飼糧纖維對(duì)腸道免疫調(diào)控機(jī)制的獨(dú)立效應(yīng)的研究進(jìn)展

■張 春 劉 博 楊連玉車東升*

（1.長春科技學(xué)院，吉林長春 130600；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林省動(dòng)物營養(yǎng)與飼料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，動(dòng)物生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130118）

國際食品法典委員會(huì)將膳食纖維（Dietary Fiber，DF）定義為一組碳水化合物聚合物，其單體單位為十個(gè)或十個(gè)以上（也允許包括單體單位3～9的聚合物）[1]。因文章討論對(duì)象為家畜，所以將膳食纖維稱為飼糧纖維。根據(jù)目前研究報(bào)道，飼糧纖維主要分為非淀粉多糖（NSP）和低聚糖類（纖維素、半纖維素、低聚糖等）、類碳水化合物類（難消化糊精、葡聚糖、抗性淀粉等）[2]以及NSP和木質(zhì)素絡(luò)合物相關(guān)的木質(zhì)素類（蠟、角質(zhì)等）[3]等。雖然，飼糧纖維類型較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是大量研究證實(shí)對(duì)于腸道免疫系統(tǒng)均可通過DF-微生物-黏膜屏障途徑（菌群依賴性）調(diào)節(jié)[4]。這里比較典型的機(jī)制就是在DF能促進(jìn)產(chǎn)短鏈脂肪酸（SCFAs）菌的增殖[5]基礎(chǔ)上，微生物發(fā)酵產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物SCFAs不僅能通過降低腸道pH抑制病原菌[6]，而且其作為組蛋白去乙?；福℉DAC）的抑制劑，直接抑制促炎癥因子的表達(dá)，同時(shí)，也可結(jié)合G蛋白偶聯(lián)受體（GPR41、GPR43及GPR109A等），促進(jìn)Toll樣受體表達(dá)[7]，激活下游免疫反應(yīng)，進(jìn)而引起免疫細(xì)胞（T細(xì)胞、樹突細(xì)胞等）增殖，促進(jìn)IL-18分泌，提高黏膜屏障對(duì)病原菌的抗性[8]。然而，除了DF非獨(dú)立效應(yīng)（菌群依賴性）外，研究報(bào)道，DF可直接與腸道上皮細(xì)胞（IECs）[9]、免疫細(xì)胞[樹突細(xì)胞（DCs）、巨噬細(xì)胞（M?s）、肥大細(xì)胞（MCs）]相互作用[10]，在促進(jìn)腸道穩(wěn)態(tài)和腸道上皮細(xì)胞的屏障功能的基礎(chǔ)上，支持腸道免疫應(yīng)答。因此，文章從DF對(duì)腸道上皮屏障功能的影響、基于腸道上皮細(xì)胞的免疫功能效應(yīng)和調(diào)節(jié)腸道免疫的潛在分子機(jī)制三方面進(jìn)行綜述，闡述DF對(duì)腸道免疫的獨(dú)立效應(yīng)的調(diào)控機(jī)制。

1 DF的腸道上皮屏障功能的獨(dú)立效應(yīng)及機(jī)制

1.1 獨(dú)立效應(yīng)

