断奶对仔猪肠道屏障的影响及营养调控

徐运杰 ，胡凤娇 ，全丽萍 ，苏双良 ，陈学华 ，邓 敦

（1.山东和美集团有限公司，山东 惠民 251700；2.唐人神集团股份有限公司，湖南 株洲 412000；3.濮阳市动物卫生监督所，河南 濮阳 457000）

断奶是仔猪生命过程中应激反应剧烈的时期。在自然情况下，仔猪断奶周龄通常在10～12 周之间，而且是一个逐渐缓进的过程，此时仔猪的胃肠道接近于成熟；但在商业养猪场，为了追求利益最大化，断奶周龄却在3～4 周之间，而且快速突然发生，仔猪胃肠道并没有完全成熟。肠道结构和肠道屏障对所有幼年动物的未来健康和性能至关重要。仔猪断奶时，食物由营养丰富的奶水变成了代乳奶粉、颗粒料或粉包粒混合料，形态、气味和可消化性都发生了巨大变化，因此仔猪会产生视觉应激、气味应激、味道应激、形态应激、营养应激和消化应激；导致其采食量下降或拒食，致使肠道形态结构和屏障功能发生改变，从而导致养分吸收率降低和可用能量减少，轻者停止生长或“负生长”，重者腹泻、消瘦，甚至死亡，严重影响了后续上市时间和经济效益。不幸的是，这种现象发生在至关重要的生长时期，特别是断奶后体重与最终出栏体重高度相关。在早期断奶的所有应激源中，母仔分离和饲料变化是两个最大的应激源，也有心理和社会应激源，包括运输、混群、打架和建立新的社会等级关系，或生物和免疫应激源，如疫苗接种和喷雾消毒。与未成熟消化系统相关的饲料成分从母乳突然改变为固态饲料，由于此时仔猪胃酸分泌不良，无法产生足量和适当的消化酶来处理新的膳食成分，会导致其营养物质的消化吸收减少，甚至腹泻。此外，3～4 周也正是仔猪被动免疫能力下降的时期，而此时主动免疫尚未完全建立，因此仔猪机体基本处于“免疫空白期”，恰与商品化生产的断奶期相吻合，增加了仔猪饲养管理的困难。因此，可以通过营养措施改善断奶仔猪的肠道健康，减少损失，增加养猪生产的利润。仔猪肠黏膜经常暴露于包括细菌、毒素和病原体在内的“硬腔”环境中，肠道必须有完整的上皮屏障，以保证其底层结构（即固有层）的安全，从而确保健康。除了这种防御作用外，肠黏膜还需要确保水分和电解质等营养物质的高效运输，并从肠腔内容物中选择性地摄取饲料和微生物抗原，以促进黏膜免疫系统的发育。为了实现这些不同的功能，肠黏膜具有高度专门化的屏障机制。

1 胃肠道屏障

猪只的胃肠道屏障是一个由机械屏障、免疫屏障、化学屏障和生物屏障组成的复杂的多层级组织，充当主机防御。图1 和图2 显示了该屏障所涉及的结构：1）肠黏膜上皮细胞（肠细胞）；2）肠屏障内的免疫系统成分；3）调节屏障功能的肠神经系统。下面简要概述各屏障组件的形态功能。

1.1 肠黏膜上皮

胃肠道是外部环境和机体之间最大的接口。肠黏膜通过肠细胞顶端和基底侧细胞水平的酶和转运蛋白的活性促进营养物质的消化和吸收，并通过电解质转运蛋白、泵和通道负责水的双向转运。紧密连接调节肠道屏障的通透性。这些结构由细胞内和顶端细胞间膜蛋白组成，例如，闭锁小带（zonula occludens）、封闭蛋白（occludin）和紧密连接蛋白（claudins）。紧密连接蛋白选择上皮细胞的离子并调节孔的大小，通过“门控功能”调节上皮细胞的“渗漏”；紧密连接蛋白在建立上皮极性方面也起着关键作用，维持了营养物质（如葡萄糖、氨基酸和水）转运所必需的顶端Na+梯度[1-2]。在肠上皮屏障内，有一种称为“杯状细胞”的特殊类型的上皮细胞（图1），它与另一种细胞类型“潘氏细胞”一起在肠黏膜上产生黏液层，负责分泌抗菌肽。肠隐窝上皮细胞分泌Cl－和HCO3－离子，为pH 调节提供生理缓冲，这是抵抗病原体和腔内应激的重要机制[3-4]。最后一种属于肠上皮屏障的细胞是肠内分泌细胞，释放5-羟色胺和肽YY 等20 多种不同类型的激素。如果把这些内分泌细胞堆放在一起，它们的体积会比所有其他的内分泌器官（性腺、甲状腺、脑垂体和肾上腺）加起来都大。5-羟色胺是一种信号分子，它在肠-脑轴的功能中起着至关重要的作用，参与下丘脑的激素调节；肽YY 是神经肽，在病原体检测和食欲代谢调节中发挥重要作用。肠内分泌细胞也表达味觉受体[5-6]。

