植物多糖對動物腸道的保護作用及其分子機制

毛欣雨，梁 慧，王 行，董 娜

(東北農業大學動物科學技術學院，哈爾濱 150038)

動物腸道疾病多數由病原體感染、應激反應、中毒、營養等問題引起[1]，目前研究表明,腸道炎癥是仔豬斷奶腹瀉[2]、新生山羊腹瀉[3]、新生犢牛腹瀉[4]等的內在原因。由腹瀉導致的動物腸道疾病的發病率和死亡率日益升高，嚴重影響了動物的生長發育，對養殖業的經濟效益造成巨大沖擊。雖然目前可以通過改善動物飼養管理條件、抗生素治療等手段在一定程度上緩解腸道疾病的發生和發展，但因耐藥性、藥物殘留等問題導致畜產品質量下降，經濟效益降低甚至危害人類健康。天然多糖主要來源于植物，具有高效、無毒副作用、無殘留等特點，是一種天然高分子聚合物，通常由10多種單糖通過糖苷鍵以直鏈或支鏈的形式組成，分子質量為數萬甚至數百萬[5]，可以介導動物細胞分化、增殖、信號轉導等生理活動[6]。藥理和臨床研究表明植物多糖具有免疫調節、抗炎、抗腫瘤、抗病毒、抗輻射、降血糖等多種功能[7]。 研究表明，連續29 d在28日齡杜洛克×長白×約克夏斷奶仔豬的基礎飼糧中添加800 mg/kg黃芪多糖和人參多糖能提高飼料轉化效率、平均日增重和仔豬體重，改善腸道微生物數量及組成，降低腹瀉率，促進動物的生長[8]。在飼糧中添加5和10 g/頭的黃芪多糖均能提高斷奶犢牛的平均日增重和平均日采食量，并在一定程度上降低腸道疾病的發病率，提高動物生長性能[9]。作者綜述了植物多糖對動物腸道的保護作用及其分子機制，并闡述了其在動物生產中的應用，以期為其在動物生產中的推廣應用提供理論依據。

1 植物多糖的結構

植物多糖的化學結構是其生物活性的基礎，不同化學結構的多糖生物活性具有較大的差異[10]。天然產物中多糖的主要結構非常復雜，但其主鏈的基本結構通常是葡聚糖、果聚糖、木聚糖、甘露聚糖、半乳聚糖等，或者是兩種或幾種單糖的聚合物(如半乳甘露聚糖、果膠)，支鏈結構的多樣性決定了多糖結構的多樣性。多糖結構可分為一級結構和二級、三級等高級結構，然而對于多糖的空間高級結構的解析還存在諸多困難，只能確定高級結構比一級結構在活性方面發揮更大作用?，F有研究表明，對于水溶性β-D-1,3-葡聚糖,只有分子質量>90 ku才能形成3股螺旋的高度有序結構，具有3股螺旋結構的葡聚糖大多具有多糖的免疫活性[11]，能夠發揮腸道免疫功能，保護腸道健康。

2 植物多糖的功能及其在動物生產中的應用

2.1 保護動物腸道健康

腸上皮屏障作為動物抵御病原體入侵的第一道防線，一旦屏障的完整性被破壞，外源性有害物質即可入侵到動物腸道組織中，造成炎癥和組織損傷。植物多糖作為一種飼料添加劑能夠預防或減輕動物腸道損傷，降低腸道炎癥水平，其主要通過充分發揮各個屏障的功能以及加強各屏障之間的相互聯系來發揮保護作用。植物多糖有多種提取方式，目前多采用水溶-醇析法提?。簩⒅参锝M織在80 ℃水中浸提1～2 h，離心后取上清液，向上清液中加入乙醇，使乙醇的最終濃度達到80%，從而獲得植物多糖[12]。