DF的獨(dú)立效應(yīng)可通過改變腸道上皮屏障的通透性來保護(hù)其功能的完整性。例如人乳寡糖（HMOs）和乳糖-N-新四糖（LNnT）能夠誘導(dǎo)結(jié)腸上皮細(xì)胞模型（Caco-2Bbe）細(xì)胞的跨膜電阻（TEER）增加[11]，低聚半乳糖（GOS）可通過促進(jìn)緊密連接重組，穩(wěn)定緊密連接蛋白（Claudin-3）的分布和表達(dá)來降低脫氧苯丙烯醇類毒素誘導(dǎo)的毒性來維護(hù)腸上皮細(xì)胞屏障功能[12]，GOS還可直接調(diào)控杯狀細(xì)胞的功能（上調(diào)高爾基體磺基轉(zhuǎn)移酶和黏蛋白的基因和蛋白表達(dá)水平）來增強(qiáng)腸上皮細(xì)胞黏膜屏障功能[13]，黃芪多糖能夠抑制脂多糖（LPS）誘導(dǎo)的 Caco-2細(xì)胞的閉鎖蛋白（Occludin）mRNA的下降[14]，β-半乳甘露聚糖可通過恢復(fù)閉鎖蛋白（ZO-1）和Occludin的分布，防護(hù)腸炎鏈球菌的感染[15]等。此外，2’/3’巖藻糖基乳糖（2’/3’FL）和菊粉均可直接促進(jìn)腸上皮細(xì)胞黏膜糖萼發(fā)育，進(jìn)一步促進(jìn)腸上皮細(xì)胞和菌群相互作用，從而改善菌群定植和腸上皮屏障功能[16]。另外，DF的獨(dú)立效應(yīng)還體現(xiàn)在直接影響IECs的增殖、遷移、分化和凋亡來促進(jìn)腸上皮屏障功能，例如HMOs可通過誘導(dǎo)IECs的凋亡和抑制增殖來促進(jìn)G2/M期阻滯[17]，進(jìn)一步促進(jìn)IECs分化[11]改善腸上皮屏障功能。總之，不同類型DF獨(dú)立效應(yīng)體現(xiàn)在調(diào)節(jié)腸道上皮屏障的緊密連接蛋白和杯狀細(xì)胞功能，促進(jìn)IECs的黏膜糖萼的發(fā)育來維護(hù)腸道屏障功能。

1.2 潛在機(jī)制

DF激活單磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）機(jī)制。AMPK對(duì)維護(hù)IECs的屏障功能以及促進(jìn)緊密連接蛋白重組具有重要的調(diào)控作用[18]，研究表明，COS可通過由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的鈣敏感受體（CaSR）-磷酸酶C（PLC）-IP3受體通路介導(dǎo)的鈣釋放激活A(yù)MPK，從而促進(jìn)緊密鏈接蛋白的合成[19]。此外，Toll樣受體2（TLR2）也可作為激活A(yù)MPK的潛在的調(diào)控因子[20]，而菊粉型果聚糖（ITF）和檸檬果膠可通過TLR2/髓樣分化因子（MyD88）/核因子κB（NF-κB）信號(hào)通路激活TLR2[21]，而為促進(jìn)IECs屏障功能發(fā)揮功能。另外，有研究表明TLR2信號(hào)通路參與了終末分化的IECs的增殖和凋亡[22]，可進(jìn)一步促進(jìn)黏蛋白的表達(dá)[23]。

DF與表皮生長因子受體（EGFR）的相互作用機(jī)制。EGFR能夠誘導(dǎo)IECs的增殖和分化，進(jìn)而維護(hù)IECs屏障功能[24]，研究表明中性和酸性的HMOs等寡糖能夠激活EGFR下游的信號(hào)通路，如p38絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2（ERK1/2），與EGFR相互作用，引起IECs的周期性阻滯（EGFR磷酸化）來促進(jìn)IECs分化[17]。

總之，不同的DF可通過激活多種通路（AMPK、TLRs、EGFR）來調(diào)節(jié)杯狀細(xì)胞功能，促進(jìn)IECs分化和黏膜糖萼來維護(hù)腸道上皮屏障功能，此外，DF還可通過IECs和其他類型細(xì)胞調(diào)節(jié)細(xì)胞因子的產(chǎn)生和釋放，從而間接改善腸道屏障功能。

2 基于腸道上皮細(xì)胞免疫功能的DF獨(dú)立效應(yīng)

2.1 由IECs介導(dǎo)的DF免疫效應(yīng)

