車思艷 王 妮 吳苗苗

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,長沙 410128)

腸道是豬的內(nèi)臟器官之一,是消化吸收營養(yǎng)物質(zhì)的重要場所,維持其正常功能對豬的生長發(fā)育至關(guān)重要。豬的腸道屏障按照組成成分和功能可分為機(jī)械屏障、化學(xué)屏障、微生物屏障和免疫屏障,這些屏障之間相互作用和支持,形成一種具有選擇性滲透的“過濾器”。一方面,腸道屏障允許所需要的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入到內(nèi)環(huán)境與循環(huán)系統(tǒng)中;另一方面,腸道屏障能抵御腸腔中細(xì)菌、抗原物質(zhì)及內(nèi)毒素等的入侵,以保持腸道的穩(wěn)態(tài),維護(hù)機(jī)體健康[1]。在整個生命周期中,豬的腸道屏障功能都與其生命質(zhì)量密切相關(guān),屏障功能障礙造成的不良后果包括全身感染、免疫力下降及生長遲緩等,給養(yǎng)豬業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[2-5]。因此,腸道健康對豬生長發(fā)育的影響一直是學(xué)術(shù)研究的重要焦點(diǎn),Kim等[6]報(bào)道,在研究影響豬生長的因素中,對腸道健康的關(guān)注程度(大于40%)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他因素。

腸道黏液層屬于腸道化學(xué)屏障,由黏蛋白與水結(jié)合形成,呈凝膠狀覆蓋于腸道上皮細(xì)胞表面。小腸中的黏液層是易于移動的單層疏松黏液,便于營養(yǎng)物質(zhì)通過并被上皮細(xì)胞吸收;大腸中的黏液層是雙層黏液層,內(nèi)層黏液牢固地附著在上皮細(xì)胞上,形成致密的保護(hù)層,在腸上皮表面形成無菌區(qū)[7],而外層黏液層則相對松散,流動性較強(qiáng)。疏松的黏液層不僅僅為腸道有益共生菌提供了生存條件,同時(shí)也為入侵的致病菌和腸道內(nèi)條件致病菌提供了附著位點(diǎn),有利于這些有害菌群的生長繁殖[8]。此外,黏液層中還分布了大量抗菌物質(zhì)比如磷脂酶A2-ⅡA、溶菌酶惡性腦腫瘤缺失蛋白1(deleted in malignant brain tumor protein 1,DMBT1)和防御素等[7],能保護(hù)小腸上皮細(xì)胞免受致病微生物的侵襲。同時(shí),由漿細(xì)胞分泌的分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A,sIgA)在黏液層中能夠結(jié)合腸道內(nèi)的病原體如致病菌、毒素等形成免疫復(fù)合物,進(jìn)而被巨噬細(xì)胞吞噬清除[9]。綜上可知,腸道的黏液層同時(shí)兼顧維持微生物生存和腸上皮完整性的功能,并提供免疫應(yīng)答所需條件,在腸道屏障中發(fā)揮著核心作用。本文聚焦于豬的腸道黏液屏障,綜述了黏液層的組成及功能,并對豬黏液層的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié),同時(shí)論述了一些可能用于調(diào)控豬黏液屏障的營養(yǎng)物質(zhì),旨在強(qiáng)調(diào)豬黏液屏障對豬腸道健康的重要性,為進(jìn)一步研究豬的腸道屏障提供參考。

1 豬的腸道黏液屏障

1.1 豬的腸道黏液層組成

豬的小腸和大腸黏液層結(jié)構(gòu)不同。小腸中的黏液層是疏松多孔隙的,充滿于腸絨毛腔隙之間,可容許大分子穿透,為營養(yǎng)物質(zhì)的吸收提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),但這也意味著像細(xì)菌一樣大的顆?？梢暂p易穿透黏液層,并入侵腸上皮[10]。為了預(yù)防病原菌的入侵,小腸黏液中含有濃度相對高的抗菌成分,包括防御素和sIgA等,這些成分從管腔到上皮濃度逐漸升高,從而避免細(xì)菌接觸上皮細(xì)胞,發(fā)揮免疫保護(hù)作用[11]。大腸黏液層則由疏松且流動性強(qiáng)的外層以及緊密附著在腸上皮細(xì)胞的內(nèi)層構(gòu)成,外層黏液層結(jié)構(gòu)與小腸黏液層類似,其中可見大量共生菌定植[12],菌群密度為108～1010個/cm3;而結(jié)腸內(nèi)層黏液層緊密附著于腸上皮細(xì)胞,孔隙更小,可阻擋直徑大于0.5 μm的顆粒通過,因此結(jié)腸內(nèi)層黏液層幾乎沒有菌群分布[13]。除了宏觀結(jié)構(gòu)不同外,大腸和小腸黏液層黏液的微觀組分也有差別,如小腸段的黏液中消化和吸收的功能性蛋白質(zhì)含量較高,而大腸段的黏液中含有更多O糖基化的黏蛋白、免疫因子和抗菌肽等。另外,不同腸段的黏液水分也有差異,小腸黏液中水分占比77.7%～91.0%,而大腸黏液中水分占比則高達(dá)87.7%～94.5%[14]。

