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动物日粮中脂肪酸对肠道微生物的作用机制探讨

来源:原创论文网 添加时间:2021-10-12

  摘    要: 肠道微生物是日粮促进或调节宿主健康的桥梁。日粮是影响肠道微生物组成和含量的关键因素,并且易于控制和改变。日粮中不同的营养成分对肠道微生物组成产生较大的影响。目前,有关碳水化合物对肠道微生物菌群影响的研究较多,而脂肪酸对肠道微生物菌群的影响尚不明确。本文主要综述日粮中脂肪酸对肠道微生物的影响及其可能的机制,为今后肠道微生物的研究以及脂肪酸调控肠道微生物生态系统的平衡提供一定参考。

  关键词 :     肠道微生物;脂肪酸;抑菌活性;

  Abstract: The gut microbiome acts as a bridge between the diet and host health. Diet is a key factor in the formation and content of microbiome in the gut, and it is easy to be controlled and changed. Different nutrients in the diet have a greater impact on microbiome composition in the gut. At present, there are many researches on the effect of carbohydrate on gut microbiome, but the effect of fatty acid on gut microbiome is still not clear. In this paper, the effect of dietary fatty acids on gut microbiome and its possible mechanism have been reviewed, which may provide some clues for the future research on gut microbiome and its homeostasis regulated by fatty acids in diet.

  Keyword: gut microbiome; fatty acids; bacteriostatic activity;

  新一代测序技术的普及,使得人们对肠道微生物的组成和功能有了更深入的了解。大量研究表明,肠道微生物在调节宿主健康方面发挥着至关重要的作用,肠道微生态的紊乱是导致代谢性疾病(糖尿病、高脂血症、非酒精性脂肪肝等)发生的重要原因[1,2]。因此,维持肠道微生态的平衡是保证宿主健康的关键。在影响肠道微生物的外源因素中,日粮的影响力位于前列,这与通过日粮摄入的脂肪酸有着密切联系,脂肪酸特别是多不饱和脂肪酸(PUFA)可以通过改善肠道微生物的组成和数量对多种疾病产生调控作用[3]。本文主要总结日粮中脂肪酸对肠道微生物的影响及可能存在的机制,为改善肠道微生态系统的稳态提供参考和借鉴。

  1、 肠道微生物

  肠道微生物是指定植在动物肠道中的微生物,这类微生物主要依靠动物肠道中的营养元素进行生活,同时帮助宿主完成多种生理生化功能。研究发现,肠道微生物主要包括细菌、古细菌、真菌和病毒,其中99% 以上的微生物属于细菌[4]。粗略估计,大约含有1 000多种不同门的细菌,其中以厚壁菌门和拟杆菌门为主,其他门细菌的含量较少,主要包括放线菌、变形菌、梭杆菌和疣微菌以及其他未分类的细菌[5]。大量的研究表明,肠道微生物群在宿主体内执行许多重要功能,包括保护宿主免受病原体的侵害、影响宿主体内营养物质的消化和吸收、产生必要的营养物质如维生素来调节宿主的免疫系统以及免疫相关的健康问题等[6,7]。另外,肠道微生物还具有特殊的代谢功能,大肠内的微生物可以发酵利用未被小肠消化吸收的碳水化合物等成分[7]。总之,肠道微生物在营养物质的消化吸收,维持能量平衡以及免疫调控等方面至关重要。因此,我们可以通过调节肠道微生物的稳态来改善宿主的健康。
 

动物日粮中脂肪酸对肠道微生物的作用机制探讨
 

  大量研究表明,动物出生前是无菌的,但是很快就会被来自母体和环境中的微生物所定植,其定植顺序是需氧菌及兼性厌氧菌率先在肠道内定植,随后是厌氧菌的定植[8]。随着动物的生长发育,其肠道微生物的组成和数量会发生变化。这些变化受到各种因素的影响,包括但不限于生活环境、应激、日粮、抗生素的使用以及疾病的发生等。其中,日粮被认为是影响宿主肠道微生物生态系统的关键因素。研究发现,动物日粮中的脂肪酸会对肠道微生物的数量和组成产生显着的影响[3]。

