益生菌在畜禽肠道疾病防治中的研究进展

张津慎，赵清梅，陈 颖，汪 雪，余永涛

（1.宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021；2.北方民族大学 生物科学与工程学院，宁夏 银川 750021；3.国家民委发酵酿造工程生物技术重点实验室，宁夏 银川 750021）

益生菌的概念由Lilly和Stillwell于1965年首次提出[1]。Guarner等[2]在1998年报道，益生菌是活的微生物，当摄入足够量时，有益于宿主健康。世界卫生组织将益生菌进一步定义为一种当摄入适当数量时，能够给宿主健康带来益处的活的微生物[3]。益生菌来源广泛，如母乳、肠道、皮肤、口腔、阴道、内脏、水果以及蜂蜜中均存在益生菌[4]。益生菌具有抗炎、抗感染、调节免疫、促进营养吸收等生理活性作用，在各类动物疾病的预防和治疗中得到了广泛应用，主要用于人和动物疾病的预防、肠道健康的改善和促进营养物质的吸收等，但其在疾病防治中的作用机制仍未被阐明。

近年来，随着高通量测序技术、多组学分析技术的发展，嗜酸乳杆菌CICC 6074、基因改造动物双歧杆菌等新型的具有精准治疗作用的益生菌被陆续开发出来[5-6]，具有广阔的应用前景。

本文总结分析了他人的研究成果，对益生菌的分类、生理功能及其在畜禽肠道疾病防治中的研究和应用进行综述，并对益生菌的研究前景进行展望，以期为益生菌的研究开发提供思路。

1 益生菌的分类

根据益生菌的特性、来源、形态可将其分成不同的种类。如根据是否产生乳酸，可将益生菌分为乳酸菌和不产乳酸型细菌；根据益生菌的来源，可将益生菌分为肠道益生菌、口腔益生菌等；根据细菌的形态和是否含有鞭毛或芽孢，还可对益生菌进行更细致的分类。乳酸菌对致病菌具有较强的抑制作用，能够维持肠道稳态，是应用最广泛的益生菌。乳酸菌主要包括乳酸杆菌属、链球菌属、双歧杆菌属、明串珠菌属、片球菌属等。主要乳酸菌及其来源见表1。

表1 乳酸菌的种类及其来源

2 益生菌在家畜肠道生理机能调控中的作用

诸多研究表明，益生菌在肠道上皮保护、肠道黏膜免疫系统调节、肠道内稳态维持和机体抗氧化应激、促进营养物质吸收等方面发挥着重要作用。

2.1 益生菌对肠道上皮屏障的保护作用

肠道屏障是肠道抵抗感染和损伤的第一道防线。肠道屏障由肠上皮细胞层、黏液层、肠道正常菌群、肠道免疫系统和肠-肝轴等组成，其完整性受到破坏是肠道疾病的主要原因之一[7]。

紧密连接是维持肠道上皮屏障的重要结构，Yin等[8]研究发现，植物乳杆菌可通过表层蛋白、鞭毛蛋白等表面分子，影响紧密连接蛋白的活性，修复被损伤的紧密连接。Connell等[9]研究表明，双歧杆菌可促进特定细胞外蛋白结构支架的合成，从而刺激黏膜的生长和肠道上皮细胞的成熟。Al-Sadi等[10]研究发现，嗜酸乳杆菌LA1可通过TLR-2依赖的方式附着在小肠上皮细胞顶端膜表面来增强肠上皮紧密连接屏障的功能。此外，黏液层作为宿主与肠道内环境接触的第一道屏障，也是维持肠道完整性重要的一环。研究显示，益生菌可通过产生分泌蛋白、吲哚、短链脂肪酸等物质来维持肠道黏液层的稳定。Cleusix等[11]发现，罗伊氏乳杆菌等益生菌产生的细菌素既可作为定居肽，帮助肠道中的益生菌使其成为优势菌群，还可作为杀菌肽抑制病原体进入黏液层与肠道上皮细胞接触，以此来保护肠道屏障。有研究[12]发现，益生菌分泌的丁酸盐可刺激杯状细胞分泌黏蛋白，尤其是MUC2，从而保护肠道黏液层的稳定。Engevik等[13]发现齿状双歧杆菌分泌的γ-氨基丁酸可刺激自噬介导的钙信号传导以及黏蛋白MUC2的释放，维持肠道黏液层的稳定和增强杯状细胞的功能。

