乳酸菌胞外多糖對(duì)動(dòng)物腸道屏障功能的調(diào)控作用及機(jī)制

王 琪 肖 融 王 敬 齊仁立

(重慶市畜牧科學(xué)院，重慶 402460)

動(dòng)物腸道是機(jī)體重要的消化吸收?qǐng)鏊彩菣C(jī)體最大的免疫器官。腸道黏膜作為機(jī)體與外環(huán)境進(jìn)行互作的重要場(chǎng)所，能保護(hù)機(jī)體免受外來(lái)病原微生物侵?jǐn)_以及保障機(jī)體免疫能力[1]。乳酸菌是國(guó)際上公認(rèn)的益生菌，具有很高的理論研究和生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值，乳酸菌可通過(guò)提高腸道黏膜免疫、減輕炎癥反應(yīng)，來(lái)改善動(dòng)物腸道健康和促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育[2-4]。胞外多糖(EPS)是乳酸菌在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中分泌到細(xì)胞壁外的一種糖類化合物，研究表明，乳酸菌胞外多糖在調(diào)控腸道屏障功能、維護(hù)腸道健康上具有重要功能[5-7]。本文對(duì)乳酸菌胞外多糖調(diào)控動(dòng)物腸道屏障功能的作用及機(jī)制作一概述，為其在動(dòng)物生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 乳酸菌胞外多糖概述

1.1 乳酸菌胞外多糖的分類

乳酸菌是一類可利用碳水化合物而產(chǎn)生大量乳酸的細(xì)菌，根據(jù)Bersy細(xì)菌學(xué)手冊(cè)中分類法，乳酸菌包括乳桿菌屬、鏈球菌屬、明串珠菌屬、雙歧桿菌屬和片球菌屬5個(gè)屬[8]。乳酸菌胞外多糖是乳酸菌在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中分泌到細(xì)胞壁外，并與菌體分離的一類多糖化合物，主要包括黏液多糖和莢膜多糖2類[9]。從化學(xué)組成上，乳酸菌胞外多糖又分為同型多糖和雜型多糖。同型多糖是由10個(gè)或以上相同的單糖組成的胞外多糖，主要由葡萄糖和果聚糖組成；雜型多糖則是由多種單糖組成的重復(fù)單元，每個(gè)重復(fù)單元包括3～8個(gè)單糖，主要由半乳糖、葡萄糖、鼠李糖和N-乙?；肴樘前返冉M成[10]。胞外多糖的產(chǎn)量和組成主要依賴于乳酸菌的培養(yǎng)和發(fā)酵條件，但由于同型多糖結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，通常情況下同型多糖比雜型多糖的產(chǎn)量更高[11]。

1.2 乳酸菌胞外多糖的主要作用

1.2.1 抗氧化功能

氧化應(yīng)激通過(guò)破壞機(jī)體內(nèi)生物大分子(脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA和RNA)導(dǎo)致組織損傷并引起多種疾病的發(fā)生。乳酸菌胞外多糖有較強(qiáng)的抗氧化能力，發(fā)酵乳桿菌S1所產(chǎn)胞外多糖具有清除機(jī)體內(nèi)1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基和羥自由基的活性[12]，而Xu等[13]研究表明，植物乳桿菌KX041產(chǎn)生的胞外多糖能清除DPPH/2,2’-聯(lián)氨-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)自由基和保護(hù)DNA損傷。研究證實(shí)，胞外多糖的抗氧化活性具有較強(qiáng)的劑量依賴效應(yīng)，即胞外多糖的濃度越高，清除自由基的能力越強(qiáng)；也有研究認(rèn)為，胞外多糖的抗氧化活性與其分子質(zhì)量相關(guān)，分子質(zhì)量越小的胞外多糖抗氧化活性越強(qiáng)[14-15]。

