動物腸道菌群的早期定植及其對機體健康的影響

劉 壯 胡 艷 潘士鋒 施壽榮*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院家禽研究所，揚州225125；2.揚州大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，揚州225009)

動物腸道菌群的早期定植到穩(wěn)態(tài)形成是一個動態(tài)的過程，從出生開始，一直持續(xù)到出生后幾周或2～3年。除了宿主遺傳背景的固有影響，這個過程還受到環(huán)境因素影響。在出生過程中，哺乳動物腸道菌群所受到的影響因素包括出生前的宮內(nèi)暴露、母體體重等[1]，卵生動物腸道菌群則會受到蛋內(nèi)沉積的營養(yǎng)物質(zhì)[2]、垂直傳播病原微生物和孵化環(huán)境(如溫度、濕度、光照、粉塵)等因素的影響；當動物出生后，喂養(yǎng)方式以及抗生素、益生菌和益生元的使用等也是動物腸道菌群重要的影響因素[3-4]。正是因為這些因素的影響，導(dǎo)致動物早期腸道菌群存在廣泛的個體差異性，而隨著時間的推移，在相同環(huán)境下動物的腸道菌群會逐漸趨于相似[5]。通過對無菌小鼠研究的結(jié)果顯示，腸道菌群和宿主并不是簡單的共生，而是以一種互惠互利的狀態(tài)存在。在出生后早期，腸道菌群和宿主之間的相互作用對宿主的胃腸道、免疫、代謝和神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育發(fā)揮著重要作用；并且，該階段腸道菌群多樣性減少和功能失調(diào)可能對兒童或幼齡動物的消化道和全身性疾病產(chǎn)生一定的影響，包括炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)、腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)、代謝異常以及應(yīng)激反應(yīng)等，而且這種影響可能一直持續(xù)到晚年[3,6]。本文將總結(jié)影響動物腸道菌群早期定植的因素，并強調(diào)腸道菌群對宿主健康與疾病發(fā)展的影響。

1 影響動物腸道菌群定植的因素

動物腸道菌群的定植是一個循序漸進的復(fù)雜過程。初生動物腸道中初始菌群的多樣性較低，主要是兼性厭氧菌，其中包括變形桿菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)，隨后變得更加多樣化，厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)開始占主導(dǎo)地位[7-8]。嬰兒出生的第1年內(nèi)腸道菌群的組成具有較低的多樣性、高度的不穩(wěn)定性和高度的個體間差異性等特點[9]，2～3歲時，腸道菌群變得穩(wěn)定且多樣化，并逐漸形成一個成熟的細菌群體[10]。禽類生命周期較短，腸道菌群定植更加快速。例如，肉雞在孵化出殼后以垂直傳播的鏈球菌屬(Streptococcus)和埃希氏菌屬(Escherichia)為主，10日齡前腸道菌群的豐富度和多樣性快速增長，到14日齡趨于穩(wěn)定[11]。

1.1 出生前

1.1.1 產(chǎn)前暴露

長期以來，一直認為哺乳動物宮內(nèi)環(huán)境是無菌的，新生個體在接觸到母體糞便和陰道細菌后初步形成其腸道菌群[12]，早期的動物試驗也證明了這一觀點[13]。但是，越來越多的證據(jù)表明，在分娩前發(fā)育中的胎兒腸道可能存在細菌定植。已有研究證實，即使在未發(fā)生胎膜破裂和剖腹產(chǎn)的情況下，也能從羊水[14]、胎膜[15]、臍帶[13]和胎盤[16]中檢測到細菌。Jiménez等[17]給懷孕的小鼠口服帶有基因標記的糞腸球菌(Enterococcusfaecium)菌株，對懷孕母鼠實施無菌剖腹產(chǎn)手術(shù)后，發(fā)現(xiàn)在羊水和幼鼠胎糞中存在這種細菌，然而在未接種菌株的對照組幼鼠中未檢測到這種細菌[12]。以上試驗結(jié)果表明，母體腸道的某些細菌可能會通過陰道上行或突破胎盤屏障從母體傳染給胎兒。對于禽類而言，存在于蛋清和蛋白中通過母體垂直傳播的病原體，如沙門氏菌(Salmonella)[18]、大腸桿菌(Escherichiacoli)和彎曲桿菌(Campylobacter)[19]等，可能在胚胎吸收營養(yǎng)物質(zhì)的過程中造成繼發(fā)感染。而且在出雛前后，雛雞腸道內(nèi)存在的細菌主要來源于殼膜以及蛋殼外的黏附菌。