2.2 益生菌对肠道黏膜免疫系统的调节作用

肠黏膜免疫系统主要由肠相关淋巴组织构成，是人和动物机体最大的免疫器官，在抵御外来病原和维持肠道健康中发挥着至关重要的作用。研究表明，益生菌的代谢物质可穿过Peyer斑块的M细胞和肠上皮细胞，从而调节体内的先天性和适应性免疫反应[14-15]。

各类益生菌可通过不同方式与肠道免疫细胞建立联系，来调节机体的先天性免疫反应。如脆弱拟杆菌可在外膜囊泡中释放荚膜多糖（PSA），直接激活树突状细胞并增强其功能，从而减轻细菌脂多糖（LPS）诱导的炎症[16]。Kourelis等[17]的研究表明，副干酪乳杆菌可促进多形核细胞（PMN）的局部聚集，从而增强这些细胞对病原的吞噬作用。Galdeano等[18]的研究显示，干酪乳杆菌可与肠道相关免疫细胞相互作用，使机体中toll样受体TLR-2和甘露糖受体CD-206含量增加，以增强机体的先天性免疫应答。

除了与肠道免疫细胞建立联系外，益生菌还可通过调控各类细胞因子，来调节机体的适应性免疫应答，以此保护肠道健康。Aziz等[19]的研究表明，植物乳杆菌NCIMB 8826能上调细胞活化标志物CD69和CD25的表达，提高NK细胞的活性。Ludwig等[20]研究发现，鼠李糖乳杆菌的可溶性介质（LSM）可诱导T细胞活化，并促进相关细胞因子的表达。De Vos等[21]发现，植物乳杆菌TIFN 101和WCFS 1可上调T细胞和B细胞功能以及抗原呈递的相关基因表达。有研究[22]表明，肠道内的共生细菌可发酵不溶性膳食纤维，产生短链脂肪酸（SCFA），而SCFA又可通过G蛋白偶联受体（GPCR）来抑制组蛋白deactelylases（HDAC）的生成，从而调节肠道黏膜免疫系统的适应性免疫应答。

2.3 益生菌在维持肠道微生态平衡和抵抗肠道病原感染中的作用

肠道菌群失调会导致肠道上皮生理机能和肠道内环境改变，为病原菌的侵染和定植创造有利条件。益生菌可通过生物夺氧、产酸和产细菌素来抑制病原菌的生长、黏附和定植，从而维持肠道微生态平衡[23－24]。

Piewngam等[25]发现，芽孢杆菌属分泌的脂肽对金黄色葡萄球菌群体感应系统具有较强的抑制作用，从而大幅降低金黄色葡萄球菌在肠道中的定植能力。Deng等[26]的研究表明，罗伊氏乳杆菌可下调空肠念球菌中负责运动和侵袭的基因的表达，减少群体感应分子AI-2的产生，从而抑制空肠念球菌的定植。Alp等[27]的研究表明，乳酸杆菌可减少艰难梭菌（Clostridium difficile）和李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）的数量，从而显著降低其黏附率。Kumar等[28]研究发现，植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌可分泌细菌素，有效抑制幽门螺杆菌、艰难梭菌、轮状病毒和多药耐药志贺氏菌的生长。Zhu等[29]的研究表明，戊糖乳杆菌分泌的嗜酸菌素可改变金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等病原菌的蛋白质含量，从而导致病原菌细胞膜脂质过氧化并抑制其生长。

2.4 益生菌在肠道上皮抗氧化应激中的作用

正常机体肠道中发生的氧化应激是通过酶类和非酶类的抗氧化系统，使活性氧自由基（ROS）的产生和清除处于动态平衡[30-31]。过量的ROS会使细胞生理发生改变，如脂质过氧化、蛋白质和核苷酸的氧化损伤等。不同的益生菌可通过维持抗氧化物酶活性或调控抗氧化物酶表达来应对肠道内的氧化应激。