2.1.1 維持腸道機械屏障完整性 腸上皮細胞(intestinal epithelial cell,IEC)是機械屏障的一個極其重要的組成部分，其與細胞間連接——緊密連接(tight junction，TJ)和黏附連接(adhesion junction，AJ)組成的頂端連接復合體構成了腸道的機械屏障[13]。 其中TJ蛋白主要由封閉蛋白(claudins，CLDN)、閉鎖小帶-1(zonula occludens-1，ZO-1)、閉鎖蛋白(occludin，OCLN)家族成員和連接黏附分子(junctional adhesion molecule，JAM)組成[14]。腸道炎癥發生時，IEC和TJ蛋白均會受到一定程度的破壞，主要表現為IEC的增殖和成熟受損[15]以及TJ蛋白的亞細胞分布和表達發生變化[16]。研究表明植物多糖能夠維持腸道屏障完整性，促進動物腸道結構和功能的發育，降低腸道炎癥水平，修復腸道受損組織，恢復正常的腸道結構，促進動物對營養物質的消化吸收。 有研究表明，在雛番鴨飲用水中添加0.2 g/L猴頭菇多糖,期間自由飲水,可顯著提高雛鴨的絨毛高度(VH)和絨毛高度/隱窩深度(VH/CD)比值，增加腸道表面積和IEC數量，提高營養物質的吸收能力，加快家禽的生長速度[17]；在35日齡的杜長大三元雜交斷奶仔豬飼糧中補充植物多糖對其腸道屏障的完整性有一定的影響，試驗證明在飼糧中添加800 mg/kg的黃芪多糖、白術多糖或牛膝多糖28 d，會顯著增加腸道TJ蛋白中OCLN、ZO-1和CLDN-1的mRNA和蛋白的表達量，阻止有害菌對OCLN、ZO-1和CLDN-1的影響，提高腸道緊密連接性，有效防止病原菌對豬腸道的破壞，減輕腸道黏膜的受損狀況[18]。

2.1.2 增強腸道化學屏障功能 腸道的化學屏障主要由覆蓋在IEC表面的黏液層、消化液及抗菌肽(AMPs)等組成[19]，又稱為黏液屏障。其中黏液層的黏液由隱窩中的杯狀細胞(goblet cells，GCs)所分泌的黏蛋白組成。GCs分泌的黏液作為第一道物理防線[20]，在炎癥發生時，致病微生物入侵導致成熟的GCs及其分泌的黏蛋白減少[21]，已有研究表明上述改變正是腸道炎癥病理改變的關鍵。天然多糖被認為是一類有益的營養素，通過促進GCs的發育和功能成熟以及GCs黏蛋白的分泌從而改善腸黏膜屏障功能。給8周齡雌性C57BL/6小鼠連續7 d口服霍山石斛多糖0.2 mg/g體重，這不僅能夠改變小鼠腸道的生理狀態，還可以調節腸道黏膜結構，提高黏蛋白-2、β-防御素和sIgA的表達和分泌來增強腸道的化學屏障功能[22]，改善腸道健康；在1日齡Ross-308雛雞的基礎飼糧中連續21 d添加600 mg/kg γ-輻照黃芪多糖[23]和100 mg/kg低聚木糖能夠增加十二指腸GCs數量和改善回腸形態(更高的VH和VH/CD比值)，二者聯合應用具有較好的替代金四環素改善肉雞生長性能、腸道形態和腸道屏障功能的潛力。

2.1.3 提高腸道免疫屏障保護力 免疫屏障由IgA、黏膜內淋巴細胞(LYMPH)和腸系膜淋巴結(MLN)等因子組成，在腸道黏膜表面起到重要的免疫保護作用，能夠增強腸道的免疫功能[24]。IgA是黏膜免疫的主要抗體，是維持腸道黏膜穩態的重要物質[25]。黏膜內LYMPH及MLN在腸道免疫過程中同樣發揮著至關重要的作用，派爾集合淋巴結(Peyer’s patches，PPS)被認為是腸道相關淋巴組織(gut-associated lymphoid tissue，GALT)中腸黏膜免疫反應的主要誘導部位。免疫調節功能異常是腸道炎癥發生的關鍵因素。在1日齡健康番鴨的飲用水中加入0.6 g/L黃芪多糖，自由飲水，結果表明可以改善患病雛鴨的腸道黏膜形態及相關參數，增加黏膜免疫細胞數量，修復雛鴨小腸黏膜免疫屏障損傷，有效刺激黏膜免疫功能，恢復甚至改善腸道sIgA、細胞因子的分泌以及腸道黏膜的免疫調節作用[26]。 給5周齡的C57BL/6小鼠持續灌胃1.5 mg/g體重西洋參多糖14 d后發現，西洋參多糖可通過逆轉脾臟中LYMPH亞群比例以及刺激小腸中CD4+T細胞和IgA分泌細胞來緩解免疫系統疾病，上調VH/CD比值，恢復受損動物腸道形態；同時發現，給5周齡的C57BL/6小鼠持續灌胃1.5 mg/g西洋參多糖和0.15 mg/g西洋參皂苷14 d,二者協同可在改變動物糞便代謝產物方面取得更好效果[27]，這與免疫代謝或腸道屏障的保護作用有關。

