短鏈脂肪酸、色氨酸代謝物及兩性離子多糖A調(diào)控動(dòng)物炎性腸病通路的研究進(jìn)展

倪 萍，張海波，廖曉鵬，關(guān)瑋琨，黎力之*，郭冬生*

（1.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西省高等學(xué)校硒農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，宜春市功能農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西宜春 336000；2.宜春學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，江西宜春 336000）

動(dòng)物炎性腸?。↖nf lammatory Bowel Disease，IBD）是一類(lèi)影響腸道的慢性炎癥疾病，目前多認(rèn)為其是環(huán)境變化、遺傳易感性及腸道菌群紊亂等因素相互作用的結(jié)果[1]。腸道菌群失調(diào)，致病菌增多，其釋放的腸毒素導(dǎo)致腸上皮通透性增加，破壞腸道屏障完整性，擾亂抗炎/促炎細(xì)胞因子的平衡，釋放大量炎癥介質(zhì)，引起腸黏膜免疫系統(tǒng)過(guò)度反應(yīng)，誘發(fā)IBD，其損傷動(dòng)物腸道黏膜，導(dǎo)致動(dòng)物死亡，給動(dòng)物生產(chǎn)造成了巨大損失[2]。據(jù)報(bào)道，華東地區(qū)的規(guī)?；i場(chǎng)普遍感染亞臨床型回腸炎[3]；雞壞死性腸炎一般發(fā)生在2～4 周齡肉仔雞中，病死率約為2%～10%[4]；鴨腸炎是目前危害水禽健康的重要病原之一，病死率極高[5]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸（Short-chain Fatty Acids，SCFAs）、色氨酸代謝物（Tryptophan Catabolites，TC）及兩性離子多糖A（Polysaccharide A，PSA）對(duì)白細(xì)胞介素-10（Interleukin-10，IL-10）、IL-22 等細(xì)胞因子分泌有上調(diào)作用，從而緩解IBD[6-8]。例如，SCFAs 激活G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs），促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子分泌IL-10，對(duì)炎癥發(fā)揮調(diào)控作用[6]；TC 活化芳香烴受體（AhR），增加IL-22 生成，維持腸黏膜穩(wěn)態(tài)平衡[7]；PSA 通過(guò)增強(qiáng)Toll 樣受體2（TLR2）表達(dá)，促進(jìn)調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（Treg）產(chǎn)生IL-10，減輕腸道炎癥[8]。腸道菌群代謝物種類(lèi)繁多，其中，SCFAs、TC 和PSA 對(duì)IBD 的調(diào)控作用顯著，且目前還較缺乏此方面的系統(tǒng)綜述。本文以SCFAs、TC和PSA 為例，探討腸道菌群代謝物調(diào)控IBD 的作用途徑，為防治動(dòng)物IBD、促進(jìn)動(dòng)物生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 腸道菌群代謝物

1.1 腸道菌群代謝物組成 腸道菌群代謝物種類(lèi)多、分布廣，哺乳動(dòng)物血液中來(lái)自腸道菌群的代謝物含量達(dá)10%，包括SCFAs、TC、PSA、維生素K 和次級(jí)膽汁酸等[9]。大部分菌群代謝物由菌群輔助宿主分解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生。腸道內(nèi)擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)等厭氧微生物發(fā)酵飼糧纖維生成SCFAs，如乙酸、丙酸和丁酸，三者濃度比約為3:1:1，總和達(dá)到SCFAs 的95% 以上[10]。SCFAs 濃度主要受腸道共生菌比例影響，微生態(tài)失調(diào)導(dǎo)致體內(nèi)不同SCFAs 間比例改變[11]。其次，飼糧纖維含量及其在腸道內(nèi)的滯留時(shí)間對(duì)SCFAs 濃度也具有一定影響[11]。腸道菌群還參與色氨酸的代謝，將其分解為吲哚及吲哚酸衍生物（如吲哚-3-乙醛、吲哚-3-乙酸及吲哚乳酸）[12-13]。吲哚作為色氨酸代謝過(guò)程的最主要產(chǎn)物，由表達(dá)色氨酸酶的共生菌（如副大腸桿菌及擬桿菌）代謝色氨酸產(chǎn)生。研究表明，色氨酸在腸道梭狀芽胞桿菌和羅伊式乳桿菌作用下分解成色胺和吲哚丙酮酸后，轉(zhuǎn)化為吲哚-3-乙酸和吲哚乳酸[13]。此外，腸道菌群也可自身合成代謝物，例如，脆弱擬桿菌可產(chǎn)生8 種莢膜多糖，PSA 作為其中之一，具有特殊取代基，由帶高電荷重復(fù)單元結(jié)構(gòu)組成[14]。其誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)正是取決于重復(fù)單元結(jié)構(gòu)中存在的正電荷和負(fù)電荷基團(tuán)[14]。