一些體外試驗(yàn)研究表明，DF可影響不同IECs模型來源的細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生和釋放，例如菊粉、GOS和果聚寡糖（FOS）促進(jìn)了某些IECs模型細(xì)胞的單核細(xì)胞趨化因子（MCP-1）、巨噬細(xì)胞炎性蛋白-2（MIP-2）和白介素-8（IL-8）的分泌[25]，而α3-唾液乳糖和菊苣FOS抑制Caco-2細(xì)胞中IL-2釋放[26]，相反，阿拉伯木聚糖和混合型β-葡聚糖并不影響Caco-2和HT-29細(xì)胞的IL-8的分泌[27]，這與HMOs型培養(yǎng)基中的結(jié)腸上皮細(xì)胞的促炎因子表達(dá)水平未改變的結(jié)果一致[28]。此外，一些 DF（包括 HMOs[28-29]、GOS[12]、阿拉伯木聚糖水解物[30]、阿拉伯木聚糖[31]、甘露寡糖[31]、半乳甘露聚糖[31]等）對(duì)在不同IECs的炎性因子刺激下，對(duì)其細(xì)胞因子、趨化因子的表達(dá)和釋放具有抑制作用。例如，HMOs和半乳糖能抑制TNF-α、沙門氏菌和李斯特菌誘導(dǎo)的IL-8，MIP-3α在T84，NCM-460和H4細(xì)胞的表達(dá)[28]，6’-唾液酸乳糖（6’-SL）能降低T84和HT-29細(xì)胞（抗原-抗體復(fù)合物刺激下）的IL-8和MIP-3α的釋放[32]，而2’LF可直接抑制LPS誘導(dǎo)的T84細(xì)胞的IL-8水平[29]，也有報(bào)道初乳中的HMOs可降低病原體相關(guān)分子（PAMP）誘導(dǎo)的細(xì)胞炎癥因子（IL-8、IL-6、MCP-1/2和IL-1β）的蛋白水平[33]。此外，COS能夠抑制霉菌毒素（脫氧雪腐鐮刀菌烯醇）誘導(dǎo)的Caco-2細(xì)胞的IL-8的分泌，而FOS和菊粉無此效應(yīng)[12]。研究還表明，不同的阿拉伯木聚糖水解物對(duì)結(jié)腸細(xì)胞系模型（Caco-2和HT-29）中的TNF-α和IL-8的釋放具有不同作用[30]，例如含有阿拉伯木聚糖、甘露糖和半乳甘露聚糖的飼糧能夠降低大腸桿菌誘導(dǎo)的豬小腸上皮細(xì)胞系（IPECJ2）的IL-1β、IL-8和TNF-α的mRNA表達(dá)[31]。

2.2 DF的腸道DCs的獨(dú)立效應(yīng)

多項(xiàng)研究表明，DF可直接作用于腸道DCs來促進(jìn)免疫反應(yīng)，例如GOS/FOS混合物能直接刺激人源單核細(xì)胞來源的DCs釋放IL-10[34]，而果膠則通過降低人源單核細(xì)胞合成的脂肽（P3CSK4）誘導(dǎo)的IL-6和IL-10的釋放[35]。此外，研究表明不同類型的DF（菊粉、果膠、阿拉伯木聚糖、GOS和β-葡聚糖等）可提高IL-10/IL-12的比例來促進(jìn)DCs的調(diào)節(jié)能力[36]。還有研究表明，DF對(duì)DCs的免疫調(diào)節(jié)可能與二者相互作用有關(guān)[36]。共培養(yǎng)技術(shù)表明，Caco-2細(xì)胞系在含有一些類型的DF（抗性淀粉、菊粉、果膠、阿拉伯木聚糖、GOS、β-葡聚糖）培養(yǎng)基孵育后，降低了DCs的不同細(xì)胞因子和趨化因子（包括IFN-γ、IL-12、IL-1、IL-6、IL-8、MCP-1、MIP-1α、RANTES和TNF-α）的分泌[37]。

2.3 DF的腸道M?s的獨(dú)立效應(yīng)

DF可直接刺激M?s和單核細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子，研究表明，F(xiàn)OS和菊粉可誘導(dǎo)鼠和人源單核細(xì)胞釋放TNF-α和IL-10[38]，燕麥β-葡聚糖可刺激鼠腸道M?s釋放IL-1[39]，并促進(jìn)M?s的吞噬活性[40]。但也有研究報(bào)道，果膠能夠降低P3CSK4誘導(dǎo)的在鼠源的巨噬細(xì)胞系（PAW 264.7）中IL-6的分泌[35]，此外，阿拉伯木聚糖衍生物可調(diào)節(jié)LPS誘導(dǎo)的NO的產(chǎn)生，進(jìn)一步促進(jìn)免疫反應(yīng)[41]。

