雙歧桿菌對腸道生理的調(diào)節(jié)作用

◆作者：鐘浪楊飛宋詩瑩張振偉張政中董海龍吳慶俠＊曾江勇馬宏財

◆單位：1.西藏農(nóng)牧學院動物科學學院；2.西藏自治區(qū)農(nóng)科院畜牧獸醫(yī)研究所

雙歧桿菌主要寄生在動物機體的腸道內(nèi)，對宿主發(fā)揮生物屏障、營養(yǎng)、免疫、延緩衰老、抗腫瘤等生理作用（孟祥晨，2002）。近年來，隨著對雙歧桿菌研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌對維持腸道的生理健康發(fā)揮著重要的作用（Ruiz等，2011）。GI作為動物機體內(nèi)最大的吸收、消化、免疫器官(馬博，2019)，對于維持動物機體整體的正常功能有著許多積極作用。目前來看，腸道疾病的發(fā)病原因仍然十分復雜。研究發(fā)現(xiàn)，腸道上皮屏障功能障礙是腸道疾病產(chǎn)生的主要原因（婁文靜，2019）。徹底治療腸道上皮屏障功能障礙，幾乎是不可能的，所以預防腸道上皮屏障功能障礙是重點（孫莉莉，2019；Wheeler等，2016）。雙歧桿菌作為腸道微生物的常見細菌之一，對于維持腸道黏膜作用十分明顯。Joaquin Escribano等學者對190例人類新生兒進行隨機、雙盲的臨床對照實驗發(fā)現(xiàn)，以雙歧桿菌作為配方奶粉喂養(yǎng)的新生兒比正常對照組的新生兒擁有更強的抵抗力?！禢ature》雜志在2016年5月也公布了一項研究結(jié)果，它指出不同月齡的新生兒腸道菌群構(gòu)成不同(Proctor L.M，2016)，其中雙歧桿菌在新生兒腸道菌起到重要的作用。因此，本文就雙歧桿菌對動物胃腸道的不同生理作用進行整理，以期為預防胃腸疾病的研究提供參考。

1 黏附腸粘膜的作用

動物機體擁有三種（物理屏障、化學屏障和生物屏障）屏障來保護機體不受病原微生物入侵(張萌萌，2019)。主要的原理是腸上皮細胞之間的緊密連接結(jié)合微生物及其他有毒物質(zhì)形成一種黏液素的復雜糖蛋白混合物(Arslan M，2002)，而黏液素就是其中的主要成分(徐艷等，2015)。在動物機體胃腸道中存在多種微生物共生菌株，包括乳酸桿菌屬、糞腸球菌屬、大腸桿菌屬、雙歧桿菌屬、梭菌屬等等。這些豐富的微生物之間有共生關系，還有拮抗、競爭關系。菌體黏附能力是雙歧桿菌在腸道中定植的先決條件，其本身就具有很高的黏附性能。在具有人類糞便粘液分離物的體外模型中，雙歧桿菌的粘附率高達30%(Rinkinen等，2003)，帶有粘蛋白和Caco-21和/或HT29-MTX2細胞培養(yǎng)物的聚碳酸酯孔板粘附模型也表明雙歧桿菌可以很好地黏附于板孔的不同組合(Laparra，等2009)。在體外研究中，雙歧桿菌與其他乳桿菌菌株相比，對腸道粘液的粘附性更好。遺傳研究進一步表明其具有增強菌株黏附特性的菌毛(Kankainen等，2009)，也是其發(fā)揮益生功能的基礎(Gem EI等，2005)。這些菌株通過黏附腸粘膜的能力來黏附在腸上皮細胞上，通常將其鞭毛、菌毛、s層蛋白、黏附蛋白等多種結(jié)構(gòu)于腸上皮細胞結(jié)合(陸德源，2005)，進而產(chǎn)生一層黏膜保護層，即腸上皮細胞的第一道防線，從而可以提高上皮屏障功能。