1.2 腸道菌群代謝物的功能 腸道菌群代謝物不僅能參與體內(nèi)能量代謝，調(diào)控宿主對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，還在維護(hù)機(jī)體免疫上具有重要作用[6,15]。在眾多菌群代謝物中，SCFAs、TC 和PSA 在保護(hù)動(dòng)物腸道健康方面效果顯著。SCFAs 可增強(qiáng)腸黏膜細(xì)胞生長(zhǎng)力，維持腸黏膜形態(tài)。刁慧[16]研究表明，在豬回腸末端灌注不同濃度的SCFAs，腸道pH 下降，有效抑制了腸上皮細(xì)胞凋亡，有利于改善腸黏膜屏障，其中以乙酸61.84 mmol/L、丙酸18.62 mmol/L 和丁酸12.55 mmol/L 混合灌注效果最佳。TC 可激活機(jī)體內(nèi)AhR 信號(hào)通路，發(fā)揮抗炎作用。研究發(fā)現(xiàn)，吲哚-3-乙醛促進(jìn)小鼠腸道AhR 表達(dá)并活化AhR 信號(hào)，減輕因白色念珠菌所致的炎癥反應(yīng)[17]。脆弱擬桿菌產(chǎn)生的PSA 抑制病原菌定植、改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，從而提高機(jī)體免疫能力。盡管脆弱擬桿菌僅占結(jié)腸內(nèi)菌群總數(shù)不足1%，但其產(chǎn)生的PSA 在調(diào)節(jié)宿主免疫功能上起到關(guān)鍵作用[18]。研究顯示，脆弱擬桿菌通過(guò)合成釋放PSA，激活TLR 途徑，有助于免疫系統(tǒng)對(duì)非致病菌與致病菌的正確識(shí)別，維護(hù)宿主腸道健康[18]。因此，SCFAs、TC 和PSA 能直接或間接參與腸道免疫反應(yīng)，維護(hù)動(dòng)物體健康。腸道菌群失衡會(huì)造成它們向不利于動(dòng)物體健康的方向發(fā)展，削弱它們對(duì)腸道免疫功能的積極影響。

2 常見(jiàn)腸道菌群代謝物對(duì)IBD 的影響

2.1 SCFAs 對(duì)IBD 的影響 腸道菌群代謝物中SCFAs的研究較多，其通過(guò)介導(dǎo)腸黏膜免疫應(yīng)答增強(qiáng)腸上皮屏障功能，維持腸道穩(wěn)定[19-20]。IBD 動(dòng)物模型出現(xiàn)菌群失調(diào)現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致SCFAs 顯著減少[21]。研究發(fā)現(xiàn)，腸炎山羊經(jīng)丁酸灌腸或口服丙酸等方法處理后，腸道炎癥得到改善[22]?？梢?jiàn)，SCFAs 的濃度與IBD 的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。如圖1 所示，SCFAs 主要通過(guò)激活GPCRs 或抑制組蛋白去乙?；福℉istone Deacetylase，HDAC）活性發(fā)揮抗炎作用。

圖1 SCFAs 調(diào)控腸道炎癥的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)

SCFAs 與GPR41、GPR43 以 及GPR109 結(jié)合后激活GPCRs，促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子產(chǎn)生，是調(diào)控機(jī)體腸道炎癥的主要途徑。通過(guò)對(duì)結(jié)腸炎小鼠模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SCFAs 結(jié)合腸上皮細(xì)胞上的GPR41、GPR43 和GPR109，促使鉀離子外排和超極化，激活炎性小體NOD 樣受體家族蛋白3，促進(jìn)腸上皮修復(fù)細(xì)胞因子IL-18 釋放，減輕腸道炎癥[23-25]。而當(dāng)缺乏上述相關(guān)受體時(shí)，促炎細(xì)胞因子基因表達(dá)增強(qiáng)，加劇炎癥反應(yīng)。此外，不同SCFAs 激活GPCRs 后對(duì)IBD 的調(diào)控方式不同：乙酸鹽和丙酸鹽激活GPR43 上調(diào)叉頭狀螺旋轉(zhuǎn)錄因子（Forkhead Box P3，F(xiàn)oxp3），誘導(dǎo)T 細(xì)胞分化為T(mén)reg，促進(jìn)IL-10 釋放，抑制炎癥反應(yīng)[26-27]；而丁酸鹽通過(guò)GPCRs 激活途徑活化結(jié)腸內(nèi)免疫細(xì)胞（如巨噬細(xì)胞），抑制IL-6、IL-17 表達(dá)及輔助性T 細(xì)胞17（T Helper Cells 17，Th17）擴(kuò)增，緩解腸道炎癥[28]。

