有機鋅對動物腸道健康的調(diào)控作用研究進展

張錦秀，李書偉，刁 慧，周夢佳，魏小蘭，陳 瑾

（1.四川省畜牧科學(xué)研究院，四川成都 610066；2.動物遺傳育種四川省重點實驗室，四川成都 610066）

鋅是動物的必需微量元素，幾乎在所有組織器官中均有存在。目前已知有超過3 000 余種蛋白質(zhì)上有鋅結(jié)合的位點，鋅與這些蛋白質(zhì)結(jié)合后調(diào)節(jié)其功能，從而影響細(xì)胞代謝和功能。鋅缺乏主要損害消化、免疫、神經(jīng)、內(nèi)分泌和皮膚系統(tǒng)，動物臨床癥狀表現(xiàn)為生長受阻、皮膚角質(zhì)化、骨骼畸形和免疫功能降低[1]。通常在飼料中添加鋅來滿足動物對鋅的需要。長期以來，飼料添加的營養(yǎng)性鋅源以無機硫酸鋅為主。相關(guān)研究表明，飼料有機鋅（蛋氨酸鋅、乳酸鋅和甘氨酸鋅等）能促進豬、雞、魚、兔等動物生長、增強機體健康[2-5]。近年來隨著對飼料鋅水平的限定越來越嚴(yán)，為了滿足飼料減鋅要求，有機鋅源的使用逐漸普遍。腸道是動物機體消化吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要器官，也是體內(nèi)最大的免疫器官，同時還發(fā)揮著重要的屏障功能，腸道健康是動物健康的必要條件。因此，本文主要從腸道黏膜屏障、腸道免疫和腸道生物屏障等方面綜述有機鋅對腸道健康的影響，為飼料有機鋅源的科學(xué)使用提供理論依據(jù)。

1 有機鋅對腸道黏膜屏障的影響

腸道黏膜與進入腸道中的營養(yǎng)物質(zhì)和腸道內(nèi)的微生物直接接觸，是阻止腸道內(nèi)細(xì)菌入侵和毒素吸收的重要屏障，分為物理屏障和化學(xué)屏障[6]。腸道黏膜屏障結(jié)構(gòu)和功能的完整性，對于保障動物腸道健康意義重大。

1.1 有機鋅對腸道上皮形態(tài)的影響 腸道黏膜屏障功能與腸道上皮形態(tài)密切相關(guān)，腸道上皮形態(tài)通常用腸上皮絨毛高度和隱窩深度等指標(biāo)反映。絨毛高度值越大，腸道對營養(yǎng)成分的吸收能力越強。腸道上皮隱窩深度是細(xì)胞成熟率的評價指標(biāo)，隱窩越淺，細(xì)胞成熟率越高，腸道上皮細(xì)胞分泌功能也越強[7]。Ma 等[8]研究結(jié)果表明，肉雞飼喂含90 mg/kg 甘氨酸鋅的飼料，十二指腸絨毛高度顯著提高，且隱窩深度降低。王榮蛟等[9]研究發(fā)現(xiàn)，仔豬飼料中使用乳酸鋅極顯著提高了十二指腸、空腸和回腸絨毛高度，同時極顯著降低隱窩深度，改善了仔豬腸上皮形態(tài)和功能。賈玉川等[2]報道，飼料蛋氨酸鋅能顯著提高斷奶仔豬十二指腸絨毛高度，并降低隱窩深度，但對空腸絨毛高度沒有顯著影響。有機鋅對腸道上皮形態(tài)的改善作用可能與其促進腸上皮細(xì)胞發(fā)育有關(guān)。韓國全等[10]研究發(fā)現(xiàn)，分別用含鋅50、100、150、200 mg/L（以乳酸鋅為鋅源）的培養(yǎng)基培養(yǎng)豬空腸上皮IPEC-J2 細(xì)胞后，細(xì)胞增殖幅度隨鋅濃度升高而增加，細(xì)胞存活率的趨勢相同，即乳酸鋅促進了IPEC-J2細(xì)胞增殖。相關(guān)研究結(jié)果進一步表明，無機硫酸鋅和有機乳酸鋅都能促進IPEC-J2 細(xì)胞中胰高血糖素樣肽-2（GLP-2）的基因表達，高濃度水平時效應(yīng)更顯著；相等鋅濃度下，乳酸鋅上調(diào)IPEC-J2 細(xì)胞GLP-2基因表達效果優(yōu)于無機硫酸鋅[11]。對于動物而言，GLP-2 具有刺激腸黏膜生長和損傷后再生修復(fù)的重要生理作用[12]，上述試驗結(jié)果提示乳酸鋅可以通過促進GLP-2基因表達而影響腸道上皮細(xì)胞的發(fā)育。

