益生菌在动物胃肠道与呼吸道疾病中的作用研究进展

摘要：益生菌既可以调节肠道菌群,刺激机体免疫,增强胃肠道黏膜屏障功能，也能产生抗病毒效应。由于行业内全面禁抗政策的实施,益生菌作为微生态制剂或疫苗在动物中的应用增多且前景良好。随着犬、猫等宠物家庭饲养的增加,对动物各种胃肠道和呼吸系统疾病的预防及治疗方法需求也越来越大,益生菌的临床应用不仅可以缓解动物呼吸道炎症,也能改善胃肠道并发症，疗效显著,并有助于探究胃肠道和肺之间的双向通讯枢纽--“肠-肺轴”。论文结合益生菌在常见动物胃肠道与呼吸系统疾病系统中的研究进展,探索胃肠道和呼吸道通过“肠-肺轴”互作的理论支撑与现实依据。

关键词：益生菌；胃肠道；呼吸道；肠-肺轴

益生菌通常是指对宿主(动物或人类)有益处的活性微生物,即“通过摄取适当的量,对食用者机体健康能发挥有效作用的活菌”。利用益生菌生产的微生物制剂种类繁多,并广泛应用于生物制品领域。益生菌不仅对人具有益生效果,对动物同样有效,随着饲料行业全面实行“禁抗”政策,益生菌在动物保健领域扮演的角色越来越重要。实际生产中，环境因素的恶化容易诱发动物胃肠道或呼吸系统疾病,如猪和家禽容易患有各种肠道病毒性疾病以及急性支气管炎,而益生菌可针对性发挥免疫刺激与免疫调节作用,免疫刺激是指益生菌通过激活白细胞介素(interleukin,IL)诱导自然杀伤细胞、辅助型T细胞(helper T cell，Th)的产生,抵抗外部感染；而免疫调节是其通过树突状细胞(dendritic cells,DCs)、B淋巴细胞等诱导调节型T细胞的活化,产生适应性免疫反应从而有效破坏病原体。机体中,肠道微生物几乎与所有的组织器官都联系紧密,随着近年来肠道与肺之间的双向信息交流系统--“肠-肺轴”开始逐渐进入人们的视野,肠与肺之间的联系也不断被发掘。虽然动物胃肠道疾病与呼吸系统疾病的发病机理与影响因素复杂,但益生菌通过调节微生物群,可有效缓解肠肺稳态遭到破坏时的过敏或炎症反应引发的机体不适；既可刺激机体免疫应答、增强黏膜屏障保护功能,抑制病原菌的入侵,也能一定程度上降低动物呼吸道或胃肠道疾病的发病率,有效预防疾病。因此,深入探究益生菌在动物胃肠道与呼吸道疾病疾病中的作用是极为必要的,也可为研究相关疾病提供参考。

1 益生菌与肠道和肺微生态 

肠道与肺微生态是机体微生态系统中尤为重要且极为复杂的组成部分,而益生菌与微生态之间的相互作用与调节非常关键。益生菌是有益健康的微生物,需要与其他具有有益效用的微生物菌群加以区分,但是以往缺乏荟萃分析等手段,往往无法从微生物群中准确分离出发挥主要功能的益生菌,在肠道、肺部微生态中便是如此。临床上,肠道粪便微生物移植能有效改善急性肠炎,但其中起效用的是共生微生物群,包含多种微生物或益生菌。

益生菌包含不同种类的细菌与真菌，如乳酸菌、双歧杆菌和芽孢杆菌等,其中乳酸菌主要以乳杆菌(如植物乳杆菌、干酪乳杆菌和鼠李糖乳杆菌等)和双歧杆菌(青春双歧杆菌、两歧双歧杆菌等)为主,这二者也是机体健康状态下肠道微生物的主要组成部分,安全性较高且可靠,广泛应用于各种乳制品以及微生物制剂的生产与使用。而肠道与肺部的微生物群均是共生微生物群,主要是厌氧菌,也包括少量的病毒、古细菌和真菌,最显著的特征是稳定性较高,菌群之间保持着拮抗或者共生关系,从而协助机体抵抗外部感染并维持微生态稳定。其中,肠道微生物群由大约5种细菌组成,主要包含厚壁菌门和拟杆菌门,而双歧杆菌、乳酸杆菌等是其中的优势菌群,具有免疫调节作用。除了广泛研究的肠道微生物群,包括肺在内的其他部位的微生物群对宿主体内平衡和疾病也至关重要,并且肺微生物群如今被视为呼吸系统疾病病理学基石。与肠道微生物群相似,肺微生物群主要也是由厚壁菌门和拟杆菌门组成,其次是放线菌门和变形菌门,但肺微生物群的物种丰度显著低于肠道微生物群,其组成主要取决于机体通过唾液吸入的微生物种类、宿主的先天及适应性免疫以及宿主的黏液纤毛清除能力,同时也受到营养和温度等条件的影响,更为重要的是肺微生物群能与肠道微生物群相互影响并彼此作用。

