易 鑫 楊曉華 江青艷 王松波

(華南農(nóng)業(yè)大學動物科學學院，廣東省動物營養(yǎng)調控重點實驗室，廣州510642)

支鏈脂肪酸(branched chain fatty acids,BCFAs)是指脂肪酸碳鏈上有1個或多個烴基支鏈的脂肪酸，廣泛存在于多種微生物中，生物活性強，但是在其他生物體內(nèi)的含量較少[1]。BCFAs還根據(jù)主鏈碳原子的數(shù)量可分為短鏈(2～5個碳原子)、中鏈(6～12個碳原子)和長鏈(13個及以上碳原子)BCFAs。目前，BCFAs相關的研究主要集中在抗癌等疾病治療方面，而對畜禽生長、健康和營養(yǎng)調控的研究較少，研究多關注于短鏈和中鏈BCFAs，對于長鏈BCFAs(LC-BCFAs)的研究也較少。

腸道是動物體內(nèi)最大的消化和免疫器官，其生理功能主要包括消化和吸收、屏障作用、內(nèi)分泌與免疫應答等，這些生理過程均與腸道中的菌群組成息息相關[2]。由此可見，腸道健康對于維持動物整體的健康必不可少[3]。而腸道健康的評定也是一個綜合性的概念，其中包括腸道免疫反應、消化吸收功能、腸道菌群組成、腸道屏障完整性和信號傳導等[4]。目前已有研究報道，BCFAs作為天然存在的一類功能性脂肪酸，對動物的腸道健康具有良好的調控作用[5]。本文以腸道健康作為研究靶點，聚焦于LC-BCFAs，總結LC-BCFAs在緩解腸道炎癥、改善腸道菌群、維持腸道屏障和促進腸道消化吸收等方面發(fā)揮的作用，探討LC-BCFAs調控動物腸道健康的可能機制，以期為深入研究LC-BCFAs對動物腸道健康的調控作用及其在畜禽生產(chǎn)中的應用提供參考。

1 LC-BCFAs的結構與分布

1.1 LC-BCFAs的結構

BCFAs因其支鏈種類和支鏈在主碳鏈上的位置不同而種類豐富，也因此BCFAs具有不同的結構。BCFAs根據(jù)其烴基支鏈(如甲基或乙基)在主碳鏈上位置的不同可分為異式BCFAs(iso-BCFAs)和反異式BCFAs(anteiso-BCFAs)。iso-BCFAs的烴基支鏈位于主碳鏈的ω-2碳原子處，而anteiso-BCFAs的烴基支鏈位于主碳鏈的ω-3碳原子處[6]。在BCFAs中，目前研究較為深入的是單甲基LC-BCFAs，結構式見圖1。除了單甲基LC-BCFAs以外，還有包含乙基和丙基等烴基支鏈的LC-BCFAs，例如，Dewulf等[7]發(fā)現(xiàn)脂肪酸合酶可以將乙基丙二?；鵆oA代替經(jīng)典脂肪酸合成途徑中的丙二?；鵆oA，進而合成含有乙基支鏈的LC-BCFAs。因為畜禽飼糧中的脂肪酸主要為長鏈脂肪酸，而畜禽腸道中的菌群可以參與LC-BCFAs的形成，之后被機體吸收，因此本文主要關注LC-BCFAs在調控動物腸道健康中發(fā)揮的作用。

自然界中常見的LC-BCFAs主要有以下幾種：iso-C15∶0(C16H32O2)、anteiso-C15∶0(C16H32O2)、iso-C16∶0(C17H34O2)、iso-C17∶0(C18H36O2)、anteiso-C17∶0(C18H36O2)和iso-C18∶0(C19H38O2)等[8]。

●:碳原子 carbon atom;○:氧原子 oxygen atom; :氫原子 hydrogen atom。

1.2 LC-BCFAs的分布

LC-BCFAs主要存在于革蘭氏陽性菌中，而在其他生物體中少見[1]。有研究報道，芽孢桿菌屬能產(chǎn)生6種LC-BCFAs(anteiso-C15∶0、anteiso-C17∶0、iso-C14∶0、iso-C15∶0、iso-C16∶0和iso-C17∶0)和2種直鏈脂肪酸(n-C14和n-C16)，6種LC-BCFAs占總脂肪酸的60%以上[8]。而存在于微生物細胞膜中的LC-BCFAs，具有通過降低細胞膜上脂肪酸緊密封裝形成剛性、高熔點延伸結構的能力，進而降低細胞膜上磷脂層的相變溫度[9]，從而影響了細菌細胞膜的結構和流動性[10]。例如，金黃色葡萄球菌細胞膜上的脂肪酸是由增加膜流動性的LC-BCFAs和降低膜流動性的直鏈脂肪酸參與構成[11]。