1.2 有機鋅對腸黏膜物理屏障的影響 腸道黏膜物理屏障主要指健康完整的腸道上皮細(xì)胞和細(xì)胞間的緊密連接。緊密連接（TJ）是一種由蛋白質(zhì)纖維網(wǎng)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，腸上皮細(xì)胞緊密連接由50 多種蛋白組成，根據(jù)其作用分為結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白，其中結(jié)構(gòu)蛋白主要包 括Occludin、Claudin 和JAM 等，構(gòu) 成TJ 的結(jié)構(gòu)骨架；功能蛋白主要包括ZO-1、ZO-2、ZO-3、Cinguli 和Zonulin 等，連接細(xì)胞骨架及膜蛋白，并傳遞信號[13]。腸黏膜緊密連接是調(diào)節(jié)腸道通透性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在水和其他營養(yǎng)物質(zhì)的吸收過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，可支撐上皮結(jié)構(gòu)完整性，并防止毒素和病原體進入腸黏膜固有層。相關(guān)研究表明，微量元素鋅在維持腸道緊密連接的完整性中具有重要作用，鋅缺乏會導(dǎo)致Caco-2 細(xì)胞的ZO-1、occludin 和β-Tubulin含量大幅度降低[14]。Song 等[4]研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加適宜水平乳酸鋅，可上調(diào)生長中期草魚腸道中（包括前腸、中腸、后腸）occludin、ZO-1、claudin-b、claudin-c、claudin-f、claudin-3、claudin-7a、claudin-7b、claudin-11、claudin-12和claudin-15a等 mRNA 表達。Sanz Fernandez 等[15]研究結(jié)果表明，在熱應(yīng)激下，氨基酸鋅復(fù)合物組回腸跨上皮電阻（TER）較硫酸鋅對照組顯著提高了56%。李昌武[16]研究發(fā)現(xiàn)，肉種雞日糧添加蛋氨酸羥基類似物螯合鋅可改善子代肉雞注射脂多糖（LPS）前后E-鈣黏蛋白在空腸上皮細(xì)胞的分布和蛋白表達，進而提高其腸道屏障功能。但也有不同報道，邵玉新[17]研究發(fā)現(xiàn)，蛋氨酸羥基類似物螯合鋅對沙門氏菌感染的肉雞腸道上皮緊密連接蛋白和腸道通透性與硫酸鋅相比無顯著影響，原因可能與該試驗所用有機鋅的螯合程度有關(guān)。

有機鋅對腸黏膜上皮屏障功能的影響可能與其能下調(diào)肌球蛋白輕鏈激酶（MLCK）表達有關(guān)[4]。MLCK 是腸黏膜上皮屏障功能變化最主要的鈣調(diào)素激酶，MLCK介導(dǎo)磷酸化肌球蛋白輕鏈所引起的細(xì)胞骨架收縮是導(dǎo)致腸黏膜上皮屏障功能受損的必要因素[18]。研究表明，腫瘤壞死因子-α（TNF-α）可誘導(dǎo)MLCK、磷酸化的肌球蛋白輕鏈表達，從而導(dǎo)致細(xì)胞間緊密連接受損，通過細(xì)胞旁途徑進一步引起腸上皮通透性增加[19]。而據(jù)相關(guān)文獻報道，有機鋅可以下調(diào)肉雞[16]、草魚[4]腸道中TNF-α基因表達，因此推測有機鋅可能通過抑制TNF-α誘導(dǎo)的MLCK 表達上調(diào)，從而維持腸上皮細(xì)胞緊密連接的正常。此外，研究發(fā)現(xiàn)無機硫酸鋅能通過激活Caco-2 上皮細(xì)胞的G 蛋白偶聯(lián)受體39 上調(diào)蛋白激酶C 信號分子，促進了ZO-1 和E-cadherin 的表達。同時，還通過磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/雷帕霉素靶蛋白（PI3K/AKT/mTOR）信號通路促進細(xì)胞分化，并上調(diào)緊密連接蛋白ZO-1 表達，從而增強腸道黏膜屏障功能[17]。但有機鋅是否具有通過PI3K/AKT/mTOR 信號通路調(diào)控腸道黏膜屏障功能的作用機制尚有待研究。