HDAC 是催化組蛋白去乙?；磻?yīng)的一類(lèi)蛋白酶，SCFAs 利用HDAC 抑制作用，經(jīng)3 條途徑使抗炎/ 促炎細(xì)胞因子處于健康水平，從而降低炎癥反應(yīng)發(fā)生幾率。其一，SCFAs 與HDAC 抑制劑結(jié)合后，誘導(dǎo)HDAC 抑制作用，刺激中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞，致使核轉(zhuǎn)錄因子κB（Nuclear Transcription Factor-κB，NF-κB）活性降低甚至失活，阻礙IL-2 和IL-6 等促炎細(xì)胞因子基因表達(dá)，起到抗炎作用[29]。Wen 等[30]在仔豬飼料中添加丁酸鈉，發(fā)現(xiàn)血清中IL-6 和腫瘤壞死因子-α（Tumor Necrosis Factor-α，TNF-α）含量降低，腸道NF-κB 的核內(nèi)功能下降，并有效阻礙了有害菌的生長(zhǎng)。其二，SCFAs 抑制HDAC 活性后，通過(guò)抑制Foxp3基因中增強(qiáng)子組蛋白H3 乙?；?，上調(diào)Foxp3基因表達(dá)，促進(jìn)Treg 細(xì)胞分化，達(dá)到抗炎目的[31]。其中，丙酸和丁酸可通過(guò)抑制HDAC 增加Treg 細(xì)胞生成，而乙酸由于較缺乏HDAC 抑制活性無(wú)法發(fā)揮該作用[32]。但有研究表明乙酸可促進(jìn)正常成年小鼠結(jié)腸上皮細(xì)胞中AhR 表達(dá)及整體組蛋白乙?；鰪?qiáng)Foxp3基因表達(dá)，緩解動(dòng)物結(jié)腸炎[33]。其三，SCFAs 發(fā)揮的HDAC 抑制作用調(diào)控雷帕霉素靶蛋白通路減少Th17 細(xì)胞生成，促進(jìn)分泌抗炎因子IL-10 的Treg 細(xì)胞分化，介導(dǎo)Th17/Treg 平衡，調(diào)節(jié)機(jī)體炎癥反應(yīng)[34]。研究發(fā)現(xiàn)，母畜攝入含SCFAs的飼料，可將其對(duì)HDAC 的抑制能力遺傳給后代，提示SCFAs 在維護(hù)動(dòng)物健康，防治腸道疾病方面擁有表觀(guān)遺傳潛力[35]。由此推測(cè)，在畜禽養(yǎng)殖中可通過(guò)增加母體內(nèi)SCFAs 含量提高其后代免疫能力，降低養(yǎng)殖成本?？傊琒CFAs/GPCRs 途徑以及SCFAs 介導(dǎo)HDAC抑制作用，揭示了SCFAs 在維護(hù)腸道免疫能力，防治動(dòng)物IBD 方面擁有巨大的潛力。

2.2 TC 對(duì)IBD 的影響 研究表明，飼糧中缺乏色氨酸會(huì)降低動(dòng)物免疫力，導(dǎo)致動(dòng)物疾病發(fā)生率及死亡率升高[36]。仔豬免疫系統(tǒng)尚未發(fā)育完全，抗病能力弱，易遭受致病菌侵襲。Zhang 等[37]研究發(fā)現(xiàn)，采用富含色氨酸的飼糧飼喂仔豬能有效降低腸道炎癥反應(yīng)的發(fā)生。此外，通過(guò)給斷奶仔豬口服大腸桿菌后，飼喂含充足色氨酸的飼糧，結(jié)果顯示，試驗(yàn)組仔豬日增重顯著升高，血液中免疫球蛋白A 含量上升[36]。這些研究結(jié)果均表明色氨酸含量增加可降低動(dòng)物患病風(fēng)險(xiǎn)，改善動(dòng)物免疫功能。然而，飼糧中色氨酸對(duì)動(dòng)物腸道免疫的影響并不是由其自身作用產(chǎn)生，而與其代謝物密切相關(guān)。體內(nèi)色氨酸有多種代謝途徑，腸道菌群途徑作為其中之一，雖所占比例僅4%～6%，但此途徑下生成的TC 在動(dòng)物腸道免疫調(diào)節(jié)方面發(fā)揮的關(guān)鍵作用不容忽視[38]。

