动物的肠道作为消化器官的一部分，能消化和吸收营养物质、维持液体和电解质的平衡，同时肠道还是防止有毒有害物质进入体内的一道屏障，是动物体防御功能的重要组成部分。肠道屏障功能受损主要是由肠道渗透性增加引起的，这会引发多种胃肠道疾病。当肠道屏障功能遭到破坏时，肠道中的微生物和内毒素便可突破肠道屏障，进入血液循环系统，引起细菌和内毒素的移位，造成肠原性感染的发生，严重者会发展成全身性炎症反应或多器官功能衰竭。

1 动物肠道屏障的组成

动物的肠道屏障主要由物理屏障、化学屏障、微生物屏障和免疫屏障构成。这四种屏障具有不同的机制但又有机地结合在一起，共同抵抗外界有害物质对机体的侵袭。

1.1 物理屏障

物理屏障又称机械屏障，是由肠粘膜上皮细胞及其细胞间的连接等组成的完整的彼此紧密连接的肠道上皮结构。肠道上皮为单层柱状上皮，包括杯状细胞、吸收细胞和未分化细胞等。吸收细胞呈高柱状，数量最多，细胞间的连接包括紧密连接、桥粒、粘着连接和间隙连接等。对肠道屏障功能影响最大的是紧密连接，位于肠道上皮细胞外膜顶端，为一狭长的带状结构，可以封闭细胞间的间隙，从而防止肠腔中的大分子物质如毒素等进入血液中。细胞间的紧密连接的通透性决定了整个肠上皮细胞的屏障功能^[1]。到目前为止，大约有50种特定功能的蛋白质参与紧密连接的形成，主要包括Claudin蛋白、Occludin蛋白、连接黏附分子(JAM)三种跨膜蛋白以及闭合小环蛋白(ZO)等外周胞浆蛋白。闭合蛋白和闭锁蛋白为紧密连接的骨架，闭合小环蛋白是紧密连接支持结构的基础，用以连接跨膜蛋白。

1.2 化学屏障

化学屏障主要是指覆盖在肠上皮表面的黏液层，由含有一定数量微生物的疏松的粘液外层和含有少量微生物的粘液内层组成。杯状细胞分泌的粘液中含有糖蛋白和糖脂，它们是细菌粘附受体的类似物，可以改变细菌的进攻位点，使细菌与糖蛋白和糖脂结合后随粪便排出^[2]。

此外，肠道分泌的各种物质，如胆汁、胃酸、溶菌酶、消化酶、糖蛋白、糖脂等，也起到一定的化学屏障作用。

1.3 微生物屏障

肠道的微生物屏障是一个由肠道共生菌与宿主形成的具有动态稳定性的微生态系统。对肠道屏障起重要作用的微生物主要是一些专性厌氧菌，如乳酸杆菌、双歧杆菌。肠道共生菌附着在肠道粘膜层上，形成菌膜屏障，通过竞争性粘附等机制抑制病原菌的定植和繁殖。肠道共生菌还可分泌醋酸、乳酸、短链脂肪酸等，降低肠道pH，从而抑制致病菌的生长。

1.4 免疫屏障

肠道是动物体内最大的免疫器官，肠道相关淋巴组织在肠道的免疫屏障中发挥重要作用。其中的淋巴细胞、巨噬细胞等在抵抗细菌侵袭的过程中发挥重要作用。在肠道固有层产生的分泌型免疫球蛋白A经过肠道上皮细胞的加工后分泌到肠腔中，分泌型免疫球蛋白A可阻断细菌、病毒和毒素粘附到肠粘膜上。

2 破坏肠道屏障功能的因素

多种因素会影响肠道的渗透性，从而影响到肠道的屏障功能。对这些影响因素的深入了解对人类相关疾病的治疗有着重要的作用。

2.1 应激会导致肠道屏障功能受损

各种应激源都会影响肠道的屏障功能，如生理性应激、药物性应激和心理性应激等^[3]。热应激是影响动物生产的重要因素。而胃肠道是对热应激产生反应的主要部位。热应激通过降低肉仔鸡肠道的紧密连接蛋白(ZO1和ZO2)的表达而损害肠道的屏障功能^[4]。热应激反应的发生部分地归因于促炎性细胞因子产生的增加，这会导致肠道炎症和损伤。有研究发现，在热应激过程中，干扰素-γ(IFN-γ)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)以及白细胞介素等细胞因子的增加会破坏肠道的紧密连接，从而导致肠道的渗透性增加^[5]。几个小时的束缚应激能使大鼠肠道的渗透性增加^[6]。持续的剧烈运动的阿拉斯加雪橇犬尿中和血清中的乳果糖与鼠李糖的比例增加了，这表明剧烈运动所导致应激可增加肠道的渗透性^[7]。

