饲粮纤维对肠道免疫调控机制的独立效应的研究进展

■张 春 刘 博 杨连玉车东升*

（1.长春科技学院，吉林长春 130600；2.吉林农业大学动物科学技术学院，吉林省动物营养与饲料科学重点实验室，动物生产及产品质量安全教育部重点实验室，吉林长春 130118）

国际食品法典委员会将膳食纤维（Dietary Fiber，DF）定义为一组碳水化合物聚合物，其单体单位为十个或十个以上（也允许包括单体单位3～9的聚合物）[1]。因文章讨论对象为家畜，所以将膳食纤维称为饲粮纤维。根据目前研究报道，饲粮纤维主要分为非淀粉多糖（NSP）和低聚糖类（纤维素、半纤维素、低聚糖等）、类碳水化合物类（难消化糊精、葡聚糖、抗性淀粉等）[2]以及NSP和木质素络合物相关的木质素类（蜡、角质等）[3]等。虽然，饲粮纤维类型较多且结构复杂，但是大量研究证实对于肠道免疫系统均可通过DF-微生物-黏膜屏障途径（菌群依赖性）调节[4]。这里比较典型的机制就是在DF能促进产短链脂肪酸（SCFAs）菌的增殖[5]基础上，微生物发酵产生的代谢产物SCFAs不仅能通过降低肠道pH抑制病原菌[6]，而且其作为组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的抑制剂，直接抑制促炎症因子的表达，同时，也可结合G蛋白偶联受体（GPR41、GPR43及GPR109A等），促进Toll样受体表达[7]，激活下游免疫反应，进而引起免疫细胞（T细胞、树突细胞等）增殖，促进IL-18分泌，提高黏膜屏障对病原菌的抗性[8]。然而，除了DF非独立效应（菌群依赖性）外，研究报道，DF可直接与肠道上皮细胞（IECs）[9]、免疫细胞[树突细胞（DCs）、巨噬细胞（MØs）、肥大细胞（MCs）]相互作用[10]，在促进肠道稳态和肠道上皮细胞的屏障功能的基础上，支持肠道免疫应答。因此，文章从DF对肠道上皮屏障功能的影响、基于肠道上皮细胞的免疫功能效应和调节肠道免疫的潜在分子机制三方面进行综述，阐述DF对肠道免疫的独立效应的调控机制。

1 DF的肠道上皮屏障功能的独立效应及机制

1.1 独立效应

DF的独立效应可通过改变肠道上皮屏障的通透性来保护其功能的完整性。例如人乳寡糖（HMOs）和乳糖-N-新四糖（LNnT）能够诱导结肠上皮细胞模型（Caco-2Bbe）细胞的跨膜电阻（TEER）增加[11]，低聚半乳糖（GOS）可通过促进紧密连接重组，稳定紧密连接蛋白（Claudin-3）的分布和表达来降低脱氧苯丙烯醇类毒素诱导的毒性来维护肠上皮细胞屏障功能[12]，GOS还可直接调控杯状细胞的功能（上调高尔基体磺基转移酶和黏蛋白的基因和蛋白表达水平）来增强肠上皮细胞黏膜屏障功能[13]，黄芪多糖能够抑制脂多糖（LPS）诱导的 Caco-2细胞的闭锁蛋白（Occludin）mRNA的下降[14]，β-半乳甘露聚糖可通过恢复闭锁蛋白（ZO-1）和Occludin的分布，防护肠炎链球菌的感染[15]等。此外，2’/3’岩藻糖基乳糖（2’/3’FL）和菊粉均可直接促进肠上皮细胞黏膜糖萼发育，进一步促进肠上皮细胞和菌群相互作用，从而改善菌群定植和肠上皮屏障功能[16]。另外，DF的独立效应还体现在直接影响IECs的增殖、迁移、分化和凋亡来促进肠上皮屏障功能，例如HMOs可通过诱导IECs的凋亡和抑制增殖来促进G2/M期阻滞[17]，进一步促进IECs分化[11]改善肠上皮屏障功能。总之，不同类型DF独立效应体现在调节肠道上皮屏障的紧密连接蛋白和杯状细胞功能，促进IECs的黏膜糖萼的发育来维护肠道屏障功能。