雙歧桿菌黏附腸粘膜的機制如圖1所示，雙歧桿菌黏附腸粘膜的第一步就是其黏附在腸道上皮黏膜表面，主要通過其分泌的黏附蛋白黏附在腸上皮細胞絨毛上(Alp，D等，2019)。此時，具有較高親和力、粘附力/附著力的雙歧桿菌就成為了首選。在雙歧桿菌附著期間，雙歧桿菌會分泌雙歧桿菌黏附素(熊睿，2016)，雙歧桿菌黏附素一方面會提高同類菌屬的附著比例(Iguchi等，2011)；一方面會占據(jù)其它可用的腸上皮細胞的受體蛋白，以抑制其他病原微生物的定植(胡樂，2019)。如果病原微生物進入腸上皮細胞，繼而進入體液免疫內(nèi)，也會又特異性的Th1細胞與其結(jié)合，繼而發(fā)生其他的免疫反應(吳姚平，2017)。

因為雙歧桿菌是革蘭氏陽性菌，所以在雙歧桿菌細胞壁上存在存在脂壁酸（LTA），因脂壁酸可與腸上皮細胞s層蛋白直接作用(Bnisch E等，2018)，從而通過LTA與腸上皮細胞建立黏附作用。此外，在一些研究中發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌產(chǎn)生的胞外聚合物（EPS)也可以助雙歧桿菌黏附于腸道上皮細胞，但EPS具體機制尚不明確(Alp，2019)。

2 改善胃腸道腸粘膜的通透性

在GI中，腸上皮細胞和免疫系統(tǒng)直接的相互作用，以此來維持腸道菌群的生理平衡(Li，C.，Gao，M.2016)。腸上皮細胞由腸上皮緊密連接、貼壁等和橋粒連接組成，其中腸上皮緊密連接在以前被學者認為是一個可以阻止生物大分子進入的屏障(Mokkala等，2017)。但研究發(fā)現(xiàn)，外界大分子物質(zhì)想要穿過腸上皮緊密連接位置，需要與腸上皮緊密連接的特異性抗原相結(jié)合，才能順利進入腸上皮細 胞內(nèi)環(huán)境里(Liu等，2013)而腸上皮緊密連接部位主要是通過多種跨膜蛋白完成的，這些跨膜蛋白主要包括Occludin，Claudins，JAMs，ZO-1，ZO-2，ZO-3…等近五十多種蛋白(Qi等，2017)。腸上皮緊密連接的調(diào)節(jié)對于維持機體屏障內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性十分重要(杜維霞等，2014)。最新研究發(fā)現(xiàn)，Zonulin連蛋白是目前已知的唯一可以影響腸道通透性的蛋白，但目前對Zonulin連蛋白產(chǎn)生的機制尚不明確（Sturgeon，2016）。向玲等（2016）對患有腸道炎癥的小鼠喂食雙歧桿菌發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌確實可以降低小鼠血清中Zonulin連蛋白的含量，維持腸道緊密蛋白的完整性，從而降低腸道通透性，減少炎癥腸道損傷。雙歧桿菌影響Zonulin連蛋白的分泌可，能的機制如圖2所示。

第一，當腸道上皮細胞發(fā)生炎癥反應時，腸上皮細胞上的緊密連接可能會打開，大量細菌會破壞緊密連接復合體，此時腸上皮細胞的通透性增加，細菌通過被破壞的緊密連接進入腸道內(nèi)環(huán)境，甚至血液循環(huán)系統(tǒng)中(Thevaranjan etusha等，2017)。

第二，在破壞緊密連接復合體的同時，Zonulin連蛋白分泌會增多，而雙歧桿菌可通過本身特異性的蛋白結(jié)合一部分Zonulin連蛋白，使Zonulin連蛋白表達降低并改變其分布。從而降低腸上皮細胞的通透性(向玲，2016）。

