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短链脂肪酸对肠道健康的调控机制及在动物生产中的应用

Edited At 2021年11月22日

薛永强  张辉华  王  达  何  冰  索绪虎  杨  博

1. 华南理工大学生物科学与工程学院,广东广州 5100062. 广东省脂类科学与应用工程技术研究中心,广东广州 5100063. 佛山科学技术学院,广东佛山 5282304. 安徽五粮泰生物工程股份有限公司,安徽六安 237000

 要:短链脂肪酸是指碳原子数少于6个的脂肪酸可以被动物机体快速吸收,参与机体代谢,为其提供能量、维持肠道完整、调节肠道菌群和调控免疫功能等是一种具有多种生理功能的饲料添加剂且安全无毒副作用。本文简述了短链脂肪酸的对肠道健康的调控机制及其在动物生产中的应用,旨在为研究短链脂肪酸在动物生产中的应用提供理论上的参考。

关键词:短链脂肪酸;肠道健康;肠道微生物;作用机制;生产性能

 

Regulation Mechanism of Short-chain Fatty Acids on Intestinal Health and Their Application in Animal Production

Xue Yongqiang, Zhang Huihua, Wang Da, He Bing, Suo Xuhu, Yang Bo

Abstract: Short-chain fatty acids refer to organic carboxylic acids with less than 6 carbon atoms, which can be quickly absorbed by animal, and participate in animal metabolism to provide energy, maintain intestinal integrity, regulate intestinal flora and regulate immune function. It is kind of feed additive with various physiological functions and have no toxic side. This review summarizes regulation mechanism of short-chain fatty acids on intestinal health and its application in animal production. The aim of this review is to provide a theoretical reference for the application of short-chain fatty acids in animal production.

Key words: short-chain fatty acids; intestinal health; intestinal microbiome; mechanism; productivity

短链脂肪酸(Short-chain fatty acidsSCFAs)是指碳原子数少于6个的脂肪酸,主要有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等SCFAs是肠道微生物的诸多产物之一,可以被动物快速的吸收,为动物肠道快速提供能量、优良的抗炎抑菌功能及维持动物肠道屏障功能SCFAs可以促进动物的肠道发育,进而达到促进动物健康生长的作用,受到广泛的关注。本文就SCFAs对动物肠道健康调控的可能机制及在动物生产上的应用进行综述,旨在为SCFAs作为饲料添加剂在动物肠道健康的调控及在生产上的应用和开发提供理论上的参考。

1  SCFAs特性及代谢途径

1.1  SCFAs的特性

SCFAs是碳原子6个以下的脂肪酸,分子结构小且不稳定,又称挥发性脂肪酸VFA),主要乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和异戊酸等。通常,动物的SCFAs的来源有两方面:一是直接通过外源获取,二是通过后肠微生物的发酵产生,后者也是动物体获取SCFAs的主要方式。对反刍动物来说,SCFAs是重要的能量来源,在瘤胃内的含量达90~150mmol/L,牛瘤胃一昼夜所产生的SCFAs可占机体所需能量的60%~70%对非反刍动物来说,SCFAs主要是膳食纤维通过微生物在结肠(猪)或盲肠(禽)发酵合成,是肠道上皮细胞的主要能量物质,为其提供60%~70%的能量需求,是维持动物肠道健康的重要物质。

SCFAs被肠道吸收后,乙酸和丙酸被运输至肝脏,主要是参与动物体的能量代谢,而丁酸则主要为肠黏膜供能。肠上皮细胞的健康主要依赖于丁酸,是肠黏膜的主要供能物质,其次是乙酸和丙酸肠黏膜具有重要的屏障功能,包括机械屏障、化学屏障、生物屏障和免疫屏障,其中免疫屏障最重要。肠黏膜的主要能量物质不是葡萄糖,而是以谷氨酸、谷氨酰胺为代表的氨基酸,或是以丁酸为代表的短链脂肪酸为主当能量不足时,会造成肠黏膜萎缩甚至肠绒毛的坏死脱落,严重影响动物的健康。因此SCFAs对维持动物肠道健康和肠黏膜完整性具有重要的作用,为动物补充SCFAs可以缓解由于谷氨酰胺供应不足造成的肠黏膜能量不足问题,具有良好的经济效益。

