肠道 I 益生菌的益生机制

益生菌的定义最早是在1989年，英国Dr.Roy Fuller提出的，益生菌是额外补充的活性微生物，能改善肠道菌群平衡而对宿主的健康有益。1998年，Guarner＆Schaafsma,给出更通俗的定义：益生菌是活性微生物，当摄入足够量时，能给予宿主健康作用。2001年，联合国粮食与农业组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）定义益生菌：通过摄取适当的量、对食用者的身体健康能发挥有效作用的活菌。2002年，欧洲食品和饲料菌种协会(EFFCA)对益生菌的定义作修正，指出益生菌是通过摄入充足的数量，对宿主机体产生一种或多种特殊且已被临床论证的功能性健康益处的“活的微生物”的总称。益生菌的发现最早可以追朔到1857年，巴斯德发现乳酸杆菌可以抑制其它有益菌的繁殖，以后，更多的益生菌种类和更多益生菌的功效被发现，1919年，第一家益生菌产品公司西班牙达能公司创立，1930年日本养乐多公司创立，1935年，益生菌正式进入产业化发展，1979年，中国开始微生态学的研究。

益生菌主要包括以下几大类：（1）双歧杆菌类（长 双歧杆菌、嗜热双歧杆菌等）；（2）乳杆菌类(嗜酸乳杆菌、乳酸菌、 鼠李糖乳杆菌等)；（3）革兰阳性球菌类(粪链球菌、嗜热链球菌 等)；（4）真菌类（酵母菌等）。目前最常研究的益生菌有乳酸杆菌、嗜酸乳杆菌、双歧杆菌和一些非致病性的链球菌、肠球菌，以及放线菌与酵母菌等；其中，双歧杆菌、乳酸杆菌、酵母菌是研究最多应用最广的菌种。美国食品药品监督管理局(FDA)公布的益生 菌菌种约有42 种，而我国农业部第 105 号公告公 布 了 可 用 于 添 加 饲 料 级 的 益 生 菌 菌 种 有 12种。目前国际上批准通过的可以作为益生菌 并应用于人体的主要菌株有:枯草芽孢杆菌、双歧杆菌、乳酸杆菌、嗜热链球菌、丁酸杆菌、脆弱拟杆菌、大肠杆菌等[3]。这些益生菌中研究开展较早、有益作用机制了解较透彻并已经投入生产使用的菌株主要有乳酸杆菌属、双歧杆菌属及丁 酸杆菌属。益生菌按菌株的来源和作用方式不同，可分为原籍菌、共生菌和真菌 3 类菌。原籍菌来源于人体肠道菌群，可直接补充原籍菌，如双歧杆菌、乳杆菌和粪链球 菌等;共生菌来源于人体肠道菌群外，具有促进 原籍菌生长和繁殖的作用，如芽孢杆菌、酪酸梭菌和枯草杆菌等;真菌制剂主要为布拉酵母菌。 按生存条件可分为乳酸杆菌、肠球菌、芽孢杆菌、酵母菌和双歧杆菌。

肠上皮细胞（IECs）是益生菌与宿主联系的桥梁，益生菌粘附于肠道黏膜IECs上，从而抑制病原微生物的附着与生长，调节肠道菌群生态平衡，增强机体对病原微生物的抵抗能力，改善机体的免疫功能，以达到预防或治疗疾病的作用。本文从四个方面对益生菌的益生机制进持阐述。

