短链脂肪酸、色氨酸代谢物及两性离子多糖A调控动物炎性肠病通路的研究进展

倪 萍，张海波，廖晓鹏，关玮琨，黎力之*，郭冬生*

（1.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西省高等学校硒农业工程技术研究中心，宜春市功能农业与生态环境重点实验室，江西宜春 336000；2.宜春学院继续教育学院，江西宜春 336000）

动物炎性肠病（Inf lammatory Bowel Disease，IBD）是一类影响肠道的慢性炎症疾病，目前多认为其是环境变化、遗传易感性及肠道菌群紊乱等因素相互作用的结果[1]。肠道菌群失调，致病菌增多，其释放的肠毒素导致肠上皮通透性增加，破坏肠道屏障完整性，扰乱抗炎/促炎细胞因子的平衡，释放大量炎症介质，引起肠黏膜免疫系统过度反应，诱发IBD，其损伤动物肠道黏膜，导致动物死亡，给动物生产造成了巨大损失[2]。据报道，华东地区的规模化猪场普遍感染亚临床型回肠炎[3]；鸡坏死性肠炎一般发生在2～4 周龄肉仔鸡中，病死率约为2%～10%[4]；鸭肠炎是目前危害水禽健康的重要病原之一，病死率极高[5]。近年来研究发现，肠道菌群产生的短链脂肪酸（Short-chain Fatty Acids，SCFAs）、色氨酸代谢物（Tryptophan Catabolites，TC）及两性离子多糖A（Polysaccharide A，PSA）对白细胞介素-10（Interleukin-10，IL-10）、IL-22 等细胞因子分泌有上调作用，从而缓解IBD[6-8]。例如，SCFAs 激活G蛋白偶联受体（GPCRs），促进抗炎细胞因子分泌IL-10，对炎症发挥调控作用[6]；TC 活化芳香烃受体（AhR），增加IL-22 生成，维持肠黏膜稳态平衡[7]；PSA 通过增强Toll 样受体2（TLR2）表达，促进调节性T 细胞（Treg）产生IL-10，减轻肠道炎症[8]。肠道菌群代谢物种类繁多，其中，SCFAs、TC 和PSA 对IBD 的调控作用显著，且目前还较缺乏此方面的系统综述。本文以SCFAs、TC和PSA 为例，探讨肠道菌群代谢物调控IBD 的作用途径，为防治动物IBD、促进动物生产提供理论依据。

1 肠道菌群代谢物

1.1 肠道菌群代谢物组成 肠道菌群代谢物种类多、分布广，哺乳动物血液中来自肠道菌群的代谢物含量达10%，包括SCFAs、TC、PSA、维生素K 和次级胆汁酸等[9]。大部分菌群代谢物由菌群辅助宿主分解营养物质产生。肠道内拟杆菌门和厚壁菌门等厌氧微生物发酵饲粮纤维生成SCFAs，如乙酸、丙酸和丁酸，三者浓度比约为3:1:1，总和达到SCFAs 的95% 以上[10]。SCFAs 浓度主要受肠道共生菌比例影响，微生态失调导致体内不同SCFAs 间比例改变[11]。其次，饲粮纤维含量及其在肠道内的滞留时间对SCFAs 浓度也具有一定影响[11]。肠道菌群还参与色氨酸的代谢，将其分解为吲哚及吲哚酸衍生物（如吲哚-3-乙醛、吲哚-3-乙酸及吲哚乳酸）[12-13]。吲哚作为色氨酸代谢过程的最主要产物，由表达色氨酸酶的共生菌（如副大肠杆菌及拟杆菌）代谢色氨酸产生。研究表明，色氨酸在肠道梭状芽胞杆菌和罗伊式乳杆菌作用下分解成色胺和吲哚丙酮酸后，转化为吲哚-3-乙酸和吲哚乳酸[13]。此外，肠道菌群也可自身合成代谢物，例如，脆弱拟杆菌可产生8 种荚膜多糖，PSA 作为其中之一，具有特殊取代基，由带高电荷重复单元结构组成[14]。其诱导的免疫反应正是取决于重复单元结构中存在的正电荷和负电荷基团[14]。