2.1.4 維持生物屏障生態平衡 腸道微生物區系是生活在人類消化道中一個復雜的微生物群落[28]，它在炎癥反應和免疫系統功能到能量穩態等一系列不同的生理過程中均發揮著重要作用[29]。平衡的腸道菌群組成及其豐富的代謝產物有助于宿主防御病原體入侵，維持腸道上皮屏障的完整性，調節新陳代謝和免疫系統[30]；相反，微生物群落的病理性失衡與許多腸道疾病有關。在患有炎癥性腸病(IBD)的動物中可觀察到微生物群落多樣性降低導致的微生物失調、生物屏障破壞。與健康動物相比，腸道發生炎癥的動物表現為具有抗炎能力的細菌減少，而具有促炎能力的細菌增加[31]。因此，腸道微生物區系已成為緩解腸道炎癥的重要突破點。研究表明，許多植物多糖具有調節腸道微生物區系的能力[32]，由于其明顯的藥理活性和較少的副作用而受到世界的廣泛關注。植物多糖通過調控腸道微生態而對腸道炎癥表現出顯著的調節作用，詳見表1。

表1 植物多糖對腸道菌群的調節作用

續表

在宿主合成的代謝物以及微生物群產生和轉化的代謝物中，SCFAs已被確定為調節腸上皮完整性的主要信號分子，包括乙酸、丁酸、丙酸，其能通過多種機制調節上皮屏障功能，在腸道健康中發揮重要作用[44]。對機械屏障來說，SCFAs可以調節TJ蛋白的表達，包括CLDN-1、OCLN、ZO和OCLN-1，修復結腸上皮細胞，減少內毒素，以維持腸上皮屏障的完整性[45]；對化學屏障來說，SCFAs 會誘導GCs分化和黏液產生[44]；對免疫屏障來說，SCFAs主要通過激活GPCRs或抑制組蛋白去乙?；?histone deacetylase，HDAC)活性發揮抗炎作用；對生物屏障來說，SCFAs可以通過抑制致病菌定植[46]、提高動物腸道微生物區系的多樣性來發揮作用。 有研究表明，在SD大鼠飼料中連續添加14周240 mg/kg黃精多糖可通過增加SCFAs產生菌的相對豐度、調節腸道微生物群落的豐富度和多樣性而促進腸道屏障的恢復，進而改善腸道通透性，降低腸道炎癥水平[47]。

2.2 提高動物生長性能

植物多糖能改善動物生長性能、提高免疫力和維持腸道健康[48-49]。在禁抗的大環境下，天然多糖植物提取物作為抗生素添加劑的替代品展現出巨大的潛力，它的應用在一定程度上保障了畜牧業產品的質量。連續21 d在21日齡杜長大三元雜交斷奶仔豬飼糧中添加1 g/kg刺五加多糖，發現其能夠通過調節免疫細胞、細胞因子和抗體的產生來增強細胞和體液免疫反應，此外還發現它有助于維持斷奶仔豬腸道黏膜的正常形態，調節腸道微生物區系的組成，促進營養物質的消化和吸收，提高仔豬的飼料利用效率和增重，提高動物生產性能[50]。給1日齡的SPF雞連續21 d口服0.2 mL濃度為40 mg/mL的馬尾松花粉多糖可以促進IEC更新以及腸道絨毛發育，增加小腸黏膜面積，加強機體消化吸收營養物質的能力，且能夠改善腸黏膜屏障，激活腸黏膜免疫系統，增強機體免疫功能[51]。此外，在21日齡斷奶仔豬(約克夏×長白×杜洛克)基礎飼糧中添加4 000 mg/kg枸杞多糖，連續飼喂14 d，可以刺激腸道有益菌群的生長定植，抑制大腸桿菌的生長，提高機體的免疫狀態和抗氧化活性，提高機體的生長性能[52]。在1日齡愛拔益加肉雞基礎飼糧中添加2 000 mg/kg的人參多糖作為功能性飼料添加劑，連續飼喂42 d可提高肉雞采食量和免疫力，降低肉雞腹脂沉積量和血清膽固醇水平，對肉雞的腸道健康和生長性能的提高有重要的功效[49]。