1.2  SCFAs的代谢途径

动物机体内90%以上的SCFAs以离子形式存在。对反刍动物来说,SCFAs的吸收主要在瘤胃进行,主要转化为能量物质供机体使用,被瘤胃上皮利用或被转运至肝脏代谢。而非反刍动物主要由肠道中微生物发酵而成,主要在结肠进行,产生的SCFAs90%~95%为乙酸、丙酸和丁酸,其余仅占5%~10%。丁酸产生后,主要作为肠道上皮的能量物质而被消耗,部分剩余少量丁酸进入肝脏参与糖异生、酮体和甘油三酯的合成,间接影响机体的糖脂代谢。乙酸和丙酸产生后,主要被运输至肝脏。乙酸可用来胆固醇的合成,在肝中合成长链脂肪酸、谷氨酸、谷氨酰胺和β-羟丁酸,此外还可被肌肉、心脏和脑等组织摄取和利用。丙酸在肝中主要进行糖异生作用,可抑制胆固醇的合成,并对脂肪的合成有抑制作用。

2  SCFAs对动物肠道健康的调控及作用机制

肠道是动物对营养物质消化、吸收和代谢的重要场所,也是机体抵御外界环境刺激的重要屏障,动物肠道的健康至关重要。SCFAs与动物能量代谢之间密切相关,可参与肠上皮能量供应,影响肠道环境。SCFAs可通过对动物肠道能量、肠道屏障及机体代谢等方面的调控,促进动物肠道发育,提高动物的免疫功能,保障动物的健康。

2.1  SCFAs对肠道能量的调控

SCFAs与机体能量代谢之间密切相关,对动物肠道的健康具有积极的影响。对反刍动物,SCFAs是重要的能量来源,牛瘤胃一昼夜所产生的SCFAs可占机体所需能量的60%~70%。对非反刍动物,结肠内发酵产生的SCFAs可为结肠上皮提供60%~70%的能量通常情况下,肠道优先利用丁酸,其次是丙酸和乙酸。研究发现,动物在前肠优先利用的能源物质是葡萄糖和谷氨酰胺,而丁酸却是结肠的首要能源物质。丁酸可通过羟甲基戊二酰辅酶A循环中的β-氧化作用进行能量代谢,是肠道黏膜上皮细胞的主要能量来源。SCFAs可以提高肠道绒毛高度和绒毛高度/隐窝深度比值,增加肠道二糖酶的活性,增加肠道与食物的接触面积,促进肠道的发育,加强动物对营养物质的消化吸收能力。由此可见,为动物补充SCFAs可以为动物肠道黏膜提供能量,维持肠道形态,促进肠黏膜发育,保障肠道的健康。

目前SCFAs对能量的调控机制尚不明确,更多的集中于分子方面。研究发现SCFAs在不同组织内的浓度不同,门静脉血液、外周血液及胃肠道内分别约为400mmol/L100mmol/L100mmol/L,表明SCFAs在不同组织内的具有不同的能量调控效应。微生物对维持结肠内NADH/NAD+ATP水平有很强的作用,因为结肠细胞以微生物产生的丁酸作为其主要能量来源结肠细胞受影响最大的途径是丁酸代谢途径,其次是氧化代谢途径。丁酸可通过两种途径对机体能量进行调控:(1)增加肝脏和肌肉中过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助激活因子-1αPPARγ coactivator-1αPGC-1α)和一磷酸腺苷激活蛋白激酶的表达2)促进棕色脂肪中线粒体解偶联蛋白和PGC-1α的活性与表达量,加剧脂肪酸氧化,增加机体产热。此外还有研究发现SCFAs可通过激活肠道糖异生作用(intestinal gluconeogenesisIGN),调节宿主能量代谢和机体健康。

2.2  SCFAs对肠道屏障的调控

动物的肠道屏障是抵御外来病原入侵的重要屏障,包括机械屏障、化学屏障、免疫屏障和微生物屏障等四大屏障任何一个屏障功能破坏,都导致机体的代谢紊乱,影响动物肠道的健康,进而导致生产性能下降。

