葉 勇，全建平，吳 杰，周身娉，鄭恩琴，吳珍芳，楊 杰，徐 錚

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院/國(guó)家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642)

腸道微生物在家畜生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)代謝和健康免疫等方面都有重要的作用。腸道微生物與宿主在漫長(zhǎng)的協(xié)同進(jìn)化過(guò)程中，相互選擇并形成了互惠共生的關(guān)系。一方面宿主選擇性的定植某些微生物群落，并為其提供穩(wěn)定且營(yíng)養(yǎng)豐富的生存環(huán)境；另一方面，這些微生物及其代謝產(chǎn)物既能影響宿主神經(jīng)免疫系統(tǒng)的發(fā)育，維持腸道功能和胃腸道屏障完整性，還能參與宿主營(yíng)養(yǎng)代謝調(diào)控及影響宿主繁殖性狀等[1]。腸道微生物群落之間、微生物與宿主之間持續(xù)不斷的相互作用，形成了腸道內(nèi)動(dòng)態(tài)平衡的復(fù)雜微生物生態(tài)環(huán)境[2]。了解家畜腸道微生物的組成和分布信息以及對(duì)微生物群落的功能進(jìn)行預(yù)測(cè)和代謝物檢測(cè)分析，以采取有效手段調(diào)控腸道微生物，可提高生產(chǎn)效率。利用代謝組學(xué)方法檢測(cè)家畜動(dòng)物糞便或腸道內(nèi)容物中微生物群落的代謝產(chǎn)物，可進(jìn)一步研究微生物和宿主的代謝產(chǎn)物種類(lèi)和含量的變化規(guī)律，以揭示微生物與宿主體內(nèi)的代謝互作[3]。

1 腸道微生物代謝物

微生物群落活動(dòng)會(huì)吸收或產(chǎn)生許多代謝物，如脂肪酸、激素和維他命等，這些代謝物是基因和蛋白質(zhì)表達(dá)的下游產(chǎn)物(表1)。已有研究證明對(duì)這些代謝物進(jìn)行定量分析能夠反映微生物群落代謝性能變化[4]。復(fù)雜碳水化合物在結(jié)腸中經(jīng)微生物發(fā)酵成短鏈脂肪酸(SCFAs)，主要為乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽，是微生物代謝最重要的產(chǎn)物之一。其中，丁酸鹽除了作為結(jié)腸上皮細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)源之外，在免疫調(diào)節(jié)中也發(fā)揮重要作用。丁酸鹽抑制巨噬細(xì)胞的核因子(Nuclear Factor Kappa β, NF-κB)的活化，并抑制急性髓樣細(xì)胞白血病組蛋白去乙?；?Histone Deacetylation, HDAc)[5-6]。NF-κB是一種真核轉(zhuǎn)錄因子，參與并控制免疫和炎癥反應(yīng)。HDAc抑制在特定的炎癥信號(hào)傳導(dǎo)途徑以及表觀遺傳機(jī)制中起作用。有小鼠研究強(qiáng)調(diào)了丙酸鹽和丁酸鹽在調(diào)節(jié)性T細(xì)胞生長(zhǎng)和抑制HDAc的潛在作用[7]。而丙酸和乙酸經(jīng)血液流到不同器官中，被用作氧化、脂質(zhì)合成以及能量代謝的底物，特別是在肝臟中，肝細(xì)胞使用丙酸進(jìn)行糖異生[8]。膽堿作為一種必須的膳食營(yíng)養(yǎng)素，主要在肝臟中代謝。腸道微生物酶能催化膽堿轉(zhuǎn)化為三甲胺，然后在肝臟中進(jìn)一步氧化產(chǎn)生三甲胺N-氧化物。三甲胺N-氧化物是肝臟和心血管疾病相關(guān)的標(biāo)志代謝物[9]。初級(jí)膽汁酸在肝臟中合成，其主要功能是促進(jìn)脂肪和脂溶性維生素的吸收和膽固醇的分泌。約5%～10%的膽汁酸經(jīng)腸肝循環(huán)后在腸道中經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化為次級(jí)膽汁酸[10]。次級(jí)膽汁酸能控制特定的宿主代謝途徑，并通過(guò)G蛋白偶聯(lián)受體，如膽汁酸受體(TGR5)和法尼酯X激活受體(Farnesoid X Receptor, FXR)，參與腸道免疫調(diào)節(jié)和代謝調(diào)節(jié)，影響微生物群落的組成結(jié)構(gòu)[11]。研究證明，吲哚有助于改善上皮細(xì)胞功能，調(diào)控細(xì)胞因子的表達(dá)，以抑制炎癥反應(yīng)[12]。吲哚必須由幾種特定微生物(例如大腸桿菌，卵形擬桿菌，梭狀芽孢桿菌等)降解色氨酸生成，宿主不能自身合成。

