腸道微生物調控仔豬腹瀉的機理

張 紅 馬 杰 尹 杰

1 前言

仔豬腹瀉可分為生理性、 營養性以及病理性腹瀉三大類。 腸道微生物群落組成與宿主健康密切相關， 大多數國內外研究者認為仔豬在胚胎時期是無菌的， 出生后由于接觸母乳及外界環境才獲得胃腸道微生物菌群， 哺乳期仔豬和斷乳仔豬腸道內微生物區系也有所差異， 且斷乳仔豬腸道微生物菌群受飼糧、 外界環境、 飼養管理條件等多方面因素的影響， 導致腸道菌群更加復雜， 另外哺乳期仔豬胃腸道發育不完善， 仔豬因斷奶應激及日糧成分改變， 其胃腸道內的菌群發生較大的改變， 且胃內pH 值顯著性升高， 易受到病原菌的侵入造成腹瀉， 根據已有的文獻以門為單位整理出仔豬腸道微生物的種類及大致含量如表1所示：

表1 仔豬腸道主要微生物的種類及含量表

黃安妮研究發現健康仔豬的糞便菌群的豐富度極顯著高于腹瀉組， 腹瀉仔豬糞便菌群多樣性和豐富度降低。 腹瀉仔豬體內營養物質的運輸和代謝、 防御機制等發生顯著的變化。 仔豬腹瀉常由營養性腹瀉繼而轉變成病原性腹瀉， 腸道菌群有害菌數量增多或有益菌數量減少所導致腸道菌群紊亂， 一方面通過影響營養物質等代謝造成仔豬的腹瀉， 另一方面通過影響仔豬消化、 免疫系統等降低仔豬的免疫力造成并加劇仔豬的腹瀉。

2 直接影響因素

膽汁酸（BA）在維持腸道屏障功能方面發揮著重要作用， 作為有助于確定腸道微生物群落結構的抗菌劑，并通過法尼酯X 受體（FXR，farnesoid x receptor） 作為編碼抗菌肽和凝集素的基因的誘導劑， 腸道菌群可能通過FXR 調節BA 的清除與合成， 腸道菌群在腸內循環過程中對膽鹽進行大量的生物轉化。 主要的生物轉化包括：膽鹽水解酶結合膽汁酸水解為游離膽汁酸和甘氨酸或牛磺酸；膽酸CA 和鵝脫氧膽酸的脫羥基作用產生脫氧膽酸和膽石酸； 膽汁酸使熊脫氧膽酸脫羥基生成膽石酸。 此外，腸道微生物能氧化和氧化羥基在膽汁酸的C3、C7 和C12 位置產生異丙基（β-羥基）酸。Pereira 等利用切除75%小腸（SBR， small bowel resection）4 周齡仔豬模型研究發現：手術后引起其腸道菌群失調導致顯著的膽汁酸代謝障礙， 并產生持續性腹瀉、肝損傷等有害的臨床結果。 高通量測序顯示，腸道菌群對膽汁酸的7-α-去羥基化反應在SBR 后降低， 具體表現為梭菌屬和擬桿菌屬減少。 由此可見，腸道菌群失調引起膽汁酸代謝障礙從而導致仔豬腹瀉。

