蒙脫石對動物腸道黏膜屏障功能的調控作用及可能機制

曹 智，許毛斗，張佳鑫，陳繼發(fā)

（宜春學院生命科學與資源環(huán)境學院，江西省高等學校硒農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，江西宜春 336000）

腸道是動物機體重要的免疫器官，能夠抵御外來致病因子的侵襲，維持腸道內環(huán)境穩(wěn)態(tài)；另外，腸道也是機體消化吸收營養(yǎng)物質的主要場所。腸道屏障功能紊亂可引起動物腹瀉、生產(chǎn)性能下降，甚至導致死亡。當前，我國飼料原料及配合飼料較普遍受到霉菌毒素污染，同時動物飼料中已全面禁止添加抗生素，如何有效緩解或消除有害菌、霉菌毒素等病原體對動物腸道造成的危害是當前飼料科學研究的重要課題。蒙脫石是一種天然層狀鋁硅酸鹽黏土，由于特殊的晶體結構和理化特性，具有吸附重金屬、霉菌毒素、致病菌及細菌毒素等作用，可維護動物腸道黏膜。此外，對蒙脫石作有機、無機或復合改性處理能夠提高其功效。研究表明，蒙脫石可以有效緩解霉菌毒素、致病菌等對動物腸道屏障功能造成的損害。飼糧添加蒙脫石能夠改善動物腸道形態(tài)、促進腸道緊密連接蛋白和黏蛋白表達、優(yōu)化腸道菌群結構、增強腸黏膜免疫功能。本文綜述了蒙脫石對動物腸道健康影響的研究進展，總結了蒙脫石調節(jié)動物腸道黏膜屏障功能的可能機制，以期為通過營養(yǎng)調控方式改善動物腸道健康提供參考。

1 蒙脫石對動物腸道微生物屏障的調控作用

腸道微生物屏障是由腸道共生菌之間以及共生菌和宿主之間形成的穩(wěn)定微生態(tài)系統(tǒng)。正常情況下，腸道內各種細菌間相互制約、相互依賴，共同維持微生態(tài)系統(tǒng)的相對平衡。蒙脫石不僅能調節(jié)動物腸道菌群結構，還可提高微生物多樣性。焦樂飛利用高通量測序技術研究載銅/鋅蒙脫石對斷奶仔豬腸道微生物的影響，結果表明，在門水平上，添加2 g/kg 載銅/鋅蒙脫石顯著提高了斷奶仔豬結腸厚壁菌門相對豐度，降低了擬桿菌門和變形菌門相對豐度；在屬水平上，載銅/鋅蒙脫石顯著提高了乳桿菌屬、雙歧桿菌屬和優(yōu)桿菌屬等有益菌屬相對豐度，顯著降低了梭菌屬和鏈球菌屬等有害菌屬相對豐度，并顯著提高了腸道菌群多樣性。Han 等報道，飼糧添加蒙脫石顯著提高了小鼠糞便中厚壁菌門、乳桿菌屬、雙歧桿菌屬相對豐度，提示其能優(yōu)化小鼠腸道菌群結構。本課題組研究表明，添加0.9、1.2 g/kg蒙脫石有提高產(chǎn)蛋后期蛋雞盲腸菌群多樣性和多樣性的趨勢，有提高厚壁菌門相對豐度的趨勢，顯著增加了多爾氏菌屬、布勞特氏菌屬、紫單胞菌屬相對豐度。此外，本課題組在產(chǎn)蛋高峰期蛋雞上的研究也發(fā)現(xiàn)，添加蒙脫石一定程度上提高了蛋雞盲腸菌群多樣性，改善腸道菌群結構。

