乳酸菌胞外多糖對動物腸道屏障功能的調控作用及機制

王 琪 肖 融 王 敬 齊仁立

(重慶市畜牧科學院，重慶 402460)

動物腸道是機體重要的消化吸收場所，也是機體最大的免疫器官。腸道黏膜作為機體與外環境進行互作的重要場所，能保護機體免受外來病原微生物侵擾以及保障機體免疫能力[1]。乳酸菌是國際上公認的益生菌，具有很高的理論研究和生產應用價值，乳酸菌可通過提高腸道黏膜免疫、減輕炎癥反應，來改善動物腸道健康和促進生長發育[2-4]。胞外多糖(EPS)是乳酸菌在生長代謝過程中分泌到細胞壁外的一種糖類化合物，研究表明，乳酸菌胞外多糖在調控腸道屏障功能、維護腸道健康上具有重要功能[5-7]。本文對乳酸菌胞外多糖調控動物腸道屏障功能的作用及機制作一概述，為其在動物生產中的推廣應用提供指導。

1 乳酸菌胞外多糖概述

1.1 乳酸菌胞外多糖的分類

乳酸菌是一類可利用碳水化合物而產生大量乳酸的細菌，根據Bersy細菌學手冊中分類法，乳酸菌包括乳桿菌屬、鏈球菌屬、明串珠菌屬、雙歧桿菌屬和片球菌屬5個屬[8]。乳酸菌胞外多糖是乳酸菌在生長代謝過程中分泌到細胞壁外，并與菌體分離的一類多糖化合物，主要包括黏液多糖和莢膜多糖2類[9]。從化學組成上，乳酸菌胞外多糖又分為同型多糖和雜型多糖。同型多糖是由10個或以上相同的單糖組成的胞外多糖，主要由葡萄糖和果聚糖組成；雜型多糖則是由多種單糖組成的重復單元，每個重復單元包括3～8個單糖，主要由半乳糖、葡萄糖、鼠李糖和N-乙酰基半乳糖胺等組成[10]。胞外多糖的產量和組成主要依賴于乳酸菌的培養和發酵條件，但由于同型多糖結構較簡單，通常情況下同型多糖比雜型多糖的產量更高[11]。

1.2 乳酸菌胞外多糖的主要作用

1.2.1 抗氧化功能

氧化應激通過破壞機體內生物大分子(脂質、蛋白質、DNA和RNA)導致組織損傷并引起多種疾病的發生。乳酸菌胞外多糖有較強的抗氧化能力，發酵乳桿菌S1所產胞外多糖具有清除機體內1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基和羥自由基的活性[12]，而Xu等[13]研究表明，植物乳桿菌KX041產生的胞外多糖能清除DPPH/2,2’-聯氨-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)自由基和保護DNA損傷。研究證實，胞外多糖的抗氧化活性具有較強的劑量依賴效應，即胞外多糖的濃度越高，清除自由基的能力越強；也有研究認為，胞外多糖的抗氧化活性與其分子質量相關，分子質量越小的胞外多糖抗氧化活性越強[14-15]。

1.2.2 抗腫瘤功能

1982年Shiomi等首次報道乳酸菌胞外多糖具有抗腫瘤活性。目前，已有20多種乳酸菌(如干酪乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌和雙歧桿菌等)胞外多糖被證實具有抗腫瘤、抗癌作用[16-21]。乳酸菌胞外多糖能抑制人結腸癌細胞HT-29的增殖，并能誘導G0/G1細胞周期停滯和引起細胞凋亡[18]。嗜酸乳桿菌20079所產的胞外多糖能刺激結腸癌細胞Caco-2免疫應答和抑制核因子-κB(NF-κB)炎癥通路，并通過促凋亡作用對細胞產生毒性，抑制細胞生長[19]。植物乳桿菌NCU116的胞外多糖(EPS116)通過Toll樣受體2(TLR2)，并依賴于原癌基因(c-Jun)和凋亡相關因子受體/配體(Fas/Fas L)信號通路引起結腸癌細胞CT26凋亡，從而發揮抗腫瘤的作用[20]。以上研究結果表明，乳酸菌胞外多糖主要通過抑制癌細胞增殖、促進細胞凋亡或影響胞內信號傳導來發揮抗腫瘤活性，從而預防癌癥的發生。