一、益生菌与肠道菌群的关系

1、益生菌的占位机制。益生菌的表层蛋白可促进其与上皮细胞的黏附，进而发挥占位定植效应，阻止病原菌与肠道黏膜受体的结合。益生菌能使致病性大肠杆菌分泌的自体诱导物显著减少，进而降低该致病菌对宿主细胞的黏附能力。益生菌可与胃肠道的上皮细胞发生反应，进而抑制肠道致病菌的黏附和定植。瑞士乳杆菌R0052由于其表皮细胞是非亲水性的，因而可与宿主细胞发生非特异性结合。很多研究发现，不同种类益生菌的黏附能力不同，且具有宿主特异性。益生菌还可防止条件性致病菌易位，阻止其向周围不断扩散，引起其他部位感染。此外，益生菌能在肠道的复杂大环境中竞争有限的生态位点，阻止致病菌在该位点繁殖。黏附素是一种具有多种结构和功能的多样化分子，可以是蛋白质、多肽 、糖蛋白、糖脂、多糖或单糖，是存在于微生物的菌毛、细胞壁、外膜蛋白、鞭毛、荚膜或小丝状体的一类与微生物黏附密切相关的特殊物质。益生菌（如植物乳酸杆菌299v）可使人类肠道细胞HT-29分泌和生成更多黏附素（ MUN2和MUN3）。 益生菌混合制剂能使小鼠结肠中的MUN2基因表达上调，并能增加黏附素的分泌量。从而使覆盖在肠上皮层的黏液层功能得到增强，对阻止肠致病性大肠杆菌的定植、增加胃肠道致病菌的清除率大有裨益。双歧杆菌、乳杆菌等通过竞争性占位与IECs受体结合、改变pH、产生代谢产物，进而抑制病原微生物在肠道内的繁殖。例如:Lactobacillus johnsoniiNCC533产生的过氧化氢，可以抑制沙门氏菌的生长，郝小燕等研究了益生菌(三联活菌片)对肺炎克氏菌和大肠埃希菌 K1株对肠粘附的抑制效果，发现益生菌能明显抑制病原微生物的黏附且能提高 肠道微生态的稳定性。上述结果表明益生菌可能是防治肠道菌 群失调的重要的途径之一。益生菌调节肠道菌群平衡益生菌通过外 界添加的方式进入到肠道中，且定植于肠道黏膜上，通过自身的黏附和竞争性抑制作用，在肠道表面形成一道天然屏障，将致病菌与肠上皮组织 隔离开来，抑制或减少病原菌的侵染和定植，增 强机体防御作用。有研究报道，双歧杆菌属、 乳酸杆菌属、肠球菌属所产生细菌素对金黄色葡 萄球菌、大肠埃希菌和白色念珠菌均有较强的抑制作用。益生菌能够竞争性阻断病原微生物在肠道的黏附，导致致病菌不能与肠上皮细胞表面受体结合，与致病菌争夺生长所需营养物质和生态位点，从而抑制致病菌在肠道中的定植( 张英春等，2012）。

2、益生菌抗菌抗毒素机制。益生菌可生成诸如细菌素之类的抗菌物质，这些抗菌因子能抑制肠道内致病菌的生长并降低其毒性。细菌素作为定植蛋白，与病原菌占位竞争，抑制病原菌的定植；细菌素作为信号蛋白，向肠道菌群和免疫系统传递信息；细菌素可以直接抑制和杀灭病原菌益生菌可以抑制肠道中革兰氏阳性和阴性菌。细菌素包括有机酸、抗氧化剂和细菌素等物质，这些化合物不仅可以减少病原微生物的数量，但也可能会影响细菌的代谢和毒素的产生。

3、益生菌肠道环境的调控。芽孢杆菌类益生菌，如枯草、地衣芽孢杆菌消耗肠道内的氧气，创造厌氧环璄，让有益菌大量繁殖；有益菌在肠道粘膜深层造成酸性环境，让害菌在粘膜深层不能繁殖，减轻肠道的感染。有研究发现，将乳酸杆菌和 致病菌共培养后，具有毒力因子的微生物因 pH 值降低而受到明显抑制，证明益生菌可通过生成乳酸来降低肠道局部pH值，从而发挥抗菌作用。Nikoskelainen等 (2003) 研究益生菌对虹鳟鱼的免疫增强作用的潜力时发现， 芽孢杆菌能够降低肠道内的氧气，形 成厌氧环境，促进厌氧微生物的增长， 使微生物稳态恢复到正常，起到防病、 治病的作用。