除在微生物中含量豐富外，LC-BCFAs在發(fā)酵食品和反芻動物肉、奶制品中含量較高。例如，羊肉香氣中的“羊肉味”就來源于4-甲基辛酸(MOA)、4-乙基辛酸(EOA)和4-甲基壬酸(MNA)這3種BCFAs[12]。對牛乳中的乳脂進行分析，也發(fā)現(xiàn)含有14～18個碳原子的iso-BCFAs和anteiso-BCFAs，BCFAs占乳脂總脂肪酸的2.05%左右，其中anteiso-BCFAs占總BCFAs的50%以上[13]。發(fā)酵食品納豆中BCFAs平均含量為0.21～1.43 mg/g，而且主要為14～17個碳原子的LC-BCFAs，其他發(fā)酵食品如蝦醬和發(fā)酵的魚中，LC-BCFAs分別為總脂肪酸的(1.63±0.72)%和(0.65±0.07)%[14]。

哺乳動物機體內(nèi)的BCFAs主要由支鏈氨基酸(branched chain amino acids,BCAAs)衍生而來，在線粒體內(nèi)的BCAAs可代謝生成多種類型的甲基?；鵆oA，脂肪組織特異性表達的肉堿乙酰轉移酶(carnitine acetyltransferase,CrAT)將該類代謝中間產(chǎn)物從線粒體運輸?shù)郊毎|中，并被脂肪酸合酶以乙?；鵆oA作為另一種底物所利用，進而完成BCFAs的從頭合成[15]。LC-BCFAs在成年哺乳動物組織中分布較少，主要存在于新生兒的皮膚脂質中。例如，LC-BCFAs是新生兒皮膚脂質尤其是皮脂腺(sebaceous glands,SG)分泌物中的主要脂肪酸[16]。

2 LC-BCFAs對動物腸道健康的調控作用

腸道作為動物最主要的消化吸收器官，可以允許機體所需要的營養(yǎng)物質從腸腔進入循環(huán)系統(tǒng)，并進入機體的內(nèi)部環(huán)境；而腸道作為機體屏障器官，可以阻止有害物質如病原微生物、腸腔內(nèi)抗原和腸腔內(nèi)促炎癥因子等對機體的侵襲[17]。同時，腸道內(nèi)的菌群平衡是維持腸道及機體其他部位穩(wěn)態(tài)的重要保障[18]。動物腸道菌群代謝產(chǎn)生的LC-BCFAs在緩解腸道炎癥、改善腸道菌群、維持腸道屏障和促進消化吸收等方面發(fā)揮著重要調控作用(圖2)，并以此調控動物的腸道健康。

Tight connection：緊密連接；Intestinal barrier：腸道屏障；LC-BCFAs：長鏈支鏈脂肪酸 long chain and branched chain fatty acids；LPS：脂多糖 lipopolysaccharides；Dietary nutrients：飼糧營養(yǎng)物質；Intestinal bacteria:腸道菌群；Intestinal epithelial cells：腸道上皮細胞；NF-κB：核轉錄因子-κB nuclear factor-κB；IL-8：白細胞介素-8 interleukin-8。

2.1 LC-BCFAs可緩解腸道炎癥

LC-BCFAs可緩解動物的腸道炎癥。機體炎癥反應會造成畜禽生產(chǎn)效益的低下和經(jīng)濟損失，據(jù)報道，促進動物產(chǎn)生快速、急性炎癥反應的能力來控制感染的能力，并及時過渡到抗炎、組織修復過程和穩(wěn)態(tài)，被認為是保持動物對病原體的抵抗力和最大限度減少非生產(chǎn)性營養(yǎng)損失的最佳方案[21]。而越來越多的研究表明，LC-BCFAs作為具有抗炎癥作用的功能性脂肪酸，可緩解動物的腸道炎癥反應。

