產(chǎn)丁酸菌的產(chǎn)酸機(jī)制及其在調(diào)控腸道健康中的作用研究進(jìn)展

付域澤，焦 帥，張乃鋒

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼料生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

動(dòng)物消化道內(nèi)棲息著極其復(fù)雜和多樣化的微生物群落，這些微生物群落分布在腸道的不同部位并保持著相對(duì)穩(wěn)定和平衡，對(duì)宿主健康發(fā)揮著重要作用[1]。除了與宿主互作以外，其發(fā)酵產(chǎn)物(主要是短鏈脂肪酸)作為能源物質(zhì)及炎癥、細(xì)胞增殖和凋亡的調(diào)節(jié)劑等，也對(duì)宿主產(chǎn)生了多重影響。按代謝產(chǎn)物不同可將這些微生物分為不同的功能類群，比如產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)丙酸菌、產(chǎn)丁酸菌、產(chǎn)乳酸菌等。其中產(chǎn)丁酸菌與一系列微生物失調(diào)引發(fā)的消化道炎癥等現(xiàn)象存在關(guān)聯(lián)，這愈發(fā)引起了人們的興趣[2-3]。Tye等[4]發(fā)現(xiàn)，NLPR1炎癥小體是腸道產(chǎn)丁酸菌豐度的關(guān)鍵負(fù)調(diào)節(jié)因子，該類菌豐度的下調(diào)促進(jìn)了炎癥發(fā)生，這種現(xiàn)象引起了研究者的關(guān)注。本文從產(chǎn)丁酸菌的生物學(xué)分類、產(chǎn)酸機(jī)制、腸道炎癥調(diào)控作用及發(fā)展前景等方面做了系統(tǒng)綜述，旨在闡明產(chǎn)丁酸菌與宿主健康的互作機(jī)制，助力產(chǎn)丁酸菌的深入研究與應(yīng)用。

1 產(chǎn)丁酸菌概述

對(duì)于產(chǎn)丁酸菌的研究具有悠久的歷史。早在1930年，McCoy等[5]發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)丁酸菌能夠通過(guò)多種發(fā)酵方式(碳水化合物、多元醇和糖苷的發(fā)酵；乳酸鹽的發(fā)酵；蛋白質(zhì)及其衍生物的發(fā)酵)產(chǎn)生丁酸，這個(gè)過(guò)程還伴隨有其他代謝產(chǎn)物(乙酸、醇和丙酮等)的產(chǎn)生；2011年，萬(wàn)朕等[6]從酒廠窖泥中成功分離純化出1株產(chǎn)丁酸菌，該菌在溫度為36 ℃、pH為7.0條件下，接種量為5%，產(chǎn)丁酸量在3 d內(nèi)可高達(dá)300 mg·dL-1。近幾年，產(chǎn)丁酸菌已經(jīng)成為行業(yè)研究熱點(diǎn)[7]。產(chǎn)丁酸菌是嚴(yán)格的厭氧菌，通常被認(rèn)為難以培養(yǎng)，但近期在研究人員的努力下獲得了一些主要菌株的全新信息[8]。丁酸的形成過(guò)程在細(xì)菌能量代謝中發(fā)揮了特殊作用[9]，這意味著能量代謝和微生物生態(tài)學(xué)的某些特征可能在不同產(chǎn)丁酸菌之間存在共享。產(chǎn)丁酸菌的主要發(fā)酵產(chǎn)物(丁酸)在維持宿主腸道健康等方面起著關(guān)鍵作用，是結(jié)腸黏膜的主要能量來(lái)源，也是宿主細(xì)胞中基因表達(dá)、炎癥、細(xì)胞分化和凋亡的重要調(diào)節(jié)劑[10]。

