豬的腸道黏液屏障

車思艷 王 妮 吳苗苗

(湖南農業大學動物科學技術學院,長沙 410128)

腸道是豬的內臟器官之一,是消化吸收營養物質的重要場所,維持其正常功能對豬的生長發育至關重要。豬的腸道屏障按照組成成分和功能可分為機械屏障、化學屏障、微生物屏障和免疫屏障,這些屏障之間相互作用和支持,形成一種具有選擇性滲透的“過濾器”。一方面,腸道屏障允許所需要的營養物質進入到內環境與循環系統中;另一方面,腸道屏障能抵御腸腔中細菌、抗原物質及內毒素等的入侵,以保持腸道的穩態,維護機體健康[1]。在整個生命周期中,豬的腸道屏障功能都與其生命質量密切相關,屏障功能障礙造成的不良后果包括全身感染、免疫力下降及生長遲緩等,給養豬業造成嚴重的經濟損失[2-5]。因此,腸道健康對豬生長發育的影響一直是學術研究的重要焦點,Kim等[6]報道,在研究影響豬生長的因素中,對腸道健康的關注程度(大于40%)遠遠大于其他因素。

腸道黏液層屬于腸道化學屏障,由黏蛋白與水結合形成,呈凝膠狀覆蓋于腸道上皮細胞表面。小腸中的黏液層是易于移動的單層疏松黏液,便于營養物質通過并被上皮細胞吸收;大腸中的黏液層是雙層黏液層,內層黏液牢固地附著在上皮細胞上,形成致密的保護層,在腸上皮表面形成無菌區[7],而外層黏液層則相對松散,流動性較強。疏松的黏液層不僅僅為腸道有益共生菌提供了生存條件,同時也為入侵的致病菌和腸道內條件致病菌提供了附著位點,有利于這些有害菌群的生長繁殖[8]。此外,黏液層中還分布了大量抗菌物質比如磷脂酶A2-ⅡA、溶菌酶惡性腦腫瘤缺失蛋白1(deleted in malignant brain tumor protein 1,DMBT1)和防御素等[7],能保護小腸上皮細胞免受致病微生物的侵襲。同時,由漿細胞分泌的分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A,sIgA)在黏液層中能夠結合腸道內的病原體如致病菌、毒素等形成免疫復合物,進而被巨噬細胞吞噬清除[9]。綜上可知,腸道的黏液層同時兼顧維持微生物生存和腸上皮完整性的功能,并提供免疫應答所需條件,在腸道屏障中發揮著核心作用。本文聚焦于豬的腸道黏液屏障,綜述了黏液層的組成及功能,并對豬黏液層的研究進展進行了總結,同時論述了一些可能用于調控豬黏液屏障的營養物質,旨在強調豬黏液屏障對豬腸道健康的重要性,為進一步研究豬的腸道屏障提供參考。

1 豬的腸道黏液屏障

1.1 豬的腸道黏液層組成

豬的小腸和大腸黏液層結構不同。小腸中的黏液層是疏松多孔隙的,充滿于腸絨毛腔隙之間,可容許大分子穿透,為營養物質的吸收提供結構基礎,但這也意味著像細菌一樣大的顆?？梢暂p易穿透黏液層,并入侵腸上皮[10]。為了預防病原菌的入侵,小腸黏液中含有濃度相對高的抗菌成分,包括防御素和sIgA等,這些成分從管腔到上皮濃度逐漸升高,從而避免細菌接觸上皮細胞,發揮免疫保護作用[11]。大腸黏液層則由疏松且流動性強的外層以及緊密附著在腸上皮細胞的內層構成,外層黏液層結構與小腸黏液層類似,其中可見大量共生菌定植[12],菌群密度為108～1010個/cm3;而結腸內層黏液層緊密附著于腸上皮細胞,孔隙更小,可阻擋直徑大于0.5 μm的顆粒通過,因此結腸內層黏液層幾乎沒有菌群分布[13]。除了宏觀結構不同外,大腸和小腸黏液層黏液的微觀組分也有差別,如小腸段的黏液中消化和吸收的功能性蛋白質含量較高,而大腸段的黏液中含有更多O糖基化的黏蛋白、免疫因子和抗菌肽等。另外,不同腸段的黏液水分也有差異,小腸黏液中水分占比77.7%～91.0%,而大腸黏液中水分占比則高達87.7%～94.5%[14]。