2.2.1  SCFAs对机械屏障的调控

紧密连接是多种蛋白组成的复合体,主要包括跨膜蛋白(闭合蛋白 Claudins、闭锁蛋白 Occludin、连接黏附分子 JAM)和细胞质蛋白(闭合小环蛋白,ZO肠道机械屏障性能密切相关增加紧密连接相关蛋白的表达,对维持动物肠道机械屏障,抑制病原物质入侵机体发挥着重要的意义。丙酸可显著促进Occludin-1G蛋白偶联受体5AGPRC5A)等基因的表达,表明丙酸可维持细胞的通透性,加强肠道的机械屏障功能,改善动物的健康。Tong等研究发现,丙酸可提高肠道紧密链接蛋白ZO-1Occludin钙粘蛋白的表达,促进肠上皮细胞生长,改善肠道屏障功能。肠道跨膜电阻(Transepithelial electrical resistanceTER)和FITC标记葡聚糖4 kDaFluorescein isothiocyanate dextran 4 kDaFD4)是反映细胞外通透性和肠道屏障的重要指标Wang等研究发现,丁酸钠可改善断奶仔猪的肠道形态,提高空肠的TER,降低FD4,改善断奶应激造成的肠道损伤,增强肠道的屏障功能。Huang等研究发现,丁酸钠显著增加断奶仔猪空肠和结肠中Occludin蛋白的表达,通过降低肠道通透性降低腹泻的发生。丁亚萍等研究发现,SCFAs能促进大鼠肠黏膜细胞的增殖,抑制肿瘤细胞的增殖,增强肠黏膜细胞的营养,保护肠道机械屏障,其机制可能是通过调整结肠黏膜细胞的增殖周期,从而影响其增殖活性。Bai等报道丁酸钠能够通过提高紧密连接蛋白ZO-1Occludin-5的表达,降低肠道的通透性,增强肠道上皮细胞的机械屏障功能。丁莹研究发现,不同水平的SCFAs可以增加肉鸡空肠中Claudin-1基因的表达,可通过增加细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinasesERK1/2p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinasep38MAPK的表达来增加ZO-1Caludin-1Claudin-8Occludin的表达来增强肠道屏障功能。

综上所述,SCFAs动物肠道机械屏障的调控主要是通过促进肠道中紧密连接蛋白ClaudinOccludinZOs等相关基因的表达,降低肠道的通透性,促进肠黏膜细胞的增殖,改善动物肠道的机械屏障功能。

2.2.2  SCFAs对化学屏障的调控

肠道化学屏障主要由覆盖在肠上皮细胞上的黏液层组成,肠道微生物、宿主炎症介质、肠道分泌物(胃酸、糖蛋白、消化酶等)都能够影响肠道的化学屏障。黏蛋白(MucinMUC)是由上皮细胞分泌,存在于黏液层最主要的分子,能够阻止有害的大分子物质进入上皮细胞层,在肠道化学屏障中起着重要的作用。SCFAs能促进肠道上皮细胞炎性小体激活,促进抗炎因子的产生,上调肠道中MUC1MUC2MUC3MUC4的基因表达和胰液中胰酶的分泌,加强肠道化学屏障功能。Gaudier等等研究发现,在转录水平上,丁酸可特异性调节肠道杯状细胞中MUC基因的表达,显著上调黏液蛋白MUC2MUC3MUC5AC基因的表达丁酸对不同黏蛋白基因调控作用不同,对MUC3基因表达是由丁酸本身调控,可能是通过组蛋白脱乙酰酶(Histone deacetylaseHDAC)途径MUC2MUC5AC基因调控可能涉及丁酸代谢物可见丁酸可促进肠道黏液黏蛋白的分泌,增强肠道化学屏障功能。Diao等研究发现,断奶仔猪灌胃SCFAs可以降低肠细胞促凋亡基因BaxCaspase-3基因表达,降低细胞的凋亡指数,通过MAPK信号通路来刺激肠道黏蛋白MUC1MUC2基因的表达,加强肠上皮细胞的化学屏障功能。Bai等报道SCFAs能够提高磷酸酯酶基因phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10PTEN)的表达,并通过PTEN/PI3Kphosphoinositide 3-kinase,磷脂酰肌醇激酶)信号通路促进MUC2的表达和诱导癌细胞的分化,增强肠道上皮细胞的化学屏障功能。

