益生菌對(duì)促進(jìn)腸道發(fā)育作用的研究進(jìn)展

關(guān)嘉琦，李柏良，焦雯姝，李慧臻，岳瑩雪，李 娜，史佳鷺，趙 莉，霍貴成

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150030）

人與動(dòng)物的腸道是一個(gè)營(yíng)養(yǎng)豐富的環(huán)境，由大量復(fù)雜的微生物聚集而成，其中包括大量益生菌。益生菌是定植在宿主體內(nèi)，可改變宿主某一部位菌群組成的一類對(duì)宿主有益的活性微生物；其是通過(guò)調(diào)節(jié)宿主黏膜與系統(tǒng)免疫功能或通過(guò)調(diào)節(jié)腸道內(nèi)菌群平衡，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)吸收保持腸道健康的作用，從而產(chǎn)生有利于宿主健康作用的單一微生物或組成明確的混合微生物[1]。近年來(lái)，人們對(duì)益生菌功能的研究日益深入，有關(guān)益生菌對(duì)宿主的作用、益生菌調(diào)節(jié)腸道生理功能、益生菌與腸道黏膜免疫關(guān)系、益生菌在調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)菌群平衡中的作用等方面已有大量相關(guān)綜述報(bào)道，而關(guān)于益生菌通過(guò)影響腸道細(xì)胞增殖、腸道屏障成熟而促進(jìn)腸道發(fā)育及其作用機(jī)制則成為日前研究新熱點(diǎn)。研究表明，某些雙歧桿菌的胞外蛋白、益生菌代謝產(chǎn)物丁酸及其鹽類[2]、益生菌細(xì)胞壁中肽聚糖的水解產(chǎn)物胞壁酰二肽（muramyldipeptide，MDP）[3]等可參與維持腸道良好形態(tài)、干預(yù)腸道細(xì)胞增殖分化、調(diào)節(jié)腸道上皮緊密連接的合成，從而促進(jìn)腸道成熟、修復(fù)應(yīng)激損傷[4]。越來(lái)越多的研究表明，益生菌在動(dòng)物早期腸道發(fā)育、免疫系統(tǒng)分化、上皮細(xì)胞增殖等腸道生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮作用[5]。例如，Suo Cheng等從嬰兒糞便中分離得到植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）ZJ316，發(fā)現(xiàn)其可以提高斷奶仔豬回腸、空腸和十二指腸絨毛高度；停止Lactobacillus plantarum ZJ316處理1 周后，十二指腸絨毛高度和空腸隱窩深度顯著增加，這表明Lactobacillus plantarum ZJ316可促進(jìn)仔豬的腸道生長(zhǎng)發(fā)育[6]。王世杰等通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，生長(zhǎng)發(fā)育早期應(yīng)用副干酪乳桿菌（Lactobacillus paracasei）N1115可促腸上皮細(xì)胞增殖分化，使緊密連接結(jié)構(gòu)完整、正常發(fā)揮腸道黏膜作用[7]。楊鳳娟等發(fā)現(xiàn)灌喂羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri）I5007的新生仔豬十二指腸絨毛高度顯著提高，腸上皮細(xì)胞緊密連接蛋白的表達(dá)上調(diào)[8]?；蛩降难芯勘砻鳎恍┤樗峋缰参锶闂U菌（Lactobacillus plantarum）MB452，可使編碼Occludin和細(xì)胞骨架等基因的表達(dá)量發(fā)生改變[9]。Resta-Lenert等研究發(fā)現(xiàn)，嗜酸乳桿菌(Lactobacillus acidophilus)和嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）可提高磷酸肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）信號(hào)分子通路、胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）、p38、c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）活力，上調(diào)Occludin和ZO-1蛋白磷酸化表達(dá)量，增強(qiáng)Caco-2、HT-29細(xì)胞的屏障功能[10]。由此可見，腸道內(nèi)益生菌對(duì)于動(dòng)物腸道發(fā)育具有積極的調(diào)控作用。