4、益生菌与肠道有害菌竞争营养物质。益生菌与有害菌竞争营养物质，产生短链脂肪酸，为肠道上皮细胞提供能量，同时抑制有害菌的繁殖。

二、益生菌与肠道上皮的关系

1、益生菌为肠粘膜上皮细胞提供营养。短链脂肪酸，如丁酸等是肠上皮细胞重要的能量物质。

2、调控肠道细胞的通透性。益生菌促进肠道上皮细胞合成紧密连接蛋白，调节肠道的通透性，促进有益的营养物质的吸收，阻止有害的物质进入血液循环。益生菌能阻止紧密连接蛋白发生变性，并能通过蛋白激酶C(PKC)途径和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)途径来增强紧密连接的电阻抗。益生菌的保护作用在柠檬酸杆菌导致的感染性结肠炎小鼠模型研究中得到了证实。此外，有实验采用应激导致的肠道屏障功能障碍的小鼠模型，结果也证实益 生菌可增强肠上皮细胞屏障的完整性。IECs蛋白的紧密连接有利于防止氧化应激反应，维持IECs屏障的完整性。益生菌通过在IECs上繁殖，竞争性抑制病原微生物的生长，维持肠道黏膜的通透性，调节IECs基因的表达，参与IECs的保护作用。例如，LGG产生短链脂肪酸促进IECs的分化，降低肠道黏膜的通透性，从而维护IECs屏 障功能；益生菌可促进p40、p75等可溶性蛋白分泌，抑制IECs凋亡，增强IECs 屏障功能。IECs屏障功能一旦遭到破坏，各种病原微生物可趁虚而入，从而引起各种不同疾病的发生。Gu等(2014)对猪肠道的研究表明，枯草芽孢杆菌可通过促进紧密连接蛋白的表达， 增强猪肠道上皮屏障功能。

   3、益生菌调节和预防肠道细胞的凋亡。

三、益生菌与免疫的关系

益生菌能促进B淋巴细胞向浆细胞分化，并生成更多的分泌型IgA。益生菌还能影响某些T细胞的免疫反应。Dalmasso等将CD4+ CD45RBhi的T淋巴细胞从健康小鼠移植到有严重免疫缺陷的结肠炎小鼠体内，应用酵母菌治疗，发现小鼠肠道的炎性反应明显减轻；其作用机制可能是酵母菌可抑制Th1淋巴细胞产生肿瘤坏死因子-γ(TNF-γ)。益生菌能阻断多种炎性因子的释放，如抑制核因子-κ B (NF-κB )的活化及细胞外信号调节的激酶致炎通路，减少TNF-α、白细胞介素-8(IL-8)等的产生。益生菌如乳杆菌和双歧杆菌，进入宿主肠道，其代谢产物或整个菌体细胞能通过M细胞（淋巴集结上的一层特殊分化的细胞，也称微皱褶细胞Microfold cell，与肠上皮细胞紧密排列在一起）进入淋巴集结激活Th2淋巴细胞，产生大量IL-5，促使B淋巴细胞产生IgA，并与肠黏膜上皮细胞产生的分泌小体，结合成 sIgA。sIgA在肠道黏膜免疫系统中起着重要作用。

