杜 梅 梁澤毅 張劍搏 丁學(xué)智,2*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所，甘肅省牦牛繁育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部獸用藥物創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)

微生物組學(xué)和生物信息學(xué)等技術(shù)的快速發(fā)展，極大地促進(jìn)了人們對(duì)動(dòng)物腸道菌群結(jié)構(gòu)、功能及其與宿主腸道免疫系統(tǒng)相互作用的認(rèn)知。健康狀態(tài)下腸道菌群與宿主共生，維持宿主正常生理功能，參與機(jī)體免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)，協(xié)同拮抗病原入侵等過(guò)程的發(fā)生。病原菌入侵或其他因素干擾造成腸道菌群穩(wěn)態(tài)失衡，可能導(dǎo)致病原體感染、有害病原菌過(guò)度生長(zhǎng)或炎性疾病發(fā)病率增加。目前，關(guān)于腸道菌群與宿主腸道免疫系統(tǒng)相互作用在其他哺乳動(dòng)物上的研究較為深入[1-3]。然而，家畜品種、飼養(yǎng)環(huán)境、不同生長(zhǎng)階段營(yíng)養(yǎng)需求模式及機(jī)體代謝差異等因素，極大地限制了反芻動(dòng)物腸道菌群與宿主腸道免疫互作的系統(tǒng)研究。研究表明，新生反芻動(dòng)物早期有益菌群的快速定植可促進(jìn)回腸黏膜免疫系統(tǒng)功能的發(fā)育。隨著年齡遞增和飼料攝入量增加，腸道細(xì)菌總數(shù)與腸黏膜免疫基因的表達(dá)顯著相關(guān)[4]，表現(xiàn)為腸道菌群在宿主營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化、機(jī)體免疫和健康等方面起著非常重要的導(dǎo)向作用，尤其是與宿主腹瀉[5]、乳房炎[6]、副結(jié)核病[7]和炎癥性腸病[8]等疾病發(fā)生關(guān)系密切。因此，明晰反芻動(dòng)物腸道菌群組成與功能及其與宿主腸道免疫反應(yīng)的調(diào)控機(jī)理，對(duì)預(yù)防疾病的發(fā)生及維護(hù)動(dòng)物健康尤為重要。本文通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的積累和回顧，綜述了反芻動(dòng)物腸道菌群組成與宿主腸道免疫系統(tǒng)互作關(guān)系，介紹了不同外源調(diào)控方式對(duì)反芻動(dòng)物腸道菌群及其腸道免疫功能的調(diào)控機(jī)理，以期為后抗生素時(shí)代家畜健康養(yǎng)殖與應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 反芻動(dòng)物腸道菌群與腸道黏膜免疫系統(tǒng)

1.1 反芻動(dòng)物腸道菌群組成與功能

反芻動(dòng)物腸道菌群組成上以細(xì)菌為主，其中厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)最豐富，變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)和軟壁菌門(Tenericutes)等次之[9-10]。厚壁菌門在纖維素降解方面起著重要作用[11]，而擬桿菌門可提高復(fù)合碳水化合物的利用率，并促進(jìn)有機(jī)物的發(fā)酵[12]。瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)是反芻動(dòng)物結(jié)腸黏膜中的優(yōu)勢(shì)科，主要參與纖維飼料的發(fā)酵，其產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)與維持腸道健康密切相關(guān)[13]。奶牛腸道普氏菌屬(Prevotella)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)和消化鏈球菌屬(Peptostreptococcus)在飼料消化中具有重要作用，而丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)和密螺旋體屬(Treponema)等與上皮細(xì)胞增殖和動(dòng)物腸道健康有關(guān)[9]。此外，雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、糞桿菌屬(Faecalibacterium)和乳酸桿菌屬(Lactobacillus)等細(xì)菌廣泛存在于新生反芻動(dòng)物的空腸和回腸中，對(duì)提高機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化與吸收、增強(qiáng)機(jī)體免疫及相關(guān)疾病預(yù)防等方面發(fā)揮作用[14]。反之，某些腸道細(xì)菌可誘導(dǎo)疾病的發(fā)生，如副結(jié)核分枝桿菌(Mycobacteriumaviumssp.paratuberculosis，MAP)可引起反芻動(dòng)物感染副結(jié)核病[6]。牛[15]、山羊[16]和綿羊[17]結(jié)腸中發(fā)現(xiàn)彎曲桿菌屬(Campylobacter)的富集與組織的局部炎癥密切相關(guān)。另有研究表明，山羊體內(nèi)梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)如產(chǎn)氣莢膜梭菌(C.perfringens)、艱難梭菌(C.difficile)和破傷風(fēng)梭菌(C.tetani)等是引發(fā)和誘導(dǎo)腸道疾病發(fā)生的主要病原體[18]；回腸分節(jié)絲狀菌屬(Candidatusarthromitus)、密螺旋體屬(Treponema)和梭菌屬(Clostridium)3個(gè)菌屬相對(duì)豐度的變化是誘發(fā)山羊回腸局部炎癥的原因之一[19]。在患有腹瀉的新生犢牛小腸中觀察到大腸桿菌(Escherichiacoli)的相對(duì)豐度顯著升高[20]。此外，牛糞便中存在厭氧真菌和產(chǎn)甲烷菌如甲烷短桿菌屬(Methanobrevibacter)和甲烷球菌屬(Methanosphaera)，盡管它們?cè)谀c道中發(fā)揮的作用與瘤胃相似，但目前尚無(wú)直接證據(jù)表明其參與腸道免疫功能的調(diào)控[21-23]。

