饲料中的营养物质对动物肠道功能和健康的调控作用

刘晓娜，孟小林，李泽宇

（新疆农业职业技术学院，新疆昌吉 831100）

肠上皮最重要的作用之一是消化、吸收饲料营养，其中上皮细胞为病原体、毒素和变应原从腔体扩散到黏膜组织提供了生化-物理屏障。屏障完整性的缺陷会强烈激活免疫细胞，导致肠道组织的慢性炎症。当屏障受损时，内毒素等炎症分子可通过循环到达不同器官，在非肠道疾病如糖尿病、肥胖、慢性肾病等发病机制中发挥作用。肠道功能和健康的完整性依赖于多种屏障成分之间的相互作用，包括黏附黏液凝胶层、免疫球蛋白A、抗菌肽和细胞间紧密连接，在这些成分中，紧密连接构成了肠道物理屏障的主要决定因素（高志光和秦环龙，2005）。肠道的紧密连接是由位于上皮细胞外侧膜顶端的多个蛋白组装而成，其通路大致可分为双细胞和三细胞连接，其中双细胞紧密链是由两个相邻的上皮细胞形成的，而三细胞紧密连接链是在3个细胞的交汇点形成（钮凌颖和李宁，2009）。由于肠道紧密连接屏障的损伤导致全身和肠道炎症，在各种疾病发病机制中发挥重要作用，因此，利用营养调控措施来维持和保护紧密连接可有效保障肠道健康和功能。在此背景下，本文综述了饲料中营养物质对肠道紧密连接屏障和细胞旁通透性的调节作用，旨在为肠道功能和健康的完整性提供理论基础。

1 碳水化合物和蛋白质

碳水化合物和糖类是动物主要的能量来源之一，通常在饲料营养物质中的含量占比最高。但它们在肠道屏障调节中作用至今尚未被阐明。由于糖尿病和肥胖与内毒素血症和全身炎症密切相关，高碳水化物日粮对小鼠肠道屏障的影响已在小鼠中进行了研究，如给小鼠喂食高碳水化合物饲料，其中85%来自葡萄糖或果糖，15%来自蔗糖，持续12周会诱发内毒素血症，并增加肠道对异硫氰酸荧光素（FITC）标记右旋糖酐的渗透性，结果发现，日粮导致结肠中ZO-1和occludin水平降低，炎性细胞因子水平升高（Do等，2018），由此作者认为，高碳水化合物日粮诱导的肠道菌群失调似乎起到一定作用。

蛋白质对身体生长、修复和保持健康必不可少，并参与广泛的代谢作用。但蛋白质在肠道屏障调节中的作用迄今尚未得到广泛研究。值得注意的是，一些日粮蛋白质被酶消化后产生的肽可增强或保护肠道屏障，并可能用于缓解肠道疾病。此外，氨基酸（如谷氨酰胺和色氨酸）在肠道屏障中也会起保护作用。Zhu等（2018）对饲喂不同蛋白质含量日粮的大鼠进行2、4和10周空肠紧密连接蛋白检测，结果发现，与对照组（19.3%蛋白）相比，低蛋白质日粮（12%）组大鼠2周后可降低空肠中ZO-1和occludin的表达，同时低蛋白质日粮组4周后空肠和结肠ZO-1和occludin水平及10周后occludin水平均高于对照组。虽然这些观察结果背后的确切机制尚不清楚，但限制日粮蛋白质对肠道菌群的改变可能与所观察到的效果有关。

Tanabe等（2006）研究发现，来自牛的酪蛋白的五肽NPWDQ增强了肠道Caco-2细胞的屏障完整性，导致抑制卵清蛋白的渗透，这种肽最初是从奶酪酶解物中分离出来的，因此，occludin的上调被认为是其潜在的调控机制。虽然该肽的主要结构尚未被描述，但该肽通过抑制核因子κB（NF-κB）和细胞外信号调节激酶途径可减弱occludin和ZO-1水平。