以上结果表明,SCFAs对化学屏障的调控主要是通过促进黏蛋白MUC相关基因的表达、降低肠道细胞的凋亡指数及肠道分泌物的酶活性等,可通过多条途径对化学屏障相关MUC基因进行调控,增强动物肠道的化学屏障功能。

2.2.3  SCFAs对免疫屏障的调控

肠道不仅是动物体消化吸收的主要场所,也是动物体中最大的免疫器官。SCFAs可通过多条途径影响肠道细胞的增殖、分化和凋亡,参与机体的免疫调控,提高机体的免疫屏障功能。SCFAs可显著提高母猪初乳中的免疫球蛋白(ImmunoglobulinIgA水平,进而通过垂直传播提高仔猪的免疫力。钮海华研究发现,丁酸钠能够促进仔猪胰腺、脾脏等免疫器官的发育,增加血清IgGIgM和黏膜中浆细胞IgA+的含量,提高断奶仔猪的免疫功能丁酸钠仔猪的免疫功能和抗炎能力的调控可能与酸化性能有关,低酸度可以促进免疫器官的发育,促进胆汁的分泌,同时改善肠道微生物环境,产生生理活性物质。Wang等研究发现,添加丁酸钠可降低断奶仔猪空肠黏膜中组胺、类胰蛋白酶、肿瘤坏死因子αTNF-α)、干扰素γIFN-γ)和白介素(IL-6)的含量,这可能通过JNKc-Jun NH2-terminal kinasec-Jun氨基末端激酶)信号通路来完成。SCFAs可通过游离脂肪酸受体2free fatty acid receptor 2FFA2)来调节肠道的炎症反应,Carretta等对牛的试验研究发现,丁酸可激活中性粒细胞,诱导Ca2+内流、使ERK1/2p38MAPK磷酸化,调节反刍动物先天免疫应答,而Ca2+ERK1/2MAPK参与FFA2的激活。Xiong等研究发现,丁酸可缓解仔猪因大肠杆菌攻毒造成的肠道炎症反应,丁酸对炎症的调控机制通过抑制HDAC来影响宿主防御肽(host defense peptidesHDP)的表达来完成。丁酸钠可通过减少IL-6IL-8的表达来缓解脂多糖(LPS)造成的炎症反应,可以作为有效的抗炎剂。丁酸可激活GPR109A受体诱导结肠上皮细胞IL-18的分泌,GPR109A可通过IL-10乙醛脱氢酶1A1acetaldehyde dehydrogenase 1A1ALDH1A1诱导Treg细胞分化,增强树突状细胞和巨噬细胞的抗炎作用,抑制肠道的炎症反应。Chen等研究表明,对生长猪静脉注射丁酸钠,可显著降低肠道中促炎因子IL-6IL-8IL-12p40TNF-α的表达,促进肠道sIgA的分泌,升高了抗炎因子IL-10和表皮生长因子(epidermal growth factorEGF)的表达,增强肠道免疫屏障。Xu等得到同样的结果,丁酸钠显著降低了新生仔猪回肠炎症因子IL-6IL-8IFN-γTNF-βHDAC的表达,降低肠道炎症反应,推测丁酸盐通过抑制HDAC、控制组蛋白乙酰化状态和调节多个基因的转录作用于细胞来调节免疫功能。SCFA能通过抑制HDAC调节哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycinmTOR通路,增加p70 S6激酶乙酰化和rS6磷酸化水平以及辅助型T细胞1Th1)、Th17和分泌IL-10T细胞比例。Lin等报道SCFAs可通过Toll样受体(Toll-like receptors5TLR5TLR2/1TLR4TLR9诱导激活核转录因子κBnuclear factor kappa-BNF-κB),进而促进TNF-α的分泌,抑制单核细胞趋化蛋白1monocyte chemotactic protein 1MCP-1IL-8的产生。Tong等研究发现,丙酸可抑制肠道中促炎因子IL-1βIL-6TNF-α的表达,可能通过STAT3(信号传导及转录激活蛋白,signal transducer and activator of transcription信号传导调节炎症反应。氧化应激会破坏动物肠道的免疫力,丁酸钠可显著降低血清和肠道黏膜中丙二醛(MDA)和TNF-α的含量,升高血清中IFN-γ含量,增强机体的抗氧化能力,提高免疫功能。可见,SCFAs通过多条途径调控动物的免疫功能,促进动物的免疫器官发育、免疫物质的活性增强抗炎细胞因子表达降低促炎细胞因子表达及增强抗氧化能力,进而增强动物的免疫屏障功能。