1.3 有機鋅對腸道黏膜化學(xué)屏障的影響 腸道黏膜化學(xué)屏障由腸道表面消化液、腸上皮細(xì)胞分泌黏液和腸道微生物產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)等組成，主要包括消化酶、膽汁、黏蛋白、溶菌酶、抗菌肽和防御素等多種化學(xué)組分，這些化學(xué)組分能稀釋毒素，并抑制細(xì)菌的黏附和定植，從而維護腸道黏膜化學(xué)屏障的正常功能和腸道健康[20]。在腸道黏膜化學(xué)屏障組分中，主要由杯狀細(xì)胞分泌的黏蛋白-2（MUC2）是腸黏液的主要成分，覆蓋于腸上皮細(xì)胞頂端，在潤滑腸道、為腸內(nèi)抗菌蛋白及共生菌群提供黏附位點、抵御腸內(nèi)致病菌及有害物質(zhì)入侵等方面發(fā)揮著重要作用[21]。周麗華[22]研究表明，與無機硫酸鋅相比，蛋白螯合鋅可顯著提高生長肥育豬十二指腸和空腸上皮內(nèi)杯狀細(xì)胞數(shù)量。此外，Levkut 等[3]研究結(jié)果表明，肉雞日糧中添加30 mg/kg（以鋅計）甘氨酸鋅和硫酸鋅都能上調(diào)空腸MUC-2基因表達，但甘氨酸鋅組肉雞小腸MUC-2的基因表達有高于硫酸鋅組的趨勢。

2 有機鋅對腸道免疫的調(diào)控作用

腸道是動物機體最大的免疫器官，維持正常的腸道免疫屏障功能對于動物腸道健康至關(guān)重要。動物腸道免疫屏障的主要構(gòu)成包括Peyer 結(jié)和腸系膜淋巴結(jié)等腸黏膜淋巴組織、腸黏膜表面分泌型抗體sIgA 及巨噬細(xì)胞、B 細(xì)胞、T 細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞等免疫細(xì)胞。腸道免疫屏障攝取、處理和遞呈腸道黏膜表面抗原，識別外來微生物、食物及自身異常抗原，及時誘導(dǎo)免疫反應(yīng)，從而起到保護腸道黏膜的作用[23]。馬茂濤等[24]研究表明，牡蠣多糖鋅配合物不同程度地提高了LPS 刺激斷奶仔豬空腸黏膜抗炎性因子IL-2 和IL-10 含量，顯著降低了TNF-α含量。Levkut 等[3]報道，30 mg/kg（以鋅計）的甘氨酸鋅能上調(diào)肉雞小腸IgA基因的表達，增加小腸刷狀緣的sIgA 濃度。Song 等[4]研究表明，飼料中添加適宜水平的乳酸鋅降低了生長中期草魚前、中、后腸中IL-1β、TNF-α、IFN-γ2、IL-17D、IL-15、IL-12 p40、IL-8和IL-6等促炎因子的mRNA 表達，同時還上調(diào)了前腸TGF-β1和TGF-β2以及前、中、后腸IL-11、IL-10和IL-4/13A等抗炎因子的mRNA 表達，表明乳酸鋅能抑制魚類腸道炎癥反應(yīng)。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，49.84 mg/kg 乳酸鋅組（以鋅計）與56.9 mg/kg 硫酸鋅組（以鋅計）相比，顯著下調(diào)了前腸IL-1β、IFN-γ2、IL-17D和IL-12 p40、中腸IFN-γ2、IL-17D及后腸TNF-α、IL-8、IL-17D、IL-12 p40、IL-15等促炎因子的mRNA表達，同時，顯著上調(diào)了前腸和中腸IL-10及后腸IL-4/13A、IL-10和IL-11等抗炎因子mRNA 表達，表明乳酸鋅抑制魚類腸道炎癥反應(yīng)的效果優(yōu)于硫酸鋅[4]。Zhao 等[25]研究表明，金針菇鋅多糖對LPS 誘導(dǎo)的小鼠RAW264.7 巨噬細(xì)胞促炎癥因子TNF-α、IFN-γ、IL-6和NO 的表達有強烈的抑制作用，提示有機鋅可抑制促炎癥因子的表達。但也有不同效果的報道，周麗華[22]研究發(fā)現(xiàn)蛋白螯合鋅對生長肥育豬十二指腸和空腸黏膜的IL-2、IL-6 和sIgA 含量無顯著影響。

