■趙 軒 邱勝男 許 璇 劉曉寧 梁代華 許 麗 石寶明*

(1.東北農業(yè)大學動物科學技術學院，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江省畜牧總站，黑龍江哈爾濱150000；3.谷實農牧集團股份有限公司，黑龍江哈爾濱150078)

動物腸道中存在大量復雜多樣的微生物菌群，其總數(shù)是機體細胞數(shù)量的10倍[1]，此外，微生物群的組成和密度會伴隨胃腸道環(huán)境的變化而發(fā)生相應的改變[2]。腸道微生物由多種細菌菌株組成，這些細菌菌株彼此之間以及與宿主之間相互作用。胃腸道作為動物機體的消化器官和感應器官擁有著較為龐大的表面積，腸腔可以感應各種營養(yǎng)、微生物及其代謝產(chǎn)物和毒素等物質，腸道可通過腸-腦軸對動物機體生理活動進行調節(jié)[3]。早在20世紀末，美國哥倫比亞大學神經(jīng)學家邁克·格爾松教授就提出了由腸管、腸道神經(jīng)系統(tǒng)和腸道微生物形成了人體的第二大腦-腸腦，它是一種能夠將宿主微生物代謝、信號傳導以及免疫炎癥反應聯(lián)系在一起的多向互作代謝軸，其在生理上與腸、肝、肌肉和大腦相連[4-5]，在調節(jié)胃腸動力，內臟敏感性，身體對應激的反應以及中樞認知功能等方面發(fā)揮著一定的作用[6]。近年來，研究人員開始研究腸道菌群和大腦之間的關系，越來越多的證據(jù)表明，腸道微生物群可以在胃腸道和大腦之間存在的雙向溝通機制中發(fā)揮關鍵作用[7]。微生物-腸-腦軸之間的雙向調節(jié)關系逐漸成為動物營養(yǎng)代謝以至人類健康和疾病中熱門的研究方向。腸道中營養(yǎng)物質的消化與代謝影響著豬的健康情況和生產(chǎn)性能，因此，機體的健康和有效的營養(yǎng)代謝是豬獲得高生長性能的核心環(huán)節(jié)。飼料中的營養(yǎng)成分首先經(jīng)過動物胃腸道消化，再經(jīng)過肝、腎等進入到各個靶器官代謝沉積，以發(fā)揮促生長的作用。本文從微生物與宿主腸道以及腦神經(jīng)系統(tǒng)之間的相互關系入手，綜述了微生物-腸-腦軸在豬營養(yǎng)代謝中的研究進展。

1 微生物-腸-腦軸雙向交流機制

腸道通過2～6億個神經(jīng)元與大腦緊密相連[8]，主要包括迷走神經(jīng)、脊神經(jīng)和其神經(jīng)節(jié)和脊髓等[9]。腸道和大腦之間的雙向交流（腸-腦軸）早已被認識到，來自大腦的信號會影響胃腸的運動，感覺和分泌形式，來自腸道的內臟信息會進而影響大腦的功能[10]。越來越多的研究表明腸道微生物菌群在雙向腦-腸軸中起到了關鍵作用，因此微生物-腸-腦軸的研究在近幾年也成為了醫(yī)學研究的熱點問題。中樞神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)、腸神經(jīng)系統(tǒng)、相關內分泌和免疫系統(tǒng)、腸道菌群參與了微生物-腸-腦軸的組成[11]。大腦可以通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)調節(jié)微生物的組成和行為，而且腸道微生物可以通過各種途徑參與對腦的調節(jié)，包括神經(jīng)、內分泌和免疫途徑等，從而觸發(fā)微生物-腸-腦軸雙向調控機制[12]。