  2、 脂肪酸的类型及主要作用

  脂肪酸是动物日粮中的一种重要营养成分,可以高效地为畜禽提供能量。根据其碳链的饱和程度可以将其分为三大类:饱和脂肪酸(SFA)、单不饱和脂肪酸(MUFA)和PUFA。另外,按照碳链的长短可以将其分为短链脂肪酸(SCFA)、中链脂肪酸和长链脂肪酸。SFA指不含双键的脂肪酸,一般较多见的有辛酸、癸酸和月桂酸等,主要存在于猪、牛、羊等动物脂肪中,少数植物脂肪如椰子油、可可油、棕榈油等也含有。MUFA指含有一个双键的脂肪酸,种类极为丰富,主要包括油酸、肉豆蔻油酸、棕榈油酸、反式油酸、蓖麻油酸和芥酸等,其来源主要为黄油、羊脂鱼油以及橄榄油、茶籽油等植物油脂。PUFA指含有2个或2个以上的双键且碳链长度为18~22个碳原子的直链脂肪酸,根据其不饱和键的位置,PUFA可以分为n-3 PUFA和n-6 PUFA两类。n-3 PUFA主要有α-亚麻酸、二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DPA)等,前者主要存在于亚麻籽、胡桃仁及其种子油中,后两者主要存在于深海鱼类的脂肪中;n-6 PUFA主要有亚麻酸和花生四烯酸等,主要来源于花生、玉米和葵花籽等植物种子。SCFA一般是指含有1~6个碳原子的脂肪酸,包括乙酸、丙酸、丁酸等。

  脂肪酸除了作为营养物质为动物体提供能量外,还可以通过影响肠道微生物的组成和数量来调控肠道微生态的平衡。Robertson等[9]研究发现,饲喂富含n-3 PUFA日粮的小鼠肠道内双歧杆菌和乳酸杆菌的丰富度显着增加,有利于维持宿主肠道微生态的平衡。另外,SCFA和n-3 PUFA在调节动物炎症反应以及免疫应答方面发挥着重要作用,研究表明,SCFA不仅能够影响白细胞的功能(如炎症介质的产生和白细胞的迁移能力),还可以诱导淋巴细胞、巨噬细胞以及中性粒细胞的凋亡[10]。n-3 PUFA可以抑制炎症细胞因子的表达、减少促炎症细胞因子的分泌及诱导免疫细胞向抗炎症的方向发展[11]。因此,日粮中的一些脂肪酸具有调节宿主免疫功能的作用。除此之外,日粮中的脂肪酸还对机体代谢,动物的繁殖性能等具有调节作用[11]。

  3、 脂肪酸对肠道微生物的影响

  大量的研究表明,日粮中的脂肪酸能够直接或间接影响宿主肠道微生物的组成和数量,进而调节肠道微生态的平衡。

  3.1、 SFA对肠道微生物的影响

  日粮中的SFA多来源于肉制品、乳制品以及椰子油、棕榈油等植物油脂中。Devkota等[12]研究发现,饲喂富含SFA的饲料可引起小鼠肠道微生物组成的变化,促进了原本低丰度亚硫酸盐还原性致病菌-沃氏嗜胆菌的繁殖。Lam等[13]研究发现,C57BL/6J小鼠在摄入富含SFA的饲料后,其肠道菌群内厚壁菌门的比例升高,拟杆菌门的比例下降,导致拟杆菌门/厚壁菌门的比值降低。同样地,de Wit等[14]研究发现,饲喂富含棕榈油来源的SFA的饲料后,C57BL/6J小鼠肠道中微生物菌群的丰富度和多样性下降,拟杆菌门/厚壁菌门的比值降低,容易引发肥胖等疾病的发生。此外,还有大量的研究证实SFA能够改变肠道菌群的数量和组成,打破肠道微生态系统的平衡,从而导致代谢性疾病的发生。

