腸肝軸在動物營養代謝和免疫中的作用

蔣賢哲 張博彥 羅海玲 張新盟 王炳

（1.中國農業大學動物科學技術學院 動物營養學國家重點實驗室，北京 100193；2.德州市陵城區農業技術推廣中心，德州 253500）

隨著生物技術的發展，特別是微生物組學的興起，越來越多的研究表明腸道微生物與動物體的器官組織之間聯系密切，我們把這一關聯稱之為“軸”，如腸-腦軸和腸-肝軸等［1］。腸肝軸是指腸道微生物及其代謝物與肝臟之間的雙向關系，常用來描述腸道和肝臟之間的生物學聯系，這是由營養、遺傳和環境因素相互作用的結果。腸道是動物的主要消化器官，肝臟是動物機體最關鍵的新陳代謝器官，研究表明，腸肝軸對于動物采食和脂肪沉積有重要的調控作用，但目前腸肝軸的相關研究大多圍繞人和模式動物的脂肪肝和腸道疾病機理闡釋展開，對于家養動物特別是反芻動物而言，有關腸肝軸的研究還不夠深入。因此，本文所參考的文獻大多以對模式動物為主，但不斷完善的腸肝軸理論對家畜養殖管理及營養免疫調控具有重要指導意義和參考價值。

1 腸肝軸基礎理論

在動物體中，腸道和肝臟之間通過門靜脈連接，肝臟中約2/3的血液來自腸道，因此，肝臟是腸源性代謝物的第一個接受者，接收腸粘膜吸收的小分子飼糧營養素代謝物（如小分子蛋白、肽、氨基酸、短鏈脂肪酸等）和其他小分子代謝物。同時，肝臟可以分泌膽汁酸到腸道中去，這些膽汁酸中的絕大多數（＞95%）從回腸被重新吸收，并通過門靜脈輸送回肝臟，再分泌回膽管，這一過程被稱為腸肝循環。這些腸肝之間的雙向聯系是腸道-腸道微生物-肝軸之間溝通的橋梁，是腸肝軸調節動物體營養代謝和機體免疫的重要結構基礎。

腸道屏障是腸道微生物和肝臟之間的物理和功能屏障，是維持腸肝軸穩定的守護者，也是機體維持營養代謝和進行免疫調節的重要結構基礎。其中，內源性大麻素系統介導的腸肝軸是腸道屏障穩定性的重要參與者。影響腸道屏障穩定性的關鍵因素包括：（1）緊密連接蛋白是腸道屏障結構的關鍵組成成分；（2）粘蛋白和抗菌肽（如凝集素、防御素和腸毒素等）可以加強腸道屏障；（3）A型免疫球蛋白（IgA）抗體可以清除到達肝臟的腸源性抗原，肝臟和腸道是IgA抗體的重要來源。研究表明缺乏IgA的轉基因小鼠表現出對腸道損傷和腸道屏障破壞的易感性增加［2-3］；（4）與粘膜密切相關的共生菌［4］。共生菌通過刺激細胞介導的免疫反應和產生保護性代謝物兩種方式來加強屏障的完整性。如果腸道屏障受損，腸道微生物成分就會進入肝臟，如微生物細胞壁脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和細菌DNA等，統稱為微生物相關分子模式（microbialassociated molecular patterns，MAMP），有時，完整的微生物也會隨著受損的粘膜屏障進入血液流至肝臟。

腸道微生物是調控腸肝軸信號的主要發出者，利用飼糧和宿主的物質，產生各種微生物代謝物（例如短鏈脂肪酸、膽汁酸、甲胺、硫化氫以及酚類和吲哚類化合物等）。其中，部分微生物代謝物被稱為腸道微生物衍生信號，在腸肝軸中起到關鍵信號調節作用。例如，肝臟分泌到腸道的膽汁酸，除了協助消化飼糧中的脂溶性營養物質外，還可直接抑制腸道內特定細菌群的生長和間接刺激腸道中抗菌劑的產生，來調節腸道微生物區系［5］，進而在保護腸-肝軸的關鍵組分和腸道微生物群落的形成過程中起到關鍵作用。腸肝軸主要通過內源性大麻素系統和腸道微生物衍生信號來調節動物的營養代謝和免疫功能。

