改善早期断奶仔猪肠道健康和功能的营养策略研究进展

张雪莉，刘晓丹，靳二辉，2，3，杜 民，2，张 峰，2

（1.安徽科技学院动物科学学院，安徽 滁州 233100；2.动物营养调控与健康安徽省重点实验室，安徽 滁州 233100；3.安徽安丰堂动物药业有限公司，安徽 合肥 230000）

“肠道健康”（gut health）包括动物生理和功能特征（营养消化及吸收）、宿主新陈代谢和能量产生、稳定微生物区系、防御机制（屏障功能及黏膜免疫），以及各部分相互作用，代表了胃肠道适应和应对应激及损伤的能力［1-4］。 Bischoff［5］定义了肠道健康的5 个基本标准： ①食物的有效消化和吸收；②无胃肠道疾病；③正常且稳定的肠道微生物菌群；④有效的免疫状态；⑤健康的状态。 早期断奶后， 仔猪的饮食从高脂肪低碳水化合物的母乳转向高碳水化合物和低脂肪的饲料， 饲料类型的转变导致断奶后仔猪采食量较低， 意味着肠腔中营养的缺乏［6-7］，且胃酸分泌不足及缺少适当的消化酶应对固态饲料，导致肠道形态（通透性增加和完整性降低）改变及微生物区系失衡，生物屏障损伤使得肠道免疫系统面临挑战［3，8］，肠炎及腹泻发生率升高，极大地降低了断奶仔猪的成活率。改善早期断奶仔猪肠道屏障功能成为研究者关注的热点问题。

1 早期断奶致仔猪肠道屏障功能损伤机理研究进展

断奶是仔猪一生中最具挑战性的阶段之一，是集约化养殖过程中的必经环节。自然状态下，仔猪断奶发生在10～12 周龄，是一个渐进过程［9］，而在商业化养猪生产中， 断奶是在仔猪3～4 周龄进行，并且是突然发生，一旦断奶，仔猪将面对营养（从母猪的乳汁变成固体饲料）、心理（母仔分离及不同窝仔猪的混群）和环境（运输、产床转保育栏及病原体接触增加）等应激因素［10-12］，而仔猪3～4周龄是胃肠道功能发育的“关键窗口期”［7］，断奶应激加剧了仔猪肠道功能（消化、吸收、分泌、免疫及屏障等）的损伤，并对仔猪健康产生了深远的影响［3，7，9，13］。

1.1 仔猪肠上皮屏障

肠上皮屏障对断奶仔猪的健康生长起着至关重要的作用， 小肠的上皮细胞和黏蛋白层组成了第一道防线， 保护断奶仔猪免受肠道中各种有害微生物、毒素或抗原的侵害。仔猪肠上皮细胞可在4～5 d 内连续快速周转［14］，隐窝中的干细胞产生增殖的转运扩增细胞， 隐窝基部柱状细胞 （cryptbase columnar cell，CBC）经历一系列的转化，最终分化成4 种不同的细胞类型， 包括1 种类型的吸收细胞（肠上皮细胞）和3 种类型的分泌细胞（肠内分泌细胞、杯状细胞及Paneth 细胞）［15］。 吸收性的肠上皮细胞数量占隐窝—绒毛轴上皮细胞数量的90%左右。肠上皮细胞的增殖、分化和凋亡在肠道发育、 结构及功能维持和组织损伤后修复过程中起重要作用［16］。