綜上所述，植物多糖作為抗生素的良好替代物，在飼糧中適量添加能夠調節動物微生物區系平衡，保護動物腸道健康，提升機體抗氧化能力，增強動物機體免疫性能，提高動物生產性能。

3 植物多糖保護動物腸道的分子機制

在動物細胞和組織中，許多生理和病理反應都是由機體內的信號通路介導發生的，包括應激反應、炎癥反應和細胞凋亡等[53]。下文將論述植物多糖對決定腸道炎癥期間組織損傷和修復的一些保守的信號通路的影響，以闡明植物多糖保護動物腸道的分子機制。

3.1 Toll樣受體介導的信號通路

Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)家族是檢測多種微生物成分并激發先天免疫反應的主要感受器，它是一種單程跨膜蛋白，負責識別特定病原體成分的N-端富含亮氨酸重復序列(leucine rich repeat，LRR)[54]。所有的TLR信號通路最終都會激活核因子-κB(nuclear factor kappaB,NF-κB)和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)，它們控制著一系列促炎細胞因子的轉錄和合成[55]。

3.1.1 NF-κB信號通路 NF-κB是一種多功能核轉錄因子，參與調節細胞刺激后的基因轉錄，影響炎癥和免疫性疾病。大量文獻表明，NF-κB通路在腸道炎癥發生發展過程中起重要作用[56]。在炎癥狀態下NF-κB與相關的轉錄因子結合，刺激下游細胞因子TNF-α、IL-6和IL-1β的快速分泌和大量積聚[57]，作為對炎癥刺激的反應，I-κB激酶(IκB kinase，IKK)被蛋白酶體磷酸化，然后被蛋白酶體降解，這使得游離的NF-κB能夠移位到細胞核中，并啟動促炎介質的轉錄[58-59]。其中NF-κBp65(p65 mitogen-activated protein kinases，p65)蛋白是啟動NF-κB途徑的關鍵蛋白，磷酸化的p65亞基啟動會導致NF-κB的激活[60]。研究表明，多糖對炎癥反應的緩解作用可以通過抑制NF-κB的活化來實現，如紅棗多糖[61]可以通過下調NF-κBp65蛋白的表達，抑制NF-κB通路的激活，從而調控LYMPH中炎癥因子的合成和釋放，避免腸道過度的炎癥反應，此外還能提高腸道免疫功能，保護腸道屏障。枸杞多糖可通過抑制TLRS/NF-κB信號通路，下調NF-κB、TLR4、TLR2和髓樣分化因子88(MyD88) mRNA的表達，從而減輕炎癥因子對腸道屏障的破壞[62]。此外，也有研究表明黨參多糖[63-64]、黃芪多糖[53]等均可以通過抑制NF-κB通路的激活來降低腸道炎癥水平。

3.1.2 MAPK信號通路 有研究表明，許多生理和病理反應都是由MAPK信號通路介導的，其在體外[65]和體內[66]的轉錄和促炎介質的產生以及屏障功能的調節中都起到重要作用，因此被認為是抗炎治療的有效分子靶點。其中細胞外信號調節激酶(extracellular signal regulated kinase 1，ERK1)和p38在MAPK通路中發揮關鍵作用。ERK1/2和p38的磷酸化會促進炎癥因子的過度產生，從而引起腸道的病理變化[58]。為了研究MAPK通路在介導腸道炎癥中發揮的作用，Ma等[67]應用脂多糖(LPS)刺激小鼠，發現杏鮑菇多糖可通過抑制磷酸化p38MAPK、ERK1/2的基因表達進而抑制LPS刺激誘導的MAPK炎癥通路的激活，抑制炎癥因子和趨化因子的過度產生。黨參多糖、黨參莖多糖[68]以及靈芝多糖[69]也被證明能夠通過抑制MAPK通路的激活來抑制炎癥因子的產生，進而避免了炎癥因子過度釋放引起的病理改變。此外，有研究發現MAPK通路還可以通過調節TJ蛋白和IEC損傷來調控腸上皮屏障通透性[70]。 其關鍵蛋白p38主要通過兩種途徑調節腸屏障功能障礙。一方面，p38信號通路直接參與了腸上皮細胞TJ蛋白ZO-1和OCLN的破壞；另一方面，p38信號通路通過調節IEC炎癥和氧化應激的進程，間接破壞腸上皮屏障功能[71]。研究表明，紅棗多糖可以通過抑制ERK/MAPK信號通路的激活上調TJ蛋白的表達水平，進而起到修復腸道上皮屏障的作用[72]。還有研究表明，黨參多糖和黨參莖多糖可通過下調MAPK信號通路降低氧化水平和細胞損傷[68]，進而延緩氧化應激進程，維持腸道屏障完整性。

