肠道微生物-肠-脑轴与猪营养代谢

■赵 轩 邱胜男 许 璇 刘晓宁 梁代华 许 丽 石宝明*

(1.东北农业大学动物科学技术学院，黑龙江哈尔滨150030；2.黑龙江省畜牧总站，黑龙江哈尔滨150000；3.谷实农牧集团股份有限公司，黑龙江哈尔滨150078)

动物肠道中存在大量复杂多样的微生物菌群，其总数是机体细胞数量的10倍[1]，此外，微生物群的组成和密度会伴随胃肠道环境的变化而发生相应的改变[2]。肠道微生物由多种细菌菌株组成，这些细菌菌株彼此之间以及与宿主之间相互作用。胃肠道作为动物机体的消化器官和感应器官拥有着较为庞大的表面积，肠腔可以感应各种营养、微生物及其代谢产物和毒素等物质，肠道可通过肠-脑轴对动物机体生理活动进行调节[3]。早在20世纪末，美国哥伦比亚大学神经学家迈克·格尔松教授就提出了由肠管、肠道神经系统和肠道微生物形成了人体的第二大脑-肠脑，它是一种能够将宿主微生物代谢、信号传导以及免疫炎症反应联系在一起的多向互作代谢轴，其在生理上与肠、肝、肌肉和大脑相连[4-5]，在调节胃肠动力，内脏敏感性，身体对应激的反应以及中枢认知功能等方面发挥着一定的作用[6]。近年来，研究人员开始研究肠道菌群和大脑之间的关系，越来越多的证据表明，肠道微生物群可以在胃肠道和大脑之间存在的双向沟通机制中发挥关键作用[7]。微生物-肠-脑轴之间的双向调节关系逐渐成为动物营养代谢以至人类健康和疾病中热门的研究方向。肠道中营养物质的消化与代谢影响着猪的健康情况和生产性能，因此，机体的健康和有效的营养代谢是猪获得高生长性能的核心环节。饲料中的营养成分首先经过动物胃肠道消化，再经过肝、肾等进入到各个靶器官代谢沉积，以发挥促生长的作用。本文从微生物与宿主肠道以及脑神经系统之间的相互关系入手，综述了微生物-肠-脑轴在猪营养代谢中的研究进展。

1 微生物-肠-脑轴双向交流机制

肠道通过2～6亿个神经元与大脑紧密相连[8]，主要包括迷走神经、脊神经和其神经节和脊髓等[9]。肠道和大脑之间的双向交流（肠-脑轴）早已被认识到，来自大脑的信号会影响胃肠的运动，感觉和分泌形式，来自肠道的内脏信息会进而影响大脑的功能[10]。越来越多的研究表明肠道微生物菌群在双向脑-肠轴中起到了关键作用，因此微生物-肠-脑轴的研究在近几年也成为了医学研究的热点问题。中枢神经系统、自主神经系统、肠神经系统、相关内分泌和免疫系统、肠道菌群参与了微生物-肠-脑轴的组成[11]。大脑可以通过中枢神经系统调节微生物的组成和行为，而且肠道微生物可以通过各种途径参与对脑的调节，包括神经、内分泌和免疫途径等，从而触发微生物-肠-脑轴双向调控机制[12]。