表1 部分家畜腸道微生物代謝物[13]Table 1 Livestock intestinal microbial metabolites

2 代謝組學(xué)檢測(cè)

2.1 方法策略

目前最為常用的代謝組學(xué)研究策略有靶向代謝組學(xué)和非靶向代謝組學(xué)兩種。靶向代謝組學(xué)實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證已篩選的代謝差異物，并能提供定量的代謝物濃度，具有高特異性、精確性和準(zhǔn)確性等特點(diǎn)。非靶向代謝組學(xué)實(shí)驗(yàn)旨在描述樣品中全部的代謝物，對(duì)代謝物進(jìn)行半定量的檢測(cè)，通過(guò)盡可能多的檢測(cè)代謝物來(lái)比較不同樣品，以篩選生物標(biāo)記物[14]。此外，廣泛靶向代謝組是介于兩者之間的代謝組學(xué)研究策略[15]。這種方法結(jié)合兩種研究策略的特點(diǎn)，提供代謝物定量和半定量濃度，比非靶向代謝組學(xué)具有更高的準(zhǔn)確性和特異性，同時(shí)能檢測(cè)到比靶向代謝組學(xué)更多的代謝物[16]。

2.2 樣品保存和預(yù)處理

在用糞便或腸道內(nèi)容作物為樣品檢測(cè)代謝物時(shí)，消化腸道內(nèi)不僅有數(shù)萬(wàn)億的細(xì)菌微生物和宿主上皮細(xì)胞，還有不斷攝入的營(yíng)養(yǎng)分子和微生物群落釋放的小分子化合物。微生物及其代謝物、宿主細(xì)胞及其代謝物、外源營(yíng)養(yǎng)分子等構(gòu)成了腸道內(nèi)容物和糞便樣品中復(fù)雜的生物學(xué)環(huán)境。因此樣品預(yù)處理會(huì)對(duì)代謝組學(xué)的檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生巨大影響。

直接提取分析腸道內(nèi)容物或糞便樣品中全部的代謝物分子是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中常用的方法[17]。通過(guò)這種方法檢測(cè)到的代謝物是宿主和微生物群落共同代謝的結(jié)果。而先從樣品中富集提取出微生物細(xì)胞，分析微生物細(xì)胞中的代謝物沉淀是研究環(huán)境因子、宿主和微生物之間相互聯(lián)系的更有效的方法[18]，該方法主要利用差速梯度離心的方式，首先富集樣品中的腸道微生物細(xì)胞，然后分別用高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography, HPLC)級(jí)的甲醛和水萃取微生物細(xì)胞沉淀，制取用于提取檢測(cè)代謝物的混合溶液，以此進(jìn)行代謝組檢測(cè)。腸道微生物活動(dòng)中直接生成或吸收的代謝物更能代表微生物的活動(dòng)和變化，并且這種方法可以提供與宏基因組數(shù)據(jù)直接相關(guān)的信息，與使用全部?jī)?nèi)容物或糞便樣品檢測(cè)代謝物相比更為真實(shí)可信。

2.3 分析平臺(tái)

代謝組學(xué)分析需要根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蜆悠诽匦砸约按x物的理化特性選擇合適的分析平臺(tái)[19]。最常用的分析技術(shù)主要是質(zhì)譜(Mass Spectrometry，MS)技術(shù)和核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)。