2.2 病原菌所导致的屏障功能受损

病原微生物对宿主肠道上皮细胞的影响是很复杂的。肠道中的病原菌能结合在上皮细胞表面，从而使紧密连接蛋白的表达发生变化。另外，病原菌所产生的毒素通过破坏细胞内蛋白质的相互作用而使细胞受损，从而导致细胞间的渗透性增加，并最终引起细胞死亡^[8]。肠道病原菌主要通过下面三种途径影响肠道上皮的生理功能：一是肠道上皮细胞紧密连接的改变，二是诱导液体和电解质的分泌，三是激活炎症反应的通路^[9]。

霉菌毒素是真菌产生的次级代谢物，霉菌毒素进入动物体内会引起胃肠道疾病的发生，且破坏其免疫功能。一般的霉菌毒素包括黄曲霉毒素、伏马菌素、赭曲霉毒素以及单端孢霉烯族毒素类。脱氧雪腐镰刀菌烯醇(呕吐毒素)属于单端孢霉烯族毒素，能改变猪肠道的渗透性并降低闭合蛋白的表达^[10]。

2.3 炎症性肠道疾病对肠道屏障功能的影响

炎症性肠道疾病(IBD)包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，是一类病因复杂且未完全明确的肠道炎症，多被认为是由环境、自身免疫、遗传和感染等多种因素相互作用导致，其中肠道的屏障功能在炎症性肠道疾病的发生、发展过程中发挥重要作用。有研究证实，患有炎症性肠道疾病的人肠上皮细胞的紧密连接受到破坏，肠粘膜炎性因子的释放增加，这些都会导致肠粘膜上皮的渗透性增加^[9]。

3 改善肠道屏障功能的措施

肠道屏障功能对人和动物的健康是至关重要的，但也容易受到一些外界因素的影响而受损，寻求改善肠道屏障功能的措施具有重要的意义。

3.1 短链脂肪酸

短链脂肪酸是胃肠道中细菌发酵碳水化合物的主要终产物，主要包括乙酸、丙酸和丁酸。它们易被吸收进入血液循环并最终代谢产生能量。作为基本代谢过程、有机体生长以及脂肪生成的能量来源，短链脂肪酸在维持机体健康和控制肠道环境方面发挥着关键作用。短链脂肪酸通过增加细胞内的pH而与肠粘膜相互作用，调节钠的吸收和氯化物的分泌，促进黏蛋白的分泌并增强粘膜中的血流量^[11]。许多研究都发现短链脂肪酸有抗炎的作用。丁酸是肠道上皮细胞优先利用的底物。患有氟二氧嘧啶诱导粘膜炎的小鼠经丁酸处理后，肠道的渗透性得到了改善，且肠道损伤降至最低^[12]。给患结肠炎的仔猪饲料添加丁酸(以三丁酸甘油酯的形式)能增加结肠粘膜中紧密连接蛋白Claudin-1的表达，并降低了细胞的程序性死亡^[13]。丙酸钠通过增加小肠紧密连接蛋白Occludin和ZO-1的表达而促进小肠创伤的恢复^[14]。微生物发酵所产生的短链脂肪酸能增强紧密连接蛋白的表达^[15]。

3.2 氨基酸

氨基酸是动物体内蛋白质、一氧化氮和多胺合成所必需的物质，同时还是小肠粘膜的主要能源。有许多研究都发现氨基酸对肠道相关疾病具有潜在的疗效，这些氨基酸包括谷氨酰胺、精氨酸、赖氨酸和苏氨酸等。它们对肠道细胞具有营养和保护作用，并能维持肠道的完整性，从而确保人和动物的健康。

3.2.1 谷氨酰胺

谷氨酰胺在机体内含量丰富，因此通常被认为是一种非必需氨基酸，但目前认为，在应激条件下(如感染、受伤和断奶)是一种条件性必需氨基酸。谷氨酰胺不仅是小肠上皮细胞和白细胞的重要能源物质，而且还参与了许多关键的代谢过程，如蛋白质的合成、糖异生、器官之间的氮转移、核酸的生物合成、免疫反应以及细胞的氧化还原的调节^[16]。在日粮中添加谷氨酰胺能降低肠道上皮细胞和淋巴细胞对细胞凋亡的敏感性，同时还能增强小肠的抗氧化功能并促进细胞的增殖。Baskerville等的研究发现，给动物静脉注射谷氨酰胺酶破坏谷氨酰胺后，动物会出现腹泻以及轻微的绒毛萎缩、肠粘膜溃疡和肠坏死，这说明循环中或细胞内的谷氨酰胺有助于维持肠粘膜的完整性和肠道的正常功能^[17]。另外，在早期断奶仔猪的日粮中添加谷氨酰胺能防止空肠萎缩，从而提高生长性能^[18]。