1.1 神经调节途径

胃肠功能的神经调节主要依赖于三个系统，即中枢神经系统(CNS)、自主神经系统(ANS)和肠神经系统(ENS)，肠神经系统(ENS)作为控制胃肠道的“第二大脑”起主要作用[13]。其主要组成成分为胃肠壁内的神经元，它可以通过迷走神经与中枢神经系统进行沟通，迷走神经是机体内分布最长、最广的脑神经，可以支配绝大部分呼吸和消化系统器官，同时负责感觉、运动以及腺体分泌。迷走神经传入神经在十二指肠固有层、空肠绒毛以及利贝昆氏腺(Lieberkuhn)隐窝中分布广泛[14]，迷走神经能调节血清素、γ-氨基丁酸、c-Fos蛋白等的表达量，并能将肠道菌群释放的信号分子传递到大脑中，调节脑功能、动物焦虑和抑郁行为[15]。Bravo等[16]研究表明，摄入益生菌后小鼠焦虑的情绪和抑郁的行为得到改善，大脑中γ-氨基丁酸受体表达量增加，切断迷走神经后，改善作用减弱甚至消失，说明这种改善作用可能是由迷走神经介导的。肠神经系统与迷走神经之间通过突触连接组成“肠道菌群-肠神经-迷走神经-脑”信息传递途径[17]。德国研究表明，肠道菌群代谢产生的短链脂肪作为信使物质，经过血液到达大脑，促进小胶质细胞的发育和生长，增强大脑的免疫功能[18]。一般认为，动物的思想和情绪等是由大脑所控制的，而且以往研究微生物-肠-脑轴的侧重点多在于其在胃肠道疾病等方面的作用，但在现代科学研究中发现，肠道菌群可以通过此轴调节大脑部分功能并影响动物机体的行为[19-20]，肠道微生物的组成和多样性又可以通过运动来调节[21]。因此，越来越多的研究将关注微生物-肠-脑轴对神经发育的潜在影响。

1.2 内分泌调节途径

肠道微生物既可以使肠壁内分泌细胞释放一些激素类物质，如促肾上腺皮质激素释放因子、肾上腺皮质酮和脑肠肽等，这些物质通过外周循环系统作用于脑[22]，也可以通过调节释放一些多肽类物质，如胃泌素、胰多肽、促胰蛋白酶肽和瘦素等，调节宿主的饥饿摄食、能量维持以及作息节律等多种行为[23]。反之，胃肠道内存在的微生物菌群通过合成生长抑制激素、乙酰胆碱或孕酮等内分泌激素，可以主动识别宿主体内的同源性受体，当肠道内外相应的激素达到一定浓度水平时，便可以调控宿主的神经电生理过程[24]。乙酰胆碱、儿茶酚胺、血清素和组胺等是主要的神经递质。这些神经递质不仅存在于人类和动物体内，还存在于植物和微生物中[25]。儿茶酚胺类激素是能够促进细菌生长的神经递质，主要包括多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素等，其中去甲肾上腺素促生长效果比较好，体内超过50%去甲肾上腺素是由肠道神经系统分泌的，并且直接作用于肠道微生物，在维持肠道菌群稳态方面发挥一定的作用[24]。肠道菌群可通过下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA轴）发挥作用，Crumey⁃rolle-arias等[26]的一项研究发现，与SPF大鼠相比，无菌加剧了大鼠在急性应激情况下的焦虑行为，并且下丘脑-垂体-肾上腺轴内分泌活性变得更高。这证明了肠道微生物对机体内分泌系统有一定的影响。

1.3 免疫调节途径

肠道微生物还可以通过免疫系统的激活，使中枢神经系统与其之间启动双向沟通[27]。大量研究发现，肠道微生物代谢底物及产物，可以改变体循环中促炎和抗炎因子的表达水平，影响大脑功能。比如，肠道微生物代谢产生的丁酸可诱导肠道T淋巴细胞分化，减少炎症反应，缓解结肠炎[28]。细胞因子可作为免疫信号分子调控神经性紊乱病变和心理学疾病，如焦虑、抑郁、认知行为等。研究表明，外周血中IL-1、IL-6、TNF等炎症细胞因子通过自由扩散和转运蛋白转运通过血脑屏障，进入脑组织，进而改变大脑中神经元的活化状态导致抑郁[29]。哺乳动物m iRNA已被证明是调节宿主基因表达的重要因子，并参与宿主细胞分裂和免疫反应等。研究表明，肠上皮细胞内的m iRNA可以调节杯状细胞的分化并增强寄生虫感染诱导的Th2型免疫应答，共生细菌可以诱导宿主m iRNA的表达，但具体机制尚不明确，推测它与共生细菌的物质代谢，表面抗原和肠道菌群-宿主相互作用有关[30]。