1.2 肠道菌群代谢物的功能 肠道菌群代谢物不仅能参与体内能量代谢，调控宿主对营养物质的消化吸收，还在维护机体免疫上具有重要作用[6,15]。在众多菌群代谢物中，SCFAs、TC 和PSA 在保护动物肠道健康方面效果显著。SCFAs 可增强肠黏膜细胞生长力，维持肠黏膜形态。刁慧[16]研究表明，在猪回肠末端灌注不同浓度的SCFAs，肠道pH 下降，有效抑制了肠上皮细胞凋亡，有利于改善肠黏膜屏障，其中以乙酸61.84 mmol/L、丙酸18.62 mmol/L 和丁酸12.55 mmol/L 混合灌注效果最佳。TC 可激活机体内AhR 信号通路，发挥抗炎作用。研究发现，吲哚-3-乙醛促进小鼠肠道AhR 表达并活化AhR 信号，减轻因白色念珠菌所致的炎症反应[17]。脆弱拟杆菌产生的PSA 抑制病原菌定植、改善肠道菌群结构，从而提高机体免疫能力。尽管脆弱拟杆菌仅占结肠内菌群总数不足1%，但其产生的PSA 在调节宿主免疫功能上起到关键作用[18]。研究显示，脆弱拟杆菌通过合成释放PSA，激活TLR 途径，有助于免疫系统对非致病菌与致病菌的正确识别，维护宿主肠道健康[18]。因此，SCFAs、TC 和PSA 能直接或间接参与肠道免疫反应，维护动物体健康。肠道菌群失衡会造成它们向不利于动物体健康的方向发展，削弱它们对肠道免疫功能的积极影响。

2 常见肠道菌群代谢物对IBD 的影响

2.1 SCFAs 对IBD 的影响 肠道菌群代谢物中SCFAs的研究较多，其通过介导肠黏膜免疫应答增强肠上皮屏障功能，维持肠道稳定[19-20]。IBD 动物模型出现菌群失调现象，会导致SCFAs 显著减少[21]。研究发现，肠炎山羊经丁酸灌肠或口服丙酸等方法处理后，肠道炎症得到改善[22]。可见，SCFAs 的浓度与IBD 的发生发展密切相关。如图1 所示，SCFAs 主要通过激活GPCRs 或抑制组蛋白去乙酰化酶（Histone Deacetylase，HDAC）活性发挥抗炎作用。

图1 SCFAs 调控肠道炎症的信号网络

SCFAs 与GPR41、GPR43 以 及GPR109 结合后激活GPCRs，促进抗炎细胞因子产生，是调控机体肠道炎症的主要途径。通过对结肠炎小鼠模型试验发现，SCFAs 结合肠上皮细胞上的GPR41、GPR43 和GPR109，促使钾离子外排和超极化，激活炎性小体NOD 样受体家族蛋白3，促进肠上皮修复细胞因子IL-18 释放，减轻肠道炎症[23-25]。而当缺乏上述相关受体时，促炎细胞因子基因表达增强，加剧炎症反应。此外，不同SCFAs 激活GPCRs 后对IBD 的调控方式不同：乙酸盐和丙酸盐激活GPR43 上调叉头状螺旋转录因子（Forkhead Box P3，Foxp3），诱导T 细胞分化为Treg，促进IL-10 释放，抑制炎症反应[26-27]；而丁酸盐通过GPCRs 激活途径活化结肠内免疫细胞（如巨噬细胞），抑制IL-6、IL-17 表达及辅助性T 细胞17（T Helper Cells 17，Th17）扩增，缓解肠道炎症[28]。

HDAC 是催化组蛋白去乙酰化反应的一类蛋白酶，SCFAs 利用HDAC 抑制作用，经3 条途径使抗炎/ 促炎细胞因子处于健康水平，从而降低炎症反应发生几率。其一，SCFAs 与HDAC 抑制剂结合后，诱导HDAC 抑制作用，刺激中性粒细胞和单核细胞，致使核转录因子κB（Nuclear Transcription Factor-κB，NF-κB）活性降低甚至失活，阻碍IL-2 和IL-6 等促炎细胞因子基因表达，起到抗炎作用[29]。Wen 等[30]在仔猪饲料中添加丁酸钠，发现血清中IL-6 和肿瘤坏死因子-α（Tumor Necrosis Factor-α，TNF-α）含量降低，肠道NF-κB 的核内功能下降，并有效阻碍了有害菌的生长。其二，SCFAs 抑制HDAC 活性后，通过抑制Foxp3基因中增强子组蛋白H3 乙酰化水平，上调Foxp3基因表达，促进Treg 细胞分化，达到抗炎目的[31]。其中，丙酸和丁酸可通过抑制HDAC 增加Treg 细胞生成，而乙酸由于较缺乏HDAC 抑制活性无法发挥该作用[32]。但有研究表明乙酸可促进正常成年小鼠结肠上皮细胞中AhR 表达及整体组蛋白乙酰化，增强Foxp3基因表达，缓解动物结肠炎[33]。其三，SCFAs 发挥的HDAC 抑制作用调控雷帕霉素靶蛋白通路减少Th17 细胞生成，促进分泌抗炎因子IL-10 的Treg 细胞分化，介导Th17/Treg 平衡，调节机体炎症反应[34]。研究发现，母畜摄入含SCFAs的饲料，可将其对HDAC 的抑制能力遗传给后代，提示SCFAs 在维护动物健康，防治肠道疾病方面拥有表观遗传潜力[35]。由此推测，在畜禽养殖中可通过增加母体内SCFAs 含量提高其后代免疫能力，降低养殖成本。总之，SCFAs/GPCRs 途径以及SCFAs 介导HDAC抑制作用，揭示了SCFAs 在维护肠道免疫能力，防治动物IBD 方面拥有巨大的潜力。

