植物多糖对动物肠道的保护作用及其分子机制

毛欣雨，梁 慧，王 行，董 娜

(东北农业大学动物科学技术学院，哈尔滨 150038)

动物肠道疾病多数由病原体感染、应激反应、中毒、营养等问题引起[1]，目前研究表明,肠道炎症是仔猪断奶腹泻[2]、新生山羊腹泻[3]、新生犊牛腹泻[4]等的内在原因。由腹泻导致的动物肠道疾病的发病率和死亡率日益升高，严重影响了动物的生长发育，对养殖业的经济效益造成巨大冲击。虽然目前可以通过改善动物饲养管理条件、抗生素治疗等手段在一定程度上缓解肠道疾病的发生和发展，但因耐药性、药物残留等问题导致畜产品质量下降，经济效益降低甚至危害人类健康。天然多糖主要来源于植物，具有高效、无毒副作用、无残留等特点，是一种天然高分子聚合物，通常由10多种单糖通过糖苷键以直链或支链的形式组成，分子质量为数万甚至数百万[5]，可以介导动物细胞分化、增殖、信号转导等生理活动[6]。药理和临床研究表明植物多糖具有免疫调节、抗炎、抗肿瘤、抗病毒、抗辐射、降血糖等多种功能[7]。 研究表明，连续29 d在28日龄杜洛克×长白×约克夏断奶仔猪的基础饲粮中添加800 mg/kg黄芪多糖和人参多糖能提高饲料转化效率、平均日增重和仔猪体重，改善肠道微生物数量及组成，降低腹泻率，促进动物的生长[8]。在饲粮中添加5和10 g/头的黄芪多糖均能提高断奶犊牛的平均日增重和平均日采食量，并在一定程度上降低肠道疾病的发病率，提高动物生长性能[9]。作者综述了植物多糖对动物肠道的保护作用及其分子机制，并阐述了其在动物生产中的应用，以期为其在动物生产中的推广应用提供理论依据。

1 植物多糖的结构

植物多糖的化学结构是其生物活性的基础，不同化学结构的多糖生物活性具有较大的差异[10]。天然产物中多糖的主要结构非常复杂，但其主链的基本结构通常是葡聚糖、果聚糖、木聚糖、甘露聚糖、半乳聚糖等，或者是两种或几种单糖的聚合物(如半乳甘露聚糖、果胶)，支链结构的多样性决定了多糖结构的多样性。多糖结构可分为一级结构和二级、三级等高级结构，然而对于多糖的空间高级结构的解析还存在诸多困难，只能确定高级结构比一级结构在活性方面发挥更大作用。现有研究表明，对于水溶性β-D-1,3-葡聚糖,只有分子质量>90 ku才能形成3股螺旋的高度有序结构，具有3股螺旋结构的葡聚糖大多具有多糖的免疫活性[11]，能够发挥肠道免疫功能，保护肠道健康。

2 植物多糖的功能及其在动物生产中的应用

2.1 保护动物肠道健康

肠上皮屏障作为动物抵御病原体入侵的第一道防线，一旦屏障的完整性被破坏，外源性有害物质即可入侵到动物肠道组织中，造成炎症和组织损伤。植物多糖作为一种饲料添加剂能够预防或减轻动物肠道损伤，降低肠道炎症水平，其主要通过充分发挥各个屏障的功能以及加强各屏障之间的相互联系来发挥保护作用。植物多糖有多种提取方式，目前多采用水溶-醇析法提取：将植物组织在80 ℃水中浸提1～2 h，离心后取上清液，向上清液中加入乙醇，使乙醇的最终浓度达到80%，从而获得植物多糖[12]。