1.1.2 母體體重與應(yīng)激反應(yīng)

母體體重過高與懷孕期間受到應(yīng)激反應(yīng)同樣會導(dǎo)致子代出生后腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂。Collado等[1]研究表明，幼齡動物腸道菌群組成與母體在懷孕期、妊娠期的體重和體重增加有關(guān)；母體的體重和孕期體重指數(shù)較高與高豐度的擬桿菌(Bacteroides)、梭菌(Clostridium)和葡萄球菌(Staphylococcus)以及低豐度的雙歧桿菌(Bifidobacterium)相關(guān)；并且在出生后6個月內(nèi)，超重母體的嬰兒糞便中擬桿菌和葡萄球菌的豐度也較高。此外，通過高脂飲食誘導(dǎo)雌性小鼠體重增加，改變了后代腸道菌群的組成，提高了雄性后代對高脂飲食的敏感性，而且這個研究還觀察到后代體重增加與毛螺菌科(Lachnospiraceae)和梭菌科(Clostridiaceae)的豐度顯著相關(guān)[20]。另一項在人的研究顯示，母體在妊娠期間受到應(yīng)激或體內(nèi)皮質(zhì)醇含量較高時，出生后嬰兒的腸道菌群中病原菌的豐度較高，而乳桿菌(Lactobacillus)和雙歧桿菌的豐度較低[4]，有增加腸黏膜炎癥反應(yīng)的潛在風(fēng)險。然而在禽類以及其他哺乳動物上，類似的對比研究尚未見報道。

1.1.3 產(chǎn)前母體抗生素和益生菌的使用

統(tǒng)計表明，20%～25%的婦女在懷孕期間會接受抗生素治療，且抗生素在孕期所有處方藥中約占80%[21]，產(chǎn)出嬰兒的腸道內(nèi)放線菌門和擬桿菌門的豐度較低，而變形菌門和厚壁菌門的豐度較高[22]。Aloisio等[23]也發(fā)現(xiàn)母體接受氨芐青霉素(ampicillin)治療的嬰兒腸道中雙歧桿菌的豐度顯著降低。另一項報道表明，青霉素(penicillin)引起的腸道菌群紊亂是可逆的，但是圍產(chǎn)期接觸青霉素在小鼠體內(nèi)可以產(chǎn)生長期的影響，顯著加快雄性小鼠的生長速度，增加體脂百分比并誘導(dǎo)異位脂肪沉積[24]。在家養(yǎng)動物上，種用動物使用抗生素是否會對后代產(chǎn)生類似降低腸道有益菌的對比研究尚未見報道。

1.2 出生后

1.2.1 喂養(yǎng)方式

喂養(yǎng)方式是決定早期菌群定植的另一個主要因素，它可以影響腸道菌群的組成和胃腸功能。哺乳動物出生后，腸道菌群最先由來自母體和環(huán)境中的細菌定植，隨后母乳通過營養(yǎng)物質(zhì)、免疫球蛋白和抗菌化合物塑造腸道菌群的結(jié)構(gòu)。最后，斷奶和攝入固體食物誘導(dǎo)腸道菌群結(jié)構(gòu)進一步成熟。通過比較哺乳期仔豬和斷奶仔豬糞便菌群發(fā)現(xiàn)，哺乳期仔豬的糞便菌群多樣性顯著低于斷奶仔豬，而且兩者菌群結(jié)構(gòu)也明顯不同；哺乳期仔豬糞便中乳桿菌科(Lactobacillaceae)、梭菌科以及腸桿菌科(Enterobacteriaceae)的豐度較高，而斷奶仔豬糞便中瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、顫螺菌科(Oscillospiraceae)以及普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)的豐度較高[25]。雛雞出殼后腸道菌群以垂直傳播的細菌為主，隨后被快速生長的毛螺菌科和瘤胃球菌科的菌群取代，14日齡時雛雞腸道菌群結(jié)構(gòu)就已經(jīng)趨于穩(wěn)定[11]。與哺乳動物不同，禽類孵化出殼后就開始飲水和攝入固體食物，這也可能導(dǎo)致禽類早期腸道菌群的定植速率更快。