图1 肠黏膜上皮细胞（肠细胞）和肠屏障内的免疫系统成分

图2 调节屏障功能的神经系统

1.2 肠免疫系统

肠内的免疫细胞占身体免疫系统的绝大部分。换句话说，大部分的免疫细胞生活在肠道壁内，而不是血液循环或骨髓中。这些细胞集聚在这个特定的部位有着一个合理的原因，那就是因为这些部位接触到所摄入食物中有许多潜在致病性微生物。上皮内淋巴细胞和M 细胞（图1A）代表肠屏障内的免疫细胞。上皮内淋巴细胞由一群T 细胞组成，位于肠上皮细胞之间，非常靠近管腔环境，在那里它们诱导和调节免疫反应。仔猪出生时小肠绒毛的T细胞尚未发育，相反，当产后接触微生物时却发育表现良好，并且在一周或更长时间后（通过断奶的关键阶段）会增强。在生理条件下，上皮内淋巴细胞通过清除感染或死亡细胞，在调节黏膜上皮细胞的更替过程中起着基础性的作用，从而促进上皮的修复和替换[7]。

M 细胞是一种特殊的上皮细胞，具有特有的形态学特征，在形态学和酶学上与相邻的肠上皮细胞不同（图1A），M 细胞充当黏膜免疫系统的 “守门人”角色，不断地从小肠腔“取样”，并将抗原输送到黏膜下淋巴组织进行处理和启动免疫反应[8]。M 细胞具有独特的上皮内陷或“囊袋”（图1），包含B 淋巴细胞、T 淋巴细胞、巨噬细胞和树突状细胞，它们是骨髓来源的抗原呈递细胞[9]。与肠细胞高度组织的刷状边缘相反，在M 细胞顶端表面，有短的不规则的微绒毛。与吸收细胞相关的通常较厚的糖萼（多糖-蛋白质复合物）在M 细胞中并不存在，取而代之的是薄的糖萼，有助于更大程度地获得肠腔中的抗原。这些细胞缺乏某些肠上皮细胞顶面糖蛋白，如碱性磷酸酶和蔗糖酶-异麦芽糖酶，这是肠上皮细胞刷状边界的典型特征，两者都被用作M 细胞的阴性标记[10]。

1.3 肠神经系统

肠道的某些能力完胜所有其他器官，甚至可与大脑媲美。它有自己独立的神经系统，即肠神经系统。肠神经系统是准自主的，经常被称为“第二大脑”，其功能包括控制运动功能、局部血流、黏膜运输和分泌、调节免疫和内分泌功能的神经回路。具体地说，猪只肠神经系统由位于肌肉层（MP：肌间神经丛或奥尔巴赫神经丛）和黏膜下层（SP：黏膜下神经丛或迈斯纳神经丛）的两个主要神经神经节组成，它们通过不断释放神经化学物质来控制肠道运动、蠕动、黏膜分泌和上皮吸收功能（图2）。神经系统通过神经免疫突触和细菌毒素检测或黏附的调节，充当胃肠道免疫反应的调节器[11]。研究发现，应激性神经内分泌介质儿茶酚胺和促肾上腺皮质激素可影响猪只肠道致病菌与肠黏膜的结合和黏附[12]。仔猪早期断奶，由于断奶应激综合征，肠道神经系统表型和功能发生了显著变化，如肠肥大细胞与肠神经的高共定位，这与功能性胃肠道屏障障碍有关。

