益生元促进动物肠道免疫的作用机理

和玉丹,万培伟，王 庚

（1.江西生物科技职业学院,江西南昌330200；2.浙江大学动物科学学院）

益生元是现代肠道功能、肠道微生态调节的重要功能因子。在畜禽养殖业上，越来越多的研究报道，益生元的添加能改善动物生长繁殖性能，究其原因还是要归功于益生元能从根本上调控有机体肠道菌群，进而间接发挥免疫调节作用；亦或直接作用于肠道上皮细胞，通过对炎症相关信号转导通路的调控，来改善机体的免疫状况，从而保证动物体处在健康的生理状态。

1 益生元的概述

益生元是指能够选择性地刺激特定肠道菌的生长、活性而有益于宿主健康的非消化性食物成分，这是1995年国际“益生元之父”—Dr.Glenn Gibson对益生元进行的定义。Gibson等[1]在2004年又给出了最新的定义：益生元是一种可被选择性发酵而专一性地改善肠道中有益于宿主健康的菌群组成和活性的食物配料，常称双歧因子。根据Gibson最新定义，作为益生元至少应具备4个基本条件：一是在胃肠道的上部既不能被水解也不能被吸收；二是能选择性地刺激肠内有益菌（双歧杆菌等）的生长繁殖和激活代谢；三是能够优化肠道有益菌的构成和数量；四是有利于增强宿主机体健康。而在2010年，国际益生菌和益生元科学协会定义膳食益生元为“选择性发酵的成分，它能对胃肠微生物的组成或活性产生特定变化，进而有利于宿主的健康”[2]。2015年Bindels等[3]提出将益生元进一步定义为“一种不被消化的混合物，通过肠道微生物的代谢，调节肠道微生物群组成或活性，从而赋予宿主有益的生理影响”。有别于传统的益生元特定性刺激双歧杆菌等某种益生菌概念，这一最新概念呼吁益生元作用要关注到整个微生态的结构与功能的变化。

目前公认的可作为益生元的物质包括：功能性低聚糖、多糖、多元醇、蛋白质水解产物、植物提取物等等。功能性低聚糖包括低聚果糖、低聚木糖、低聚异麦芽糖、低聚半乳糖、低聚甘露糖和水苏糖等；多糖，如菊粉、抗性淀粉等；多元醇，如木糖醇、甘露醇等；蛋白质水解产物，如酪蛋白的水解物、乳铁蛋白等。其中功能性低聚糖是最主要的，也是研究的最多的一类益生元。而这其中又多以低聚半乳糖、低聚果糖、低聚木糖和甘露寡糖为主[4]。

2 益生元的生理功能

2.1 改善肠道微生态

通过添加益生元，肠道菌群数量得到提高，粪便排出量也有所增加。益生元在肠道中以溶解的状态存在，这样可以改变肠道的渗透压，导致水流量的增加[5]。益生元在肠道被利用后可产生气体、短链脂肪酸和乳酸盐，这些物质能影响消化道的运动性，从而有利于改善便秘。添加益生元可以使有益菌更好地生长[6]。Roberfroid等[7]报道，低聚糖能够促进有益菌的生长，特别是双歧杆菌和乳酸菌的增殖，而有益菌在消化道内起到屏障作用，有益菌的增殖最终减少胃肠道疾病的发生。而致病菌如大肠杆菌、沙门氏杆菌、产气芽胞梭菌等因不能利用低聚糖而导致饥饿死亡。另有研究表明，寡糖不仅能充当碳源或营养物质，而且寡糖还可以促进并调节双歧杆菌的生长，并有黏附作用[8]。

2.2 促进矿物质的吸收

Ohta[9]用添加了10%低聚果糖的饲料喂养小鼠，试验结果表明，低聚果糖可以促进机体对钙、铁、镁、锌等元素的吸收，并可阻止因缺乏雌性激素而引起的骨质丢失。另有研究发现，小鼠采食转半乳糖寡糖后，钙和镁的吸收量得到了不同程度的提高，并且小鼠血中铁的浓度也有所提高。以不同模型做试验得到的研究结果表明，益生元能促进机体对矿物质的吸收，而吸收矿物质这一过程主要是在大肠发生[10]。益生元在肠道内被有益菌利用，通过发酵产生有机酸，使肠道内的pH值降低，改变了矿物质在肠道内的运输过程，主动运输和被动运输都得到增强，最终使得矿物质在肠道内的代谢得到改善。因此，益生元可以促进机体对矿物质的吸收[11]。进而可以利用食用益生元来防治骨质疏松。

2.3 调节脂类代谢

功能性低聚糖益生元可以调节肝脏中脂肪代谢，降低血清胆固醇，提高HDL/LDL值。Dacidson等的试验表明，每天给予患有轻度高胆固醇的病人18 g抗性淀粉一段时间后，血清总胆固醇和LDL-胆固醇含量降低[12～13]。