益生菌与肠道、肺部微生态的平衡紧密联系,肠道菌群与肺部菌群可以通过维持黏膜通透性并刺激免疫球蛋白分泌,同时抑制炎症细胞因子的产生。而益生菌可以剌激黏膜细胞的吞噬作用以及抗原呈递功能,同时与致病菌竞争营养物质并生成细菌素抑制致病菌繁殖,在平衡宿主防御性免疫反应方面发挥作用,调节宿主的免疫功能。其中具有代表性的乳酸菌和双歧杆菌,不仅可以调节肠道微生物群,也能刺激机体免疫,同时合成多种蛋白质供宿主利用；还可以产生短链脂肪酸(SCFAs),促进机体对矿物质的吸收,提高免疫力,缓解疾病病症。在动物中进一步探索益生菌与肠肺微生态之间的关系也有利于益生菌在动物胃肠道与呼吸道疾病中的应用。

2 益生菌在胃肠道和呼吸道疾病中的作用

2.1 肠-肺轴

“肠-肺轴”本质上是肠道微生物群与肺之间的一种双向通讯与作用枢纽,在外界因素(如疾病、药物等)作用于机体时,引起肠道与肺部微生物组成发生变化,并调节免疫反应。《皇帝内经》等医书中早有记载,肺为“相傅之官”,大肠为“传导之官”,在五行里,肺与大肠同属金,肺属阴在内,大肠为阳在外。“肺病及肠”、“肠病及肺”、“肺与大肠相表里”,二者相互影响,息息相关。当环境因素影响肠道微生物群时,肠道内益生菌数量下降,致病菌增多,破坏稳态造成微生物群失调,便会引发各种疾病,包括通过“肠-肺轴”引发的呼吸道感染。正常生理状态下,肠道微生物会对肺部、肝脏等器官进行远距离调节,而一旦炎症发生,肠道微生物不仅对肠道微生态产生影响,也会剌激远端肺部的免疫反应,共同作用于炎症,呼吸道和肠道中微生物组成和功能的变化与免疫反应的改变和肺部疾病的发展也息息相关。通常,益生菌等微生物通过代谢产生SCFAs等影响免疫系统,而肠道微生物群与肺部的互作主要是通过体内循环运输的一些微生物代谢物和可溶性成分实现的,其中包含肽聚糖、脂多糖、Toll 样受体等。益生菌作用于胃肠道改善呼吸系统疾病的手段很多,包括纯化微生物代谢物(如SCFAs)等,可有效改善机体免疫力、缓解病症,但具体机制尚不明确,关于益生菌如何作用于“肠-肺轴”并影响胃肠道或呼吸系统疾病进程,便有待通过动物模型进一步验证。

2.2 益生菌对动物胃肠道疾病的治疗

胃肠道是微生物最活跃的生态系统之一,在黏膜免疫系统中起着至关重要的作用。而益生菌具有一定的耐酸性、胆汁和胰液耐受性,同时对肠上皮细胞有一定的黏附和侵袭能力,因此达到一定量时可在肠道存活并改善菌群平衡,维持稳态并分泌抑菌物质；也能刺激机体激活调节型T细胞,增强肠道黏膜保护功能,从而维持肠道完整性,刺激机体全身免疫反应。例如,口服益生菌可以激活巨噬细胞的吞噬与杀菌作用,降低肠道感染沙门氏菌风险,并且可以释放细胞因子作用于远端免疫细胞,产生的特异性抗体可刺激全身免疫反应。随着益生菌在胃肠道疾病中的治疗效果越来越明显,不同类型胃肠炎动物模型的研究也在不断深入。