1.1 神經(jīng)調節(jié)途徑

胃腸功能的神經(jīng)調節(jié)主要依賴于三個系統(tǒng)，即中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)、自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)和腸神經(jīng)系統(tǒng)(ENS)，腸神經(jīng)系統(tǒng)(ENS)作為控制胃腸道的“第二大腦”起主要作用[13]。其主要組成成分為胃腸壁內的神經(jīng)元，它可以通過迷走神經(jīng)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)進行溝通，迷走神經(jīng)是機體內分布最長、最廣的腦神經(jīng)，可以支配絕大部分呼吸和消化系統(tǒng)器官，同時負責感覺、運動以及腺體分泌。迷走神經(jīng)傳入神經(jīng)在十二指腸固有層、空腸絨毛以及利貝昆氏腺(Lieberkuhn)隱窩中分布廣泛[14]，迷走神經(jīng)能調節(jié)血清素、γ-氨基丁酸、c-Fos蛋白等的表達量，并能將腸道菌群釋放的信號分子傳遞到大腦中，調節(jié)腦功能、動物焦慮和抑郁行為[15]。Bravo等[16]研究表明，攝入益生菌后小鼠焦慮的情緒和抑郁的行為得到改善，大腦中γ-氨基丁酸受體表達量增加，切斷迷走神經(jīng)后，改善作用減弱甚至消失，說明這種改善作用可能是由迷走神經(jīng)介導的。腸神經(jīng)系統(tǒng)與迷走神經(jīng)之間通過突觸連接組成“腸道菌群-腸神經(jīng)-迷走神經(jīng)-腦”信息傳遞途徑[17]。德國研究表明，腸道菌群代謝產(chǎn)生的短鏈脂肪作為信使物質，經(jīng)過血液到達大腦，促進小膠質細胞的發(fā)育和生長，增強大腦的免疫功能[18]。一般認為，動物的思想和情緒等是由大腦所控制的，而且以往研究微生物-腸-腦軸的側重點多在于其在胃腸道疾病等方面的作用，但在現(xiàn)代科學研究中發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可以通過此軸調節(jié)大腦部分功能并影響動物機體的行為[19-20]，腸道微生物的組成和多樣性又可以通過運動來調節(jié)[21]。因此，越來越多的研究將關注微生物-腸-腦軸對神經(jīng)發(fā)育的潛在影響。

1.2 內分泌調節(jié)途徑

腸道微生物既可以使腸壁內分泌細胞釋放一些激素類物質，如促腎上腺皮質激素釋放因子、腎上腺皮質酮和腦腸肽等，這些物質通過外周循環(huán)系統(tǒng)作用于腦[22]，也可以通過調節(jié)釋放一些多肽類物質，如胃泌素、胰多肽、促胰蛋白酶肽和瘦素等，調節(jié)宿主的饑餓攝食、能量維持以及作息節(jié)律等多種行為[23]。反之，胃腸道內存在的微生物菌群通過合成生長抑制激素、乙酰膽堿或孕酮等內分泌激素，可以主動識別宿主體內的同源性受體，當腸道內外相應的激素達到一定濃度水平時，便可以調控宿主的神經(jīng)電生理過程[24]。乙酰膽堿、兒茶酚胺、血清素和組胺等是主要的神經(jīng)遞質。這些神經(jīng)遞質不僅存在于人類和動物體內，還存在于植物和微生物中[25]。兒茶酚胺類激素是能夠促進細菌生長的神經(jīng)遞質，主要包括多巴胺、去甲腎上腺素和腎上腺素等，其中去甲腎上腺素促生長效果比較好，體內超過50%去甲腎上腺素是由腸道神經(jīng)系統(tǒng)分泌的，并且直接作用于腸道微生物，在維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮一定的作用[24]。腸道菌群可通過下丘腦-垂體-腎上腺軸（HPA軸）發(fā)揮作用，Crumey?rolle-arias等[26]的一項研究發(fā)現(xiàn)，與SPF大鼠相比，無菌加劇了大鼠在急性應激情況下的焦慮行為，并且下丘腦-垂體-腎上腺軸內分泌活性變得更高。這證明了腸道微生物對機體內分泌系統(tǒng)有一定的影響。

1.3 免疫調節(jié)途徑

腸道微生物還可以通過免疫系統(tǒng)的激活，使中樞神經(jīng)系統(tǒng)與其之間啟動雙向溝通[27]。大量研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物代謝底物及產(chǎn)物，可以改變體循環(huán)中促炎和抗炎因子的表達水平，影響大腦功能。比如，腸道微生物代謝產(chǎn)生的丁酸可誘導腸道T淋巴細胞分化，減少炎癥反應，緩解結腸炎[28]。細胞因子可作為免疫信號分子調控神經(jīng)性紊亂病變和心理學疾病，如焦慮、抑郁、認知行為等。研究表明，外周血中IL-1、IL-6、TNF等炎癥細胞因子通過自由擴散和轉運蛋白轉運通過血腦屏障，進入腦組織，進而改變大腦中神經(jīng)元的活化狀態(tài)導致抑郁[29]。哺乳動物m iRNA已被證明是調節(jié)宿主基因表達的重要因子，并參與宿主細胞分裂和免疫反應等。研究表明，腸上皮細胞內的m iRNA可以調節(jié)杯狀細胞的分化并增強寄生蟲感染誘導的Th2型免疫應答，共生細菌可以誘導宿主m iRNA的表達，但具體機制尚不明確，推測它與共生細菌的物質代謝，表面抗原和腸道菌群-宿主相互作用有關[30]。