2 氨基酸和脂肪

谷氨酰胺是人体最丰富的游离氨基酸，是肠细胞的主要底物。越来越多的基础和临床研究表明，其在肠道屏障维护和保护中发挥重要作用。在临床研究中，口服后尿液中的乳果糖与甘露醇比值通常被评估为肠道通透性测试，而补充谷氨酰胺可降低健康和营养不良儿童、肠易激综合征、克罗恩病和严重烧伤患者的肠道高渗透性，这表明这些患者的乳果糖与甘露醇比低于对照组（Benjamin等，2012）。谷氨酰胺对肠道紧密连接结构的保护作用也在不同疾病的啮齿动物模型中得到证实，如酒精性肝病、炎症性肠病、移植物抗宿主病和感染（Beutheu等，2014）。一些研究通过细胞培养方法来检查谷氨酰胺对肠道紧密连接结构的维持、促进和保护作用。因此，由无谷氨酰胺培养基和谷氨酰胺合成酶抑制引起的谷氨酰胺消耗增加了肠道通透性，降低了Caco-2细胞洗涤剂不溶部分中的ZO-1、occludin和claudin-1水平（Li和 Neu，2009）。在猪肠上皮细胞（IPEC）-1中，谷氨酰胺通过钙/钙调素依赖的激酶2-amp激活蛋白激酶途径提高屏障完整性和紧密连接蛋白质水平，如ZO、occludin、claudin和JAM-A蛋白质水平（崔巍等，2008）。

色氨酸也支持肠道紧密连接屏障，但过量的色氨酸可能会产生不良影响。在非酒精性脂肪肝小鼠模型中，色氨酸补充逆转空肠中occludin的表达，改善了疾病相关的肝脏参数（Ritze等，2014）。饲喂4周0.2%和0.4%色氨酸日粮可提高断奶仔猪空肠中ZO-1、ZO-3和claudin-3水平，但饲喂3周0.75%色氨酸日粮后，断奶仔猪occludin和ZO-1 mRNA水平降低，而0.15%色氨组occludin和ZO-1 mRNA水平有升高趋势（颜莹莉，2018）。此外，Wang等（2015）报道了色氨酸可通过激活ppec-1细胞中哺乳动物雷帕霉素靶点上调紧密连接蛋白质水平，如occludin、claudin-4和 ZO-1水 平，而 不 是 claudin-1或ZO-3水平。

越来越多的证据表明，摄入大量脂肪会引起肠道高渗透性，在代谢紊乱发病机制中起关键作用。此外，一些脂肪酸以链长和结构依赖的方式影响肠道功能和健康调节。代谢内毒素血症可导致全身炎症，并在肥胖、2型糖尿病和代谢综合征的发病机制中发挥重要作用，如脂多糖通过肠上皮细胞旁扩散进入循环。Ji等（2011）报道，高脂日粮会破坏啮齿动物的紧密连接结构，引起小肠和大肠的高渗透性，通过吸收脂肪激活黏膜免疫细胞，包括淋巴细胞和肥大细胞，似乎是高渗透性的潜在机制之一。从日粮脂肪中提取的长链脂肪酸可激活免疫细胞，释放多种炎症介质，包括干扰素-γ、TNF-α、IL-1β、IL-6和蛋白酶，这些介质通过下调紧密连接蛋白质水平和上调肌球蛋白轻链激酶（MLCK）来削弱肠道屏障功能，而高脂也会引起胆汁酸分泌过多，对肠道紧密连接屏障具有负调控作用（邓波波等，2020）。长链脂肪酸是日粮脂肪的主要成分，在细胞功能中发挥重要作用，包括作为细胞膜成分和能量来源，并参与二十烷类化合物的合成，同时，已有学者对部分长链脂肪酸（如花生四烯酸、亚油酸、二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸和γ-亚麻酸）对紧密连接通透性的生理调节进行了研究，但一些观察结果存在争议，如在Caco-2细胞中，在正常情况下这些脂肪酸似乎增加了紧密连接的通透性（Usami等，2003）。Xiao等（2013）报道了一些长链脂肪酸可以保护屏障免受有害刺激，如热应激破坏了Caco-2细胞中的肠屏障和结构，但二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸降低了热应激下这些细胞的高渗透性，并恢复了occludin和ZO-1的表达。

