Adam Moeser

腸道紊亂是導致豬死亡和生產(chǎn)性能低下的一個主要因素。因此，對豬胃腸道健康及其影響因素的基本認識是研發(fā)豬最適腸道健康對策的一個關鍵。本文主要討論腸道在腸腔中形成一道對病菌不可滲透屏障，同時又能最有效地消化和吸收水及營養(yǎng)物質(zhì)的機理。文章詳細闡述腸道防御的具體方面和影響胃腸道屏障完整性的因素，論述了養(yǎng)豬生產(chǎn)過程中影響腸道健康的因素和調(diào)控腸道健康及防御功能的有效措施。

1 腸黏膜：基本功能和解剖學結構

腸道表面積大于300 m2，是外界環(huán)境與機體的最大接觸面。腸黏膜上皮細胞持續(xù)暴露在腸腔的惡劣環(huán)境中，包括病原微生物、毒素、酶和食物性抗原。因此，上皮組織必須提供一個選擇性屏障，既能防止腸腔內(nèi)病原和抗原穿過上皮細胞進入相關組織和體循環(huán)，同時又能促進腸腔營養(yǎng)物質(zhì)的有效消化、吸收以及機體每天需要的大量水的吸收。為了完成這兩個不同的角色，腸道上皮是極化的，這意味著腸上皮被位于毗連上皮細胞的側膜頂部緊密連接分為頂端和基底外側兩部分（見圖1）。頂膜和上皮組織間的緊密連接形成的連續(xù)密封作為屏障。極化使得細胞區(qū)分離子轉運蛋白，構成細胞間吸收和分泌的電解質(zhì)梯度。例如，Na+-K+ATP酶轉運通道位于腸上皮細胞膜的基底外側，產(chǎn)生細胞間電位提供能量使其他離子進出細胞。Na+-K+ATP酶保持細胞內(nèi)Na+濃度相對較低（細胞間Na+濃度15 mEq vs血漿Na+濃度150 mEq），可優(yōu)先允許Na+通過頂膜上的大量載體進入細胞。因此，這些頂部的載體（包括與Na+配對的糖和氨基酸的載體）利用由Na+-K+ATP酶構成電化學梯度。正是這種轉運活動使細胞間能量推動營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。

進一步從解剖學上看，黏膜由腺體隱窩和絨毛（在小腸中）或進入隱窩的表面上皮細胞（在結腸中）組成（見圖2）。隱窩-絨毛軸將上皮劃分為分泌上皮和吸收上皮。這些具有相反功能的上皮細胞由位于隱窩中的干細胞分化而來。新形成的上皮細胞沿著隱窩-絨毛軸移動，逐漸成熟和分化出不同功能，直到形成約5 d后最終從絨毛頂端脫落。潘氏細胞停留在隱窩底部，不參與細胞向黏膜表面遷移的過程?？偟膩碚f，隱窩中不成熟的上皮細胞主要發(fā)揮分泌功能，而黏膜表面較成熟的上皮細胞主要發(fā)揮吸收功能。這對于許多腹瀉疾病是很重要的，上皮表面受損，電解質(zhì)和液體吸收紊亂，隱窩持續(xù)分泌往往會由于毒素或炎癥刺激而加劇。

結腸的功能結構相似，包括干細胞和未成熟上皮細胞在隱窩中的位置和成熟細胞逐漸遷移出隱窩。然而，結腸中沒有絨毛，而有簡單的隱窩間表面上皮細胞，可發(fā)揮與小腸類似的吸收功能。另外，結腸中載體的排列不同，因為在大多數(shù)物種中，結腸是液體和電解質(zhì)吸收的主要場所，因為結腸上皮表面缺乏絨毛的結構似乎是結腸的一個缺陷，但結腸能補償隱窩中的液體流失，說明其吸收液體的功能不受絨毛缺乏的影響。這部分歸功于整個胃腸道內(nèi)都存在的上皮微絨毛，提高了胃腸道吸收能力。此外，由于結腸中緊密連接組織的排列更密集，與小腸上皮相比，結腸上皮不易通透，表明結腸吸收后液體回流到腸腔也更少。