1.2 反芻動(dòng)物腸道黏膜免疫系統(tǒng)

腸道免疫系統(tǒng)是機(jī)體免疫系統(tǒng)的重要組成部分，普遍存在于腸道黏膜并直接暴露于外部抗原環(huán)境中[24]，且腸道黏膜免疫系統(tǒng)為90%以上的潛在病原體提供了第1道免疫防御屏障[25]。動(dòng)物腸道黏膜免疫系統(tǒng)主要由物理屏障、化學(xué)屏障、模式識(shí)別受體和免疫細(xì)胞等組成，其中物理屏障包括黏膜層和上皮層，在阻止腸腔中致病菌入侵方面起著關(guān)鍵作用[26]。黏膜層是第1道物理屏障，含有分泌型網(wǎng)狀糖化黏蛋白，可捕捉有害菌群使其無(wú)法到達(dá)黏膜層；化學(xué)屏障包括抗菌肽(antimicrobial peptides，AMPs)和分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A，sIgA)，可抑制黏膜層致病菌的生長(zhǎng)；模式識(shí)別受體(pattern recognition receptor，PRRs)如Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)和Nod樣受體(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors，NLRs)具有區(qū)分病原體和非致病性共生菌的能力，識(shí)別入侵的病原微生物并激活固有免疫系統(tǒng)，從而產(chǎn)生快速反應(yīng)，引起炎癥反應(yīng)或修復(fù)應(yīng)答，防止病原體入侵并減少對(duì)宿主的損傷[27]；執(zhí)行上述免疫功能的腸道免疫細(xì)胞如巨噬細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞(dendritic cells，DCs)可選擇性接觸、攝取、運(yùn)輸外部抗原，將抗原吞噬并轉(zhuǎn)運(yùn)至抗原遞呈細(xì)胞(antigen-presenting cells，APCs)從而被清除；其他腸道免疫細(xì)胞如T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞等，分化為不同的效應(yīng)細(xì)胞，介導(dǎo)分泌不同的細(xì)胞因子，產(chǎn)生免疫應(yīng)答、修復(fù)或重塑黏膜免疫屏障[28]。成熟的T細(xì)胞可遞呈特異性抗原并被激活分化為不同的效應(yīng)T細(xì)胞和記憶性T細(xì)胞，其中輔助性T細(xì)胞(helper T cells，Th)和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cells，Tregs)是T細(xì)胞通過(guò)產(chǎn)生細(xì)胞因子調(diào)節(jié)適應(yīng)性免疫應(yīng)答的主要效應(yīng)細(xì)胞；同時(shí)，Th17、Tregs等對(duì)維持腸道黏膜免疫系統(tǒng)的完整性起關(guān)鍵作用[29]。

