益生元對豬腸道病原菌大腸桿菌和沙門氏菌的抑制作用

摘要：腸沙門氏菌（沙門氏菌屬）是繼彎曲桿菌病之后人類細菌性食源性人畜共患病的第二個原因。豬肉是與暴發相關的沙門氏菌病的第三大重要原因，大腸桿菌病是仔豬中最重要的疾病。綜上所述總結大腸桿菌和沙門氏菌感染及發病機制，以及益生元對病菌的抑制作用，以期為養豬業通過飼料預防病原菌提供一些指導。

關鍵詞：沙門氏菌；大腸桿菌：益生元

人畜共患病可以在動物和人類之間直接或間接自然傳播，例如通過食用受污染的食物或通過與受感染的動物接觸。革蘭氏陰性彎曲桿菌屬、沙門氏菌屬、某些大腸桿菌（大腸桿菌）菌株、李斯特菌屬和革蘭氏陽性結核分枝桿菌等是引起人獸共患病的主要病原菌。其中腸沙門氏菌和大腸桿菌是屬于腸桿菌科的革蘭氏陰性棒狀非孢子形成細菌。

腸沙門氏菌寄生在大多數恒溫動物的腸道中，包括各種致病性差異很大的血清型。大腸桿菌是人和動物常見的腸道細菌，大多數大腸桿菌菌株是腸道微生物群的無害共生體，但一些血清型具有致病性，會導致嚴重的腸道感染。

沙門氏菌病在所有記錄的暴發中占25.8%，是繼彎曲桿菌病之后人類第二常見的人畜共患病。2013年歐盟的流行病學研究證實，豬肉被沙門氏菌污染的比例為8. 9%，僅次于家禽，是人類暴發相關沙門氏菌病的第三大重要原因。新鮮豬肉中沙門氏菌的流行率從0. 7%～26%不等。產腸毒素大腸桿菌（ETEC）引起的斷奶后腹瀉（PWD）由于發病率高、死亡率高和生長速度降低，是造成養殖場經濟損失的重要原因‘”，美國食源性疾病數據顯示產志賀毒素大腸桿菌為危害排名前3位的食源性致病菌[2]。這兩種致病菌的感染是嚴重的公共衛生問題。

常用的預防病原菌污染的方法，例如使用無病原體或接種過疫苗的進場豬、預防環境污染引起的感染、抗菌藥物和營養補充劑已被評估以減少豬圈的致病率。在營養補充劑中，不易消化的碳水化合物（NDCs）又被稱為益生元，可以通過恢復或提高機體對細菌定植的抵抗力，增強腸道屏障功能來抵抗入侵病原體。

本文回顧了豬的兩種主要腸道病原體：沙門氏菌和大腸桿菌感染。在描述了這些病原體的流行情況及致病性之后，描述和分析了一些潛在的益生元在豬體內對抗這些病原體的機制和作用。

1 豬和豬圈中腸沙門氏菌和大腸桿菌的流行率

腸沙門氏菌和大腸桿菌都在全球范圍內造成了若干公共衛生問題。鼠傷寒沙門氏菌是過去五年在歐盟豬占所有沙門氏菌分離株回收率的54.7%、豬肉27.8%和復合豬飼料14.3%，是從豬和豬肉及豬飼料中發現的主要腸沙門氏菌血清型，其次是德比沙門氏菌，分別為17.5%、24. 4%和0%t3]。人和哺乳動物腸道中有幾種主要的引起腹瀉的大腸桿菌病型：腸病性大腸桿菌（EPEC）、產腸毒素性大腸桿菌（ETEC）、產志賀毒素大腸桿菌（STEC）．腸出血性大腸桿菌（EHEC）、腸侵襲性大腸桿菌（EIEC）、腸聚集性大腸桿菌（EAEC）、彌漫性黏附性大腸桿菌（DAEC）、黏附性侵入性大腸桿菌（AIEC）[4]，其中0157在豬中是最普遍的血清型[5]。此外，在我國豬、豬肉制品和人類的共生大腸桿菌中發現了質粒介導的黏菌素抗性基因（MCR-I），引發了全球關注[6]。

大腸桿菌病原體僅存在于胃腸道中[7]。相反，沙門氏菌屬，可以在斷奶豬和育肥豬的糞便和遠端結腸內容物中發現[8]，也可以在回結腸淋巴結、盲腸內容物或膽囊中發現。這表明腸道及其相關內容物是屠宰時豬肉沙門氏菌污染的主要來源。因此，屠宰前停料能有效減少因消化道破裂或腸道食糜和糞便溢出而造成的胴體污染[9]。