1 益生菌對(duì)腸道發(fā)育的干預(yù)機(jī)制

腸是成年哺乳動(dòng)物自我更新最快的組織，在小鼠體內(nèi)，腸道上皮在3～5 d內(nèi)即完成自我更新[11]。腸道上皮由隱窩和絨毛組成[12]，是構(gòu)成黏膜層的主要部分。腸腔結(jié)構(gòu)如圖1所示[13]，隱窩柱狀細(xì)胞散布在腸隱窩的潘氏細(xì)胞之間，位于4位置的標(biāo)記保留細(xì)胞是較不活躍的干細(xì)胞。腸道干細(xì)胞（intestinal stem cells，ISCs）可自我更新或生成瞬時(shí)擴(kuò)增（transit amplifying，TA）細(xì)胞，再增殖分化為不同種類的腸上皮細(xì)胞[14]。腸上皮是實(shí)現(xiàn)機(jī)體對(duì)抗原的免疫抵抗、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收、完成首過(guò)代謝等的場(chǎng)所，其穩(wěn)態(tài)由許多因素共同維持，例如腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)、干細(xì)胞巢、內(nèi)分泌系統(tǒng)、微生物代謝產(chǎn)物等協(xié)同調(diào)節(jié)ISCs分化[15]。上皮細(xì)胞的分化有利于修復(fù)應(yīng)激造成的損傷、發(fā)揮腸道屏障（生物屏障、化學(xué)屏障、機(jī)械屏障等）作用[16]。核抗原（Ki67）被認(rèn)為是分裂細(xì)胞核的代表物，因此實(shí)驗(yàn)中常使用其陽(yáng)性染色細(xì)胞的表達(dá)量來(lái)指示細(xì)胞的分化程度[17]。

圖1 腸腔結(jié)構(gòu)[13]Fig. 1 Intestinal cavity structure[13]

1.1 益生菌對(duì)腸細(xì)胞增殖分化通路的調(diào)控

ISCs處于一個(gè)極其復(fù)雜的微環(huán)境之中，一些經(jīng)典通路如Wnt通路、Notch通路和骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）通路等對(duì)ISCs的分化及自我更新發(fā)揮協(xié)同調(diào)控作用[18-20]。BMP信號(hào)限制了隱窩的數(shù)量[21]。Wnt信號(hào)通路在動(dòng)物間存在遺傳學(xué)上的高度保守性，不同的動(dòng)物物種間極為相似。Wnt蛋白是影響ISCs增殖的關(guān)鍵因素，是控制細(xì)胞沿絨毛軸遷移的首要力量，由隱窩上皮細(xì)胞表達(dá)[22]。

有研究證實(shí)，益生菌可通過(guò)調(diào)控Wnt與Notch信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)lgr5+干細(xì)胞定向分化（圖2）。若同時(shí)激活上述兩種信號(hào)可使干細(xì)胞自我增殖；同時(shí)被抑制則定向誘導(dǎo)杯狀細(xì)胞分化。定向誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞分化需要激活Notch通路、阻遏Wnt通路，反之則分化為潘氏細(xì)胞，而內(nèi)分泌細(xì)胞分化與Wnt通路無(wú)顯著聯(lián)系，只需抑制Notch信號(hào)通路[23]。當(dāng)Wnt通路靠近ISCs，與細(xì)胞膜表面的卷曲受體蛋白及其輔助受體低密度脂蛋白受體5/6結(jié)合后，可使腺瘤性息肉病基因蛋白破壞復(fù)合物的聚集結(jié)構(gòu)分散，保護(hù)β-聯(lián)蛋白不因發(fā)生磷酸化而被降解。β-聯(lián)蛋白隨后轉(zhuǎn)位進(jìn)入核內(nèi)，結(jié)合T細(xì)胞因子4，使靶基因起始轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)增殖分化[11,15]。而Xie Shuang等最新研究得到了不同結(jié)論，他發(fā)現(xiàn)Lactobacillus reuteri 22可提高lgr5+的mRNA表達(dá)量并活化上述Wnt/β-聯(lián)蛋白信號(hào)傳導(dǎo)途徑，增加增殖細(xì)胞核抗原的表達(dá)，從而促進(jìn)雞的小腸上皮細(xì)胞增殖。此外，Lactobacillus reuteri 22還抑制了Notch信號(hào)通路，誘導(dǎo)ISCs分化為杯狀細(xì)胞，提高黏蛋白2表達(dá)量。這項(xiàng)研究表明，乳桿菌可以調(diào)控肉雞腸上皮細(xì)胞的發(fā)育，以確保腸道黏膜屏障功能[24]。