2 反芻動(dòng)物腸道菌群與宿主腸道黏膜免疫系統(tǒng)的互作

反芻動(dòng)物腸道菌群的組成對(duì)免疫系統(tǒng)發(fā)育和功能具有重要影響，并與宿主腸道黏膜免疫系統(tǒng)相互協(xié)助維護(hù)機(jī)體健康。一方面，宿主免疫反應(yīng)有益于腸道菌群在腸道黏膜快速定植，并形成共生菌隔離屏障，防止致病菌入侵宿主，維持屏障完整性[14]；另一方面，腸道菌群參與模式識(shí)別受體識(shí)別共生菌和致病菌，抑制并清除病原菌，或通過(guò)調(diào)節(jié)樹(shù)突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞等免疫細(xì)胞清除病原菌的方式影響宿主免疫反應(yīng)[30]。因此，深入研究并揭示腸道菌群與宿主互作機(jī)制，對(duì)反芻動(dòng)物腸道疾病防控具有重要意義。

2.1 反芻動(dòng)物腸道菌群維持宿主腸道黏膜屏障完整性

反芻動(dòng)物腸道菌群通過(guò)多種機(jī)制(如競(jìng)爭(zhēng)抑制、分泌有機(jī)酸和抗菌肽等物質(zhì))抑制致病菌增殖，并通過(guò)調(diào)控緊密連接蛋白的表達(dá)和上皮通透性影響腸道屏障功能，從而調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡并影響腸道健康。研究表明，反芻動(dòng)物腸道共生菌如脆弱擬桿菌(Bacteroidesfragilis)在免疫系統(tǒng)發(fā)育中起重要作用，脆弱芽孢桿菌莢膜產(chǎn)生的免疫球蛋白A(IgA)有助于將共生菌定植于上皮表面，提供定植優(yōu)勢(shì)[14]。若腸道內(nèi)有益共生菌增加，可在黏液層中產(chǎn)生β-防御素等抗菌肽，對(duì)阻止病原菌的侵襲和增殖至關(guān)重要[31]。反芻動(dòng)物腸道如牦牛腸道中的紫單胞菌科(Porphyromonadaceae)、擬桿菌科(Bacteroidaceae)、普雷沃氏菌科(Paraprevotellaceae)等菌群可通過(guò)代謝腸道內(nèi)的碳水化合物產(chǎn)生SCFAs[32]，小尾寒羊后腸也聚集了大量產(chǎn)生SCFAs的菌群[33]。上述腸道菌群代謝產(chǎn)生SCFAs，為免疫細(xì)胞提供能量，促進(jìn)黏蛋白的分泌，阻止致病菌在腸道黏膜上的定植[34]；其中丙酸和丁酸可增加抗菌肽分泌，維護(hù)其黏膜屏障功能[35]。斷奶前犢牛小腸中黏膜相關(guān)細(xì)菌和內(nèi)容物中細(xì)菌總數(shù)增加時(shí)，其緊密連接蛋白基因如閉合蛋白(CLDN)-3、CLDN-4、閉鎖蛋白(OCLN)、閉合小環(huán)蛋白(ZO)-1、ZO-2和ZO-3表達(dá)上調(diào)，該類型基因編碼調(diào)節(jié)腸道通透性的蛋白質(zhì)，降低腸道通透性，增強(qiáng)腸道屏障功能[8]。Wang等[36]報(bào)道，糞桿菌屬的細(xì)菌通過(guò)分泌丁酸鹽，使緊密連接蛋白基因如ZO-1、OCLN等的表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而增強(qiáng)腸道屏障功能。反芻動(dòng)物采食高谷物飼糧后，大量未消化的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)到達(dá)后腸并刺激后腸發(fā)酵，改變了腸腔和黏膜中菌群的相對(duì)豐度，使得盲腸和結(jié)腸中菌群發(fā)酵增加導(dǎo)致其內(nèi)容物中pH降低、內(nèi)毒素脂多糖濃度增加，上皮緊密連接遭到破壞，在生產(chǎn)中家畜腸道亞急性酸中毒的風(fēng)險(xiǎn)增加，誘發(fā)局部炎癥的產(chǎn)生[19]。