色譜質(zhì)譜聯(lián)用平臺(tái)的特點(diǎn)是結(jié)合了色譜良好的分離能力和質(zhì)譜的普適性、高靈敏度以及專(zhuān)一性。氣相色譜質(zhì)譜(Gas Chromatography-mass Spectrometry, GC-MS)更適合用于揮發(fā)性熱穩(wěn)定化合物；而毛細(xì)管電泳質(zhì)譜(Capillary Electrophorsis-mass Spectrometry, CE-MS)適用于小型可電離分子；液相色譜質(zhì)譜(Liquid Chromatography-mass Spectrometry, LC-MS)平臺(tái)分析的代謝物分子量明顯高于GC-MS，而且超高效液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用(UPLC-MS)具備更高的分析能力。具體而言，LC-MS主要用于檢測(cè)不同類(lèi)型的膽汁酸和脂質(zhì)，CE-MS主要用于氨基酸、胺和羧酸，GC-MS主要用于短鏈脂肪酸和氨基酸[19]。在任何色譜-質(zhì)譜系統(tǒng)中，樣品不可避免的直接與儀器相互作用，導(dǎo)致在測(cè)定過(guò)程中分析物響應(yīng)隨時(shí)間的變化而變化。NMR的靈敏度較色譜-質(zhì)譜系統(tǒng)偏低，但是樣品和儀器操作部分沒(méi)有物理相互作用，沒(méi)有儀器污染的靈敏度變化，因此具有較好的重復(fù)性[19]。

2.4 數(shù)據(jù)處理和檢驗(yàn)

用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用平臺(tái)或核磁共振的方法，在模式識(shí)別分析之前都需要對(duì)獲取的原數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理，將高維的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維和簡(jiǎn)化。為了充分挖掘所獲得數(shù)據(jù)中的潛在信息，對(duì)數(shù)據(jù)的后期分析需要應(yīng)用一系列的計(jì)量學(xué)和多元統(tǒng)計(jì)分析方法，即模式識(shí)別，隨后比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)以鑒別差異代謝物。如果沒(méi)有找到差異代謝物，那么還可以就檢測(cè)到的物質(zhì)進(jìn)行通路分析，觀察是否有其他的補(bǔ)給途徑、代謝途徑與性狀之間存在一定的關(guān)聯(lián)性等。找出差異代謝物之后可使用ROC分析進(jìn)行模型驗(yàn)證。

3 腸道微生物代謝物對(duì)宿主的影響

3.1 微生物代謝物對(duì)宿主營(yíng)養(yǎng)代謝的影響

3.1.1 微生物代謝物與蛋白質(zhì)代謝 家畜攝入的膳食蛋白質(zhì)和內(nèi)源性蛋白質(zhì)在小腸腔中混合和消化，在大腸中被微生物發(fā)酵。在腸道中，蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)生的能量可以作為腸上皮細(xì)胞的部分能量來(lái)源[20]。蛋白質(zhì)先被蛋白酶水解成氨基酸和肽，通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞。氨基酸可以在微生物細(xì)胞中作為合成蛋白質(zhì)的原料直接利用，也可以進(jìn)入分解代謝途徑，主要的代謝反應(yīng)是在結(jié)腸中發(fā)生Stickland反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的酮酸[20]。其中，丙酮酸是一個(gè)重要的發(fā)酵代謝反應(yīng)起點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)，末端H-受體生成短鏈脂肪酸(主要是乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽)、有機(jī)酸(主要是甲酸鹽，乳酸和琥珀酸鹽)、H2和CO2[21]。通常有機(jī)酸不會(huì)累積，而是被其他細(xì)菌物種迅速進(jìn)一步代謝成短鏈脂肪酸。另外，腸道微生物可以從頭合成一些蛋白質(zhì)生物合成所需的氨基酸，有助于調(diào)節(jié)體內(nèi)氨基酸穩(wěn)態(tài)。微生物代謝所產(chǎn)生的氨基酸還能夠作為信號(hào)分子，激活mTOR通路，促進(jìn)宿主細(xì)胞蛋白質(zhì)的沉淀，從而改善腸道內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)水平[22]。

氨是家畜糞便中刺激性氣味的主要來(lái)源，腸道中大部分的氨氣被排除體外，釋放到空氣中，對(duì)人與動(dòng)物健康都有著不良影響。腸道菌群發(fā)酵氨基酸，經(jīng)過(guò)脫氨基作用以及分泌脲酶以分解尿素生成氨氣[23]。生成氨氣所涉及到的微生物種類(lèi)較多，尚未確定影響氨氣生成的主要菌種是哪一類(lèi)。硫化氫也是家畜排放臭氣中的主要物質(zhì)之一，其含量?jī)H次于氨。B.wadsworthia菌的?；撬岷土u乙磺酸代謝涉及含硫氨基酸的脫硫反應(yīng)，生成游離的亞硫酸鹽，然后在異化亞硫酸鹽還原酶的作用下生成硫化氫[24]。此外，部分異養(yǎng)菌對(duì)半胱氨酸的脫硫作用也有助與硫化氫的生成[25]。