關(guān)于產(chǎn)丁酸菌的定義，可概括為：一類能夠利用食物(飼料)中不易消化的碳水化合物合成丁酸，通過(guò)調(diào)控腸道菌群結(jié)構(gòu)、為腸道上皮細(xì)胞供能、維護(hù)腸黏膜屏障功能、調(diào)節(jié)宿主免疫功能等調(diào)控腸道內(nèi)環(huán)境和微生態(tài)平衡，對(duì)宿主健康有益的功能性菌群[4]。其廣泛存在于消化道的各個(gè)部位，包括瘤胃、口腔、結(jié)腸和盲腸等[11]。產(chǎn)丁酸菌的代謝產(chǎn)物包括短鏈脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸)、酶類[12](蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、糖苷酶、纖維素酶)以及維生素B族[13]等，其中丁酸是產(chǎn)丁酸菌的主要代謝產(chǎn)物，也是產(chǎn)丁酸菌發(fā)揮功能的主要媒介，在促進(jìn)腸道發(fā)育和維持腸道穩(wěn)態(tài)方面起到了重要作用。

2 產(chǎn)丁酸菌分類學(xué)地位

產(chǎn)丁酸菌代表了宿主腸道微生態(tài)中的一個(gè)功能性群體，而不是一個(gè)單系的系統(tǒng)發(fā)育群，其在多樣性、功能性等方面都是腸道菌群發(fā)揮作用的重要體現(xiàn)[14]。產(chǎn)丁酸菌多為革蘭陽(yáng)性厭氧菌。Vital等[15]從整合的微生物基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選了3 184個(gè)測(cè)序細(xì)菌基因組，鑒定出225種可能產(chǎn)生丁酸的細(xì)菌基因組，包括許多以前未知的候選基因。多數(shù)候選菌屬于厚壁菌門(Firmicutes)內(nèi)不同的家族[7]，但其他的門也存在潛在的產(chǎn)丁酸菌[16]，如放線菌門、擬桿菌門、梭桿菌門和變形桿菌門等。厚壁菌門的產(chǎn)丁酸菌在屬水平上分布于梭菌屬(Clostridium)、真桿菌屬(Eubacterium)、羅氏菌屬(Roseburia)、糞桿菌屬(Faecalibacterium)、丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、糞球菌屬(Coprococcus)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)等。趙廣民等[17]利用16S測(cè)序技術(shù)研究了金華豬和長(zhǎng)白豬各腸段主要產(chǎn)丁酸菌相對(duì)豐度，發(fā)現(xiàn)丁酸球菌屬(Butyricicoccus)、丁酸單胞菌屬(Butyricimonas)、糞桿菌屬(Faecalibacterium)、真桿菌屬(Eubacterium)、顫螺旋菌屬(Oscillospira) 和羅氏菌屬(Roseburia) 相對(duì)豐度均低于1%。

3 產(chǎn)丁酸菌的代表性菌種

丁酸梭菌 (Clostridiumbutyricum)，又名酪酸梭狀芽孢桿菌或丁酸菌，是一種典型的腸道共生菌，以其特有的強(qiáng)產(chǎn)丁酸能力而聞名，也是梭菌屬的典型模式菌[18]。丁酸梭菌是受關(guān)注和研究最多的產(chǎn)丁酸菌。1933年日本學(xué)者首先發(fā)現(xiàn)并報(bào)道該菌；2003年歐盟批準(zhǔn)丁酸梭菌作為肉雞和斷奶仔豬的飼料添加劑；2009年7月我國(guó)批準(zhǔn)了丁酸梭菌制劑在飼料中作為微生物飼料添加劑使用。該菌屬于革蘭陽(yáng)性、厭氧芽孢桿菌，主要以內(nèi)生孢子形式存在，抗逆性好。菌落表面黏稠，邊緣處形成白色或乳白色一圈突起，呈不規(guī)則圓形形態(tài)，稍突。菌體形態(tài)為直桿狀，單生。菌體可以產(chǎn)生芽孢，有鞭毛，可以運(yùn)動(dòng)[19]。丁酸梭菌的代謝產(chǎn)物有丁酸、乙酸、丙二醇、氫等[12]。