2.2 反芻動(dòng)物腸道菌群與宿主TLRs的互作

TLRs是固有免疫中重要的模式識(shí)別受體，識(shí)別共生菌并維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)；致病菌入侵腸道激活TLRs信號(hào)通路誘發(fā)炎癥反應(yīng)[37]。TLR1、TLR2、TLR4～6和TLR10可識(shí)別細(xì)菌表面相關(guān)的分子模式，TLR3、TLR7～9可識(shí)別病毒和細(xì)菌的核酸[38]。由于細(xì)菌多樣性在整個(gè)腸道中分布各異，其數(shù)量可能代表細(xì)菌配體的變化，不同的細(xì)菌配體在調(diào)節(jié)TLRs表達(dá)和固有黏膜免疫反應(yīng)中起重要作用[39]。當(dāng)致病菌入侵腸道時(shí)，一旦突破了腸道黏膜屏障，就會(huì)被TLRs識(shí)別，TLRs與致病菌或病毒激動(dòng)劑結(jié)合后，通過(guò)髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88，MyD88)途徑誘導(dǎo)信號(hào)傳導(dǎo)，引起促炎細(xì)胞因子和趨化因子以及宿主防御肽的釋放，進(jìn)而激活免疫細(xì)胞反應(yīng)，發(fā)揮直接或間接殺菌作用[40]。研究報(bào)道，TLR2突變會(huì)增加奶牛對(duì)MAP的易感性，且在MAP感染的綿羊小腸中發(fā)現(xiàn)TLR6的表達(dá)上調(diào)，表明TLR2和TLR6在宿主對(duì)MAP的免疫應(yīng)答中起重要作用，直接影響機(jī)體腸道健康[41]。牛腸上皮細(xì)胞(intestinal epithelial cell，IEC)在營(yíng)養(yǎng)吸收和免疫屏障調(diào)節(jié)中具有重要作用，其IEC原代細(xì)胞培養(yǎng)是研究益生菌對(duì)牛宿主影響的理想模型[42]。Chiba等[43]在驗(yàn)證牛IEC作為研究抗病毒反應(yīng)的模型系統(tǒng)的研究中，證實(shí)了TLR3的表達(dá)。此外，牛IEC對(duì)TLR3激動(dòng)劑聚肌胞苷酸[poly(I:C)，PIC]的刺激有較強(qiáng)的反應(yīng)，并涉及到促炎細(xì)胞因子和Ⅰ型干擾素的顯著上調(diào)，上述反應(yīng)與牛和其他宿主的各類腸道病毒感染一致。Takanashi等[44]在評(píng)估TLR4在牛IEC中的表達(dá)對(duì)熱穩(wěn)定性腸毒性大腸桿菌(enterotoxigenicE.coli，ETEC)的響應(yīng)的過(guò)程中，觀察到TLR4對(duì)病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP)的識(shí)別表現(xiàn)為絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)和核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)途徑的激活和細(xì)胞因子的產(chǎn)生。體外試驗(yàn)表明，移除3周齡犢?；啬c中的共生菌群后，TLR5和TLR6的表達(dá)顯著上調(diào)，表明共生菌群可能在調(diào)節(jié)宿主相關(guān)TLRs表達(dá)方面發(fā)揮作用[45]。Jiao等[46]對(duì)山羊的研究同樣表明結(jié)腸中普氏菌屬、瘤胃球菌屬與TLR2信號(hào)通路相關(guān)；顫螺菌屬(Oscillospira)相對(duì)豐度與TLR2和TLR4基因表達(dá)之間的正相關(guān)關(guān)系表明其可能參與宿主免疫成熟過(guò)程，但具體功能尚不清晰。因此，TLRs通過(guò)識(shí)別PAMP激活信號(hào)通路，誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子表達(dá)，且不同的細(xì)菌配體在調(diào)節(jié)TLRs表達(dá)和固有黏膜免疫反應(yīng)中起重要作用。