2 微生物-肠-脑轴信号

目前来源于肠道微生物并影响肠上皮的信号因子已经被广泛研究，包括Toll样受体信号传导[31-32]和通过二肽或三肽信号传导的机制，例如N-甲酰甲硫酰-亮氨酰-苯丙氨酸[33]。然而，如上所述，微生物产生的一系列信号分子，可以与其他微生物的受体以及宿主细胞的受体相互作用。通过这些不同的转导机制，肠道微生物群通过内分泌，免疫和神经信号传导机制影响神经系统。比如，碳水化合物在大肠经微生物发酵产生的短链挥发酸（SCFAs）可以通过很多途径来调节肠-脑轴的作用[34-36]。靶向自诱导信号分子(Autoinducer-3)可以刺激真核细胞表面的肾上腺素受体，而人肠上皮细胞的表面则存在α-2受体。信号通过α-2肾上腺素受体传导是细菌抑制肠道分泌的一种机制，危及宿主排除病原体的能力[37]。

虽然健康和患病状态下肠微生物群对宿主信号传导的作用已经被广泛研究，包括运动性、分泌性和免疫功能，但是目前胃肠道和神经系统之间的微生物信号之间直接的传导作用研究并不广泛。微生物信号分子可以在肠通透性增强的情况下（例如，在炎症或应激期间）直接与传入神经末端相互作用，或者它们的信号可以通过上皮中的“转导细胞”传递到肠壁内的神经元。肠道嗜铬细胞作为肠道中传入神经末梢信号的传感器可以用于这方面的研究。有研究显示，GF小鼠血清中5-HT水平显著低于SPF小鼠[38]，肠道中的芽孢菌能够促进结肠嗜铬细胞分泌5-HT[39]。5-羟色胺是一种抑制性神经递质[40]，作用于大脑中的某些信号转导通路，影响宿主记忆、情绪、性格和行为的表达。

3 微生物-肠-脑轴对营养物质的感应

自主神经系统会介导中枢神经系统和肠道间的通信，交感神经和副交感神经都属于自主神经系统，它们在调节肠道功能方面具有突出的作用。它可以调节肠胃运动，调节肠胃中的酸分泌以及对肠道免疫应答也有极大影响[41]。自主神经系统介导的黏液分泌调节对肠道黏液层的大小和质量有极其重要的作用，它通过影响上皮细胞的反应直接参与肠道内免疫细胞的免疫激活。这表明神经会影响营养物质的代谢和宿主的免疫应答。肠道中存在参与微生物蛋白质合成、核酸代谢、能量供应及其他细胞内代谢过程的多种不同微生物，它们对氨基酸的利用能力不尽相同，它们可以利用肠腔中游离的短肽和氨基酸作为氮源参与代谢过程。肠道中的拟杆菌属、丙酸菌属、梭菌属、链球菌属、乳杆菌属等主要起到降解蛋白质的作用。有研究表明，猪空肠或回肠的某些革兰氏阴性菌，如Klebsiella spp和Prevotella spp，可以有选择性的氧化赖氨酸(Lys)、苏氨酸(Thr)和精氨酸(Arg)，Kleb⁃siella spp还可以合成谷氨酰胺(Gln)、亮氨酸(Leu)和异亮氨酸(Ile)等[42-43]。氨基酸通过肠道菌群的代谢可以为宿主提供营养来源，也可以作为信号分子调节肠道或者机体的各项生理活动。蛋白质在肠腔内通过各种蛋白酶消化后，其产生的短肽或氨基酸，可以被肠腔壁的上皮细胞表面分布的受体识别。有研究表明，肠上皮细胞表面的味觉受体1和3(T1R1/TIR3)异二聚体受体可以感应肠内腔的色氨酸，激活受体的磷酸化过程，将下游信号传递至哺乳动物细胞mTOR信号分子，激发细胞的DNA转录和蛋白质合成[44]。谷氨酸能够作为味觉受体1和3(T1R1/TIR3)的配体参与营养物质的感应，而且，谷氨酸也是一种神经传导递质，谷氨酸的增加可以显著促进腹腔迷走神经的传入神经活性，调节神经行为[45]。在肠道内，氨基酸作为配体，不仅参与mTOR信号的活化，也参与饱感激素的调控，调节宿主的饮食。G蛋白偶联受体93(GPR93)、钙敏感受体(CaSR)等对不同氨基酸的识别可以促使小肠肠壁细胞分泌调节性的脑肠肽。同时，研究发现，肠道微生物能够通过各类自身分泌的蛋白酶代谢肠腔内的蛋白质，产生宿主自身不能合成的肽类物质，如精氨酰谷氨酰胺Arg-Gln和丙氨酰丙氨酸Ala-Ala[46]。已有研究表明猪空肠上皮细胞能够表达二肽转运体小肽转运蛋白(PepT1)[47]，并具有转运某些三肽的能力。Ai⁃to-inoue M等[48]对断奶仔猪进行研究，其结果显示小肠上皮细胞对二肽丙氨酰谷氨酰胺Ala-Gln和甘氨酰谷氨酰胺Gly-Gln的吸收效率高于谷氨酰胺Gln单体。所以说经过微生物代谢过程，生成的某些小肽类物质可能会经过小肠上皮肽类的转运系统影响到机体的代谢过程。