1.2.2 抗生素的使用

在生命早期使用抗生素對腸道菌群的發(fā)育有著深遠的影響。肉雞前期飼糧中添加維吉尼亞霉素(virginiamycin)不僅會增加早期體重和采食量，導(dǎo)致腸道菌群整體多樣性降低，顯著增加前期腸道變形桿菌門的豐度并降低厚壁菌門的豐度[26]，還可能導(dǎo)致耐藥菌株產(chǎn)生；在嬰兒出生早期使用慶大霉素(gentamicin)和氨芐青霉素也會改變腸道菌群的組成，如變形桿菌門的豐度增加和放線菌門的豐度降低[27]，并產(chǎn)生具有抗藥性的菌群[28]。Lynn等[29]使用小鼠模型研究表明，斷奶期補充氨芐青霉素可以驅(qū)動21日齡小鼠腸道菌群失調(diào)，導(dǎo)致小鼠對疫苗的抗體反應(yīng)顯著受損。Fouhy等[27]研究顯示，出生48 h內(nèi)接受氨芐青霉素和慶大霉素治療的嬰兒在停止使用抗生素4周后，與未接受抗生素的嬰兒相比，腸道變形桿菌(Proteus)的豐度較高，放線桿菌(Actinobacillus)和乳酸菌(lactic acid bacteria，LAB)的豐度較低；到了第8周，接受抗生素治療的嬰兒腸道放線桿菌和乳酸菌的豐度逐漸恢復(fù)到與對照組相近，然而變形桿菌的豐度仍然顯著高于對照組。這也進一步說明早期使用抗生素對腸道菌群的影響很大程度上是暫時的，但是部分菌群可能幾個月都無法恢復(fù)。

1.2.3 益生菌和益生元的使用

母乳中含有大量的乳寡糖和各種各樣的細菌，包括雙歧桿菌和乳桿菌，因為母乳喂養(yǎng)的嬰兒很容易獲得益生菌，而且益生元也已經(jīng)被添加到嬰兒配方奶中以達到乳寡糖的一些益生特性。Panigrahi等[30]研究了植物乳桿菌和低聚果糖對新生兒的治療作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者聯(lián)合治療可以使嬰兒腸道細菌迅速定植。其他動物試驗結(jié)果也表明，益生菌可以有效增加腸道細菌的多樣性和豐富度。如Zhang等[31]通過飼糧添加枯草芽孢桿菌調(diào)控肉雞的生長性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)飼糧添加枯草芽孢桿菌可以顯著增加肉雞體重和歐洲效益指數(shù)，增加腸道布勞特氏菌(Blautia)、長棲糞桿菌(Faecalibacterium)等菌群的豐度并降低內(nèi)臟臭氣桿菌(Odoribacter)的豐度。然而，益生菌的腸道定植也只是短暫的，并且定植水平較低。補充聚葡萄糖和低聚半乳糖都會增加雙歧桿菌在腸道的定植水平[32]，并且益生元刺激雙歧桿菌代謝活性的作用可能與母乳的代謝活性相似[33]。益生菌和益生元的種類及使用劑量、給藥時間、動物群體的不同可能會導(dǎo)致不同的結(jié)果，因此益生菌和益生元的作用機制及其在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用仍需進一步的發(fā)掘。

2 腸道菌群對機體健康的影響

維持腸道健康是預(yù)防腸道以及其他系統(tǒng)疾病的重中之重，腸道菌群組成的改變決定了腸道疾病的發(fā)生，其多樣性減少和生物失調(diào)也與機體的健康和疾病密切相關(guān)。