2.1.1 维持肠道机械屏障完整性 肠上皮细胞(intestinal epithelial cell,IEC)是机械屏障的一个极其重要的组成部分，其与细胞间连接——紧密连接(tight junction，TJ)和黏附连接(adhesion junction，AJ)组成的顶端连接复合体构成了肠道的机械屏障[13]。 其中TJ蛋白主要由封闭蛋白(claudins，CLDN)、闭锁小带-1(zonula occludens-1，ZO-1)、闭锁蛋白(occludin，OCLN)家族成员和连接黏附分子(junctional adhesion molecule，JAM)组成[14]。肠道炎症发生时，IEC和TJ蛋白均会受到一定程度的破坏，主要表现为IEC的增殖和成熟受损[15]以及TJ蛋白的亚细胞分布和表达发生变化[16]。研究表明植物多糖能够维持肠道屏障完整性，促进动物肠道结构和功能的发育，降低肠道炎症水平，修复肠道受损组织，恢复正常的肠道结构，促进动物对营养物质的消化吸收。 有研究表明，在雏番鸭饮用水中添加0.2 g/L猴头菇多糖,期间自由饮水,可显著提高雏鸭的绒毛高度(VH)和绒毛高度/隐窝深度(VH/CD)比值，增加肠道表面积和IEC数量，提高营养物质的吸收能力，加快家禽的生长速度[17]；在35日龄的杜长大三元杂交断奶仔猪饲粮中补充植物多糖对其肠道屏障的完整性有一定的影响，试验证明在饲粮中添加800 mg/kg的黄芪多糖、白术多糖或牛膝多糖28 d，会显著增加肠道TJ蛋白中OCLN、ZO-1和CLDN-1的mRNA和蛋白的表达量，阻止有害菌对OCLN、ZO-1和CLDN-1的影响，提高肠道紧密连接性，有效防止病原菌对猪肠道的破坏，减轻肠道黏膜的受损状况[18]。

2.1.2 增强肠道化学屏障功能 肠道的化学屏障主要由覆盖在IEC表面的黏液层、消化液及抗菌肽(AMPs)等组成[19]，又称为黏液屏障。其中黏液层的黏液由隐窝中的杯状细胞(goblet cells，GCs)所分泌的黏蛋白组成。GCs分泌的黏液作为第一道物理防线[20]，在炎症发生时，致病微生物入侵导致成熟的GCs及其分泌的黏蛋白减少[21]，已有研究表明上述改变正是肠道炎症病理改变的关键。天然多糖被认为是一类有益的营养素，通过促进GCs的发育和功能成熟以及GCs黏蛋白的分泌从而改善肠黏膜屏障功能。给8周龄雌性C57BL/6小鼠连续7 d口服霍山石斛多糖0.2 mg/g体重，这不仅能够改变小鼠肠道的生理状态，还可以调节肠道黏膜结构，提高黏蛋白-2、β-防御素和sIgA的表达和分泌来增强肠道的化学屏障功能[22]，改善肠道健康；在1日龄Ross-308雏鸡的基础饲粮中连续21 d添加600 mg/kg γ-辐照黄芪多糖[23]和100 mg/kg低聚木糖能够增加十二指肠GCs数量和改善回肠形态(更高的VH和VH/CD比值)，二者联合应用具有较好的替代金四环素改善肉鸡生长性能、肠道形态和肠道屏障功能的潜力。

2.1.3 提高肠道免疫屏障保护力 免疫屏障由IgA、黏膜内淋巴细胞(LYMPH)和肠系膜淋巴结(MLN)等因子组成，在肠道黏膜表面起到重要的免疫保护作用，能够增强肠道的免疫功能[24]。IgA是黏膜免疫的主要抗体，是维持肠道黏膜稳态的重要物质[25]。黏膜内LYMPH及MLN在肠道免疫过程中同样发挥着至关重要的作用，派尔集合淋巴结(Peyer’s patches，PPS)被认为是肠道相关淋巴组织(gut-associated lymphoid tissue，GALT)中肠黏膜免疫反应的主要诱导部位。免疫调节功能异常是肠道炎症发生的关键因素。在1日龄健康番鸭的饮用水中加入0.6 g/L黄芪多糖，自由饮水，结果表明可以改善患病雏鸭的肠道黏膜形态及相关参数，增加黏膜免疫细胞数量，修复雏鸭小肠黏膜免疫屏障损伤，有效刺激黏膜免疫功能，恢复甚至改善肠道sIgA、细胞因子的分泌以及肠道黏膜的免疫调节作用[26]。 给5周龄的C57BL/6小鼠持续灌胃1.5 mg/g体重西洋参多糖14 d后发现，西洋参多糖可通过逆转脾脏中LYMPH亚群比例以及刺激小肠中CD4+T细胞和IgA分泌细胞来缓解免疫系统疾病，上调VH/CD比值，恢复受损动物肠道形态；同时发现，给5周龄的C57BL/6小鼠持续灌胃1.5 mg/g西洋参多糖和0.15 mg/g西洋参皂苷14 d,二者协同可在改变动物粪便代谢产物方面取得更好效果[27]，这与免疫代谢或肠道屏障的保护作用有关。