IKK/NF-κB 信號通路是最為重要的炎癥反應(yīng)通路之一，研究發(fā)現(xiàn)鋅可通過IKK/NF-κB 信號通路調(diào)控腸道黏膜免疫[26]。生理條件下，核轉(zhuǎn)錄因子κB（NF-κB）與其抑制蛋白（IκB）結(jié)合以無活性的形式存在于細(xì)胞質(zhì)中。當(dāng)機體受到外界刺激時，IκB 在蛋白激酶和蛋白磷酸化酶作用下發(fā)生磷酸化和泛素化，結(jié)合物解離，IκB 進入細(xì)胞核內(nèi)，與靶基因中NF-κB 結(jié)合，啟動靶基因轉(zhuǎn)錄，從而增加下游炎性因子的表達[27]。鋅指蛋白A20 是NF-κB 的負(fù)調(diào)控因子，對NF-κB 信號通路具有抑制作用。鋅指蛋白A20 通過C-末端 E3 泛素連接酶的鋅指域和 N-末端的脫泛素因子干擾NF-κB 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中NF-κB 必需調(diào)制蛋白（NEMO）、腫瘤壞死因子相關(guān)因子6（TRAF6）和受體相互作用蛋白1（RIP1）等因子的泛素化修飾，導(dǎo)致下游抑制性κB 蛋白激酶（IKK）激活和IκB 磷酸化，p65/p50 移位至細(xì)胞核內(nèi)，促使炎癥反應(yīng)發(fā)生[26]。高金鑫等[28]通過雞腸上皮細(xì)胞感染鋅指蛋白A20 基因 siRNA 病毒和A20 基因腺病毒的試驗研究，證實了鋅可通過鋅指蛋白A20-NF-κB 信號通路緩解LPS 誘導(dǎo)的腸道炎癥反應(yīng)。李昌武[16]研究發(fā)現(xiàn)，鋅可通過提高鋅指蛋白A20 和過氧化物酶體增殖物激活受體α（PPARs）的水平，抑制NF-κB 介導(dǎo)的IL-1β和TNF-α等炎癥細(xì)胞因子產(chǎn)生；A20 基因沉默后，鋅降低了炎癥細(xì)胞因子的基因表達，由此推測鋅對腸道免疫的調(diào)控可能還存在其他信號通路。研究發(fā)現(xiàn)，生長中期草魚飼料中添加適量乳酸鋅，前、中后腸核糖體 S6 蛋白激酶 1（S6K1）和雷帕霉素靶蛋白（TOR）mRNA 水平以及p-TOR 和TOR 蛋白水平均上調(diào)，同時eIF4E結(jié)合蛋白1（4E-BP1）和eIF4E結(jié)合蛋白2（4E-BP2）的 mRNA 水平下調(diào)；與56.9 mg/kg硫酸鋅組（以鋅計）相比，49.84 mg/kg 乳酸鋅組（以鋅計）后腸S6K1mRNA 水平顯著上調(diào)，前腸、中腸、后腸4E-BP1和4E-BP2mRNA 水平顯著下調(diào)[4]。據(jù)相關(guān)報道，信號分子TOR 能通過激活S6K1 和抑制4E-BP 而促進抗炎因子的產(chǎn)生[29-30]。因此推測，乳酸鋅對魚類腸道抗炎細(xì)胞因子基因表達的上調(diào)作用也可能與TOR/（S6K1、4E-BP1 和4E-BP2）信號通路有關(guān)。