在胃腸道正常和病理過程，超微上皮組分例如小腸神經(jīng)系統(tǒng)（ENS）和免疫細胞負責調(diào)節(jié)物質(zhì)分泌與吸收。ENS是由許多神經(jīng)細胞構成的一個網(wǎng)狀結構，在小腸離子轉運過程中起主導作用。ENS主要由兩大神經(jīng)叢組成：腸肌層神經(jīng)叢（兩層肌肉層之間）和黏膜下層神經(jīng)叢，兩者相互連接又各自對運動和感覺神經(jīng)輸入信號起調(diào)節(jié)的作用。ENS能夠接收來自中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過自發(fā)網(wǎng)狀系統(tǒng)的交感和副交感分支發(fā)出的中樞輸入信號。ENS的化學介質(zhì)包括許多神經(jīng)遞質(zhì)，其中由腸神經(jīng)釋放出的乙酰膽堿和血管活性腸肽是刺激上皮細胞分泌的主要神經(jīng)遞質(zhì)。由神經(jīng)釋放出的去甲腎上腺素是在腸細胞和神經(jīng)中通過激活α-2受體而具有前吸收效應的主要神經(jīng)遞質(zhì)。這種介質(zhì)主要起抑制神經(jīng)效應的作用。ENS被許多毒素、內(nèi)分泌物和炎癥介質(zhì)活化，導致腸分泌增加，從而引起動物腹瀉性疾病。ENS的活化刺激腸道分泌的其中一個重要的機制是通過局部神經(jīng)反射弧來實現(xiàn)的。反射弧包括感覺神經(jīng)、傳遞給運動神經(jīng)的中樞神經(jīng)和主要為血管活性腸肽和擬膽堿藥的運動神經(jīng)。腸黏膜中的感受神經(jīng)被細菌毒素、受感染上皮細胞的產(chǎn)物或者炎癥因子刺激從而通過傳入神經(jīng)-中間神經(jīng)元-分泌神經(jīng)反射弧進行調(diào)節(jié)。一些細菌和病毒毒素類（例如艱難梭菌毒素A、輪狀病毒腸毒素NSP4）刺激分泌神經(jīng)反射弧分泌液體引起腹瀉性疾病[1]。另一極其重要的腸黏膜組成部分是具有應答微生物和毒素入侵的免疫細胞。以先天性免疫為例，主細胞群通常由處于黏膜固有層中的嗜中性粒細胞組成，同時也可快速侵潤到各循環(huán)系統(tǒng)。一旦上皮細胞損傷和被微生物激活，嗜中性粒細胞就向上皮細胞移動而最終跨過緊密連接之間的上皮單層細胞?？焖俚匕延袡C體和毒素吞噬掉對宿主是有益的，但也可能因為胃腸道組織損傷而對宿主有害，因為嗜中性粒細胞在吞噬毒素的同時也可能釋放出反應性氧化代謝產(chǎn)物介質(zhì)引起機體過度反應，以及在遷移穿過黏膜過程中造成上皮細胞損傷。肥大細胞同樣存在于上皮細胞下層和黏膜固有層組織中，起到第一道上皮防御屏障的作用。肥大細胞位于腸神經(jīng)元、血管和上皮細胞鄰近位置，當被激活時會釋放大量的包含組胺、前列腺素、5-羥色胺（5HT）和蛋白酶等引起腹瀉性疾病的分泌型和促炎癥介質(zhì)。

適應性免疫應答是通過抗原呈遞細胞將抗原傳遞給存在于黏膜固有層中的淋巴細胞群來實現(xiàn)。此過程相關的細胞是位于上皮細胞中的M細胞，所起作用是處理和呈遞抗原給淋巴細胞，尤其是呈遞到位于回腸腸系膜對緣黏膜下層的派爾集合淋巴結處。這個過程則引起特異性抗原尤其是對微生物或其毒素產(chǎn)物的亞急性應答反應。亞急性應答進一步誘導細胞免疫應答，從而取代先天性免疫應答。

2 腸道黏膜防御：胃腸道屏障組成部分

腸道屏障被分為三個主要的組成部分：①外層屏障：包括生理生化屏障，比如黏液碳酸氫鹽層，能分泌抗菌肽和分泌型IgA，是微生物與機體的共生區(qū)域；②內(nèi)層屏障：由腸上皮細胞緊密連接形成，主要調(diào)節(jié)腸道上皮組織屏障功能（通透性）；③免疫屏障：聚集很多的淋巴組織，比如派爾集合淋巴結和上皮細胞相關的淋巴結，這些淋巴結能產(chǎn)生免疫誘導，能不停地獲取腸道中的抗原物質(zhì)，并呈遞給免疫系統(tǒng)，建立免疫耐受（見圖3）。免疫屏障內(nèi)還包括先天性免疫細胞，比如嗜中性粒細胞、肥大細胞和巨噬細胞，這些先天性的免疫細胞存在于免疫屏障的深層組織，當被激活后能迅速地侵潤到各組織。

3 腸道屏障功能損傷的后果

腸道上皮細胞之間的緊密連接對建立和維持腸道抵抗性的屏障有很大作用，這個腸道屏障能限制大分子物質(zhì)（抗原、毒素等）隨意地穿過上皮細胞進入腸道漿膜。當腸上皮細胞之間的連接被損壞后，腸上皮組織的通透性就會增大。此時，腸道中的微生物、毒素和抗原物質(zhì)就能進入腸上皮下的組織，從而引起固有層組織中的炎癥反應。更為嚴重的是，一旦腸上皮屏障被突破后，這些病原物質(zhì)就能隨意地進入機體的循環(huán)系統(tǒng)，造成敗血癥和多種器官疾病。腸道屏障的損傷還能使豬易于發(fā)生腸道疾病。比如，引起豬水腫病的大腸桿菌F18需要通透性高的腸道上皮細胞，以便于它產(chǎn)生的毒素（2e等）能進入漿膜，從而引起腸道疾病[2]。