动物刚出生肠道菌群与其宿主就有了相互作用，微生物及其代谢物促进宿主进化和功能成熟[49]。肠道菌群在食物和外源物质的代谢中产生大量小分子，这些小分子在宿主细胞与微生物之间起着信息传递的作用[50]。正常的肠道微生物可以利用肠道中的氮源来合成微生物蛋白，为动物提供蛋白质。后肠中的微生物可以发酵碳水化合物产生短链挥发酸（SC⁃FAs）[1]，如乙酸、丙酸等，SCFAs也可由蛋白质降解和氨基酸发酵产生。肠道微生物还可利用日粮中未被消化的蛋白质和碳水化合物等物质，生成一些代谢产物，包括生物胺、吲哚、3-甲基吲哚和酚类等物质[51]，这些代谢产物可以刺激交感神经及自主交感神经，并可以调节血脑屏障，影响脑的发育，其次，还可以作用于肠道，调节肠道内分泌，反向作用与肠-脑轴影响机体的健康。研究发现，高蛋白质饲粮(19.8%或20.1%粗蛋白质)摄入的断奶仔猪同低蛋白质饲粮(14.5%或14.8%粗蛋白质)摄入的仔猪相比，结肠食糜中腐胺、亚精胺、支链脂肪酸、组胺和氨氮的浓度，结肠IL-1β、IL-10、转化生子因子-β(TGF-β)、黏蛋白 MUC1、MUC2、MUC20的基因表达量显著增加，食糜中柔嫩梭菌群细菌丰度增加，而饲粮中可发酵碳水化合物添加量增加后，毒性物质(如亚精胺、组胺)浓度降低，炎症因子表达没有显著上调，球形梭菌(Clostridium coccoides)的丰度显著增加[52]。说明了这些微生物会通过各种方式参与肠-脑轴，与其共同完成对宿主的代谢活动。

“微生物-肠-脑轴”是一个多组分概念模型，描述连接大脑认知与肠道内分泌，神经和免疫系统的双向应答机制。这种双向的肠-脑相互作用参与许多重要功能的调节。在健康中，肠-脑相互作用有助于消化过程的调节，包括胃肠运动功能，分泌、吸收以及调节食物摄入，调节肠相关免疫系统，同时身体的状态和情绪也会影响胃肠道。在疾病中，改变的肠-脑信号和相互作用可能是各种厌食，恶心和呕吐，功能性胃肠疾病如消化不良和肠易激综合征的病理生理学基础，到系统性免疫或情绪障碍。但是目前，大脑和肠道菌群双向调控功能的研究主要采用鼠作为研究对象，在猪上鲜有研究，通过营养手段调控肠道内环境和机体健康代谢还有待进一步研究。猪在解剖学和生理学方面与人类高度相似[41]，以猪为动物模型，研究肠道微生物及其代谢产物对机体生理功能的调控、对免疫系统、神经系统、内分泌系统等的影响，有助于阐明微生物与宿主之间的关系，并且对人疾病和健康相关研究有十分重要的意义。