直腸真桿菌(Eubacteriumrectale)屬于真桿菌屬，可以利用淀粉、葡萄糖和麥芽糖[20]，代謝產(chǎn)物主要為丁酸。不但在結(jié)腸和糞便中占比最大，同時(shí)也具有較為出色的產(chǎn)酸能力[21]。直腸真桿菌于1937年出現(xiàn)在“病原體細(xì)菌詞典”中，最早發(fā)現(xiàn)的VPI 0989T菌株已經(jīng)丟失，和該菌株來(lái)自同一份糞便樣本的YPI 0990[22]并沒(méi)有被正式認(rèn)可為原始菌株。Duncan和Flint[22]發(fā)現(xiàn)的直腸真桿菌(A1-86)呈桿狀、革蘭陽(yáng)性、厭氧且可運(yùn)動(dòng)。從宏基因組分析，直腸真桿菌屬于人類特有菌，包含有4個(gè)亞種，其中3個(gè)(ErEurasia、ErEurope、ErAsia)在系統(tǒng)發(fā)育樹中屬于大型且明確的單系亞種，第4個(gè)是存在于非洲的新亞種(ErAfrica)，不同亞種的形成，一定程度上是地理距離隔離產(chǎn)生的結(jié)果[23]。

霍氏真桿菌(Eubacteriumhallii)是嬰兒腸道中出現(xiàn)最早的產(chǎn)丁酸的細(xì)菌之一[24]?；羰险鏃U菌能夠利用短鏈寡糖、菊粉等，代謝產(chǎn)物有丙酸、丁酸和次級(jí)膽汁酸[25]?；羰险鏃U菌與雙歧桿菌互作可以更高效地利用L-巖藻糖和巖藻糖乳糖[26]。另外，霍氏真桿菌還能夠轉(zhuǎn)化甘油為3-羥基丙醛(3-HPA)[27]?；羰险鏃U菌屬于真桿菌屬，最近被發(fā)現(xiàn)的1株名為L(zhǎng)2-7T的菌株因其具有不同的表型(DNA雜交值與細(xì)胞膜成分)和系統(tǒng)發(fā)育特征(與E.halliiDSM 3353T相似度僅有98.0%～98.5%)，或許會(huì)被重新分類為Anaerobutyricumhallii[28]，歸屬于毛螺旋菌科。

普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii)屬于糞桿菌屬，該菌種下分離株主要包含F(xiàn).prausnitziiA2-165、F.cf.prausnitziiKLE1255、F.prausnitziiL2-6等。起初，普拉梭菌被歸類于梭桿菌屬(Fusobacterium)，2002年，Duncan等[29]建議將該菌歸入糞桿菌屬，糞桿菌屬的基因組又可以聚為不同的類群(A、B和C簇)，多數(shù)普拉梭菌歸屬于這3個(gè)類群，不過(guò)也有較少的菌株(F.prausnitzii_CNCM_I-4541,F.prausnitzii_CNCM_I-4575,和F.prausnitzii_L2-6)不在此類[30]。普拉梭菌為革蘭陰性、專性厭氧、不產(chǎn)芽孢、無(wú)鞭毛、無(wú)運(yùn)動(dòng)性桿菌。掃描電子顯微鏡圖像顯示，普拉梭菌模式菌株 A2-165(DSM17677)為約 2 μm 長(zhǎng)桿狀、兩頭鈍圓的桿菌，其細(xì)胞壁外有瘤狀突起[31]。2010年完成該菌的基因組測(cè)序，平均基因組大小為3.05 Mb，GC含量為56.4%，含有2 745個(gè)開放閱讀框(open reading frame, ORF)。普拉梭菌能利用果糖、低聚果糖、淀粉和菊粉，不能利用阿拉伯糖、鼠李糖、木糖等；乙酸刺激其生長(zhǎng)，產(chǎn)生二氧化碳，不產(chǎn)氫；發(fā)酵產(chǎn)物有甲酸、丁酸和D-乳酸[29]。

腸道羅斯拜瑞氏菌(Roseburiaintestinalis)又稱為羅氏弧菌，屬于羅氏菌屬，該菌種的第1株分離株(L1-82T)在2002年被發(fā)現(xiàn)。腸道羅斯拜瑞氏菌為革蘭陽(yáng)性菌，微彎曲桿狀，有鞭毛，掃描電鏡觀察下處于活躍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在體外可產(chǎn)生10 μmol·mL-1的丁酸[29]。腸道羅斯拜瑞氏菌被稱作是存在于腸道黏液層的乙酸-丁酸轉(zhuǎn)換器[32]，有著將乙酸轉(zhuǎn)化為丁酸的功能，在這個(gè)過(guò)程中也能檢測(cè)到甲酸、氫和二氧化碳[29]，但并不是主要代謝產(chǎn)物。腸道羅斯拜瑞氏菌是膳食中β-甘露聚糖的主要分解者[33]，也能分解木聚糖[34]，尤其偏好阿拉伯木聚糖。