2 微生物-腸-腦軸信號

目前來源于腸道微生物并影響腸上皮的信號因子已經(jīng)被廣泛研究，包括Toll樣受體信號傳導[31-32]和通過二肽或三肽信號傳導的機制，例如N-甲酰甲硫酰-亮氨酰-苯丙氨酸[33]。然而，如上所述，微生物產(chǎn)生的一系列信號分子，可以與其他微生物的受體以及宿主細胞的受體相互作用。通過這些不同的轉導機制，腸道微生物群通過內分泌，免疫和神經(jīng)信號傳導機制影響神經(jīng)系統(tǒng)。比如，碳水化合物在大腸經(jīng)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈揮發(fā)酸（SCFAs）可以通過很多途徑來調節(jié)腸-腦軸的作用[34-36]。靶向自誘導信號分子(Autoinducer-3)可以刺激真核細胞表面的腎上腺素受體，而人腸上皮細胞的表面則存在α-2受體。信號通過α-2腎上腺素受體傳導是細菌抑制腸道分泌的一種機制，危及宿主排除病原體的能力[37]。

雖然健康和患病狀態(tài)下腸微生物群對宿主信號傳導的作用已經(jīng)被廣泛研究，包括運動性、分泌性和免疫功能，但是目前胃腸道和神經(jīng)系統(tǒng)之間的微生物信號之間直接的傳導作用研究并不廣泛。微生物信號分子可以在腸通透性增強的情況下（例如，在炎癥或應激期間）直接與傳入神經(jīng)末端相互作用，或者它們的信號可以通過上皮中的“轉導細胞”傳遞到腸壁內的神經(jīng)元。腸道嗜鉻細胞作為腸道中傳入神經(jīng)末梢信號的傳感器可以用于這方面的研究。有研究顯示，GF小鼠血清中5-HT水平顯著低于SPF小鼠[38]，腸道中的芽孢菌能夠促進結腸嗜鉻細胞分泌5-HT[39]。5-羥色胺是一種抑制性神經(jīng)遞質[40]，作用于大腦中的某些信號轉導通路，影響宿主記憶、情緒、性格和行為的表達。

3 微生物-腸-腦軸對營養(yǎng)物質的感應

自主神經(jīng)系統(tǒng)會介導中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腸道間的通信，交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)都屬于自主神經(jīng)系統(tǒng)，它們在調節(jié)腸道功能方面具有突出的作用。它可以調節(jié)腸胃運動，調節(jié)腸胃中的酸分泌以及對腸道免疫應答也有極大影響[41]。自主神經(jīng)系統(tǒng)介導的黏液分泌調節(jié)對腸道黏液層的大小和質量有極其重要的作用，它通過影響上皮細胞的反應直接參與腸道內免疫細胞的免疫激活。這表明神經(jīng)會影響營養(yǎng)物質的代謝和宿主的免疫應答。腸道中存在參與微生物蛋白質合成、核酸代謝、能量供應及其他細胞內代謝過程的多種不同微生物，它們對氨基酸的利用能力不盡相同，它們可以利用腸腔中游離的短肽和氨基酸作為氮源參與代謝過程。腸道中的擬桿菌屬、丙酸菌屬、梭菌屬、鏈球菌屬、乳桿菌屬等主要起到降解蛋白質的作用。有研究表明，豬空腸或回腸的某些革蘭氏陰性菌，如Klebsiella spp和Prevotella spp，可以有選擇性的氧化賴氨酸(Lys)、蘇氨酸(Thr)和精氨酸(Arg)，Kleb?siella spp還可以合成谷氨酰胺(Gln)、亮氨酸(Leu)和異亮氨酸(Ile)等[42-43]。氨基酸通過腸道菌群的代謝可以為宿主提供營養(yǎng)來源，也可以作為信號分子調節(jié)腸道或者機體的各項生理活動。蛋白質在腸腔內通過各種蛋白酶消化后，其產(chǎn)生的短肽或氨基酸，可以被腸腔壁的上皮細胞表面分布的受體識別。有研究表明，腸上皮細胞表面的味覺受體1和3(T1R1/TIR3)異二聚體受體可以感應腸內腔的色氨酸，激活受體的磷酸化過程，將下游信號傳遞至哺乳動物細胞mTOR信號分子，激發(fā)細胞的DNA轉錄和蛋白質合成[44]。谷氨酸能夠作為味覺受體1和3(T1R1/TIR3)的配體參與營養(yǎng)物質的感應，而且，谷氨酸也是一種神經(jīng)傳導遞質，谷氨酸的增加可以顯著促進腹腔迷走神經(jīng)的傳入神經(jīng)活性，調節(jié)神經(jīng)行為[45]。在腸道內，氨基酸作為配體，不僅參與mTOR信號的活化，也參與飽感激素的調控，調節(jié)宿主的飲食。G蛋白偶聯(lián)受體93(GPR93)、鈣敏感受體(CaSR)等對不同氨基酸的識別可以促使小腸腸壁細胞分泌調節(jié)性的腦腸肽。同時，研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物能夠通過各類自身分泌的蛋白酶代謝腸腔內的蛋白質，產(chǎn)生宿主自身不能合成的肽類物質，如精氨酰谷氨酰胺Arg-Gln和丙氨酰丙氨酸Ala-Ala[46]。已有研究表明豬空腸上皮細胞能夠表達二肽轉運體小肽轉運蛋白(PepT1)[47]，并具有轉運某些三肽的能力。Ai?to-inoue M等[48]對斷奶仔豬進行研究，其結果顯示小腸上皮細胞對二肽丙氨酰谷氨酰胺Ala-Gln和甘氨酰谷氨酰胺Gly-Gln的吸收效率高于谷氨酰胺Gln單體。所以說經(jīng)過微生物代謝過程，生成的某些小肽類物質可能會經(jīng)過小腸上皮肽類的轉運系統(tǒng)影響到機體的代謝過程。