Mu等[32]发现，植物乳杆菌Y44可促进Caco-2细胞Nrf2途径中KEAP1和HO-1蛋白的表达，清除自由基，发挥抗氧化作用。Nie等[33]发现，Lactobacillus frumenti可激活一氧化氮合酶介导的NO产生的通路，从而提高肠上皮细胞的抗氧化活性。Xu等[34]的研究表明，干酪乳杆菌ATCC 393合成的生物硒纳米颗粒（SeNPs）可通过Nrf2信号通路减轻ROS介导的线粒体功能障碍，从而保护肠道上皮屏障免受氧化损伤。张帅[35]研究了枯草芽孢杆菌对肠道氧化损伤保护作用的机制，发现枯草芽孢杆菌可增强Nrf2信号通路，上调抗氧化基因SOD1和GPX1的表达。此外，枯草芽孢杆菌还可通过影响Nrf2/ARE信号通路来调控2种抗氧化酶的表达，以此来缓解氧化应激。除Nrf2信号通路外，Xiao等[36]发现，芽孢杆菌SR14可通过激活ERK/p38 MAPK信号通路来保护肠道上皮免受过氧化物的影响。罗波文等[37]的研究表明，猪小肠上皮细胞（IPEC-J2）在受到过氧化氢的氧化作用时，嗜酸乳杆菌可增强细胞中SOD和GSH-Px活性，显著提高细胞内MDA的含量和抗氧化能力，在一定程度上减轻氧化应激对IPEC-J2的影响。

2.5 益生菌在促进肠道营养物质吸收和利用中的作用

肠道疾病会导致机体对营养物质的吸收产生障碍，从而出现营养不良。近期有研究表明，乳酸杆菌和双歧杆菌可稳定小肠中的内环境，保护黏膜屏障，缓解营养吸收不良等症状。

Judkins等[38]发现，乳酸杆菌可显著增强TJ蛋白活性并保持黏膜完整性，促进肠道对营养物质的吸收。Biswas等[39]用含有凝固芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和博莱氏酵母的添加剂喂养肉鸡，发现肉鸡回肠中葡萄糖转运蛋白（GLUT5）、钠依赖性葡萄糖转运蛋白（SGLT1）和肽转运蛋白（PepT1）的表达显著上调，营养物质的吸收效率显著升高。Keller等[40]发现，凝结芽孢杆菌GBI-30可增加上消化道对蛋白质的消化和摄取，减少结肠中的蛋白质含量，抑制肠道微生物将其发酵成有毒的代谢产物。Stecker等[41]研究发现，凝结芽孢杆菌GBI-30可显著提高机体对蛋白中精氨酸和异亮氨酸的摄取能力，具有提高蛋白质同化效率和促进畜禽生长的潜力。

3 益生菌在畜禽肠道疾病防治中的研究和应用

3.1 益生菌在畜禽腹泻防治中的研究与应用

正常肠道中的菌群处于动态平衡，菌群的小幅波动不会引起宿主生理机能紊乱。当肠道菌群失调时，有益菌大幅度减少，致病菌大幅度增加，机体才会表现出生理机能异常。大量研究表明，益生菌参与肠道内稳态的调节，可有效降低腹泻的发病率，缓解腹泻症状，已广泛应用于畜禽养殖中。

3.1.1益生菌在病原微生物引起的腹泻防治中的研究与应用 在畜禽养殖中，腹泻的发病率较高，给畜牧业造成了严重的经济损失。畜禽腹泻主要由病原微生物感染所致，根据病原的种类可将其分为细菌性病原、病毒性病原和寄生虫性病原。