圖2 Wnt和Notch途徑協(xié)同控制ISCs的自我更新和分化模型[23]Fig. 2 Model for cooperative control of ISC self-renewal and differentiation by Wnt and Notch signal pathways[23]

1.2 益生菌對(duì)腸道黏膜屏障的調(diào)控

腸道發(fā)育除表現(xiàn)在腸細(xì)胞增殖與分化外，還表現(xiàn)在黏膜屏障的成熟。腸道黏膜屏障功能是一套復(fù)雜的機(jī)制，通過(guò)生物、化學(xué)、免疫和機(jī)械屏障實(shí)現(xiàn)屏障作用。一般認(rèn)為機(jī)械屏障是腸道屏障的主要部分，包括上皮細(xì)胞層（即包括上述ISCs、IECs等）、黏液層、固有層等。對(duì)腸黏膜屏障功能和完整性的影響是益生菌對(duì)宿主發(fā)揮益生功能的主要機(jī)制，表現(xiàn)在對(duì)腸黏膜發(fā)育的促進(jìn)作用、對(duì)炎癥的調(diào)節(jié)作用，以及對(duì)黏膜細(xì)胞的基因表達(dá)的調(diào)控作用。

益生菌可以通過(guò)信號(hào)傳遞改變上皮細(xì)胞骨架重構(gòu)、維持細(xì)胞膜滲透性。腸上皮的通透性包括跨上皮與細(xì)胞旁途徑（即緊密連接處）兩個(gè)途徑。有研究發(fā)現(xiàn)給新生小鼠飼喂鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）GG活菌或熱滅活的制劑可誘導(dǎo)跨膜蛋白claudin 3表達(dá)，從而加速腸屏障成熟，該研究還指出益生菌在維持緊密結(jié)合蛋白的表達(dá)方面有促進(jìn)作用，這種作用能夠被組胺或非甾族化合物消炎藥如阿司匹林等抑制[1]。

另外，作為腸道機(jī)械屏障的重要組成部分，黏液層起到半固定保護(hù)屏障和潤(rùn)滑流動(dòng)生物膜作用。黏液素（Muc2、Muc3）的表達(dá)會(huì)受到乳酸桿菌的調(diào)控作用，表現(xiàn)為促進(jìn)表達(dá)上調(diào)，這種促進(jìn)作用與乳酸桿菌定植時(shí)間有關(guān)。除刺激腸道發(fā)育成熟外，還觀察到一些益生菌可提高上皮絨毛細(xì)胞中富含脯氨酸的蛋白質(zhì)表達(dá)[1]。

根據(jù)上述腸道發(fā)育特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)常從腸道組織形態(tài)、腸道細(xì)胞增殖分化、腸道上皮緊密連接蛋白的合成等角度來(lái)反映腸道狀態(tài)。例如絨毛邊緣可以分泌多種消化酶，同時(shí)絨毛高度的增加會(huì)促使小腸接觸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的面積增大，故絨毛越長(zhǎng)的動(dòng)物其消化吸收能力越強(qiáng)[25]。隱窩深度反映隱窩細(xì)胞的增殖率和成熟度，隱窩變淺則分泌功能增強(qiáng)[26]。絨毛長(zhǎng)度和隱窩深度的比值（V/C）綜合反映小腸的功能狀況，V/C值下降表明小腸消化、吸收功能下降[27]。