由于断奶后日粮营养成分及类型的改变，加之仔猪处于环境和心理应激， 尽管约50%的仔猪在断奶后24 h 内进食，但约10%的仔猪直到断奶后48 h 才进食。 断奶后3～5 d，仔猪对营养（能量）摄入量通常会急剧减少，小肠刷状缘处的酶（乳糖酶、蔗糖酶和麦芽糖酶等）活性显著降低，小肠对营养物质的吸收能力降低。近期的研究结果表明，早期断奶显著抑制了仔猪空肠上部绒毛和中部绒毛的三羧酸循环、β 氧化及糖酵解途径相关蛋白质表达，而隐窝中糖酵解相关的差异蛋白上调［17］。断奶后仔猪空肠绒毛上部细胞中能量代谢、 蛋白氨基酸糖基化、离子转运、雷帕霉素蛋白（mechanistic target of rapamycin，mTOR）信号通路、细胞分化和凋亡等细胞代谢或生物学过程相关蛋白表达降低［18］，同时，空肠中部绒毛细胞中电子呼吸传递链、高尔基体小泡转运、蛋白质糖基化、营养代谢（脂类、单糖和核苷酸）相关蛋白质表达降低［19］。这些结果表明，断奶影响能量代谢、细胞大分子组织与定位、蛋白质代谢，进而影响断奶仔猪肠上皮细胞的增殖速度［20-22］，导致仔猪小肠肠绒毛萎缩［20］和隐窝深度增加，造成肠道功能损伤。

除对肠上皮细胞产生影响外， 早期断奶造成仔猪肠道杯状细胞数量和黏液素分泌减少， 肠上皮屏障功能紊乱，肠通透性增加，紧密连接蛋白表达降低，对疾病的易感性增加［23-24］。 肠上皮屏障中最关键的是通透性屏障，由紧密连接（tight junctions，TJs）调节。 健康仔猪小肠中，TJs 蛋白封闭上皮细胞间的空间，形成物理屏障，阻止促炎分子进入［25］。TJs 蛋白由许多细胞内和顶部细胞膜间蛋白如闭锁小带蛋白（ZO）、闭合蛋白（occludin）、密封蛋白（claudins）组成，反映了肠上皮的完整性和功能状态［7，26］。 应激、感染和营养是仔猪断奶后影响肠道TJs 蛋白的主要因素［25］，断奶日龄是影响仔猪断奶后肠道屏障损伤程度的主要因素，与28 日龄断奶仔猪相比，21 日龄断奶仔猪在断奶后24 h经上皮电荷流量（Isc）增加，肠道跨膜电阻（transepithelial electrical resistance，TEER）降低，对异硫氰酸荧光素葡聚糖4 （fluorescein isothiocyanate dextran 4，FD4）通量增加，提示肠紧密连接处于开放状态且细胞旁路通透性增加［23］。 随着断奶日龄的推迟（15～28 日龄），断奶仔猪肠道通透性逐步降低，断奶后9 周，早期断奶和推迟断奶的仔猪之间肠道通透性仍然存在差异， 且这种屏障功能的紊乱会持续至成年期［27-28］。

由于早期断奶引起仔猪肠道通透性增加，毒素、过敏原和细菌进入体循环，进而诱导炎症和各种疾病。 断奶后的仔猪极易发生致病性细菌引起的肠道感染，肠道致病菌通过下调TJs 蛋白表达，破坏屏障完整性， 增加肠道上皮通透性。 研究表明，猪上皮细胞感染产肠毒素大肠杆菌（enterotoxigenic Escherichia coli，ETEC） 后引起occludin 及claudin-4 表达量显著降低［29］，而猪流行性腹泻病毒（porcine epidemic diarrhea virus，PEDV）感染可导致绒毛上皮组织中ZO-1 的结构改变、 分布不规则及表达量减少［30］，且随着PEDV 的进入，肠上皮细胞出现TJs 组织紊乱及occludin 异位［31］。 同时， 猪传染性胃肠炎病毒（transmissible gastroenteritis virus of swine，TGEV） 也会导致猪上皮细胞（IPEC-J2）的TJs 蛋白表达量显著降低［32］。 除病原菌感染外， 断奶时期营养缺乏（限制非必需氨基酸） 及饲料污染同样容易导致仔猪肠道屏障功能损伤。 研究表明，限制非必需氨基酸摄入，会降低猪上皮细胞TJs 蛋白的表达量， 增加细胞旁路通透性，损伤肠屏障功能［33］。仔猪肠上皮细胞在呕吐毒素（deoxynivalenol，DON） 处理后48 h 引起occludin、claudin-3 和ZO-1 表达量显著降低［34］，给断奶仔猪饲喂被DON 污染的饲料，导致仔猪回肠occludin 和claudin 蛋白基因表达下调。因此，断奶阶段通过营养策略改善肠上皮屏障功能对仔猪健康具有重要意义。