1.2.3 免疫調節功能

乳酸菌胞外多糖主要通過激活免疫細胞以及誘導細胞因子的產生來調節機體免疫功能。胞外多糖能增強巨噬細胞的吞噬作用，促進腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-6(IL-6)、白細胞介素-10(IL-10)和白細胞介素-12(IL-12)的分泌，上調樹突細胞中主要組織相容性復合體Ⅱ(MHCⅡ)和白細胞分化抗原86(CD86)表達來促進細胞成熟，同時還能促進T細胞的增殖和分化[22-23]。乳酸菌胞外多糖還能增加淋巴細胞增殖和腸黏膜免疫球蛋白A(IgA)含量，促進白細胞介素-2(IL-2)和TNF-α的分泌來增強小鼠的免疫功能[24]。研究認為，乳酸菌胞外多糖的免疫調節作用與其結構或分子質量有關，含硫酸基或磷酸基的胞外多糖能更有效地誘導免疫細胞的活化與增殖，刺激其分泌細胞因子等活性物質[25-26]，而低分子質量的胞外多糖比高分子質量胞外多糖更能誘導巨噬細胞產生更多的炎性因子[27]。

2 乳酸菌胞外多糖調控動物腸道屏障功能

腸道屏障是由腸機械(上皮)屏障、化學屏障、微生物屏障和免疫屏障4個部分組成的復雜結構。腸上皮細胞及細胞間的緊密連接構成腸機械屏障；化學屏障是指腸上皮細胞分泌的黏液、消化液及腸腔里的抑菌物質；正常微生物菌群與腸黏膜一起抵抗外來致病菌的定植，同時維持腸道微生態平衡，形成了微生物屏障；腸上皮細胞分泌的抗體及腸相關淋巴組織組成免疫屏障[28]。完整的腸道屏障對生物體的腸道功能至關重要，任何一方面受到損害，都能導致腸道功能紊亂。研究顯示，乳酸菌胞外多糖通過調節腸道黏膜屏障、促進乳酸菌的黏附、調節菌群平衡以及提高腸黏膜免疫力來提高動腸道屏障功能。因此，本文主要從腸機械屏障、微生物屏障以及免疫屏障3方面來闡述乳酸菌胞外多糖是如何在動物腸道中發揮益生作用的。

2.1 乳酸菌胞外多糖調節腸機械屏障功能

腸機械屏障是畜禽腸腔和內環境之間的第1道防線，主要通過形成物理屏障、分泌抗菌肽和黏蛋白等化學屏障來保護機體不受病原微生物及毒害物質的侵入，減少炎癥反應。腸機械屏障上的緊密連接復合體主要包括閉合小環蛋白-1(ZO-1)、閉鎖蛋白(occludin)和閉合蛋白(claudins)，它們在維持腸道屏障的通透性中發揮重要作用[29]。Zhou等[30]研究發現，EPS116能減弱葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導的小鼠結腸炎癥，EPS116通過磷酸化和激活信號傳導與轉錄激活因子3(STAT3)，促進STAT3與occludin和ZO-1的啟動子結合，提高緊密連接蛋白的表達，修復損傷的腸機械屏障，從而保護腸道屏障的完整性。健康受試者服用嗜熱鏈球菌ST10所產的胞外多糖后，用尿中乳糖醇/甘露醇和三氯蔗糖濃度分別評估小腸和結腸滲透性，與對照組相比，發現小腸和結腸通透性均出現顯著下降，腸道屏障功能得到改善[31]。還有研究發現，乳酸菌胞外多糖在腸道內可代謝產生短鏈脂肪酸，短鏈脂肪酸(尤其是丁酸)可被腸上皮細胞吸收利用，并促進腸上皮細胞增殖，從而增加腸機械屏障的強度[32]。

目前發現的乳酸菌胞外多糖對腸機械屏障的作用機制主要包括：1)依賴于轉錄因子信號通路，促進緊密連接蛋白表達；2)在腸上皮細胞表面形成與腸道屏障黏液層相似的親水凝膠層，降低腸道通透性；3)產生腸上皮細胞的重要能源分子—短鏈脂肪酸，從而發揮其保護腸機械屏障的作用。

