丁酸梭菌与动物肠道互作机理的研究进展

王 倩， 朱 琪， 晏 凯， 梁东梅， 杨卓婧， 乔家运*

（1.天津师范大学生命科学学院，天津 300387；2.天津市畜牧兽医研究所，天津 300381；3.天津市南开区疾病预防控制中心，天津 300000；4.河南省洛阳市动物卫生监督所，河南洛阳 471000）

丁酸梭菌，即酪酸梭菌，又称酪酸梭状芽孢杆菌，严格厌氧，是1933年由本千叶医科大学宫入近治博士首先发现并报告的，因此又名宫入菌。丁酸梭菌为梭状芽孢杆菌，菌体呈直杆状或稍有弯曲，内生芽孢，两端呈钝圆，周生有鞭毛，具运动性，革兰氏染色为阳性（易中华，2012；李雄彪等，2006）。该菌是人和动物肠道中共存的微生物，对于维持肠道的正常活动具有十分重要的生理意义（谢树贵等，2007）。从20世纪40年代开始，日本等国将其作为整肠剂用于调理人体胃肠功能 （杜云平等，2009）。后来将其作为兽药，用于治疗畜禽肠道菌群紊乱，提高畜禽的生产力 （唐宝英等，2000）。丁酸梭菌作为一种厌氧芽孢杆菌，具有耐热、胃酸、胆盐的抗逆性等多种优良特性，可产生丁酸、乙酸等代谢产物（张善亭等，2013；张晓阳等，2012），正在成为目前饲用益生菌产品中的一个很有潜力的品种，有着良好的应用前景。

本文主要针对丁酸梭菌与动物肠道的互作机理进行综述，并展望丁酸梭菌今后的研发趋势，以期为丁酸梭菌进一步的应用提供理论基础。

1 调节肠道菌群

丁酸梭菌代谢过程主要产物为丁酸，其可以为肠道细胞正常生长提供必需的营养物质（Pryde等，2002），同时丁酸还能够抑制肠道内有害菌群的生长繁殖，进而起到促进肠道内有益菌群增殖的 作 用 （Lupton，2004；Aso 等 ，1995）。 高 权 新（2012）通过“spot-on-the-lawn”方法研究了丁酸梭菌及其代谢产物对大肠杆菌生长的抑制作用，结果表明，丁酸梭菌及其代谢产物对大肠杆菌的活力有明显的抑制作用，但是将培养丁酸梭菌后的MRS培养基（SCS）的pH调到7以后，抑制效果就会显著降低，这说明丁酸梭菌的抑菌作用主要是通过代谢产物丁酸作用的发挥。

丁酸梭菌调节肠道菌群的另外一个机制是其能够产生抗菌肽等抗菌物质。抗菌肽是生物机体内能够诱导产生的一类具有抗菌作用的生物活性肽，通过抑菌作用来调节肠道菌群的稳定（Li等，2012）。王腾浩等（2015）通过试验分离纯化得到丁酸梭菌抗菌肽，证明起抑菌作用的是抗菌肽。Konisky（1982）指出，经抗菌肽处理的细胞，其DNA、RNA和蛋白质的合成被抑制，且其F1F0-ATPase活性也被抑制，ATP浓度降低，细胞内的K+外流。当用低浓度的抗菌肽处理巴斯德梭状芽孢杆菌后，会使细胞内的K+外流，但是不会破坏其膜电势；当用高浓度的抗菌肽处理后，巴斯德梭状芽孢杆菌膜电势被消除，K+的主动吸收也被破坏，因此其生长受到抑制。

2 细菌定植

丁酸梭菌对于肠道具有高黏附作用，这一属性对肠道微生物菌群的平衡、肠道细菌酶活性的稳定和肠的渗透性至关重要，其可以进一步促进对肠道病原体的竞争排除（Gibson等，1994）。丁酸梭菌可以通过黏附到肠道上皮细胞，对致病菌产生黏附竞争性抑制，在一定程度上降低致病菌的增殖。宋增福等（2006）利用鱼的肠道上皮细胞，以水产致病菌鳗弧菌为对照，研究丁酸梭菌对鳗弧菌的黏附抑制作用，结果表明，当丁酸梭菌和鳗弧菌共同附于鱼肠道上皮细胞时，丁酸梭菌能够显著抑制鳗弧菌的黏附，使其黏附率降低7.03%（P ＜ 0.05）。