常见的动物胃肠道疾病主要是由一些细菌与病毒感染所造成的,如沙门氏菌和轮状病毒等。胃炎指胃壁表层组织和深层组织的炎症过程,按其发生原因可分为原发性胃炎和继发性胃炎；而肠炎发生原因很复杂,主要有中毒性、营养不良性几大类,按疾病进程可分为慢性和急性,但益生菌可以通过改善肠道微生物群对急性肠胃炎以及炎症性肠炎等进行治疗。实际生产中,断奶型仔猪腹泻会使发病仔猪生长迟缓,形成僵猪,甚至死亡,病死率达10%～15%,给养猪生产带来了巨大的经济损失,而益生菌作为潜在的抗生素替代品可有效的对抗细菌性断奶仔猪腹泻,植物乳杆菌通过刺激炎症细胞因子和SCFAs的产生,抑制肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、γ干扰素(IFN-γ)等细胞因子产生,减少空肠损伤,可以有效缓解产肠毒素大肠埃希氏菌ETEC-K88感染引起的腹泻症状；乳酸杆菌可通过PINK/Par-kin 途径激活细胞选择性的线粒体自噬,抑制核炎性体的激活,降低炎性因子的表达,改善沙门氏菌引起的仔猪发热、腹泻等症状；鼠李糖乳杆菌也可通过阻止经典NF-κB途径的活化抑制由炎症反应以及促炎因子的表达,促进不同肠段中分泌型免疫球蛋白A(sIgA)的分泌,从而缓解肠炎。因此,利用益生菌制剂有可能是未来防治仔猪腹泻的有效手段。而禽类养殖中,鸡肠炎是家禽经常发生的一种疾病,以夏、秋两季多发,其发病因素包括细菌性感染、病毒性疾病和肠道内酸碱平衡失调等,也能造成鸡场一定的经济损失。研究发现,将植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌等按一定比例混合让雏鸡口服,可使其肝脏和大肠载菌量显著降低，存活率升高,对O78型禽大肠埃希氏菌引发的肠炎具有良好的保护效果。实际应用中,乳酸菌属和双歧杆菌属最常用于预防胃肠道疾病,且按不同比例混用能有效改善肠炎,不仅可以降低肠黏膜炎十二指肠和空肠的组织病变，也能缓解肠黏膜炎造成的肠上皮损伤,将益生菌应用于动物胃肠炎的临床治疗以及饲料添加剂领域，具有良好前景。

在一些特定胃肠道疾病的动物诱发模型中，益生菌也表现出良好的疗效。肠道屏障对于预防炎症性肠炎至关重要,使用脂多糖诱导的Caco-2细胞模型研究双歧杆菌对肠道屏障的保护作用,发现其相比于大肠埃希氏菌,对结肠细胞具有更高的黏附能力和更显著的抑制作用。在小鼠结肠炎模型中，采用乳杆菌等不同益生菌研究肠道抗炎活性,均表现出良好肠道抗炎作用。而一些传统的发酵产品中提取的益生菌酵母也能对结肠炎中发挥抗炎作用，并对肠树突细胞表型变化产生影响,这为改善动物肠胃炎治疗提供了更多的选择,这可能为减少结肠炎和炎症相关结肠癌发生提供了一条安全有效的策略。但益生菌制剂在不同宿主中所表现出的疗效有很大差异,单独使用某一种益生菌益生效果往往并不太明显,究其原因,可能是菌株自身对于宿主的差异定植倾向,也可能是由于宿主自身免疫系统差异性。动物机体都有各自独特的肠道微生物群,在营养代谢、保持肠道黏膜屏障的结构完整性、免疫调节和预防病原体等方面各有特异性。只有结合更多的理论研究与实际应用，才更有利于探索益生菌对动物胃肠道疾病的作用机理并广泛应用。

2.3 益生菌对动物呼吸系统疾病的治疗

常见的动物呼吸系统疾病可分为急性传染病和慢性呼吸道疾病,急性传染病主要指流感病毒或肺炎菌所造成的急性疾病,而慢性呼吸道疾病包括感冒(多发于幼弱动物)、传染性气管炎(禽类)及鼻炎(马、犬和猫)等。在呼吸系统疾病中,乳酸杆菌和双歧杆菌等益生菌的研究较为广泛,并且已经在较多的实验动物模型中得到了验证。常见于动物的鼻炎包括原发性或继发性两类,临床上以原发性卡他性鼻炎最为常见,原发性鼻炎可由感冒或吸入刺激性气体产生,继发性鼻炎常见于一些传染病,如慢性猪肺疫等。针对可以诱发强烈Th与Th7反应的急性呼吸道疾病,双歧杆菌通过减少肺部炎症细胞数量和组织中的炎症细胞浸润,还能诱导调节性T细胞的产生以缓解动物呼吸系统不适；植物乳杆菌也能通过重新平衡Th/Th免疫应答和调节IL-7的产生发挥抗过敏作用，减轻动物哮喘或鼻炎症状,因此益生菌可以被视为治疗动物哮喘的可能候选物。