2.2.4  SCFAs对微生物屏障的调控

动物肠道内寄居着大量的微生物菌群,这些微生物菌群对动物的健康和免疫具有重要的作用稳定的肠道菌群对动物的生理功能和健康至关重要,肠道微生物构成的微生物屏障是肠道屏障的重要组成部分。SCFAs可在肠道中释放H+,在一定程度上降低肠道pH,肠道的酸性环境有利于有益菌如乳酸杆菌等的生长,而抑制有害菌如大肠杆菌等的增殖酸性的肠道环境影响病原微生物的代谢,对维护动物肠道菌群平衡具有重要意义。日粮中添加SCFA可以减少肠道中大肠杆菌、沙门氏菌等有害菌的数量,增加肠道乳酸菌等有益菌的数量,稳定肠道菌群结构,加强肠道微生物屏障功能。李虹瑾等研究表明,丁酸钠可降低肠道有害菌含量,提高有益菌含量,稳定断奶仔猪的肠道菌群,促进肠道发育。Van Immerseel等研究发现,SCFAs可显著降低肉鸡盲肠食糜中沙门氏菌的含量。Zhang等研究发现,生长猪盲肠灌注丙酸提高结肠中拟杆菌门的丰度,降低厚壁菌门的丰度,提高了普氏菌属和拟杆菌属的丰度。Chen等研究发现,丁酸可显著提高生长猪的菌群多样性和丰富度。可见,SCFAs通过提高肠道有益菌含量,降低有害菌的含量,来加强肠道微生物屏障功能,其机制可能主要是通过SCFAs释放H+降低肠道pH而发挥作用。

2.3  SCFAs对机体代谢的调控

SCFAs在维持肠道环境、电解质平衡、为宿主细胞和肠道微生物群提供能量等方面发挥重要作用研究表明,SCFAs通过刺激多种组织的激素和神经信号,调节能量稳态和脂质代谢,参与机体的代谢过程。肥胖患者口服丙酸盐可显著增加体内结肠细胞释放的血浆肽(postprandial plasma peptidePYY)和胰高血糖素样肽(glucagon-like peptide-1GLP-1),增加肌肉和脂肪组织对葡糖萄的吸收、胰岛素分泌减少胰高血糖素,通过糖代谢和脂肪代谢的调控减少机体能量的摄入,降低患者体重。SCFAs可以通过对瘦素、PYYGLP-1GLP-2等胃肠激素的调节来调控机体的糖类和脂肪代谢SCFAs可通过调节GPR来增加胃肠激素PYYGLP的表达,增加肌肉和脂肪对葡萄糖的吸收,增加胰岛素的分泌和减少胰高血糖素的产生。Lu等研究表明,SCFAs通过改变GPR43GPR41的表达,增加机体能量消耗,提高葡萄糖耐受能力,调控体脂含量和体重。Jiao等研究表明,SCFAs降低脂肪酸合成基因fatty acid synthaseFAS)、acetyl-CoA carboxylaseACC)的mRNA表达,增加脂肪分解基因carnitine palmitoyltransferase-1αCPT-1α)的mRNA表达,降低不同组织的脂质合成,降低机体脂肪的沉积。