1.2 豬的腸道黏液層功能

豬的腸道黏液層最直接的功能是隔離和潤滑。黏液層具有一定的厚度,附著在上皮細胞上,能夠隔離食糜、糞便與腸上皮直接接觸,避免腸道蠕動時內容物對腸上皮造成的機械損傷。此外,黏蛋白聚糖容易與水結合,具有保濕和潤滑性能,能夠保護上皮細胞在腸蠕動過程中免受脫水和機械壓力的影響[15-16]。在小腸中,黏液層黏液將顆粒包裹后進行運輸,對該區域的吸收功能具有重要的意義[10]。在大腸中,內層黏液層通過分層將共生菌群或病原體截留在外部黏液層[17-18],外層黏液層則通過為細菌提供結合位點和其生長代謝所需的能量將細菌束縛在此處[19],共同協同隔絕共生菌與上皮細胞接觸。同時,外層黏液層還能通過快速周轉清除細菌,當黏蛋白從杯狀細胞合成分泌后,能夠經過蛋白酶的水解發生體積膨脹并與細菌結合,之后流入到管腔中,結合后的細菌會隨著腸蠕動從腸道排除,且這個更新過程僅僅只需要幾個小時[15,20]。杯狀細胞除了分泌黏液,同時產生的抵抗素樣分子-β(resistin-like molecule-β,RELM-β)會隨黏液擴散,可直接殺死滲透到黏液層的病原體[21]。此外,腸道黏液層黏液還是腸黏膜免疫屏障的一部分。黏蛋白暴露的化學基團與腸道上皮的表面結構相似,細菌很容易識別和附著。研究表明,黏蛋白2(mucin 2,MUC2)與腔內抗原(如細菌)結合,并與樹突狀細胞(dendritic cells,DCs)反應以激活免疫反應[22]。當腸道內抗原被DCs識別后,會刺激輔助性T淋巴細胞(helper T lymphocyte,Th)分泌多種淋巴因子,誘導B淋巴細胞分化增殖產生大量sIgA釋放到黏液層,并與致病菌或病毒結合引起聚集,使細菌在黏液中擴散減慢和流動性降低,從而減少細菌對腸道免疫系統的影響[23]。黏液還可以作為腸腔的清潔劑,腸道中流動的黏液可將碎片物質與細菌結合、收集并沖走,從而清除腸腔細菌[24]。

2 調控豬腸道黏液屏障的重要意義

健康的豬腸道黏液屏障對維持腸道的微生物穩態、營養吸收功能以及免疫應答至關重要。下文將結合豬腸道黏液層功能,論述腸道黏液屏障的調控在改善妊娠后期母豬便秘、提高仔豬腸道免疫功能以及促進腸道微生物定植過程中的作用。

2.1 改善妊娠后期母豬便秘

母豬便秘是目前規?；?、集約化生豬養殖存在的一種非常普遍的現象,其發生率較高,嚴重威脅基礎母豬群的健康和生產性能,已經成為豬場提高生產水平的瓶頸之一[25]。引起妊娠后期母豬便秘的因素很多,例如代謝變化、腎上腺激素分泌增加、飼糧缺乏某種養分、水分攝入不足以及運動減少等[26]。然而,便秘的最直接原因是腸道蠕動緩慢和糞便干結所致。腸道中黏液分泌減少時,腸道蠕動會受阻,糞便停留在結腸內被重復吸收水分,引起糞便干結,從而導致動物便秘的發生[27]。豬的腸道黏液層主要由MUC2構成,具有多聚糖結構,能夠形成親水端與水結合形成黏液,除了能增加潤滑程度外,這些黏液還能在近端升結腸中對食物殘渣進行包裹,形成濕潤的糞便顆粒,便于腸道蠕動。同時,被黏液包裹后的糞便顆粒便于微生物附著,有利于微生物進一步對食物殘渣中的物質進行分解利用,形成更細的殘渣利于排除[28](圖1)。因此,通過調控母豬腸道中黏液屏障,促進妊娠后期母豬腸道黏液分泌,可能是解決母豬妊娠后期便秘的有效手段之一。