許多學者研究了飼糧添加蒙脫石對動物腸道幾種常見微生物的影響，由表1 可知，添加蒙脫石能夠顯著降低大腸桿菌、沙門氏菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌等有害菌數(shù)量，一定程度上提高有益菌數(shù)量，說明蒙脫石可以優(yōu)化動物腸道菌群，其可能作用機制如下：①直接吸附有害菌。大多數(shù)有害菌表面帶負電荷，而蒙脫石因晶層間含有金屬陽離子而帶正電荷，故能通過靜電引力和分子間作用力吸附有害菌，降低其生物有效性。②形成蒙脫石-有益菌生物膜。雙歧桿菌和乳酸桿菌可通過代謝產(chǎn)生乳酸，乳酸在蒙脫石和益生菌之間形成酸性微環(huán)境，使細菌表面上帶負電的磷壁酸被蒙脫石表面的陽離子吸引，促進細菌聚集而形成蒙脫石-有益菌生物膜，減少益生菌受腸道內消化酶、膽鹽等的破壞，進而利于有益菌繁殖。

表1 蒙脫石對動物腸道微生物的影響

2 蒙脫石對動物腸道化學屏障的調控作用

腸道化學屏障主要由杯狀細胞分泌的黏液、腸道消化液以及腸腔內抑菌物質組成，能夠阻止有害物質直接接觸腸上皮細胞，保護腸道屏障。腸道杯狀細胞是腸上皮細胞中的分泌型細胞，其分泌的黏液中包含能黏附有害物質的黏蛋白（Mucoprotein，mucin）、三葉肽（Trefoil Peptide，TFF）及整合素1 等。Almeida 等研究表明，飼糧添加3 g/kg 蒙脫石有增加肉仔雞回腸杯狀細胞數(shù)量的趨勢，并促進腸黏膜和表達。Liu 等報道，添加2 g/kg 蒙脫石能顯著上調斷奶仔豬回腸黏膜和整合素mRNA 表達水平。在斷奶仔豬飼糧中添加3 g/kg 蒙脫石，觀察腸道單個橫截面積杯狀細胞發(fā)現(xiàn)，仔豬回腸杯狀細胞體積有增大的趨勢。孟艷莉研究指出，添加3 g/kg 蒙脫石一定程度上提高了斷奶仔豬空腸和回腸杯狀細胞數(shù)量。另外，本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，飼糧添加0.5 g/kg 蒙脫石顯著上調了蛋雞空腸mRNA 表達量。綜上，蒙脫石可通過增加腸道杯狀細胞數(shù)量、促進黏蛋白和三葉肽等表達進而改善動物腸道化學屏障功能，其可能作用機制如下：蒙脫石通過吸附腸道病原體而減少其對動物腸道造成的損害，維持腸道結構和功能的完整性，有利于促進腸道杯狀細胞分化而增加其數(shù)量。黏蛋白主要由杯狀細胞合成與分泌，腸道杯狀細胞數(shù)量增加，進而黏蛋白分泌量增多。

3 蒙脫石對動物腸道物理屏障的調控作用

腸道物理屏障是由腸道上皮細胞及其緊密連接等組成的完整的腸道上皮結構。緊密連接主要包括閉合小環(huán)蛋白-1（ZO-1）、閉鎖蛋白（occludin）和閉合蛋白（claudins）等。胡紅衛(wèi)等報道，添加蒙脫石能顯著上調潰瘍性結腸炎大鼠腸道中mRNA 表達量，增加腸道內ZO-1 數(shù)量。詹小立等研究表明，飼糧添加載銅蒙脫石可顯著提高斷奶仔豬腸上皮細胞和mRNA 表達水平。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，隨著飼糧蒙脫石添加水平（0～1.2 g/kg）提高，產(chǎn)蛋后期蛋雞空腸黏膜和mRNA 表達水平呈線性上調；另外，添加0.5 g/kg 蒙脫石也顯著提高了產(chǎn)蛋高峰期蛋雞空腸mRNA 表達量。