2.2 TC 对IBD 的影响 研究表明，饲粮中缺乏色氨酸会降低动物免疫力，导致动物疾病发生率及死亡率升高[36]。仔猪免疫系统尚未发育完全，抗病能力弱，易遭受致病菌侵袭。Zhang 等[37]研究发现，采用富含色氨酸的饲粮饲喂仔猪能有效降低肠道炎症反应的发生。此外，通过给断奶仔猪口服大肠杆菌后，饲喂含充足色氨酸的饲粮，结果显示，试验组仔猪日增重显著升高，血液中免疫球蛋白A 含量上升[36]。这些研究结果均表明色氨酸含量增加可降低动物患病风险，改善动物免疫功能。然而，饲粮中色氨酸对动物肠道免疫的影响并不是由其自身作用产生，而与其代谢物密切相关。体内色氨酸有多种代谢途径，肠道菌群途径作为其中之一，虽所占比例仅4%～6%，但此途径下生成的TC 在动物肠道免疫调节方面发挥的关键作用不容忽视[38]。

色氨酸沿肠道菌群途径代谢产生的AhR 信号对肠道稳定至关重要，被认为是肠道免疫反应的受体，有助于维护肠黏膜屏障功能。AhR 是介导机体免疫调节的主要因子，在其众多配体中，约有50% 与色氨酸或TC（如吲哚-3-丙酸和吲哚乳酸）相关[39]。肠道菌群产生的TC 可通过激活AhR，调控肠道先天淋巴细胞（Innate Lymphoid Cells，ILCs），维护肠黏膜稳态。Kobayashi 等[40]研究发现，饲喂色氨酸可增加野生小鼠AhR mRNA 表达，进而促进ILCs 增殖，引起IL-22含量升高。ILCs 作为机体重要固有免疫细胞，具有御防外来病原体入侵、修复组织损伤及免疫调节等功能。IL-22 能诱导肠上皮细胞分泌抗菌肽及黏蛋白，在对抗肠道病原菌方面有着重要作用。AhR 被TC 活化后，通过上调kit 和Notch 信号通路促进ILCs 增殖分化，IL-22 生成增加，参与IBD 的发展过程[41]。除此之外，吲哚作为体内微生物信号分子之一，具有显著抗炎作用，在维护动物肠道健康方面起着重要作用。研究表明，TC 吲哚及吲哚衍生物可促进黏附蛋白及肠上皮细胞紧密连接蛋白相关基因表达，从而提高肠道免疫能力，同时增加IL-10 表达量，抑制肠道炎症反应[38]。综上所述，色氨酸经肠道菌群分解生成的产物不仅可与AhR 结合，参与维护肠道稳态及动物体免疫调节，还可增强肠上皮细胞紧密连接，促进抗炎因子分泌，发挥积极抗炎作用（图2）。然而，当体内色氨酸与支链氨基酸的比例失衡时，对动物采食量及免疫力产生负面影响[36]。因此，在实际生产中利用色氨酸增强动物免疫力，提高动物生产性能的同时也应注意调控饲料中支链氨基酸含量。

