丁酸梭菌與動物腸道互作機理的研究進展

王 倩， 朱 琪， 晏 凱， 梁東梅， 楊卓婧， 喬家運*

（1.天津師范大學生命科學學院，天津 300387；2.天津市畜牧獸醫研究所，天津 300381；3.天津市南開區疾病預防控制中心，天津 300000；4.河南省洛陽市動物衛生監督所，河南洛陽 471000）

丁酸梭菌，即酪酸梭菌，又稱酪酸梭狀芽孢桿菌，嚴格厭氧，是1933年由本千葉醫科大學宮入近治博士首先發現并報告的，因此又名宮入菌。丁酸梭菌為梭狀芽孢桿菌，菌體呈直桿狀或稍有彎曲，內生芽孢，兩端呈鈍圓，周生有鞭毛，具運動性，革蘭氏染色為陽性（易中華，2012；李雄彪等，2006）。該菌是人和動物腸道中共存的微生物，對于維持腸道的正常活動具有十分重要的生理意義（謝樹貴等，2007）。從20世紀40年代開始，日本等國將其作為整腸劑用于調理人體胃腸功能 （杜云平等，2009）。后來將其作為獸藥，用于治療畜禽腸道菌群紊亂，提高畜禽的生產力 （唐寶英等，2000）。丁酸梭菌作為一種厭氧芽孢桿菌，具有耐熱、胃酸、膽鹽的抗逆性等多種優良特性，可產生丁酸、乙酸等代謝產物（張善亭等，2013；張曉陽等，2012），正在成為目前飼用益生菌產品中的一個很有潛力的品種，有著良好的應用前景。

本文主要針對丁酸梭菌與動物腸道的互作機理進行綜述，并展望丁酸梭菌今后的研發趨勢，以期為丁酸梭菌進一步的應用提供理論基礎。

1 調節腸道菌群

丁酸梭菌代謝過程主要產物為丁酸，其可以為腸道細胞正常生長提供必需的營養物質（Pryde等，2002），同時丁酸還能夠抑制腸道內有害菌群的生長繁殖，進而起到促進腸道內有益菌群增殖的 作 用 （Lupton，2004；Aso 等 ，1995）。 高 權 新（2012）通過“spot-on-the-lawn”方法研究了丁酸梭菌及其代謝產物對大腸桿菌生長的抑制作用，結果表明，丁酸梭菌及其代謝產物對大腸桿菌的活力有明顯的抑制作用，但是將培養丁酸梭菌后的MRS培養基（SCS）的pH調到7以后，抑制效果就會顯著降低，這說明丁酸梭菌的抑菌作用主要是通過代謝產物丁酸作用的發揮。

丁酸梭菌調節腸道菌群的另外一個機制是其能夠產生抗菌肽等抗菌物質。抗菌肽是生物機體內能夠誘導產生的一類具有抗菌作用的生物活性肽，通過抑菌作用來調節腸道菌群的穩定（Li等，2012）。王騰浩等（2015）通過試驗分離純化得到丁酸梭菌抗菌肽，證明起抑菌作用的是抗菌肽。Konisky（1982）指出，經抗菌肽處理的細胞，其DNA、RNA和蛋白質的合成被抑制，且其F1F0-ATPase活性也被抑制，ATP濃度降低，細胞內的K+外流。當用低濃度的抗菌肽處理巴斯德梭狀芽孢桿菌后，會使細胞內的K+外流，但是不會破壞其膜電勢；當用高濃度的抗菌肽處理后，巴斯德梭狀芽孢桿菌膜電勢被消除，K+的主動吸收也被破壞，因此其生長受到抑制。

2 細菌定植

丁酸梭菌對于腸道具有高黏附作用，這一屬性對腸道微生物菌群的平衡、腸道細菌酶活性的穩定和腸的滲透性至關重要，其可以進一步促進對腸道病原體的競爭排除（Gibson等，1994）。丁酸梭菌可以通過黏附到腸道上皮細胞，對致病菌產生黏附競爭性抑制，在一定程度上降低致病菌的增殖。宋增福等（2006）利用魚的腸道上皮細胞，以水產致病菌鰻弧菌為對照，研究丁酸梭菌對鰻弧菌的黏附抑制作用，結果表明，當丁酸梭菌和鰻弧菌共同附于魚腸道上皮細胞時，丁酸梭菌能夠顯著抑制鰻弧菌的黏附，使其黏附率降低7.03%（P ＜ 0.05）。