3.2.2 精氨酸

精氨酸是机体内许多重要分子(如一氧化氮、多胺和肌酸)生物合成必需的底物。因此，精氨酸在细胞代谢和生理方面具有许多基本的功能。许多研究都发现精氨酸与动物肠道的屏障功能有着密切的联系。精氨酸可以改善经甲氨蝶呤处理的受损的Caco-2细胞的渗透性和紧密连接蛋白的表达^[19]。脂多糖处理使肠道受损的大鼠口服精氨酸后能减轻肠粘膜的损伤^[20]。在过去的20年里，许多研究都发现精氨酸对肠道功能的有益作用是通过一氧化氮发挥的。Alican和Kubes(1996)的研究表明，精氨酸是通过一氧化氮的调节机制促进小肠液的分泌的^[21]。相反，如果一氧化氮合成酶受到抑制，那么肠液的分泌会减少，最终会导致肠道缺血^[22]。在热应激条件下，L-精氨酸能过通过促进一氧化氮的合成而防止肠道上皮的屏障功能受损^[23]。

3.2.3 苏氨酸

虽然小肠只占猪体重的5%，却占整个身体能量消耗的25%，占所有蛋白质周转代谢的20%~50%。如此高的代谢率就需要一些重要的氨基酸。为了满足对氨基酸的需要，小肠会吸收日粮中的氨基酸。其中苏氨酸被小肠吸收的比例是很大的，这表明苏氨酸对小肠功能的发挥具有很重要的作用。仔猪日粮中苏氨酸轻微缺乏(推荐量的70%)，两周后回肠的绒毛出现萎缩，而且氨基肽酶N的活性降低^[24]。

有研究发现，在仔猪肠道中用于氧化的苏氨酸占总苏氨酸的2%~9%，而用于合成粘膜蛋白的苏氨酸占71%^[25]。由此可知，由肠道吸收的氨基酸主要用于粘膜蛋白的合成。大鼠的日粮中苏氨酸缺乏会破坏肠粘膜的合成，最终会损害肠道的屏障功能^[26]。Hamard等的研究发现，仔猪日粮中苏氨酸缺乏30%，两周后就能使小肠细胞的渗透性和葡萄糖的吸收能力增大^[27]。这些研究都表明苏氨酸对于维持肠道的屏障功能是很关键的。

3.3 锌

锌是一种微量元素，在调节细胞内的酶促反应、DNA的合成以及信号的识别等方面发挥重要作用。另外，锌还通过增加上皮细胞的增殖、促进细胞的转运和修复等方式保护肠道的功能。在动物研究中，药物剂量的锌被广泛地用于增加生产性能、缓解肠道渗透性增加和腹泻。用人上皮细胞进行的实验发现，锌缺乏可使结合于蛋白质上的锌释放出来，这样细胞质中的游离锌就增加了，这会直接抑制细胞的生长、破坏紧密连接蛋白，并最终导致肠道屏障功能受损^[28]。相反，添加锌后会减少氯化物的分泌，从而缓解腹泻，改善肠道的屏障功能^[29]。另外，120 mg/kg的七水硫酸锌能增加肉仔鸡肠道紧密连接蛋白Occludin和Claudin-1的表达，并提高其生产性能^[30]。高水平的氧化锌(2 000~3 000 mg/kg)被广泛地应用于断奶仔猪，可以通过增强Occludin和ZO-1的表达而改善肠道的渗透性^[31]。离体实验也有类似的结果，100 μM的锌能增强Caco-2细胞的屏障功能^[32]。Shao等的研究也发现，锌能增强Caco-2细胞的分化，并通过激活P13K/AKT/mTOR的信号通路来增强细胞之间的紧密连接蛋白ZO-1的表达^[33]。

