肠肝轴在动物营养代谢和免疫中的作用

蒋贤哲 张博彦 罗海玲 张新盟 王炳

（1.中国农业大学动物科学技术学院 动物营养学国家重点实验室，北京 100193；2.德州市陵城区农业技术推广中心，德州 253500）

随着生物技术的发展，特别是微生物组学的兴起，越来越多的研究表明肠道微生物与动物体的器官组织之间联系密切，我们把这一关联称之为“轴”，如肠-脑轴和肠-肝轴等［1］。肠肝轴是指肠道微生物及其代谢物与肝脏之间的双向关系，常用来描述肠道和肝脏之间的生物学联系，这是由营养、遗传和环境因素相互作用的结果。肠道是动物的主要消化器官，肝脏是动物机体最关键的新陈代谢器官，研究表明，肠肝轴对于动物采食和脂肪沉积有重要的调控作用，但目前肠肝轴的相关研究大多围绕人和模式动物的脂肪肝和肠道疾病机理阐释展开，对于家养动物特别是反刍动物而言，有关肠肝轴的研究还不够深入。因此，本文所参考的文献大多以对模式动物为主，但不断完善的肠肝轴理论对家畜养殖管理及营养免疫调控具有重要指导意义和参考价值。

1 肠肝轴基础理论

在动物体中，肠道和肝脏之间通过门静脉连接，肝脏中约2/3的血液来自肠道，因此，肝脏是肠源性代谢物的第一个接受者，接收肠粘膜吸收的小分子饲粮营养素代谢物（如小分子蛋白、肽、氨基酸、短链脂肪酸等）和其他小分子代谢物。同时，肝脏可以分泌胆汁酸到肠道中去，这些胆汁酸中的绝大多数（＞95%）从回肠被重新吸收，并通过门静脉输送回肝脏，再分泌回胆管，这一过程被称为肠肝循环。这些肠肝之间的双向联系是肠道-肠道微生物-肝轴之间沟通的桥梁，是肠肝轴调节动物体营养代谢和机体免疫的重要结构基础。

肠道屏障是肠道微生物和肝脏之间的物理和功能屏障，是维持肠肝轴稳定的守护者，也是机体维持营养代谢和进行免疫调节的重要结构基础。其中，内源性大麻素系统介导的肠肝轴是肠道屏障稳定性的重要参与者。影响肠道屏障稳定性的关键因素包括：（1）紧密连接蛋白是肠道屏障结构的关键组成成分；（2）粘蛋白和抗菌肽（如凝集素、防御素和肠毒素等）可以加强肠道屏障；（3）A型免疫球蛋白（IgA）抗体可以清除到达肝脏的肠源性抗原，肝脏和肠道是IgA抗体的重要来源。研究表明缺乏IgA的转基因小鼠表现出对肠道损伤和肠道屏障破坏的易感性增加［2-3］；（4）与粘膜密切相关的共生菌［4］。共生菌通过刺激细胞介导的免疫反应和产生保护性代谢物两种方式来加强屏障的完整性。如果肠道屏障受损，肠道微生物成分就会进入肝脏，如微生物细胞壁脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和细菌DNA等，统称为微生物相关分子模式（microbialassociated molecular patterns，MAMP），有时，完整的微生物也会随着受损的粘膜屏障进入血液流至肝脏。

肠道微生物是调控肠肝轴信号的主要发出者，利用饲粮和宿主的物质，产生各种微生物代谢物（例如短链脂肪酸、胆汁酸、甲胺、硫化氢以及酚类和吲哚类化合物等）。其中，部分微生物代谢物被称为肠道微生物衍生信号，在肠肝轴中起到关键信号调节作用。例如，肝脏分泌到肠道的胆汁酸，除了协助消化饲粮中的脂溶性营养物质外，还可直接抑制肠道内特定细菌群的生长和间接刺激肠道中抗菌剂的产生，来调节肠道微生物区系［5］，进而在保护肠-肝轴的关键组分和肠道微生物群落的形成过程中起到关键作用。肠肝轴主要通过内源性大麻素系统和肠道微生物衍生信号来调节动物的营养代谢和免疫功能。