2 內源性大麻素系統

內源性大麻素系統（the endocannabinoid system，ECS）是動物體內一個關鍵信號系統，其在動物采食、脂肪沉積以及一些炎癥反應中起著重要作用。ECS是由內源性大麻素（endocannabinoid，EC）的內源性配體、合成和降解EC的酶以及介導EC效應的EC受體組成。其中，最典型的EC是烷基酰胺（AEA）和2-花生四烯基甘油［6］，而EC的主要受體為CB1和CB2。因此，大麻類化合物可激活下丘腦神經元亞群所依賴的CB1信號通路來發揮其調節采食的功能。有研究表明，成熟脂肪細胞中選擇性地敲除CB1基因可以保護小鼠免受飲食誘導而變得肥胖［7］；而阻斷飲食誘導的肥胖小鼠中的CB1受體利于減少巨噬細胞在白色脂肪中滯留時間，進而促使局部或全身的炎癥減少［8］。因此，EC與CB1的結合所引的ECS激活可以導致動物采食量的增加和肥胖發生，同時也和機體的炎癥發生有關。腸肝軸在與ECS介導的肥胖中起到關鍵作用，這是由于腸道微生物區系失衡可以引起的腸道屏障受損即腸道通透性增加，導致全身性LPS水平升高，LPS進而刺激白色脂肪細胞和白色脂肪組織產生內源性大麻素受體引起ECS的激活從而誘導機體脂肪的堆積導致肥胖［9］。而ECS的激活會引起一些器官的代謝紊亂，如肝臟中CB1的激活促進脂肪生成，從而誘導脂肪堆積，最終導致肝臟脂肪變性［8］。所以腸肝軸中腸道微生物區系失衡會引起代謝組織和器官中的ECS激活，進而導致脂質代謝紊亂，最終引起動物肥胖。

在反芻動物中，肉牛飼料利用率和脂肪沉積與血漿中AEA濃度呈正相關關系［10］，這可能是由于ECS促進采食量和脂肪沉積的作用。同時，圍產期奶牛脂肪中的炎癥水平也會提高［11］，因此，在反芻動物中ECS的激活與機體炎癥發生也存在聯系。奶牛在產后通常會出現慢性炎癥，如乳腺炎、子宮內膜炎、亞急性瘤胃酸中毒、皺胃移位等有關。這些炎癥主要與腸道LPS有關，LPS可激活應激信號通路（如內質網應激），刺激肝臟脂肪酸的從頭合成，促進肝細胞中脂質的積累，最終導致脂質代謝紊亂和脂肪肝發生［12］。因此，在反芻動物中，腸肝軸中腸道通透性增加可能與ECS 激活和肝臟脂肪肝的發生之間存在密切聯系。

3 腸道微生物衍生信號（gut microbiota-derived signals）

腸道微生物可通過腸道微生物衍生信號調節動物生長代謝，微生物衍生信號物質主要有短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）、膽汁酸、甲胺、氨基酸衍生物和 MAMP等。宿主受體有T細胞樣受體、游離脂肪酸受體（FFAR2/3，GPR109a）和膽汁酸受體等，宿主以此來感知信號物質，進而調節營養代謝與機體免疫（圖1）。

圖1 腸肝軸調節營養代謝和免疫的路徑及關鍵信號Fig.1 Pathways and key signals of gut-liver axis in regulating nutritional metabolism and immunity

3.1 SCFA的作用

SCFA是瘤胃和腸道微生物發酵碳水化合物（如抗性淀粉、菊粉、纖維素）時產生的重要代謝物。SCFA主要含有乙酸、丙酸和丁酸，同時也有戊酸、異戊酸酯、甲酸鹽和己酸（含量較低，占SCFA總量的5%以下），在小腸（反芻動物主要在瘤胃）上皮吸收和代謝［13］，從而對上皮粘膜起營養作用，還可以通過門靜脈轉運到肝臟，作為糖異生（丙酸）和脂肪酸從頭合成（乙酸、丁酸）的重要底物。不同的SCFA受體，如游離脂肪酸受體FFAR2（又稱GPR43）、FFAR3（又稱GPR41）以及氫羧酸受體GPR109a（又稱煙酸受體）［14］，存在于神經系統和許多代謝組織中，包括肝臟、白色脂肪組織和骨骼肌。因此，腸源型SCFA可作為重要的信號分子，通過腸肝軸在微生物和宿主組織之間進行信號傳導，從而影響宿主代謝。近期研究發現圍產期奶牛白色脂肪和肝臟中SCFA受體在不同階段時的表達存在差異，這可能是一種動物自身適應圍產期能量需求不斷變化的分子機制［15-16］。