色氨酸沿腸道菌群途徑代謝產(chǎn)生的AhR 信號(hào)對(duì)腸道穩(wěn)定至關(guān)重要，被認(rèn)為是腸道免疫反應(yīng)的受體，有助于維護(hù)腸黏膜屏障功能。AhR 是介導(dǎo)機(jī)體免疫調(diào)節(jié)的主要因子，在其眾多配體中，約有50% 與色氨酸或TC（如吲哚-3-丙酸和吲哚乳酸）相關(guān)[39]。腸道菌群產(chǎn)生的TC 可通過(guò)激活A(yù)hR，調(diào)控腸道先天淋巴細(xì)胞（Innate Lymphoid Cells，ILCs），維護(hù)腸黏膜穩(wěn)態(tài)。Kobayashi 等[40]研究發(fā)現(xiàn)，飼喂色氨酸可增加野生小鼠AhR mRNA 表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)ILCs 增殖，引起IL-22含量升高。ILCs 作為機(jī)體重要固有免疫細(xì)胞，具有御防外來(lái)病原體入侵、修復(fù)組織損傷及免疫調(diào)節(jié)等功能。IL-22 能誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞分泌抗菌肽及黏蛋白，在對(duì)抗腸道病原菌方面有著重要作用。AhR 被TC 活化后，通過(guò)上調(diào)kit 和Notch 信號(hào)通路促進(jìn)ILCs 增殖分化，IL-22 生成增加，參與IBD 的發(fā)展過(guò)程[41]。除此之外，吲哚作為體內(nèi)微生物信號(hào)分子之一，具有顯著抗炎作用，在維護(hù)動(dòng)物腸道健康方面起著重要作用。研究表明，TC 吲哚及吲哚衍生物可促進(jìn)黏附蛋白及腸上皮細(xì)胞緊密連接蛋白相關(guān)基因表達(dá)，從而提高腸道免疫能力，同時(shí)增加IL-10 表達(dá)量，抑制腸道炎癥反應(yīng)[38]。綜上所述，色氨酸經(jīng)腸道菌群分解生成的產(chǎn)物不僅可與AhR 結(jié)合，參與維護(hù)腸道穩(wěn)態(tài)及動(dòng)物體免疫調(diào)節(jié)，還可增強(qiáng)腸上皮細(xì)胞緊密連接，促進(jìn)抗炎因子分泌，發(fā)揮積極抗炎作用（圖2）。然而，當(dāng)體內(nèi)色氨酸與支鏈氨基酸的比例失衡時(shí)，對(duì)動(dòng)物采食量及免疫力產(chǎn)生負(fù)面影響[36]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中利用色氨酸增強(qiáng)動(dòng)物免疫力，提高動(dòng)物生產(chǎn)性能的同時(shí)也應(yīng)注意調(diào)控飼料中支鏈氨基酸含量。

圖2 TC 調(diào)控腸道炎癥的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)