LC-BCFAs可降低動物早期的壞死性小腸、結腸炎發(fā)病率。在畜牧生產(chǎn)中，仔豬新生期的死亡率在所有家畜中最為嚴重(5%～20%)，而腹瀉是導致仔豬死亡的重要因素，也是亟待解決的重大問題[22]。對新生仔豬而言，壞死性小腸結腸炎(necrotizing enterocolitis,NEC)是造成仔豬腹瀉的常見病因，NEC會導致仔豬短腸綜合征、腸狹窄、神經(jīng)發(fā)育遲緩及腹瀉等[23]。有研究發(fā)現(xiàn)，LC-BCFAs可降低動物早期的NEC發(fā)病率，例如Ran-Ressler等[5]研究表明，在飼糧總脂肪水平不變的情況下，添加多種LC-BCFAs(iso-C14∶0、anteiso-C15∶0、iso-C16∶0、anteiso-C17∶0和iso-C18∶0)的混合物可以降低大鼠NEC的發(fā)生率，維持腸道形態(tài)學和生理功能的完整性。另外，生產(chǎn)上的觀察也發(fā)現(xiàn)，LC-BCFAs(anteiso-C15∶0、iso-C16∶0、iso-C17∶0和iso-C18∶0等)可作為早期區(qū)分腹瀉犢牛和健康犢牛的生物標志物，其糞便中的LC-BCFAs組成和含量與犢牛腸道健康狀態(tài)有密切的相關性[24]。

LC-BCFAs可減少腸道內(nèi)促炎因子的表達，增加抗炎因子的表達，進而維持機體的腸道健康。近來的研究發(fā)現(xiàn)，通過對胎糞和胎兒腸道內(nèi)容物中LC-BCFAs的含量曲線進行分析，顯示BCFAs是正常健康足月新生兒胃腸道的主要定植成分[25]。Yan等[19]研究表明，長鏈iso-BCFAs(iso-C14∶0、iso-C16∶0、iso-C18∶0和iso-C20∶0)和長鏈anteiso-BCFAs(anteiso-C13∶0、anteiso-C15∶0和anteiso-C17∶0)均能不同程度抑制脂多糖(LPS)誘導的腸上皮細胞的促炎癥標志物白細胞介素-8(interleukin-8，IL-8)和核轉錄因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的表達，從而抑制腸道過度的炎癥反應。Ran-Ressler等[5]的研究表明，飼糧中添加多種LC-BCFAs混合物可提高益生菌枯草芽孢桿菌的豐度，且抗炎因子白細胞介素-10(interleukin-10，IL-10)的表達量增加了約3倍。

2.2 LC-BCFAs可改善腸道菌群組成

腸道菌群伴隨著宿主一起進化，是宿主機體的一部分，動態(tài)變化的腸道菌群會參與調控宿主的免疫、代謝、和神經(jīng)系統(tǒng)功能等[26]。研究發(fā)現(xiàn)，LC-BCFAs可影響腸道菌群的增殖，抑制病原菌的致病能力和改變腸道菌群的組成。

LC-BCFAs可影響腸道菌群增殖。有研究報道，LC-BCFAs合成缺陷型的細菌突變體細胞膜結構會發(fā)生改變，導致細菌無法完成細胞膜的縊裂，子代細胞不能分離，從而影響細菌的增殖[27]。與高等生物細胞膜中的不飽和脂肪酸類似，LC-BCFAs也可以增加微生物磷脂雙層膜的流動性[10]。由于脂質相分離和蛋白質相分離導致細菌細胞膜流動性降低時，會造成細菌的死亡，細菌的存活取決于膜脂質組成的微調[28]。此外，LC-BCFAs作為枯草芽孢桿菌、乳酸桿菌、雙歧桿菌等腸道有益菌群的細胞膜主要成分[29]，可通過益生菌群與宿主之間的良性互作，促進宿主更好地生長、發(fā)育和繁殖。