针对常见的呼吸道流感病毒感染,乳酸菌和双歧杆菌可以诱导体液及细胞免疫,平衡Th/Th 免疫反应,降低炎症细胞因子的产生,具有较强免疫调节能力。乳酸杆菌主要通过剌激抗体产生,增加自然杀伤细胞的活性、分泌IFN-γ,对动物呼吸道感染造成的肺部感染产生有效保护,并且双歧杆菌也可表现出与之类似的作用。而普通的流感疫苗应对变异病毒疗效有限,因此通过摄取益生菌等方式增强抗感染免疫力便尤为重要,将鼠李糖乳杆菌滴鼻免疫动物,可以在早期控制流感病毒复制,干预流感病毒感染幼体动物；类似的热灭活干酪乳杆菌对不同亚型的流感病毒感染也都起到了一定的保护作用；甚至利用乳杆菌表达流感病毒的蛋白,在甲型流感病毒感染动物后进行口服免疫,通过诱导抗病毒基因表达抑制了病毒的复制能力,对流感病毒感染疗效显著。越来越多的试验结果表明,益生菌可以对常见动物呼吸系统疾病进程起到一定的干预以及治疗或预防作用,尽管养殖场大多采取淘汰病畜的方式,但随着宠物饲养增加,相关疾病诊疗也需要得到重视,因此益生菌的应用在“无抗”时代需要得到推广。

2.4 益生菌与新型冠状病毒

国际病毒分类委员会将新型冠状病毒命名为“SARS-CoV-2”,它可以造成感染者肺部急剧受损，引发多种并发症,并导致微生物菌群失调,世界卫生组织将新型冠状病毒肺炎命名为“2019冠状病毒病”(Corona virus disease 2019,COVID-19),简称“新冠肺炎”。目前已报道新冠病毒可通过呼吸道飞沫在猫、犬、猪等之间传播,其中猫对新冠病毒高度易感,而狗相对低敏,并且猫的血清抗体动态得到监测,为COVID-19的临床治疗和预防提供了重要参考。机体一旦感染新冠病毒,会导致肺部益生菌如乳酸杆菌和双歧杆菌减少,同时引发继发性肠道感染或肠道局部功能障碍,而补充益生元或益生菌可以调节胃肠道微生物群的平衡,且由于肠道与肺部之间存在相互作用,使得益生菌在缓解由此产生的胃肠道炎症的同时,对呼吸系统产生保护作用,从而降低二次感染。膜糖蛋白是SARS-CoV-2中含量最丰富的蛋白质,将其鼻内接种可使小鼠支气管肺泡灌洗液中IL-6显着增加,而鼠李糖乳杆菌可发酵产生丁酸下调IL-6的分泌,说明用益生菌治疗COVID-19炎症有可行性。饲料中添加膳食微生物,包括益生菌或益生元,在新型冠状病毒感染期间能有效增强宿主免疫功能,并且益生菌对SARS-CoV-2感染易感性的影响研究也在逐步深入,可信的是,服用益生菌是疫情期间增强胃肠道屏障功能和降低炎症产生的有效手段,通过对动物感染模型的研究也能推动对相关疾病的治疗与预防。

3 结语

行业内全面禁抗政策的实施使得益生菌的应用更加广泛,乳酸杆菌和双歧杆菌等在治疗动物胃肠道与呼吸系统疾病的作用也越来越受到关注。益生菌不仅可以调节胃肠道与呼吸系统的微生物菌群，调节机体免疫反应,维持内环境稳态,也具有明显的抗病毒作用,因此如何将益生菌合理应用于疾病的预防和治疗也成为研究热点。虽然益生菌具有菌株特异性,针对免疫状态不同的机体存在一定个体差异,但合理的应用益生菌应被视为调节动物免疫较为安全的一种方式,副作用也较小。只要针对不同的需求,结合不同菌株间的生理生化特性,加强益生菌的应用不仅会产生一定经济价值,也能为深入探索益生菌在胃肠道及呼吸道疾病等各类炎症反应中的作用机理奠定基础。

参考文献：略。

作者：曾扬，梁雄燕等发表于《动物医学进展》2023年第2期。