1.2 豬的腸道黏液層功能

豬的腸道黏液層最直接的功能是隔離和潤滑。黏液層具有一定的厚度,附著在上皮細(xì)胞上,能夠隔離食糜、糞便與腸上皮直接接觸,避免腸道蠕動時(shí)內(nèi)容物對腸上皮造成的機(jī)械損傷。此外,黏蛋白聚糖容易與水結(jié)合,具有保濕和潤滑性能,能夠保護(hù)上皮細(xì)胞在腸蠕動過程中免受脫水和機(jī)械壓力的影響[15-16]。在小腸中,黏液層黏液將顆粒包裹后進(jìn)行運(yùn)輸,對該區(qū)域的吸收功能具有重要的意義[10]。在大腸中,內(nèi)層黏液層通過分層將共生菌群或病原體截留在外部黏液層[17-18],外層黏液層則通過為細(xì)菌提供結(jié)合位點(diǎn)和其生長代謝所需的能量將細(xì)菌束縛在此處[19],共同協(xié)同隔絕共生菌與上皮細(xì)胞接觸。同時(shí),外層黏液層還能通過快速周轉(zhuǎn)清除細(xì)菌,當(dāng)黏蛋白從杯狀細(xì)胞合成分泌后,能夠經(jīng)過蛋白酶的水解發(fā)生體積膨脹并與細(xì)菌結(jié)合,之后流入到管腔中,結(jié)合后的細(xì)菌會隨著腸蠕動從腸道排除,且這個更新過程僅僅只需要幾個小時(shí)[15,20]。杯狀細(xì)胞除了分泌黏液,同時(shí)產(chǎn)生的抵抗素樣分子-β(resistin-like molecule-β,RELM-β)會隨黏液擴(kuò)散,可直接殺死滲透到黏液層的病原體[21]。此外,腸道黏液層黏液還是腸黏膜免疫屏障的一部分。黏蛋白暴露的化學(xué)基團(tuán)與腸道上皮的表面結(jié)構(gòu)相似,細(xì)菌很容易識別和附著。研究表明,黏蛋白2(mucin 2,MUC2)與腔內(nèi)抗原(如細(xì)菌)結(jié)合,并與樹突狀細(xì)胞(dendritic cells,DCs)反應(yīng)以激活免疫反應(yīng)[22]。當(dāng)腸道內(nèi)抗原被DCs識別后,會刺激輔助性T淋巴細(xì)胞(helper T lymphocyte,Th)分泌多種淋巴因子,誘導(dǎo)B淋巴細(xì)胞分化增殖產(chǎn)生大量sIgA釋放到黏液層,并與致病菌或病毒結(jié)合引起聚集,使細(xì)菌在黏液中擴(kuò)散減慢和流動性降低,從而減少細(xì)菌對腸道免疫系統(tǒng)的影響[23]。黏液還可以作為腸腔的清潔劑,腸道中流動的黏液可將碎片物質(zhì)與細(xì)菌結(jié)合、收集并沖走,從而清除腸腔細(xì)菌[24]。

2 調(diào)控豬腸道黏液屏障的重要意義

健康的豬腸道黏液屏障對維持腸道的微生物穩(wěn)態(tài)、營養(yǎng)吸收功能以及免疫應(yīng)答至關(guān)重要。下文將結(jié)合豬腸道黏液層功能,論述腸道黏液屏障的調(diào)控在改善妊娠后期母豬便秘、提高仔豬腸道免疫功能以及促進(jìn)腸道微生物定植過程中的作用。

