益生菌经肠道菌群调节肉鸡骨代谢的研究进展

徐婷婷，张朝栋，林露茜，岳 珂，曹芹芹，仝宗喜，黄淑成

（河南农业大学动物医学院，河南郑州 450002）

肉鸡作为一种繁殖周期短的食用动物在世界范围内广受欢迎。据Statista 网站公布的数据显示，2012—2020 年全球鸡肉产量逐年增长，2020 年达1 亿t。近几十年来，在肉鸡饲养管理方面，集约化养殖的盛行以及管理技术的不断完善促使肉鸡的生长速度不断提升。相较于骨骼的生长发育，过快的肉鸡肌肉增长，导致腿部骨骼不足以支撑肉鸡体重，由此诱发骨骼断裂及其感染性坏死，骨骼质量差更容易造成肉鸡腿部疾病的发生，如腓肠肌腱退化性断裂、股骨头感染性坏死、佝偻病、胫骨软骨发育不良等。这些疾病不仅严重损害肉鸡的健康福利，影响肉鸡正常的采食、饮水等生理活动，还影响肉鸡生产的经济效益。益生菌是指与宿主共生且达一定数量后，通过改善肠道功能，保护肠道黏膜，调解免疫应答，在宿主肠道、生殖系统内维持稳态平衡的一类有活性的微生物。肠球菌、鼠李糖杆菌、枯草杆菌等都是肠道内的益生菌，它们能够改善肠道的屏障功能，抑制病原菌的生长，促进营养物质的吸收，也能刺激肠道发挥免疫作用。益生菌作为肠道菌群中的有益菌群能够改善骨骼发育，提高骨骼质量。但益生菌对骨代谢的影响机理并不明确。本文主要综述了益生菌通过肠道菌群调节骨代谢的机制，为补充益生菌防治肉鸡腿病提供理论依据。

1 益生菌与肠道菌群

1.1 益生菌调节肠道菌群平衡 肠道菌群是寄居在人和动物胃肠道内的微生物群落的总称。肠道菌群的多样性与动物机体的健康状况相互影响、相互塑造，并且肠道菌群在受外界环境的稳态调节下与宿主之间保持相对平衡的状态。肠道菌群可以从宿主肠道获得自身所需的养分和能量，同时帮助宿主消化食物，而宿主则为肠道菌群提供生存环境。当动物处于健康状态时，肠道中有益菌群占优势，有害菌群占劣势。在一些应激条件下，如气候的突变、饲粮的更换、一些病原体的侵入以及药物的使用都会引起肠道菌群中有益菌的比例减少，有害菌群的比例增多，导致机体肠道稳态平衡失调，从而促使一系列疾病的发生。

益生菌作为一种补充剂进入肠道后通过与肠黏膜结合发挥肠道屏障作用。另外，益生菌阻止有害菌的入侵还能通过产生抗生素、细菌素等途径；益生菌还能通过黏附、排斥、营养竞争、占位等行为与肠道内细菌进行竞争、共生、抑制等作用，调节肠道菌群平衡，使机体发挥正常的免疫功能、营养功能、消化功能。研究发现，枯草芽孢杆菌、罗伊氏杆菌、嗜酸乳杆菌等都能竞争性地排斥致病菌，加强有益菌株在肠道内定植，调节肠道内微生物菌群的比例，从而保障机体健康。

1.2 肠道菌群影响骨代谢 以往的研究大多集中于肠道菌群在塑造宿主的免疫系统中发挥重要作用，关于肠道菌群对骨骼健康的影响很少被关注。最近有研究表明，由肠道菌群所引起的自身炎症反应以及免疫状态的改变可以使机体骨骼质量发生变化。肠道菌群中菌属数量和种类的不同会对骨代谢产生不同的影响。Li 等研究发现，与正常小鼠相比，肠道菌群缺乏的小鼠腿部骨骼的松质骨和皮质骨体积都有一定程度提高，这一研究结果说明了肠道菌群对骨骼发育有一定调节作用。Sjogrеn 等研究证实，肠道菌群的过度生长是代谢性骨病发展的重要辅助因子，会引起小鼠腰椎和股骨骨密度降低。由此可见，肠道菌群的数量和种类过多或过少都可能会影响骨骼的正常生长和发育，维持肠道菌群的平衡可有效预防和调节一些骨骼疾病。

2 益生菌通过肠道菌群调节骨代谢的机制

肠道菌群与动物宿主通过长期的共同进化和相互影响形成了互利共生的复杂关系。这些数量庞大、高度多样化的肠道菌群对动物的健康至关重要。益生菌通过肠道菌群调节骨代谢的机制有很多种，主要是通过调节肠道内营养物质的吸收、肠道免疫作用和肠道内分泌作用等机制改善骨代谢，从而对骨骼的生长和发育起到促进作用（图1）。