肠道通过大量的神经束与大脑连接，信号通过神经束信号通道可以进行双向传递。肠道还可以利用血液循环的信号通道与大脑联络，激素和炎症信号分子可由肠道产生并传递给大脑，也可以由大脑产生传递给肠道中的各种细胞，例如平滑肌细胞、神经细胞和免疫细胞等，通过信号传递改变其功能。到达大脑的很多肠道信号，不仅会产生肠道感官反应，同时也会触发大脑反应，输出信号返回到肠道，产生不同的肠道反应，如饱腹感和饥饿感。同时大脑也不会忘记这些感觉，会将这些肠道感觉的大量数据储存起来，以备将来在大脑做决策时进行调用，如决定进食和饮水。

2 断奶对肠道屏障的影响

肠道是动物的 “第二大脑”，95%的营养供给靠肠道来吸收，而85%的代谢物从肠道排出，80%的免疫结构在肠道周围。肠道是“机体应激的中心器官”。在断奶期间，胃肠道发生了许多形态和功能的变化，这些变化导致肠上皮屏障功能衰竭，通透性增加，如果仔猪过早断奶，通透性会更明显。通透性的增加伴随着绒毛的改变，绒毛高度在断奶后至少3 d 内下降。断奶对肠隐窝上皮细胞的增殖也有负面影响。当上皮屏障功能改变时，产生了大量的细胞因子，胃肠道免疫系统被激活。Medland 等研究发现，仔猪早期断奶会导致肠道胆碱能系统持续上调，触发与断奶应激相关的致病机制，从而增加仔猪疾病易感性[13-14]。有研究表明，早期断奶仔猪的胃肠道屏障、免疫系统和神经系统的紊乱一直会持续到其成年[15]。

3 营养对肠道屏障的调控

为了改善肠道健康并且最大限度地提高断奶仔猪产量，许多营养策略（功能性氨基酸、植物化学物质和有机酸）被采用，以实现以下目的：1）改善营养物质的消化吸收效率；2）调节肠道微生物区系，以获得更有利的细菌种类；3）调节仔猪免疫系统，增强抗病能力。

3.1 功能性氨基酸

目前，功能性氨基酸—谷氨酰胺和谷氨酸广泛应用于养猪业。谷氨酰胺和谷氨酸是肠上皮细胞的首选氧化底物和糖异生碳原子的重要来源。因此，它们被认为是肠上皮细胞增殖和完整性修复的重要燃料[16]。谷氨酸和谷氨酰胺通常被归类为非必需氨基酸，因为它们可以由机体自身合成。然而，一些研究已经将谷氨酰胺重新定义为一种“条件必需”氨基酸，因为在某些情况下，自身合成不足以满足身体的需要，尤其是仔猪在与长期饥饿相关的、需要高强度代谢的断奶期。日粮中添加L-谷氨酰胺可防止胃肠道屏障萎缩，增加十二指肠、空肠和回肠远端绒毛高度，降低隐窝深度和提高绒毛高度与隐窝深度的比例，从而改善断奶后仔猪的生长性能和饲料利用率[17]。在细胞水平，给予纯谷氨酰胺或谷氨酰胺和谷氨酸的混合物可以增加肠细胞的有丝分裂，减少肠细胞和淋巴细胞的凋亡[18]。补充谷氨酰胺可刺激仔猪先天性和适应性免疫成分产生，使巨噬细胞和上皮内淋巴细胞的密度增加。所以，谷氨酰胺是修复肠道黏膜和改善肠道屏障的营养剂。