研究发现，丁酸梭菌磷壁酸对丁酸梭菌的黏附能力有重要作用 （Delia等，2009；Bizzini等，2007）。磷壁酸是一类由核糖醇或甘油残基构成的阴离子聚合物，由于其链上羟基往往会被丙氨酸或 N-乙酰葡糖胺修饰，所以通常还带有一定量的正电荷，形成正负电荷交替出现的聚合物结构 （汪海峰等，2011；Lovering 等，2010）。杨静（2014）运用TX-114法提取磷壁酸以后用磷壁酸和丁酸梭菌同时处理细胞，随着磷壁酸处理浓度的增加，丁酸梭菌对细胞的黏附数量显著下降，这表明，磷壁酸占据了丁酸梭菌的黏附位点。通过对罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）研究发现，当磷壁酸丙氨酸残基缺失时该菌在小鼠胃肠道中黏附的能力显著下降 （p＜0.05）（Walter等，2007）。因此，丙氨酸残基共价修饰对于磷壁酸在黏附、定植过程中发挥功能具有重要意义。但是对于丁酸梭菌磷壁酸的具体作用机制，目前还缺乏全面、深入的研究。

3 调节机体免疫力

丁酸梭菌可以调节机体的免疫通路，其调节方式可能是通过特异性受体调控基因表达。Toll样受体（TLR）可以识别机体中的许多细菌以及细菌产物并迅速激活天然免疫系统 （Akira等，2004）。TLR受体可以分为许多种类，其中Kawai等（2010）研究发现，革兰氏阳性菌磷壁酸的识别主要是通过TLR2。Gao等（2012）通过基因敲除的方法研究得出丁酸梭菌可以激活由TLR2介导的MyD88-非依赖性信号通路。王柳懿等（2017）以仔猪为模型，在饲料中添加丁酸梭菌以后，试验结果显示，促炎因子TNF-α和1L-18的表达都有上升的趋势。同时，TLRs的负调控关键性内源调控因子Tollip水平也呈现上升趋势，表明其机体在维持一个平衡的状态，因此在未出现免疫过度的情况下提高了机体的免疫能力。但是杨静（2014）通过试验发现，丁酸梭菌隣壁酸能够通过抑制NF-kB的表达减少炎症因子TNF-α的分泌，在一定程度上预防肠炎的发生。从以上研究可以看出，丁酸梭菌磷壁酸的免疫调节功能，暂时还没有找到明确的机制，需要进一步试验研究。

4 产生各种有益物质

在动物肠道内，丁酸梭菌产生的果胶甲酯酶可以与肠道分泌的酶协同消化果胶物质，主要消化产物为 4，5-不饱和-D-半乳糖醛酸（Araki，2002）。Nakajima等（1997）从肠道丁酸梭菌中分离得到魔芋葡甘露聚糖降解酶，其可作用于多聚糖如魔芋葡甘露聚糖、咖啡甘露聚糖，产生寡糖和单糖。此外，丁酸梭菌还可以分泌淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等一些酶类，在这些酶的作用下能够产生葡萄糖、麦芽糖等（Kuroiwa 等，1990），这些糖类有利于肠道的消化吸收，也可以为肠道中的某些益生菌提供营养物质。丁酸梭菌分泌的丁酸盐和氢还能增强机体抗氧化酶活性，同时，丁酸梭菌在代谢过程中还可以合成多种维生素，如B族维生素、维生素 K和叶酸等，这些维生素可以分泌到细胞外，对促进宿主肠道营养的全面吸收起着重要作用。

