)機(jī)體受到脂多糖（LPS）抗原刺激時(shí)，免疫細(xì)胞中的巨噬細(xì)胞、中性白細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生大量的CINC-2 和趨化蛋白MCP-1[21]。研究表明SCFA 能夠抑制LPS 和細(xì)胞因子誘導(dǎo)的促炎介質(zhì)（如 INF-α、IL-6 和NO）的產(chǎn)生，促進(jìn)抗炎因子IL-10 的釋放，降低單核細(xì)胞中IL-10 的水平[22]。此外，SCFA 還能下調(diào)PPARγ轉(zhuǎn)錄因子和NF-κB 的作用，使得ICAM-1、VCAM-1的表達(dá)受到抑制，并阻滯炎癥細(xì)胞分泌IL-2、IL-6、TNF-α等炎性因子[23-27]。由此可知，SCFA 可以通過調(diào)節(jié)白細(xì)胞募集反應(yīng)，來對(duì)腸道炎癥起抑制作用。

1.3 SCFA 促進(jìn)腸道電解質(zhì)平衡和對(duì)水的吸收 SCFA都屬于弱酸，在腸道環(huán)境中主要以離子（SCFA-）形式存在。單胃動(dòng)物腸道中SCFA 的吸收主要有彌散吸收和離子交換2 種方式。彌散吸收發(fā)生在盲腸、近端結(jié)腸部位，SCFA-與H+結(jié)合后由腸上皮細(xì)胞直接吸收，進(jìn)入細(xì)胞后短鏈脂肪重新離子化解離釋放出H+。在近端結(jié)腸Na+/H+發(fā)生交換（在遠(yuǎn)端結(jié)腸則可能與K+/H+交換），把細(xì)胞內(nèi)的H+泵到腸腔。離子形式的吸收過程以交換為主，其中有極少部分的SCFA 可通過細(xì)胞間隙以直接擴(kuò)散的形式被吸收[28]。

在腸上皮細(xì)胞中，丁酸通過促進(jìn)細(xì)胞的呼吸作用來為細(xì)胞供能，呼吸作用過程中產(chǎn)生CO2與水反應(yīng)生成可以進(jìn)一步促進(jìn)Na+/H+交換。腸道細(xì)胞在吸收SCFA 的過程中，提高了腸道細(xì)胞對(duì)Na+的吸收，繼而促進(jìn)了腸道細(xì)胞對(duì)水分的吸收，故推測(cè)SCFA 可能具有抗腹瀉的作用[29-30]。綜上所述，SCFA 的吸收促進(jìn)了的分泌和Na+、水的吸收，在維持腸道電解質(zhì)平衡中起到了重要作用。

1.4 SCFA 促進(jìn)腸道微生態(tài)平衡的作用 單胃動(dòng)物腸道微生物根據(jù)其在腸道中的數(shù)量以及與宿主的關(guān)系，一般分為3 類：一類是專性厭氧菌群，對(duì)腸道有營養(yǎng)和免疫調(diào)節(jié)作用；另一類是以兼性厭氧為主的菌群，在腸道微生態(tài)平衡被打破時(shí)可能會(huì)對(duì)機(jī)體造成損傷；第三類是種類和數(shù)量不固定的病原微生物，當(dāng)其數(shù)量超出正常水平時(shí)則可能引起機(jī)體發(fā)生疾病[31-32]。在單胃動(dòng)物機(jī)體中，大腸桿菌、葡萄球菌、鏈球菌等致病菌在腸內(nèi)的適宜生長環(huán)境為pH 6.0～7.0，當(dāng) pH 低至4 時(shí)基本失活，而乳酸菌等腸道有益微生物在腸內(nèi)的最適宜生長環(huán)境為pH 3.0～4.5。SCFA 在腸道內(nèi)的離子化過程中，可以釋放出H+降低腸道酸堿度，酸性的腸道環(huán)境對(duì)乳酸菌等腸道有益微生物的生存具有促進(jìn)作用，而抑制了葡萄球菌、大腸桿菌、 鏈球菌等致病菌的增殖[33-34]。在腸道pH 環(huán)境下，質(zhì)子化形式的SCFA 有弱親脂性，可通過擴(kuò)散作用進(jìn)入病原微生物細(xì)胞內(nèi)分解產(chǎn)生H+，使膜內(nèi)外pH 差值縮小，從而影響細(xì)菌細(xì)胞的正常生理活動(dòng)[35]。而丁酸可以通過解偶聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)電子來減少ATP 的生產(chǎn)，從而抑制細(xì)菌正常生長。綜上所述，SCFA 主要是通過釋放H+降低腸道pH 抑制有害菌來促進(jìn)腸道微生態(tài)平衡。