2 病原菌的增殖和致病性

致病菌如要發揮作用就要先定植于宿主，在宿主體內持續存在，表達了幾種毒力因子，然后通過效應蛋白的附著、易位以及病原菌的復制和傳播引起疾病進入宿主[10]。

表達了幾種毒力因子，允許病原體在宿主體內持續存在，然后通過效應蛋白的附著、易位以及病原菌的復制和傳播引起疾病進入宿主[10]。

2.1 細菌的定植

病原菌經口攝入后，在胃酸中存活的細菌會在2～3h內到達小腸，病原體必須首先附著在腸黏膜或腸上皮細胞表面，以避免被黏膜分泌或蠕動沖刷。兩種機制涉及這些生物體對腸黏膜和上皮的黏附。首先，細菌黏附素如菌毛、菌毛與它們在宿主細胞上的受體相互作用。沙門氏菌屬和大腸桿菌使用T3SS（III型分泌系統）來感知宿主細胞受體的存在。實際上，病原體的黏附因子可以被位于靶細胞表面的宿主細胞外基質蛋白識別，例如沙門氏菌的菌毛與神經氨酸相互作用含有宿主蛋白質，或腸出血性大腸桿菌（EHEC）的長極性菌毛識別宿主的纖連蛋白、層粘連蛋白和膠原蛋白。腸細胞微絨毛和細胞骨架變化的消失會導致宿主細胞的超微結構損傷和吸收表面的減少，從而導致生長性能下降和腹瀉。其次，病原體通過宿主細胞中的T3SS轉移細菌黏附素及其受體，這有助于它們初始附著。

2. 2細菌的效應蛋白

一旦在腸道表面建立，沙門氏菌屬和大腸桿菌病原體通過T3SS將細菌效應蛋白轉移到細胞外空間或靶細胞的胞質溶膠[11]。這些效應子將通過調節與緊密連接蛋白和炎癥反應相關的多種信號通路來幫助它們抵抗豬的免疫反應以在腸道環境中生存或侵入組織，最終通過破壞緊密連接來誘導細胞溶解，宿主反應減弱和腸道內穩態喪失。

2.3 破壞腸道連接

病原體大腸桿菌產生大腸桿菌分泌的蛋白F （EspF），可以將緊密連接蛋白從絨毛膜重新分配到結腸上皮細胞的細胞質。這種破壞導致跨上皮電阻（TER）的喪失和細胞旁腸道通透性增加，導致局部和全身感染，包括胃腸炎、菌血癥、血管內感染或細胞炎癥。

2.4 降低宿主機體炎癥反應

沙門氏菌分泌因子L （SseL）和NleB（由LEE編碼）抑制受感染巨噬細胞中的核因子kappa B （NF-jB）的激活。NleB通過破壞腫瘤壞死因子相關因子2 （TRAF2）受體和糖酵解酶甘油醛3一磷酸脫氫酶（GAPDH）之間的相互作用來抑制NF-jB活化[12]。另一方面，鼠傷寒沙門氏菌產生的SseL通過抑制性蛋白kappa B a（ljBa）的降解和泛素化來抑制NF-jB活性。宿主先天免疫反應和細胞過程（如增殖和分化）因此受到負調節。

2.5 裂解腸道細胞，破壞腸道穩態

腸毒性大腸埃希桿菌（ETEC）菌株產生的熱不穩定（IT）和熱穩定（ST）腸毒素通過刺激水的過度分泌和細胞內離子平衡與Ca2+濃度[4]。此外，LT腸毒素還可以改變腸上皮黏蛋白層的連續性和組成，從而加劇鼠傷寒沙門氏菌感染。EHEC的志賀毒素（Stx）可以將宿主細胞鐵釋放到細胞外環境中，然后被細菌捕獲。鈣離子梯度的消失增加了腸道細胞內滲透壓，最終導致細胞裂解。這種局部效應會導致水樣或血性腹瀉，尤其是仔豬，因為它們體型小，特別容易發生嚴重和快速脫水。

2.6 病原體在宿主中的入侵和復制

作為沙門氏菌屬。它們主要定植于腸黏膜的細胞表面、黏液、基底膜，它們會引起黏膜炎癥，從而引起腸黏膜局部高能營養素（即含半乳糖的糖綴合物、黏蛋白）。然后，沙門氏菌可以有效地獲取這些營養物質以進行快速復制。此后，病原體侵入并在宿主細胞內復制。幾乎所有沙門氏菌物種都能在天然吞噬細胞中存活和增殖，例如樹突狀細胞、M細胞、單核細胞／巨噬細胞和神經元。沙門氏菌在宿主細胞內使用一系列化學營養物質，如脂質、碳水化合物、氨基酸、核苷和各種維生素原來促進它們的生長[13]。由此可以推測，沙門氏菌在組織中存活的能力比入侵腸道外組織（如吞噬細胞和白細胞）的能力更重要。它們可以在口腔感染后迅速擴散到腸道相關的淋巴組織，如扁桃體，然后是空腸和回盲部淋巴結。沙門氏菌也有能力入侵非吞噬細胞，如單核巨噬細胞。它們可引起急性炎癥刺激：感染后4h細胞因子濃度和體溫升高，因此發熱和中性粒細胞流入被認為是鼠傷寒沙門氏菌感染的特征。