3 抑制潰瘍性腸結(jié)炎

潰瘍性腸結(jié)炎（UC）的發(fā)病原因有很多，目前可以確定的是UC與特定的腸道功能實質(zhì)性發(fā)生改變有關(Duranti Sabrina等，2016)。還可能與胃腸道的共生菌群介導的保護有關（Kato K等2004)。Sabrina Duranti等人發(fā)現(xiàn)，對服用雙歧桿菌的小鼠，其所有結(jié)腸炎相關的組織學指標均顯著降低，并且粘膜完整性得以維持。從2中知道，雙歧桿菌可以通過影響腸道上皮細胞的通透性來抑制腸道炎癥。這些結(jié)果說明了雙歧桿菌作為UC的微生物防治藥物的客觀性。研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌可以調(diào)節(jié)宿主的代謝和免疫活性(Jean Guy等，2013)。其參與調(diào)節(jié)動物機體的機制方式有四種：第一，外服雙歧桿菌可以通過抑制還原性輔酶的活性，在某種程度上減少氧化組分對UC的損傷(姚君等，2010)；第二，雙歧桿菌會通過其菌毛及黏附蛋白黏附在腸道上皮細胞上，競爭性抑制其他微生物病原的生長定植于腸上皮細胞，繼而減少UC的繼發(fā)性性感染(Doherty GA等，2010)。第三，增強腸上皮屏障能力，維持腸道緊密連接的完整，進而保護腸道不受其它致炎因子刺激(Hamazaki等，2002）；第四，雙歧桿菌定植腸上皮細胞后，會刺激特異性免疫及非特異性免疫系統(tǒng)分泌lgA、多種T細胞及抗炎因子，進而減輕炎癥反應（Pena JA等，2000）。原理如圖3、圖4所示。

圖1 腸道上皮共生菌群作用圖(Atarashi，K.2015)

圖2 腸道上皮細胞與血液循環(huán)系統(tǒng)（圖片來源于百度百科）

當胃腸道發(fā)生炎癥后，腸道被多種促炎性因子（IL-1，IL-6，脂多糖（LPS），TNF-α或病原體）刺激。機體內(nèi)就會多種免疫細胞與之結(jié)合反應，比如成熟的樹突狀細胞（DC）、巨噬細胞、NK細胞或在存在抗炎性刺激TGF-beta和IL-10以減輕炎癥反應。研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌會通過其菌毛及黏附蛋白黏附在腸道上皮細胞上，當雙歧桿菌進入機體特異性免疫環(huán)境時，就會與未成熟的DC結(jié)合并分化為成熟的DC或產(chǎn)生耐受性的DC。成熟的DC在經(jīng)歷一系列刺激功能，根據(jù)產(chǎn)生的細胞因子刺激Th或Treg細胞。成熟的DC與未成熟的CD4+T細胞通過CD4+T細胞的細胞因子相互作用并分化為以下兩種：（1）炎癥性Th1（分泌性 IL-1，IL-6，IL-12，IFNγ，TNF-α）或Th17（分泌性IL-17 A，IL-17 F，IL-21，IL-22）細胞；（2）抗炎性Th2（分泌性IL-4，IL-5，IL-9，IL-10，IL-13，IL-33）或Th9（分泌性IL-9）細胞；（3）調(diào)節(jié)性Treg（分泌性IL-10，TGF-β），Th3（分泌性TGF-β）或Tr1（分泌性IL-10）細胞；（4）分泌IL-22的Th22細胞。此外，Th17細胞可進一步分為IL-17，IFN-γ或IL-17，TGF-β雙 重分泌細胞。雙歧桿菌可以與某些菌株發(fā)生特異性反應，根據(jù)菌株和疾病調(diào)節(jié)Treg細胞和Th2細胞的能力參與DC與T細胞相互作用。

圖3 GALT免疫系統(tǒng)與腸道微生物的相互作用關系(Dargahi，2019)