2 益生菌菌體組分對(duì)腸道發(fā)育的調(diào)控

益生菌因其益生功能而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、保健、食品等領(lǐng)域。盡管益生菌被定義為通過(guò)定植在體內(nèi)，改變宿主某一部位菌群組成的一類對(duì)宿主有益的活性微生物，但益生菌發(fā)揮益生作用機(jī)理較復(fù)雜，可通過(guò)菌體本身及其活性代謝物直接對(duì)有害物質(zhì)進(jìn)行黏附或降解，或者通過(guò)其代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)腸道菌群及其代謝酶活性、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫活性及機(jī)體部分酶活性等，起間接益生作用。因此，國(guó)際上普遍觀點(diǎn)認(rèn)為益生菌無(wú)論活菌和死菌都具有益生功能，只是發(fā)揮功能的機(jī)理、劑量、安全性等有差異。例如滅活的乳酸菌產(chǎn)品含有維生素、游離氨基酸、小分子功能肽等生理活性物質(zhì)，同樣具有良好的益生功能[28]。目前，已經(jīng)有越來(lái)越多實(shí)驗(yàn)證明益生菌菌體組分對(duì)腸道發(fā)育具有調(diào)節(jié)作用，如一些蛋白類物質(zhì)以及細(xì)胞壁成分等。

2.1 菌毛蛋白對(duì)腸道發(fā)育的調(diào)控

蛋白質(zhì)表面暴露的聚合物結(jié)構(gòu)稱為菌毛[29]。長(zhǎng)期以來(lái)學(xué)者們對(duì)細(xì)菌菌毛的研究主要集中在各種不同的致病菌株[30]，并認(rèn)為其是宿主發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵毒力因素[31]。然而在益生菌中也發(fā)現(xiàn)有菌毛的存在[32]，它們長(zhǎng)約1 μm，直徑1～10 nm，從細(xì)胞表面發(fā)散出來(lái)，參與細(xì)胞黏附定植以及與宿主細(xì)胞之間的信息傳遞。有研究發(fā)現(xiàn)鼠李糖乳桿菌L. rhamnosus GG基因組中包含2 個(gè)獨(dú)立的菌毛位點(diǎn)：SpaCBA和SpaFED基因簇[32-33]。有研究通過(guò)免疫電子顯微鏡證實(shí)了pilin亞基SpaC的表達(dá)[34]，并證明SpaC基因是鼠李糖乳桿菌分泌黏液關(guān)鍵因素[35-36]，SpaF也已被證實(shí)在黏連蛋白中起作用[37]。另外，鼠李糖乳桿菌L. rhamnosus GG分泌的具有特異性和可溶性的低分子質(zhì)量蛋白可調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞生長(zhǎng)和免疫反應(yīng)[36]。

菌毛不僅作為一種重要的定植因子可促進(jìn)二級(jí)宿主免疫反應(yīng)[38-40]，同時(shí)Motherway等最近發(fā)現(xiàn)，Bifidobacterium breve UCC2003的Tad菌毛可能通過(guò)產(chǎn)生一種特定的細(xì)胞外蛋白結(jié)構(gòu)支架，促進(jìn)新生兒結(jié)腸上皮細(xì)胞增殖、黏膜的生長(zhǎng)，從而促進(jìn)幼年腸道的成熟[29]。Bifidobacterium breve UCC2003的Tad菌毛纖維由一個(gè)或多個(gè)不同菌毛蛋白的多個(gè)拷貝組成，編碼其菌毛蛋白的基因簇如圖3所示，其中flp-pilin形成菌毛蛋白軸，該軸上裝飾有假菌毛蛋白、TadE和TadF。實(shí)驗(yàn)表明Tad菌毛也參與了微生物-宿主的通訊，特別是向宿主上皮傳遞增殖信號(hào)。Motherway等首先通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)灌喂109CFU/mL Bifidobacterium breve UCC2003PK1 5 d后，細(xì)胞增殖效果顯著增加；之后使用功能基因組方法，分別構(gòu)建了TadE、TadF缺失的Bifidobacterium breve UCC2003基因突變株（UCC2003ΔTadE與UCC2003ΔTadF），分析這些突變株在體內(nèi)促進(jìn)上皮細(xì)胞增殖，發(fā)現(xiàn)Tad菌毛介導(dǎo)的上皮細(xì)胞增殖由TadE亞基介導(dǎo)；最后將TadE蛋白純化，并通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這些發(fā)現(xiàn)[29]。