2.2 乳酸菌胞外多糖調節腸道微生物屏障功能

乳酸菌胞外多糖能調節腸道內微環境和腸道微生物菌群，并改變宿主腸道菌群多樣性。布氏乳桿菌TCP016所產胞外多糖(EPS016)能減少小鼠腸道螺桿菌科、毛螺菌科和腸桿菌科的豐度，增加乳桿菌屬、理研菌科、擬桿菌科和普雷沃氏菌科的豐度，EPS016還通過調節腸道菌群來減輕脂多糖/D-半乳糖胺誘導的肝損傷[33]；Zhang等[34]則發現，飼喂植物乳桿菌YW11所產胞外多糖能改變衰老小鼠腸道菌群結構，腸道Flexispira的豐度顯著降低，布勞特氏菌屬和Butyricicoccus的豐度顯著增加。此外，羅伊氏乳桿菌和陰道乳桿菌所產胞外多糖在體外能抑制大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌生長[15]，從牛奶發酵的開菲爾酒中提取出馬乳酒樣乳桿菌，其胞外多糖對單核細胞增生李斯特氏菌和腸炎沙門氏菌具有抗生長作用[35]，證實乳酸菌胞外多糖在體外也能抑制病原菌的生長。胞外多糖是乳酸菌的主要黏附素，會影響乳酸菌在腸道上皮中定植的能力，研究表明，鼠李糖乳桿菌和干酪乳桿菌所產胞外多糖影響它們對腸上皮細胞的黏附，對乳桿菌去糖基化后黏附效率顯著降低[36-37]。胞外多糖對腸上皮細胞的黏附作用有助于乳酸菌在腸道定植，抑制病原菌的定植[38]。短雙歧桿菌UCC2003所產的胞外多糖能降低腸道鼠檸檬酸桿菌定植水平，促進上皮細胞釋放抑菌物質來抑制有害菌的生長[39]。產腸毒素大腸桿菌(ETEC)能導致仔豬嚴重腹瀉，Chen等[40]研究發現，羅伊氏乳桿菌胞外多糖能拮抗ETEC對仔豬腸黏膜的黏附，減少因ETEC感染引起的體液流失。細胞試驗也證實，羅伊氏乳桿菌胞外多糖預處理能顯著抑制ETEC對豬腸上皮細胞的黏附性[41]。

微生物屏障是腸道微生物群對抗病原體的重要保護屏障，乳酸菌胞外多糖主要通過調節腸道菌群平衡、促進乳酸菌的生長和抑制病原菌的黏附定植來調節動物腸道微生物屏障功能，但具體分子機理目前尚不清楚，需進一步研究。

2.3 乳酸菌胞外多糖調節腸道免疫屏障功能

近年來，越來越多的研究證實，乳酸菌胞外多糖通過在動物腸黏膜上發揮抗炎、抗病毒作用，從而提高腸道免疫屏障功能，在一定程度上提高機體免疫力(表1)，涉及到的機制主要包括：1)促進腸黏膜IgA的分泌，調節腸道保護性免疫力，維持腸道穩態，并通過釋放細胞因子影響全身免疫；2)激活腸道免疫細胞的活性，促進重要生長因子的生成，保護腸道免疫屏障功能；3)調控TLRs及其所參與的信號通路，或通過細胞表面模式識別受體改變細胞信號傳導和轉錄因子，從而發揮免疫作用。但不同胞外多糖調節腸道免疫屏障的具體機制不相同且并不明確，需進一步研究確證。

表1 乳酸菌胞外多糖對動物腸道免疫屏障功能的作用

3 小 結

乳酸菌是人和動物胃腸道內重要的益生菌，而乳酸菌重要代謝產物——胞外多糖在其和宿主腸道細胞互作過程中發揮了重要的作用。多個研究證實，乳酸菌胞外多糖能通過多種途徑(腸機械屏障、微生物屏障及免疫屏障)保護動物腸道屏障功能、維護腸道健康。由于乳酸菌胞外多糖轉化效率低且生產成本高，目前應用到工業化生產的胞外多糖較少，因此，需要對胞外多糖功能及其發揮的機制進一步研究和確定，通過基因工程手段獲得高產胞外多糖菌株并應用到生產中。乳酸菌胞外多糖調節腸道屏障功能的研究目前主要集中在小鼠及體外細胞模型上，對于其在豬、羊、雞等畜禽上的研究還較少。今后的研究可通過在畜禽上開展更多體內和體外試驗，探明其調控畜禽腸道屏障功能的作用及其機制，為乳酸菌胞外多糖作為飼料添加劑或動物保健藥物應用于在畜牧業中提供依據。