相反，大多數大腸桿菌病原體仍然在細胞外。細胞內AIEC是唯一可以在宿主細胞內侵入和增殖的腸道致病性大腸桿菌菌株。細胞外大腸桿菌可以在細胞外復制，即在間質空間、在呼吸道的管腔內，再從空腸中段到回腸的腸道內，大腸埃希氏菌利用從上皮細胞或黏蛋白（即葡萄糖酸鹽、甘露糖、巖藻糖、核糖）、其他黏膜糖蛋白和氨基酸釋放的單糖在腸腔內生長。

3 益生元對豬病原體感染的潛在作用機制

益生元被定義為不易消化的碳水化合物（NDC），包括抗消化分泌物水解的低聚糖、抗性淀粉和非淀粉多糖。在包括人類和豬在內的沒有前胃的物種中，這些NDC在上消化道（GI T）中很難被消化，并到達回腸和結腸，它們通常在這些地方經歷常駐微生物的發酵。目前，益生元被更廣泛地定義為有益的GIT微生物群，并對腸道內穩態具有有利的直接和／或間接影響，因此被認為是抑制致病性感染的食品成分。然而，關于豬飼料中添加益生素對病原菌影響的研究還很少。

3.1 抑制病原菌黏附

益生元可以通過多種機制抑制病原體黏附。例如聚葡萄糖（PDX）和低聚半乳糖（GOS）已被報道單獨或聯合使用對克羅諾桿菌產生抗黏附作用，并在最初感染階段直接降低該病原體對Hep-2細胞系的黏附[14]。

3.2 促進有益細菌

乳果糖等益生元通過選擇性刺激有限數量的有益結腸細菌（尤其是乳酸菌）的生長來調節腸道微生物群[14]。這些有益細菌可以形成附著在腸上皮細胞上的生物膜，阻止病原體黏附到宿主細胞上。此外，這些細菌還可以通過產生受體類似物，如胞外多糖（例如羅伊乳桿菌產生的羅伊多糖）引誘ETEC等病原體，從而對入侵的食源性病原體表現出急性抗菌作用，或通過生產植物乳桿菌或非致病性大腸桿菌的抗生素類細菌素化合物選擇性地殺死沙門氏菌[15]。

3.3 與病原菌結合

一些益生元不會像乳酸桿菌或腸球菌那樣富集有益細菌，但由于與宿主受體的糖基化自由基相似的結構，它們可以通過阻止病原體的附著并使它們遠離腸壁來發揮作用。由益生元吸附在病原體表面，它們使致病凝集素的聚糖結合結構域飽和，從而防止與宿主糖蛋白結合，導致它們從腸道排泄。

3.4 下調黏附因子或毒力基因的表達

發酵的終產物SCFA（包括乙酸、丙酸和正丁酸）可以抑制黏附因子的表達或鼠傷寒沙門氏菌的侵襲基因。

3.5 調節腸道生態和生理

益生元還可以選擇性地刺激有益腸道細菌的生長，進而調節腸道微生物群。例如接種乳寡糖，可選擇性促進雙歧桿菌、乳酸桿菌增殖，抑制大腸桿菌、志賀菌和沙門氏菌等腸道致病菌生長和定植，并產生SCFAs和支鏈脂肪酸（branchchain fatty acids，BCFAs）等物質，有益于宿主健康[16]。

低聚果糖、纖維素和果膠等益生元，可以增加動物體內乳酸菌等多種益生菌的含量，相對降低大腸桿菌的豐度[17]。

3.6 加強宿主免疫系統

益生元已被證明可以增強宿主免疫系統的SCFA濃度。它們增加上皮細胞的增殖并對豬的內分泌和外分泌胰腺分泌物具有刺激作用。丁酸鹽作為結腸細胞的能量來源，增強結腸上皮細胞的屏障功能，幫助防止組織破裂和減少氧化性DNA損傷[18，19]。可以改變上皮細胞生理機能的益生元與減少細菌附著有關，而不會影響病原體的活力[20]。

4 結論

腸沙門氏菌和大腸桿菌是豬的主要腸道病原體，可導致人類食源性感染。一些潛在的益生元似乎與在飼料中用于控制養殖場的這些病原體互相作用，益生元可能幫助豬抵抗病原體入侵的機制是通過產生SCFA來改變腸道生態，抑制它們對腸道上皮的黏附，以及主要通過正丁酸鹽改善宿主免疫系統基因表達調節。然而，許多研究結果來自體外模型，而動物的生理狀態及其免疫反應在機制中起著重要作用。因此，未來結合體外和體內實驗來檢查沙門氏菌或致病性大腸桿菌與腸道宿主之間相互作用的研究將增加我們對宿主和細菌在發病機制中的作用的理解。此外，益生元大多數效果似乎與病原體定植的限制有關。因此，應考慮使用益生元盡早對仔豬的腸道微生物群采取行動。

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