1.2 仔猪肠道免疫系统

在讨论断奶仔猪肠道健康时， 除了肠上皮屏障功能外，最受关注的就是肠道免疫系统［3］。 仔猪肠道免疫系统稳态对外源性危险刺激的识别非常重要，但同时也要保证机体对无害抗原不敏感［3，7］。早期断奶是仔猪发育过程中肠道免疫系统的一个主要挑战， 因为其需要适应肠道微生物定植及母乳和日粮抗原。

与断奶前相比， 断奶后仔猪肠道免疫有几个主要变化：①断奶后2 d，仔猪肠道中CD4+和CD8+T 淋巴细胞大幅增加，空肠中炎症因子［肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白介素1β（IL-1β）和白介素6（IL-6）］的mRNA 表达显著上调，表明断奶引起仔猪短暂的肠道炎症； ②断奶应激通过激活固有层免疫细胞，上调基质金属蛋白酶（基质溶解素），导致绒毛萎缩。越来越多的证据表明，肠道免疫屏障功能与断奶日龄存在显著联系。 断奶仔猪进行ETEC 及混群处理的研究表明， 相对于推迟断奶（21 或22 日龄）仔猪，早期断奶（14～16 日龄）仔猪肠道免疫应答受损或受到抑制［24］。 参与肠道免疫调节的肥大细胞与早期断奶仔猪肠上皮通透性紊乱存在密切关系， 肠道肥大细胞的过度激活会导致肠道结构损伤和肠通透性增加［35-36］。 肠道肥大细胞在断奶后24 h 内被激活，早期断奶仔猪在断奶后24 h 表现出更高的肠道肥大细胞活性［37］，肠道免疫应答受损的断奶仔猪小肠和大肠出现了明显的肥大细胞增生，且持续至成年期［24，28］。

1.3 仔猪肠神经系统

肠神经系统（enteric nervous system，ENS）是一个包括控制运动功能、 局部血流、 黏膜转运和分泌、调节免疫和内分泌功能的神经回路。 在猪中，ENS 由肌肉（肌间神经丛）和黏膜下层（黏膜下层神经丛）的两个主要神经节组成，这两个神经节通过不断释放神经化学物质控制黏膜和上皮的运动及蠕动功能［38］。 ENS 通过神经免疫突触调节细菌毒素的黏附，作为肠道免疫反应的调节者。

肠神经系统在调节肠上皮免疫屏障中起着重要作用。在仔猪出生后，肠神经系统发生了巨大的变化，包括功能神经回路的形成、神经节形成及神经化学表型的变化［39］。 研究表明，推迟断奶（21 日龄） 仔猪在断奶后60～170 d 内肠神经元数量下降，而早期断奶（14 日龄）仔猪肠神经细胞数量没有显著变化［27］。 14 日龄断奶仔猪的持续性肠神经元中有很大比例呈胆碱乙酰转移酶（choline acetyltransferase，ChAT）阳 性，而ChAT 是 肠 道 胆碱能神经元表达的特征性酶类［40］。此外，早期断奶仔猪回肠表现出较高的由神经和促肾上腺皮质激素（corticotrophin releasing factor，CRF）诱发的分泌反应， 这些反应可以被胆碱能受体阻滞剂阿托品阻断。这些结果提示，早期断奶诱导仔猪肠胆碱能系统持续上调。 鉴于肠道胆碱能神经系统在调节免疫反应、分泌性腹泻及肠上皮屏障中的作用，早期断奶仔猪胆碱能系统上调可能与早期生活压力（断奶）相关的疾病易感性增加有关［24，41］。