师丽刚[42]经研究发现，在日粮中添加含有乳酸杆菌和双歧杆菌的益生菌制剂，不仅可以提高仔猪肠道中正常菌群的定植效率，还可提高仔猪血清中抵抗产肠毒素大肠杆菌（ETEC）的免疫球蛋白和细胞因子的含量，从而缓解ETEC引起的腹泻症状。Fernandez-Duarte等[43]评估了青春双歧杆菌和干酪乳杆菌在抗轮状病毒感染中的作用，结果表明在干酪乳杆菌和青春双歧杆菌的存在下，轮状病毒的感染率相比对照组显著降低。倪少闯[44]发现，使用乳杆菌作为饲料添加剂饲喂仔猪后，仔猪十二指肠、空肠和回肠的肠绒毛高度显著增加，肠隐窝深度显著减少，有利于抵抗致病性大肠杆菌引起的腹泻，维持肠道健康。

3.1.2益生菌在抗生素相关性腹泻（antibiotic-associated diarrhea，AAD）防治中的研究与应用 当幼年畜禽发生病原菌感染时，常应用抗生素类药物进行治疗。但在该阶段，畜禽免疫系统和消化系统尚未发育完善，在抗生素的作用下肠道菌群结构易发生失调，从而引发腹泻。抗生素的不正确使用也会导致细菌耐药性的产生，给畜禽疾病防治带来困难。益生菌制剂治疗作为一种新的治疗方式，通过重建正常的肠道菌群来治疗腹泻，为畜禽抗生素相关性腹泻治疗提供了新的手段。

郭新等[45]将植物乳杆菌联合中药使用，并检测其对抗生素相关性腹泻的疗效。结果表明，AAD小鼠的腹泻症状减轻，水通道蛋白和紧密连接蛋白的mRNA表达量上升。Hu等[46]的研究表明，AAD小鼠肠道菌群中致病菌如变形杆菌的比例显著增加，而其他具有潜在益生作用的菌株如拟杆菌和放线菌比例显著下降。Xie等[47]研究发现，AAD小鼠相比对照组小鼠，肠道菌群中致病菌如变形杆菌和肠球菌的比例显著增加，而益生菌如乳酸杆菌的比例显著降低。由此可见，重建正常的肠道菌群稳态对治疗抗生素相关性腹泻产生了不可忽视的作用，使建立起来的厌氧优势菌体系得以抑制肠道病原微生物，最终巩固并稳定肠道菌群结构。

3.2 益生菌在禽类坏死性肠炎防治中的研究与应用

坏死性肠炎（NE）是指肠黏膜和黏膜肌层发生的坏死性炎症，且该肠炎发生过程中常伴纤维蛋白的渗出，因此坏死性肠炎又称为纤维素性坏死性肠炎。临床上认为，致病性产气荚膜梭菌是引起禽类坏死性肠炎的主要因素。

近期有研究者发现，芽孢杆菌可用于治疗致病性产气荚膜梭菌引起的禽类坏死性肠炎，降低死亡率。Sandvang等[48]使用3种芽孢杆菌菌株及其组合检测其对产气荚膜梭菌攻毒肉鸡生产性能的影响，结果表明，上述芽孢杆菌均能显著降低病变评分和死亡率。Shini等[49]研究发现，芽孢杆菌H57可保护回肠黏膜结构及其完整性，抑制产气荚膜梭菌的侵袭和损伤，从而减少肉仔鸡的亚临床坏死性肠炎发病率。Sokale等[50]评估了枯草芽孢杆菌DSM32315对产气荚膜梭菌诱发坏死性肠炎仔鸡健康和生产性能的影响，结果表明枯草芽孢杆菌DSM32315可降低与NE有关的肠炎指数，显著提高饲料转化率，从而减轻肉鸡坏死性肠炎的症状。Zhao等[51]的研究发现，使用地衣芽孢杆菌H2可增强患坏死性肠炎肉鸡的回肠绒毛高度并减少肠隐窝深度，从而缓解肉鸡坏死性肠炎症状。Zhao等[52]进一步研究了地衣芽孢杆菌H2在防治肉鸡坏死性肠炎期间肉鸡回肠miRNA的表达情况，结果显示57个miRNA的部分靶基因与MAPK信号通路有关，地衣芽孢杆菌H2可能通过MAPK信号通路来调节仔鸡的免疫应答，从而发挥作用。