2.4 增强免疫力

益生元可以促进双歧杆菌增殖，而双歧杆菌具有很强的免疫刺激作用，能刺激巨噬细胞使其产生活性，巨噬细胞被激活后可分泌抗菌素，使淋巴细胞被刺激而分裂，不断生成淋巴细胞[14]。对动物免疫力而言，肠道内淋巴组织起重要作用，所以肠道内有关淋巴组织的增强，可以使动物免疫力得到提高。益生元在体内被有益菌利用，可以生成短链脂肪酸（主要是醋酸、丙酸、丁酸）和乳酸，酸的生成可以使肠道内pH值降低，在酸性环境下腐败不容易发生，并得到控制，而且排便得到促进[15]。在pH值较低的条件下，一级胆酸转变成二级胆酸的反应减少（二级胆酸有致癌性），氨和胺转化成NH4+，从而有利于减少癌变。益生元发酵产生的短链脂肪酸尤其是丁酸对大肠上皮细胞有营养作用，不仅可以作为结肠细胞的主要能源基质，有助于免疫细胞的育成，而且可以增强细胞增生分化能力[16]。

3 益生元的作用机制

益生元的作用机理主要有间接与直接两种方式。首先它可以间接的通过调控微生物菌群，进而发挥肠道免疫调节作用。其次，大量研究表明益生元也可以直接作用的肠道上皮细胞，通过过氧化物酶体增殖物激活受体（Peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR-γ）途径之肽聚糖识别蛋白3（Peptides recognize protein 3，PGlyRP-3）、NFκB 以及MAPK信号通路发挥其抗炎作用[17～18]。

3.1 通过肠道菌群调控免疫

食入的益生元被肠道有益菌群利用，通过降解或者发酵的方式，转化成为其单体形式或者生成短链脂肪酸[19]。前者能有效的对肠道微生物形成竞争性抑制，减少有害病原菌的粘附；同时可以被益生菌降解利用，从而促进其生长繁殖，形成微生态竞争优势[20]；后者即短链脂肪酸一方面可以降低肠道内环境的pH，抑制有害菌的繁殖；为肠道上皮提供能量，促进肠上皮细胞的增殖，隐窝的增生，提高营养物质的吸收；最后与免疫细胞因子互作，调节免疫细胞的分化，保证机体免疫功能的正常行使[21]。最后，益生元自身也能有效降低有害菌粘附蛋白的表达，从而也能降低有害菌的定植与进一步繁殖[22]。

3.2 通过炎症相关信号通路调控炎症

3.2.1 过氧化酶物体增殖物激活受体（PPAR-γ）途径

相关研究[23～24]表明，益生元可促进PPAR-γ在Caco-2细胞中的表达，同时降低细胞的促炎因子表达量；但是当加入PPAR-γ相应拮抗剂的之后，上述的抗炎作用消失了，这说明PPAR-γ对抗炎起着决定性作用；同时研究发现，在干扰其下游的PGlyRP-3（本身具有抗炎作用）之后，抗炎作用仍然存在，说明PPAR-γ抗炎信号通路的下游关键分子不止PGlyRP-3一个。

3.2.1 核转录因子NFκB及MAPK途径

同时另外的研究指出低聚果糖能直接影响细胞的磷酸化过程，从而调节肠道免疫[25]。通过对低聚果糖处理过的细胞进行激酶组学分析，得到了其可以同时降低NFκB与MAPK信号通路的磷酸化[26]。其中对与NFκB，低聚果糖不仅降低了它本身的磷酸化，同时升高IκB的表达，使得NFκB受制于细胞质中，这可以通过免疫荧光来检测入核的NFκB来侧面反映[27]。

低聚果糖同时降低了P38与ERK1/2的磷酸化程度，而这在MAPK信号转到通路中发挥着细胞生长、分化以及凋亡的关键调控作用，它们磷酸化水平的降低，说明了低聚寡糖降低了细胞的免疫灵敏度，使其具有更好的免疫耐受。

4 在畜禽养殖中的应用

Janardhana[28]等研究指出益生元能调节鸡肠道盲肠免疫细胞的增殖分化，从而影响肠道局部免疫；不过同时也调节了全身免疫水平。益生元在对鸡的热应激方面的报道中表明低聚半乳糖降低了鸡空肠热休克蛋白HSP70、HSP90的表达，并且抑制了白细胞介素-6与白细胞介素-8的表达[29]。Yang等[30]通过聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳技术分析结果，仔鸡饲喂益生元后，显著提高了香农指数与丰富度，表明益生元可以调节肠道微生物区系。

Mcdonnell等[31]在研究低聚半乳糖对肥育猪肠道免疫影响中，发现低聚半乳糖的添加能有效抑制鼠伤寒沙门氏杆菌感染引起的炎症反应，并且增加回肠内白细胞介素-10以及粘液素-2的表达。Cindy[32]在研究母源性低聚果糖对仔猪影响时，发现低聚果糖显著增加仔猪肠系膜淋巴结中单核细胞的密度，同时增加了派尔集合淋巴结sIgA的分泌，说明其对后代肠道免疫的完善起到一定作用。Alizadeh[33]等研究发现对仔猪饲喂一定低聚半乳糖后，促进仔猪肠道紧密连接蛋白的表达以及提升β防御素-2的转录水平。

5 小结

综上所述，随着益生元定义的不断精确与扩展，已经打破了传统的观念，不再局限于寡糖类物质，其代谢部位也不在拘泥于结肠，而是扩展到整个消化道。慢慢的发现，益生元不仅仅可以间接通过影响肠道菌群，来调节机体免疫；同时也能直接作用于肠道上皮细胞，调控炎症反应，从而能够对畜禽生产和健康产生影响。但是益生元更深层次的免疫机制尚不清楚，只能能通过现有的炎症通路得到其发挥作用的直接证明，并不能找到根本机制所在，所以进一步的工作也许放在探究益生元如何调控肠道上皮细胞内各种信号通路会更有意义。