LC-BCFAs可改變腸道菌群的組成并降低病原微生物致病能力。腸道菌群的組成和功能是動態(tài)變化的，并且受飲食特性(例如脂質的數(shù)量和組成)的影響[30]。研究表明，飼糧中添加LC-BCFAs混合物[iso-14∶0 (25%)、anteiso-15∶0 (20%)、iso-16∶0 (25%)、anteiso-17∶0 (8%)、iso-18∶0 (10%)]，大鼠小腸的微生物區(qū)系和菌群豐度相比于正常飼喂的大鼠有所改變，其中桿菌科、假單胞菌科和枯草芽孢菌科等菌群的豐度與對照組相比具有顯著差異[5]。另外，體外試驗也證明aneteiso-C15∶0可抑制病原菌——銅綠假單胞桿菌的單個菌株的鞭毛運動和菌落的遷移，進而顯著減少有害菌群的擴布，使得該病原菌喪失了大部分對于宿主的致病能力[31]。

2.3 LC-BCFAs可保護腸道屏障

腸道屏障包括物理屏障、化學屏障、微生物屏障和免疫屏障等，而且腸道屏障受到腸道菌群的調控作用[32]。例如，研究發(fā)現(xiàn)存在于腸道菌群中的LC-BCFAs可參與調控機體的腸道物理屏障。Ran-Ressler等[5]的研究表明，在患有腸道炎癥的大鼠飼糧中添加LC-BCFAs混合物可以改善炎癥導致的腸道黏膜和固有層的損傷，部分恢復消化道小腸絨毛的正常形態(tài)和生理功能。

BCFAs可抑制炎癥因子導致的屏障損傷。體外試驗發(fā)現(xiàn)，使用20 mmol/L的BCFAs處理腸道上皮細胞系Caco-2細胞，在添加腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和干擾素-γ(IFN-γ)前預處理2 h條件下，BCFAs可顯著逆轉TNF-α和IFN-γ導致的Caco-2細胞單層細胞跨膜電阻值(TEER)降低、緊密連接蛋白閉鎖小帶蛋白(ZO-1)以及封閉蛋白(Claudin-1)的表達下調，BCFAs對Caco-2細胞中炎癥誘導的腸道屏障功能改變表現(xiàn)出劑量依賴性保護作用；活體試驗也證明BCFAs可以減緩母豬腸道由炎癥細胞因子而導致的腸道屏障損傷[25]，維持腸道的正常生理功能。

2.4 LC-BCFAs可促進腸道消化吸收

LC-BCFAs可促進腸道的消化吸收功能。在人和哺乳動物腸道內(nèi)，LC-BCFAs是飼糧中的粗纖維、多糖類和蛋白質等經(jīng)后腸段微生物的發(fā)酵產(chǎn)生的[33-34]。LC-BCFAs主要是與甘油結合，以甘油三酯的形式被腸道上皮細胞所吸收，LC-BCFAs主要結合在甘油的sn-2位[35]。Blakeney等[36]在小鼠上的研究表明，BCFAs通過環(huán)腺苷酸(cAMP)/蛋白激酶A(PKA)信號通路引起結腸平滑肌松弛，腸道活動增強，進而促進腸道的消化吸收。也有研究表明，一種由亮氨酸衍生的單甲基BCFAs(iso-C17∶0)和下游衍生的鞘糖脂，可以通過腸道和神經(jīng)元內(nèi)的哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1(mTORC1)信號通路關鍵地調節(jié)整個機體的氨基酸感應，有利于動物腸道從飼料中攝取氨基酸，促進腸上皮細胞對于氨基酸的感應和吸收[37]。

3 LC-BCFAs調控腸道健康的可能機制

LC-BCFAs對于動物腸道健康的調控作用是多方面的，因此，LC-BCFAs對于動物腸道健康的調控機制也可能通過多種不同的途徑。目前主要的研究表明，LC-BCFAs可以通過Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)調控腸道炎癥，亦可以通過改變細菌細胞膜物理學特性來調控菌群的增殖和區(qū)系組成，其調控動物腸道健康的調控機制亟待進一步探索。

3.1 LC-BCFAs通過TLR4調控腸道炎癥

LC-BCFAs可以通過TLR4/NF-κB炎癥信號通路緩解動物的腸道炎癥，主要的機制是：LC-BCFAs可顯著逆轉LPS誘導的炎癥信號通路中TLR4表達量的升高，進而抑制腸道上皮細胞內(nèi)TLR4下游的核轉錄因子NF-κB的表達，降低腸道上皮細胞促炎因子IL-8的表達[19]。LC-BCFAs可以被攝取進入腸道細胞炎癥模型，并改變腸道上皮細胞膜表面脂肪酸組成，進而通過下調炎癥信號受體TLR4的表達緩解腸道炎癥，同時，LC-BCFAs也可以在細胞膜處中斷LPS對TLR4的激活作用，進而導致NF-κB和IL-8的表達下調[38]，緩解LPS等促炎癥因子所導致的腸道炎癥。LC-BCFAs通過TLR4調控動物腸道健康的機制見圖3。