2.3 PSA 對(duì)IBD 的影響 腸道菌群除作用于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生SCFAs 及TC 外，還能自身合成代謝物PSA。研究表明，對(duì)由三硝基苯磺酸鈉（Trinitrobenzene Sulfonic Acid，TNBS）誘導(dǎo)的腸炎動(dòng)物模型采用PSA 治療性給藥后，發(fā)現(xiàn)IL-23、IL-17 和TNF-α等促炎細(xì)胞因子含量顯著降低[42]。這類(lèi)細(xì)胞因子主要由Th17 細(xì)胞產(chǎn)生，RORγt 是指導(dǎo)Th17 分化的轉(zhuǎn)錄因子，動(dòng)物體經(jīng)PSA 處理后其表達(dá)受到抑制，從而降低由Th17 產(chǎn)生的促炎細(xì)胞因子水平，達(dá)到抗炎效果。此外，有學(xué)者在研究肝螺桿菌誘導(dǎo)感染的結(jié)腸炎動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，脆弱擬桿菌可作為免疫激活劑刺激Treg 細(xì)胞活化，隨后，Treg 細(xì)胞通過(guò)促進(jìn)IL-10 分泌而有效抑制促炎細(xì)胞因子IL-17 產(chǎn)生，從而緩解IBD[18]。進(jìn)一步研究表明，即使在PSA存在情況下，缺乏IL-10 的小鼠在TNBS 誘導(dǎo)下也會(huì)出現(xiàn)腸炎癥狀[42]。由此可知，IL-10 是PSA 抑制腸炎反應(yīng)的關(guān)鍵，而隨著研究的深入，PSA 調(diào)控IL-10 緩解腸道炎癥的通路也逐漸清晰。據(jù)報(bào)道，樹(shù)突狀細(xì)胞（Dendritic Cells，DCs）參與PSA 對(duì)腸道炎癥的調(diào)節(jié)[43]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，DCs 中介導(dǎo)PSA 炎癥調(diào)控過(guò)程的是pDC，但腸道pDC 如何識(shí)別由脆弱擬桿菌產(chǎn)生的PSA還需進(jìn)一步研究探討[43]。PSA 通過(guò)刺激pDC 細(xì)胞表面TLR2 活化pDC 細(xì)胞，以pDC 細(xì)胞表面主要組織相容性復(fù)合體II 類(lèi)、CD86 和可誘導(dǎo)共刺激分子配體為媒介促進(jìn)Treg 細(xì)胞分泌IL-10，從而抑制腸道炎癥[44]。同時(shí)，PSA 還可直接刺激CD+4T 細(xì)胞表面TLR2，上調(diào)CD25及Foxp3基因表達(dá)，促使其向Treg 細(xì)胞分化，從而增加IL-10 分泌量抑制腸炎[45]。綜上，PSA 通過(guò)促進(jìn)免疫系統(tǒng)中較為有效的抗炎細(xì)胞因子IL-10 分泌，抑制與Th17 系譜相關(guān)的多種促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)IBD的調(diào)控。然而，動(dòng)物體內(nèi)脆弱擬桿菌不表達(dá)PSA。因此，深入研究PSA 調(diào)控動(dòng)物IBD 更為具體的分子機(jī)制，有望為防治動(dòng)物IBD 提供新策略。

3 SCFAs、TC 和PSA 在IBD 中的應(yīng)用潛力

SCFAs 維護(hù)腸上皮屏障功能，參與腸道免疫調(diào)節(jié)，抑制炎癥發(fā)生。在飼糧中添加丁酸鈉，肉雞小腸絨毛高度和黏膜厚度顯著增加，有效防止IL-6、IL-8 和TNF-β等炎癥因子進(jìn)入機(jī)體誘發(fā)IBD[46]。給奶牛日糧添加中短鏈和長(zhǎng)鏈脂肪酸混合物后，細(xì)胞因子IL-10 含量顯著上升，提高奶?？寡啄芰47]。仔豬日糧中添加0.2%的丁酸可減輕大腸桿菌誘發(fā)的腸道炎癥，同時(shí)抑制HDAC，增加宿主防御肽含量，有利于動(dòng)物正常生長(zhǎng)發(fā)育[48]。此外，仔豬處于炎癥狀態(tài)時(shí)，對(duì)色氨酸的需求量增加，主要通過(guò)TC 發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[36]。在仔豬日糧中添加色氨酸，結(jié)腸炎仔豬腸道通透性顯著下降[49]。可知，飼料中添加色氨酸調(diào)控體內(nèi)TC 含量可達(dá)到緩解仔豬結(jié)腸炎的目的。通過(guò)給予結(jié)腸炎小鼠PSA 治療，發(fā)現(xiàn)PSA 對(duì)腸黏膜有保護(hù)作用，說(shuō)明PSA 具有緩解IBD的能力[50]。而目前由于外源性PSA 調(diào)控IBD 的研究對(duì)象主要為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，在畜禽生產(chǎn)中，安全性和有效性還有待進(jìn)一步探究。綜上，合理利用SCFAs、TC 和PSA可提高動(dòng)物腸道免疫力，減輕腸道炎癥反應(yīng)。

4 總結(jié)與展望

IBD 對(duì)動(dòng)物危害極大，且在動(dòng)物生產(chǎn)上尚缺乏有效防治方法。近年來(lái)，大量研究表明，腸道菌群代謝物與IBD 密切相關(guān)。SCFAs、TC 及PSA 多以對(duì)免疫細(xì)胞（如Treg 細(xì)胞、Th17 細(xì)胞）及其分泌的相關(guān)細(xì)胞因子（如IL-10 及IL-17）調(diào)控為主，從而緩解IBD。通過(guò)SCFAs、TC 及PSA 對(duì)IBD 調(diào)節(jié)方式的充分探究，為揭示IBD 發(fā)生發(fā)展的未知領(lǐng)域提供一定的理論支持。未來(lái)利用分子生物學(xué)技術(shù)、云數(shù)據(jù)分析和多元線(xiàn)性相關(guān)法等，深入研究腸道菌群代謝物調(diào)控IBD 更為具體的作用機(jī)制，將為今后尋找動(dòng)物IBD 防治方法提供新方向。