4 增強腸上皮屏障功能

腸道上皮屏障功能主要指腸道能夠防止腸內(nèi)的有害物質(zhì)如細菌和毒素穿過腸粘膜進入人體內(nèi)其他組織、器官和血液循環(huán)的結(jié)構(gòu)和功能的總和（魏保生，2004），也是細菌和毒素進入動物機體的第一道防線，可防止腸壁穿透不需要的抗原（韓華中，2012）。腸上皮屏障功能的存在直接可以影響腸上皮細胞的通透性和腸道炎癥的恢復和治療。對腸上皮屏障功能影響最大的就是腸道上皮緊密連接部位，這也是目前最主要的研究方向（Akiyama，2016；王 海 珍，2019；Nilusha Malmuthuge，2019）。在動物腸道微生物菌群中，存在著許多可以增強腸上皮屏障功能的益生菌（乳酸菌、腸球菌、雙歧桿菌等等）(Chen-Yu Hsieh，2016）。雙歧桿菌主要依靠三種方式來增強腸上皮屏障功能：

第一，如圖1所示，雙歧桿菌通過其超強的黏附能力對腸上皮細胞進行占位、定植，進而抑制其他微生物病原的定植。大量的雙歧桿菌可以對腸上皮細胞形成一層保護膜。

第二，如圖2所示，雙歧桿菌主要通過對Zonulin連蛋白的調(diào)控來反饋增強腸上皮屏障功能。

第三，雙歧桿菌菌屬的代謝產(chǎn)物（如乙酸鹽）對跨上皮電阻（TER）有增強的作用，TER可促進腫瘤壞死因子（TNF-α）對結(jié)腸腺癌細胞（Caco-2）單層的傷口修復，進一步增強腸上皮功能(Mokkala，2016；XiaqiongMao，2020)。

圖4 雙歧桿菌與DC細胞（史佳鷺，2019）

5 抑制其它微生物病原

動物機體的腸道中存在著多種共生菌群，共生菌群的平衡對動物健康起著十分重要的作用(Inquimbert Camille，2019)。特別是一些參與上皮屏障功能的微生物菌群，其最重要的作用就在于可與其他外源性微生物病原菌競爭、拮抗，以此保證上皮屏障功能的完整性(狄治杉，2019；Kim，2018)。雙歧桿菌是在腸道細菌中占有50%～80%的比例(Jost，2012；Turroni，2012)，其競爭性、排斥性以及它們能置換和抑制病原體的能力在腸道健康中影響十分廣泛。雙歧桿菌抑制微生物病原的機制有很多可能性，如：（1）雙歧桿菌分泌許多抑制其它微生物生長繁殖的物質(zhì)，(Marco，2006)；（2）雙歧桿菌對有限的營養(yǎng)成分進行競爭或者對黏膜上的免疫細胞的刺激使其周圍的pH下降，以此降低其它不耐酸微生物的生長；（3）雙歧桿菌與微生物病原競爭腸粘膜上的黏附點，使其增強對微生物病原菌的抵抗力；（4）高鐵螯合雙歧桿菌還能在體外抑制腸病原菌的生長和對腸上皮細胞的粘附。

6 總結(jié)

不管是雙歧桿菌以何種方式影響動物機體腸道菌群，歸根結(jié)底在于雙歧桿菌對腸道上皮細胞的定植、占位作用；對于微生物病原和雙歧桿菌而言，黏附于上皮細胞是重要的一步，只有它們之間有一類菌株黏附在了腸上皮黏膜上，就會產(chǎn)生許多有利于動物機體健康的作用，同時，表明了益生菌抑制粘附或與病原體競爭以及置換先前粘附的病原體的能力。其次就是在于其對腸上皮緊密連接及Zonulin連蛋白對腸道上皮通透性的影響。腸道上皮細胞的通透性必須使內(nèi)外環(huán)境相平衡，通透性越高就說明其腸道上皮緊密連接蛋白越少，就會引起乳糜瀉、糖尿病、炎癥性腸病等疾病。通透性低影響某些大分子物質(zhì)進入機體內(nèi)環(huán)境。我們對雙歧桿菌的很多機理研究的依然不夠深入，需要我們不斷地探究。