3 矿物质

矿物质是存在身体所有组织和液体中的无机物，是维持基本生物过程所必需的。在矿物质中，锌在肠道屏障中的促进和保护作用已在动物和细胞培养中进行了研究。事实上，补充锌可减少营养不良、结肠炎和感染引起的肠道屏障缺损，但锌介导的肠紧密连接屏障保护可能涉及不同的机制。在Caco-2细胞中，锌激活GPR39后上调蛋白激酶可抑制肠道沙门菌血清鼠伤寒所致的occludin和ZO-1水平下降，而在T84细胞中，细胞外钙补充诱导的紧密连接结构重组是由gpr39-磷脂酶c-钙/钙调素依赖的蛋白激酶激酶β-AMPK通路促进的（Shao等，2017）。此外，补充锌可通过磷酸肌醇3-激酶/Akt/雷帕霉素途径的哺乳动物靶点增加ZO-1的表达，导致Caco-2细胞中TJ屏障增强。肠上皮细胞内的锌在维持紧密连接屏障中发挥着重要作用，细胞内锌的耗尽会诱导occludin蛋白水解，下调claudin-3基因转录，导致肠屏障遭到破坏（Miyoshi等，2016）。

4 维生素

维生素是一组有机化合物，在生长代谢中必不可少。脂溶性维生素A、维生素D和水溶性维生素C在调节肠道屏障方面发挥重要作用，如Xiao等（2013）报道，在大鼠日粮中限制维生素A饲喂4周后会损害小肠结构和紧密连接屏障，表现为绒毛损伤和ZO-1、occludin和claudin-1蛋白质水平降低，而补充维生素A可逆转这些异常。Li等（2017）也报道，补充全反式维甲酸可分别上调人类肠道类器官和Caco-2细胞中的ZO-1和ZO-2水平。同样，在猪pecc-j2细胞中也观察到维生素A对脂多糖毒性的保护作用（He等，2019）。

同样，维生素D在维持和保护肠道紧密连接屏障方面发挥了重要作用。服用维生素D可减少结肠炎、腹腔疾病、肝硬化和严重烧伤小鼠模型中肠屏障的损伤（Dong等，2018）。日粮中限制维生素D会加剧啮齿柠檬酸杆菌诱导的结肠小鼠紧密连接屏障缺陷，补充维生素可观察到claudin-1和claudin-2水平的上调和claudin-4和claudin-7水平的下调。维生素D通常通过维生素D受体发挥生物学功能，其属于类固醇/甲状腺激素受体核受体超家族。维生素D受体在包括肠上皮在内的大多数器官中表达，并转录调控基因表达，Du等（2015）报道，虽然在Vdr基因敲除小鼠中除了claudin-2水平下调外，紧密连接屏障没有明显缺陷，但基因敲除小鼠比野生型小鼠更容易患DSS-和三硝基苯诱导的实验性结肠炎，而在结肠模型中，Vdr基因敲除小鼠比野生型小鼠更早出现肠道高渗和结肠紧密连接蛋白质水平下降现象。

5 总结

基础研究和临床研究表明，肠外疾病中存在肠通透性高和紧密连接结构受损情况，饲料中的营养物质对肠道屏障的促进和保护具有重要作用。但一些问题还有待进一步研究，如日粮对肠道屏障调控的确切机制尚不清楚。此外，在许多情况下，体内研究包括临床研究的数据有限。因此，后续的科学研究应加大这方面的工作，这对进一步了解饲料中营养物质对肠道功能和健康的调节作用具有重要意义。