2.1 改善妊娠后期母豬便秘

母豬便秘是目前規(guī)?；?、集約化生豬養(yǎng)殖存在的一種非常普遍的現(xiàn)象,其發(fā)生率較高,嚴(yán)重威脅基礎(chǔ)母豬群的健康和生產(chǎn)性能,已經(jīng)成為豬場提高生產(chǎn)水平的瓶頸之一[25]。引起妊娠后期母豬便秘的因素很多,例如代謝變化、腎上腺激素分泌增加、飼糧缺乏某種養(yǎng)分、水分?jǐn)z入不足以及運(yùn)動減少等[26]。然而,便秘的最直接原因是腸道蠕動緩慢和糞便干結(jié)所致。腸道中黏液分泌減少時(shí),腸道蠕動會受阻,糞便停留在結(jié)腸內(nèi)被重復(fù)吸收水分,引起糞便干結(jié),從而導(dǎo)致動物便秘的發(fā)生[27]。豬的腸道黏液層主要由MUC2構(gòu)成,具有多聚糖結(jié)構(gòu),能夠形成親水端與水結(jié)合形成黏液,除了能增加潤滑程度外,這些黏液還能在近端升結(jié)腸中對食物殘?jiān)M(jìn)行包裹,形成濕潤的糞便顆粒,便于腸道蠕動。同時(shí),被黏液包裹后的糞便顆粒便于微生物附著,有利于微生物進(jìn)一步對食物殘?jiān)械奈镔|(zhì)進(jìn)行分解利用,形成更細(xì)的殘?jiān)谂懦齕28](圖1)。因此,通過調(diào)控母豬腸道中黏液屏障,促進(jìn)妊娠后期母豬腸道黏液分泌,可能是解決母豬妊娠后期便秘的有效手段之一。

①:黏液層為分泌型免疫球蛋白A等免疫物質(zhì)提供反應(yīng)條件;②:黏液層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)包裹微生物將其束縛在外層黏液層,糞便顆粒被黏液包被利于微生物分解。

2.2 促進(jìn)腸道微生物定植

近年來,對豬腸道微生物的研究越來越受到重視,通過調(diào)控豬的腸道微生物可以達(dá)到促進(jìn)仔豬生長、提高抗逆性以及改善肉品質(zhì)等目的[29]。與其他哺乳動物相似,健康豬的腸道微生物在不同腸段的組成不同,其中回腸主要由厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)定植,而盲腸和結(jié)腸中以擬桿菌門(Bacteroidetes)的豐度相對較高,且結(jié)腸腔內(nèi)擬桿菌門的豐度(40.09%)遠(yuǎn)高于小腸(1.69%)[30]。此外,豬腸道內(nèi)的細(xì)菌分布受多種因素影響,包括飼糧成分、氧氣梯度、腸道黏液、抗菌劑及宿主免疫等。腸道黏液的成分對腸道菌群組成十分重要,將腹瀉仔豬腸道黏液與健康仔豬腸道黏液進(jìn)行發(fā)酵后對比微生物組成發(fā)現(xiàn),腹瀉仔豬腸道黏液發(fā)酵后脫硫桿菌門(Desulfobacterota)的豐度顯著提高,而梭桿菌門(Fusobacteriota)的豐度顯著降低[31],表明黏液腸道對塑造豬的腸道微生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要。黏蛋白是一類高度糖基化的蛋白質(zhì),其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)主要由絲氨酸、蘇氨酸和脯氨酸構(gòu)成的多肽支架和O型寡糖鏈組成,其中,聚糖結(jié)構(gòu)是腸道微生物的主要能量來源,能夠滿足腸道微生物的生長繁育[32];同時(shí),黏蛋白的寡糖側(cè)鏈?zhǔn)羌?xì)菌纖毛和菌毛的定植受體,肽鏈骨架則形成微生物定植的腳手架,這些特征是腸道共生菌定植于黏液層的基礎(chǔ)[33]。因此,腸道黏液層對菌群的定植和生長有決定性的作用,在研究豬腸道微生物功能時(shí),如進(jìn)行豬糞菌移植或益生菌灌服等,腸道黏液層可作為重要的考慮因素,以保證試驗(yàn)順利進(jìn)行;另外,也可通過靶向調(diào)控黏液層結(jié)構(gòu),重塑微生物組成,達(dá)到調(diào)控腸道微生物-代謝軸的目的。