5 调节凋亡因子的表达

肠道具有阻止肠腔内细菌、毒素等有害物质侵入机体内的重要屏障功能 （Kiesslich等，2012），肠道上皮细胞是肠道上皮屏障中最重要的部分，致病菌可以通过诱导宿主细胞凋亡突破肠道上皮屏障，使宿主发生肠道疾病（Williams等，2013；Baumgart等，2002）。肠道病原性大肠杆菌（EHEC）是一类主要的肠道传染性病原菌，其可以通过诱导细胞凋亡和坏死途径引发肠道疾病（Mundy 等，2006）。 高权新（2011）以鸡胚肠道细胞为模型，研究丁酸梭菌对EHEC诱发的细胞凋亡和坏死的抑制作用，试验结果显示，丁酸梭菌处理后EHEC引发的细胞凋亡率要显著低于未经处理的EHEC引发的细胞凋亡率。试验进一步研究发现丁酸梭菌可以抑制EHEC诱导的凋亡因子 FAS、P53、XIAP、BclXL、Bcl2 mRNA 的表达，同时还可以抑制caspase-9和caspase-3的活力，缓解EHEC诱导的细胞凋亡。因此，丁酸梭菌可以通过调节凋亡因子的表达，抑制EHEC诱导的肠道疾病。

6 改善肠道结构促进营养物质吸收

肠道是生物机体中最大的消化器官，通过对营养物质的吸收促进机体的生长（Purchiaroni等，2013）。肠上皮内淋巴细胞（iIEL）是分布于消化道黏膜上皮细胞之间的一种独特细胞群，通过与肠上皮细胞的相互作用，介导黏膜局部的免疫防御，抵抗肠道致病菌的入侵 （刘北星，2009）。iIEL数量的增加可以在一定程度上提高宿主的免疫力（杨倩等，2005）。 吴杰等（2018）以大鼠为试验模型，通过在饲料中添加丁酸梭菌，研究其iIEL数量的变化情况，研究发现相较于对照组，添加丁酸梭菌以后，iIEL数量明显增多。同时，肠上皮细胞的数量和绒毛的长度呈现正相关，随着肠上皮细胞数量的增多，小肠的营养吸收能力也会增强（常银莲等，2016）。隐窝是肠绒毛根部的上皮下隐至固有层形成的管状小管腔，隐窝深度增加会减弱营养物质的吸收能力 （吴佳静等，2012；马玉龙等，2005）。 因此，绒毛高度/隐窝深度能够很好地反映小肠的功能情况。刘亭婷等（2012）通过在蛋用仔鸡饲料中添加丁酸梭菌，研究其对肠道形态结构的影响发现，添加不同浓度丁酸梭菌的试验组与对照组相比，均不同程度的增加了空肠的绒毛高度和黏膜厚度，1000 mg/kg丁酸梭菌组的绒毛长度/隐窝深度（V/C）值显著高于对照组（p＜0.05）。因此，丁酸梭菌可能是通过其代谢产物丁酸作用于肠上皮细胞，丁酸是肠道上皮组织细胞再生主要营养物质，进而提高动物机体肠道的黏膜免疫系统。

7 展望

随着生物技术的发展，丁酸梭菌还可以在以下几个方面进行研究：丁酸梭菌是严格厌氧菌，这是限制丁酸梭菌广泛应用的一个主要原因，所以对于丁酸梭菌的生产工艺还需要进一步的研究，同时需要优化得到更加适合丁酸梭菌增殖的培养基；对于丁酸梭菌及其代谢产物与动物肠道的作用机制目前了解不够全面深入，需掌握其具体的作用机理，以发挥其更大的作用，得到更加广泛的应用；通过试验来研究丁酸梭菌在不同的动物以及同一动物的不同发育阶段中合适的添加量；研究丁酸梭菌和其他益生菌之间的相互作用，以期能够达到更好的作用；丁酸梭菌具有调节凋亡因子表达的作用，因此可研究其在癌症治疗方面的具体作用机制，以期为人体癌症治疗方面提供新的方向；通过基因工程技术，对丁酸梭菌进行改造，培育出具有良好性能、更加适合肠道环境的新型菌种；丁酸梭菌的磷壁酸具有免疫调控的功能，但是有研究表明，某些益生菌的磷壁酸被基因敲除后，具有了更好的免疫调控作用，针对这一矛盾，可以作进一步的深入研究。