圖3 Bifidobacterium breve UCC2003Tad基因簇[29]Fig. 3 Bifidobacterium breve UCC2003Tad gene cluster[29]

目前認(rèn)為Tad菌毛這種調(diào)節(jié)增殖效應(yīng)的宿主-微生物溝通機(jī)制主要與Toll樣受體（toll-like receptor，TLR）有關(guān)。TLR家族在識(shí)別并抑制病原體、在特定的微生物配體或宿主被感染時(shí)釋放危險(xiǎn)信號(hào)因子、維持生理?xiàng)l件下的組織穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用。在上皮細(xì)胞中，TLR2、TLR4和TLR5的mRNA和蛋白質(zhì)的誘導(dǎo)性表達(dá)已被證實(shí)[41]。所有短雙歧桿菌和所有現(xiàn)存雙歧桿菌的基因組中均保留有Tad基因簇，這為菌毛介導(dǎo)宿主-微生物信號(hào)傳導(dǎo)的觀點(diǎn)提供了有力支持，也使得從分子水平上對(duì)早期微生物-宿主“對(duì)話機(jī)制”的研究更為深入[29]。

2.2 益生菌細(xì)胞壁成分對(duì)腸道發(fā)育的調(diào)控

MDP是益生菌細(xì)胞壁中肽聚糖的水解產(chǎn)物。當(dāng)動(dòng)物腸道處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，MDP對(duì)ISCs的影響不顯著；一旦腸道受損傷，MDP可立即對(duì)ISCs發(fā)揮保護(hù)作用，并且這一保護(hù)作用由Lgr5+ISCs模式識(shí)別受體核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域蛋白2（nucleotide-binding oligomerization 2，Nod2）介導(dǎo)，并以Nod2依賴性方式保護(hù)干細(xì)胞免受體內(nèi)氧化應(yīng)激，具體表現(xiàn)為促進(jìn)Lgr5+ISCs增殖、抑制凋亡。Nigro等研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌肽聚糖MDP在體外可誘導(dǎo)較高的類腸器官表達(dá)[42]。

脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞壁外壁的組成成分，細(xì)菌死亡時(shí)通過(guò)溶解、破壞細(xì)胞實(shí)現(xiàn)脫落。LPS通過(guò)激活TLR4抑制上皮細(xì)胞蛋白激酶（protein kinase，Akt）磷酸化，糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）在其上游負(fù)調(diào)控因子Akt作用下，磷酸化水平降低，活力提高，使β-聯(lián)蛋白被磷酸化后降解，最終抑制Lgr5+ISCs或類器官增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[43]，具體機(jī)制見圖4。

圖4 TLR4介導(dǎo)LPS引起的ISCs β-聯(lián)蛋白降解[15]Fig. 4 TLR4 mediates the LPS-induced β-catenin degradation of intestinal stem cells[15]

ISCs能夠表達(dá)TLR4和Nod2等模式識(shí)別受體并被配體激活，但表現(xiàn)出不同的功效：MDP可激活Nod2保護(hù)ISCs，而LPS激活TLR4促進(jìn)ISCs凋亡[15]。LPS與MDP同時(shí)存在于腸道中，各自按照自身的濃度抵消對(duì)方的作用[44]。有研究表明共生細(xì)菌在正常的穩(wěn)態(tài)條件下可被TLRs識(shí)別，并且這種相互作用在維持腸上皮穩(wěn)態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用[45]。