4 產(chǎn)丁酸菌的產(chǎn)酸機(jī)制

產(chǎn)丁酸菌發(fā)揮作用的關(guān)鍵途徑之一是作為載體運(yùn)輸活性分子(丁酸)至特定腸道部位發(fā)揮靶向調(diào)節(jié)作用，因此，其產(chǎn)丁酸機(jī)制成為研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，研究人員針對(duì)產(chǎn)丁酸菌的產(chǎn)酸方式分別總結(jié)出了乙酰輔酶A途徑、賴氨酸途徑、戊二酸途徑和4-氨基丁酸途徑4種產(chǎn)酸途徑[15]。其中，乙酰輔酶A途徑是最普遍的產(chǎn)丁酸途徑。人體攝入的碳水化合物經(jīng)過(guò)小腸的消化吸收到達(dá)結(jié)腸，這些復(fù)雜的多糖(如淀粉和木聚糖等)通過(guò)底物水平磷酸化的方式產(chǎn)生ATP進(jìn)而被產(chǎn)丁酸菌利用，在這個(gè)過(guò)程中，碳水化合物產(chǎn)生了丙酮酸、乙酰輔酶A等中間產(chǎn)物。兩分子的乙酰輔酶A被硫解酶(Thiolase)催化為乙酰乙酰輔酶A(acetoacetyl-CoA)，硫解酶被檢測(cè)到存在A和B兩種基因。隨后在Hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase(BHBD)的催化下生成3-hydroxybutyryl CoA，3-hydroxybutyryl CoA通過(guò)巴豆酸酶(Crotonase)的催化生成crotonyl-CoA，由crotonyl-CoA到丁酰輔酶A(butyryl-CoA)是整個(gè)途徑的中心通路，因?yàn)樵摬襟E也是其他3個(gè)途徑的共同通路[15]。在這一步驟中，丁酰輔酶A脫氫酶(butyryl-CoA dehydrogenase)的電子轉(zhuǎn)移黃素蛋白復(fù)合體(electron-transferring flavoprotein，Etfαβ)提供了電子從而幫助產(chǎn)丁酸菌節(jié)約了能源[9]，該反應(yīng)還可能與原核生物和真核生物中脂肪酸的氧化密切相關(guān)。由丁酰輔酶A到丁酸的最后一步是由丁酰輔酶A∶乙酸輔酶A轉(zhuǎn)移酶(acetate CoA-transferase)(由But基因編碼)或丁酸激酶(butyrate kinase)(由Buk基因編碼，丁酰輔酶A磷酸化后)催化的。通常，這兩個(gè)基因被用作鑒定/檢測(cè)產(chǎn)丁酸菌菌群的生物標(biāo)志物[35]，目前，可以通過(guò)簡(jiǎn)并引物建立該基因的實(shí)時(shí)PCR檢測(cè)方法，從而半定量監(jiān)測(cè)存在于人體結(jié)腸微生物中產(chǎn)丁酸菌的動(dòng)態(tài)變化。乙酰輔酶A途徑如圖1所示。

圖1 產(chǎn)丁酸菌產(chǎn)酸的乙酰輔酶A途徑Fig.1 Acetyl-CoA pathway of acid production by butyrate-producing bacteria