2.1.4 维持生物屏障生态平衡 肠道微生物区系是生活在人类消化道中一个复杂的微生物群落[28]，它在炎症反应和免疫系统功能到能量稳态等一系列不同的生理过程中均发挥着重要作用[29]。平衡的肠道菌群组成及其丰富的代谢产物有助于宿主防御病原体入侵，维持肠道上皮屏障的完整性，调节新陈代谢和免疫系统[30]；相反，微生物群落的病理性失衡与许多肠道疾病有关。在患有炎症性肠病(IBD)的动物中可观察到微生物群落多样性降低导致的微生物失调、生物屏障破坏。与健康动物相比，肠道发生炎症的动物表现为具有抗炎能力的细菌减少，而具有促炎能力的细菌增加[31]。因此，肠道微生物区系已成为缓解肠道炎症的重要突破点。研究表明，许多植物多糖具有调节肠道微生物区系的能力[32]，由于其明显的药理活性和较少的副作用而受到世界的广泛关注。植物多糖通过调控肠道微生态而对肠道炎症表现出显著的调节作用，详见表1。

表1 植物多糖对肠道菌群的调节作用

续表

在宿主合成的代谢物以及微生物群产生和转化的代谢物中，SCFAs已被确定为调节肠上皮完整性的主要信号分子，包括乙酸、丁酸、丙酸，其能通过多种机制调节上皮屏障功能，在肠道健康中发挥重要作用[44]。对机械屏障来说，SCFAs可以调节TJ蛋白的表达，包括CLDN-1、OCLN、ZO和OCLN-1，修复结肠上皮细胞，减少内毒素，以维持肠上皮屏障的完整性[45]；对化学屏障来说，SCFAs 会诱导GCs分化和黏液产生[44]；对免疫屏障来说，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；对生物屏障来说，SCFAs可以通过抑制致病菌定植[46]、提高动物肠道微生物区系的多样性来发挥作用。 有研究表明，在SD大鼠饲料中连续添加14周240 mg/kg黄精多糖可通过增加SCFAs产生菌的相对丰度、调节肠道微生物群落的丰富度和多样性而促进肠道屏障的恢复，进而改善肠道通透性，降低肠道炎症水平[47]。

2.2 提高动物生长性能

植物多糖能改善动物生长性能、提高免疫力和维持肠道健康[48-49]。在禁抗的大环境下，天然多糖植物提取物作为抗生素添加剂的替代品展现出巨大的潜力，它的应用在一定程度上保障了畜牧业产品的质量。连续21 d在21日龄杜长大三元杂交断奶仔猪饲粮中添加1 g/kg刺五加多糖，发现其能够通过调节免疫细胞、细胞因子和抗体的产生来增强细胞和体液免疫反应，此外还发现它有助于维持断奶仔猪肠道黏膜的正常形态，调节肠道微生物区系的组成，促进营养物质的消化和吸收，提高仔猪的饲料利用效率和增重，提高动物生产性能[50]。给1日龄的SPF鸡连续21 d口服0.2 mL浓度为40 mg/mL的马尾松花粉多糖可以促进IEC更新以及肠道绒毛发育，增加小肠黏膜面积，加强机体消化吸收营养物质的能力，且能够改善肠黏膜屏障，激活肠黏膜免疫系统，增强机体免疫功能[51]。此外，在21日龄断奶仔猪(约克夏×长白×杜洛克)基础饲粮中添加4 000 mg/kg枸杞多糖，连续饲喂14 d，可以刺激肠道有益菌群的生长定植，抑制大肠杆菌的生长，提高机体的免疫状态和抗氧化活性，提高机体的生长性能[52]。在1日龄爱拔益加肉鸡基础饲粮中添加2 000 mg/kg的人参多糖作为功能性饲料添加剂，连续饲喂42 d可提高肉鸡采食量和免疫力，降低肉鸡腹脂沉积量和血清胆固醇水平，对肉鸡的肠道健康和生长性能的提高有重要的功效[49]。