還有許多復(fù)合氨基酸經(jīng)歷一系列反應(yīng)代謝，包括裂變、脫氨基、脫羧氧化和還原等，產(chǎn)生各種相對(duì)應(yīng)的代謝終產(chǎn)物。例如，酪氨酸產(chǎn)生4-乙基苯酚、苯酚和對(duì)甲酚，色氨酸產(chǎn)生吲哚和糞臭素[26]。

3.1.2 微生物代謝物與碳水化合物代謝 腸道微生物發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生短鏈脂肪酸(Short-chain Fatty Acids, SCFAs)，主要包括甲酸鹽、乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等。已經(jīng)證明SCFAs，特別是丁酸鹽是維持結(jié)腸上皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)的重要底物，是結(jié)腸上皮細(xì)胞的重要能量來(lái)源[27]。丁酸鹽通過(guò)上調(diào)緊密連接蛋白Claudin-1的轉(zhuǎn)錄來(lái)增強(qiáng)腸上皮屏障功能[28]。SCFAs在食欲調(diào)節(jié)和能量攝入方面起著重要作用。試驗(yàn)證明，丙酸鹽通過(guò)激活受體FFAR2(Free Fatty Acid Receptor 2)和FFAR3(Free Fatty Acid Receptor 3)來(lái)增加胃腸激素 (Peptide YY, PYY)和胰高血糖素樣肽-1 (Glucagon-like Peptide-1, GLP-1)的含量，從而調(diào)節(jié)短期食欲和影響血漿葡萄糖水平[29]。PYY被稱(chēng)為飽腹激素，能夠增加肌肉和脂肪組織中葡萄糖誘導(dǎo)分泌的胰島素水平，GLP-1通過(guò)增加胰島素的分泌和減少胰腺分泌胰高血糖素間接調(diào)節(jié)血糖水平。丙酸鹽還可以通過(guò)血液循環(huán)運(yùn)輸至肝臟部位，可作為糖異生與脂質(zhì)合成的反應(yīng)底物，被肝臟細(xì)胞重新利用[8]。乙酸進(jìn)入外周組織中，作為膽固醇等生理活性物質(zhì)的合成原料[30]。關(guān)于甲酸鹽在腸道中的作用研究相對(duì)較少。甲酸鹽與產(chǎn)生甲烷有關(guān)，并且在炎癥條件下濃度可能會(huì)提高[31]。乳酸可以進(jìn)一步代謝生成乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽[32]。

3.1.3 微生物代謝物與脂質(zhì)代謝 SCFAs除了能參與碳水化合物代謝之外，還可以參與調(diào)節(jié)脂肪酸合成、氧化和體內(nèi)脂肪分解之間的平衡。SCFAs已被證明可以激活肝臟和肌肉組織中AMP蛋白激酶的活性,以觸發(fā)PGC-1α基因的表達(dá)，從而增加產(chǎn)熱和脂肪酸氧化[33-34]。肝臟中的脂肪分解似乎受SCFAs的影響不大，但是研究發(fā)現(xiàn)，乙酸鹽和丙酸鹽能夠抑制脂肪組織中的脂肪分解，促進(jìn)脂肪生成[35]。其機(jī)制為，F(xiàn)FAR2介導(dǎo)的脂解抑制首先激活G蛋白，G蛋白抑制腺苷酸環(huán)化酶活性，從而減少ATP中cAMP的生成，降低蛋白激酶A的活性，導(dǎo)致脂肪組織中激素敏感脂肪酶(Hormone-sensitive Triglyceride Lipase, HSL)的去磷酸化和失活。HSL可以水解甘油三酯，是控制脂肪組織脂解的關(guān)鍵分子之一，失活后可達(dá)到抑制脂肪分解的效果[36]。另外，F(xiàn)FAR2在白色脂肪組織的脂肪儲(chǔ)存中也起著重要作用。研究表明FFAR2缺失的小鼠在正常飲食中是肥胖的，而在脂肪組織中特異性過(guò)表達(dá)FFAR2的小鼠即使在喂食高脂肪飲食時(shí)也能保持身材[37]。瘦素是一種重要的脂肪來(lái)源穩(wěn)態(tài)信號(hào)，可以調(diào)節(jié)能量平衡和食欲。乙酸鹽似乎也刺激脂肪細(xì)胞中的瘦素的分泌[38]。