2.3 提高斷奶仔豬腸道免疫功能

仔豬斷奶是養(yǎng)豬業(yè)中關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié)之一[34]。在自然環(huán)境下,仔豬斷奶一般是自2月齡左右開始,持續(xù)1個月左右的時(shí)間才結(jié)束。然而,在現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)中,為了降低飼養(yǎng)成本,提高母豬繁育效率,將仔豬的斷奶日齡提前至3周齡甚至更早,這種斷奶方式使仔豬沒有一個漸進(jìn)脫離母乳的過程,常會引發(fā)仔豬的斷奶應(yīng)激[35]。早期的研究提示,斷奶應(yīng)激仔豬腸道黏液屏障變薄,腸道通透性增加,病原體滲透并引起腸道免疫失調(diào),導(dǎo)致腸道功能紊亂[36]。黏液屏障功能紊亂后,豬腸道固有免疫應(yīng)答主要由肥大細(xì)胞(mast cells,MCs)和DCs介導(dǎo);當(dāng)黏液分泌或合成功能受損時(shí),稀薄的腸道黏液無法與腸道運(yùn)動協(xié)同移除腸道中的有害物質(zhì),如細(xì)菌毒素、未消化的氮化合物等,也無法為抗菌肽、半乳糖凝集素提供反應(yīng)條件,以至于其無法發(fā)揮屏障功能以防止致病微生物和食源性過敏原等與上皮細(xì)胞密切接觸[22]。此時(shí),仔豬的促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子釋放,激活MCs釋放更多類胰蛋白酶,并激活腸上皮細(xì)胞蛋白酶激活受體2(protease-activated receptor 2,PAR2),增加腸道通透性并促進(jìn)腸道炎癥發(fā)展[36-38]。當(dāng)腸道內(nèi)有充足的黏液時(shí),黏液對病原微生物的包被作用使其更易被DCs感知。同時(shí),黏液能對一些小分子可溶性抗原進(jìn)行加工,通過杯狀細(xì)胞傳遞給DCs,由DCs啟動進(jìn)一步的固有免疫應(yīng)答[39]。如圖2所示,仔豬黏液與腸道適應(yīng)性免疫應(yīng)答的關(guān)系尚不清楚,但從其他模式動物研究結(jié)果得知,黏蛋白分泌缺陷后,動物腸道Th1和Th17增加,調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cell,Treg)減少,這是由于缺乏高糖基化MUC2所致;這類黏蛋白被DCs攝取后,能干擾DCs促炎細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)錄表達(dá),進(jìn)而減少Th1和Th17分化[22]。因此,豬的腸道黏液也具有調(diào)節(jié)腸道T細(xì)胞結(jié)構(gòu)、維持腸道免疫細(xì)胞穩(wěn)態(tài)以及促進(jìn)仔豬適應(yīng)性免疫應(yīng)答的潛能。綜上所述,豬的黏液層能起到有效阻隔病原體和調(diào)節(jié)免疫功能的作用,可作為緩解仔豬斷奶應(yīng)激的關(guān)鍵靶點(diǎn),對緩解仔豬斷奶應(yīng)激和改善腸道健康具有重要意義。

①:跨上皮樹突狀細(xì)胞感知黏蛋白2包被細(xì)菌;②:杯狀細(xì)胞感知相關(guān)可溶性小分子抗原,信號傳遞給樹突狀細(xì)胞,樹突狀細(xì)胞激活后可能誘導(dǎo)輔助性T淋巴細(xì)胞1和輔助性T淋巴細(xì)胞17分化,并抑制調(diào)節(jié)性T細(xì)胞分化;③:當(dāng)黏液層變薄后,上皮細(xì)胞感知病原入侵,分泌腎上腺皮質(zhì)激素激活腸上皮細(xì)胞蛋白酶激活受體2,誘導(dǎo)肥大細(xì)胞分泌類胰蛋白酶,破環(huán)上皮連接,增加腸道滲透性。