LC-BCFAs：長鏈支鏈脂肪酸 long chain and branched chain fatty acids；LPS：脂多糖 lipopolysaccharide；CD14：白細胞分化抗原14 cluster of differentiation 14；TLR4：Toll樣受體4 Toll-like receptor 4；Change cell membrane surface fatty acids composition：改變細胞膜表面的脂肪酸組成；NF-κB expression：核轉錄因子-κB的表達；IL-8：白細胞介素-8 interleukin-8。

3.2 LC-BCFAs改變細菌生物膜組成及降低致病力

革蘭氏陽性菌具有較為典型細胞膜特征，而主要存在于革蘭氏陽性菌中的LC-BCFAs可以通過改變其含量和分布來調控革蘭氏陽性菌的細胞膜流動性和生物學功能[39]。研究發(fā)現(xiàn)，LC-BCFAs可顯著抑制微生物生物膜的生長，對銅綠假單胞桿菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌等常見腸道致病菌生物膜的抑制率分別為12.96%、28.99%、36.90%，并且LC-BCFAs濃度越高，抑制作用越大[40]。此外，有研究報道，LC-BCFAs合成缺陷型金黃色葡萄球菌能夠利用宿主來源的多不飽和脂肪酸，來合成自身細胞膜成分所需要的LC-BCFAs[41]。正常情況下，金黃色葡萄球菌感染通常會導致炎癥的發(fā)生，這主要依賴于金黃色葡萄球菌產(chǎn)生脂蛋白，通過激活宿主細胞內(nèi)Toll樣受體2(TLR2)引起炎癥細胞因子分泌增多，然而在金黃色葡萄球菌BCFAs合成缺陷突變株中，LC-BCFAs的重新合成可抑制脂蛋白介導的TLR2激活，改善脂肪酶對于脂蛋白的水解，證明細菌細胞膜組成和細菌病原體感染力之間有著相關性[42]。

甲基支鏈有效地減少細菌細胞膜上脂類物質縮合，降低了細胞膜上磷脂雙分子層厚度，降低了鏈的有序性，分支也導致在分支點處形成扭結，從而增強了脂質雙分子層的流動性[43]；LC-BCFAs參與磷脂和脂蛋白組成，抑制病原菌脂蛋白介導的炎癥感染，主要通過TLR2發(fā)揮作用。LC-BCFAs調控細菌細胞膜組成變化，促進其增殖和降低致病能力的具體機制如圖4。

LC-BCFAs：長鏈支鏈脂肪酸 long chain and branched chain fatty acids；Host cell：宿主細胞；TLR2：Toll樣受體2 Toll-like receptor 2；IL-6：白細胞介素-6 interleukin-6；Normal lipoprotein：正常脂蛋白；lipoprotein with BCFAs：含有支鏈脂肪酸的脂蛋白；Involved in the formation of cell membranes：參與細胞膜的構成；Increase of cell membrane fluidity：增加細胞膜流動性；Bacterial cell：細菌細胞。

4 小結與展望

LC-BCFAs作為一類功能性脂肪酸，可通過緩解腸道炎癥、改善腸道菌群、維持腸道屏障和促進腸道消化吸收等來維持并調控動物的腸道健康。LC-BCFAs調控動物腸道健康的可能機制包括其激活細胞膜受體信號通路、改變細胞膜組成等。但是，目前對于LC-BCFAs的研究與利用仍很不足[44]，例如：LC-BCFAs的純化上存在技術局限性，規(guī)?；a(chǎn)LC-BCFAs的工藝尚不完善，富含LC-BCFAs的原料利用不充分，LC-BCFAs和微生物間的具體關系尚不清楚，以及LC-BCFAs相關的機制研究尚淺等。因此，深入開展LC-BCFAs對動物腸道健康調控作用及機制的研究，對于促進畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展乃至造福人類健康都具有著重要意義。