3.2 微生物代謝物對(duì)動(dòng)物繁殖性能的影響

對(duì)孕期母畜和種公畜的腸道微生物的調(diào)節(jié)，尤其是氨基酸相關(guān)的微生物調(diào)節(jié)，對(duì)家畜的繁殖性能以及子代的健康十分重要。研究表明，腸道微生物代謝生成氨基酸等代謝產(chǎn)物的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生含硫、含氮的代謝物。過(guò)量的含硫、氮代謝物(硫化氫、一氧化氮等)會(huì)進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，影響宿主健康。家畜動(dòng)物繁殖階段，微生物代謝產(chǎn)物可通過(guò)精子、卵子、生殖道、母乳等多個(gè)繁殖環(huán)節(jié)影響新生幼畜的健康[39]。因此，調(diào)節(jié)孕期親代的腸道中與氨基酸代謝相關(guān)的微生物是調(diào)節(jié)和維持機(jī)體代謝平衡和生殖健康的關(guān)鍵[40-41]。研究表明，母體懷孕期間腸道內(nèi)會(huì)發(fā)生各種變化，包括增加腸道運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)吸收和腸道通透性，以及改變腸道微生物群落組成結(jié)構(gòu)等。先前對(duì)環(huán)江小型豬的研究表明，根據(jù)懷孕第一至第三孕期不同營(yíng)養(yǎng)水平的飲食，細(xì)菌代謝產(chǎn)物會(huì)發(fā)生變化[42]。懷孕和哺乳期間的母體營(yíng)養(yǎng)水平可能通過(guò)改變后代早期腸道微生物的豐度而對(duì)后代產(chǎn)生重大影響[43]。后代早期的腸道微生物群落組成與其長(zhǎng)期的健康有關(guān)，妊娠早期和母乳喂養(yǎng)期間的母體飲食會(huì)影響母親和后代的微生物群落組成，對(duì)母親和后代具有長(zhǎng)期影響[44]。

雄性動(dòng)物繁殖性能也與氨基酸的利用和代謝有關(guān)。循環(huán)中足量的氨基酸，特別是精氨酸，對(duì)于精子的生成、分化和成熟都至關(guān)重要，從而影響精子的數(shù)量和質(zhì)量[40]。在小腸腔中，微生物(特別是表達(dá)高水平精氨酸酶的微生物)數(shù)量的增加將促進(jìn)膳食精氨酸的分解代謝，因此有助于精子活力。5-羥色胺是一種色氨酸相關(guān)的代謝產(chǎn)物，對(duì)于中樞神經(jīng)和外周神經(jīng)對(duì)射精的控制很重要[45]。據(jù)報(bào)道，血清素可以通過(guò)激活腦或脊髓中不同的5-羥色胺受體來(lái)增加或減少射精潛伏期，其凈效應(yīng)是延長(zhǎng)射精和延遲性高潮[46]。最近對(duì)小鼠的研究表明，由酪丁酸梭菌產(chǎn)生的丁酸鹽等代謝物通過(guò)血液屏障的滲透性和睪丸的內(nèi)分泌功能來(lái)改善睪丸的發(fā)育[47]。

3.3 微生物-腦-腸軸

3.3.1 大腦向腸道微生物的信號(hào)傳導(dǎo) 中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central Nervous System, CNS)與胃腸道功能通過(guò)微生物-腦-腸軸進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)。目前這種微生物與宿主的互作機(jī)制研究主要集中在人類(lèi)和小鼠中。在一項(xiàng)改變小鼠飲食的研究中，食用抗性淀粉的小鼠腸道菌群發(fā)生改變，同時(shí)伴隨著體重增加不足和焦慮等現(xiàn)象[48]。這些研究對(duì)家畜動(dòng)物的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)、動(dòng)物健康等方面同樣具有很大的指導(dǎo)意義。