3 腸道黏液屏障的營養(yǎng)調(diào)控

腸道黏液屏障不是靜態(tài)的屏障,而是不斷進(jìn)行動態(tài)更新。早期研究顯示,小鼠遠(yuǎn)端結(jié)腸黏液層每1～2 h更新1次,自發(fā)生長速度約為100 μm/h[40],而人類黏液層自發(fā)生長的速度約為240 μm/h[41]。因此,保持杯狀細(xì)胞持續(xù)分泌黏蛋白是保證黏液屏障結(jié)構(gòu)完整和功能正常的關(guān)鍵因素。目前已經(jīng)明確,營養(yǎng)干預(yù)促進(jìn)杯狀細(xì)胞分泌黏蛋白是安全有效的調(diào)控方法,研究發(fā)現(xiàn),很多成分包括益生菌、植物提取物、氨基酸及其衍生物、功能性脂肪酸以及其他成分如酸化劑、聚糖等具有調(diào)控豬腸道黏液屏障的潛力(表1)。益生菌能通過增加黏蛋白表達(dá)來增強(qiáng)黏液屏障的保護(hù)功能,例如乳桿菌屬(Lactobacillus)能夠刺激人腸上皮杯狀細(xì)胞產(chǎn)生和分泌MUC2[42]。此外,某些益生菌可通過產(chǎn)生代謝產(chǎn)物如短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)影響腸道黏液特性,并通過釋放微生物相關(guān)分子模式(microbe-associated molecular patterns,MAMPs)以及產(chǎn)生醋酸鹽和丁酸鹽促進(jìn)黏液分泌并增加黏液層厚度。此外,SCFAs還能通過降低腸道黏液pH抑制某些有害致病菌的生長。革蘭氏陰性菌的純化鞭毛蛋白、脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)也能上調(diào)黏蛋白的表達(dá),促進(jìn)杯狀細(xì)胞的黏液分泌[43]。植物提取物如大黃提取物通過刺激結(jié)腸黏液的產(chǎn)生來緩解便秘[44]。在復(fù)雜的植物提取成分中,酚酸和黃酮是改善豬腸道黏液屏障最具潛力的活性物質(zhì),因?yàn)轱暭Z中90%～95%的酚酸和黃酮不會被小腸吸收而是在大腸中積累,所以酚酸和黃酮對大腸黏液屏障的保護(hù)效果備受關(guān)注。目前已經(jīng)證明,多種植物酚酸和黃酮可以恢復(fù)MUC2合成和杯狀細(xì)胞缺失,如葛根素[45]、純化蘆丁[46]和綠原酸[47]等。在生命早期補(bǔ)充多酚類物質(zhì)對黏液屏障的增強(qiáng)效果更佳,葡萄中提取的酚類物質(zhì)在3周齡小鼠中對MUC2的促進(jìn)效果高于在6周齡小鼠中,原因在于多酚對早期結(jié)腸菌群組成具有更強(qiáng)的塑造作用,并且主要通過提高阿克曼菌屬(Akkermansia)和乳桿菌屬的豐度產(chǎn)生較高的丁酸鹽,以此來促進(jìn)MUC2的合成和分泌[48]。研究發(fā)現(xiàn),通過21 d補(bǔ)充葡萄多酚(5 g/kg)改變了肉雞的腸道黏蛋白組成,而這種變化可能是通過改變大腸桿菌(Escherichiacoli)和乳桿菌屬的豐度來實(shí)現(xiàn)的[49]。氨基酸及其衍生物和脂肪酸補(bǔ)充劑可通過影響杯狀細(xì)胞的數(shù)量以及其分泌功能來調(diào)控腸道黏液層厚度。研究發(fā)現(xiàn),相對標(biāo)準(zhǔn)飲食,富含氨基酸的飲食能有效緩解葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸黏液降解,保持黏液層厚度[50];高絲氨酸的飼糧能促進(jìn)白羽肉雞十二指腸和空腸中段黏蛋白的分泌[51];亮氨酸、精氨酸、丙氨酸以及谷氨酰胺補(bǔ)充劑則能增加杯狀細(xì)胞的數(shù)量[52-54];色氨酸衍生的細(xì)菌代謝物——色胺能通過激活G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor,GPCR)和5-羥色胺4受體(5-hydroxytryptamine 4 receptor,5-HT4R)刺激杯狀細(xì)胞釋放黏液[55]。此外,脂肪酸的合成過程與黏蛋白的分泌相關(guān),脂肪合成酶是MUC2生成過程中棕S-棕櫚酰化所必須的[56],ω-3多不飽和脂肪酸與SCFAs如丁酸等能刺激杯狀細(xì)胞產(chǎn)生MUC2[57-58]。

表1 腸道黏液屏障的營養(yǎng)調(diào)控

4 小 結(jié)

腸道黏液層是腸道屏障的核心,具有同時(shí)支持其他三類腸道屏障的功能。豬腸道黏液屏障對豬生長發(fā)育至關(guān)重要,將成為研究緩解仔豬斷奶應(yīng)激和母豬便秘以及調(diào)控腸道微生物功能的潛在靶標(biāo)。未來可通過營養(yǎng)調(diào)控手段輔以功能性氨基酸、脂肪酸、植物提取物以及益生菌等補(bǔ)充劑改善腸道黏液屏障功能,并促進(jìn)腸道對應(yīng)激的防御力,從而對腸道健康產(chǎn)生有益的影響。