后生元的益生机制及其在畜禽生产中应用的研究进展.pdf

文章编号：1004-2342（2023）03-0004-06中图分类号：S816.3文献标识码：A大量研究表明，益生菌具有免疫调节能力，且在调节肠胃粘膜上皮屏障免疫方面发挥着重要的作用。益生菌可以调节免疫系统中许多细胞的活性，包括天然系统的自然杀伤细胞（NKs）、树突状细胞（DC）、巨噬细胞、上皮细胞和粒细胞，以及适应系统Th1、Th2、Th17、Treg、TC和B细胞，从而调节细胞因子分泌水平1。FDA和WHO联合提出益生菌最新的定义为“当给予足够量的活微生物时，对宿主健康有益”。广泛被使用的益生菌分别为鼠李糖乳杆菌、雷氏乳杆菌、双歧杆菌和某些干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌群、凝结芽孢杆菌、大肠杆菌 Nissle 1917菌株、某些肠球菌，特别是粪肠球菌SF68，以及布氏酵母2。随着人们对益生菌的研究更为广泛和深入，开始出现“幽灵益生菌”、“副益生菌”等物质研究发现这些物质具有与益生菌相似的免疫功能，例如灭活益生菌细胞、细胞组成成分以及细胞代谢物等，对动物和人类机体具有有益作用3。后生元在人类食物和药品的领域研究较多，但是在畜禽生产领域后生元相对研究较少。根据益生菌抗菌4和调节免疫作用5，后生元具有可用于作为畜禽替代抗生素饲料添加剂的潜能，给后生元在畜禽生产应用上带来新的启发。因此，本文将对后生元定义、特点和组成、益生机制及其在畜禽生产上的应用进行综述。1后生元1.1 后生元定义及其优势2019 年，国 际 益 生 元 和 益 生 菌 科 学 协 会（ISAPP）将后生元定义为“对宿主健康有益的无生命微生物和/或其成分的制剂”，并且有效的后生元必须含有对观察到的健康有益的灭活微生物细胞或细胞成分，无论是否含有代谢物6。虽然后生元对动物和人类机体具体作用机制暂不清晰，但研究表明细菌上清液（如短链脂肪酸、有机酸、酶和细菌素等）、细菌细胞组分（内外多糖、磷壁酸、肽聚糖和表面蛋白等）和灭活细菌可给动物和人类机体带来积极的效应，如促进免疫应答、抗肿瘤、预防感染等等7。此外，后生元能通过细胞信号传导通路和影响肠道上皮屏障及肠道微生物区系，实现对机体执行不同生理调控8。与益生菌相比，后生元强调“无生命”的特性，后生元比益生菌更具有安全性和稳定性6。首先，因为大部分益生菌都对氧气和温度、水分活度等因素敏感，而后生元对氧气和温度的需求较低，保质期比益生菌更长。其次，后生元具有详细的生物学结构，后生元中的微生物器官已经失去了复制能摘要：随着益生菌、益生元和合生元的深入研究，后生元随之诞生并迅速成为研究热点。后生元的稳定性和安全性等特质明显优于益生菌，它不仅在药品和食物领域被广泛应用，在畜禽应用上也有不少的研究。研究表明后生元对畜禽具有多种有益效应，本文将就后生元定义、特点和组成、益生机制及其在畜禽生产上的应用进行综述。关键词：后生元；畜禽生产；免疫后 生 元 的 益 生 机 制 及 其 在 畜 禽 生 产 中 应 用 的研 究 进 展冯光宝1，和玉丹2（1.新乡市畜牧技术推广站，河南新乡453000；2.江西生物科技职业学院）江西畜牧兽医杂志 2023年第3期 专论与综述 作者简介：冯光宝（1983-），男，本科，畜牧师，从事畜牧新技术推广与研究，邮箱：。4力，安全度更高。综合以上两种特点，后生元比益生菌更能在生产期间，确定确切的浓度水平，将使用风险减低。1.2 后生元组成及其生物活性不同益生元菌株的组成成分如磷壁酸、肽聚糖、胞外多糖表层、蛋白质9和细菌DNA，及其所分泌酶、短链脂肪酸（SCFA）、有机酸、小肽和细菌素等细胞代谢物10均被证明对人类或者动物具有不同的生理效应，具有多种益生功效（图1、图2）。