益生菌經(jīng)腸道菌群調(diào)節(jié)肉雞骨代謝的研究進展

徐婷婷，張朝棟，林露茜，岳 珂，曹芹芹，仝宗喜，黃淑成

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，河南鄭州 450002）

肉雞作為一種繁殖周期短的食用動物在世界范圍內(nèi)廣受歡迎。據(jù)Statista 網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)顯示，2012—2020 年全球雞肉產(chǎn)量逐年增長，2020 年達1 億t。近幾十年來，在肉雞飼養(yǎng)管理方面，集約化養(yǎng)殖的盛行以及管理技術(shù)的不斷完善促使肉雞的生長速度不斷提升。相較于骨骼的生長發(fā)育，過快的肉雞肌肉增長，導(dǎo)致腿部骨骼不足以支撐肉雞體重，由此誘發(fā)骨骼斷裂及其感染性壞死，骨骼質(zhì)量差更容易造成肉雞腿部疾病的發(fā)生，如腓腸肌腱退化性斷裂、股骨頭感染性壞死、佝僂病、脛骨軟骨發(fā)育不良等。這些疾病不僅嚴重損害肉雞的健康福利，影響肉雞正常的采食、飲水等生理活動，還影響肉雞生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。益生菌是指與宿主共生且達一定數(shù)量后，通過改善腸道功能，保護腸道黏膜，調(diào)解免疫應(yīng)答，在宿主腸道、生殖系統(tǒng)內(nèi)維持穩(wěn)態(tài)平衡的一類有活性的微生物。腸球菌、鼠李糖桿菌、枯草桿菌等都是腸道內(nèi)的益生菌，它們能夠改善腸道的屏障功能，抑制病原菌的生長，促進營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，也能刺激腸道發(fā)揮免疫作用。益生菌作為腸道菌群中的有益菌群能夠改善骨骼發(fā)育，提高骨骼質(zhì)量。但益生菌對骨代謝的影響機理并不明確。本文主要綜述了益生菌通過腸道菌群調(diào)節(jié)骨代謝的機制，為補充益生菌防治肉雞腿病提供理論依據(jù)。

1 益生菌與腸道菌群

1.1 益生菌調(diào)節(jié)腸道菌群平衡 腸道菌群是寄居在人和動物胃腸道內(nèi)的微生物群落的總稱。腸道菌群的多樣性與動物機體的健康狀況相互影響、相互塑造，并且腸道菌群在受外界環(huán)境的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)下與宿主之間保持相對平衡的狀態(tài)。腸道菌群可以從宿主腸道獲得自身所需的養(yǎng)分和能量，同時幫助宿主消化食物，而宿主則為腸道菌群提供生存環(huán)境。當(dāng)動物處于健康狀態(tài)時，腸道中有益菌群占優(yōu)勢，有害菌群占劣勢。在一些應(yīng)激條件下，如氣候的突變、飼糧的更換、一些病原體的侵入以及藥物的使用都會引起腸道菌群中有益菌的比例減少，有害菌群的比例增多，導(dǎo)致機體腸道穩(wěn)態(tài)平衡失調(diào)，從而促使一系列疾病的發(fā)生。

益生菌作為一種補充劑進入腸道后通過與腸黏膜結(jié)合發(fā)揮腸道屏障作用。另外，益生菌阻止有害菌的入侵還能通過產(chǎn)生抗生素、細菌素等途徑；益生菌還能通過黏附、排斥、營養(yǎng)競爭、占位等行為與腸道內(nèi)細菌進行競爭、共生、抑制等作用，調(diào)節(jié)腸道菌群平衡，使機體發(fā)揮正常的免疫功能、營養(yǎng)功能、消化功能。研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌、羅伊氏桿菌、嗜酸乳桿菌等都能競爭性地排斥致病菌，加強有益菌株在腸道內(nèi)定植，調(diào)節(jié)腸道內(nèi)微生物菌群的比例，從而保障機體健康。