研究發現，GPR41介導SCFA促進小鼠和牛脂肪組織分泌瘦素來產生飽腹感［17-18］，口服和靜脈注射丙酸可提高綿羊白色脂肪組織中瘦素基因的表達水平［19］，口服混合SCFA可導致豬血漿瘦素濃度升高［20］。SCFA除了誘導產生飽腹感外，還可經循環系統流通全身并直接作用于白色脂肪組織、骨骼肌和肝臟等關鍵代謝組織和器官來影響機體能量平衡。丙酸可通過增加交感神經系統活動來增加能量消耗，交感神經功能的增強增加了心率和食物誘導性產熱（diet-induced thermogenesis，DIT）［21］。而在野生型和GPR41基因敲除小鼠的研究發現丙酸激活交感神經節神經元是由GPR41介導的［22］。

另外，SCFA還具有減少異位脂肪堆積的降脂作用，并通過減少溢出到循環中的脂質來提高胰島素敏感性［23］。例如，豬口服乙酸、丙酸和丁酸的混合物可以降低脂肪生成基因的表達，增加脂肪酸氧化基因的表達，進而減少肝臟中總脂肪的含量［20］。這些效應可能是由于SCFA調節肝臟中的關鍵受體GPR41和GPR43［24］。另外，SCFA可以通過提高腸道屏障中緊密連接蛋白和粘蛋白糖蛋白的表達，使得腸道對細菌成分（如LPS）的通透性降低，減少肝臟中LPS的出現［25］，進而減少因ECS系統的激活導致的肝臟脂肪代謝紊亂。同時，動物體內SCFA水平可能與日糧中的脂肪含量有關，低脂和高脂日糧都會導致小鼠體內SCFA顯著地下降，引起腸道微生物區系紊亂，并導致腸道粘膜損傷［26］。因此，SCFA可以減少動物的采食量和脂肪沉積，對維持動物胃腸道健康和免疫性能有一定有益作用。

3.2 膽汁酸的作用

膽汁酸是由肝臟中的膽固醇通過中性途徑或酸性途徑合成的，中性途徑占膽汁酸合成總量的75%以上。隨后，這些初級膽汁酸在肝細胞內與甘氨酸（主要在人類中）或牛磺酸（主要在嚙齒動物中）結合，產生甘氨酸或牛磺酸結合的膽汁酸。其中大部分的（＞95%）膽汁酸通過腸肝循環轉運到肝臟中［27］，但還有一定比例的膽汁酸可以繞過肝竇的吸收進入體循環［28］。同時，有少量甘氨酸和牛磺酸結合的膽汁酸（＜5%）逃離了腸肝循環而留在腸道中被腸道微生物代謝或排除體外。

膽汁酸不僅是簡單的酯化劑，而且是強大的信號分子，通過與不同的核激素受體結合，在腸道和全身水平的代謝和信號通路中發揮著重要的調節作用。膽汁酸的受體包括法尼類X受體（farnesoid X receptor，FXR）［29］、 孕 烷 X 受 體（pregnane X receptor）［30］、維生素 D 受體［31］和 T Akeda G 蛋白偶聯受體5（T akeda G protein-coupled receptor 5，TGR5）［32］。膽汁酸對于腸道微生物區系有調控作用，其可以通過FXR刺激小腸產生Angogenin-1和RNase家族成員4的抗菌劑來調節腸道中的細菌生長和微生態［33-34］。肝臟FXR通路的激活可以抑制膽汁酸合成，而腸道FXR的激活與代謝疾病密切相關，如肥胖和肝臟脂肪變性［35-36］。目前，抑制FXR信號通路可以減少小鼠的肥胖和肝臟脂肪變性，但FXR調節宿主代謝的確切機制尚不清楚。

研究表明，FXR敲除小鼠的血清膽汁酸代謝譜與野生型小鼠顯著差異，并且FXR敲除小鼠腸道微生物組成中擬桿菌門顯著增加，厚壁菌門顯著減少，進而減少肥胖發生［37］。另外，通過糞菌移植技術，分別將飲食誘導肥胖的FXR敲除小鼠和飲食誘導肥胖的野生型小鼠的腸道微生物組轉移到無菌野生型小鼠身上，移植FXR敲除小鼠腸道微生物的小鼠脂肪沉積增加較少，表明FXR敲除小鼠的腸道微生物區系可以降低飲食誘導肥胖的程度［38］。同時，通過使用抗生素混合物或抗氧化劑Tempol可以通過調節小鼠腸道微生物區系和腸道膽汁酸譜來抑制腸道FXR信號，進而減少小鼠的肥胖和肝臟脂肪變性發生［35-36］。