综上所述，植物多糖作为抗生素的良好替代物，在饲粮中适量添加能够调节动物微生物区系平衡，保护动物肠道健康，提升机体抗氧化能力，增强动物机体免疫性能，提高动物生产性能。

3 植物多糖保护动物肠道的分子机制

在动物细胞和组织中，许多生理和病理反应都是由机体内的信号通路介导发生的，包括应激反应、炎症反应和细胞凋亡等[53]。下文将论述植物多糖对决定肠道炎症期间组织损伤和修复的一些保守的信号通路的影响，以阐明植物多糖保护动物肠道的分子机制。

3.1 Toll样受体介导的信号通路

Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)家族是检测多种微生物成分并激发先天免疫反应的主要感受器，它是一种单程跨膜蛋白，负责识别特定病原体成分的N-端富含亮氨酸重复序列(leucine rich repeat，LRR)[54]。所有的TLR信号通路最终都会激活核因子-κB(nuclear factor kappaB,NF-κB)和丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)，它们控制着一系列促炎细胞因子的转录和合成[55]。

3.1.1 NF-κB信号通路 NF-κB是一种多功能核转录因子，参与调节细胞刺激后的基因转录，影响炎症和免疫性疾病。大量文献表明，NF-κB通路在肠道炎症发生发展过程中起重要作用[56]。在炎症状态下NF-κB与相关的转录因子结合，刺激下游细胞因子TNF-α、IL-6和IL-1β的快速分泌和大量积聚[57]，作为对炎症刺激的反应，I-κB激酶(IκB kinase，IKK)被蛋白酶体磷酸化，然后被蛋白酶体降解，这使得游离的NF-κB能够移位到细胞核中，并启动促炎介质的转录[58-59]。其中NF-κBp65(p65 mitogen-activated protein kinases，p65)蛋白是启动NF-κB途径的关键蛋白，磷酸化的p65亚基启动会导致NF-κB的激活[60]。研究表明，多糖对炎症反应的缓解作用可以通过抑制NF-κB的活化来实现，如红枣多糖[61]可以通过下调NF-κBp65蛋白的表达，抑制NF-κB通路的激活，从而调控LYMPH中炎症因子的合成和释放，避免肠道过度的炎症反应，此外还能提高肠道免疫功能，保护肠道屏障。枸杞多糖可通过抑制TLRS/NF-κB信号通路，下调NF-κB、TLR4、TLR2和髓样分化因子88(MyD88) mRNA的表达，从而减轻炎症因子对肠道屏障的破坏[62]。此外，也有研究表明党参多糖[63-64]、黄芪多糖[53]等均可以通过抑制NF-κB通路的激活来降低肠道炎症水平。

3.1.2 MAPK信号通路 有研究表明，许多生理和病理反应都是由MAPK信号通路介导的，其在体外[65]和体内[66]的转录和促炎介质的产生以及屏障功能的调节中都起到重要作用，因此被认为是抗炎治疗的有效分子靶点。其中细胞外信号调节激酶(extracellular signal regulated kinase 1，ERK1)和p38在MAPK通路中发挥关键作用。ERK1/2和p38的磷酸化会促进炎症因子的过度产生，从而引起肠道的病理变化[58]。为了研究MAPK通路在介导肠道炎症中发挥的作用，Ma等[67]应用脂多糖(LPS)刺激小鼠，发现杏鲍菇多糖可通过抑制磷酸化p38MAPK、ERK1/2的基因表达进而抑制LPS刺激诱导的MAPK炎症通路的激活，抑制炎症因子和趋化因子的过度产生。党参多糖、党参茎多糖[68]以及灵芝多糖[69]也被证明能够通过抑制MAPK通路的激活来抑制炎症因子的产生，进而避免了炎症因子过度释放引起的病理改变。此外，有研究发现MAPK通路还可以通过调节TJ蛋白和IEC损伤来调控肠上皮屏障通透性[70]。 其关键蛋白p38主要通过两种途径调节肠屏障功能障碍。一方面，p38信号通路直接参与了肠上皮细胞TJ蛋白ZO-1和OCLN的破坏；另一方面，p38信号通路通过调节IEC炎症和氧化应激的进程，间接破坏肠上皮屏障功能[71]。研究表明，红枣多糖可以通过抑制ERK/MAPK信号通路的激活上调TJ蛋白的表达水平，进而起到修复肠道上皮屏障的作用[72]。还有研究表明，党参多糖和党参茎多糖可通过下调MAPK信号通路降低氧化水平和细胞损伤[68]，进而延缓氧化应激进程，维持肠道屏障完整性。