1.2 腸道菌群影響骨代謝 以往的研究大多集中于腸道菌群在塑造宿主的免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，關(guān)于腸道菌群對骨骼健康的影響很少被關(guān)注。最近有研究表明，由腸道菌群所引起的自身炎癥反應(yīng)以及免疫狀態(tài)的改變可以使機體骨骼質(zhì)量發(fā)生變化。腸道菌群中菌屬數(shù)量和種類的不同會對骨代謝產(chǎn)生不同的影響。Li 等研究發(fā)現(xiàn)，與正常小鼠相比，腸道菌群缺乏的小鼠腿部骨骼的松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨體積都有一定程度提高，這一研究結(jié)果說明了腸道菌群對骨骼發(fā)育有一定調(diào)節(jié)作用。Sjogrеn 等研究證實，腸道菌群的過度生長是代謝性骨病發(fā)展的重要輔助因子，會引起小鼠腰椎和股骨骨密度降低。由此可見，腸道菌群的數(shù)量和種類過多或過少都可能會影響骨骼的正常生長和發(fā)育，維持腸道菌群的平衡可有效預(yù)防和調(diào)節(jié)一些骨骼疾病。

2 益生菌通過腸道菌群調(diào)節(jié)骨代謝的機制

腸道菌群與動物宿主通過長期的共同進化和相互影響形成了互利共生的復(fù)雜關(guān)系。這些數(shù)量龐大、高度多樣化的腸道菌群對動物的健康至關(guān)重要。益生菌通過腸道菌群調(diào)節(jié)骨代謝的機制有很多種，主要是通過調(diào)節(jié)腸道內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、腸道免疫作用和腸道內(nèi)分泌作用等機制改善骨代謝，從而對骨骼的生長和發(fā)育起到促進作用（圖1）。

圖1 益生菌通過調(diào)節(jié)腸道菌群對骨代謝的作用

2.1 益生菌通過促進營養(yǎng)物質(zhì)吸收調(diào)節(jié)骨代謝 鈣和磷對維持動物骨骼的生長發(fā)育及代謝起著重要作用。大量研究已經(jīng)證實，飼喂含有益生菌的飼料可以加強動物對鈣、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而促進骨骼發(fā)育。腸道是機體汲取營養(yǎng)物質(zhì)的重要場所，益生菌可以通過維持腸道pH、改善腸絨毛高度與隱窩深度的比值、調(diào)控腸上皮細胞間緊密連接蛋白的表達、抑制腸黏膜細胞的凋亡4 種途徑維護腸黏膜屏障，從而保障鈣磷等營養(yǎng)物質(zhì)的正常吸收。

2.1.1 益生菌降低腸道pH 大腸中的厭氧微生物使不能被小腸吸收的碳水化合物分解，并產(chǎn)生代謝物——短鏈脂肪酸，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸。益生菌在腸道內(nèi)可以代謝短鏈脂肪酸從而抑制病原菌生長，維護腸黏膜屏障。短鏈脂肪酸可以通過降低腸道內(nèi)pH，減少腸道內(nèi)鈣離子與磷形成復(fù)合物，提高鈣等礦物質(zhì)元素的溶解度，提高游離鈣離子濃度，進而促進鈣等礦物質(zhì)元素的吸收。研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌和雙歧桿菌在腸道內(nèi)分泌的乳酸和醋酸能提高腸道對礦物質(zhì)元素（如鈣、鐵）的吸收速率，從而改善骨骼代謝。另外，嗜酸乳桿菌釋放的乳酸、乙酸，不僅能提高鈣、磷的利用率，還能促進鐵和維生素D 的吸收，從而加強骨骼中礦物質(zhì)的沉積。

2.1.2 益生菌增加腸絨毛高度與隱窩深度比值 益生菌在腸道內(nèi)的定植以及其代謝產(chǎn)物的分泌使腸壁增厚，更多的固有膜延伸到腸絨毛中央，腸絨毛高度升高，從而使絨毛外周的腸上皮細胞數(shù)量增多，腸道與營養(yǎng)物質(zhì)接觸的表面積增大，對養(yǎng)分的吸收能力增強；益生菌還能減慢細胞從隱窩基部向絨毛頂部遷移、分化的過程，降低腸道上皮細胞的更新速度，使隱窩深度變淺。隱窩變淺說明腸道上皮細胞成熟率增加，腸道吸收能力增強。腸絨毛高度與隱窩深度的比值可以綜合反映腸道的消化吸收能力。研究表明，飼料中添加枯草芽孢桿菌、鼠李糖桿菌、熱滅活植物乳桿菌等益生菌都能夠提高腸絨毛高度與隱窩深度的比值，促進有益菌的定植，改善肉雞腸黏膜形態(tài)，提高骨骼對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力。徐子涵等研究指出，飼料中添加250、500、750、1 000 mg/kg 丁酸梭菌不僅可以提高雛雞的平均日增重，還可以增加小腸絨毛高度、降低腸隱窩深度，從而促進腸道中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以及骨骼質(zhì)量的改善。