3  SCFAs在动物生产中的应用

3.1  对生长性能的影响

SCFAs具有调节肠道菌群、肠道免疫、改善生长性能等多种生理功能,在动物生产中得到了广泛的应用。饲料中添加SCFAs对动物生长性能的影响不太一致。在猪生产中,添加丁酸钠可显著增加断奶仔猪和生长猪的日增重、采食量和饲料转化率,并且显著降低腹泻率。也有研究发现,口服SCFAs可降低断奶仔猪的平均日采食量,对生长猪的生长性能没有显著影响。在家禽生产中,添加乙酸可显著增加肉鸡体重和饲料转化率,改善肉鸡的肠道组织学形态,在2~6周龄是0.3%的添加量表现出较好的生长性能,与Ahsan等结果一致。Sikandar等结果显示,添加丁酸钠可以显著降低肉鸡的料重比,但也有报道称饮水中添加乙酸对肉鸡的生长性能没有影响。在反刍动物生产中,Guilloteau等研究发现,将丁酸钠添加到代乳粉中能被犊牛肠道迅速吸收,提高犊牛的生长速度和饲料转化率,这可能与改善反刍动物胃肠道消化能力提高消化酶活性有关。而Beiranvand等研究发现,饲粮中添加丙酸钠对犊牛的生长性能却没有影响。也有报道称丙酸盐可提高反刍动物体增重但效果不显著,或丙酸盐可显著增加断奶期犊牛的体重。由此可见,SCFAs在生产性能上的研究结果不一致,因此需要进行更多的试验数据积累。从以上结果我们可以看出,生产性能的不一致可能与添加的SCFAs种类(乙酸、丙酸、丁酸、酸盐)、添加方式(拌料、口服、粉剂或包膜)、配伍方式(SCFAs复配或与其他营养物质搭配使用)及添加量有关之后的研究应该更多的聚焦于不同类型的SCFAs对动物生产性能的研究、多种SCFAs的协同增效研究、SCFAs与其他营养物之间的混合配伍等方面,具体的应用研究和应用效果还有待进一步的研究。

3.2  对肠道健康的影响

SCFAs对动物的肠道健康具有积极的影响。丁酸钠能够显著增加肠道紧密连接蛋白、改善肠道形态,提高断奶仔猪的抗氧化能力和免疫能力降低肠道中有害菌的含量,升高有益菌含量,减少肠道上皮细胞凋亡,改善肠道屏障功能,促进断奶仔猪肠道的发育。添加丁酸钠下调生长猪肠道促炎因子的表达,增加结肠sIgA的分泌,增强免疫力缩短母猪的返情率,增加初乳中甘油三酯、催乳素、瘦素和TNF-αIgA的水平,提高仔猪的免疫力和生长速度。三丁酸甘油酯(可被胰脂肪酶分解产生丁酸)可以缓解肉鸡LPS攻毒造成的肠道损伤,提高肠道二糖酶的活性显著增加蛋壳厚度,并且有增加蛋重的趋势丁酸钠可促进肉鸡的免疫器官(胸腺、脾脏)发育,改善肠道形态,增强免疫功能,并且1g/kg可用来替代抗生素的使用。500mg/kg的乙酸或丙酸可以提高小肠淀粉酶、胰蛋白酶和糜蛋白酶活性,降低肠道中大肠杆菌的数量,促进肠道的消化吸收能力。在反刍动物方面,丁酸钠可改善犊牛空肠肠道形态,增强肠细胞的增殖,降低黏膜细胞凋亡,改善犊牛的肠道健康抑制山羊瘤胃上皮细胞NF-κB活化及促炎因子合成,缓解炎症损伤,降低细胞的凋亡率,保护山羊瘤胃上皮细胞的完整和屏障功能。以上资料表明,SCFAs可改善动物肠道形态,改善动物肠道菌群结构,维护肠道的完整性,促进肠道的发育,且在单胃动物中的应用居多,在反刍动物中的应用还需进一步的研究和开发使用。

4  结论

总体来说,SCFAs是肠道微生物的重要代谢产物,具有为动物体提供能量、维持肠道完整性、调节肠道菌群和免疫功能调控等多种生物学功能在饲料中添加SCFAs可以提高动物的抗病力,在畜牧业生产中具有广阔的应用前景。目前关于SCFAs的添加多数为单一的添加,以丁酸的添加为主,在单胃动物中的应用居多不同添加量、添加形式、配伍原则及与其他营养素的协同相关的研究相对匮乏,很难于生产实践中提出具体的方案。因此,加强SCFAs在动物实践中的作用机理和效果研究,研究不同类型SCFAs的混合配伍及与其他功能性营养素的协同增效,在禁抗限抗的大形势下,不仅为开发新型无抗饲料添加剂提供新思路,还为解决动物肠道健康和生产带来巨大的效益。