腸道絨毛高度、隱窩深度和絨毛高度/隱窩深度（V/C）值是評價動物腸道發(fā)育及其功能狀態(tài)的重要指標。研究表明，蒙脫石對黃曲霉毒素B誘發(fā)的肉鴨腸道黏膜結構損傷具有改善作用，可顯著提高空腸和回腸絨毛高度；添加蒙脫石也可顯著抑制黃曲霉毒素B對火雞腸道結構造成的損害，改善腸道組織病理學變化；另外，蒙脫石對沙門氏菌引起的肉雞腸道結構損傷也具有一定緩解作用。綜上所述，蒙脫石對霉菌毒素、致病菌等誘發(fā)的動物腸道黏膜損傷具有明顯修復作用，可維護腸道物理屏障。同時，飼糧添加蒙脫石也能改善動物腸道形態(tài)結構。Jiao 等研究指出，添加1.5 g/kg載銅/鋅蒙脫石顯著增加了斷奶仔豬空腸絨毛高度、V/C 值，維護仔豬腸道結構完整性。Xia 等報道，飼糧添加1.5 g/kg 載銅蒙脫石可顯著提高斷奶仔豬回腸絨毛高度、V/C 值。秦士貞等研究發(fā)現(xiàn)，載鋅蒙脫石能夠顯著提高肉雞小腸絨毛高度和V/C 值，顯著降低隱窩深度，促進肉雞腸道發(fā)育。此外，本課題組前期研究表明，隨著飼糧蒙脫石添加水平（0～1.2 g/kg）的提高，蛋雞十二指腸腸絨毛寬度和V/C 值呈線性提高。

當動物腸道黏膜屏障受損時，腸道通透性增大，血液中LPS 和-乳酸含量增加，二氨氧化酶（DAO）活性提高。Cao 等應用尤斯灌流系統(tǒng)研究蒙脫石對斷奶仔豬腸道通透性的影響，結果表明，蒙脫石可在一定程度上提高斷奶仔豬空腸和結腸跨上皮細胞電阻抗值，降低異硫氰酸熒光素葡聚糖4（FD4）滲透率，降低腸道通透性。孟艷莉研究表明，飼糧添加3 g/kg 蒙脫石顯著降低了斷奶仔豬血漿-乳酸含量和DAO 活性。Hu 等報道，氧化鋅-蒙脫石顯著降低了肉仔雞結腸甘露醇滲透率和回腸、結腸菊糖滲透率，提高了結腸跨上皮細胞電阻抗值。Lei 等研究發(fā)現(xiàn)，飼糧添加2 g/kg 蒙脫石顯著降低了肉牛血漿、瘤胃液、腸道食糜和糞便中LPS 含量。此外，本課題組前期研究表明，添加0.6、0.9 g/kg蒙脫石顯著提高了蛋雞回腸食糜LPS 含量，說明蒙脫石可以有效吸附腸道中LPS，降低其對腸道屏障造成的損害，減少LPS“移位”。

上述研究表明，蒙脫石能夠改善動物腸道黏膜形態(tài)結構，促進腸上皮細胞間緊密連接蛋白表達，維持良好的腸道通透性，維護腸道物理屏障功能，其可能作用機制如下：①蒙脫石在腸道中有效吸附霉菌毒素、致病菌及細菌毒素等病原體，降低其對腸上皮細胞造成的損害，減少細菌及毒素“移位”；同時，蒙脫石可在腸道內延展，形成連續(xù)的保護膜，修復和保護腸道黏膜。②促進腸道發(fā)育，蒙脫石能夠與腸道黏液蛋白靜電結合，增加黏膜厚度，促進腸上皮細胞增殖和黏液分泌，增加黏液數(shù)量，改善黏液質量。

4 蒙脫石對動物腸道免疫屏障的調控作用

腸道免疫屏障主要由腸道相關淋巴組織、免疫細胞及其分泌的免疫球蛋白、細胞因子等組成。分泌型免疫球蛋白A（slgA）是黏膜免疫系統(tǒng)的重要組成部分，具有阻止病原體粘附、中和病原體等作用。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，飼糧添加0.6 g/kg 蒙脫石顯著提高了產(chǎn)蛋后期蛋雞十二指腸和空腸slgA 含量。添加0.5 g/kg蒙脫石有提高產(chǎn)蛋高峰期蛋雞十二指腸黏膜slgA 濃度的趨勢。slgA 主要由漿細胞分泌，蒙脫石提高腸道slgA 產(chǎn)量可能與其能保護腸上皮細胞，增加腸道淋巴細胞數(shù)量以及促進B 細胞增殖分化有關。