2.3 反芻動(dòng)物腸道菌群對(duì)宿主腸道免疫細(xì)胞的影響

腸道黏膜免疫系統(tǒng)中具體執(zhí)行免疫功能的是各類免疫細(xì)胞，如適應(yīng)性免疫中的T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞以及其他固有免疫細(xì)胞(樹(shù)突狀細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞等)，免疫細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)是維持炎癥反應(yīng)與免疫耐受之間平衡的重要因素。羔羊結(jié)腸黏膜中腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)和干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)基因表達(dá)分別與副擬桿菌屬(Parabacteroides)和雙歧桿菌屬的相對(duì)豐度呈負(fù)相關(guān)，與布勞特氏菌屬(Blautia)和未分類的瘤胃球菌科(unclassified Ruminococcaceae)的相對(duì)豐度呈正相關(guān)，證明細(xì)胞因子基因表達(dá)的變化與結(jié)腸黏膜中特定細(xì)菌豐度的變化有關(guān)[47]。新生犢牛去除回腸段的內(nèi)容物可降低絨毛高度和黏膜下淋巴濾泡的大小，且分布于上皮內(nèi)和固有層的CD4+、CD8+、NK細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞等數(shù)量顯著減少，表明腸道菌群對(duì)黏膜細(xì)胞免疫功能的發(fā)揮具有調(diào)控作用[45]。糞桿菌可通過(guò)分泌代謝物刺激上皮細(xì)胞產(chǎn)生白細(xì)胞介素(IL)-10，抑制NF-κB的激活和促炎細(xì)胞因子IL-8的產(chǎn)生，降低犢牛腹瀉率及減少炎癥性腸病發(fā)病率(如克羅恩病)[48-49]。Malmuthuge等[50]研究發(fā)現(xiàn)，乳酸桿菌為犢牛回腸優(yōu)勢(shì)菌時(shí)，參與機(jī)體炎癥反應(yīng)的趨化因子C-X-C趨化因子配體(C-X-C chemokine ligand，CXCL)9、CXCL10和CXCL11的表達(dá)上調(diào)，表明乳酸桿菌的定植對(duì)新生犢牛的黏膜免疫系統(tǒng)具有啟動(dòng)效應(yīng)，抑制病原菌誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)的發(fā)生；當(dāng)擬桿菌屬為優(yōu)勢(shì)菌時(shí)，犢?；啬c中磷脂酶Cε1(phospholipase C epsilon 1，PLCE1)、趨化因子配體22(CCL22)和表皮生長(zhǎng)因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)的表達(dá)上調(diào)，從而刺激腸道T細(xì)胞分化，增強(qiáng)T細(xì)胞依賴型免疫反應(yīng)。此外，反芻動(dòng)物腸道中其他共生菌如分節(jié)絲狀菌(segmented filamentous bacterium)、脆弱擬桿菌、梭菌屬(Clostridium)等均可參與免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，其作用機(jī)制如圖1所示。腸腔中脆弱擬桿菌、梭菌屬可參與碳水化合物(如纖維素)的發(fā)酵，產(chǎn)生SCFAs直接或間接地促進(jìn)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)Tregs細(xì)胞分化，產(chǎn)生IgA和IL-10緩解炎癥反應(yīng)；同時(shí)，微生物產(chǎn)生的其他次級(jí)代謝產(chǎn)物還可上調(diào)分泌IL-22的3型先天性淋巴細(xì)胞，誘導(dǎo)抗菌肽的產(chǎn)生，發(fā)揮免疫功能[51]。

Segmented filamentous bacterium：分節(jié)絲狀菌；Clostridium consortium：梭狀芽胞桿菌；Bacteroides fragilis：脆弱擬桿菌；SAA：血清樣蛋白A serum like protein A；DC：樹(shù)突狀細(xì)胞 dendritic cell；IL-6：白細(xì)胞介素-6 interleukin-6；IL-23：白細(xì)胞介素-23 interleukin-23；Th17 cell：輔助性T細(xì)胞17 helper T cells 17；Dietary fiber：膳食纖維；SCFAs：短鏈脂肪酸 short chain fatty acid；TGF-β：轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β transforming growth factor-β；Treg cell：調(diào)節(jié)性T細(xì)胞 regulatory T cell；Diet：飼糧；Microbiota：菌群；Metabolites：代謝物；Type 3 innate lymphold cell：3型先天性淋巴細(xì)胞；IL-22：白細(xì)胞介素-22 interleukin-22；AMP：抗菌肽 antimicrobial peptides；REGⅢγ：再生源蛋白Ⅲγ regenerating protein Ⅲγ；REGⅢβ：再生源蛋白Ⅲβ regenerating protein Ⅲβ；Lumen：腸腔；Enterocytes：腸上皮細(xì)胞；Lamina propria：固有層；Suppress excessive immune response：抑制過(guò)度免疫反應(yīng)。