3.2 其他信号通路

研究表明，由58种植物中提取出66种多糖通过调节NF-κB、Janus激酶/信号转导和转录激活因子(Janus kinase/signal transducer and activator of transcription,JAK/STAT)、转化生长因子-β(transforming growth factor β,TGF-β)、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B (phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B，PI3K/Akt)、MAPK等途径，在炎症、凋亡和氧化应激等病理过程发挥作用[62]。桦褐孔菌多糖可以通过调节JAK/STAT信号通路和下调活化T细胞的促炎细胞因子水平来平衡Th1/Th2、Th17/Treg功能，从而减轻肠道的炎症水平[73]。黄芪多糖通过TGF-βR-JNK/ERK-COX-2/ROS信号抑制细胞膜受体TGF-βR Ⅱ的表达，导致活性氧自由基(ROS)的产生和分泌减少，保护肠道屏障[74]。猴头菇多糖可通过减少Akt磷酸化抑制PI3K/Akt信号通路激活导致的炎性细胞因子和其他参与肠道炎症发病机制介质的基因表达，降低肠道炎症水平[33]。

综上所述，炎症信号通路是炎症发生过程中不可缺少的环节之一。炎症发生时，炎症信号通路激活，动物肠道屏障遭受破坏，肠道炎症水平提高。植物多糖可能通过与细胞膜受体相互作用或被细胞吸收后，调节细胞信号转导，调控炎症因子的表达，发挥保护肠道屏障的作用。作者将以上提到的植物多糖对动物肠道炎症的调控机制汇总成图，见图1。

黄芪多糖，Astragalus polysaccharide;猴头菇多糖,Hericium erinaceus polysaccharide;桦褐孔菌多糖,Inonotus obliquus polysaccharide;霍山石斛多糖,Dendrobium huoshanense polysaccharide;牛膝多糖,Achyranthes bidentata polysaccharide;白术多糖,Atractylodes macrocephala Koidz polysaccharide;西洋参多糖,Panax Quinquefolium polysaccharide;马尾松花粉多糖,Pinus massoniana pollen polysaccharide;红枣多糖,Jujube polysaccharide;枸杞多糖,Lycium barbarum polysaccharide;党参多糖,Codonopsis pilosula polysaccharide;灵芝多糖,Ganoderma lucidum polysaccharide;党参茎多糖,Codonopsis stem polysaccharide;杏鲍菇多糖,Pleurotus eryngii polysaccharide；马齿苋多糖,Portulaca oleracea L.polysaccharide;蒲公英多糖,Dandelion polysaccharide;刺五加多糖,Acanthopanax senticosus polysaccharide；M细胞，M cells;肠道菌群，Intestinal flora;上皮内淋巴细胞，Intraepithelial lymphocytes；外黏液层，Outer mucus layer；杯状细胞，Goblet cell；抗菌肽，Antibacterial peptide；淋巴结，Lymph node；内黏液层，Inner mucus layer；上皮细胞，Epithelial cells；紧密连接蛋白，Tight junction protein图1 植物多糖对肠道炎症的调控Fig.1 Regulation of intestinal inflammation by plant polysaccharides

4 小 结

植物多糖作为天然产物中的常见成分，具有多种重要的生物活性，如降低肠道炎症水平、提高机体免疫力、提高抗氧化能力等。作为饲料添加剂，植物多糖具有预防动物肠道疾病发生，保护动物肠道健康的作用，因其无毒副作用、无残留的特点受到人们的关注。目前植物多糖在动物饲料中的添加成效显著，可以大幅提高仔猪饲料转化效率及日增重、肉鸡免疫力及采食量，提高断奶犊牛日采食量和日增重等。但因植物多糖结构复杂、种类多，其剂量与效果的关系以及活性机制等尚不明确，阻碍了植物多糖在动物生产实践中的进一步开发应用。

致 谢：感谢东北农业大学动物科学技术学院单安山教授对文稿所提的宝贵意见。