除了乙酰輔酶A途徑之外的其它3種產(chǎn)酸途徑皆以氨基酸為主要底物，具有代表性的為賴氨酸通路[15]。Bui等[36]利用13C-NMR同位素發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)丁酸菌能夠使賴氨酸的C2與C3殘基發(fā)生裂解，核磁共振結(jié)果顯示，賴氨酸幾乎轉(zhuǎn)化為等量摩爾質(zhì)量的丁酸，并且在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生了乙酰輔酶A途徑的中間產(chǎn)物。從基因表達(dá)分析上來(lái)看，賴氨酸途徑的相關(guān)基因包含1個(gè)類似操縱子的簇(具有提取利用果糖賴氨酸(fructoselysine) 和阿洛酮糖賴氨酸(psicoselysine)的基因)[37]和1個(gè)賴氨酸利用操縱子(可以編碼6種參與賴氨酸轉(zhuǎn)化為丁酸的酶)。另外，通過(guò)對(duì)AF211腸桿菌基因組的分析預(yù)測(cè)出了全部的14種賴氨酸途徑的相關(guān)酶，其中包括CoA轉(zhuǎn)移酶AtoD-A、4Hbt和But。通過(guò)進(jìn)一步活性誘導(dǎo)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，AtoD-A在賴氨酸降解條件下大量表達(dá)，AtoD-A也被認(rèn)為是賴氨酸途徑的關(guān)鍵酶，同時(shí)這是腸道生態(tài)系統(tǒng)中首次對(duì)賴氨酸途徑進(jìn)行描述，因此賴氨酸利用操縱子和已鑒定的ATOD-A基因可能作為賴氨酸途徑發(fā)生的標(biāo)志物[36]。賴氨酸途徑如圖2所示。

根據(jù)已有的研究，除了中心通路(crotonyl-CoA到butyryl-CoA)以外，戊二酸途徑與4-氨基丁酸途徑和其他途徑并無(wú)共底物，且這兩種途徑占據(jù)總產(chǎn)酸途徑的比例很小(平均為2.4%～2.5%)[15]。說(shuō)明這兩種產(chǎn)酸途徑相對(duì)獨(dú)立且中間產(chǎn)物不被多數(shù)產(chǎn)丁酸菌優(yōu)先利用。4-氨基丁酸分別在4-hydroxybutyrate dehydrogenase(AbfH)、4-hydroxybutyrate-CoA transferase(4Hbt)和4-hydroxybutyryl dehydratase(AbfD)的作用下生成vinyl-acetyl-CoA。戊二酸途徑則由谷氨酸脫氫酶(glutamate dehydrogenase，Gdh)、2-hydroxyglutarate dehydrogenase (L2Hgdh)、glutaconate-CoA transferase (Gct)、2-hydroxyglutaryl-CoA dehydrogenase (HgCoAd)和Glutaconyl-CoA decarboxylase (Gcd)參與反應(yīng)[38]。兩條途徑同樣在中心通路形成代謝交匯點(diǎn)，值得注意的是，戊二酸在厭氧細(xì)菌的利用下可以通過(guò)谷氨酸脫羧酶(Glutamate decarboxylase，Gdc)生成4-氨基丁酸[39]。戊二酸途徑與4-氨基丁酸途徑如圖3所示。

圖2 產(chǎn)丁酸菌產(chǎn)酸的賴氨酸途徑Fig.2 Lysine pathway of acid production by butyrate-producing bacteria

圖3 產(chǎn)丁酸菌產(chǎn)酸的戊二酸途徑與4-氨基丁酸途徑Fig.3 Glutarate and 4-aminobutyrate pathway of acid production by butyrate-producing bacteria