图1 后生元在肠道健康和动物生产中的有益化合物及其潜在机制10图2 后生元种类及其在人类潜在健康益处91.2.1 细胞壁成分益生菌细胞壁成分包括肽聚糖、磷壁酸、胞外多糖及相关膜蛋白等等11。肽聚糖（PGN）是革兰氏阳性菌细胞壁的主要组成成分，PGN 是细菌细胞壁中独特的多层交联的聚糖链，由无数 PGN 单体所组成的网目状大分子构成，而 PGN 单体由 N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸通过-1，4糖苷键连接成的聚糖链骨架和四肽链通过 1 个酰键与 N-乙酰胞壁酸相连组成12。研究表明 PGN 对机体肠道免疫和免疫应答具有有益调节作用。Huang等研究表示2E7-中和循环中的PGN减缓了疾病小鼠模型中的关节炎进展，强调了肠道微生物群衍生的PGN在自身免疫性疾病进展中的潜在作用13。在一项小鼠研究中，发现PGN中MDP基序触发Lgr5+干细胞结构性地表达胞浆天然免疫传感器NOD2，从而修复小鼠肠道上皮隐窝14。磷壁酸是革兰氏阳性菌的特许成分，根据其与细胞连接方式不同分为两类，分别为壁磷壁酸(WTA)和脂磷壁酸(LTA)15。Ahn等研究表明植物乳杆菌K8 pLTA能够抑制前列腺素E2(PGE-2)和脂多糖(LPS)刺激佛波酯(PMA)诱导的 THP-1 细胞产生IL-10，从而调节促炎和抗炎细胞因子的产生来促进体内平衡，提高败血症休克模型小鼠的存活率16。此外，植物乳杆菌 LTA 通过降低 Pam2CSK 诱导的IL-8的表达从而抑制肠上皮细胞炎症发应17。1.2.2 胞外多糖和表层蛋白胞外多糖（EPS）是细菌合成并分泌到外部环境或由锚定在细胞壁的酶在细胞外合成，结构复杂，可由多种单糖或者多种多糖组成，细菌种类不同，所形成的的EPS结构和功能也不同18。由于EPS具有在机体上多种生理活性，使其在食品、医疗和药物等领域备受关注。以往研究表明，EPS具有免疫调节、调节肠道微生物平和、抗氧化、抗肿瘤等生物活性。Zhang等研究结果表示EPS(10 mg/kg)能明显改善DSS诱导的小鼠结肠炎，并且增加肠道微生物多样性，减少TNF-、IL-1、IL-6、IFN-、IL-12和IL-18等炎症因子产生19。此外，有研究表明EPS能够增强肠道上皮屏障，增强肠道免疫力。植物乳杆菌JLAU103胞外多糖(EPS103)可以促进环磷酰胺免疫抑制小鼠分泌细胞因子及分泌型免疫球蛋白 A和粘蛋白-2，且通过调节绒毛高度与隐窝深度的比例，上调紧密连接蛋白的表达，增强肠道上皮屏障20。表层蛋白（Surface layer protein,SLP）是许多细菌及古生菌细胞壁表面所包被的基本成分，可参与调节细胞各种生理生化过程，提供重要的功能。大量研究表明，乳酸杆菌的表层蛋白与宿主免疫相互作用有关系21。近些年研究表明，在嗜酸乳杆菌提取的SLP对RAW-264.7细胞具有免疫调节作用，当SLP浓度增加时，TNF-分泌水平显著减少22。此外，Lightfoot等研究结果表示嗜酸乳杆菌特有的SLP（SLpA、SLpB和SLpX）会与受体相互作用，动员免疫反应，嗜酸乳杆菌 NCK2187及其纯化的 SLpA 与 C型凝集素SIGNR3结合，发挥调节信号，从而减轻结江西畜牧兽医杂志 2023年第3期 专论与综述 5肠炎，维持健康的胃肠道微生物区系，并保护肠道粘膜屏障功能，说明SLpA/SIGNR3相互作用在结肠炎中起着关键的调节作用23。1.2.3 细胞代谢物益生菌的细胞代谢物主要囊括自身所产生的短链脂肪酸（SCFA）、细菌素、有机酸及其他代谢物。