研究報(bào)道，宿主腸道感染鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)后，激活NF-κB信號(hào)通路，誘導(dǎo)細(xì)胞因子IL-1、IL-6、IL-8、TNF-2、TNF-α、IFN-γ和粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)的合成與釋放，產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，機(jī)體則表現(xiàn)出腹痛、腹瀉等癥狀，如犢?？诜?08和109菌落形成單位鼠傷寒沙門氏菌特定菌株，其表現(xiàn)出上述病原菌感染癥狀，宿主隨即啟動(dòng)多種免疫防御機(jī)制，包括嗜中性粒細(xì)胞募集和激活、NF-κB通路激活及細(xì)胞因子的釋放和細(xì)胞凋亡等[52]。沙門氏菌(Salmonella)感染的犢牛，其體內(nèi)白細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞增加，中性粒細(xì)胞/淋巴細(xì)胞比率增加[53]。

綜上所述，腸道菌群和腸道免疫系統(tǒng)間通過(guò)互相作用維持宿主健康，當(dāng)腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂(致病菌大量增殖)時(shí)，腸道固有免疫被激活并釋放各類炎癥細(xì)胞因子，進(jìn)而激活適應(yīng)性免疫來(lái)清除有害菌或病原菌，維護(hù)宿主腸道健康；與此同時(shí)，腸道免疫系統(tǒng)對(duì)腸道菌群一直處于防御狀態(tài)，當(dāng)腸道菌群中共生菌和有害菌之間的動(dòng)態(tài)平衡被打破，腸道免疫系統(tǒng)被激活，從而發(fā)揮清除病原菌或有害菌的免疫反應(yīng)，重新建立腸道菌群的動(dòng)態(tài)平衡，維護(hù)宿主腸道健康。

3 添加益生菌和益生元對(duì)反芻動(dòng)物腸道免疫系統(tǒng)的調(diào)控

目前，腸道菌群為腸道病理學(xué)及其他領(lǐng)域新的治療提供了潛在的作用靶點(diǎn)。益生菌和益生元被證明具有無(wú)毒副作用、無(wú)殘留和不產(chǎn)生抗藥性等優(yōu)點(diǎn)，在提升動(dòng)物的生長(zhǎng)性能、促進(jìn)腸道有益菌的定植、改善腸道菌群結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫系統(tǒng)及維護(hù)機(jī)體健康等方面具有重要作用，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)且被廣泛用作抗生素替代品[54]。