1.2 潜在机制

DF激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）机制。AMPK对维护IECs的屏障功能以及促进紧密连接蛋白重组具有重要的调控作用[18]，研究表明，COS可通过由内质网中的钙敏感受体（CaSR）-磷酸酶C（PLC）-IP3受体通路介导的钙释放激活AMPK，从而促进紧密链接蛋白的合成[19]。此外，Toll样受体2（TLR2）也可作为激活AMPK的潜在的调控因子[20]，而菊粉型果聚糖（ITF）和柠檬果胶可通过TLR2/髓样分化因子（MyD88）/核因子κB（NF-κB）信号通路激活TLR2[21]，而为促进IECs屏障功能发挥功能。另外，有研究表明TLR2信号通路参与了终末分化的IECs的增殖和凋亡[22]，可进一步促进黏蛋白的表达[23]。

DF与表皮生长因子受体（EGFR）的相互作用机制。EGFR能够诱导IECs的增殖和分化，进而维护IECs屏障功能[24]，研究表明中性和酸性的HMOs等寡糖能够激活EGFR下游的信号通路，如p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2），与EGFR相互作用，引起IECs的周期性阻滞（EGFR磷酸化）来促进IECs分化[17]。

总之，不同的DF可通过激活多种通路（AMPK、TLRs、EGFR）来调节杯状细胞功能，促进IECs分化和黏膜糖萼来维护肠道上皮屏障功能，此外，DF还可通过IECs和其他类型细胞调节细胞因子的产生和释放，从而间接改善肠道屏障功能。

2 基于肠道上皮细胞免疫功能的DF独立效应

2.1 由IECs介导的DF免疫效应

一些体外试验研究表明，DF可影响不同IECs模型来源的细胞因子和趋化因子的产生和释放，例如菊粉、GOS和果聚寡糖（FOS）促进了某些IECs模型细胞的单核细胞趋化因子（MCP-1）、巨噬细胞炎性蛋白-2（MIP-2）和白介素-8（IL-8）的分泌[25]，而α3-唾液乳糖和菊苣FOS抑制Caco-2细胞中IL-2释放[26]，相反，阿拉伯木聚糖和混合型β-葡聚糖并不影响Caco-2和HT-29细胞的IL-8的分泌[27]，这与HMOs型培养基中的结肠上皮细胞的促炎因子表达水平未改变的结果一致[28]。此外，一些 DF（包括 HMOs[28-29]、GOS[12]、阿拉伯木聚糖水解物[30]、阿拉伯木聚糖[31]、甘露寡糖[31]、半乳甘露聚糖[31]等）对在不同IECs的炎性因子刺激下，对其细胞因子、趋化因子的表达和释放具有抑制作用。例如，HMOs和半乳糖能抑制TNF-α、沙门氏菌和李斯特菌诱导的IL-8，MIP-3α在T84，NCM-460和H4细胞的表达[28]，6’-唾液酸乳糖（6’-SL）能降低T84和HT-29细胞（抗原-抗体复合物刺激下）的IL-8和MIP-3α的释放[32]，而2’LF可直接抑制LPS诱导的T84细胞的IL-8水平[29]，也有报道初乳中的HMOs可降低病原体相关分子（PAMP）诱导的细胞炎症因子（IL-8、IL-6、MCP-1/2和IL-1β）的蛋白水平[33]。此外，COS能够抑制霉菌毒素（脱氧雪腐镰刀菌烯醇）诱导的Caco-2细胞的IL-8的分泌，而FOS和菊粉无此效应[12]。研究还表明，不同的阿拉伯木聚糖水解物对结肠细胞系模型（Caco-2和HT-29）中的TNF-α和IL-8的释放具有不同作用[30]，例如含有阿拉伯木聚糖、甘露糖和半乳甘露聚糖的饲粮能够降低大肠杆菌诱导的猪小肠上皮细胞系（IPECJ2）的IL-1β、IL-8和TNF-α的mRNA表达[31]。