CNS對(duì)腸道微生物的調(diào)節(jié)可以分為直接調(diào)節(jié)和間接調(diào)節(jié)兩種。直接調(diào)節(jié)是指CNS可通過(guò)神經(jīng)內(nèi)分泌通路直接影響腸道微生物群落，分泌的神經(jīng)遞質(zhì)通常涉及兒茶酚胺，其濃度可受到宿主身體和心理壓力的影響。間接調(diào)節(jié)則是通過(guò)調(diào)節(jié)腸道環(huán)境間接影響腸道微生物群落。間接信號(hào)傳導(dǎo)涉及自主神經(jīng)系統(tǒng)(Autonomic Nervous System, ANS)，其交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)兩條分支都可以調(diào)節(jié)腸道生理生化變化，從而影響微生物的組成和功能[49-50]。ANS還可以通過(guò)調(diào)節(jié)杯狀細(xì)胞功能以及腸上皮細(xì)胞通透性來(lái)調(diào)節(jié)腸黏膜層的完整性[51]。

3.2.2 微生物群落向大腦的信號(hào)傳導(dǎo) 微生物代謝產(chǎn)物是從腸道微生物到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的通信介質(zhì)，主要包括短鏈脂肪酸，二級(jí)膽汁酸和色氨酸代謝物等[52]。有一些直接與腸內(nèi)分泌細(xì)胞、腸嗜鉻細(xì)胞和粘膜免疫系統(tǒng)相互作用，向中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信號(hào)。另一些代謝物能夠穿過(guò)腸壁屏障進(jìn)入體循環(huán)，甚至可以穿過(guò)血腦屏障，對(duì)宿主發(fā)生信號(hào)[53-54]。

越來(lái)越多的研究表明，微生物群落在宿主神經(jīng)免疫信號(hào)傳導(dǎo)中起著重要作用。微生物群落對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的作用主要表現(xiàn)為影響神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育。小膠質(zhì)細(xì)胞參與早期CNS的發(fā)育，并且在整個(gè)生命過(guò)程中具有維持穩(wěn)態(tài)、抗原呈遞、吞噬作用和調(diào)節(jié)炎癥的作用[55]。Erny等[51]發(fā)現(xiàn)無(wú)菌小鼠和抗生素治療的小鼠相較于正常小鼠顯示出未成熟小膠質(zhì)細(xì)胞的比例增加，表明微生物代謝產(chǎn)生的SCFAs在促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞成熟和維持正常功能方面具有不可或缺的作用。研究結(jié)果還表明，宿主細(xì)菌可以對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和功能進(jìn)行過(guò)度調(diào)節(jié)，而小膠質(zhì)細(xì)胞損傷可以通過(guò)復(fù)雜的微生物群在一定程度上得到糾正[51]。盡管SCFAs的重要作用肯定與小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育和功能的調(diào)節(jié)有關(guān)，但驅(qū)動(dòng)這些變化的確切機(jī)制以及潛在的其他微生物介質(zhì)作用尚未完全解釋清楚[55]。研究腸道微生物對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞不同發(fā)育時(shí)段的影響也很重要。Matcovitch-Natan等[57]的研究結(jié)果顯示，與對(duì)照組正常小鼠相比，成年無(wú)菌小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞基因表達(dá)譜下調(diào)程度高于新生無(wú)菌小鼠，這將微生物組與小膠質(zhì)細(xì)胞從前期表型到成體表型的轉(zhuǎn)變聯(lián)系起來(lái)。

微生物和CNS之間的相互作用還涉及星形膠質(zhì)細(xì)胞。星形膠質(zhì)細(xì)胞代表功能多樣的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞群，其作用包括離子穩(wěn)態(tài)的維持、神經(jīng)遞質(zhì)清除、糖原儲(chǔ)存、血腦屏障的維持和神經(jīng)元信號(hào)傳導(dǎo)的支持、以及它們?cè)谏窠?jīng)炎癥中的突出作用[57]。微生物代謝產(chǎn)物可通過(guò)調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞中的I型干擾素信號(hào)傳導(dǎo)來(lái)激活芳基烴受體(Arylhydrocarbon Receptors, AhRs)以減輕炎癥，其中，吲哚是最重要的微生物代謝的AhR激動(dòng)劑之一[59-60]。腸腔中大多數(shù)未消化的膳食色氨酸被專(zhuān)門(mén)的微生物色氨酸酶轉(zhuǎn)化為吲哚，然后在微生物和肝臟中進(jìn)一步代謝或修飾，產(chǎn)生對(duì)AhR具有不同親和力的吲哚衍生物[61]。