图1 益生菌通过调节肠道菌群对骨代谢的作用

2.1 益生菌通过促进营养物质吸收调节骨代谢 钙和磷对维持动物骨骼的生长发育及代谢起着重要作用。大量研究已经证实，饲喂含有益生菌的饲料可以加强动物对钙、磷等营养物质的吸收，从而促进骨骼发育。肠道是机体汲取营养物质的重要场所，益生菌可以通过维持肠道pH、改善肠绒毛高度与隐窝深度的比值、调控肠上皮细胞间紧密连接蛋白的表达、抑制肠黏膜细胞的凋亡4 种途径维护肠黏膜屏障，从而保障钙磷等营养物质的正常吸收。

2.1.1 益生菌降低肠道pH 大肠中的厌氧微生物使不能被小肠吸收的碳水化合物分解，并产生代谢物——短链脂肪酸，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸。益生菌在肠道内可以代谢短链脂肪酸从而抑制病原菌生长，维护肠黏膜屏障。短链脂肪酸可以通过降低肠道内pH，减少肠道内钙离子与磷形成复合物，提高钙等矿物质元素的溶解度，提高游离钙离子浓度，进而促进钙等矿物质元素的吸收。研究发现，枯草芽孢杆菌和双歧杆菌在肠道内分泌的乳酸和醋酸能提高肠道对矿物质元素（如钙、铁）的吸收速率，从而改善骨骼代谢。另外，嗜酸乳杆菌释放的乳酸、乙酸，不仅能提高钙、磷的利用率，还能促进铁和维生素D 的吸收，从而加强骨骼中矿物质的沉积。

2.1.2 益生菌增加肠绒毛高度与隐窝深度比值 益生菌在肠道内的定植以及其代谢产物的分泌使肠壁增厚，更多的固有膜延伸到肠绒毛中央，肠绒毛高度升高，从而使绒毛外周的肠上皮细胞数量增多，肠道与营养物质接触的表面积增大，对养分的吸收能力增强；益生菌还能减慢细胞从隐窝基部向绒毛顶部迁移、分化的过程，降低肠道上皮细胞的更新速度，使隐窝深度变浅。隐窝变浅说明肠道上皮细胞成熟率增加，肠道吸收能力增强。肠绒毛高度与隐窝深度的比值可以综合反映肠道的消化吸收能力。研究表明，饲料中添加枯草芽孢杆菌、鼠李糖杆菌、热灭活植物乳杆菌等益生菌都能够提高肠绒毛高度与隐窝深度的比值，促进有益菌的定植，改善肉鸡肠黏膜形态，提高骨骼对营养物质的吸收能力。徐子涵等研究指出，饲料中添加250、500、750、1 000 mg/kg 丁酸梭菌不仅可以提高雏鸡的平均日增重，还可以增加小肠绒毛高度、降低肠隐窝深度，从而促进肠道中营养物质的吸收以及骨骼质量的改善。

2.1.3 益生菌上调紧密连接蛋白的表达 多种蛋白质组成的动态多功能集合体称为紧密连接蛋白，跨膜蛋白和外周蛋白都属于紧密连接蛋白。跨膜蛋白主要由闭合蛋白（Claudin）、咬合蛋白（Occludin）和连接黏附分子（JAM）3 种完整的膜蛋白组成，其中Claudin 的功能最为重要，是构成紧密连接的主要骨架蛋白；而外周蛋白主要由3 种闭合小环蛋白（ZO）1～3 组成。Claudin和Occludin 可以和ZO 蛋白结合以稳固细胞的紧密连接结构，细胞紧密连接相关蛋白基因相对表达量的下调会导致肠道物理屏障破坏，肠壁通透性增加，增加有害菌和抗原入侵肠组织的可能性，加剧肠道损伤和炎症反应。益生菌可以提高紧密连接蛋白的转录水平，并且对紧密连接蛋白ZO-1 及Occludin 起保护作用，避免细胞骨架中肌动蛋白微丝（F-actin）的重排，从而加强细胞的紧密连接结构，提高肠黏膜的完整性，促进肠道对营养物质的吸收。研究发现，枯草芽孢杆菌可以提高紧密连接蛋白表达，修复肠黏膜损伤，稳固鸡肠道屏障功能，促进营养物质的吸收利用，从而促进骨骼发育。彭江等在研究植物乳杆菌对骨质疏松症状改善效果时也发现，益生菌组闭合蛋白、咬合蛋白和闭合小环蛋白基因相对表达量均明显上调，提高了肠道对钙磷等营养物质的吸收。