腸道微生物厭氧發酵產生極為豐富的代謝物， 其中包括到達結腸的外源性未消化食物成分， 以及微生物和宿主產生的內源性化合物。 腸道細菌利用宿主細胞缺乏的酶來分解碳水化合物， 把它們轉化成有用的代謝物， 其代謝終產物主要為短鏈脂肪酸（SCFAs）， 即6 個碳以下的脂肪酸群。 SCFA 在腸道中的濃度取決于腸道微生物群的組成、 腸道運輸時間、 宿主-微生物群代謝通量和宿主飲食中的纖維含量， 腸道中主要的SCFA 為乙酸、 丙酸、 丁酸和戊酸， 占整個SCFA的95%以上。 SCFA 具有重要的生理功能： 乙酸鹽和丙酸鹽在肝臟中大量代謝， 分別參與脂質和糖代謝， 而丁酸鹽則為結腸上皮細胞提供能量，SCFA-GPR 通路已被證實在調節免疫應答中發揮重要作用， SCFA 還可有效抑制細菌生長。 其主要通過抑制組蛋白脫乙酰酶和激活GPR41 等G蛋白偶聯受體， 調節腸道、 神經、 內分泌、 血液等不同系統的功能， 是調節代謝紊亂和免疫的關鍵因素。 SCFA 灌胃可增加空腸粘膜的DNA 濃度和十二指腸、 空腸粘膜的蛋白濃度， 與腸發育相關基因相對mRNA 表達有所增加， 還能極顯著增加腸道內有益菌的乳酸桿菌的數量。 陳慧子等利用杜×長×大三元雜公豬做盲腸瘺管灌胃丙酸發現， 丙酸灌注影響參與糖和能量代謝基因以及改善腸道屏障功能與免疫相關基因， 對動物的代謝以及動物機體的免疫功能具有積極的影響。 腸組織的形態學改變伴隨著DNA 蛋白濃度的改變，Wang 等試驗發現： 日糧添加丁酸鈉對斷奶仔豬的腸絨毛高度和腸絨毛高度與隱窩深度的比值起到增加的作用， 改善腸道形態， 增強腸道的屏障功能。 由此可推測胃灌注SCFA 可以調節腸道形態變化， 從而增強營養吸收， 有利于腸道的生長發育， 腸道菌群紊亂后導致SCFA 的代謝紊亂。造成腸道物理屏障受損， 免疫力低下， 營養物質消化吸收障礙從而造成仔豬腹瀉。

腹瀉實質就是水和電解質的代謝異常， 腸道菌群對水通道蛋白及鈉鹽通道蛋白的影響進而造成仔豬的腹瀉。 仔豬也會因自身飲水量過少而食欲不振、 采食量降低從而引起消化不良導致腹瀉或飲用被病原微生物污染的水導致腹瀉的發生。水通道蛋白（aquaporins， AQPs） 是一類小的跨膜蛋白， 在多種參與液體運輸的細胞質膜上均有所表達。 其對水的運輸、 消化道液體的分泌和吸收、 細胞體積的調節等方面發揮重要作用， 一些哺乳動物的水通道蛋白 （如AQP1、 AQP2、AQP4 和AQP5） 對水的通過具有高度選擇性，而其他的水通道蛋白也能運輸甘油（如AQP3 和AQP8） 和更大的溶質（AQP9）。 AQP 的表達和分布可能與腸道菌群存在一定的關系。 實驗鼠感染citrobacter 后， 腸道AQP4 和AQP8 表達水平顯著升高， 使得水與電解質轉運異常、 腹瀉、 水分流失等。 鈉氫交換蛋白（Na+， H+-Exchangers，NHEs）， 艱難梭菌分泌的毒素抑制NHE3 的表達，改變腸道內環境和腸道微生物從而促進病原菌的增殖造成腹瀉。

2.4.1 蛋白質

根據已有的文獻統計整理， 適當降低仔豬飼糧中CP 水平可顯著降低仔豬的腹瀉率， 如下表：

表2 蛋白質對仔豬腹瀉影響情況匯總表

低蛋白飼糧中蛋白質利用率更高， 減少了高pH 值和營養物質的殘余， 降低了細菌發酵底物的可用性， 同時抑制腸道內病原菌的繁殖， 促進胃腸道內有益菌的增殖。 飼糧中過量的蛋白質引起仔豬腸道菌群的紊亂并通過蛋白質發酵會發酵成一些有毒的代謝產物， 如氨、 生物胺、 硫化氫等， 這些潛在有毒化合物會降低仔豬的生長性能， 增加斷奶仔豬腹瀉的發生率。 這類物質大多可損害上皮完整性， 促進炎癥反應， 其代謝物或細菌毒素可能會降低液體再吸收的能力， 從而導致腹瀉。 如下圖1 所示