2.4 DF的腸道MCs的獨(dú)立效應(yīng)

DF可以抑制MCs激活來抑制促炎因子的分泌，例如當(dāng)歸多糖（AP）不僅可抑制RBL-2H3 MCs細(xì)胞系分泌促炎因子（IL-1、TNF-α、IL-6、IL-4和MCP-1），還可抑制β-己糖胺酶、白細(xì)胞三烯C4和組胺等過敏介質(zhì)的釋放，這些獨(dú)立效應(yīng)可能與AP誘導(dǎo)的Gab/PI3K/Akt和Fyn/Syk通路或者Ca2+內(nèi)流減少有關(guān)[42]。此外，在同一細(xì)胞系中，兩種不同的硫酸酯化多糖可抑制IgE激活 MCs[43]。

2.5 DF的血液單核細(xì)胞（BMCs）的獨(dú)立效應(yīng)

人源臍帶血的BMCs研究表明，DF可促進(jìn)腸道免疫系統(tǒng)的發(fā)育。研究表明，低分子量的褐藻多糖（LMWF）能夠直接作用BMCs中的IL-4和IL-13的產(chǎn)生，而酸性寡糖增加了BMCs的IL-13產(chǎn)生和分泌IFN-γ趨化因子的T細(xì)胞的百分比，且這兩種DF均顯著增加了CD25（T細(xì)胞的調(diào)節(jié)因子）的表達(dá)來影響淋巴細(xì)胞的分化[44]。此外，人源外周血液單核細(xì)胞（PBMCs）中，根據(jù)IL-10/IL-12的比值，短鏈果聚糖能更有效地促進(jìn)調(diào)節(jié)T細(xì)胞因子的平衡[45]。

3 DF調(diào)節(jié)腸道免疫（獨(dú)立效應(yīng)）的潛在分子機(jī)制

3.1 DF與碳水化合物結(jié)構(gòu)域的結(jié)合

DF與碳水化合物結(jié)構(gòu)域結(jié)合可介導(dǎo)對(duì)M?s和DCs免疫調(diào)節(jié)，包括Ca2+依賴性的C型凝集素受體，如甘露糖受體（MR）、C型凝集素（DC-SIGN）、巨噬細(xì)胞半乳糖特異性凝集素（MGL）和胰島蛋白以及非依賴Ca離子C型凝集素受體，包括DC細(xì)胞C型植物凝集-1（dectin-1）、dectin-2和補(bǔ)體受體3（CR3）[46]。而以上受體可以特異性地與甘露糖、β-葡聚糖、巖藻聚糖、葡萄糖、半乳糖、幾丁質(zhì)結(jié)合，激活相關(guān)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，進(jìn)而對(duì)免疫應(yīng)答進(jìn)行調(diào)節(jié)[47-48]。此外，一些DF（HMOs）與選擇素（碳水化合物結(jié)合蛋白）配體結(jié)構(gòu)相似，因而可與相應(yīng)的選擇素結(jié)合，進(jìn)而支持白細(xì)胞黏附在血管壁上，促進(jìn)免疫功能[49]。研究還表明，半乳糖凝集素含有碳水化合物識(shí)別域，可作為DF模式識(shí)別受體（PRRs），例如IECs的半乳糖凝集素-9參與了寡糖的免疫調(diào)控過程，這在IECs和共培養(yǎng)PBMCs模型中得到證實(shí)[50]。