動物剛出生腸道菌群與其宿主就有了相互作用，微生物及其代謝物促進宿主進化和功能成熟[49]。腸道菌群在食物和外源物質的代謝中產(chǎn)生大量小分子，這些小分子在宿主細胞與微生物之間起著信息傳遞的作用[50]。正常的腸道微生物可以利用腸道中的氮源來合成微生物蛋白，為動物提供蛋白質。后腸中的微生物可以發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生短鏈揮發(fā)酸（SC?FAs）[1]，如乙酸、丙酸等，SCFAs也可由蛋白質降解和氨基酸發(fā)酵產(chǎn)生。腸道微生物還可利用日糧中未被消化的蛋白質和碳水化合物等物質，生成一些代謝產(chǎn)物，包括生物胺、吲哚、3-甲基吲哚和酚類等物質[51]，這些代謝產(chǎn)物可以刺激交感神經(jīng)及自主交感神經(jīng)，并可以調節(jié)血腦屏障，影響腦的發(fā)育，其次，還可以作用于腸道，調節(jié)腸道內分泌，反向作用與腸-腦軸影響機體的健康。研究發(fā)現(xiàn)，高蛋白質飼糧(19.8%或20.1%粗蛋白質)攝入的斷奶仔豬同低蛋白質飼糧(14.5%或14.8%粗蛋白質)攝入的仔豬相比，結腸食糜中腐胺、亞精胺、支鏈脂肪酸、組胺和氨氮的濃度，結腸IL-1β、IL-10、轉化生子因子-β(TGF-β)、黏蛋白 MUC1、MUC2、MUC20的基因表達量顯著增加，食糜中柔嫩梭菌群細菌豐度增加，而飼糧中可發(fā)酵碳水化合物添加量增加后，毒性物質(如亞精胺、組胺)濃度降低，炎癥因子表達沒有顯著上調，球形梭菌(Clostridium coccoides)的豐度顯著增加[52]。說明了這些微生物會通過各種方式參與腸-腦軸，與其共同完成對宿主的代謝活動。

“微生物-腸-腦軸”是一個多組分概念模型，描述連接大腦認知與腸道內分泌，神經(jīng)和免疫系統(tǒng)的雙向應答機制。這種雙向的腸-腦相互作用參與許多重要功能的調節(jié)。在健康中，腸-腦相互作用有助于消化過程的調節(jié)，包括胃腸運動功能，分泌、吸收以及調節(jié)食物攝入，調節(jié)腸相關免疫系統(tǒng)，同時身體的狀態(tài)和情緒也會影響胃腸道。在疾病中，改變的腸-腦信號和相互作用可能是各種厭食，惡心和嘔吐，功能性胃腸疾病如消化不良和腸易激綜合征的病理生理學基礎，到系統(tǒng)性免疫或情緒障礙。但是目前，大腦和腸道菌群雙向調控功能的研究主要采用鼠作為研究對象，在豬上鮮有研究，通過營養(yǎng)手段調控腸道內環(huán)境和機體健康代謝還有待進一步研究。豬在解剖學和生理學方面與人類高度相似[41]，以豬為動物模型，研究腸道微生物及其代謝產(chǎn)物對機體生理功能的調控、對免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內分泌系統(tǒng)等的影響，有助于闡明微生物與宿主之間的關系，并且對人疾病和健康相關研究有十分重要的意義。