益生菌通过IECs，与肠道免疫系统相互作用改善宿主的免 疫功能和免疫水平，对宿主的免疫系统产生重要的影响。益生 菌的免疫调节作用主要表现在激活树突状细胞、巨噬细胞、自然 杀伤细胞(natural killer cell，NK)、淋巴细胞等免疫细胞，刺激宿主机体对病原微生物产生免疫反应。Takeda等研究表明，巨噬细胞和树突状细胞诱导IL-12等细胞因子生成，从而激活Th1产生免疫应答。伍梓汐等将小鼠巨噬细胞和致敏模型小鼠探讨双歧杆菌和乳酸杆菌的菌株特异性免疫，结果表明，益生菌R-1- 1、6091和TMC3115能有效地活化巨噬细胞对机体进行免疫调节，降低血液IgE的产生，抑制由IgE介导的I型超敏反应。Ev- rard等报道，鼠李糖乳杆菌GG菌株（Lactobacillus rhamnosus GG strain，简写为Lactobacillus GG或LGG）Lcr35诱导产生的IL-23可以参与肠道的炎症反应。此外，益生菌通过活化肠道黏膜的淋巴组织，诱导sIgA产生，例如，植物乳杆菌P-8能使成年人肠道内的sIg A含量明显增加。益生菌制剂菌株已被证明可以增强巨噬细胞活性，增加局部抗体水平，诱导干扰素的生成。益生菌的细胞壁含有免疫多糖类物质， 可以通过增加免疫球蛋白的生成， 刺激机体产生 干扰素，增强巨噬细胞、B淋巴细胞等的活性，增强机体的体液免疫和细胞免疫能力， 改善机体的免疫水平（田木，2015）。在肠黏膜免疫系统中，益生菌菌体或其代谢产物可作为抗原被黏膜M细胞获得和识别，从而促进肠黏膜免疫系统的发育，激活巨噬细胞和B淋巴细胞，在肠黏膜淋巴组织中形成生发中心，最终B淋巴细胞转化为浆细胞分泌黏膜抗体IgA，介导黏膜免疫。益生菌制剂能够增强动物机体免疫力，主要通过两个方面：影响非特异性免疫应答，增强单核巨噬细胞和单核细胞因子的分泌；刺激动物机体特异性免疫应答的反应并加强黏膜表面和血清中IgA、IgM和IgG水平，加强动物机体体液免疫能力，促进T和 B淋巴细胞的增殖，另外，益生菌在抗肿瘤方面也发挥着重要的作用。

微生态制剂不仅可以影响动物特异性免疫，如激活肠道相关淋巴组织、提高免疫球蛋白数量，而且还可以影响非特异性免疫( 如增强巨噬细胞和白细胞以及自然杀伤性细胞活力 )。试验发现，肠道微生态环境的平衡有助于免疫器官形成，进入动物胃肠道的微生态制剂 ( 左心宸等，2014)，定植于消化道，非特异性地激发机体的细胞免疫和体液免疫而产生抗体 ( 邱权等， 2016)。研究发现，微生态制剂能阻断多种炎性因子释放，增强B淋巴细胞向浆细胞分化，使分泌型IgA增加， 还能诱导T细胞和B细胞的免疫反应（Corthesy等，2007）。 

四、益生菌与营养吸收和代谢的关系

益生菌能产生多种维生素（如：VitB,Vitk等）；益生菌可以产生蛋白酶，特别是碱性蛋白酶；益生菌在宿主肠道中能够提供多种自身所不具备的酶和生化反应途径，能够分解宿主肠道中的多糖、寡 聚糖以及糖蛋白等，生成短链脂肪酸，为宿主提供能量和肠道正常菌群生长繁殖的营养要素。益生素能够抑制肠道内有害细菌氨、吲哚和硫化氢的增殖，可通过促进动物肠道内营养物质的消化与吸收，提高氮的生物学利用率，减少氨气、生物胺和硫化氢等的形成。 有益微生物在动物肠道繁殖时能分解产生未知促生长因子、氨基酸等，这些生长有益物质在动物体内参与新陈代谢，促进机体的生长发育( 杨利军 等，2007)。此外，微生态制剂在动物体内还能产生分解糖、蛋白质、脂肪等物质的消化酶，促进消化吸收，提高饲料转化率 ( 王君等，2007)。益生菌制剂还能在肠道中产生抗菌肽、 乳酸、抗氧化剂等抑制致病菌在肠道内的生长 (Reid 等，2001)。

五、结语

益生菌是当今生物技术领域的热点，其调节机体免疫系统、抑制肠道致病菌感染及维持胃肠道菌群平衡等作用已被公认。当前养殖业在减少抗生素的使用上，益生菌发挥着非常重要的作用，并且越来越多的益生菌产品投入到生产实践中，为养殖业和人类健康带来大的帮助。益生菌产品也还存在需要解决的一些问题：（1）益生菌菌种的稳定性和抗逆性需要加强。（2）益生菌产品在动物的用量需要进一步精准。（3）益生菌发挥作用的机制还要进一步研究和验证。

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