2 内源性大麻素系统

内源性大麻素系统（the endocannabinoid system，ECS）是动物体内一个关键信号系统，其在动物采食、脂肪沉积以及一些炎症反应中起着重要作用。ECS是由内源性大麻素（endocannabinoid，EC）的内源性配体、合成和降解EC的酶以及介导EC效应的EC受体组成。其中，最典型的EC是烷基酰胺（AEA）和2-花生四烯基甘油［6］，而EC的主要受体为CB1和CB2。因此，大麻类化合物可激活下丘脑神经元亚群所依赖的CB1信号通路来发挥其调节采食的功能。有研究表明，成熟脂肪细胞中选择性地敲除CB1基因可以保护小鼠免受饮食诱导而变得肥胖［7］；而阻断饮食诱导的肥胖小鼠中的CB1受体利于减少巨噬细胞在白色脂肪中滞留时间，进而促使局部或全身的炎症减少［8］。因此，EC与CB1的结合所引的ECS激活可以导致动物采食量的增加和肥胖发生，同时也和机体的炎症发生有关。肠肝轴在与ECS介导的肥胖中起到关键作用，这是由于肠道微生物区系失衡可以引起的肠道屏障受损即肠道通透性增加，导致全身性LPS水平升高，LPS进而刺激白色脂肪细胞和白色脂肪组织产生内源性大麻素受体引起ECS的激活从而诱导机体脂肪的堆积导致肥胖［9］。而ECS的激活会引起一些器官的代谢紊乱，如肝脏中CB1的激活促进脂肪生成，从而诱导脂肪堆积，最终导致肝脏脂肪变性［8］。所以肠肝轴中肠道微生物区系失衡会引起代谢组织和器官中的ECS激活，进而导致脂质代谢紊乱，最终引起动物肥胖。

在反刍动物中，肉牛饲料利用率和脂肪沉积与血浆中AEA浓度呈正相关关系［10］，这可能是由于ECS促进采食量和脂肪沉积的作用。同时，围产期奶牛脂肪中的炎症水平也会提高［11］，因此，在反刍动物中ECS的激活与机体炎症发生也存在联系。奶牛在产后通常会出现慢性炎症，如乳腺炎、子宫内膜炎、亚急性瘤胃酸中毒、皱胃移位等有关。这些炎症主要与肠道LPS有关，LPS可激活应激信号通路（如内质网应激），刺激肝脏脂肪酸的从头合成，促进肝细胞中脂质的积累，最终导致脂质代谢紊乱和脂肪肝发生［12］。因此，在反刍动物中，肠肝轴中肠道通透性增加可能与ECS 激活和肝脏脂肪肝的发生之间存在密切联系。

3 肠道微生物衍生信号（gut microbiota-derived signals）

肠道微生物可通过肠道微生物衍生信号调节动物生长代谢，微生物衍生信号物质主要有短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）、胆汁酸、甲胺、氨基酸衍生物和 MAMP等。宿主受体有T细胞样受体、游离脂肪酸受体（FFAR2/3，GPR109a）和胆汁酸受体等，宿主以此来感知信号物质，进而调节营养代谢与机体免疫（图1）。

图1 肠肝轴调节营养代谢和免疫的路径及关键信号Fig.1 Pathways and key signals of gut-liver axis in regulating nutritional metabolism and immunity

3.1 SCFA的作用

SCFA是瘤胃和肠道微生物发酵碳水化合物（如抗性淀粉、菊粉、纤维素）时产生的重要代谢物。SCFA主要含有乙酸、丙酸和丁酸，同时也有戊酸、异戊酸酯、甲酸盐和己酸（含量较低，占SCFA总量的5%以下），在小肠（反刍动物主要在瘤胃）上皮吸收和代谢［13］，从而对上皮粘膜起营养作用，还可以通过门静脉转运到肝脏，作为糖异生（丙酸）和脂肪酸从头合成（乙酸、丁酸）的重要底物。不同的SCFA受体，如游离脂肪酸受体FFAR2（又称GPR43）、FFAR3（又称GPR41）以及氢羧酸受体GPR109a（又称烟酸受体）［14］，存在于神经系统和许多代谢组织中，包括肝脏、白色脂肪组织和骨骼肌。因此，肠源型SCFA可作为重要的信号分子，通过肠肝轴在微生物和宿主组织之间进行信号传导，从而影响宿主代谢。近期研究发现围产期奶牛白色脂肪和肝脏中SCFA受体在不同阶段时的表达存在差异，这可能是一种动物自身适应围产期能量需求不断变化的分子机制［15-16］。