这些物质一般也被称为细胞培养上清液（CFS），目前已有大量研究表示 CFS 具有特殊的生物活性。Bermudez-Brito等研究表示鼠李糖乳杆菌NRRL B-442无细胞培养上清液对大肠杆菌、单核细胞增多性乳杆菌、金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌均有明显的抗菌活性24。Lee 等发现 Limosilactobacillusreuteri DS0384（乳酸杆菌）的CFS中N-氨基甲酰谷氨酸(NCG)对人类肠道器官具有促进成熟的作用，可以促进肠干细胞的增殖，对细胞因子诱导的肠上皮损伤具有重要的保护作用，且发现其还能够促进新生小鼠的肠道发育，而且对小鼠结肠炎具有缓解作用25。2后生元的益生机制2.1 增强肠道上皮屏障功能肠道上皮屏障在维持肠道健康和预防肠道疾病上起着关键的作用。肠道屏障通过产生分泌性粘液将细菌空间分隔到管腔，并通过产生分泌性IgA(SIgA)和抗菌肽和蛋白质来加强肠道屏障的作用，这些保护性屏障因子的表达很大程度由微生物区系决定26。不少研究表明，后生元具有增强肠道上皮屏障功能，并且缓解相关肠道炎症。Alvarez等研究表明益生菌大肠杆菌Nissle 1917(ECN)释放的外膜小泡（OMV）通过转录调控TJ蛋白，间接通过调节IL-22来增强上皮屏障的完整性，可溶性分泌的TCPC 蛋白也参与了 ZO-1 和 claudin-14 的上调作用27。在一项对8株潜在益生菌对肠上皮屏障功能影响的研究中，发现鲁氏乳杆菌细胞表面和胞外蛋白能够有效地调节肠上皮屏障，使 Caco-2 细胞的MAPA 及其受体(angA13 和 Palm)的表达显著增加28。Engevik研究证明牙齿双歧杆菌附在肠道粘液所分泌的代谢物上，能够通过诱导信号通路，如MAPK和AKT，通过自噬和钙信号通路促进紧密连接功能，从而上调主要粘蛋白MUC2，调节杯状细胞功能29。后生元中的细胞代谢物SCFA具有修复肠道屏障的潜能。Feng等用醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐处理单层Caco-2细胞，发现乙酸乙酯(0.5 mM)、丙酸(0.01 mM)、丁酸(0.01 mM)单独或联合应用均可促进紧密连接的形成，且通过抑制NLRP3炎症小体和自噬，促进肠屏障的形成，保护肠屏障免受内毒素的破坏30。2.2 调节肠道菌群平衡肠道菌群平衡和宿主之间是一种共生关系，肠道菌群具有营养功能、保护功能和代谢功能，影响着肠道功能和健康，一旦当肠道菌群平衡被破坏，导致肠道出现病原体、免疫系统被破坏，使肠道患有炎症，危害宿主健康31。大量研究表示，后生元对肠道病原微生物具有抵抗性，能够抑制有害菌的生长。Corr等证明唾液乳酸杆菌UCC118产生的一种细菌素可以显著保护小鼠免受食源性侵袭性病原体李斯特菌的感染32。在一项体外研究中，运用肠道微生物产生的短链脂肪酸丁酸盐处理IL-4M(IL-4)s分化的巨噬细胞，发现丁酸盐的增加显著促进M(IL-4)的吞噬作用，增强了其吞噬和杀菌能力，从而可以限制T细胞产生IL-17A33。此外，后生元可以间接调节肠道菌群区系，通过群体感应和群体猝灭分子来抑制病原体的增殖。例如，Meng等用醋酸盐处理五种不同益生菌上清液，结果表明植物乳杆菌、萨氏乳杆菌和鼠李糖乳杆菌发酵上清液添加醋酸盐后，醋酸盐通过控制群体感应激活乳酸杆菌合成细菌素，并对金黄色葡萄球菌的抑菌率分别提高到298%、198%和289%34。还有报道表明有些后生元可以与病原微生物竞争黏附部位。Biliavska等研究表示乳酸杆菌产生的EPS会与肠球菌和肠杆菌竞争黏附附位点35。