益生菌作為一種非特異性免疫調(diào)節(jié)因子，使腸黏膜相關(guān)淋巴組織活化，刺激腸道免疫器官發(fā)育，動(dòng)物抗體水平和巨噬細(xì)胞活性被提高，并且誘導(dǎo)T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子，通過(guò)淋巴細(xì)胞再循環(huán)使全身免疫系統(tǒng)活化[55]。除雙歧桿菌、乳酸菌和酵母菌(Saccharomycesyeast)等，芽孢桿菌(Bacillus)、腸球菌(Enterococcus)和糞桿菌等對(duì)反芻動(dòng)物腸道黏膜免疫系統(tǒng)也具有重要調(diào)控作用[56]。滅活的乳酸菌能刺激家畜樹(shù)突狀細(xì)胞增殖和IFN-γ的產(chǎn)生，使Tregs分泌升高，還能顯著提高腸黏膜IgA的含量[57]。此外，乳酸菌可增強(qiáng)外周血T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞的活性，使特異性免疫和非特異性免疫增強(qiáng)，提高動(dòng)物的抗病能力和免疫能力[58]。益生菌(如乳酸菌或芽孢桿菌)通常作用于幼齡反芻動(dòng)物小腸段，降低病原體對(duì)腸黏膜的黏附性，被認(rèn)為是穩(wěn)定腸道菌群平衡并抑制病原菌定植有效手段[59]。研究表明，用乳酸桿菌和雙歧桿菌復(fù)合制劑飼喂3～5日齡犢牛，其血清免疫球蛋白G(IgG)和IgA含量顯著高于空白對(duì)照組，淋巴細(xì)胞的轉(zhuǎn)化率顯著升高，犢牛的特異性和非特異性免疫水平顯著增強(qiáng)[60]。同時(shí)，添加乳酸桿菌可降低犢牛腹瀉率并改變糞便中乳酸桿菌與大腸桿菌的比值[61]。植物乳桿菌RG14可促進(jìn)斷奶羔羊空腸黏膜分泌IL-6，但I(xiàn)L-1β、IL-10和TNF的含量降低；同時(shí)，β-防御素等抗菌肽進(jìn)入腸腔，促進(jìn)緊密連接蛋白-1(TJP-1)、CLDN-1和CLDN-4的表達(dá)，增強(qiáng)腸黏膜屏障功能[62]。因此，植物乳桿菌是提高斷奶羔羊免疫功能和促進(jìn)胃腸道健康的潛在飼料添加劑。為反芻動(dòng)物補(bǔ)充枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)可促進(jìn)緊密結(jié)合蛋白的表達(dá)，提高腸道屏障的完整性，并降低IL-8的表達(dá)量，減緩免疫應(yīng)激[63]。此外，外源添加枯草芽孢桿菌還可提高湖羊免疫球蛋白、IFN-γ、IL-2和IL-6含量，提高免疫力[64]。Ma等[5]對(duì)患有乳房炎奶牛補(bǔ)充干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)等益生菌，發(fā)現(xiàn)益生菌在一定程度上改變了腸道菌群功能，抑制致病菌感染從而緩解奶牛乳房炎癥狀，表明腸道菌群失調(diào)可能是引發(fā)乳房炎的原因之一，恢復(fù)腸道菌群功能的益生菌(如干酪乳桿菌)是潛在的治療策略。綜上可知，乳酸菌作為益生菌可拮抗病原菌群，調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡，增強(qiáng)免疫屏障功能。此外，乳酸菌還具有活化免疫防御系統(tǒng)、激活巨噬細(xì)胞的吞噬能力、增強(qiáng)細(xì)胞免疫和體液免疫等功能[65]。

益生元，包括非淀粉多糖、膳食纖維、菊粉、低聚果糖等，是一類不易被消化的無(wú)生物活性的低聚糖類，通過(guò)選擇性刺激1種或幾種細(xì)菌的生長(zhǎng)與活性對(duì)宿主產(chǎn)生有益的影響，從而改善機(jī)體健康。甘露寡糖(mannan oligosaccharides，MOS)能夠被腸道有益菌發(fā)酵，同時(shí)產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)，降低腸道的pH，抑制腸道致病菌生長(zhǎng)繁殖。研究發(fā)現(xiàn)，飼喂MOS可提高犢牛腸道中乳酸桿菌和雙歧桿菌的數(shù)量，降低大腸桿菌、沙門氏菌等致病菌的數(shù)量；MOS與病原菌在腸壁上易結(jié)合的特異性糖分子的受體結(jié)構(gòu)相似，故能阻礙病原菌與腸黏膜上皮細(xì)胞特異性糖分子結(jié)合，使外源致病菌難以在腸道黏附和定植，并最終隨糞便排出體外[66]。此外，MOS增加小腸原始淋巴細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞活性，同時(shí)還能促進(jìn)淋巴細(xì)胞釋放IFN-γ，釋放的IFN-γ會(huì)激活巨噬細(xì)胞并促使巨噬細(xì)胞移向并吞噬病原菌[67]。菊粉是一類天然果聚糖，進(jìn)入腸道后可以改變腸道菌群的組成，能夠增加腸道中雙歧桿菌和乳酸桿菌的數(shù)量并提高其活性等，促進(jìn)有益菌群的增殖，抑制腐敗菌的增殖活動(dòng)，從而保護(hù)腸道健康，這種作用被稱為益生效應(yīng)[68-69]。給新生小牛犢補(bǔ)充菊粉，2周后結(jié)腸中乳酸菌和雙歧桿菌的相對(duì)豐富度顯著增加，與腸道免疫屏障緊密結(jié)合，激活宿主腸道黏膜免疫系統(tǒng)，維持腸道健康[70-71]。綜上所述，益生元主要通過(guò)改善腸道有益菌的調(diào)節(jié)機(jī)制發(fā)揮免疫作用，維持反芻動(dòng)物機(jī)體健康。