①:黏液層為分泌型免疫球蛋白A等免疫物質提供反應條件;②:黏液層網格結構包裹微生物將其束縛在外層黏液層,糞便顆粒被黏液包被利于微生物分解。

2.2 促進腸道微生物定植

近年來,對豬腸道微生物的研究越來越受到重視,通過調控豬的腸道微生物可以達到促進仔豬生長、提高抗逆性以及改善肉品質等目的[29]。與其他哺乳動物相似,健康豬的腸道微生物在不同腸段的組成不同,其中回腸主要由厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)定植,而盲腸和結腸中以擬桿菌門(Bacteroidetes)的豐度相對較高,且結腸腔內擬桿菌門的豐度(40.09%)遠高于小腸(1.69%)[30]。此外,豬腸道內的細菌分布受多種因素影響,包括飼糧成分、氧氣梯度、腸道黏液、抗菌劑及宿主免疫等。腸道黏液的成分對腸道菌群組成十分重要,將腹瀉仔豬腸道黏液與健康仔豬腸道黏液進行發酵后對比微生物組成發現,腹瀉仔豬腸道黏液發酵后脫硫桿菌門(Desulfobacterota)的豐度顯著提高,而梭桿菌門(Fusobacteriota)的豐度顯著降低[31],表明黏液腸道對塑造豬的腸道微生態環境至關重要。黏蛋白是一類高度糖基化的蛋白質,其蛋白質結構主要由絲氨酸、蘇氨酸和脯氨酸構成的多肽支架和O型寡糖鏈組成,其中,聚糖結構是腸道微生物的主要能量來源,能夠滿足腸道微生物的生長繁育[32];同時,黏蛋白的寡糖側鏈是細菌纖毛和菌毛的定植受體,肽鏈骨架則形成微生物定植的腳手架,這些特征是腸道共生菌定植于黏液層的基礎[33]。因此,腸道黏液層對菌群的定植和生長有決定性的作用,在研究豬腸道微生物功能時,如進行豬糞菌移植或益生菌灌服等,腸道黏液層可作為重要的考慮因素,以保證試驗順利進行;另外,也可通過靶向調控黏液層結構,重塑微生物組成,達到調控腸道微生物-代謝軸的目的。

2.3 提高斷奶仔豬腸道免疫功能

仔豬斷奶是養豬業中關鍵和重要的環節之一[34]。在自然環境下,仔豬斷奶一般是自2月齡左右開始,持續1個月左右的時間才結束。然而,在現代養殖業中,為了降低飼養成本,提高母豬繁育效率,將仔豬的斷奶日齡提前至3周齡甚至更早,這種斷奶方式使仔豬沒有一個漸進脫離母乳的過程,常會引發仔豬的斷奶應激[35]。早期的研究提示,斷奶應激仔豬腸道黏液屏障變薄,腸道通透性增加,病原體滲透并引起腸道免疫失調,導致腸道功能紊亂[36]。黏液屏障功能紊亂后,豬腸道固有免疫應答主要由肥大細胞(mast cells,MCs)和DCs介導;當黏液分泌或合成功能受損時,稀薄的腸道黏液無法與腸道運動協同移除腸道中的有害物質,如細菌毒素、未消化的氮化合物等,也無法為抗菌肽、半乳糖凝集素提供反應條件,以至于其無法發揮屏障功能以防止致病微生物和食源性過敏原等與上皮細胞密切接觸[22]。此時,仔豬的促腎上腺皮質激素釋放因子釋放,激活MCs釋放更多類胰蛋白酶,并激活腸上皮細胞蛋白酶激活受體2(protease-activated receptor 2,PAR2),增加腸道通透性并促進腸道炎癥發展[36-38]。當腸道內有充足的黏液時,黏液對病原微生物的包被作用使其更易被DCs感知。同時,黏液能對一些小分子可溶性抗原進行加工,通過杯狀細胞傳遞給DCs,由DCs啟動進一步的固有免疫應答[39]。如圖2所示,仔豬黏液與腸道適應性免疫應答的關系尚不清楚,但從其他模式動物研究結果得知,黏蛋白分泌缺陷后,動物腸道Th1和Th17增加,調節性T細胞(regulatory T cell,Treg)減少,這是由于缺乏高糖基化MUC2所致;這類黏蛋白被DCs攝取后,能干擾DCs促炎細胞因子的轉錄表達,進而減少Th1和Th17分化[22]。因此,豬的腸道黏液也具有調節腸道T細胞結構、維持腸道免疫細胞穩態以及促進仔豬適應性免疫應答的潛能。綜上所述,豬的黏液層能起到有效阻隔病原體和調節免疫功能的作用,可作為緩解仔豬斷奶應激的關鍵靶點,對緩解仔豬斷奶應激和改善腸道健康具有重要意義。

①:跨上皮樹突狀細胞感知黏蛋白2包被細菌;②:杯狀細胞感知相關可溶性小分子抗原,信號傳遞給樹突狀細胞,樹突狀細胞激活后可能誘導輔助性T淋巴細胞1和輔助性T淋巴細胞17分化,并抑制調節性T細胞分化;③:當黏液層變薄后,上皮細胞感知病原入侵,分泌腎上腺皮質激素激活腸上皮細胞蛋白酶激活受體2,誘導肥大細胞分泌類胰蛋白酶,破環上皮連接,增加腸道滲透性。