  3.2、 MUFA对肠道微生物的影响

  目前,关于MUFA对肠道微生物组成和数量影响的研究较少。Mujico等[15]发现,饲喂高脂饲料导致小鼠肠道微生态发生紊乱,在摄入油酸复合物后肠道内双歧杆菌含量增加,肠道微生态紊乱的状况得到改善。同样地,刘忠臣[16]在研究不同来源的脂肪对猪盲肠微生物的影响时发现,与猪油和鱼油相比,椰子油增加了猪盲肠内乳酸杆菌和双歧杆菌的含量,降低了大肠杆菌的含量。双歧杆菌和乳酸杆菌是肠道内的有益菌群,其含量的增加有利于维持宿主的健康。因此,摄入一定量的MUFA对维持机体健康具有积极作用。

  3.3 、PUFA对肠道微生物的影响

  日粮中的PUFA主要来源于鱼油以及亚麻籽油、大豆油、玉米油等植物油脂中。Bomba等[17]研究发现,幼猪口服PUFA能够提高肠道内微生物的含量,尤其是乳酸杆菌的含量。另一研究表明PUFA显着增加肉仔鸡肠道内乳酸杆菌的含量[18]。乳酸杆菌是肠道有益菌,其含量的增加有利于维持宿主的肠道健康。Huang等[19]研究表明,C57BL/6J小鼠摄入富含n-6 PUFA的饲料后,其肠道菌群中柔壁菌门的含量下降,变形菌门的含量增加。柔壁菌门含量的下降与炎症的发生有关,变形菌门含量的增加会导致肠道内致病菌含量的增加。因此,食用富含n-6 PUFA的日粮不利于维持宿主的健康。Ghohs等[20]研究发现,富含n-6 PUFA的日粮导致小鼠肠道内细菌的过度增长,但使拟杆菌门和厚壁菌门中微生物的含量下调,引起肠道菌群的失调,这些变化与体重增加以及巨噬细胞和中性粒细胞的浸润有关,在此日粮中补充鱼油可恢复肠道微生物群稳态和炎性细胞浸润,促进调节性T细胞募集。同样的,Mujico等[15]研究发现,小鼠食用SFA后,其肠道菌群发生紊乱,在日粮中添加n-3 PUFA可使肠道中厚壁菌门和乳酸杆菌的含量增加,改善肠道微生态。另外,有研究表明,日粮中添加一定比例的n-6/n-3 PUFA更有利于维持肠道微生物生态系统的平衡。Kaliannan等[21]研究发现,小鼠肠道微生物菌群受日粮中n-6/n-3 PUFA的影响,其中,高比值日粮使得肠道内变形菌门的含量增加,这些细菌与炎症的发生相关,低比值日粮增加了小鼠肠道内双歧杆菌和乳酸杆菌等具有抗炎作用的细菌的含量。

  综上所述,膳食中n-3 PUFA和n-6 PUFA均可显着改变肠道微生物的种类和含量,n-3 PUFA可以抑制肠道中具有促炎作用微生物的增长,促进有益菌的增长,维持肠道微生态系统的平衡。而n-6 PUFA则增加与炎症相关微生物的含量,抑制具有抗炎作用微生物含量的增长。因此,提高日粮中n-3PUFA的含量,使n-6/n-3 PUFA保持均衡,对于肠道微生态的调控和保证机体的健康具有重要作用。

  3.4、 SCFA与肠道微生物的关系

  动物体肠道内SCFA的来源主要有两个途径,一是从日粮中直接摄取,二是由动物体内未消化吸收的碳水化合物发酵产生[22]。肠道微生物种类和含量的改变会影响动物体肠道内SCFA种类和含量的变化。Wolin等[23]研究发现,乳酸杆菌的主要发酵产物是乳酸,拟杆菌属主要的发酵产物是乙酸和丁酸,双歧杆菌发酵的主要产物是乙酸、乳酸和甲酸。Marques等[24]研究发现,添加反式10,顺式12共轭亚油酸可以增加小鼠肠道内微生物的多样性和盲肠内SCFA的总量。孙晓红等[25]用健康成年人粪便做细菌培养的体外试验发现SCFA的产量与肠道内微生物菌群的含量呈正相关,SCFA的种类和含量可以影响肠道微生物的种类和含量。SCFA的增加可进一步改善盲肠黏膜的健康状况[26]。Lu等[27]研究发现,高脂日粮诱导肥胖小鼠食用添加醋酸、丙酸、丁酸或其混合物的饲料,肠道微生物的丰富度显着提高并且其肠道菌群的状态得到显着改善。van Immerseel等[28]研究发现,甲酸和乙酸处理可使肠道内沙门菌的定植增加,丁酸处理可使肠道内沙门菌的定植减少。