研究发现，GPR41介导SCFA促进小鼠和牛脂肪组织分泌瘦素来产生饱腹感［17-18］，口服和静脉注射丙酸可提高绵羊白色脂肪组织中瘦素基因的表达水平［19］，口服混合SCFA可导致猪血浆瘦素浓度升高［20］。SCFA除了诱导产生饱腹感外，还可经循环系统流通全身并直接作用于白色脂肪组织、骨骼肌和肝脏等关键代谢组织和器官来影响机体能量平衡。丙酸可通过增加交感神经系统活动来增加能量消耗，交感神经功能的增强增加了心率和食物诱导性产热（diet-induced thermogenesis，DIT）［21］。而在野生型和GPR41基因敲除小鼠的研究发现丙酸激活交感神经节神经元是由GPR41介导的［22］。

另外，SCFA还具有减少异位脂肪堆积的降脂作用，并通过减少溢出到循环中的脂质来提高胰岛素敏感性［23］。例如，猪口服乙酸、丙酸和丁酸的混合物可以降低脂肪生成基因的表达，增加脂肪酸氧化基因的表达，进而减少肝脏中总脂肪的含量［20］。这些效应可能是由于SCFA调节肝脏中的关键受体GPR41和GPR43［24］。另外，SCFA可以通过提高肠道屏障中紧密连接蛋白和粘蛋白糖蛋白的表达，使得肠道对细菌成分（如LPS）的通透性降低，减少肝脏中LPS的出现［25］，进而减少因ECS系统的激活导致的肝脏脂肪代谢紊乱。同时，动物体内SCFA水平可能与日粮中的脂肪含量有关，低脂和高脂日粮都会导致小鼠体内SCFA显著地下降，引起肠道微生物区系紊乱，并导致肠道粘膜损伤［26］。因此，SCFA可以减少动物的采食量和脂肪沉积，对维持动物胃肠道健康和免疫性能有一定有益作用。

3.2 胆汁酸的作用

胆汁酸是由肝脏中的胆固醇通过中性途径或酸性途径合成的，中性途径占胆汁酸合成总量的75%以上。随后，这些初级胆汁酸在肝细胞内与甘氨酸（主要在人类中）或牛磺酸（主要在啮齿动物中）结合，产生甘氨酸或牛磺酸结合的胆汁酸。其中大部分的（＞95%）胆汁酸通过肠肝循环转运到肝脏中［27］，但还有一定比例的胆汁酸可以绕过肝窦的吸收进入体循环［28］。同时，有少量甘氨酸和牛磺酸结合的胆汁酸（＜5%）逃离了肠肝循环而留在肠道中被肠道微生物代谢或排除体外。

胆汁酸不仅是简单的酯化剂，而且是强大的信号分子，通过与不同的核激素受体结合，在肠道和全身水平的代谢和信号通路中发挥着重要的调节作用。胆汁酸的受体包括法尼类X受体（farnesoid X receptor，FXR）［29］、 孕 烷 X 受 体（pregnane X receptor）［30］、维生素 D 受体［31］和 T Akeda G 蛋白偶联受体5（T akeda G protein-coupled receptor 5，TGR5）［32］。胆汁酸对于肠道微生物区系有调控作用，其可以通过FXR刺激小肠产生Angogenin-1和RNase家族成员4的抗菌剂来调节肠道中的细菌生长和微生态［33-34］。肝脏FXR通路的激活可以抑制胆汁酸合成，而肠道FXR的激活与代谢疾病密切相关，如肥胖和肝脏脂肪变性［35-36］。目前，抑制FXR信号通路可以减少小鼠的肥胖和肝脏脂肪变性，但FXR调节宿主代谢的确切机制尚不清楚。

研究表明，FXR敲除小鼠的血清胆汁酸代谢谱与野生型小鼠显著差异，并且FXR敲除小鼠肠道微生物组成中拟杆菌门显著增加，厚壁菌门显著减少，进而减少肥胖发生［37］。另外，通过粪菌移植技术，分别将饮食诱导肥胖的FXR敲除小鼠和饮食诱导肥胖的野生型小鼠的肠道微生物组转移到无菌野生型小鼠身上，移植FXR敲除小鼠肠道微生物的小鼠脂肪沉积增加较少，表明FXR敲除小鼠的肠道微生物区系可以降低饮食诱导肥胖的程度［38］。同时，通过使用抗生素混合物或抗氧化剂Tempol可以通过调节小鼠肠道微生物区系和肠道胆汁酸谱来抑制肠道FXR信号，进而减少小鼠的肥胖和肝脏脂肪变性发生［35-36］。