2 营养策略

众多的营养策略已用来改善断奶仔猪肠道健康。这些营养策略有着不同目的：①提高断奶仔猪营养物质的消化和吸收；②调节肠道菌群，以获得更有利于仔猪肠道健康的菌种；③调节免疫系统，增强抗病能力［42-43］。

2.1 氨基酸

最近发表的综述文章围绕功能性氨基酸对断奶仔猪肠道健康的影响做了详细的描述［25，43-44］。功能性氨基酸在调节基因表达、细胞内信号通路、营养代谢和抗氧化方面发挥重要作用。 日粮中不同添加水平（0.4%～0.8%）的精氨酸可促进断奶仔猪小肠生长发育［45］、增加肠黏膜杯状细胞数量及促进小肠黏膜再生和修复［46］，潜在机制可能与磷酸肌醇-3-激酶 （PI3K）-蛋白激酶B （Akt） 通路、mTOR 和toll 样受体4（toll-like receptors 4，TLR4）信号通路密切相关［46-47］。 越来越多的证据表明，精氨酸作为合成一氧化氮、多胺、肌酸和蛋白质的底物，对预防肠道功能障碍存在积极的影响。精氨酸家族中的其他功能性氨基酸， 如脯氨酸可以改善早期断奶仔猪肠道黏膜增殖、 肠道形态以及TJs蛋白和钾通道蛋白表达［48］；谷氨酰胺在仔猪黏膜修复和屏障功能改善中发挥重要的营养作用，能防止断奶仔猪肠道萎缩，增加十二指肠、空肠及远端回肠绒毛高度，降低隐窝深度及绒隐比，增加酶活性，促进生长性能［49］。一些谷氨酰胺组成的双肽（丙氨酰-谷氨酰胺）可提高断奶仔猪空肠黏膜occludin 和ZO-1 蛋白表达水平及十二指肠和回肠上皮的杯状细胞数量，小肠绒毛高度升高，隐窝深度降低，绒隐比升高，改善肠道黏膜完整性和屏障功能，保证了小肠对营养物质更好地消化吸收［50-51］。此外， 在NRC 要求之外补充色氨酸和硫氨基酸，可以通过调节宿主生理、代谢、氧化状态和免疫，对断奶仔猪肠道健康产生积极的影响［52-54］。

2.2 抗菌肽

抗菌肽也称宿主防御肽， 被认为是家畜和家禽生产中抗生素的潜在替代品［55-58］，在肠黏膜中含量丰富，主要由Paneth 细胞分泌。 研究表明，补充重组乳铁蛋白可以改善断奶仔猪的肠道形态（绒毛高度增加）和生长性能；日粮中同时添加牛乳铁蛋白和植物防御素， 可通过提高断奶仔猪肠道完整性和降低肠道通透性， 进而缓解霉菌毒素对仔猪肠道的不利影响［59］；几种防御素可以通过上调黏蛋白和TJs 蛋白的表达增强黏膜屏障功能［60］。正如之前的研究所述，抗菌肽可能作为上皮细胞的“防腐剂”保护宿主免受肠道感染，也可以作为先天免疫和适应性免疫的效应分子， 调节断奶仔猪炎症反应和趋化活性［61-62］。

2.3 益生菌

利用各种细胞系和动物模型， 益生菌菌株已被证实可提高细胞跨膜电阻和上皮通透性， 并可调节TJs 蛋白在体内外的表达和分布［63］。ETEC 攻毒条件下的新生仔猪，益生菌Lactobacillus reuteri可增加仔猪空肠中occludin、claudin-1 及ZO-1 蛋白丰度，抑制ETEC 对空肠ZO-1 及occludin 基因mRNA 表 达 和occludin 蛋 白 表 达 的 不 利 影 响［64］。另一种益生菌Clostridium tyrobutyricum 也可通过促进TJs 蛋白（ZO-1、claudin-1 和occludin）表达，缓解仔猪肠道屏障功能障碍［65］。 益生菌改善肠上皮屏障功能可能通过调节核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinase，MAPK）通路［25］。