2.1.3 益生菌上調(diào)緊密連接蛋白的表達 多種蛋白質(zhì)組成的動態(tài)多功能集合體稱為緊密連接蛋白，跨膜蛋白和外周蛋白都屬于緊密連接蛋白?？缒さ鞍字饕砷]合蛋白（Claudin）、咬合蛋白（Occludin）和連接黏附分子（JAM）3 種完整的膜蛋白組成，其中Claudin 的功能最為重要，是構(gòu)成緊密連接的主要骨架蛋白；而外周蛋白主要由3 種閉合小環(huán)蛋白（ZO）1～3 組成。Claudin和Occludin 可以和ZO 蛋白結(jié)合以穩(wěn)固細胞的緊密連接結(jié)構(gòu)，細胞緊密連接相關(guān)蛋白基因相對表達量的下調(diào)會導(dǎo)致腸道物理屏障破壞，腸壁通透性增加，增加有害菌和抗原入侵腸組織的可能性，加劇腸道損傷和炎癥反應(yīng)。益生菌可以提高緊密連接蛋白的轉(zhuǎn)錄水平，并且對緊密連接蛋白ZO-1 及Occludin 起保護作用，避免細胞骨架中肌動蛋白微絲（F-actin）的重排，從而加強細胞的緊密連接結(jié)構(gòu)，提高腸黏膜的完整性，促進腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌可以提高緊密連接蛋白表達，修復(fù)腸黏膜損傷，穩(wěn)固雞腸道屏障功能，促進營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，從而促進骨骼發(fā)育。彭江等在研究植物乳桿菌對骨質(zhì)疏松癥狀改善效果時也發(fā)現(xiàn)，益生菌組閉合蛋白、咬合蛋白和閉合小環(huán)蛋白基因相對表達量均明顯上調(diào)，提高了腸道對鈣磷等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。

2.1.4 益生菌抑制腸黏膜細胞的凋亡 腸黏膜細胞的凋亡會破壞腸黏膜屏障，影響腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。益生菌可以調(diào)控細胞凋亡的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、腸黏膜細胞相關(guān)凋亡基因的表達和腸黏膜細胞相關(guān)凋亡蛋白的表達來抑制腸黏膜細胞的凋亡，增強腸黏膜屏障功能，促進營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。蛋白激酶B（Akt/PKB）是細胞凋亡的一個重要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。Yan 等發(fā)現(xiàn)，鼠李糖桿菌能上調(diào)人和鼠腸黏膜細胞中Akt/PKB 的表達，抑制細胞凋亡的發(fā)生發(fā)展。Panigrahi 等將植物乳桿菌與腸細胞培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌能特定地上調(diào)和下調(diào)參與細胞凋亡的基因，從而抑制細胞凋亡，加強腸黏膜屏障的營養(yǎng)物質(zhì)吸收功能。Lin 等給未成熟鼠飼喂乳桿菌，發(fā)現(xiàn)腸上皮細胞凋亡明顯減少，凋亡蛋白酶Caspasеs-3的活性下降，這表明益生菌通過抑制凋亡蛋白酶的表達從而阻斷凋亡進程?？傊?，促進腸黏膜屏障對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力也間接促進了骨骼的重建能力。

2.2 益生菌通過免疫作用調(diào)節(jié)骨代謝 腸道是動物體內(nèi)最大的免疫器官，免疫系統(tǒng)在調(diào)節(jié)骨代謝的過程中起著非常重要的作用。腸道內(nèi)集中了體內(nèi)約80% 的免疫細胞，腸道黏膜的天然免疫是阻止病原微生物進入機體的第一屏障。腸道中的許多免疫因子和免疫細胞通過調(diào)節(jié)成骨細胞和破骨細胞之間的平衡從而影響骨代謝。

2.2.1 免疫因子 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可作為抗原刺激腸道從而產(chǎn)生免疫反應(yīng)，被激活的免疫細胞釋放抗炎或促炎介質(zhì)，這些介質(zhì)能夠通過循環(huán)系統(tǒng)作用于骨組織，通過調(diào)節(jié)前破骨細胞核因子B 受體活化因子配體（RANKL）/護骨素（OPG）的比率，從而影響骨骼的形成和分解。