1.2.2 抗腫瘤功能

1982年Shiomi等首次報(bào)道乳酸菌胞外多糖具有抗腫瘤活性。目前，已有20多種乳酸菌(如干酪乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌和雙歧桿菌等)胞外多糖被證實(shí)具有抗腫瘤、抗癌作用[16-21]。乳酸菌胞外多糖能抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞HT-29的增殖，并能誘導(dǎo)G0/G1細(xì)胞周期停滯和引起細(xì)胞凋亡[18]。嗜酸乳桿菌20079所產(chǎn)的胞外多糖能刺激結(jié)腸癌細(xì)胞Caco-2免疫應(yīng)答和抑制核因子-κB(NF-κB)炎癥通路，并通過(guò)促凋亡作用對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性，抑制細(xì)胞生長(zhǎng)[19]。植物乳桿菌NCU116的胞外多糖(EPS116)通過(guò)Toll樣受體2(TLR2)，并依賴于原癌基因(c-Jun)和凋亡相關(guān)因子受體/配體(Fas/Fas L)信號(hào)通路引起結(jié)腸癌細(xì)胞CT26凋亡，從而發(fā)揮抗腫瘤的作用[20]。以上研究結(jié)果表明，乳酸菌胞外多糖主要通過(guò)抑制癌細(xì)胞增殖、促進(jìn)細(xì)胞凋亡或影響胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)來(lái)發(fā)揮抗腫瘤活性，從而預(yù)防癌癥的發(fā)生。

1.2.3 免疫調(diào)節(jié)功能

乳酸菌胞外多糖主要通過(guò)激活免疫細(xì)胞以及誘導(dǎo)細(xì)胞因子的產(chǎn)生來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能。胞外多糖能增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的吞噬作用，促進(jìn)腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)、白細(xì)胞介素-10(IL-10)和白細(xì)胞介素-12(IL-12)的分泌，上調(diào)樹突細(xì)胞中主要組織相容性復(fù)合體Ⅱ(MHCⅡ)和白細(xì)胞分化抗原86(CD86)表達(dá)來(lái)促進(jìn)細(xì)胞成熟，同時(shí)還能促進(jìn)T細(xì)胞的增殖和分化[22-23]。乳酸菌胞外多糖還能增加淋巴細(xì)胞增殖和腸黏膜免疫球蛋白A(IgA)含量，促進(jìn)白細(xì)胞介素-2(IL-2)和TNF-α的分泌來(lái)增強(qiáng)小鼠的免疫功能[24]。研究認(rèn)為，乳酸菌胞外多糖的免疫調(diào)節(jié)作用與其結(jié)構(gòu)或分子質(zhì)量有關(guān)，含硫酸基或磷酸基的胞外多糖能更有效地誘導(dǎo)免疫細(xì)胞的活化與增殖，刺激其分泌細(xì)胞因子等活性物質(zhì)[25-26]，而低分子質(zhì)量的胞外多糖比高分子質(zhì)量胞外多糖更能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生更多的炎性因子[27]。

2 乳酸菌胞外多糖調(diào)控動(dòng)物腸道屏障功能

腸道屏障是由腸機(jī)械(上皮)屏障、化學(xué)屏障、微生物屏障和免疫屏障4個(gè)部分組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。腸上皮細(xì)胞及細(xì)胞間的緊密連接構(gòu)成腸機(jī)械屏障；化學(xué)屏障是指腸上皮細(xì)胞分泌的黏液、消化液及腸腔里的抑菌物質(zhì)；正常微生物菌群與腸黏膜一起抵抗外來(lái)致病菌的定植，同時(shí)維持腸道微生態(tài)平衡，形成了微生物屏障；腸上皮細(xì)胞分泌的抗體及腸相關(guān)淋巴組織組成免疫屏障[28]。完整的腸道屏障對(duì)生物體的腸道功能至關(guān)重要，任何一方面受到損害，都能導(dǎo)致腸道功能紊亂。研究顯示，乳酸菌胞外多糖通過(guò)調(diào)節(jié)腸道黏膜屏障、促進(jìn)乳酸菌的黏附、調(diào)節(jié)菌群平衡以及提高腸黏膜免疫力來(lái)提高動(dòng)腸道屏障功能。因此，本文主要從腸機(jī)械屏障、微生物屏障以及免疫屏障3方面來(lái)闡述乳酸菌胞外多糖是如何在動(dòng)物腸道中發(fā)揮益生作用的。