3.3 膽堿代謝產物的作用

腸道微生物衍生的膽堿代謝產物三甲胺（trimethylamine，TMA）可以導致嚴重的肝臟脂類代謝紊亂。在哺乳動物腸道中存在TMA生成菌［39］，腸道微生物群產生的TMA通過門靜脈循環到達肝臟，隨后被含有黃素的單加氧酶氧化形成TMA-N-氧化物（trimethylamine oxide，TMAO），而肉堿（3-羥基-4-N, N, N-三甲基氨基丁酸）可通過同樣的腸道微生物-宿主共代謝途徑增加循環中TMAO的水平［40］。研究發現TMAO能促進高脂飼喂的小鼠脂肪肝的發展［41］。在中國成年人流行病學調查中發現，體循環中TMAO水平與非酒精性脂肪肝的發病率和嚴重程度呈正相關［42］。TMAO可以抑制膽汁酸合成關鍵酶，干擾膽汁酸代謝信號通路，降低總膽汁酸水平，擾亂機體脂質和能量代謝，增加了非酒精性脂肪肝的發生風險［43］。

3.4 氨基酸類代謝物的作用

后腸對氨基酸的微生物發酵可產生多種不同的化合物，包括支鏈脂肪酸、氨、硫化氫、酚類和吲哚類化合物以及胺和多胺［42］，某些氨基酸類代謝物在高濃度時會引起促炎反應［44］，但芳香族氨基酸的代謝物中，如吲哚及其微生物群-宿主共代謝產物（經宿主酶修飾的細菌產物）、吲哚-3-醛或吲哚-3-乳酸，可改善腸屏障功能，減少腸道炎癥，從而降低代謝性內毒素血癥發生的可能性［45］。另外，近期研究發現吲哚可以減輕LPS引起的肝臟炎癥，并降低肥胖小鼠的肝臟炎癥的發生率，因此，將可產生吲哚的細菌作為益生菌使用，保護腸道和肝臟健康［46］。

3.5 MAMP的作用

MAMP，包括LPS、肽聚糖、脂磷壁酸、鞭毛蛋白和細菌核酸（DNA、RNA）等，在正常健康的動物肝臟和體循環中的保持著較低水平。而較低水平的MAMP不僅對動物健康沒有危害［47］，反而低水平的MAMP對啟動適應性免疫反應以及對某些病原體產生持久的免疫力至關重要。庫普弗細胞（Kupffer Cell）是肝臟中的巨噬細胞，能夠捕獲和/或殺死整個細菌和MAMP，另外，肝內粘膜相關的T細胞、肝內T細胞、樹突狀細胞和NK細胞都具有類似功能［48］，所以肝臟就如同腸道之后的第二道防火墻，在很大程度上阻止MAMP移位到體循環，從而保護其他組織免受病菌感染和炎癥刺激。然而，如果腸道屏障被破壞，全身性MAMP水平將升高，甚至導致攝食和代謝紊亂，這種狀態被稱為代謝性內毒素血癥［49］。目前，反芻動物高精飼料飼喂方式容易導致出現瘤胃酸中毒，進而引起瘤胃中的革蘭氏陰性菌大量死亡［50］，釋放出大量MAMP，進而導致消化道和肝臟等器官出現炎癥，影響動物營養代謝和機體健康［51-52］。近期研究發現，奶山羊日糧中瘤胃可降解淀粉的增加，會導致血漿中LPS升高，導致肝功能損傷和乳脂率降低［53］。

