小檗堿調(diào)控動物腸道菌群穩(wěn)態(tài)的研究進展

王其龍，楊景森，黃凱勇，朱 翠

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，生命科學(xué)與工程學(xué)院，廣東佛山 528225）

小檗堿（Berberine）是一種異喹啉類的生物堿，在臨床上具有抗腹瀉、抗菌、抗炎、抗腫瘤和降血糖等功效，對腸道炎癥、糖尿病、高血壓和腫瘤等疾病具有較好的治療作用。隨著微生物測序技術(shù)、代謝組學(xué)技術(shù)、無菌動物模型和糞菌移植等技術(shù)的發(fā)展，使得腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的研究成為近些年來的關(guān)注焦點。腸道菌群基因的數(shù)量遠(yuǎn)高于宿主內(nèi)本身的基因數(shù)量，腸道菌群的組成結(jié)構(gòu)、多樣性和菌群功能變化可影響宿主的營養(yǎng)消化與吸收、生理、代謝、腸道屏障、免疫功能與疾病發(fā)生等過程，因此維持腸道微生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定對于調(diào)控宿主健康至關(guān)重要。

目前，在飼料全面禁抗的背景下，有關(guān)小檗堿的生理功能及其作為潛在的抗生素替代品及綠色飼料添加劑在動物生產(chǎn)中應(yīng)用的研究越來越多。已有研究發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加小檗堿可以促進斷奶仔豬、肉仔雞和肉兔等動物的生長發(fā)育，提高動物生產(chǎn)性能，有效改善動物的消化代謝，并提高肉品質(zhì)和抗病能力。近年來，關(guān)于小檗堿可通過靶向調(diào)節(jié)腸道菌群及其代謝產(chǎn)物從而調(diào)控動物腸道健康的研究已引起廣泛關(guān)注。本文主要綜述了小檗堿對動物腸道菌群的組成結(jié)構(gòu)、多樣性及其菌群代謝產(chǎn)物的影響等方面的研究進展，以期為小檗堿作為植物提取物在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 小檗堿的理化性質(zhì)

小檗堿屬于一種異喹啉生物堿類物質(zhì)，主要存在于黃連、三顆針等中草藥植物中，其化學(xué)式為CHNO，分子量為235.32，通常為黃色針狀結(jié)晶，較難溶于三氯甲烷、乙醚和苯，微溶于乙醇，易溶于熱水，其鹽酸鹽或硫酸鹽在水中的溶解度較小，味苦，口服吸收差，生物利用度低。研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿具有抗菌、抗炎、抗氧化以及免疫調(diào)節(jié)等多種重要的生理功能，在臨床上廣泛應(yīng)用于防治胃腸道炎癥、腹瀉和痢疾等疾病，且已被證實在糖尿病、心血管疾病、腫瘤和癌癥等方面也具有良好的治療效果。