3.2 DF與TLRs結(jié)合

不同類型的DF可作為TLR配體，并伴隨核因子抑制蛋白（IκB）的下游磷酸化來影響細(xì)胞因子的生成，進(jìn)而控制腸道免疫應(yīng)答。例如兩種不同類型抗性淀粉（RS2和RS3）能夠分別與TLR2、TLR5結(jié)合[36]，ITF能夠與位于IECs和PBMCs細(xì)胞的TLR2結(jié)合，同時(shí)還能通過較小程度的與PBMCs細(xì)胞的核苷酸脫脂寡聚化結(jié)構(gòu)域蛋白2（NOD2）及TLR4、TLR5、TLR6、TLR7、TLR8結(jié)合，激活核因子-κB（NF-κB）和激活蛋白-1（AP-1）[45]，進(jìn)而釋放免疫調(diào)控因子。此外，GOS、FOS和菊粉是IECs中TLR4配體，主要通過TLR4/MyD88/NF-κB途徑，其次依賴MAPK途徑調(diào)控免疫應(yīng)答[4]，而在DCs和BMCs細(xì)胞中也可通過TLR4結(jié)合GOS、FOS等類型的DF[38]，He等[51]也報(bào)道了不同的HMOs通過TLR3和TLR4的信號(hào)控制IECs的免疫應(yīng)答。有研究進(jìn)一步證實(shí)，CD14的表達(dá)雖然介導(dǎo)了IECs的LPS-TLR4炎癥反應(yīng)和相應(yīng)的IL-8表達(dá)，但是2’FL可通過抑制CD14的表達(dá)和抑制NF-κB和p-ERK水平，促進(jìn)信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT3）的磷酸化水平以及IκB和細(xì)胞因子信號(hào)傳導(dǎo)抑制因子2(SOCS2)的表達(dá)來調(diào)控炎癥反應(yīng)[29]。

3.3 DF可活化PPARγ

以往研究表明，過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）具有抑制炎癥反應(yīng)和調(diào)節(jié)免疫的作用[52]，部分寡糖（α3-唾液乳糖、FOS等）通過激活PPARγ，進(jìn)一步利用先天免疫模式識(shí)別分子-肽聚糖識(shí)別蛋白3（PGlyRP3）發(fā)揮抗炎作用[26]。此外，研究表明α3-唾液乳糖和FOS還可通過誘導(dǎo)NF-κB基因表達(dá)降低和核異位效應(yīng)，進(jìn)而抑制NF-κB通路介導(dǎo)PGlyRP3在IECs中的發(fā)揮抗炎作用[26，53]，6’SL還可直接抑制轉(zhuǎn)錄因子AP-1和NF-κB活性，激活PPARγ來抑制炎癥反應(yīng)[32]。

總之，不同的飼糧纖維類型、結(jié)構(gòu)和來源可通過不同類型的腸上皮細(xì)胞和單核細(xì)胞上的特定細(xì)胞表面受體結(jié)合作用，改變細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)，進(jìn)而調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞的成熟、屏障功能和黏膜免疫，為飼糧纖維調(diào)節(jié)腸道免疫發(fā)揮獨(dú)立效應(yīng)。

4 小結(jié)與展望

飼糧纖維對(duì)腸道免疫的獨(dú)立效應(yīng)（獨(dú)立于微生物）體現(xiàn)在對(duì)維持上皮屏障功能和腸道免疫應(yīng)答的直接作用。多種飼糧纖維（GOS、FOS等）均可與腸上皮細(xì)胞受體（EGFA、PPARγ和TLRs）以及多種免疫細(xì)胞（DC、M?等）和調(diào)節(jié)分子（AMPK）相互作用，來調(diào)節(jié)腸道屏障功能和免疫穩(wěn)態(tài)。然而，目前關(guān)于飼糧纖維對(duì)腸道免疫的獨(dú)立效應(yīng)多以不同類型的IECs模型的體外試驗(yàn)為主，這可能導(dǎo)致不同研究之間的異質(zhì)性。未來，還需要結(jié)合體內(nèi)和體外試驗(yàn)針對(duì)特異性的飼糧纖維結(jié)構(gòu)和飼糧整體的結(jié)構(gòu)特性對(duì)腸道免疫的獨(dú)立效應(yīng)的系統(tǒng)研究，進(jìn)一步明確飼糧纖維對(duì)動(dòng)物腸道健康的獨(dú)立效應(yīng)機(jī)制，對(duì)于未來動(dòng)物的健康生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。