研究發現，丁酸梭菌磷壁酸對丁酸梭菌的黏附能力有重要作用 （Delia等，2009；Bizzini等，2007）。磷壁酸是一類由核糖醇或甘油殘基構成的陰離子聚合物，由于其鏈上羥基往往會被丙氨酸或 N-乙酰葡糖胺修飾，所以通常還帶有一定量的正電荷，形成正負電荷交替出現的聚合物結構 （汪海峰等，2011；Lovering 等，2010）。楊靜（2014）運用TX-114法提取磷壁酸以后用磷壁酸和丁酸梭菌同時處理細胞，隨著磷壁酸處理濃度的增加，丁酸梭菌對細胞的黏附數量顯著下降，這表明，磷壁酸占據了丁酸梭菌的黏附位點。通過對羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri）研究發現，當磷壁酸丙氨酸殘基缺失時該菌在小鼠胃腸道中黏附的能力顯著下降 （p＜0.05）（Walter等，2007）。因此，丙氨酸殘基共價修飾對于磷壁酸在黏附、定植過程中發揮功能具有重要意義。但是對于丁酸梭菌磷壁酸的具體作用機制，目前還缺乏全面、深入的研究。

3 調節機體免疫力

丁酸梭菌可以調節機體的免疫通路，其調節方式可能是通過特異性受體調控基因表達。Toll樣受體（TLR）可以識別機體中的許多細菌以及細菌產物并迅速激活天然免疫系統 （Akira等，2004）。TLR受體可以分為許多種類，其中Kawai等（2010）研究發現，革蘭氏陽性菌磷壁酸的識別主要是通過TLR2。Gao等（2012）通過基因敲除的方法研究得出丁酸梭菌可以激活由TLR2介導的MyD88-非依賴性信號通路。王柳懿等（2017）以仔豬為模型，在飼料中添加丁酸梭菌以后，試驗結果顯示，促炎因子TNF-α和1L-18的表達都有上升的趨勢。同時，TLRs的負調控關鍵性內源調控因子Tollip水平也呈現上升趨勢，表明其機體在維持一個平衡的狀態，因此在未出現免疫過度的情況下提高了機體的免疫能力。但是楊靜（2014）通過試驗發現，丁酸梭菌隣壁酸能夠通過抑制NF-kB的表達減少炎癥因子TNF-α的分泌，在一定程度上預防腸炎的發生。從以上研究可以看出，丁酸梭菌磷壁酸的免疫調節功能，暫時還沒有找到明確的機制，需要進一步試驗研究。

4 產生各種有益物質

在動物腸道內，丁酸梭菌產生的果膠甲酯酶可以與腸道分泌的酶協同消化果膠物質，主要消化產物為 4，5-不飽和-D-半乳糖醛酸（Araki，2002）。Nakajima等（1997）從腸道丁酸梭菌中分離得到魔芋葡甘露聚糖降解酶，其可作用于多聚糖如魔芋葡甘露聚糖、咖啡甘露聚糖，產生寡糖和單糖。此外，丁酸梭菌還可以分泌淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶等一些酶類，在這些酶的作用下能夠產生葡萄糖、麥芽糖等（Kuroiwa 等，1990），這些糖類有利于腸道的消化吸收，也可以為腸道中的某些益生菌提供營養物質。丁酸梭菌分泌的丁酸鹽和氫還能增強機體抗氧化酶活性，同時，丁酸梭菌在代謝過程中還可以合成多種維生素，如B族維生素、維生素 K和葉酸等，這些維生素可以分泌到細胞外，對促進宿主腸道營養的全面吸收起著重要作用。