蒙脫石能夠調節(jié)動物腸黏膜免疫功能，降低腸道炎癥反應。本課題組研究表明，隨著飼糧蒙脫石添加水平（0～1.2 g/kg）的提高，產(chǎn)蛋后期蛋雞空腸核轉錄因子-B（）和腫瘤壞死因子（）-mRNA 表達量呈線性下調，添加0.6 g/kg 蒙脫石可顯著降低空腸白細胞介素（）-mRNA 表達水平，且一定程度上提高了TNF-誘導蛋白3（）mRNA 表達水平。TNFAIP3 是調節(jié)機體炎癥反應、細胞凋亡等相關信號通路的重要因子，能通過抑制Toll 樣受體（TLR）活化而阻斷下游信號通路，減少NF-B 的核移位，下調促炎因子表達，緩解腸道炎癥。本課題組在產(chǎn)蛋高峰期蛋雞上的研究發(fā)現(xiàn)，添加0.5 g/kg 蒙脫石顯著下調了腸黏膜髓樣分化因子88（）mRNA 表達水平，一定程度上降低了和mRNA 表達量。Jiao 等報道，添加載銅/ 鋅蒙脫石可顯著下調LPS應激下斷奶仔豬空腸受體相關激酶（）1、TNF 受體相關因子6（）及促炎因子（）mRNA表達水平，降低空腸NF-B p65 蛋白表達量，顯著提高抗炎因子轉化生長因子-（）1 mRNA 和蛋白表達水平，緩解斷奶仔豬腸道炎癥。詹小立等通過體外試驗表明，載銅蒙脫石可顯著降低斷奶仔豬腸上皮細胞IL-6 mRNA 表達水平，顯著提高抗炎因子-和過氧化物酶體增殖物活化受體（）mRNA 表達量，抑制LPS 誘導的炎癥反應；另外，還發(fā)現(xiàn)載銅蒙脫石顯著降低了豬腸上皮細胞凋亡基因胱天蛋白酶（）-、和B 細胞淋巴瘤2（）基因表達水平，提示其可能具有抗凋亡的作用。上述研究表明，蒙脫石可通過干預TLR4/ MyD88/NF-B 信號通路調節(jié)腸道炎性因子平衡，減輕動物腸道炎癥，其可能作用機制如下：蒙脫石在腸道中有效吸附致病菌，減少大腸桿菌、沙門氏菌等有害菌數(shù)量，進而減少LPS產(chǎn)生。同時，蒙脫石可通過靜電引力吸附LPS 帶負電荷的磷酸鹽配體，因而能“捆扎”LPS。而LPS 是TLR（主要是TLR4）免疫監(jiān)視的重點對象，這意味著與TLR4 特異性結合的配體減少，進而TLR4 被激活的幾率降低，最終其下游信號通路受到抑制。

此外，Han 等研究發(fā)現(xiàn)，在患癌小鼠飼糧中添加蒙脫石后，可在腸道內形成蒙脫石-乳酸菌生物膜（SLB）復合物，提高乳酸菌對抗腸道酸性環(huán)境和消化酶的能力；隨后SLB 上的乳酸菌在腸道內通過與樹突狀細胞（DC）表面的TLR2 受體結合，促進DC 細胞分化和成熟，成熟的DC 細胞遷移至腫瘤部位，通過腫瘤抗原提呈、促進免疫細胞浸潤和提高干擾素-、IL-12 表達等方式，發(fā)揮抗腫瘤活性，這提示蒙脫石在動物腸道內可與特定益生菌結合形成復合物，促進益生菌在腸道定植，激活TLR2 信號通路，促進免疫細胞成熟，啟動T 細胞免疫，進而提高腸道免疫性能。