为了克服谷氨酰胺价格昂贵，在水中溶解度低和不稳定性高的缺点，人们合成了丙氨酸-谷氨酰胺（Ala-Gln）。这种二肽溶于水，具有更稳定，更耐热和便于长期储存的优点。与谷氨酰胺相比，Ala-Gln具有类似甚至更强的作用，因为它更容易被肠细胞吸收利用，保持肠黏膜的完整性和功能性，有利于防止由于从母乳到植物源性饲料的突然改变导致的胃肠道疾病。有报道称，在仔猪教保料中添加Ala-Gln，仔猪的肠黏膜厚度和小肠绒毛高度增加，隐窝深度减小，绒毛高度与隐窝深度之比增加，消化和吸收功能更好[19]。Ala-Gln 上调了仔猪空肠黏膜表皮生长因子受体和胰岛素样生长因子1 受体的mRNA 表达，通过丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）或磷脂酰肌醇3 激酶（PI3K）/Akt途径，调节细胞增殖和分化[20]。研究发现，饲粮补充 Ala-Gln 增加了空肠黏膜中occludin 和zonulin-1 的蛋白质水平，并且不影响claudin-1的蛋白质水平，通过调节大分子的细胞旁转运，防止断奶仔猪肠道功能紊乱和萎缩。相比之下，单独补充Gln 对空肠黏膜中的occludin、claudin-1 和zonulin-1 蛋白水平没有影响[21]。补充Ala-Gln 还增加了仔猪十二指肠和回肠上皮中杯状细胞的数量，从而增加了黏蛋白的产生，增强了对肠黏膜的保护[22]。

另一种常用于仔猪营养的营养添加剂是精氨酸。精氨酸参与蛋白质、尿素、多胺、肌酐和一氧化氮的合成。精氨酸缺乏是限制仔猪生长发育的主要因素之一，因此仔猪在最大生长期、损伤期和严重应激期（如断奶）需要在饲粮中补充精氨酸，防止断奶引起的十二指肠绒毛萎缩[23]。肠道在精氨酸的吸收、内源性合成和代谢以及维持精氨酸稳态方面起着关键作用。Cynober等研究表明，在仔猪饲粮中补充鸟氨酸（作为精氨酸前体的鸟氨酸α-酮戊二酸），通过增加多胺分泌，能够显著增加十二指肠绒毛高度和降低空肠隐窝深度，从而支持肠功能[24]。Tan 等研究报道，饲粮中补充精氨酸改善了小肠上皮细胞的DNA合成和线粒体生物能量供应，从而改善了小肠黏膜的再生和修复[25]。

有趣的是，精氨酸和谷氨酰胺联合应用，可通过防止断奶仔猪十二指肠和空肠的绒毛萎缩，增加绒毛高度和提高绒毛高度/隐窝深度比改善仔猪肠道形态结构，效果比单独补充精氨酸或谷氨酰胺更为明显。日粮中联合添加精氨酸和谷氨酰胺，还提高了十二指肠肠上皮细胞中的乳糖酶和蔗糖酶活性以及十二指肠和空肠的麦芽糖酶活性。这对仔猪来说十分重要，因为二糖酶的活性，包括蔗糖、麦芽糖酶和乳糖酶，是仔猪肠道成熟的重要指标[26]。

3.2 植物化学物质

如上所述，断奶会损害仔猪肠道完整性，增加肠道氧化应激和仔猪对疾病的易感性。植物精油是从芳香植物中提取的挥发性化合物的液体混合物。体外细胞培养及体内动物模型研究表明，有几种常用的植物化学物质（即牛至、百里香、生姜、茴香、胡椒、丁香、紫苏、肉桂、大蒜和薄荷等的提取物）具有很强的抗氧化性。植物化学物质活性主要与酚类化合物的抗氧化性有关，酚类化合物能对抗自由基引起的蛋白质和脂质的氧化。保育猪饲料中添加香芹酚、肉桂醛、辣椒素和维生素E 组成的植物提取物混合物，研究表明，该混合物对高多不饱和脂肪酸（PUFA）负荷引起的氧化应激具有抑制作用[27]。

但是，迄今为止，有关植物化学物质对断奶仔猪肠道氧化状态/反应影响的研究报道甚少。最近的研究表明，日粮中添加植物化学物质可以提高断奶仔猪的抗病性和生长性能，原因可能是改善了肠道屏障的完整性和功能[28]。关于植物化学物质对肠道形态作用的研究结果仍具有争议。事实上，人们已经研究发现在大肠杆菌感染的断奶仔猪的饲粮中添加辣椒精油、大蒜精油或生姜精油，在不影响肠绒毛高度和隐窝深度的情况下，减轻仔猪腹泻，提高了断奶仔猪胃肠道水平的免疫应答[29]。另一方面，牛至油通过调节肠道细菌和免疫状态促进仔猪肠屏障的完整性，这些积极作用是通过增加空肠绒毛高度、occludin 和zonula occludens-1 的 表达来介导的[30]。另外，富含多酚的苹果渣或红酒渣日粮，改善了断奶仔猪十二指肠绒毛高度/隐窝深度之比。红酒渣对空肠绒毛生长有抑制作用，但对仔猪结肠的隐窝大小有刺激作用，并通过回肠的派伊尔氏淋巴集结减少肠道相关淋巴组织的激活[31]。Manzanilla 等研究发现，使用香芹酚、肉桂醛和辣椒精油的混合物，早期断奶仔猪空肠和回肠上皮内淋巴细胞的数量减少，而固有层淋巴细胞的数量增加[32]。