2.4.2 粗纖維

在飲食中加入適量的粗纖維能改變豬腸道微生物群落的組成。 尹佳通過在仔豬的飼料中添加豌豆纖維等發現能降低料重比， 仔豬腹瀉率有所下降。 在仔豬日糧中添加5.3%苜蓿粉作為粗纖維來源， 能夠顯著的降低仔豬的腹瀉程度和腹瀉頻率。 麥麩是一種不溶性纖維， 在斷奶仔豬日糧中添加麥麩可能與較高的飼料攝取量和胃腸道發育有關。 仔豬腹瀉時腸絨毛萎縮， 腸隱窩增生，絨毛高度： 隱窩深度比值與飼料中的微生物的改變相關， 添加適量的粗纖維對腸絨毛的發育具有促進作用。 膳食纖維來源對斷奶仔豬腹瀉發病的影響機制可能與腸道菌群調節功能有關。 腸屏障的完整性反映了上皮細胞間的細胞外間隙， 其可能阻止腸道微生物在上皮細胞間的擴散。 此外，緊密連接蛋白在腸屏障中發揮關鍵作用。 乳酸菌通過調節緊密連接蛋白的基因表達水平影響腸道屏障的完整性。 纖維對緊密連接蛋白的作用與雙歧桿菌和乳酸菌的數量有關。 由此可見， 日糧中適量添加粗纖維能夠改善仔豬的腹瀉情況。

3 間接因素

腸道菌群和宿主之間的共生關系由一個復雜的相互作用網絡來調節和穩定， 這個網絡包含了它們之間的代謝、 免疫和神經內分泌的相互作用， 可能是由微生物合成的代謝物介導的， 這些代謝物表現出多效性作用， 可作為信號分子調節宿主神經-免疫-炎癥軸， 腸道微生物對機體免疫系統具有調節作用， 主要通過三個方面： 1） 誘導調節性T 細胞。 T -輔助性細胞（Th17） 分泌IL-17 的重要的細胞， Ivanov 等發現， 腸道微生物群的通過調節固有層的Th17 與調節性T 細胞的平衡從而影響腸道免疫。 在小腸固有層（LP）中， Th17 細胞分化需要特定的共生菌群， 與腸內存在的黃桿菌有關， Th17 細胞誘導菌的缺失的同時LP 中Foxp3+調節性T 細胞增加， 且腸道中梭狀芽孢桿菌是黏膜及全身免疫系統的重要誘導因子。 2） 誘導IgA 蛋白。 IgA 在人類和大多數哺乳動物的黏膜免疫中起重要作用且含量豐富的一種抗體。 在粘膜表面產生IgA （SIgA） 有助于宿主防御腸道病原體及對共生菌群組成的定量和定性控制。 免疫成熟的誘導完成依賴于新建立的共生腸道微生物的存在， 這樣的過程將導致內源性SIgA 的產生， 腸道菌群還能夠通過促進B 細胞發育來增加IgA 的表達， 能調節IgA 的特異性。 3） 調節固有淋巴細胞。 固有淋巴樣細胞（ILCs） 是不表達T 細胞和B 細胞上多種抗原受體類型的淋巴細胞， 主要是組織駐留細胞， 并深入地融入組織結構。 多種研究表明， 腸道菌群能夠直接或間接對ILC 的生長發育進行控制， 可以通過菌毛蛋白促進此類細胞的分泌。

4 展望

對微生物的研究是我們打開新世界的一把鑰匙， 隨著對腸道微生物的進一步關注， 我們在更準確的層面理解仔豬腹瀉機理并找到應對仔豬腹瀉的方法， 做到“對癥下藥”。 但目前的研究也存在一些不足之處： 1） 某些腸道微生物具體的作用尚不明確； 2） 腸道微生物對機體的影響機理研究不夠深入； 3） 腸道微生物的提取方法暫未統一。 解決了這些問題， 一定可以從微生物角度找到更加合適的方法來對抗腹瀉問題。

參考文獻（略）