5 蒙脫石產(chǎn)品的發(fā)展及其在動物養(yǎng)殖生產(chǎn)中的應用

蒙脫石是一種應用廣泛的霉菌毒素吸附劑，天然蒙脫石對極性較強的霉菌毒素（如黃曲霉毒素）有較好的吸附作用，但對極性較弱的霉菌毒素（如玉米赤霉烯酮、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇）吸附效果不佳，一些學者對天然蒙脫石進行了有機、無機或復合改性處理，發(fā)現(xiàn)改性蒙脫石對霉菌毒素的吸附效果顯著提高。同時，利用蒙脫石的陽離子交換性，可將金屬陽離子引入其晶層中制備改性蒙脫石（如載銅蒙脫石、載鋅蒙脫石、氧化鋅-蒙脫石），它們具有較強的抗菌作用，可作為飼用抗生素替代品。此外，隨著對飼用抗生素替代品認識的不斷加深，越來越多的學者和養(yǎng)殖生產(chǎn)者認識到應用單一飼料添加劑很難有效替代飼用抗生素。近幾年，關于蒙脫石與植物提取物、益生菌、有機酸等添加劑聯(lián)合應用的研究已有較多報道，以（改性）蒙脫石、植物精油或益生菌等為主要成分的功能性添加劑產(chǎn)品相繼問世。蒙脫石與益生菌、植物精油等聯(lián)合應用可能使其功能互補、產(chǎn)生協(xié)同作用，有效地控制腸道有害菌、毒素等，改善動物腸道健康。

蒙脫石在動物養(yǎng)殖生產(chǎn)中的應用需要關注安全性問題。研究表明，飼糧中過量添加蒙脫石會對動物機體健康、生產(chǎn)性能、產(chǎn)品品質產(chǎn)生不利影響，可能原因如下：①影響飼料適口性，降低動物采食量。蒙脫石含有氧化鈣等物質，遇水后可發(fā)生放熱反應，動物采食時可能造成口腔、舌部等灼傷感，影響飼料適口性；同時，蒙脫石具有膨脹性，接觸水后可形成面團狀的黏稠物質，降低食糜在胃的流通速度，可能使動物產(chǎn)生飽腹感。②稀釋飼糧養(yǎng)分，降低養(yǎng)分利用率。蒙脫石除含有一定礦物元素外，不含其它養(yǎng)分，添加高濃度蒙脫石會稀釋飼糧養(yǎng)分；另外，蒙脫石在動物腸道中可能會吸附維生素、礦物元素、氨基酸等養(yǎng)分，降低其利用率。③吸附飼料中色素，影響色素沉積。蒙脫石對飼料中葉黃素、玉米黃素等色素具有較強的吸附作用，不利于色素在動物產(chǎn)品中沉積。因此，養(yǎng)殖生產(chǎn)中需要根據(jù)不同動物種類及其不同年齡階段適量添加蒙脫石。另外，養(yǎng)殖生產(chǎn)中應用蒙脫石需要注重添加效果和成本，可以根據(jù)不同添加目的合理使用蒙脫石。例如將蒙脫石作為霉菌毒素吸附劑使用時，需要綜合考慮季節(jié)、養(yǎng)殖環(huán)境條件、飼料霉菌毒素污染程度、蒙脫石類型等因素，且在梅雨季節(jié)可適當提高蒙脫石的添加量；若將其作為腸道健康調節(jié)劑使用，則全年可適量添加。

6 小 結

綜上所述，蒙脫石對霉菌毒素、有害菌、LPS 等病原體應激下動物腸道屏障具有顯著保護作用；同時，飼糧添加蒙脫石也能改善動物腸道形態(tài)結構、促進腸上皮細胞緊密連接蛋白和黏蛋白表達、優(yōu)化腸道菌群結構、調節(jié)腸黏膜免疫功能，是一種頗具潛力的動物腸道健康調節(jié)劑。但目前蒙脫石對動物腸道屏障功能的調控機制還有待深入研究，可借助現(xiàn)代分子生物學和多組學技術探究蒙脫石調節(jié)動物腸黏膜屏障功能的分子機制。同時，關于蒙脫石對動物腸道微生物的研究可深入探究其對機體營養(yǎng)物質代謝的影響與腸道微生物的潛在聯(lián)系。此外，改性蒙脫石對動物腸道功能的調節(jié)作用更好，今后需繼續(xù)探索新的改性方法，通過體外、體內試驗驗證功效，明確其在不同動物及不同生產(chǎn)階段飼糧中適宜添加量；并不斷優(yōu)化改性工藝，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，以推動改性蒙脫石在動物生產(chǎn)中的廣泛應用。