2 小檗堿對動物腸道菌群的調(diào)控作用

2.1 小檗堿對動物腸道菌群組成結(jié)構(gòu)的影響 腸道菌群是長期定居在胃腸道表面的微生物群落，由細(xì)菌、真菌、病毒和其他小型原生生物等構(gòu)成。小檗堿作為一種潛在的抗生素替代品，其對畜禽和水產(chǎn)動物腸道菌群的調(diào)控作用的研究主要涉及菌群結(jié)構(gòu)與組成、多樣性及其代謝產(chǎn)物等方面的變化。在人腸道菌群研究中發(fā)現(xiàn)，小檗堿干預(yù)可顯著影響有益菌和病原菌的生長增殖。此外，采用濁度測定法觀察不同濃度（0.5、1.0、2.0 g/mL）的黃連提取物對人腸道細(xì)菌（腸桿菌、腸球菌、乳酸菌、雙歧桿菌）生長的影響，發(fā)現(xiàn)主要成分為小檗堿的黃連提取物可顯著增加腸道有益乳酸菌、雙歧桿菌的數(shù)量，并減少有害腸桿菌、腸球菌的數(shù)量。研究還發(fā)現(xiàn)，不同濃度或添加量的小檗堿處理也可以改變動物腸道菌群的組成，特別是對腸球菌和腸桿菌有明顯的抑制效果，且對乳桿菌和雙歧桿菌有促進效果，且作用效果隨濃度的升高而增強。例如，在高密度養(yǎng)殖條件下，肉雞日糧中單獨添加100 mg/kg小檗堿或同時添加相同劑量的小檗堿與連翹提取物時，可顯著提高肉雞盲腸內(nèi)容物中乳酸桿菌的數(shù)量，抑制大腸桿菌的數(shù)量。小檗堿對大腸桿菌數(shù)量的抑制作用可能與其可顯著抑制大腸桿菌中色氨酸酶的活性，使菌體內(nèi)可利用的色氨酸減少，最終導(dǎo)致大腸桿菌活力下降有關(guān)?；诟咄繙y序技術(shù)研究表明，畜禽腸道中的優(yōu)勢菌群在門水平上主要有厚壁菌門、擬桿菌門（如乳酸桿菌、雙歧桿菌等）、放線菌門和變形菌門等組成。最近研究也表明，在黃羽肉雞飼糧中添加小檗堿提取物能夠顯著增加盲腸內(nèi)容物中擬桿菌門和擬桿菌屬的豐度，而厚壁菌門和毛螺旋菌科屬、毛梭菌屬、梭菌屬和腸桿菌屬的豐度則顯著降低。而在斷奶仔豬上的研究也發(fā)現(xiàn)，日糧中添加復(fù)合益生菌與小檗堿顯著增加了仔豬糞便中擬桿菌門、厚壁菌門和普氏菌等的相對豐度，并減少了糞便中螺旋菌和變形桿菌等條件致病菌的相對豐度。在大鼠上的研究也證實，小檗堿處理顯著增加了腸道乳酸菌和碳水化合物分解菌相對豐度，并顯著降低了條件性致病菌的相對豐度，從而有效緩解大鼠的潰瘍性結(jié)腸炎。添加100 mg/kg小檗堿可顯著提高腸易激綜合征大鼠的腸道微生物中乳桿菌科的比例，并顯著減少腸桿菌科的比例。此外，小檗堿還可以顯著降低草魚的厚壁菌門與擬桿菌門的比例。研究表明，口服小檗堿可提高正常小鼠腸道中丁酸菌的相對豐度，并且高濃度的小檗堿既可以抑制大部分腸道條件致病菌的生長，又能富集大鼠腸道中的短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌（如腸桿菌科的細(xì)菌）。Zhang等還發(fā)現(xiàn)，小檗堿可以影響大鼠腸道的短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌和內(nèi)毒素產(chǎn)生菌數(shù)量及其代謝產(chǎn)物，從而保護腸道屏障，恢復(fù)機體代謝和免疫功能。可見，小檗堿能對腸道菌群產(chǎn)生雙向調(diào)控作用，一方面既能提高短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌、瘤胃球菌、膽汁酸分解菌、黏蛋白降解菌等有益菌的相對豐度，另一方面又能降低霍亂弧菌、痢疾志賀菌和弗氏志賀菌等有害菌的相對豐度。以上結(jié)果表明，小檗堿對動物腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響（表1）主要體現(xiàn)在促進腸道有益菌的數(shù)量，同時抑制腸道病原菌的數(shù)量，特別是通過對特定腸道菌群代謝產(chǎn)物產(chǎn)生菌的調(diào)控而影響宿主動物的腸道代謝功能，最終進一步影響宿主健康。

表1 小檗堿對動物腸道菌群豐度變化的影響

2.2 小檗堿對動物腸道菌群多樣性的影響 有研究指出，小檗堿可降低大鼠腸道的Simpson指數(shù)，使大鼠腸道菌群多樣性減少。Xu等和王志祥等研究表明，飼喂小檗堿的仔豬擁有較高ACE指數(shù)，說明小檗堿在一定程度上提高了35日齡仔豬腸道菌群的豐度和多樣性，進一步調(diào)控氨基酸的代謝，提升了仔豬的生產(chǎn)性能，增強了腸道穩(wěn)態(tài)。研究還發(fā)現(xiàn)，小檗堿可以改變腸道菌群的多樣性，顯著影響42日齡的蛋雞和肉雞盲腸中的腸桿菌數(shù)量，維護腸道微生物區(qū)系的平衡。在水產(chǎn)動物方面的研究表明，小檗堿可顯著影響草魚后腸內(nèi)微生物的結(jié)構(gòu)和多樣性，調(diào)節(jié)血清葡萄糖、總膽固醇和甘油三酯的水平。此外，日糧添加50 mg/kg小檗堿可以提高鈍吻鯛中段腸道內(nèi)門、屬級菌群的豐度和多樣性，改變腸道微生物群的結(jié)構(gòu)，通過降低腸道通透性，保護炎癥反應(yīng)引起的腸道屏障損傷，維持了腸道菌群的穩(wěn)定。以上研究結(jié)果表明，小檗堿能夠調(diào)控動物腸道菌群的多樣性，從而維持腸道微生態(tài)的平衡。

2.3 小檗堿對動物腸道菌群代謝產(chǎn)物的影響 腸道菌群可通過宿主的共生代謝或者自身代謝產(chǎn)生短鏈脂肪酸、膽汁酸、氨基酸、維生素和多胺等多種類型的代謝產(chǎn)物，參與調(diào)節(jié)宿主機體的代謝過程。小檗堿不僅可以調(diào)控腸道菌群的組成和多樣性，還可以進一步調(diào)控腸道菌群代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，進而影響宿主健康。目前，關(guān)于小檗堿對通過調(diào)控菌群影響膽汁酸和短鏈脂肪酸的合成方面的研究較多，而對于其他菌群代謝產(chǎn)物的研究相對較少。