5 產(chǎn)丁酸菌與腸道健康

產(chǎn)丁酸菌對(duì)于宿主腸道健康有著重要的意義，往往通過(guò)其本身特性以及代謝產(chǎn)物發(fā)揮作用。

5.1 產(chǎn)丁酸菌能夠與腸道菌群發(fā)生營(yíng)養(yǎng)互作

霍氏真桿菌能夠通過(guò)形成不同的短鏈脂肪酸來(lái)影響代謝平衡以及腸道菌群穩(wěn)態(tài)[40]。嬰兒體內(nèi)的雙歧桿菌可以特異性地利用L-巖藻糖(L-fucose)生成1，2-丙二醇(1,2-propanediol，1,2-PD)，雙歧桿菌還可以將半乳糖轉(zhuǎn)化為乳酸和乙酸?；羰险鏃U菌能夠與雙歧桿菌發(fā)生營(yíng)養(yǎng)互作，以雙歧桿菌產(chǎn)生的乳酸和乙酸為底物生成對(duì)腸道有益生作用的丁酸，并能夠?qū)?,2-PD轉(zhuǎn)化為丙酸[26]。這種共生現(xiàn)象不但能夠使宿主更高效地產(chǎn)生對(duì)宿主有益的揮發(fā)性脂肪酸，還能夠增強(qiáng)共生菌的競(jìng)爭(zhēng)力，加強(qiáng)雙歧桿菌對(duì)巖藻糖的利用，間接對(duì)致病出血性大腸桿菌(巖藻糖調(diào)節(jié)其定植)產(chǎn)生抑制作用[41]。普拉梭菌能夠與多形擬桿菌(Bacteroidesthetaiotaomicron)發(fā)生營(yíng)養(yǎng)互作。多形擬桿菌產(chǎn)生的乙酸通過(guò)上調(diào)KLF4轉(zhuǎn)錄因子促使杯狀細(xì)胞分化，普拉梭菌與多形擬桿菌共生下，會(huì)利用多形擬桿菌產(chǎn)生的乙酸生成丁酸，削弱對(duì)杯狀細(xì)胞和黏蛋白糖基化的影響，調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞分泌系譜中不同類型細(xì)胞的比例，從而維持腸道黏膜穩(wěn)態(tài)[42]。

5.2 產(chǎn)丁酸菌能夠與致病菌發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)拮抗作用

丁酸梭菌能夠與致病性大腸桿菌競(jìng)爭(zhēng)黏附位點(diǎn)。丁酸梭菌細(xì)胞內(nèi)含有的磷脂壁酸(與聚甘油磷酸酯鏈共價(jià)連接的脂質(zhì)部分)能夠錨定上皮細(xì)胞的纖維連接蛋白并與之共價(jià)連接[43]，從而與大腸桿菌搶奪黏附位點(diǎn)，競(jìng)爭(zhēng)致病菌的生存空間。丁酸梭菌能夠富集其它產(chǎn)丁酸菌(瘤胃球菌科和真桿菌屬等)，并減少致病性擬桿菌門和膽汁酸生物轉(zhuǎn)化菌(bile acid (BA)-biotransforming bacteria)的產(chǎn)生[44]。這是因?yàn)槎∷崴缶軌蛞种芖nt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路并通過(guò)丁酸激活特定的丁酸受體(GPR43)，從而抑制癌細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)凋亡[45]。在丁酸梭菌CBM588與艱難梭菌的共培養(yǎng)中，丁酸梭菌通過(guò)細(xì)胞接觸影響了艱難梭菌毒素蛋白的產(chǎn)生，少量的丁酸梭菌CBM588就能夠抑制大量艱難梭菌的萌發(fā)[46]。

5.3 產(chǎn)丁酸菌能夠改善腸道環(huán)境

產(chǎn)丁酸菌發(fā)酵產(chǎn)生的丁酸一方面能夠增加腸道黏蛋白和抗菌肽以及加強(qiáng)緊密連接蛋白的表達(dá)[47]、降低腸道通透性從而抑制病原微生物的定植和增殖，防止有害物質(zhì)進(jìn)入血液循環(huán)，維護(hù)腸道健康；另一方面產(chǎn)丁酸菌發(fā)酵產(chǎn)生的丁酸通過(guò)增加鈣水平激活腺苷一磷酸活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)，激活后的AMPK進(jìn)而分別抑制肌球蛋白II調(diào)節(jié)輕鏈(myosin II regulatorylight chain，MLC2)的磷酸化和促進(jìn)蛋白激酶Cβ2(protein kinase C β2，PKCβ2)的磷酸化，從而促進(jìn)腸道緊密連接的重組，增強(qiáng)腸黏膜屏障功能[48]。此外，產(chǎn)丁酸菌(Clostridiales)豐度的增加能夠抑制NLRP1炎性小體，減少IL-18的分泌，從而維護(hù)腸道屏障功能，炎性小體已被證實(shí)在響應(yīng)PAMP和DAMP信號(hào)后，激活炎癥應(yīng)答及死亡途徑[49]。梭菌屬和直腸真桿菌屬等產(chǎn)丁酸菌能夠以高密度富集于結(jié)腸腔內(nèi)并通過(guò)發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生大量丁酸，這些丁酸被運(yùn)輸?shù)浇Y(jié)腸上皮細(xì)胞，在線粒體內(nèi)以β氧化的形式產(chǎn)生乙酰輔酶A進(jìn)入TCA循環(huán)，導(dǎo)致NAD+還原為NADH，NADH進(jìn)入電子傳遞鏈最終生成ATP[50]。這些能量占正常結(jié)腸上皮細(xì)胞所需能量的60%～70%。