2.1 乳酸菌胞外多糖調(diào)節(jié)腸機(jī)械屏障功能

腸機(jī)械屏障是畜禽腸腔和內(nèi)環(huán)境之間的第1道防線，主要通過(guò)形成物理屏障、分泌抗菌肽和黏蛋白等化學(xué)屏障來(lái)保護(hù)機(jī)體不受病原微生物及毒害物質(zhì)的侵入，減少炎癥反應(yīng)。腸機(jī)械屏障上的緊密連接復(fù)合體主要包括閉合小環(huán)蛋白-1(ZO-1)、閉鎖蛋白(occludin)和閉合蛋白(claudins)，它們?cè)诰S持腸道屏障的通透性中發(fā)揮重要作用[29]。Zhou等[30]研究發(fā)現(xiàn)，EPS116能減弱葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎癥，EPS116通過(guò)磷酸化和激活信號(hào)傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3)，促進(jìn)STAT3與occludin和ZO-1的啟動(dòng)子結(jié)合，提高緊密連接蛋白的表達(dá)，修復(fù)損傷的腸機(jī)械屏障，從而保護(hù)腸道屏障的完整性。健康受試者服用嗜熱鏈球菌ST10所產(chǎn)的胞外多糖后，用尿中乳糖醇/甘露醇和三氯蔗糖濃度分別評(píng)估小腸和結(jié)腸滲透性，與對(duì)照組相比，發(fā)現(xiàn)小腸和結(jié)腸通透性均出現(xiàn)顯著下降，腸道屏障功能得到改善[31]。還有研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌胞外多糖在腸道內(nèi)可代謝產(chǎn)生短鏈脂肪酸，短鏈脂肪酸(尤其是丁酸)可被腸上皮細(xì)胞吸收利用，并促進(jìn)腸上皮細(xì)胞增殖，從而增加腸機(jī)械屏障的強(qiáng)度[32]。

目前發(fā)現(xiàn)的乳酸菌胞外多糖對(duì)腸機(jī)械屏障的作用機(jī)制主要包括：1)依賴于轉(zhuǎn)錄因子信號(hào)通路，促進(jìn)緊密連接蛋白表達(dá)；2)在腸上皮細(xì)胞表面形成與腸道屏障黏液層相似的親水凝膠層，降低腸道通透性；3)產(chǎn)生腸上皮細(xì)胞的重要能源分子—短鏈脂肪酸，從而發(fā)揮其保護(hù)腸機(jī)械屏障的作用。

2.2 乳酸菌胞外多糖調(diào)節(jié)腸道微生物屏障功能

乳酸菌胞外多糖能調(diào)節(jié)腸道內(nèi)微環(huán)境和腸道微生物菌群，并改變宿主腸道菌群多樣性。布氏乳桿菌TCP016所產(chǎn)胞外多糖(EPS016)能減少小鼠腸道螺桿菌科、毛螺菌科和腸桿菌科的豐度，增加乳桿菌屬、理研菌科、擬桿菌科和普雷沃氏菌科的豐度，EPS016還通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群來(lái)減輕脂多糖/D-半乳糖胺誘導(dǎo)的肝損傷[33]；Zhang等[34]則發(fā)現(xiàn)，飼喂植物乳桿菌YW11所產(chǎn)胞外多糖能改變衰老小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)，腸道Flexispira的豐度顯著降低，布勞特氏菌屬和Butyricicoccus的豐度顯著增加。此外，羅伊氏乳桿菌和陰道乳桿菌所產(chǎn)胞外多糖在體外能抑制大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌生長(zhǎng)[15]，從牛奶發(fā)酵的開菲爾酒中提取出馬乳酒樣乳桿菌，其胞外多糖對(duì)單核細(xì)胞增生李斯特氏菌和腸炎沙門氏菌具有抗生長(zhǎng)作用[35]，證實(shí)乳酸菌胞外多糖在體外也能抑制病原菌的生長(zhǎng)。胞外多糖是乳酸菌的主要黏附素，會(huì)影響乳酸菌在腸道上皮中定植的能力，研究表明，鼠李糖乳桿菌和干酪乳桿菌所產(chǎn)胞外多糖影響它們對(duì)腸上皮細(xì)胞的黏附，對(duì)乳桿菌去糖基化后黏附效率顯著降低[36-37]。胞外多糖對(duì)腸上皮細(xì)胞的黏附作用有助于乳酸菌在腸道定植，抑制病原菌的定植[38]。短雙歧桿菌UCC2003所產(chǎn)的胞外多糖能降低腸道鼠檸檬酸桿菌定植水平，促進(jìn)上皮細(xì)胞釋放抑菌物質(zhì)來(lái)抑制有害菌的生長(zhǎng)[39]。產(chǎn)腸毒素大腸桿菌(ETEC)能導(dǎo)致仔豬嚴(yán)重腹瀉，Chen等[40]研究發(fā)現(xiàn)，羅伊氏乳桿菌胞外多糖能拮抗ETEC對(duì)仔豬腸黏膜的黏附，減少因ETEC感染引起的體液流失。細(xì)胞試驗(yàn)也證實(shí)，羅伊氏乳桿菌胞外多糖預(yù)處理能顯著抑制ETEC對(duì)豬腸上皮細(xì)胞的黏附性[41]。