Amdеkar 等研究顯示，口服嗜酸乳桿菌能夠降低促炎因子白細胞介素6（IL-6）、腫瘤壞死因子（TNF-）的表達，同時提高抗炎細胞因子白細胞介素10（IL-10）的表達，對炎癥相關(guān)的關(guān)節(jié)炎起到骨保護作用。彭江等研究發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌CCFM8610可通過下調(diào)促炎因子IL-6 和TNF-、上調(diào)類胰島素生長因子-1（IGF-1）的表達來減輕去卵巢大鼠的骨質(zhì)疏松癥。羅伊氏乳桿菌通過抑制促炎因子IL-6 和趨化因子IL-8 的表達，減少抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）和RANKL 的產(chǎn)生，發(fā)揮免疫作用，減少骨質(zhì)流失?？梢姡ㄟ^補充一些益生菌可調(diào)節(jié)動物機體中免疫相關(guān)因子的水平，從而改善骨骼的生長和發(fā)育。

2.2.2 免疫細胞 腸道內(nèi)存在著許多免疫細胞，如杯狀細胞、樹突狀細胞、肥大細胞等。免疫功能的調(diào)節(jié)不僅體現(xiàn)在免疫細胞分泌的免疫因子，杯狀細胞分泌的黏蛋白也能穩(wěn)固腸黏膜屏障，增強機體免疫功能。肥大細胞內(nèi)的肝素是一種可以促進骨吸收的物質(zhì)。當(dāng)肥大細胞受到某些刺激時，存在于肥大細胞內(nèi)顆粒中的肝素被釋放，并發(fā)揮作用促進骨吸收。益生菌在腸道內(nèi)的定植能有效提高免疫細胞的活性，通過促進B 細胞產(chǎn)生抗體和提高巨噬細胞活性等刺激機體增強免疫力。另外，益生菌細胞壁上存在的肽聚糖可刺激腸道免疫細胞，增加免疫細胞數(shù)量，從而增加機體免疫力。祁鳳華等研究發(fā)現(xiàn)，嗜酸乳桿菌能顯著提高肉雞腸黏膜免疫并且使腸道內(nèi)杯狀細胞和肥大細胞生成增多。Lее 等研究發(fā)現(xiàn)，給肥大細胞缺陷的小鼠輸注健康小鼠的肥大細胞后，其血清性關(guān)節(jié)炎得到明顯改善?？梢姡嫔{(diào)節(jié)腸道內(nèi)免疫細胞的水平，不僅維護了腸黏膜屏障功能，為機體發(fā)揮免疫作用調(diào)節(jié)骨代謝做基礎(chǔ)，還能通過免疫細胞分泌的代謝物質(zhì)調(diào)節(jié)骨代謝。

2.2.3 免疫器官 除了免疫因子、免疫細胞能夠調(diào)節(jié)骨骼發(fā)育外，免疫器官的指數(shù)在一定程度上也可以反映肉雞骨代謝的能力。益生菌制劑能明顯促進免疫器官的發(fā)育，這一觀點近年來已被許多研究證實。益生菌能夠促進肉雞免疫器官免疫球蛋白抗體以及T 細胞的生成數(shù)量，提高肉雞體液免疫和細胞免疫，增強機體免疫應(yīng)答。馬春全研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，乳酸菌組雛雞的免疫器官明顯發(fā)育得較快，并且法氏囊和脾臟的免疫球蛋白（Ig）G、IgM、IgA 抗體生成數(shù)量以及T 細胞數(shù)量也有一定增加。申瑞等指出，飼糧中添加枯草芽孢桿菌513N 飼喂雛雞28 d 后，雛雞的脾臟指數(shù)和法氏囊指數(shù)均有提高趨勢。由此可見，益生菌可促進免疫器官的發(fā)育，從而提高機體的免疫反應(yīng)，進而通過免疫細胞、免疫因子等作用于骨組織調(diào)節(jié)RANKL/OPG的比率影響骨骼的生長發(fā)育。這也證實了免疫器官的發(fā)育可從側(cè)面反映機體骨代謝的能力。