2.1 IBD

IBD是一種慢性胃腸道疾病，其特征是對腸道菌群的過度免疫反應(yīng)，影響動物的生長發(fā)育，增加患結(jié)直腸癌的風(fēng)險，嚴重時可危及生命[34]。IBD受遺傳、腸道黏膜免疫系統(tǒng)、環(huán)境因素(如壓力、抗生素使用、產(chǎn)前暴露感染和飲食)以及生物失調(diào)等多因素的影響[35]。例如,攝入膳食單糖可以通過改變小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)，增加患IBD的幾率[36]。同時IBD也可以引起宿主和腸道菌群的氧化應(yīng)激，導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)，主要表現(xiàn)為兼性厭氧腸桿菌和黏附性侵襲性大腸桿菌的豐度增加和增殖能力下降[37]。IBD有2種常見的形式，分別是潰瘍性結(jié)腸炎(UC)和克羅恩病(CD)。研究顯示2種IBD具有不同的菌群特征，UC的腸道菌群特征是艱難梭菌(Clostridiumdifficile)的豐度升高，而CD的菌群特征則表現(xiàn)為脆弱擬桿菌(Bacterooidesfragilis)、分枝桿菌(Mycobacterium)和柱狀芽孢桿菌(Bacilluscolumnar)的豐度升高，普雷沃氏菌(Prevotella)的豐度降低[38]。此外，許多研究檢測了UC和CD中炎癥和非炎癥部位的腸道菌群，與健康對照組相比，患病個體腸道菌群多樣性顯著降低且更不穩(wěn)定[39]。

2.2 IBS

IBS是一種常見的慢性功能性胃腸道疾病，以腹痛和排便習(xí)慣改變?yōu)樘卣?，包括腹瀉(IBS-D)、便秘(IBS-C)以及腹瀉和便秘之間轉(zhuǎn)變(IBS-M)[40]。艱難梭菌、空腸彎曲菌(Campylobacterjejuni)、沙門氏菌、大腸桿菌和志賀氏菌(Shigella)都可以引起IBS[41]。將IBS-D小鼠的糞便菌群接種到無菌小鼠體內(nèi)，其腸道轉(zhuǎn)運加快，腸道屏障功能障礙并出現(xiàn)焦慮樣行為[42]。此外，將IBS患者與健康對照組相比較，研究發(fā)現(xiàn)IBS患者與健康對照組相比菌群的多樣性或豐度降低[43]。Ng等[44]研究表明，與對照組相比，IBS患者腸道菌群中厚壁菌門與擬桿菌門的比率增加，主要是由于擬桿菌門的豐度降低，益生菌的治療可以使擬桿菌門的豐度恢復(fù)到與對照組相似的水平?？傊?，IBS以腸道菌群失調(diào)為特征，需要更多關(guān)于IBS的研究以描述這一疾病的發(fā)病機制，并尋找抗生素以外的治療方案。

2.3 免疫缺陷

腸道菌群失衡會導(dǎo)致機體新陳代謝紊亂，使機體免疫能力降低，容易患上過敏性疾病，并增加感染的可能性[45]。根據(jù)“衛(wèi)生假說”，與年長的兄弟姐妹一起生活的兒童相對于沒有這種生活經(jīng)歷的兒童，過敏性疾病的發(fā)病率較低，這是因為他們很早就接觸了健康者的微生物[46]。近年來，腸道菌群與食物過敏的關(guān)系備受關(guān)注。腸道菌群失調(diào)可能先于食物過敏的發(fā)展[47]，并且多種細菌與食物過敏有關(guān)，包括梭菌、乳桿菌以及擬桿菌[48]。Noval等[49]使用食物過敏易感小鼠(Il4raF709小鼠)模型研究其腸道菌群特征，結(jié)果顯示，食物過敏小鼠腸道菌群豐度發(fā)生變化，而且將其糞便菌群移植到無菌小鼠(GF小鼠)體內(nèi)可導(dǎo)致小鼠容易感染食物過敏。類似的結(jié)果也出現(xiàn)在趙新鳳[50]的研究中。食物過敏是一種復(fù)雜的異質(zhì)性疾病，各項研究結(jié)果并不一致，動物品種、致敏物質(zhì)不同對食物過敏動物的腸道菌群都有影響，也在一定程度上說明腸道菌群具有對機體免疫能力的調(diào)節(jié)作用。