6 產(chǎn)丁酸菌應(yīng)用進(jìn)展

產(chǎn)丁酸菌已經(jīng)被納入“下一代益生菌”的范疇[51]，其在改善動(dòng)物生產(chǎn)性能、緩解腸道炎癥、增強(qiáng)機(jī)體免疫和抗氧化能力以及抵抗、治療疾病等方面有著廣泛的作用。

產(chǎn)丁酸菌在動(dòng)物養(yǎng)殖上的應(yīng)用主要體現(xiàn)于丁酸梭菌。在1日齡的肉雞日糧中添加109CFU丁酸梭菌能夠改善肉雞的生長(zhǎng)性能，增強(qiáng)肉雞的骨骼發(fā)育[52]；在干物質(zhì)中添加0.05%的丁酸梭菌也能夠改善熱應(yīng)激山羊的瘤胃發(fā)酵和生長(zhǎng)性能[53]；在基礎(chǔ)飼糧中添加250 mg·kg-1的丁酸梭菌顯著改善了斷奶仔豬的腸道健康，增強(qiáng)了仔豬機(jī)體的免疫功能[54]，但也有不同的研究顯示，另1種添加劑量(500 mg·kg-1)的丁酸梭菌對(duì)于降低“杜×長(zhǎng)×大”的三元雜交斷奶仔豬的腹瀉率、提高仔豬的生長(zhǎng)性能[55]、增強(qiáng)其機(jī)體免疫和抗氧化能力[56]具有顯著效果。另外，丁酸梭菌一方面能夠通過(guò)抑制Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路和改變腸道菌群組成來(lái)抑制結(jié)直腸癌(colorectal cancer，CRC)小鼠模型的腸道腫瘤形成[44]，另一方面也能通過(guò)下調(diào)脂肪酸代謝、β-丙氨酸代謝和色氨酸代謝有效改善腹瀉癥狀的發(fā)生，且有較高的治療應(yīng)答率[57]。丁酸梭菌還能夠通過(guò)改善運(yùn)動(dòng)功能、減少多巴胺神經(jīng)元丟失、改善突觸功能障礙及抑制小膠質(zhì)細(xì)胞激活、提高結(jié)腸胰高血糖素樣蛋白GLP-1、結(jié)腸G蛋白偶聯(lián)受體GPR41/43和大腦GLP-1受體水平預(yù)防和治療帕金森病[58]。同樣，該菌也能用于對(duì)抗幽門螺旋桿菌疾病，但其療效頗具爭(zhēng)議，有研究認(rèn)為丁酸梭菌能夠在一定程度上根除幽門螺桿菌[59]，也有研究認(rèn)為根除幽門螺桿菌應(yīng)綜合考慮宿主個(gè)體情況[60]。除了丁酸梭菌，直接飼喂其代謝產(chǎn)物丁酸鹽也能提高肉雞[61]、母牛[62]和羔羊[63]的生長(zhǎng)性能，對(duì)于緩解仔豬腹瀉，改善仔豬腸道通透性也有一定效果[64]。

普拉梭菌在動(dòng)物養(yǎng)殖中應(yīng)用較少，其研究多集中在炎癥性腸病(inflammatory bowel，IBD)患者領(lǐng)域。普拉梭菌最初被注意到是因?yàn)樵贗BD 患者腸道中幾乎檢測(cè)不到其存在[65]，也因此被認(rèn)為是潛在的IBD治療產(chǎn)品。后續(xù)的研究證明，普拉梭菌不但能夠分泌抗炎因子(細(xì)菌素、15 ku蛋白[66])阻斷NF-κB的激活和IL-8的產(chǎn)生[67]；也可以增強(qiáng)特異性T細(xì)胞的增殖，降低IFN-γ+T的細(xì)胞數(shù)量[68]；還能夠增加血漿中的抗TH17細(xì)胞因子(IL-10和IL-12)，抑制IL-17水平，改善結(jié)腸炎的病變[69]。從大量IBD和腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)患者的糞便中分析得出，腸道炎癥導(dǎo)致的氧化應(yīng)激使抗氧化生物合成途徑減少，膽汁酸代謝發(fā)生改變，在這個(gè)過(guò)程中普拉梭菌或許能成為關(guān)鍵的治療靶點(diǎn)[67]。