2.3 益生菌通過內(nèi)分泌作用調(diào)節(jié)骨代謝

2.3.1 微生物相關(guān)分子模式 微生物相關(guān)分子模式（MAMPs）是一類能夠刺激炎癥反應(yīng)和組織損傷并且能被機體非特異性免疫系統(tǒng)識別的病原微生物的總稱，腸道中添加益生菌可以改變MAMPs 的種類和數(shù)量。細菌產(chǎn)生的肽聚糖、鞭毛蛋白以及細胞壁、游離DNA 等都屬于MAMPs。MAMPs 很容易被識別，而且體積很小，小到能夠穿過腸內(nèi)皮屏障進入循環(huán)系統(tǒng)，然后到達骨組織，對其進行調(diào)控。有文獻報道，MAMPs 可以通過刺激骨細胞的免疫受體從而調(diào)節(jié)骨骼代謝，如肽聚糖與Toll 樣受體（TLR）2 反應(yīng)、脂多糖與TLR4 反應(yīng)、肽鞭毛蛋白與TLR5 反應(yīng)。

2.3.2 激素調(diào)節(jié) 腸道菌群可通過腦-腸-骨軸調(diào)節(jié)激素水平從而影響骨代謝。腸道菌群中的有害菌和有益菌都能產(chǎn)生某些激素作用于機體的組織、器官等來影響骨重塑。腸道內(nèi)有害菌群產(chǎn)生的外周血清素是一種對骨代謝起到負調(diào)節(jié)作用的激素，動物體內(nèi)90% 的外周血清素存在于胃腸道。血清素進入血液循環(huán)后可以作用于骨組織，抑制成骨細胞在骨組織中的分化，降低成骨細胞的生成數(shù)量，并破壞骨微結(jié)構(gòu)，降低骨小梁體積百分數(shù)。Sjogrеn 等研究發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠體內(nèi)血清素的水平比正常飼養(yǎng)小鼠偏低。色氨酸羥化酶1（Tph1）是調(diào)節(jié)外周血清素表達的物質(zhì)。Chabbi-Achеngli 等研究發(fā)現(xiàn)，相比于正常小鼠，腸源性色氨酸羥化酶1 敲除小鼠的成骨細胞生成增多，骨量和骨形成率均有不同程度提高，還發(fā)現(xiàn)外周血清素缺乏的小鼠可以通過抑制RANKL 的表達降低破骨細胞的生成數(shù)量。

腸道細胞在有益菌群的刺激下可以分泌葡萄糖依賴促胰肽（GIP）和胰高血糖素樣肽1（GLP-1）。另外，飼糧中添加果糖或者寡糖可以使腸道遠端的雙歧桿菌生成數(shù)量增加，加快膳食纖維發(fā)酵，從而使GLP-1 分泌增多。GIP 和GLP-1 都能通過調(diào)節(jié)骨吸收和骨形成作用來影響骨代謝。有文獻報道，GIP 不僅可以與前破骨細胞表面的受體結(jié)合，從而能夠減少破骨細胞的數(shù)量；還可以與成骨細胞表面的受體進行反應(yīng)，有利于I型膠原基因和堿性磷酸酶的表達和成骨細胞的生成。降鈣素（Calcitonin）是一種降低血鈣和血磷的激素，它的分泌能抑制破骨細胞的骨吸收作用，而GLP-1 能夠通過調(diào)節(jié)甲狀腺C 細胞分泌降鈣素，從而對骨代謝進行調(diào)節(jié)?？梢?，腸道中有益菌群分泌的GIP 和GLP-1都能有效參與骨代謝相關(guān)分子作用。

3 小 結(jié)

綜上所述，骨骼健康對肉雞生產(chǎn)效益意義重大。益生菌作為腸道菌群中的有益菌，可以通過多種作用機制參與骨代謝調(diào)節(jié)，并且這些機制相互作用，相互聯(lián)系，共同對骨骼的生長發(fā)育起促進作用。但是益生菌與骨代謝之間的關(guān)系復(fù)雜而密切，關(guān)于益生菌經(jīng)腸道菌群調(diào)節(jié)骨代謝的信號通路及其具體的作用機制仍存在很大的未知，需要大量的試驗去不斷研究和完善。隨著對腸道菌群功能的深入認識，益生菌如何改善家禽骨骼疾病和維持骨骼健康可以作為未來預(yù)防和治療動物骨骼疾病的新方向。