2.3 外源性表皮生長(zhǎng)因子對(duì)腸道發(fā)育的調(diào)控

表皮生長(zhǎng)因子（epidermal growth factor，EGF）存在于胃腸道等組織中，是一類可外源表達(dá)的蛋白質(zhì)類增殖因子[46]。有證據(jù)表明，小腸內(nèi)足夠量的外源性EGF可提高腸谷氨酰胺酶活力，產(chǎn)生ISCs增殖和分化所需酰胺氮及能量，以促進(jìn)腸道發(fā)育，維持良好形態(tài)[47]，從而修復(fù)損傷。Bedford等通過(guò)生物工程方法構(gòu)建了可外源表達(dá)EGF的乳酸乳球菌Lactococcus lactis（EGF-LL），并且發(fā)現(xiàn)其發(fā)酵上清液能促進(jìn)新斷奶仔豬的生長(zhǎng)，包括腸道發(fā)育成熟，具體表現(xiàn)為杯狀細(xì)胞增殖、空腸結(jié)構(gòu)發(fā)育成熟、絨毛高度提高、固有層寬度降低[48]。Cheung等用重組方法構(gòu)建EGF-LL，發(fā)現(xiàn)其可在整個(gè)腸道中存活，并且在腸道內(nèi)容物中還檢測(cè)到重組EGF蛋白；口服重組細(xì)菌EGF-LL的早期斷奶小鼠的體質(zhì)量顯著提高、腸道中平均絨毛高度和隱窩深度增加，腸中增殖細(xì)胞核抗原染色的細(xì)胞數(shù)量增多，表明腸細(xì)胞的增殖得以增強(qiáng)；該研究證明Lactococcus lactis（EGF-LL）對(duì)新生斷奶小鼠的腸道生長(zhǎng)具有有益作用[49]。Kang Ping等研究發(fā)現(xiàn)接受外源表達(dá)EGF的乳酸乳球菌Lactococcus lactis（EGF-LL）組的豬空腸和十二指腸絨毛高度和腸長(zhǎng)度、腸道細(xì)胞增殖率均顯著高于對(duì)照組[50]。

此外，腸道隱窩-絨毛軸上的內(nèi)源EGF信號(hào)通過(guò)與細(xì)胞膜上的糖蛋白受體特異性結(jié)合，使受體磷酸化，提高酪氨酸激酶活力，開啟下游一系列信號(hào)通路（如PI3K/Akt和Ras/Raf/MEK/ERK等），通過(guò)調(diào)節(jié)下游基因的轉(zhuǎn)錄來(lái)調(diào)控ISCs與TA細(xì)胞的增殖和分化[51-52]。

3 益生菌代謝產(chǎn)物丁酸及其鹽類促進(jìn)腸道發(fā)育

動(dòng)物腸道中存在益生菌代謝產(chǎn)物——短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs），如乙酸、丙酸和丁酸等。體內(nèi)超過(guò)95%的丁酸在結(jié)腸內(nèi)產(chǎn)生和吸收[53]。丁酸為腸道上皮細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)，丁酸鹽可以促進(jìn)結(jié)腸黏膜細(xì)胞分化[54]。有研究發(fā)現(xiàn)添加0.1%丁酸鈉到斷奶仔豬飼糧中，1 周后仔豬十二指腸和回腸的V/C值顯著提高[55]。此外，丁酸還影響腸道屏障，一方面通過(guò)影響覆蓋于結(jié)腸上皮黏液中的黏蛋白和三葉因子來(lái)提高腸黏膜的屏障能力；另一方面影響結(jié)腸上皮的通透性，增加腸道的屏障能力，減少炎癥因子的產(chǎn)生，保護(hù)機(jī)體免受內(nèi)源抗原帶來(lái)的損傷，延緩潰瘍性結(jié)腸炎或其他炎癥[53]。冉舒文等綜述了丁酸可以通過(guò)激活Caco-2細(xì)胞的腺苷酸活化蛋白激酶而促進(jìn)腸道的緊密連接表達(dá)，保證腸道的屏障功能[56]。其次，丁酸也能夠誘導(dǎo)活性轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶、抗菌肽和熱休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）的合成，間接促進(jìn)結(jié)腸黏膜的保護(hù)作用。已有研究證明，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶可以促進(jìn)腸黏膜的愈合，抗菌肽（白細(xì)胞介素-37）和防御素可保護(hù)腸黏膜免受細(xì)菌的感染，HSPs可抑制炎癥調(diào)節(jié)劑的生成而預(yù)防炎癥[57]。丁酸及其鹽類對(duì)動(dòng)物腸道生長(zhǎng)發(fā)育的影響見表1。