膽汁酸是經(jīng)由肝臟中的膽固醇合成的代謝產(chǎn)物。一方面，小檗堿可以增加腸道內(nèi)分泌細(xì)胞、肌肉和棕色脂肪組織細(xì)胞上G蛋白偶聯(lián)受體（TRG5）的表達，調(diào)節(jié)腸道菌群與TRG5的互作關(guān)系，提高環(huán)磷酸腺苷（cAMP）水平，參與調(diào)控糖脂代謝和能量代謝。另一方面，口服小檗堿可以改變微生物膽汁酸代謝來調(diào)控脂代謝，或通過降低膽汁酸產(chǎn)生菌-梭菌屬的數(shù)量和膽鹽水解酶的活性，間接提升?；悄懰幔═CA）的水平，激活回腸中法尼醇X受體（FXR）的表達，發(fā)揮降脂作用，降低小鼠體重。研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可影響FXR信號通路，使小鼠更易增重，而當(dāng)小鼠體重下降時，又會使得腸道FXR信號通路被抑制。這可能是小檗堿可通過上調(diào)肥胖小鼠脂肪組織細(xì)胞中的低密度脂蛋白受體mRNA的表達來激活腺苷酸激活蛋白激酶（AMPK）的活性，從而抑制脂肪組織中標(biāo)志著肥胖的腫瘤壞死因子（TNF-）和轉(zhuǎn)化生長因子（TGF-1）等細(xì)胞因子的表達有關(guān)。

短鏈脂肪酸（SCFA）主要包括乙酸、丙酸和丁酸等，是由小腸無法消化的膳食纖維和部分蛋白質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生的，以盲腸和前端結(jié)腸的含量最高。此外，SCFA可通過激活GPR43表達，提高無菌小鼠的腸道調(diào)節(jié)性T細(xì)胞數(shù)量及上調(diào)腸道IL-10的表達，從而間接緩解小鼠的結(jié)腸炎。研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿可以顯著增加腸道SCFA產(chǎn)生菌，使其成為優(yōu)勢菌群，特別是丁酸產(chǎn)生菌的數(shù)量，從而調(diào)控腸道的能量利用。此外，小檗堿還可通過腸道微生物的調(diào)控來調(diào)節(jié)腸道SCFAs水平，有助于緩解腸道炎癥和改善腸道屏障功能。也有研究表明，小檗堿可抑制菌和菌的數(shù)量，來提高SCFAs水平，從而抑制結(jié)腸癌小鼠腸道內(nèi)的腫瘤生長。

研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿通過抑制脂多糖（LPS），影響Toll樣受體4（TLR4）信號通路，能夠減少炎癥因子的分泌，緩解胃腸黏膜的損傷。此外，小檗堿具有非常強的抗菌作用，可以改變動物腸道菌群數(shù)量、組成結(jié)構(gòu)與多樣性，還可調(diào)節(jié)腸道菌群代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，而并通過影響腸道菌群自身含有的肽聚糖、鞭毛蛋白、細(xì)菌多糖等物質(zhì)激活核苷酸寡聚化結(jié)構(gòu)域（NOD）樣受體與TLR等信號通路，進而調(diào)節(jié)腸道炎癥因子的分泌，減輕腸道炎癥的程度。因此，小檗堿能通過影響多種信號通路的功能，調(diào)節(jié)腸道菌群代謝產(chǎn)物，進而影響其與細(xì)胞受體的結(jié)合，來調(diào)節(jié)宿主的機體代謝或疾病發(fā)生。

3 小 結(jié)

綜上所述，小檗堿是一種綠色、天然的植物提取物，可以通過調(diào)節(jié)動物腸道菌群的組成結(jié)構(gòu)、多樣性及其菌群代謝產(chǎn)物的功能，調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)環(huán)境的平衡，最終影響動物腸道健康、生理功能、免疫能力及生產(chǎn)性能的發(fā)揮。因此，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物有望成為小檗堿調(diào)控動物生產(chǎn)性能和腸道健康的潛在調(diào)控靶點，從而為抗生素替代品的研發(fā)以及小檗堿作為新型綠色飼料添加劑在動物生產(chǎn)上的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。但是，目前關(guān)于小檗堿對不同生理狀態(tài)下動物腸道菌群調(diào)控的作用機制尚不明確，通過結(jié)合多組學(xué)技術(shù)、糞菌移植和基因敲除動物模型等手段，全面解析小檗堿調(diào)控動物關(guān)鍵的腸道菌群與代謝產(chǎn)物特征變化及其分子機制將成為未來發(fā)展的重要方向。