仔猪日粮中添加马鞭草苷（一种多酚类植物源性化合物），对猪只肠道组织形态学参数没有影响，但它对肠嗜铬细胞产生有益的影响，肠嗜铬细胞产生血清素（5-羟色胺），这是脑-肠轴对抗亚硝胺应激的关键信号分子，而猪只肠道是5-羟色胺合成和释放的主要场所之一[33]。5-羟色胺在外周组织的各种生物学过程中起着关键作用，如调节肠道运动和分泌、肠细胞增殖和分化以及内脏敏感性。总之，由于植物化学物质对肠道屏障和功能的影响比较复杂，其机理目前尚未完全阐明；由于提取方法和主要活性成分的不同，天然植物提取物的性质和作用功能会发生改变。

3.3 有机酸

有机酸（羧酸）作为植物或动物组织的元素广泛分布于自然界。它们也由碳水化合物的微生物发酵产生，主要存在于猪只大肠中。如果作为饲料添加剂，使用适当的剂量，有助于增加猪只体重，提高饲料转化率和减少病原体在肠道的定植。由于这些原因，仔猪在断奶后，由于盐酸和胰酶的分泌不足以及饲料的突然变化，影响肠道的消化和吸收功能，从而在教保料中常常添加有机酸（消化酸和肠道酸混合使用），以改善胃肠道环境并刺激内源酶的分泌。事实上，有机酸能够通过在胃内释放氢离子来降低近端胃肠道的管腔pH，激活胃蛋白酶原形成胃蛋白酶，从而提高蛋白质的消化率，抑制胃肠道革兰氏阴性菌群。胃肠道内的低pH 为致病菌繁殖创造了不利条件，并显示出抗菌作用，同时，这些作用也发生在饲料中。低pH 还可以通过改善仔猪小肠绒毛高度和隐窝深度提高营养物质的消化率。有机酸直接或间接作用于胃肠道黏膜，主要作用于大肠黏膜[34]。

仔猪日粮中添加苯甲酸可降低食糜pH，维持肠道微生物区系平衡，促进小肠形态发育（提高十二指肠和空肠的绒毛高度和绒毛高度/隐窝深度比），从而改善仔猪的肠道健康。同时，通过增加绒毛高度，提高了总氮的回肠消化率，有利于提高盲肠细菌多样性[35]。在仔猪胃灌注短链脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸）后，肠上皮细胞增殖、空肠/回肠绒毛高度和十二指肠绒毛高度/隐窝深度比均显著增加。短链脂肪酸还可降低促凋亡蛋白的水平，减少回肠和结肠中杯状细胞的数量，减少空肠中黏蛋白1 和claudin-1 的相对mRNA 表达，减少十二指肠和回肠中的occludin 和claudin-1 的相对mRNA 表达[36]。

4 总结

培育健康仔猪是健康养猪的关键。早期断奶可以提高母猪生产性能，但会导致仔猪早期断奶应激综合征的发生，并且阻碍消化系统发育，从而引起腹泻、生长迟缓、消化不良、免疫力低下、肠道菌群失衡等，影响仔猪生长发育，严重影响养猪的经济效益。肠道是猪只的“第二大脑”，当考虑到肠-脑轴对大量信息的收集、存储、分析并做出反应时，它是一台真正的超级计算机，而不是简单的消化蒸汽机。因此，养猪就是养“肠道”，合理使用功能性氨基酸、植物化学物质和有机酸等添加剂，能够修复由于断奶应激综合征导致的肠道屏障功能障碍，从而改善胃肠道的结构、形态、环境和功能，提高仔猪的健康状况。