2.4 代謝異常

現(xiàn)在，越來越多的研究表明，腸道菌群的擾動會引起宿主新陳代謝和體重變化。10日齡前飼糧中添加大豆?jié)饪s蛋白可以顯著提高肉雞早期和全期的生長性能，增加肉雞腸道有益菌群的數(shù)量以及丁酸的含量，并且飼糧添加12%的大豆?jié)饪s蛋白作為早期的開食料來調(diào)控肉雞的早期生長性能綜合效果更好[51]。B?ckhed等[52]研究結(jié)果顯示，盡管GF小鼠每天多攝入29%的食物，但是它們體內(nèi)脂肪總量較腸道菌群正常的小鼠還少42%；然而，在盲腸菌群定植之后，這些GF小鼠體內(nèi)脂肪總量增加了57%，體重減少了7%，每天的食物攝入量減少了27%。Stappenbeck等[53]研究指出，定植后的小鼠遠端小腸絨毛的毛細血管密度增加了25%，這可能與代謝速度加快但是效率較低以及脂肪組織增加相關(guān)，以相同的方式處理雌性小鼠有相同的結(jié)果。腸道菌群的豐富度和多樣性與機體代謝密切相關(guān)，更多關(guān)于兩者之間的關(guān)聯(lián)和因果關(guān)系的前瞻性研究勢在必行，可能有助于代謝疾病的預(yù)防、診斷和治療。

2.5 應(yīng)激反應(yīng)

腸道菌群能夠通過腸道-菌群-腦軸來塑造大腦的生理和行為，而且表明腸道菌群是應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵因素[54]。對21日齡的小鼠使用復(fù)合抗生素可以減少小鼠的焦慮和認知障礙[55]。此外，通過糞菌移植可以轉(zhuǎn)移小鼠的焦慮樣行為，將易受應(yīng)激的BALB/c無特定病原體(SPF)小鼠糞便菌群接種到NIH瑞士Webster GF小鼠體內(nèi)，小鼠焦慮樣行為顯著增加；而將抗應(yīng)激的NIH瑞士Webster SPF小鼠的微生物接種到BALB/c GF小鼠體內(nèi)，小鼠焦慮樣行為顯著減少[56]。盡管這些研究沒有包括應(yīng)激對神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)的檢測，但都表明腸道菌群的組成對神經(jīng)系統(tǒng)有影響，需要更深入的研究來闡明其中可能的機制。對于家禽而言，各種環(huán)境以及人為因素均可以導(dǎo)致家禽應(yīng)激反應(yīng)，如冷、熱應(yīng)激[57]和人為抓捕[58]等。熱應(yīng)激條件下，蛋雞糞便菌群結(jié)構(gòu)變化顯著。此外，蛋雞的糞便微生物群落以厚壁菌門、擬桿菌門和變形桿菌門為主，熱應(yīng)激條件下糞便微生物群中厚壁菌門的豐度明顯降低，擬桿菌門的豐度明顯增加[59]。而飼糧添加綠原酸可以通過改善腸道菌群組成、抑制炎癥、提高抗氧化能力，緩解急性熱應(yīng)激產(chǎn)生的損傷[60]?？傊c道菌群參與調(diào)節(jié)機體應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)展，不同動物、不同應(yīng)激源所涉及的機制可能不同，需要對其展開進一步的研究。

3 小結(jié)與展望

總的來說，生命早期是一個非常重要的發(fā)育窗口，有可能決定人和動物的健康和疾病軌跡。近年來，由于基因組技術(shù)的快速發(fā)展帶來了腸道菌群研究的增加，已經(jīng)證實，腸道中存在的細菌群體之間的平衡及其與宿主的相互作用對健康至關(guān)重要。出生后早期腸道菌群發(fā)育模式的改變可能對免疫、代謝和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生各種各樣的負面影響，而且這種影響甚至可以持續(xù)很長一段時間。影響生命早期腸道菌群改變的因素眾多，主要包括產(chǎn)前的母體微生物、體重和抗生素的使用以及出生后早期的喂養(yǎng)方式以及抗生素、益生菌和益生元的使用等。為了減輕這些因素的影響，有必要結(jié)合多組學(xué)技術(shù)進一步了解它們影響腸道菌群平衡的機制以及腸道菌群調(diào)節(jié)宿主健康的機理，并針對這些因素探究相關(guān)疾病的預(yù)防和治療方法，這也是未來一段時間需要攻克的主要問題。