3.3 胆碱代谢产物的作用

肠道微生物衍生的胆碱代谢产物三甲胺（trimethylamine，TMA）可以导致严重的肝脏脂类代谢紊乱。在哺乳动物肠道中存在TMA生成菌［39］，肠道微生物群产生的TMA通过门静脉循环到达肝脏，随后被含有黄素的单加氧酶氧化形成TMA-N-氧化物（trimethylamine oxide，TMAO），而肉碱（3-羟基-4-N, N, N-三甲基氨基丁酸）可通过同样的肠道微生物-宿主共代谢途径增加循环中TMAO的水平［40］。研究发现TMAO能促进高脂饲喂的小鼠脂肪肝的发展［41］。在中国成年人流行病学调查中发现，体循环中TMAO水平与非酒精性脂肪肝的发病率和严重程度呈正相关［42］。TMAO可以抑制胆汁酸合成关键酶，干扰胆汁酸代谢信号通路，降低总胆汁酸水平，扰乱机体脂质和能量代谢，增加了非酒精性脂肪肝的发生风险［43］。

3.4 氨基酸类代谢物的作用

后肠对氨基酸的微生物发酵可产生多种不同的化合物，包括支链脂肪酸、氨、硫化氢、酚类和吲哚类化合物以及胺和多胺［42］，某些氨基酸类代谢物在高浓度时会引起促炎反应［44］，但芳香族氨基酸的代谢物中，如吲哚及其微生物群-宿主共代谢产物（经宿主酶修饰的细菌产物）、吲哚-3-醛或吲哚-3-乳酸，可改善肠屏障功能，减少肠道炎症，从而降低代谢性内毒素血症发生的可能性［45］。另外，近期研究发现吲哚可以减轻LPS引起的肝脏炎症，并降低肥胖小鼠的肝脏炎症的发生率，因此，将可产生吲哚的细菌作为益生菌使用，保护肠道和肝脏健康［46］。

3.5 MAMP的作用

MAMP，包括LPS、肽聚糖、脂磷壁酸、鞭毛蛋白和细菌核酸（DNA、RNA）等，在正常健康的动物肝脏和体循环中的保持着较低水平。而较低水平的MAMP不仅对动物健康没有危害［47］，反而低水平的MAMP对启动适应性免疫反应以及对某些病原体产生持久的免疫力至关重要。库普弗细胞（Kupffer Cell）是肝脏中的巨噬细胞，能够捕获和/或杀死整个细菌和MAMP，另外，肝内粘膜相关的T细胞、肝内T细胞、树突状细胞和NK细胞都具有类似功能［48］，所以肝脏就如同肠道之后的第二道防火墙，在很大程度上阻止MAMP移位到体循环，从而保护其他组织免受病菌感染和炎症刺激。然而，如果肠道屏障被破坏，全身性MAMP水平将升高，甚至导致摄食和代谢紊乱，这种状态被称为代谢性内毒素血症［49］。目前，反刍动物高精饲料饲喂方式容易导致出现瘤胃酸中毒，进而引起瘤胃中的革兰氏阴性菌大量死亡［50］，释放出大量MAMP，进而导致消化道和肝脏等器官出现炎症，影响动物营养代谢和机体健康［51-52］。近期研究发现，奶山羊日粮中瘤胃可降解淀粉的增加，会导致血浆中LPS升高，导致肝功能损伤和乳脂率降低［53］。