1.5 SCFA 對(duì)癌細(xì)胞的抑制作用 細(xì)胞癌變發(fā)生與細(xì)胞基因的轉(zhuǎn)錄密切相關(guān)，細(xì)胞中的乙?；福℉AT）和去乙?；福℉DAC）可以通過影響染色質(zhì)核心組蛋白和DNA 緊密卷曲程度來調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。HAT 使得核小體結(jié)構(gòu)松弛，可有效提高基因的轉(zhuǎn)錄；HDAC 使DNA 與組蛋白緊密結(jié)合，抑制基因的轉(zhuǎn)錄。因此，當(dāng)機(jī)體HDAC過度表達(dá)時(shí)，不利于特定基因的表達(dá)，甚至?xí)?dǎo)致腫瘤抑制基因失活，致使細(xì)胞發(fā)生癌變[36-37]。丁酸是組蛋白乙?；傅囊种苿℉DACI），可抑制細(xì)胞溶膠或細(xì)胞核中HDAC 活性，提高DNA 的轉(zhuǎn)錄，如調(diào)節(jié)T 細(xì)胞因子的表達(dá)來促進(jìn)T 細(xì)胞的形成[38]。此外，丁酸可以通過抑制HDAC 作用來影響NF-κB 通路，從而調(diào)節(jié)宿主上皮細(xì)胞的免疫功能。G0 期細(xì)胞是暫不增殖細(xì)胞，在受到一定刺激時(shí)會(huì)重新進(jìn)行分裂增殖。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸對(duì)HDAC 的抑制作用可以增強(qiáng)HAT 的活性，提高組蛋白乙?；絹碓黾覲21基因的表達(dá)量，使細(xì)胞周期停滯在G0 期，從而達(dá)到抑制癌細(xì)胞增殖的作用[39-40]。 Wolter等[41]研究發(fā)現(xiàn)，丁酸還可增強(qiáng)解毒酶谷胱甘肽-S- 轉(zhuǎn)移酶的活性，抑制腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移；同時(shí)在基因水平抑制腫瘤誘導(dǎo)的血管生成，削弱腫瘤細(xì)胞的免疫抑制作用。

2 SCFA 在單胃動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉永祥等[42]的研究顯示，在肉仔雞飼糧中添加500 mg/kg 丁酸的基礎(chǔ)上，額外添加500 mg/kg 乙酸或丙酸，可以顯著提高小腸中淀粉酶和胰蛋白酶活性，減少十二指腸中大腸桿菌的數(shù)量?？苌萚43]的研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中添加一定量丁酸鈉后，可顯著提高仔豬日增重和平均日采食量，丁酸在斷奶應(yīng)激發(fā)生時(shí)對(duì)小腸絨毛起保護(hù)作用。陳慧子等[44]研究結(jié)果顯示，生長豬盲腸灌注丙酸顯著促進(jìn)了閉鎖蛋白-1（Occludin-1）、生長抑素（SST）、G 蛋白偶聯(lián)受體5A（G PRC5A）等腸道屏障與免疫功能相關(guān)基因的表達(dá)。在畜禽的實(shí)際生產(chǎn)中，飼料因素造成的腸道應(yīng)激對(duì)動(dòng)物的生產(chǎn)和健康狀況均會(huì)產(chǎn)生不利的影響。在高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠糖代謝紊亂的模型中，SCFA 可以有效改善肥胖小鼠血糖血脂代謝紊亂、降低小鼠肝臟組織脂肪變性以及脂肪肝的發(fā)生，降低腸道的炎性反應(yīng)[45]。斷奶仔豬由于腸道發(fā)育不完全，在由母乳飼養(yǎng)轉(zhuǎn)為飼料飼養(yǎng)的過程中發(fā)生腸道應(yīng)激，固體飼料對(duì)動(dòng)物的腸道損傷，造成動(dòng)物采食量下降、腸道免疫力下降、生長發(fā)育不良等不良反應(yīng)，嚴(yán)重影響了畜禽的生長性能[46]。以上均表明，SCFA 及其衍生物對(duì)單胃動(dòng)物的腸道有良好的抗炎、調(diào)節(jié)腸道菌群和各種炎癥因子的表達(dá)、為腸上皮細(xì)胞供能等生理功能，能有效緩解單胃動(dòng)物腸道中的各種應(yīng)激反應(yīng)。

3 小 結(jié)

SCFA 因其結(jié)構(gòu)及特殊的生理功能特性，具有提高腸上皮屏障功能、促進(jìn)腸道電解質(zhì)平衡、調(diào)節(jié)腸道微生物、抗癌等生理功能，在畜禽生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景。但單胃動(dòng)物機(jī)體中的SCFA 主要是在結(jié)腸中通過微生物發(fā)酵產(chǎn)生，對(duì)腸道前端的作用效果有限，因此在單胃動(dòng)物中一般考慮在飼糧中添加。SCFA 是幾種短鏈脂肪酸的統(tǒng)稱，不同種類的SCFA 對(duì)機(jī)體的生理作用不同。近幾年關(guān)于SCFA 的研究中以丁酸居多， 其他幾種SCFA 的研究比較缺乏。乙酸、丙酸等混合有一定的增益效果，多種SCFA 混合配伍對(duì)畜牧業(yè)動(dòng)物的影響將會(huì)是一個(gè)研究熱點(diǎn)。

非洲豬瘟席卷我國造成養(yǎng)豬業(yè)以及飼料行業(yè)的變革，功能性添加劑必將賦予新的防非使命，飲水酸化可能是一個(gè)長期過程。中短鏈脂肪酸既可以增加豬群的健康程度、抵抗炎癥，在飼料或飲水中添加能降低pH，抑制病毒，是當(dāng)前一個(gè)比較理想的添加劑。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和食品健康的日益關(guān)注，綠色健康利于動(dòng)物腸道健康產(chǎn)品的研發(fā)成為了當(dāng)今畜牧生產(chǎn)中亟待解決的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。隨著飼料禁抗的呼聲越來越高，能替代抗生素的中短鏈脂肪酸也必將進(jìn)一步引起人們的興趣。