表1 丁酸及其鹽類對(duì)動(dòng)物腸道生長(zhǎng)發(fā)育的影響Table 1 Effects of butyric acid and butyrate on intestinal growth and development of animals

上述研究結(jié)果說(shuō)明當(dāng)丁酸及其鹽類作為補(bǔ)充劑對(duì)宿主發(fā)揮有益作用時(shí)，其劑量、攝入時(shí)間、攝入方式等需要受到嚴(yán)格控制，才可能促進(jìn)黏膜的成熟和分化，從而影響胃腸道的形態(tài)和功能，這使得以丁酸為主要代謝產(chǎn)物的產(chǎn)丁酸細(xì)菌在腸道中的作用受到更多關(guān)注。通過(guò)對(duì)人腸道微生物的廣泛調(diào)查發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)丁酸細(xì)菌主要分布在梭菌屬（Clostridium）、真桿菌屬（Eubacterium）以及梭桿菌屬（Fusobacterium）等，目前我國(guó)已將丁酸梭菌投入商業(yè)化應(yīng)用[53]。李玉鵬等發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，飼喂添加了丁酸梭菌飼糧的仔豬緊密連接蛋白的表達(dá)顯著提高，平均日增質(zhì)量提高7.83%[64]。Takahashi等研究表明日糧中添加丁酸梭菌MIYAIRI588能夠顯著提高肉雞和斷奶仔豬的生長(zhǎng)性能，降低壞死性腸炎的發(fā)生率和嚴(yán)重程度[65]。

4 腸道菌群定植穩(wěn)態(tài)影響腸道發(fā)育

棲息在動(dòng)物腸道的微生物數(shù)量龐大，是體細(xì)胞和生殖細(xì)胞總數(shù)的10 倍[66]。腸道也被認(rèn)為是機(jī)體“遺忘的免疫器官”[67]。結(jié)腸存在約1 000～1 150 種細(xì)菌，主要以嚴(yán)格厭氧的革蘭氏陽(yáng)性菌為主，且具有宿主特異性[52,68]。健康成人腸道菌主要分為厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidete）、變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）和梭桿菌門（Fusobacteria），其中前2 類菌門的數(shù)量超過(guò)全部腸道菌的90%[69]。兒童腸道內(nèi)富含雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）和Lecnospiraceae；青少年腸道菌群主要富含雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）、糞腸桿菌屬（Faecalibacterium）、Anaerovorax及毛螺菌科（Lachnospiraceae）[70]。

腸道微生物群可以在腸道受應(yīng)激損傷期間影響腸上皮細(xì)胞。一些研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群通過(guò)免疫細(xì)胞-上皮細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)腸上皮修復(fù)的作用，在這些通路中，TLR和甲酰肽受體起識(shí)別細(xì)菌配體作用[45]。越來(lái)越多的證據(jù)表明，早期生命中的微生物群是晚期免疫和代謝疾病風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵決定因素[71]，同時(shí)也是腸道上皮更新的重要驅(qū)動(dòng)因素，影響腸道黏膜形態(tài)和平衡[72]。基于無(wú)菌動(dòng)物的微生物移植實(shí)驗(yàn)整體反映了腸道微生物通過(guò)參與機(jī)體的物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)對(duì)宿主的生長(zhǎng)和代謝表型進(jìn)行調(diào)節(jié)，并直接影響到腸道的生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝調(diào)控[69]。腸道微生物群對(duì)動(dòng)物腸道生長(zhǎng)發(fā)育的影響見表2。