4 影響豬腸道屏障完整性的因子

在養(yǎng)豬生產(chǎn)過程中，有很多因素能調(diào)節(jié)腸道屏障功能的健康，這些因素包括營養(yǎng)、傳染病和應激。

4.1 營養(yǎng)

已有研究表明，飼料原料和腸道營養(yǎng)素能通過不同的機制影響?zhàn)つて琳瞎δ?。但是，營養(yǎng)素對豬黏膜屏障特性影響的研究相對還比較少。最近，美國北卡羅來納州立大學進行了特定的日糧因素影響斷奶仔豬腸道屏障功能的研究。其中一項是研究日糧中添加不同F(xiàn)e水平對斷奶后仔豬腸道屏障功能的影響[3]，結果表明，高Fe(500 mg/kg)日糧能引起炎癥反應、黏膜損傷和增加腸上皮細胞通透性；而低Fe(50 mg/kg)日糧能使斷奶仔豬腸道屏障發(fā)生與高Fe相似損傷，說明要維持豬腸道屏障的健康需要日糧中添加適量的Fe水平。另一項研究表明，噴霧干燥豬血漿添加到斷奶仔豬日糧能改善仔豬腸道屏障功能和抑制腸道炎癥反應[4]。還有其他一些日糧因子對調(diào)控腸道屏障健康起著很重要的作用，但他們對腸道屏障功能的調(diào)控機制并不被人熟知。比如，那些能顯著改變腸道微生物的飼料成分（抗生素、益生素和益生元）能改變腸道屏障功能，他們是通過直接影響腸道上皮細胞（穩(wěn)定緊密連接，病原菌的競爭性排斥等）和調(diào)控腸道免疫系統(tǒng)來實現(xiàn)對腸道屏障功能的調(diào)控的?，F(xiàn)在，大家都將注意力放在研究不同益生素在日糧中的添加對豬腸道健康的改善效果，但是研究結果并不一致。Roselli等進行的豬腸細胞體外培養(yǎng)實驗表明，乳酸菌sobrius能保護上皮細胞的緊密連接不受產(chǎn)毒性大腸桿菌的破壞[5]。其余有潛力的調(diào)控豬腸道屏障功能的營養(yǎng)素已經(jīng)開始被研究者關注，這些營養(yǎng)素包括特殊的氨基酸（谷氨酰胺、精氨酸）和多不飽和脂肪酸。

4.2 傳染性病原體

豬某種傳染性病原體通過直接和間接兩種機制破壞黏膜屏障功能。進入腸道內(nèi)的藥物通過直接釋放特異的腸毒素改變黏膜緊密連接的完整性。例如，艱難梭菌毒素A和輪狀病毒腸毒素NSP4依附在緊密連接蛋白上降低其緊密性，導致腸道滲透性增加，隨后黏膜固有層炎癥因子被激活。鼠傷寒沙門氏菌通過嗜中性粒細胞在腸腔的緊密連接處侵潤和遷移引發(fā)特定的炎癥反應破壞腸道屏障，從而引起動物腹瀉。一些腸道病原體可通過間接作用機制破壞腸道屏障。例如，腸毒性大腸桿菌對腸黏膜結構的直接影響機制不明確，然而毒素分泌過多和液體流失破壞腸道屏障，引起動物體液缺失和腸道黏膜血流灌注不足[6]。仔豬敗血癥的機制是大腸桿菌及其細菌產(chǎn)物被受損的腸道屏障快速吸收進入全身組織的一種延遲反應。除了這種機制外，一旦腸道屏障受損，條件致病菌引發(fā)的續(xù)發(fā)性感染進一步加劇腸道疾病。

4.3 應激

在養(yǎng)豬生產(chǎn)過程中，豬面臨多種應激，通過大量的未知機制造成豬患疾病。應激反應是一種正常的生理學反應，對動物的存活起關鍵作用。然而，當應激因子超過動物的抵抗力時，動物易發(fā)生疾病。越來越多的科學文獻證明應激對腸道屏障功能的影響。大多數(shù)嚙齒類動物試驗研究證明，當動物在急性或慢性應激情況下，腸道滲透性增加。美國北卡羅來納州立大學（NC）已經(jīng)開始以仔豬斷奶應激模型研究應激誘導腸道疾病機制。此模型研究結果表明，斷奶誘導的一系列連鎖應激反應通過增加腸道的滲透性和黏膜炎癥來破壞腸道屏障功能[7-8]。應激反應基本機制的研究揭示出局部應激反應介質(zhì)如促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子（CRF）和腸道黏膜免疫細胞之間復雜的相互影響的作用。另外，美國北卡羅來納州立大學（NC）試驗研究發(fā)現(xiàn)，早期斷奶仔豬（斷奶日齡為15～21 d）與23～28日齡斷奶仔豬相比，斷奶后7周其腸道滲透性增加，由于腸道黏膜屏障功能長期受損而使仔豬易發(fā)疾病。因此，黏膜屏障發(fā)育程度可以反映出仔豬遭受應激的日齡。

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