除外，Kleta 等益生菌菌株Nissle 1917(ECN)通过F1C菌毛强大黏附力并且分泌相关抑制因子阻断致病菌对肠上皮细胞黏附，显著降低了致病性大肠埃希菌的感染效率36。2.3 增强机体免疫功能研究表明，后生元可通过多种细胞信号转导通路促进免疫细胞进行免疫应答，增强机体免疫能力。后生元如脂磷壁酸、短链脂肪酸、肽聚糖等物质可通过T细胞受体、B细胞受体和Toll样、NOD等受体激活NF-B/MAPK道路缓解肠道炎症反应，以及通过 PI3K/AKT 信号通路保护肠道屏障的完整性37。Rabah等研究表示弗氏假单胞菌 CIRM-BIA129 的天然表面蛋白(SLP)可缓解 HT-29 结肠癌细胞的炎症，降低IL-8、IL-12和TNF-炎症因子的分泌水平11。在一项体外试验中，嗜酸乳杆菌LTA阴性株(NCK2025)不仅下调 DC 中 IL-12 和 TNF-的江西畜牧兽医杂志 2023年第3期 专论与综述 6江西畜牧兽医杂志 2023年第3期 专论与综述 表达，而且显著上调DC中IL-10的表达，抑制刺激DC功能，导致其不能诱导CD_4+T细胞活化，由此有效地改善葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎37。Marco等对嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、乳球菌、路氏乳杆菌、布氏酵母五种益生菌无细胞培养上清液进行了研究，发现这些益生菌的代谢物不仅可以能够下调人结肠上皮细胞 HT-29 中 PGE-2 和 IL-8 的表达，而且对巨噬细胞分泌的IL-1、IL-6、TNF-和IL-10均有不同的调节作用，由此说明了益生菌的无细胞上清液具有抗炎的活性，影响肠道免疫能力38。2.4 调节肠-脑轴脑-肠之间存在着一个复杂的神经-内分泌网络，称为脑肠轴。脑肠轴是胃肠道功能与中枢神经系统相互作用的双向调节轴，肠-脑轴是由肠道菌群、肠神经系统、自主神经系统、中枢神经系统和相关内分泌与免疫系统等构成信号调控通路39。肠道微 生 物 可 以 分 泌 衍 生 分 子，例 如 短 链 脂 肪 酸(SCFA)、次级胆汁酸(2BA)和色氨酸代谢物等等，它们将会介导迷走神经对神经中枢进行调节40。例如，当后生元在机体达到一定累积量时，会促使肠嗜铬细胞产生 5-羟色胺，从而对神经中枢进行调节41。Westfall等研究结果表明植物乳杆菌和长双歧杆菌组合的部分代谢物质（4-羟苯基丙酸、4-羟苯基乙酸和咖啡酸）会通过免疫系统影响神经系统42。3后生元在畜禽生产上的应用3.1 猪后生元技术已经逐渐应用到养猪生产上。例如，Wang 等研究表明植物乳杆菌菌株 ZLP00 通过Toll样受体(TLR)2识别诱导猪HDP（宿主防御肽）的表达，由此达到改善断奶仔猪肠道健康和增强抗腹泻的性能43，具有增强免疫的效果。此外，后生元的添加具有促进猪生长性能的功能，在断奶仔猪中添加51010CFU/kg植物乳杆菌CGMCC 1258(LP)和路氏乳杆菌LR1(LR)，发现添加组显著提高仔猪的氧化活性，并增加平均日增重和SlgA分泌水平44。在一项断奶仔猪试验中，发现添加粪肠球菌EC-12菌株（10 mg/kg体重/天）基础日粮的断奶仔猪的小肠绒毛高度明显高于对照组45，以此改善早期断奶仔猪的肠道，降低仔猪腹泻率。3.2 鸡后生元在养鸡生产上的使用频率也较多，并且对其也起着不同益生效应。例如，Humam等用三种不同植物乳杆菌（RI11、RS5和UL4）添加到肉雏鸡的基础日粮中，结果表示饲喂植物乳杆菌组的生长性能明显高于其他组，且十二指肠、空肠和回肠绒毛高度提高，盲肠中有益菌数量增加，沙门氏菌数量降低，IgM和IgG浓度水平也显著高于其他组46。