微生物屏障是腸道微生物群對(duì)抗病原體的重要保護(hù)屏障，乳酸菌胞外多糖主要通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群平衡、促進(jìn)乳酸菌的生長(zhǎng)和抑制病原菌的黏附定植來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道微生物屏障功能，但具體分子機(jī)理目前尚不清楚，需進(jìn)一步研究。

2.3 乳酸菌胞外多糖調(diào)節(jié)腸道免疫屏障功能

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究證實(shí)，乳酸菌胞外多糖通過(guò)在動(dòng)物腸黏膜上發(fā)揮抗炎、抗病毒作用，從而提高腸道免疫屏障功能，在一定程度上提高機(jī)體免疫力(表1)，涉及到的機(jī)制主要包括：1)促進(jìn)腸黏膜IgA的分泌，調(diào)節(jié)腸道保護(hù)性免疫力，維持腸道穩(wěn)態(tài)，并通過(guò)釋放細(xì)胞因子影響全身免疫；2)激活腸道免疫細(xì)胞的活性，促進(jìn)重要生長(zhǎng)因子的生成，保護(hù)腸道免疫屏障功能；3)調(diào)控TLRs及其所參與的信號(hào)通路，或通過(guò)細(xì)胞表面模式識(shí)別受體改變細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄因子，從而發(fā)揮免疫作用。但不同胞外多糖調(diào)節(jié)腸道免疫屏障的具體機(jī)制不相同且并不明確，需進(jìn)一步研究確證。

表1 乳酸菌胞外多糖對(duì)動(dòng)物腸道免疫屏障功能的作用

3 小 結(jié)

乳酸菌是人和動(dòng)物胃腸道內(nèi)重要的益生菌，而乳酸菌重要代謝產(chǎn)物——胞外多糖在其和宿主腸道細(xì)胞互作過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。多個(gè)研究證實(shí)，乳酸菌胞外多糖能通過(guò)多種途徑(腸機(jī)械屏障、微生物屏障及免疫屏障)保護(hù)動(dòng)物腸道屏障功能、維護(hù)腸道健康。由于乳酸菌胞外多糖轉(zhuǎn)化效率低且生產(chǎn)成本高，目前應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)的胞外多糖較少，因此，需要對(duì)胞外多糖功能及其發(fā)揮的機(jī)制進(jìn)一步研究和確定，通過(guò)基因工程手段獲得高產(chǎn)胞外多糖菌株并應(yīng)用到生產(chǎn)中。乳酸菌胞外多糖調(diào)節(jié)腸道屏障功能的研究目前主要集中在小鼠及體外細(xì)胞模型上，對(duì)于其在豬、羊、雞等畜禽上的研究還較少。今后的研究可通過(guò)在畜禽上開展更多體內(nèi)和體外試驗(yàn)，探明其調(diào)控畜禽腸道屏障功能的作用及其機(jī)制，為乳酸菌胞外多糖作為飼料添加劑或動(dòng)物保健藥物應(yīng)用于在畜牧業(yè)中提供依據(jù)。