3.3 益生菌在畜禽过敏性疾病防治中的研究与应用

食物过敏是一种畜禽对食物中抗原物质产生的，由Ig E介导的不良反应。其临床症状以腹泻和呕吐为主，严重时会引起过敏性休克甚至危及生命[53-54]。有关研究发现，益生菌可通过调节免疫系统发育和影响肠道屏障来防治畜禽的食物过敏性疾病。

Eslami等[55]指出，益生菌释放的丁酸盐可通过增加细胞因子（IL-4、IL-10、IFN-γ，TGF-β）的表达，降低血清中嗜酸性粒细胞数量和蛋白酶9含量来诱导免疫耐受，从而缓解过敏症状。Stefka等[56]在实验中发现，花生对小鼠的致敏作用与小鼠血清中主要花生过敏原Arah 2和Arah 6浓度的升高有关，而梭状芽胞杆菌黏膜相关菌群的定植可降低血清Arah 2和Arah 6的含量。Nawaz等[57]将发酵乳杆菌NWS29、干酪乳杆菌NWP08和鼠李糖乳杆菌NWP13饲喂过敏小鼠，结果表明发酵乳杆菌NWS29和鼠李糖杆菌NWP13可下调IL-4、IL-5、IL-13和TGF-β的mRNA表达，降低肠道过度的免疫反应。有关研究表明，益生菌抗过敏作用具有菌株特异性。

4 益生菌在畜禽疾病防治中的应用展望

传统益生菌主要用于维持和改善机体健康以及降低疾病发生的风险，通过调节机体免疫和促进营养物质吸收利用发挥其益生作用。随着高通量测序技术和培养组学技术的发展，如阿克曼氏菌、产丁酸球菌和栖粪杆菌等一些具有靶向治疗、诊断、预防作用的益生菌不断被开发出来，在精准医学领域具有广阔的应用前景。

基于具有靶向治疗作用的益生菌被开发出来，一些新技术的出现也推动了益生菌的应用。洗涤菌群移植（washed microbiota transplantation，WMT）便是其中一种，且已成为临床医学、转化医学、微生物学的研究热点。WMT是指在高级别实验室条件下，基于智能粪菌分离系统，对健康供体粪便进行菌群分离、漂洗、定量、储存后，转移给对应患病受体的技术体系[58-59]。Zhang等[60]的研究表明，使用WMT技术可增加肠道内阿克曼黏菌的丰度，从而缓解克罗恩病患者的临床症状。Ding等[61]应用WMT对5名慢性放射性肠炎患者进行治疗，结果表明3名患者的腹泻、直肠出血和胃肠疼痛等症状均得到了有效缓解。上述研究表明，WMT是一种治疗肠道疾病潜力巨大的新兴技术。

除了洗涤菌群移植外，蛋白质工程技术与益生菌结合的工程微生物疫苗也展示出巨大的应用潜力。Carvalho等[62]对拟杆菌进行修饰，将鼠伤寒沙门氏菌和甲型流感病毒（IAV）抗原包装到外膜囊泡（OMV）中，将其用作疫苗，结果发现相比于普通疫苗，被修饰以抗原的拟杆菌可以提高特异性IgG和IgA的免疫应答，且不会引起任何不利的全身或注射部位炎症反应。Mohamadzadeh等[63]将嗜酸乳杆菌进行修饰，使其能表达炭疽芽孢杆菌保护性抗原（PA），并将其作为口服疫苗使其能呈递给黏膜树突状细胞，结果发现修饰过的嗜酸乳杆菌可以引起强烈的特异性免疫反应，且没有产生标准炭疽芽孢疫苗的副作用。

益生菌在畜禽疾病精准治疗和预防等领域的应用前景广阔，但益生菌制剂的开发不仅受限于培养组学技术的发展，还有赖于益生菌作用机制的阐明。只有清楚了肠道菌群与疾病的互作关系，才能充分发挥益生菌的巨大潜力，研发出更多用途。