2.4 膳食纤维

膳食纤维可降低仔猪腹泻的发生率。 日粮中的纤维到达后肠，可作为微生物发酵的基质，发酵产生短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs），促进TJs 蛋白的形成，对肠道功能产生有益影响。不同来源的膳食纤维对断奶仔猪肠黏膜屏障功能的影响不同，研究表明，麦麸纤维可以显著提高仔猪回肠ZO-1 和occludin 基因mRNA 及蛋白的表达水平， 结肠中occludin 基因mRNA 表达水平升高，而其他来源的膳食纤维（大豆、玉米及豌豆）不存在上述影响。然而，膳食纤维和可发酵蛋白对断奶仔猪TJs 蛋白组成有代偿性影响， 在低发酵蛋白日粮中，膳食纤维可刺激近端结肠的claudin 1～4 蛋白的表达，但在高蛋白日粮下则无此作用［66］。

2.5 低聚糖

近年来， 益生元在断奶仔猪中的有益作用越来越受到关注。 益生元通过选择性地刺激内源性有益菌的生长调节肠道菌群， 可能有助于改善肠上皮屏障功能和肠道健康［67］。 功能性低聚糖具有益生元性质，有改善肠道功能、提高肠道健康水平的作用［68］。 断奶仔猪日粮中添加低聚糖可提高空肠黏膜claudin-1 蛋白表达， 结肠黏膜claudin-1及ZO-1 蛋白表达水平升高，提示低聚糖可通过增加TJs 蛋白丰度改善肠道屏障功能［67］。 断奶仔猪日粮中添加苹果果胶寡糖可刺激空肠黏膜ZO-1、occludin、claudin-1 及claudin-3 的表达，缓解轮状病毒对TJs 蛋白和黏蛋白表达的影响［69］，这些结果提示苹果果胶寡糖通过改善仔猪肠上皮细胞间连接和屏障功能， 进而减轻轮状病毒感染引发的损伤。

2.6 有机酸

在断奶仔猪中， 由于胃液中盐酸和胰酶分泌不足及饲料的稠度和摄取量的变化， 导致仔猪肠道消化和吸收能力不足时， 经常使用有机酸作为饲料添加［70］。 苯甲酸对仔猪小肠黏膜存在局部营养作用，可增强小肠吸收能力。添加苯甲酸的日粮可通过降低消化道pH 值、 维持肠道菌群平衡、促进小肠形态发育（增加十二指肠和空肠绒毛高度和绒隐比）［71］，提高回肠总氮消化率，对盲肠细菌多样性存在有利影响。 灌喂SCFAs 可以促进仔猪肠上皮细胞增殖， 增加空肠和回肠绒毛高度及十二指肠的绒隐比，降低促凋亡蛋白表达水平，减少回肠和结肠杯状细胞数量， 下调空肠MUC1 和claudin-1 及十二指肠和回肠occludin 和claudin-1 基因mRNA 表达水平［72］。 丁酸通过提高仔猪小肠TJs 蛋白表达，进而维持肠道完整性，改善肠道形态，增强肠道屏障功能［73-74］。 研究表明，仔猪采食苯甲酸、乳酸、癸酸及辛酸对中段空肠形态学无影响，但通过增加潜在效应细胞（主要是CD3+细胞毒性T 淋巴细胞）对抗疾病［75］。

2.7 微量营养素

研究表明， 多种微量营养素具有屏障增强活性和TJs 调节作用。 大多数微量营养素在微摩尔浓度下发挥作用。 通过研究锌对幼龄动物腹泻的缓解作用发现了锌与TJs 屏障功能的关系。 补充ZnO 可以通过对空肠黏膜中ZO-1 和occludin 等TJs 复合物的特异性调控，改善断奶仔猪的肠道功能［76］。 进一步研究表明，ZnO 纳米颗粒、脂质微囊化ZnO 及蒙脱石散ZnO 均能促进上皮屏障功能，表现在occludin、claudin-1、claudin-2n 和ZO-1 的表达量增加［77-78］。