3.3.3 自下而上的信號(hào)屏障 腦腸軸內(nèi)自下而上的信號(hào)通過(guò)兩個(gè)動(dòng)態(tài)屏障調(diào)節(jié)：首先是腸道上皮屏障，由與上層細(xì)胞間緊密連接蛋白相連的基底單層上皮細(xì)胞和含有抗菌肽和分泌型免疫球蛋白的動(dòng)態(tài)粘液層組成[62]；其次是血腦屏障，由與緊密連接蛋白相連的腦內(nèi)皮細(xì)胞組成，是血管與中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的重要屏障[63]。與腸道上皮屏障相比，血腦屏障具有更高的選擇性。

腸道上皮屏障在維持腸道穩(wěn)態(tài)中起著重要作用，能夠促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水和電解質(zhì)的吸收。胃腸粘膜中的模式識(shí)別受體，如Toll樣受體(Toll-like Receptors, TLR)等，被特定的微生物代謝產(chǎn)物激活，以增強(qiáng)宿主胃腸道內(nèi)的抵抗病原微生物、腸道抗炎的能力和免疫耐受性[64-65]。粘液層居住著大量腸道微生物，形成了一種動(dòng)態(tài)屏障，也是一種富含糖蛋白的生物膜[66]。這種保護(hù)性生物膜在低膳食纖維期間可被微生物降解，從而增加病原體易感性[67]。丁酸鹽作為上皮細(xì)胞重要的能量來(lái)源，可以增加上皮細(xì)胞增殖分化，促進(jìn)緊密連接蛋白的組裝和表達(dá)以增加粘液分泌促進(jìn)腸道上皮屏障的完整性[68]。腸道屏障的通透性也可能受到炎癥介質(zhì)和交感神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)的影響[69-70]。

血腦屏障(Blood-brain Barrier, BBB)代表循環(huán)系統(tǒng)和CNS的腦脊髓之間的擴(kuò)散屏障。腸道微生物群可通過(guò)調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的表達(dá)來(lái)影響該屏障的通透性[63]。臨床證據(jù)表明，SCFAs可作為關(guān)鍵信號(hào)代謝物，通過(guò)表觀遺傳修飾調(diào)節(jié)受微生物影響的BBB發(fā)育和維持。研究表明，丁酸鹽驅(qū)動(dòng)的表觀遺傳變化可能在調(diào)節(jié)緊密連接蛋白表達(dá)中發(fā)揮重要作用[63]。另外，由于乙酸是一種低分子量的SCFAs，可以穿過(guò)BBB為大腦用作能量來(lái)源，因此可能調(diào)節(jié)BBB通透性[71]。脂多糖也可能具有游離性，可能在一定程度上通過(guò)全身免疫激活來(lái)破壞BBB[72]。

4 展 望

腸道微生物及其代謝產(chǎn)物調(diào)控家畜動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育和免疫健康。研究家畜動(dòng)物腸道內(nèi)微生物的組成和結(jié)構(gòu)，分析其代謝產(chǎn)物和篩選標(biāo)志代謝物，揭示微生物與宿主之間的相互作用，為重要畜牧經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的遺傳育種，性狀改良和疾病診斷等提供重要理論基礎(chǔ)。逐漸有新的代謝組學(xué)研究分析技術(shù)，如代謝流分析和單細(xì)胞代謝組學(xué)等，提供了更加全面精確的測(cè)量與分析。然而，作為基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后發(fā)展起來(lái)的新的組學(xué)技術(shù)，代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)還不完整，制約了代謝組學(xué)與其他組學(xué)之間的關(guān)聯(lián)分析。隨著組學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究的不斷深入，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物與宿主的互作機(jī)制也將逐漸明朗，對(duì)于挖掘和改良農(nóng)業(yè)動(dòng)物優(yōu)質(zhì)性狀至關(guān)重要。