表2 腸道微生物群對(duì)動(dòng)物腸道生長(zhǎng)發(fā)育的影響Table 2 Effect of gut microbiota on intestinal growth and development of animals

Rask等研究發(fā)現(xiàn)，與普通小鼠相比，單一定植菌的小鼠或無(wú)菌小鼠可以通過(guò)上調(diào)小腸黏膜上皮主要組織相關(guān)復(fù)合體的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)小腸黏膜形態(tài)結(jié)構(gòu)的完整[81]。張?zhí)m威等的結(jié)果表明，不同地域母乳中微生物組成存在差異，一些從樣品中分離得到的乳桿菌和雙歧桿菌可以發(fā)揮促進(jìn)腸道上皮細(xì)胞發(fā)育、巨噬細(xì)胞活性的作用[82]。

腸道微生物群顯然對(duì)動(dòng)物早期腸道形態(tài)發(fā)育、上皮細(xì)胞增殖具有重要影響[5]，因此，腸道菌群的變化也能在一定程度上反映出腸道狀態(tài)、代謝能力等。另外，腸道菌群與大腦、肝臟等器官之間通過(guò)腸道菌群-腸-腦軸、腸道菌群-腸-肝軸等進(jìn)行相互調(diào)控，故通過(guò)對(duì)腸道菌群的監(jiān)測(cè)，也可預(yù)測(cè)其他器官正常或異常發(fā)揮作用的趨勢(shì)。目前對(duì)于腸道微生物群與上皮細(xì)胞之間雙向交流的通路機(jī)制也已有研究[83]，但對(duì)于微生物群與上皮細(xì)胞傳導(dǎo)信號(hào)的全分子序列尚未完全了解。腸道菌群對(duì)鄰近干細(xì)胞的功能調(diào)節(jié)，包括對(duì)代謝、免疫以及神經(jīng)元和血管發(fā)育在內(nèi)的多種宿主功能的調(diào)節(jié)，仍有待于進(jìn)一步深入研究[84-87]。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，腸道微生物與腸道發(fā)育密切相關(guān)，腸道內(nèi)定植的益生菌可通過(guò)直接或間接的途徑影響動(dòng)物腸道細(xì)胞增殖分化、黏膜屏障的形成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腸道發(fā)育的干預(yù)。然而目前實(shí)驗(yàn)常通過(guò)建立體外細(xì)胞模型、類器官模型以及以轉(zhuǎn)基因小鼠作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)模擬正常動(dòng)物腸道組織，臨床實(shí)驗(yàn)較少，與人體正常腸道環(huán)境存在差異。并且盡管人們目前對(duì)于益生菌干預(yù)腸道細(xì)胞增殖分化及黏膜屏障的形成有一定的了解，但其自我更新具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步系統(tǒng)探索。并且有必要深入了解益生菌干預(yù)靶位點(diǎn)、靶分子和相關(guān)的信號(hào)傳導(dǎo)通路等分子調(diào)控機(jī)制，篩選出含有起調(diào)控作用的菌體蛋白或分泌有效代謝產(chǎn)物的功能菌株或利用生物工程手段定向改造工程菌，通過(guò)補(bǔ)充益生菌制劑、菌群移植等方式，有效發(fā)揮益生菌促進(jìn)腸道發(fā)育的益生作用，這對(duì)于嬰幼兒機(jī)體成熟、緩解或修復(fù)腸道應(yīng)激損傷等產(chǎn)生重要的影響，對(duì)維持機(jī)體健康具有重要意義。