2.1.4 益生菌抑制肠黏膜细胞的凋亡 肠黏膜细胞的凋亡会破坏肠黏膜屏障，影响肠道对营养物质的吸收。益生菌可以调控细胞凋亡的信号转导途径、肠黏膜细胞相关凋亡基因的表达和肠黏膜细胞相关凋亡蛋白的表达来抑制肠黏膜细胞的凋亡，增强肠黏膜屏障功能，促进营养物质的吸收。蛋白激酶B（Akt/PKB）是细胞凋亡的一个重要信号转导途径。Yan 等发现，鼠李糖杆菌能上调人和鼠肠黏膜细胞中Akt/PKB 的表达，抑制细胞凋亡的发生发展。Panigrahi 等将植物乳杆菌与肠细胞培养，发现植物乳杆菌能特定地上调和下调参与细胞凋亡的基因，从而抑制细胞凋亡，加强肠黏膜屏障的营养物质吸收功能。Lin 等给未成熟鼠饲喂乳杆菌，发现肠上皮细胞凋亡明显减少，凋亡蛋白酶Caspasеs-3的活性下降，这表明益生菌通过抑制凋亡蛋白酶的表达从而阻断凋亡进程。总之，促进肠黏膜屏障对营养物质的吸收能力也间接促进了骨骼的重建能力。

2.2 益生菌通过免疫作用调节骨代谢 肠道是动物体内最大的免疫器官，免疫系统在调节骨代谢的过程中起着非常重要的作用。肠道内集中了体内约80% 的免疫细胞，肠道黏膜的天然免疫是阻止病原微生物进入机体的第一屏障。肠道中的许多免疫因子和免疫细胞通过调节成骨细胞和破骨细胞之间的平衡从而影响骨代谢。

2.2.1 免疫因子 肠道菌群及其代谢产物可作为抗原刺激肠道从而产生免疫反应，被激活的免疫细胞释放抗炎或促炎介质，这些介质能够通过循环系统作用于骨组织，通过调节前破骨细胞核因子B 受体活化因子配体（RANKL）/护骨素（OPG）的比率，从而影响骨骼的形成和分解。

Amdеkar 等研究显示，口服嗜酸乳杆菌能够降低促炎因子白细胞介素6（IL-6）、肿瘤坏死因子（TNF-）的表达，同时提高抗炎细胞因子白细胞介素10（IL-10）的表达，对炎症相关的关节炎起到骨保护作用。彭江等研究发现，植物乳杆菌CCFM8610可通过下调促炎因子IL-6 和TNF-、上调类胰岛素生长因子-1（IGF-1）的表达来减轻去卵巢大鼠的骨质疏松症。罗伊氏乳杆菌通过抑制促炎因子IL-6 和趋化因子IL-8 的表达，减少抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）和RANKL 的产生，发挥免疫作用，减少骨质流失。可见，通过补充一些益生菌可调节动物机体中免疫相关因子的水平，从而改善骨骼的生长和发育。

2.2.2 免疫细胞 肠道内存在着许多免疫细胞，如杯状细胞、树突状细胞、肥大细胞等。免疫功能的调节不仅体现在免疫细胞分泌的免疫因子，杯状细胞分泌的黏蛋白也能稳固肠黏膜屏障，增强机体免疫功能。肥大细胞内的肝素是一种可以促进骨吸收的物质。当肥大细胞受到某些刺激时，存在于肥大细胞内颗粒中的肝素被释放，并发挥作用促进骨吸收。益生菌在肠道内的定植能有效提高免疫细胞的活性，通过促进B 细胞产生抗体和提高巨噬细胞活性等刺激机体增强免疫力。另外，益生菌细胞壁上存在的肽聚糖可刺激肠道免疫细胞，增加免疫细胞数量，从而增加机体免疫力。祁凤华等研究发现，嗜酸乳杆菌能显著提高肉鸡肠黏膜免疫并且使肠道内杯状细胞和肥大细胞生成增多。Lее 等研究发现，给肥大细胞缺陷的小鼠输注健康小鼠的肥大细胞后，其血清性关节炎得到明显改善。可见，益生菌调节肠道内免疫细胞的水平，不仅维护了肠黏膜屏障功能，为机体发挥免疫作用调节骨代谢做基础，还能通过免疫细胞分泌的代谢物质调节骨代谢。