5 調節凋亡因子的表達

腸道具有阻止腸腔內細菌、毒素等有害物質侵入機體內的重要屏障功能 （Kiesslich等，2012），腸道上皮細胞是腸道上皮屏障中最重要的部分，致病菌可以通過誘導宿主細胞凋亡突破腸道上皮屏障，使宿主發生腸道疾病（Williams等，2013；Baumgart等，2002）。腸道病原性大腸桿菌（EHEC）是一類主要的腸道傳染性病原菌，其可以通過誘導細胞凋亡和壞死途徑引發腸道疾病（Mundy 等，2006）。 高權新（2011）以雞胚腸道細胞為模型，研究丁酸梭菌對EHEC誘發的細胞凋亡和壞死的抑制作用，試驗結果顯示，丁酸梭菌處理后EHEC引發的細胞凋亡率要顯著低于未經處理的EHEC引發的細胞凋亡率。試驗進一步研究發現丁酸梭菌可以抑制EHEC誘導的凋亡因子 FAS、P53、XIAP、BclXL、Bcl2 mRNA 的表達，同時還可以抑制caspase-9和caspase-3的活力，緩解EHEC誘導的細胞凋亡。因此，丁酸梭菌可以通過調節凋亡因子的表達，抑制EHEC誘導的腸道疾病。

6 改善腸道結構促進營養物質吸收

腸道是生物機體中最大的消化器官，通過對營養物質的吸收促進機體的生長（Purchiaroni等，2013）。腸上皮內淋巴細胞（iIEL）是分布于消化道黏膜上皮細胞之間的一種獨特細胞群，通過與腸上皮細胞的相互作用，介導黏膜局部的免疫防御，抵抗腸道致病菌的入侵 （劉北星，2009）。iIEL數量的增加可以在一定程度上提高宿主的免疫力（楊倩等，2005）。 吳杰等（2018）以大鼠為試驗模型，通過在飼料中添加丁酸梭菌，研究其iIEL數量的變化情況，研究發現相較于對照組，添加丁酸梭菌以后，iIEL數量明顯增多。同時，腸上皮細胞的數量和絨毛的長度呈現正相關，隨著腸上皮細胞數量的增多，小腸的營養吸收能力也會增強（常銀蓮等，2016）。隱窩是腸絨毛根部的上皮下隱至固有層形成的管狀小管腔，隱窩深度增加會減弱營養物質的吸收能力 （吳佳靜等，2012；馬玉龍等，2005）。 因此，絨毛高度/隱窩深度能夠很好地反映小腸的功能情況。劉亭婷等（2012）通過在蛋用仔雞飼料中添加丁酸梭菌，研究其對腸道形態結構的影響發現，添加不同濃度丁酸梭菌的試驗組與對照組相比，均不同程度的增加了空腸的絨毛高度和黏膜厚度，1000 mg/kg丁酸梭菌組的絨毛長度/隱窩深度（V/C）值顯著高于對照組（p＜0.05）。因此，丁酸梭菌可能是通過其代謝產物丁酸作用于腸上皮細胞，丁酸是腸道上皮組織細胞再生主要營養物質，進而提高動物機體腸道的黏膜免疫系統。

7 展望

隨著生物技術的發展，丁酸梭菌還可以在以下幾個方面進行研究：丁酸梭菌是嚴格厭氧菌，這是限制丁酸梭菌廣泛應用的一個主要原因，所以對于丁酸梭菌的生產工藝還需要進一步的研究，同時需要優化得到更加適合丁酸梭菌增殖的培養基；對于丁酸梭菌及其代謝產物與動物腸道的作用機制目前了解不夠全面深入，需掌握其具體的作用機理，以發揮其更大的作用，得到更加廣泛的應用；通過試驗來研究丁酸梭菌在不同的動物以及同一動物的不同發育階段中合適的添加量；研究丁酸梭菌和其他益生菌之間的相互作用，以期能夠達到更好的作用；丁酸梭菌具有調節凋亡因子表達的作用，因此可研究其在癌癥治療方面的具體作用機制，以期為人體癌癥治療方面提供新的方向；通過基因工程技術，對丁酸梭菌進行改造，培育出具有良好性能、更加適合腸道環境的新型菌種；丁酸梭菌的磷壁酸具有免疫調控的功能，但是有研究表明，某些益生菌的磷壁酸被基因敲除后，具有了更好的免疫調控作用，針對這一矛盾，可以作進一步的深入研究。