2.8 脂质营养

脂肪酸是重要的营养物质，包括SCFAs、中链脂肪酸（medium-chain fatty acids，MCFAs）和长链多不饱和脂肪酸 （long-chain polyunsaturated fatty acids，LCPUFAs），它们是主要的能量来源，也是细胞外膜的重要组成部分， 是多种生化途径的代谢底物及细胞信号分子，起着免疫调节的作用。脂肪酸在动物模型和临床试验中对肠道健康存在有益的影响［79］。

众多研究表明，在动物模型和临床试验中，二十碳五烯酸 （EPA，C20：5） 和二十二碳六烯酸（DHA，C22：6） 等n-3 多 不 饱 和 脂 肪 酸 （n-3 polyunsaturated fatty acids，n-3 PUFAs）对肠道完整性存在有益影响，对维持肠道健康非常重要［80-82］。n-3 PUFAs 可促进仔猪肠细胞分化和成熟， 降低细胞间的通透性， 维持稳定的肠道屏障功能［79］。EPA 和DHA 可预防猪肠上皮细胞损伤，对上皮细胞起到的保护作用可能与TJs 结构的维持和抑制坏死性凋亡信号通路及坏死性凋亡细胞数量减少密切相关［81］。 同时，包括EPA 和DHA 在内的n-3 PUFAs 可以有效防止炎症因子引起的肠上皮细胞通透性增加，n-3 PUFAs 可保护肠上皮细胞免受促炎性损伤，减轻肠道炎症反应，加速炎症的恢复［83］。 因此，n-3 PUFAs 干预肠道促炎细胞因子的产生可能在减轻肠道损伤中发挥有益的作用。 此外， 细胞水平的研究证实n-3 PUFAs 可改善脂质代谢，促进脂肪氧化分解，提高能量代谢，改善肠 道 健 康［79］。最近的研究表明，n-3 PUFAs 可通过G 蛋白耦联受体120 （G protein-coupled receptors 120，GPR120）激活AMP 依赖的蛋白激酶［Adenosine 5′-monophosphate （AMP）-activated protein kinase，AMPK］信号通路，下调甘油三磷酸乙酰转移酶及胆固醇调节元件结合蛋白1 （SREBP-1），上调过氧化物酶体增殖物激活受体α（peroxisome proliferator-activated receptor α，PPARα），进而减少脂肪沉积和促进脂肪酸氧化［84-85］。 EPA 和DHA 也可通过激活GPR120 促进葡萄糖的摄取利用［86-87］，进而提高能量代谢，改善仔猪肠道健康和缓解断奶应激。

3 小结与展望

早期断奶时，仔猪营养（能量）摄入量急剧减少，小肠营养缺乏影响肠上皮细胞增殖，杯状细胞数量和黏液素分泌减少，小肠物理屏障（TJs 蛋白表达降低）被破坏，小肠形态改变，肠上皮屏障功能损伤。 此外，早期断奶引起仔猪肠道炎症反应，肥大细胞增生且活性增强，肠道免疫应答受损，仔猪肠道免疫系统出现持续损伤。 断奶仔猪肠上皮屏障功能和肠道免疫反应均受到肠神经系统调节， 而早期断奶对仔猪产生的应激上调肠胆碱能系统，致使肠神经系统持续受损。

营养策略中的多种营养素作用于仔猪肠上皮细胞的增殖、分化和成熟，提高杯状细胞数量，改善肠道形态，降低肠道通透性，稳定肠道物理屏障功能，维持肠道完整性，进而促进断奶仔猪肠道健康。然而，潜在机制还缺乏全面清晰的认识。因此，后续的研究应借助多组学联合分析的技术手段，通过构建肠道屏障功能损伤的断奶仔猪模型和营养干预策略， 阐明营养素对断奶仔猪肠道功能的潜在调控机制， 这对开展改善断奶仔猪肠道健康和功能的相关研究具有重要的科学意义。