3 有機鋅對腸道生物屏障的影響

動物腸道黏膜上共生的大量正常微生物菌群構(gòu)成了腸道生物屏障。腸道生物屏障與腸道黏膜免疫功能密切相關(guān)，而腸道微生態(tài)平衡對于腸道生物屏障正常功能的發(fā)揮至關(guān)重要[31]。鋅離子具有抑菌功能，可能的作用機制：①通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)破壞細(xì)菌繁殖能力和殺菌；②鋅離子帶正電荷，可通過庫倫力牢固吸附在細(xì)菌細(xì)胞膜表面，并進一步穿透進入細(xì)胞內(nèi)，引起細(xì)胞質(zhì)外流，導(dǎo)致細(xì)菌死亡[32]。龔毅等[33]采用瓊脂擴散法和微量肉湯稀釋法檢測4 種有機鋅氨基酸螯合物對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果，發(fā)現(xiàn)鋅氨基酸螯合物具有抑菌作用，而且4 種有機鋅氨基酸螯合物對上述3 種細(xì)菌的最小抑菌濃度和最小殺菌濃度均與無機硫酸鋅接近。謝正軍等[34]研究發(fā)現(xiàn)，斷奶仔豬日糧中添加100 mg/kg（以鋅計）的殼聚糖鋅，盲腸和結(jié)腸內(nèi)容物中乳酸桿菌數(shù)量顯著提高，顯著降低大腸桿菌和沙門氏菌數(shù)量，優(yōu)化了腸道微生態(tài)區(qū)系。有機鋅對腸道微生物菌群的影響可能與其添加量有關(guān)。陳娜娜等[35]報道，蛋雞日糧中以蛋氨酸鋅形式分別添加 70 mg/kg和140 mg/kg 的鋅，盲腸內(nèi)容物中乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量顯著增加，而大腸桿菌數(shù)量則顯著減少，有利于腸道微生態(tài)平衡；但是當(dāng)鋅添加量為1 400 mg/kg 時，大腸桿菌數(shù)量極顯著增加，而雙歧桿菌和乳桿菌數(shù)量則減少，腸道菌群平衡受到破壞，生物屏障功能受損。由此表明，適量水平的有機鋅有利于腸道免疫和腸道微生態(tài)平衡，過量則可造成腸道黏膜生物屏障的破壞[36]。

4 有機鋅過量對腸道健康的影響

適宜水平的有機鋅能改善動物腸道健康，但過量有機鋅會引起腸道結(jié)構(gòu)和功能受損，影響腸道健康。王希春等[36]研究表明，斷奶仔豬日糧中添加500 mg/kg（以鋅計）蛋氨酸鋅，飼喂70 d，十二指腸、空腸和回腸絨毛高度明顯降低，隱窩深度和絨毛寬度顯著升高，黏膜上皮細(xì)胞萎縮、脫落，腸黏膜淋巴細(xì)胞和杯狀細(xì)胞數(shù)量顯著降低，腸道黏液層厚度和黏液中IgA 含量顯著降低。陳娜娜等[35]報道，蛋雞日糧中鋅添加水平與十二指腸絨毛高度及絨毛高度/隱窩深度呈二次曲線關(guān)系；以蛋氨酸鋅形式添加1 400 mg/kg 的鋅，造成了十二指腸和回腸黏膜上皮損傷，影響腸道上皮形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性和腸道健康。在生產(chǎn)中使用有機鋅時要適量添加，不能過量使用。

5 小 結(jié)

腸道黏膜上皮屏障、免疫屏障和生物屏障的完整性對于保障動物腸道正常功能至關(guān)重要。有機鋅能促進動物腸道黏膜上皮生長發(fā)育、增強腸道黏膜屏障功能、促進腸道免疫、維護腸道生物屏障，從而保障動物腸道健康。但有機鋅對腸道健康的作用效應(yīng)也會受到多種因素的影響，特別與添加量密切相關(guān)，尤其不能過量添加。另一方面，由于有機鋅種類較多，產(chǎn)品質(zhì)量差異大，因此特定有機鋅產(chǎn)品的最佳添加劑量還需要開展針對性研究。此外，關(guān)于有機鋅對動物腸道健康的影響，目前的研究更多是體現(xiàn)在某種有機鋅對一些腸道常規(guī)指標(biāo)的影響上，與無機鋅以及不同有機鋅源對比的深入研究均非常少。建議在與無機鋅及不同有機鋅源同時對比的基礎(chǔ)上，進一步深入研究有機鋅的作用機制，從而為有機鋅調(diào)控腸道健康提供更多理論依據(jù)，也為實際生產(chǎn)中有機鋅的使用提供更強有力的理論支撐。