腸道羅斯拜瑞氏菌能夠緩解腸道炎癥，抑制還未分化的惡性腸細(xì)胞[70-71]；其通過(guò)增加Treg等免疫細(xì)胞的數(shù)量來(lái)上調(diào)體內(nèi)抗炎細(xì)胞因子(IL-10、TGF-β、TSLP)的表達(dá)和分泌[72]，下調(diào)促炎細(xì)胞因子(TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-12)的表達(dá)水平并利用其本身結(jié)構(gòu)特性(鞭毛蛋白)來(lái)激活H1F1A-AS2等啟動(dòng)子發(fā)揮抗炎作用，為治療IBD提供了新的路徑[73]。

7 產(chǎn)丁酸菌應(yīng)用的影響因素

產(chǎn)丁酸菌作為功能菌和下一代益生菌的候選菌無(wú)疑具備良好的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿51, 74]，然而產(chǎn)丁酸菌仍然面臨諸多問(wèn)題亟待研究與解決。第一，缺乏足夠的動(dòng)物試驗(yàn)研究：產(chǎn)丁酸菌在動(dòng)物試驗(yàn)方面存在不足，除了研究較多的丁酸梭菌以外，由于篩選條件困難導(dǎo)致的以普拉梭菌為代表的產(chǎn)丁酸菌在動(dòng)物應(yīng)用方面的研究鮮有報(bào)道，對(duì)于這些產(chǎn)丁酸菌的試驗(yàn)還有待更多的探索；第二，產(chǎn)丁酸菌在動(dòng)物試驗(yàn)的應(yīng)用條件并不一致：以丁酸梭菌為代表的飼用微生態(tài)制劑其添加形式多種多樣，包括物理形態(tài)不同(液態(tài)和固態(tài))[75]、添加劑量不同[56]以及添加方式不同(單菌制劑、復(fù)合菌制劑和酶菌制劑)等，不同的添加形式對(duì)于宿主的應(yīng)用效果存在差異；第三，產(chǎn)丁酸菌的應(yīng)用宿主差異導(dǎo)致應(yīng)用效果不一致：丁酸梭菌在仔豬、育肥豬的研究效果多體現(xiàn)在促生長(zhǎng)方面，對(duì)于禽類養(yǎng)殖則具備改善生長(zhǎng)性能、抗氧化能力和免疫功能的作用，對(duì)于牛、羊等草食動(dòng)物的影響體現(xiàn)在腸道健康和免疫調(diào)控等方面[76]，造成以上差異的具體原因則需要后續(xù)研究人員更多的探索。

8 小 結(jié)

腸道菌群與宿主間的對(duì)話機(jī)制成為目前研究的熱點(diǎn)[77]，產(chǎn)丁酸菌作為腸道菌群發(fā)揮功能的重要群體之一，其主要分布于厚壁菌門并通過(guò)乙酰輔酶A途徑、賴氨酸途徑等4種存在交叉的產(chǎn)酸途徑產(chǎn)生丁酸從而發(fā)揮重要作用。此外，產(chǎn)丁酸菌通過(guò)本身特性與腸道菌群發(fā)生營(yíng)養(yǎng)互作和競(jìng)爭(zhēng)拮抗而影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)與豐度，菌群本身的交互作用以及代謝產(chǎn)物還可以改善腸道環(huán)境促進(jìn)腸道健康，對(duì)宿主炎癥性腸病、腸易激綜合征等多種疾病具有重要的治療和預(yù)防意義。但除了本文所概述的產(chǎn)丁酸菌應(yīng)用進(jìn)展之外，探明產(chǎn)丁酸菌影響應(yīng)用進(jìn)展的新因素以及更多的動(dòng)物試驗(yàn)研究參考同樣具有重要意義。