2.2 DF的肠道DCs的独立效应

多项研究表明，DF可直接作用于肠道DCs来促进免疫反应，例如GOS/FOS混合物能直接刺激人源单核细胞来源的DCs释放IL-10[34]，而果胶则通过降低人源单核细胞合成的脂肽（P3CSK4）诱导的IL-6和IL-10的释放[35]。此外，研究表明不同类型的DF（菊粉、果胶、阿拉伯木聚糖、GOS和β-葡聚糖等）可提高IL-10/IL-12的比例来促进DCs的调节能力[36]。还有研究表明，DF对DCs的免疫调节可能与二者相互作用有关[36]。共培养技术表明，Caco-2细胞系在含有一些类型的DF（抗性淀粉、菊粉、果胶、阿拉伯木聚糖、GOS、β-葡聚糖）培养基孵育后，降低了DCs的不同细胞因子和趋化因子（包括IFN-γ、IL-12、IL-1、IL-6、IL-8、MCP-1、MIP-1α、RANTES和TNF-α）的分泌[37]。

2.3 DF的肠道MØs的独立效应

DF可直接刺激MØs和单核细胞释放促炎细胞因子，研究表明，FOS和菊粉可诱导鼠和人源单核细胞释放TNF-α和IL-10[38]，燕麦β-葡聚糖可刺激鼠肠道MØs释放IL-1[39]，并促进MØs的吞噬活性[40]。但也有研究报道，果胶能够降低P3CSK4诱导的在鼠源的巨噬细胞系（PAW 264.7）中IL-6的分泌[35]，此外，阿拉伯木聚糖衍生物可调节LPS诱导的NO的产生，进一步促进免疫反应[41]。

2.4 DF的肠道MCs的独立效应

DF可以抑制MCs激活来抑制促炎因子的分泌，例如当归多糖（AP）不仅可抑制RBL-2H3 MCs细胞系分泌促炎因子（IL-1、TNF-α、IL-6、IL-4和MCP-1），还可抑制β-己糖胺酶、白细胞三烯C4和组胺等过敏介质的释放，这些独立效应可能与AP诱导的Gab/PI3K/Akt和Fyn/Syk通路或者Ca2+内流减少有关[42]。此外，在同一细胞系中，两种不同的硫酸酯化多糖可抑制IgE激活 MCs[43]。

2.5 DF的血液单核细胞（BMCs）的独立效应

人源脐带血的BMCs研究表明，DF可促进肠道免疫系统的发育。研究表明，低分子量的褐藻多糖（LMWF）能够直接作用BMCs中的IL-4和IL-13的产生，而酸性寡糖增加了BMCs的IL-13产生和分泌IFN-γ趋化因子的T细胞的百分比，且这两种DF均显著增加了CD25（T细胞的调节因子）的表达来影响淋巴细胞的分化[44]。此外，人源外周血液单核细胞（PBMCs）中，根据IL-10/IL-12的比值，短链果聚糖能更有效地促进调节T细胞因子的平衡[45]。