图2 TC 调控肠道炎症的信号网络

2.3 PSA 对IBD 的影响 肠道菌群除作用于营养物质产生SCFAs 及TC 外，还能自身合成代谢物PSA。研究表明，对由三硝基苯磺酸钠（Trinitrobenzene Sulfonic Acid，TNBS）诱导的肠炎动物模型采用PSA 治疗性给药后，发现IL-23、IL-17 和TNF-α等促炎细胞因子含量显著降低[42]。这类细胞因子主要由Th17 细胞产生，RORγt 是指导Th17 分化的转录因子，动物体经PSA 处理后其表达受到抑制，从而降低由Th17 产生的促炎细胞因子水平，达到抗炎效果。此外，有学者在研究肝螺杆菌诱导感染的结肠炎动物模型中发现，脆弱拟杆菌可作为免疫激活剂刺激Treg 细胞活化，随后，Treg 细胞通过促进IL-10 分泌而有效抑制促炎细胞因子IL-17 产生，从而缓解IBD[18]。进一步研究表明，即使在PSA存在情况下，缺乏IL-10 的小鼠在TNBS 诱导下也会出现肠炎症状[42]。由此可知，IL-10 是PSA 抑制肠炎反应的关键，而随着研究的深入，PSA 调控IL-10 缓解肠道炎症的通路也逐渐清晰。据报道，树突状细胞（Dendritic Cells，DCs）参与PSA 对肠道炎症的调节[43]。进一步研究发现，DCs 中介导PSA 炎症调控过程的是pDC，但肠道pDC 如何识别由脆弱拟杆菌产生的PSA还需进一步研究探讨[43]。PSA 通过刺激pDC 细胞表面TLR2 活化pDC 细胞，以pDC 细胞表面主要组织相容性复合体II 类、CD86 和可诱导共刺激分子配体为媒介促进Treg 细胞分泌IL-10，从而抑制肠道炎症[44]。同时，PSA 还可直接刺激CD+4T 细胞表面TLR2，上调CD25及Foxp3基因表达，促使其向Treg 细胞分化，从而增加IL-10 分泌量抑制肠炎[45]。综上，PSA 通过促进免疫系统中较为有效的抗炎细胞因子IL-10 分泌，抑制与Th17 系谱相关的多种促炎细胞因子产生，实现对IBD的调控。然而，动物体内脆弱拟杆菌不表达PSA。因此，深入研究PSA 调控动物IBD 更为具体的分子机制，有望为防治动物IBD 提供新策略。

3 SCFAs、TC 和PSA 在IBD 中的应用潜力

SCFAs 维护肠上皮屏障功能，参与肠道免疫调节，抑制炎症发生。在饲粮中添加丁酸钠，肉鸡小肠绒毛高度和黏膜厚度显著增加，有效防止IL-6、IL-8 和TNF-β等炎症因子进入机体诱发IBD[46]。给奶牛日粮添加中短链和长链脂肪酸混合物后，细胞因子IL-10 含量显著上升，提高奶牛抗炎能力[47]。仔猪日粮中添加0.2%的丁酸可减轻大肠杆菌诱发的肠道炎症，同时抑制HDAC，增加宿主防御肽含量，有利于动物正常生长发育[48]。此外，仔猪处于炎症状态时，对色氨酸的需求量增加，主要通过TC 发挥免疫调节作用[36]。在仔猪日粮中添加色氨酸，结肠炎仔猪肠道通透性显著下降[49]。可知，饲料中添加色氨酸调控体内TC 含量可达到缓解仔猪结肠炎的目的。通过给予结肠炎小鼠PSA 治疗，发现PSA 对肠黏膜有保护作用，说明PSA 具有缓解IBD的能力[50]。而目前由于外源性PSA 调控IBD 的研究对象主要为实验动物，在畜禽生产中，安全性和有效性还有待进一步探究。综上，合理利用SCFAs、TC 和PSA可提高动物肠道免疫力，减轻肠道炎症反应。

4 总结与展望

IBD 对动物危害极大，且在动物生产上尚缺乏有效防治方法。近年来，大量研究表明，肠道菌群代谢物与IBD 密切相关。SCFAs、TC 及PSA 多以对免疫细胞（如Treg 细胞、Th17 细胞）及其分泌的相关细胞因子（如IL-10 及IL-17）调控为主，从而缓解IBD。通过SCFAs、TC 及PSA 对IBD 调节方式的充分探究，为揭示IBD 发生发展的未知领域提供一定的理论支持。未来利用分子生物学技术、云数据分析和多元线性相关法等，深入研究肠道菌群代谢物调控IBD 更为具体的作用机制，将为今后寻找动物IBD 防治方法提供新方向。