同样地，Loh等研究也表明添加乳杆菌代谢物的基础日粮组的蛋鸡的粪便pH值降低，肠道中乳酸菌含量增加，粪肠杆菌数量减少，蛋黄胆固醇降低等47。此外，Xu等研究表明将枯草杆菌培养物500、1000、1500 mg/kg加入基础日粮中，当日粮中添加枯草杆菌500 mg/kg时，蛋鸡产蛋量、耗料量和饲料转化率均显著高于对照组，而且蛋壳厚度和哈氏单位增加，蛋黄胆固醇浓度降低48。3.3 反刍动物在反刍动物中，后生元的应用相对于猪和鸡来说较少。在一项体外和体内研究中，植物乳杆菌KLDS 1.0344能够降低脂多糖诱导牛乳腺上皮细胞产生的炎症，降低了炎症因子的表达，在体内该菌株可减少炎症因子 IL-6、IL-1b、TNF-a 的分泌，降低髓过氧化物酶(MPO)活性，抑制p-p65、p-IkBA的分泌49，有较好的抗炎效果。Lzuddin等研究结果表明，在断奶羔羊中添加植物乳杆菌RG14的后生元后，发现后生元的添加提高了羔羊的增重、采食量、营养物质采食量和养分消化率，提高了瘤胃中纤维降解菌的数量，但减少了瘤胃内原生动物和产甲烷菌总数，并且增加肝脏 IGF-1 和瘤胃 MCT-1 的mRNA表达，对其生长性能和消化性能、菌群平衡均有影响50。相同地，Torok等在断奶犊牛日粮中加入乳酸菌产生的二十二碳六烯酸，结果表明改变了犊牛瘤胃微生物菌群平衡，促进了犊牛的消化率51。4结论与展望综上所述，后生元种类多，具有调节肠道屏障和维持肠道菌群平衡等功能，有替代抗生素的潜力，但是后生元对动物益生效应的具体机制相关研究还处于起步阶段。例如，细菌不同代谢产物或菌体成分如何与肠道细胞进行相互作用以及如何影响下游通路；细菌代谢产物和菌体成分的结构与效应的关系如何，以及不同种类后生元的搭配作用产生的构效关系，对于畜禽生产也具有重要意义。此外，虽然后生元的稳定性高于益生菌，但是后生元的提取技术和菌体成分灭活去毒技术还没有成熟，还需要大量的研究以大规模生产和应用。且大部 7江西畜牧兽医杂志 2023年第3期 专论与综述 分研究采用的菌株均为常见的乳杆菌或双歧杆菌，未来研究可增加其他有益菌。参考文献：1 Hardy H,Harris J,Lyon E,et al.Probiotics,prebiotics andimmunomodulation of gut mucosal defences:homeostasis and immunopathologyJ.Nutrients,2013,5(6):1869-1912.2 Pandey K R,Naik S R,Vakil B V.Probiotics,prebiotics andsynbiotics-areviewJ.JFoodSciTechnol,2015,52(12):7577-7587.3 Tsilingiri K,Rescigno M.Postbiotics:what else?J.Benef Microbes,2013,4(1):101-107.4 Silva S,Costa E M,Oliveira H,et al.Impact of a PurifiedBlueberry Extract on In Vitro Probiotic Mucin-Adhesion and ItsEffect on Probiotic/Intestinal Pathogen SystemsJ.Molecules,2022,27(20):6991.5 Azad M A K,Sarker M,Wan 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