3 DF调节肠道免疫（独立效应）的潜在分子机制

3.1 DF与碳水化合物结构域的结合

DF与碳水化合物结构域结合可介导对MØs和DCs免疫调节，包括Ca2+依赖性的C型凝集素受体，如甘露糖受体（MR）、C型凝集素（DC-SIGN）、巨噬细胞半乳糖特异性凝集素（MGL）和胰岛蛋白以及非依赖Ca离子C型凝集素受体，包括DC细胞C型植物凝集-1（dectin-1）、dectin-2和补体受体3（CR3）[46]。而以上受体可以特异性地与甘露糖、β-葡聚糖、岩藻聚糖、葡萄糖、半乳糖、几丁质结合，激活相关细胞内信号通路，进而对免疫应答进行调节[47-48]。此外，一些DF（HMOs）与选择素（碳水化合物结合蛋白）配体结构相似，因而可与相应的选择素结合，进而支持白细胞黏附在血管壁上，促进免疫功能[49]。研究还表明，半乳糖凝集素含有碳水化合物识别域，可作为DF模式识别受体（PRRs），例如IECs的半乳糖凝集素-9参与了寡糖的免疫调控过程，这在IECs和共培养PBMCs模型中得到证实[50]。

3.2 DF与TLRs结合

不同类型的DF可作为TLR配体，并伴随核因子抑制蛋白（IκB）的下游磷酸化来影响细胞因子的生成，进而控制肠道免疫应答。例如两种不同类型抗性淀粉（RS2和RS3）能够分别与TLR2、TLR5结合[36]，ITF能够与位于IECs和PBMCs细胞的TLR2结合，同时还能通过较小程度的与PBMCs细胞的核苷酸脱脂寡聚化结构域蛋白2（NOD2）及TLR4、TLR5、TLR6、TLR7、TLR8结合，激活核因子-κB（NF-κB）和激活蛋白-1（AP-1）[45]，进而释放免疫调控因子。此外，GOS、FOS和菊粉是IECs中TLR4配体，主要通过TLR4/MyD88/NF-κB途径，其次依赖MAPK途径调控免疫应答[4]，而在DCs和BMCs细胞中也可通过TLR4结合GOS、FOS等类型的DF[38]，He等[51]也报道了不同的HMOs通过TLR3和TLR4的信号控制IECs的免疫应答。有研究进一步证实，CD14的表达虽然介导了IECs的LPS-TLR4炎症反应和相应的IL-8表达，但是2’FL可通过抑制CD14的表达和抑制NF-κB和p-ERK水平，促进信号传导和转录激活因子3（STAT3）的磷酸化水平以及IκB和细胞因子信号传导抑制因子2(SOCS2)的表达来调控炎症反应[29]。

3.3 DF可活化PPARγ

以往研究表明，过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）具有抑制炎症反应和调节免疫的作用[52]，部分寡糖（α3-唾液乳糖、FOS等）通过激活PPARγ，进一步利用先天免疫模式识别分子-肽聚糖识别蛋白3（PGlyRP3）发挥抗炎作用[26]。此外，研究表明α3-唾液乳糖和FOS还可通过诱导NF-κB基因表达降低和核异位效应，进而抑制NF-κB通路介导PGlyRP3在IECs中的发挥抗炎作用[26，53]，6’SL还可直接抑制转录因子AP-1和NF-κB活性，激活PPARγ来抑制炎症反应[32]。

总之，不同的饲粮纤维类型、结构和来源可通过不同类型的肠上皮细胞和单核细胞上的特定细胞表面受体结合作用，改变细胞内信号传导，进而调节上皮细胞的成熟、屏障功能和黏膜免疫，为饲粮纤维调节肠道免疫发挥独立效应。

4 小结与展望

饲粮纤维对肠道免疫的独立效应（独立于微生物）体现在对维持上皮屏障功能和肠道免疫应答的直接作用。多种饲粮纤维（GOS、FOS等）均可与肠上皮细胞受体（EGFA、PPARγ和TLRs）以及多种免疫细胞（DC、MØ等）和调节分子（AMPK）相互作用，来调节肠道屏障功能和免疫稳态。然而，目前关于饲粮纤维对肠道免疫的独立效应多以不同类型的IECs模型的体外试验为主，这可能导致不同研究之间的异质性。未来，还需要结合体内和体外试验针对特异性的饲粮纤维结构和饲粮整体的结构特性对肠道免疫的独立效应的系统研究，进一步明确饲粮纤维对动物肠道健康的独立效应机制，对于未来动物的健康生产具有重要的指导意义。