2.2.3 免疫器官 除了免疫因子、免疫细胞能够调节骨骼发育外，免疫器官的指数在一定程度上也可以反映肉鸡骨代谢的能力。益生菌制剂能明显促进免疫器官的发育，这一观点近年来已被许多研究证实。益生菌能够促进肉鸡免疫器官免疫球蛋白抗体以及T 细胞的生成数量，提高肉鸡体液免疫和细胞免疫，增强机体免疫应答。马春全研究发现，与对照组相比，乳酸菌组雏鸡的免疫器官明显发育得较快，并且法氏囊和脾脏的免疫球蛋白（Ig）G、IgM、IgA 抗体生成数量以及T 细胞数量也有一定增加。申瑞等指出，饲粮中添加枯草芽孢杆菌513N 饲喂雏鸡28 d 后，雏鸡的脾脏指数和法氏囊指数均有提高趋势。由此可见，益生菌可促进免疫器官的发育，从而提高机体的免疫反应，进而通过免疫细胞、免疫因子等作用于骨组织调节RANKL/OPG的比率影响骨骼的生长发育。这也证实了免疫器官的发育可从侧面反映机体骨代谢的能力。

2.3 益生菌通过内分泌作用调节骨代谢

2.3.1 微生物相关分子模式 微生物相关分子模式（MAMPs）是一类能够刺激炎症反应和组织损伤并且能被机体非特异性免疫系统识别的病原微生物的总称，肠道中添加益生菌可以改变MAMPs 的种类和数量。细菌产生的肽聚糖、鞭毛蛋白以及细胞壁、游离DNA 等都属于MAMPs。MAMPs 很容易被识别，而且体积很小，小到能够穿过肠内皮屏障进入循环系统，然后到达骨组织，对其进行调控。有文献报道，MAMPs 可以通过刺激骨细胞的免疫受体从而调节骨骼代谢，如肽聚糖与Toll 样受体（TLR）2 反应、脂多糖与TLR4 反应、肽鞭毛蛋白与TLR5 反应。

2.3.2 激素调节 肠道菌群可通过脑-肠-骨轴调节激素水平从而影响骨代谢。肠道菌群中的有害菌和有益菌都能产生某些激素作用于机体的组织、器官等来影响骨重塑。肠道内有害菌群产生的外周血清素是一种对骨代谢起到负调节作用的激素，动物体内90% 的外周血清素存在于胃肠道。血清素进入血液循环后可以作用于骨组织，抑制成骨细胞在骨组织中的分化，降低成骨细胞的生成数量，并破坏骨微结构，降低骨小梁体积百分数。Sjogrеn 等研究发现，无菌小鼠体内血清素的水平比正常饲养小鼠偏低。色氨酸羟化酶1（Tph1）是调节外周血清素表达的物质。Chabbi-Achеngli 等研究发现，相比于正常小鼠，肠源性色氨酸羟化酶1 敲除小鼠的成骨细胞生成增多，骨量和骨形成率均有不同程度提高，还发现外周血清素缺乏的小鼠可以通过抑制RANKL 的表达降低破骨细胞的生成数量。

肠道细胞在有益菌群的刺激下可以分泌葡萄糖依赖促胰肽（GIP）和胰高血糖素样肽1（GLP-1）。另外，饲粮中添加果糖或者寡糖可以使肠道远端的双歧杆菌生成数量增加，加快膳食纤维发酵，从而使GLP-1 分泌增多。GIP 和GLP-1 都能通过调节骨吸收和骨形成作用来影响骨代谢。有文献报道，GIP 不仅可以与前破骨细胞表面的受体结合，从而能够减少破骨细胞的数量；还可以与成骨细胞表面的受体进行反应，有利于I型胶原基因和碱性磷酸酶的表达和成骨细胞的生成。降钙素（Calcitonin）是一种降低血钙和血磷的激素，它的分泌能抑制破骨细胞的骨吸收作用，而GLP-1 能够通过调节甲状腺C 细胞分泌降钙素，从而对骨代谢进行调节。可见，肠道中有益菌群分泌的GIP 和GLP-1都能有效参与骨代谢相关分子作用。

3 小 结

综上所述，骨骼健康对肉鸡生产效益意义重大。益生菌作为肠道菌群中的有益菌，可以通过多种作用机制参与骨代谢调节，并且这些机制相互作用，相互联系，共同对骨骼的生长发育起促进作用。但是益生菌与骨代谢之间的关系复杂而密切，关于益生菌经肠道菌群调节骨代谢的信号通路及其具体的作用机制仍存在很大的未知，需要大量的试验去不断研究和完善。随着对肠道菌群功能的深入认识，益生菌如何改善家禽骨骼疾病和维持骨骼健康可以作为未来预防和治疗动物骨骼疾病的新方向。