3.2 其他信號通路

研究表明，由58種植物中提取出66種多糖通過調節NF-κB、Janus激酶/信號轉導和轉錄激活因子(Janus kinase/signal transducer and activator of transcription,JAK/STAT)、轉化生長因子-β(transforming growth factor β,TGF-β)、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B (phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B，PI3K/Akt)、MAPK等途徑，在炎癥、凋亡和氧化應激等病理過程發揮作用[62]。樺褐孔菌多糖可以通過調節JAK/STAT信號通路和下調活化T細胞的促炎細胞因子水平來平衡Th1/Th2、Th17/Treg功能，從而減輕腸道的炎癥水平[73]。黃芪多糖通過TGF-βR-JNK/ERK-COX-2/ROS信號抑制細胞膜受體TGF-βR Ⅱ的表達，導致活性氧自由基(ROS)的產生和分泌減少，保護腸道屏障[74]。猴頭菇多糖可通過減少Akt磷酸化抑制PI3K/Akt信號通路激活導致的炎性細胞因子和其他參與腸道炎癥發病機制介質的基因表達，降低腸道炎癥水平[33]。

綜上所述，炎癥信號通路是炎癥發生過程中不可缺少的環節之一。炎癥發生時，炎癥信號通路激活，動物腸道屏障遭受破壞，腸道炎癥水平提高。植物多糖可能通過與細胞膜受體相互作用或被細胞吸收后，調節細胞信號轉導，調控炎癥因子的表達，發揮保護腸道屏障的作用。作者將以上提到的植物多糖對動物腸道炎癥的調控機制匯總成圖，見圖1。

黃芪多糖，Astragalus polysaccharide;猴頭菇多糖,Hericium erinaceus polysaccharide;樺褐孔菌多糖,Inonotus obliquus polysaccharide;霍山石斛多糖,Dendrobium huoshanense polysaccharide;牛膝多糖,Achyranthes bidentata polysaccharide;白術多糖,Atractylodes macrocephala Koidz polysaccharide;西洋參多糖,Panax Quinquefolium polysaccharide;馬尾松花粉多糖,Pinus massoniana pollen polysaccharide;紅棗多糖,Jujube polysaccharide;枸杞多糖,Lycium barbarum polysaccharide;黨參多糖,Codonopsis pilosula polysaccharide;靈芝多糖,Ganoderma lucidum polysaccharide;黨參莖多糖,Codonopsis stem polysaccharide;杏鮑菇多糖,Pleurotus eryngii polysaccharide；馬齒莧多糖,Portulaca oleracea L.polysaccharide;蒲公英多糖,Dandelion polysaccharide;刺五加多糖,Acanthopanax senticosus polysaccharide；M細胞，M cells;腸道菌群，Intestinal flora;上皮內淋巴細胞，Intraepithelial lymphocytes；外黏液層，Outer mucus layer；杯狀細胞，Goblet cell；抗菌肽，Antibacterial peptide；淋巴結，Lymph node；內黏液層，Inner mucus layer；上皮細胞，Epithelial cells；緊密連接蛋白，Tight junction protein圖1 植物多糖對腸道炎癥的調控Fig.1 Regulation of intestinal inflammation by plant polysaccharides

4 小 結

植物多糖作為天然產物中的常見成分，具有多種重要的生物活性，如降低腸道炎癥水平、提高機體免疫力、提高抗氧化能力等。作為飼料添加劑，植物多糖具有預防動物腸道疾病發生，保護動物腸道健康的作用，因其無毒副作用、無殘留的特點受到人們的關注。目前植物多糖在動物飼料中的添加成效顯著，可以大幅提高仔豬飼料轉化效率及日增重、肉雞免疫力及采食量，提高斷奶犢牛日采食量和日增重等。但因植物多糖結構復雜、種類多，其劑量與效果的關系以及活性機制等尚不明確，阻礙了植物多糖在動物生產實踐中的進一步開發應用。

致 謝：感謝東北農業大學動物科學技術學院單安山教授對文稿所提的寶貴意見。