4 腸肝軸理論在動物營養調控中的應用

腸道微生物通過腸道衍生化合物沿腸道-肝臟軸進行溝通，從而對動物的營養代謝與健康產生深遠的影響。此外，動物可以重塑腸道微生物區系，即通過肝臟（膽汁酸、肝源性IgA）以及腸道的分泌功能產生大量抗菌肽來保護腸道屏障。腸道微生物區系組成主要受到動物品種、飼糧、管理和環境因素的影響。其中，改善飼糧營養策略是促進胃腸道微生物多樣性、有益細菌生長和調節消化道內環境穩態的有效措施，進而保護腸道屏障和預防代謝性疾病。合理的飼糧配置對腸肝軸穩態有重要作用，不僅有利于腸道微生物區系的平衡，還可以減少反芻動物體內MAMP的含量從而保持消化道健康［51-52］。適宜的營養干預，例如飼喂益生元（抗性淀粉、菊粉型果聚糖、細胞壁多糖，如阿拉伯木聚糖、殼寡糖）可以直接促進特定細菌的生長，促進微生物多樣性，從而利于腸道微生物區系的穩定。此外，飼喂益生菌也是改善胃腸道功能、保護胃腸道粘膜屏障功能和動物機體健康的一種有效的方法。一些生物活性化合物（如植物提取物：多酚類、皂苷、兒茶素、黃酮、花青素和酚酸等）可以在瘤胃或后腸通過誘導抗菌作用來調節胃腸道微生物的組成和功能，并通過微生物代謝生物活性物質來優化腸道屏障，改善動物腸道、肝臟和機體健康。最新研究發現齊墩果酸可通過改善大鼠的腸道微生物區系來抑制內毒素敗血癥和全身炎癥反應，保持腸肝軸的動態平衡，進而治療動物非酒精性脂肪肝并減少動物肥胖［54］，同時，熊果酸［55］與咖啡酸［56］都表現出類似的作用機制來減少動物非酒精性脂肪肝的發生。

目前，在反芻動物中腸肝軸理論研究相對較少，特別是瘤胃微生態與肝臟之間的互作關系仍不明晰。本團隊近期研究發現，桑葉青貯日糧可以提升綿羊的抗氧化和免疫性能，并增加瘤胃中有益菌群的豐度（如雙歧桿菌（Bifidobacterium）、乳酸桿菌（Lactobacillus）和施氏菌（Schistellae）等），并且，這些瘤胃菌群與綿羊機體抗氧化和免疫指標顯著相關，所以提出瘤胃有益微生物增多可能是桑葉青貯日糧改善綿羊機體健康的微生物層面機制［57］。因此，推測反芻動物中可能存在瘤胃-腸-肝軸來調控機體代謝和免疫性能，本團隊正在通過體內和體外研究來建立反芻動物瘤胃-腸-肝臟理論新體系。在動物實驗層面，正在系統探究營養素介導的瘤胃-腸道微生物和代謝物與肝臟的互作機制。體外層面，利用綿羊肝實質細胞，已初步探究出維生素E保護肝臟氧化損傷的分子機制［58］，而后續需要更多研究來探究胃腸道微生物代謝物（如短鏈脂肪酸、三甲胺、吲哚類化合物）對肝臟營養代謝與免疫調控的影響。

5 小結與展望

在禁抗的后畜牧業時代發展中，目前益生元或益生菌等物質已初步顯現出其替抗優勢。其重要生理機制是，益生元或益生菌可以通過消化道微生態來調節動物營養代謝和免疫功能，進而達到控制動物生長和治療疾病的目的。而腸肝軸理論則是通過消化道微生態與宿主互作進而調控動物的營養代謝，最終保障動物的健康生長。然而，關于腸肝軸理論在家畜中的研究并不充分，特別是反芻動物中缺乏瘤胃-腸道-肝臟軸的探究。因此，將本文論述的腸道微生物及其衍生信號的理論應用于畜牧養殖和研究是一種新的思路和突破點。例如在畜牧生產和科研中，利用外源膽汁酸調控腸道微生物區系以及肝臟功能；利用產生吲哚的微生物降低肥胖動物的肝臟炎癥；圍繞家畜圍產期、斷奶前后、育肥期等不同階段不斷變化營養需求的關鍵機制，解析與微生態-瘤胃-腸道-肝臟軸間的關系進行系統探究等。相信未來越來越多的腸肝軸理論將應用與畜牧業中動物營養方面，來調控動物生產和健康，以最終實現無抗背景下的健康高效養殖，促進畜牧業的綠色可持續發展。另外，隨著腸道微生物及其代謝物在調控人類營養代謝和免疫功能上的潛力逐步被開發，未來腸肝軸理論有望為人類營養代謝疾病提供更多解決問題的新思路，提供在微生物視角下解決問題的新方法。