盡管益生菌和益生元作為抗生素替代物在提高機(jī)體腸道免疫方面具有重要作用，但實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)調(diào)控家畜腸道內(nèi)環(huán)境以改善機(jī)體免疫及提高生產(chǎn)性能的人工干預(yù)措施也備受關(guān)注。目前報(bào)道較多的外源調(diào)控措施主要有：糞菌移植、初乳飼喂、飼糧配方以及飼糧中外源添加中草藥類(大黃)、植物提取物(單寧、黃芪多糖)等(表1)。糞菌移植是將供體的糞便菌群移植給目標(biāo)受體，用于代謝性疾病、腸炎、自身免疫性疾病等的治療[72]。初乳中含有免疫球蛋白、生長(zhǎng)激素、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、酶等豐富的活性成分，飼喂初乳除了提供幼畜被動(dòng)免疫外，還可促進(jìn)幼畜小腸微生物的快速定植，對(duì)腸道健康起重要作用[73]。合理的飼糧配方以及外源飼料添加劑除了滿足各階段動(dòng)物生長(zhǎng)的需要，還可改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)素在宿主體內(nèi)的代謝。

表1 反芻動(dòng)物腸道菌群及宿主腸道免疫的調(diào)控

4 小 結(jié)

反芻動(dòng)物腸道健康是保證其發(fā)揮最佳生產(chǎn)性能的基礎(chǔ)。在當(dāng)前的集約化生產(chǎn)體系中，由于養(yǎng)殖環(huán)境、飼料來(lái)源及生產(chǎn)目標(biāo)等綜合因素的影響，反芻動(dòng)物腸道患腹瀉和炎癥性腸病的現(xiàn)象較為普遍。在各種腸道疾病發(fā)生過(guò)程中宿主與腸道菌群之間存在雙向關(guān)系，即宿主腸道免疫系統(tǒng)調(diào)控腸道菌群結(jié)構(gòu)，反之微生物菌群也會(huì)影響宿主腸道免疫。利用最新的生物技術(shù)手段(多組學(xué)、高通量測(cè)序及純培養(yǎng)技術(shù))，可以區(qū)分特定腸道菌群的位置，確定菌群多樣性及其功能，并探索菌群與宿主腸道免疫之間的關(guān)系。因此，明晰疾病發(fā)生過(guò)程中宿主與腸道菌群之間的相互作用機(jī)制，是確定精準(zhǔn)時(shí)間調(diào)控窗口、促進(jìn)腸道健康發(fā)育和提高飼料轉(zhuǎn)化效率的前提。目前，已有大多研究基于模式動(dòng)物小鼠、豬、雞等報(bào)道了腸道菌群與免疫之間的關(guān)系、次級(jí)代謝物(如膽汁酸等)和外援添加劑對(duì)腸道菌群和腸道免疫的調(diào)控以及腦-肝-腸軸對(duì)腸道菌群和宿主腸道免疫的調(diào)控機(jī)制，但在反芻動(dòng)物中卻鮮有報(bào)道。隨著“飼料全面禁止添加抗生素”計(jì)劃的實(shí)施，綠色、無(wú)殘留添加劑的應(yīng)用將成為趨勢(shì)。因此，今后的研究可基于多組學(xué)平臺(tái)和生物信息學(xué)等技術(shù)，聚焦于腸道疾病發(fā)生的潛在標(biāo)識(shí)物(腸道中關(guān)鍵菌群及其酶或代謝物)篩選，綠色添加劑、次級(jí)代謝物和腦-肝-腸軸等對(duì)腸道菌群和宿主腸道免疫的調(diào)控機(jī)制方面的研究，進(jìn)一步拓展對(duì)機(jī)體營(yíng)養(yǎng)代謝及腸道菌群與腸道免疫間的相互作用的認(rèn)知，以期為推動(dòng)反芻家畜無(wú)抗飼料的應(yīng)用及綠色健康養(yǎng)殖提供科學(xué)依據(jù)，為某些疾病的微生物診斷和治療方法建立奠定理論基礎(chǔ)。