4 肠肝轴理论在动物营养调控中的应用

肠道微生物通过肠道衍生化合物沿肠道-肝脏轴进行沟通，从而对动物的营养代谢与健康产生深远的影响。此外，动物可以重塑肠道微生物区系，即通过肝脏（胆汁酸、肝源性IgA）以及肠道的分泌功能产生大量抗菌肽来保护肠道屏障。肠道微生物区系组成主要受到动物品种、饲粮、管理和环境因素的影响。其中，改善饲粮营养策略是促进胃肠道微生物多样性、有益细菌生长和调节消化道内环境稳态的有效措施，进而保护肠道屏障和预防代谢性疾病。合理的饲粮配置对肠肝轴稳态有重要作用，不仅有利于肠道微生物区系的平衡，还可以减少反刍动物体内MAMP的含量从而保持消化道健康［51-52］。适宜的营养干预，例如饲喂益生元（抗性淀粉、菊粉型果聚糖、细胞壁多糖，如阿拉伯木聚糖、壳寡糖）可以直接促进特定细菌的生长，促进微生物多样性，从而利于肠道微生物区系的稳定。此外，饲喂益生菌也是改善胃肠道功能、保护胃肠道粘膜屏障功能和动物机体健康的一种有效的方法。一些生物活性化合物（如植物提取物：多酚类、皂苷、儿茶素、黄酮、花青素和酚酸等）可以在瘤胃或后肠通过诱导抗菌作用来调节胃肠道微生物的组成和功能，并通过微生物代谢生物活性物质来优化肠道屏障，改善动物肠道、肝脏和机体健康。最新研究发现齐墩果酸可通过改善大鼠的肠道微生物区系来抑制内毒素败血症和全身炎症反应，保持肠肝轴的动态平衡，进而治疗动物非酒精性脂肪肝并减少动物肥胖［54］，同时，熊果酸［55］与咖啡酸［56］都表现出类似的作用机制来减少动物非酒精性脂肪肝的发生。

目前，在反刍动物中肠肝轴理论研究相对较少，特别是瘤胃微生态与肝脏之间的互作关系仍不明晰。本团队近期研究发现，桑叶青贮日粮可以提升绵羊的抗氧化和免疫性能，并增加瘤胃中有益菌群的丰度（如双歧杆菌（Bifidobacterium）、乳酸杆菌（Lactobacillus）和施氏菌（Schistellae）等），并且，这些瘤胃菌群与绵羊机体抗氧化和免疫指标显著相关，所以提出瘤胃有益微生物增多可能是桑叶青贮日粮改善绵羊机体健康的微生物层面机制［57］。因此，推测反刍动物中可能存在瘤胃-肠-肝轴来调控机体代谢和免疫性能，本团队正在通过体内和体外研究来建立反刍动物瘤胃-肠-肝脏理论新体系。在动物实验层面，正在系统探究营养素介导的瘤胃-肠道微生物和代谢物与肝脏的互作机制。体外层面，利用绵羊肝实质细胞，已初步探究出维生素E保护肝脏氧化损伤的分子机制［58］，而后续需要更多研究来探究胃肠道微生物代谢物（如短链脂肪酸、三甲胺、吲哚类化合物）对肝脏营养代谢与免疫调控的影响。

5 小结与展望

在禁抗的后畜牧业时代发展中，目前益生元或益生菌等物质已初步显现出其替抗优势。其重要生理机制是，益生元或益生菌可以通过消化道微生态来调节动物营养代谢和免疫功能，进而达到控制动物生长和治疗疾病的目的。而肠肝轴理论则是通过消化道微生态与宿主互作进而调控动物的营养代谢，最终保障动物的健康生长。然而，关于肠肝轴理论在家畜中的研究并不充分，特别是反刍动物中缺乏瘤胃-肠道-肝脏轴的探究。因此，将本文论述的肠道微生物及其衍生信号的理论应用于畜牧养殖和研究是一种新的思路和突破点。例如在畜牧生产和科研中，利用外源胆汁酸调控肠道微生物区系以及肝脏功能；利用产生吲哚的微生物降低肥胖动物的肝脏炎症；围绕家畜围产期、断奶前后、育肥期等不同阶段不断变化营养需求的关键机制，解析与微生态-瘤胃-肠道-肝脏轴间的关系进行系统探究等。相信未来越来越多的肠肝轴理论将应用与畜牧业中动物营养方面，来调控动物生产和健康，以最终实现无抗背景下的健康高效养殖，促进畜牧业的绿色可持续发展。另外，随着肠道微生物及其代谢物在调控人类营养代谢和免疫功能上的潜力逐步被开发，未来肠肝轴理论有望为人类营养代谢疾病提供更多解决问题的新思路，提供在微生物视角下解决问题的新方法。