3 腸道黏液屏障的營養調控

腸道黏液屏障不是靜態的屏障,而是不斷進行動態更新。早期研究顯示,小鼠遠端結腸黏液層每1～2 h更新1次,自發生長速度約為100 μm/h[40],而人類黏液層自發生長的速度約為240 μm/h[41]。因此,保持杯狀細胞持續分泌黏蛋白是保證黏液屏障結構完整和功能正常的關鍵因素。目前已經明確,營養干預促進杯狀細胞分泌黏蛋白是安全有效的調控方法,研究發現,很多成分包括益生菌、植物提取物、氨基酸及其衍生物、功能性脂肪酸以及其他成分如酸化劑、聚糖等具有調控豬腸道黏液屏障的潛力(表1)。益生菌能通過增加黏蛋白表達來增強黏液屏障的保護功能,例如乳桿菌屬(Lactobacillus)能夠刺激人腸上皮杯狀細胞產生和分泌MUC2[42]。此外,某些益生菌可通過產生代謝產物如短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)影響腸道黏液特性,并通過釋放微生物相關分子模式(microbe-associated molecular patterns,MAMPs)以及產生醋酸鹽和丁酸鹽促進黏液分泌并增加黏液層厚度。此外,SCFAs還能通過降低腸道黏液pH抑制某些有害致病菌的生長。革蘭氏陰性菌的純化鞭毛蛋白、脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)也能上調黏蛋白的表達,促進杯狀細胞的黏液分泌[43]。植物提取物如大黃提取物通過刺激結腸黏液的產生來緩解便秘[44]。在復雜的植物提取成分中,酚酸和黃酮是改善豬腸道黏液屏障最具潛力的活性物質,因為飼糧中90%～95%的酚酸和黃酮不會被小腸吸收而是在大腸中積累,所以酚酸和黃酮對大腸黏液屏障的保護效果備受關注。目前已經證明,多種植物酚酸和黃酮可以恢復MUC2合成和杯狀細胞缺失,如葛根素[45]、純化蘆丁[46]和綠原酸[47]等。在生命早期補充多酚類物質對黏液屏障的增強效果更佳,葡萄中提取的酚類物質在3周齡小鼠中對MUC2的促進效果高于在6周齡小鼠中,原因在于多酚對早期結腸菌群組成具有更強的塑造作用,并且主要通過提高阿克曼菌屬(Akkermansia)和乳桿菌屬的豐度產生較高的丁酸鹽,以此來促進MUC2的合成和分泌[48]。研究發現,通過21 d補充葡萄多酚(5 g/kg)改變了肉雞的腸道黏蛋白組成,而這種變化可能是通過改變大腸桿菌(Escherichiacoli)和乳桿菌屬的豐度來實現的[49]。氨基酸及其衍生物和脂肪酸補充劑可通過影響杯狀細胞的數量以及其分泌功能來調控腸道黏液層厚度。研究發現,相對標準飲食,富含氨基酸的飲食能有效緩解葡聚糖硫酸鈉誘導的小鼠結腸黏液降解,保持黏液層厚度[50];高絲氨酸的飼糧能促進白羽肉雞十二指腸和空腸中段黏蛋白的分泌[51];亮氨酸、精氨酸、丙氨酸以及谷氨酰胺補充劑則能增加杯狀細胞的數量[52-54];色氨酸衍生的細菌代謝物——色胺能通過激活G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptor,GPCR)和5-羥色胺4受體(5-hydroxytryptamine 4 receptor,5-HT4R)刺激杯狀細胞釋放黏液[55]。此外,脂肪酸的合成過程與黏蛋白的分泌相關,脂肪合成酶是MUC2生成過程中棕S-棕櫚?；仨毜腫56],ω-3多不飽和脂肪酸與SCFAs如丁酸等能刺激杯狀細胞產生MUC2[57-58]。

表1 腸道黏液屏障的營養調控

4 小 結

腸道黏液層是腸道屏障的核心,具有同時支持其他三類腸道屏障的功能。豬腸道黏液屏障對豬生長發育至關重要,將成為研究緩解仔豬斷奶應激和母豬便秘以及調控腸道微生物功能的潛在靶標。未來可通過營養調控手段輔以功能性氨基酸、脂肪酸、植物提取物以及益生菌等補充劑改善腸道黏液屏障功能,并促進腸道對應激的防御力,從而對腸道健康產生有益的影響。