3.4 益生菌、益生元与合生元

益生菌(probiotics)是活的微生物，主要是双歧杆菌和乳酸杆菌，它们定居在动物的结肠内，能调节结肠内的微生物区系、产生免疫反应和一些物质，最终会增进宿主的健康。益生元(prebiotics)是一些不能被消化的寡聚糖，它们能选择性地促进结肠内有益菌的生长，从而有益于宿主。而合生元(synbiotics)是益生素和益生元的结合，二者应该具有协同的效果。

肠道的渗透性会因其内的微生物区系不平衡、细菌或细菌碎片而发生改变，例如脂多糖就能穿过肠壁进入血液循环，从而导致内毒素血症。益生菌和益生元能增进肠道的屏障功能，促进肠道有益菌和共生菌的增殖，阻碍革兰氏阴性菌的生长。

益生菌具有保护肠道屏障功能的作用，其中最著名的菌株就是双歧杆菌，它在人的肠道菌群中占优势地位，并和其他的厌氧菌一起通过与肠道上皮细胞的特异性结合而建立生物屏障^[34]，维持肠道微环境的稳定性。双歧杆菌能通过发酵葡萄糖产生大量的乳酸、乙酸等有机酸，这样肠道的pH就降低了，便能抑制痢疾杆菌、伤寒杆菌、变形杆菌、绿脓杆菌等病原菌和真菌的生长。pH的降低还能阻止上述病原菌以及它们所产生的毒素粘附在肠道上皮细胞上。另外，双歧杆菌还能激活自然杀伤细胞、巨噬细胞等免疫活性细胞，提高免疫反应，改善肠道的屏障功能^[35]。

乳酸杆菌也是一种常见的益生菌，它通过与病原菌竞争而粘附在肠粘膜上来维持肠道微生物区系的平衡。乳酸杆菌首先促进肠道内有益菌的生长，竞争性地抑制大肠杆菌等致病菌的生长、粘附和侵入，进而保护正常的紧密连接的结构以及与之相关的紧密连接蛋白的分布，最终维持了正常的肠道屏障功能^[36]。乳酸杆菌能促进最重要和最直接的目标细胞——肠上皮细胞的增殖，进而增加粘液的分泌，增强肠道紧密连接的功能以及热休克蛋白的分泌，降低肠道上皮细胞的凋亡^[37]。益生菌还具有调节信号分子的作用，例如乳酸杆菌对炎症反应具有调节作用，这包括抑制NFkB的激活、减少上皮组织中的T淋巴细胞，调节toll样受体和PPAR相关的信号，增加抗炎的细胞因子(如IL-1、IL-6和TGF-β)，降低促炎细胞因子(如TNF-α、IL-1β、INF-γ)的表达水平，进而保护肠道紧密连接的微结构^[38-39]。

常用的益生元主要包括低聚果糖(FOS)、低聚半乳糖(GOS)、葡低聚糖、乳果糖、低聚木糖、水苏糖、棉子糖等。当它们到达大肠后，这些益生元就变成了有益菌的营养物质，从而促进了有益菌的生长，并最终增进动物或人的健康。由于这些益生元是不能被消化或吸收的，因此它们的添加剂量十分重要，过量添加会导致胃肠胀气和腹泻。给猪的饲料中添加低聚半乳糖(40 g/kg)能增加肠道中双歧杆菌和乳酸杆菌的数量，同时降低肠道的pH。另外发现寡聚糖还能抑制大肠杆菌和沙门氏菌在HT29细胞上的粘附^[40]。对家禽的实验发现，低聚木糖可促进乳酸向丁酸的转化^[41]。而丁酸具有改善肠道屏障功能的作用，因此低聚糖能间接地改善肠道屏障功能。

合生元是指益生菌和益生元的混合物，二者的结合有利于益生菌在胃肠道内的存活。益生菌有益于肠道的菌群平衡，从而形成胃肠道的保护屏障。另一方面，益生元能为益生菌提供能量和营养物质。因此，这两种成分结合成一种产品应该具有更好的效果。

4 总结与展望

肠道能防止肠腔内的有害物质穿过肠粘膜进入血液循环系统和体内其他组织器官，是保持机体内环境稳定性的先天性屏障。虽然多种因素会影响肠道的渗透性进而破坏肠道的屏障功能，但短链脂肪酸、一些氨基酸(如谷氨酰胺、精氨酸等)、微量元素锌、益生元和益生菌等均能改善肠道的屏障功能，从而增进机体的健康。而能够改善肠道屏障功能的营养因素不是独立的，而是相互联系的。随着对肠道屏障功能研究的深入，人们会找到更多更好的方法，这无论是对人还是动物的健康都将是非常有帮助的。