  4、脂肪酸影响肠道微生物可能存在的机制

  大量的研究证实,脂肪酸能够影响和改变肠道微生物的种类和含量。随着这些结果的出现,脂肪酸影响和改变肠道微生物菌群的作用机制也得到越来越多的关注。但是,日粮中脂肪酸影响肠道微生物群的机制尚不明确。

  脂肪酸具有广泛的抗菌活性,它可以直接导致细菌细胞膜溶解[29]或间接影响细菌细胞代谢[30]。Desbois等[31]研究表明,脂肪酸的两亲结构具有清洁作用,这可能导致细胞膜的溶解从而造成细胞的破坏。Sheu等[30]研究发现,当脂肪酸进入革兰阴性菌和革兰阳性菌的细胞膜时,会破坏电子传递,减少ATP的产生,剥夺细胞必需的能量来源,从而影响细菌的生存。Zheng等[32]研究表明,宿主摄入的脂肪酸能够阻碍细菌内脂肪酸的生物合成,进而影响细菌体内的生化过程如细菌细胞膜的合成等。不饱和脂肪酸还可以通过抑制细菌胞浆酶的合成来介导其对细菌的抗菌作用[33] 。另外,不饱和脂肪酸的抗菌作用还可能与它们的自氧化作用或过氧化产物有关,这些产物来自代谢过程,本身就具有抗菌作用[31]。张希等[34]研究发现,脂肪酸的抗菌活性取决于其碳链长度、取代基的种类、分子中双键的数目以及位置等,通常情况下不饱和脂肪酸的抗菌活性强于相等碳链长度的SFA。另外,羧基的-OH基团似乎与脂肪酸的抗菌活性有关[32]。有研究表明,不饱和脂肪酸(中链和长链)对革兰阳性菌的抑制效果强于革兰阴性菌,并且通常比相同碳链的饱和脂肪酸更有效[35]。可能的作用机制是革兰阴性菌的外膜可以阻碍脂肪酸的进入,而革兰阳性菌的细胞壁允许脂肪酸通过细胞质膜[33],便于脂肪酸发挥其抗菌作用。综上所述,脂肪酸可以通过溶解或破环细菌的细胞膜、抑制对其生命活动至关重要的酶的活性等机制来影响细胞的生存,发挥抑菌作用。

  除了上述脂肪酸的抑菌活性外,脂肪可以通过刺激消化道黏膜、胰腺等组织分泌相关的消化酶类等,进而对肠道微生物的结构和功能产生影响。另外,高脂饮食会促进肝脏内胆汁的分泌,而胆汁中的胆汁酸也是一种抑菌活性物质,能够直接抑制细菌的的生长繁殖,还可以作为信号分子调节肠道微生物的功能来影响肠道菌群的组成[36]。脂肪酸影响肠道微生物的作用机制极其复杂,上述的机制可能只是其中的小部分。目前,关于该作用机制的研究较少,仍需要进一步的挖掘研究。

  5、 展望

  动物日粮中的脂肪酸不仅为动物提供营养,而且对动物体的肠道微生物有着重要的影响。大量的研究表明,日粮中脂肪酸种类与含量的改变,会引起肠道微生物组成和含量的变化,而其中具体的作用机制目前还知之甚少,亟待我们去进一步的挖掘探索。从现有的研究结果中我们发现,动物体食用富含SFA的日粮,不利于维持肠道微生态的平衡。在日粮中添加n-3 PUFA会上调肠道内有益菌的含量,下调具有促炎作用微生物的含量,有利于维持肠道微生态的平衡,而n-6 PUFA容易引起肠道内单一微生物过度生长,降低肠道微生物的多样性,不利于维持肠道微生态的平衡,可能造成肠道微生物菌群的紊乱,甚至进一步导致宿主疾病的发生。因此,可以通过改变动物日粮中脂肪酸的种类来预防和治疗与肠道微生态紊乱相关的疾病。

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