瘤胃和后肠的发育和生理功能：以改善消化道健康为目标

作者：Michael A. Steele, Greg B. Penner, Frédérique Chaucheyras-Durand, and Le Luo Guan

1加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学，食品和营养科学系

2 加拿大萨斯喀彻温大学，动物和家禽科学系

3 法国，拉曼动物营养

目录：

第一部分：前言、瘤胃和后肠上皮结构的差异

第二部分：影响胃肠道上皮细胞功能的关键阶段—断奶前

第三部分：影响胃肠道上皮细胞功能的关键阶段—断奶期

第四部分：影响胃肠道上皮细胞功能的关键阶段—快速发酵日粮的过渡期、未来的研究方向、结论

第一部分：前言、瘤胃和后肠上皮结构的差异

前言

胃肠道上皮(GE)的主要作用是保护宿主免受肠道内微生物、毒素和化学物质的混合物的影响，并防止这些化合物不受控制地进入淋巴或门静脉循环。GE持续感知腔内成分，以保护其完整性免受威胁，并增强营养吸收。除了保护宿主外，GE还控制营养吸收、代谢和向其他身体组织输送营养。胃肠道(GIT)在动物能量代谢中发挥着重要作用，它利用了整个动物体内20%的氧气，并占奶牛代谢和蛋白质合成活动的30%。因此，尽管对消化道的适应是局部的，但它们可以影响整个奶牛或犊牛的系统。

在过去的5年里，对瘤胃上皮的研究得到了快速发展，特别关注的是快速可发酵碳水化合物和丁酸补充剂对瘤胃功能的调节。然而，控制GE适应的机制尚不清楚。此外，微生物和食糜代谢产物及其对后肠功能和基因表达的影响尚不清楚，需要进一步研究。利用营养物质和喂养方案调节消化道上皮功能的能力对奶业来说是非常重要的，因为这将改善奶牛和犊牛的健康和生产性能。

一、瘤胃和后肠上皮结构的差异

胃肠道腔内的内容物与淋巴和门静脉循环由两种不同的上皮分开：在瘤网胃和瓣胃中发现的复层鳞状上皮(SSE)和皱胃、小肠、盲肠和大肠(又称后肠)的柱状上皮(CE)。

瘤网胃和瓣胃特殊的复层鳞状上皮

瘤网胃和瓣胃复层鳞状上皮由4个不同的具有多种功能的细胞层组成(图1A)。基底层是紧邻基板和棘层的第一细胞层。基底层和棘层细胞都含有线粒体，这些线粒体有助于瘤胃复层鳞状上皮的代谢特性，包括将短链脂肪酸代谢为酮体。与棘层相邻的是颗粒层，其特征是紧密连接、粘附连接和桥粒，它们增加了上皮的机械强度。角质层与瘤胃和瘤体内容物直接接触，由死亡的角质化细胞组成。角质层作为瘤胃内容物和下层生活层之间的保护性屏障，最终被脱落到瘤胃环境中。壁外微生物在角质层表面定植，但不渗透到颗粒层。

后肠的结构功能与瘤网胃和瓣胃有显著的不同。

1）后肠是一个简单的柱状上皮，而不是多层的复层鳞状上皮(图1B)。后肠的细胞包括吸收上皮细胞、粘液分泌细胞(杯状细胞)、免疫细胞(派尔结、潘氏细胞、树突状细胞和淋巴细胞)和肠内分泌细胞(图2)，这些特化细胞分别执行必要的代谢功能；比如向腔内分泌保护性物质(如粘液、抗菌肽)，向腔内分泌酶，促进营养吸收，分泌激素[如肽YY、胰高血糖素样肽(GLP)-1、GLP-2]。

2）后肠中特殊细胞类型、微生物多样性和密度的相对比例发生了显著变化，而瘤胃中复层鳞状上皮和腔内微生物群的细胞数量更为稳定。例如，回肠的免疫细胞丰富，而十二指肠和结肠的粘液细胞相当丰富。此外，瘤网胃和瓣胃复层鳞状上皮不是粘膜，而整个后肠由宽泛黏附和牢固黏附的粘液层组成，这些黏附层是后肠内容物和上皮细胞之间的中间体。

3）黏液层主要由粘蛋白网络(由杯状细胞产生的MUC2)和其他由杯状细胞、潘氏细胞和吸收性肠细胞产生的宿主防御分子组成。细菌可在更外层松散的粘附性黏液层被发现，在极少数情况下，可以在高粘性的的黏液层被发现，这里通常含有IgA。这使得微生物群和宿主之间有了一层额外的保护。在单胃型动物中，粘液层在十二指肠最薄，结肠最厚，这里的微生物种群密度和多样性最高。Tips：关于反刍动物的肠道黏液层特征的描述远不及单位动物，还需要更多的关注，以正确地研究屏障功能和上皮粘附微生物。

4）与复层鳞状上皮相似，柱状上皮细胞由紧密连接、贴壁连接和桥粒连接。粘膜下层位于粘膜的下层，包括动脉和小静脉，以及树突状细胞和淋巴细胞等免疫细胞。黏膜下层的结构因后肠的不同而不同。例如，布氏腺或粘液坑排列在十二指肠，派尔结排列在回肠，而派尔结在免疫功能中起着重要作用，这进一步增加了瘤胃和后肠的不同(图2)。

第二部分：影响胃肠道上皮细胞功能的关键阶段—断奶前

二、影响胃肠道上皮细胞功能的关键阶段

奶牛养殖过程中的几个关键阶段和应激会影响胃肠道上皮功能和经济盈利能力，主要包括断奶前、断奶期、快速发酵日粮过渡期和热应激期。在所有生产阶段和环境应激中，与胃肠道上皮功能受损相关的一个共同因素是低采食量。最近的研究表明，仅低采食量就会损害胃肠道上皮屏障功能。最近的综述文献阐明了热应激对代谢和能量代谢的影响，故目前的论文排除了热应激对胃肠道上皮功能的影响。

1、 断奶前

在农场的牛中，断奶前的小牛是最易患胃肠道上皮功能障碍的群体，它们患有消化系统紊乱和疾病，发病率和死亡率分别超过50%和10%(美国农业部，2007年)。最近在加拿大和美国进行的一项调查确定，23%的奶牛犊牛在断奶前阶段均使用抗生素治疗腹泻。犊牛健康最近被证明会影响寿命，因为众所周知，在断奶前接受抗生素治疗的犊牛会造成未来产奶量的减少。建立稳定的共生菌群，促进胃肠道上皮的发展，可能有助于预防胃肠道感染，改善整体肠道屏障功能，从而提高效率、食品安全和动物健康。

早期学者认为，消化道被认为在出生前没有活的微生物。然而，这一事实目前正因在单胃动物上的研究而受到质疑。研究显示，在母婴一体的脐带血、羊水、胎粪、胎盘和胎膜中检测并分离出了来自母婴消化道的细菌，但没有出现任何临床的感染或炎症。研究推测可能是派尔结中的母体树突状细胞在细菌被胎盘和乳汁吸收并随后转移给胎儿的过程中发挥作用。如果是这样，母体营养和胃肠道微生物群将不仅是决定肠道结构的重要因素，而且也是决定后代肠道微生物群的重要因素。有充分的人类研究证据表明，与母亲的肠道微生物的接触和交换是新生儿健康和发育的重要组成部分。这种微生物群的交换可能是建立平衡微生物群的必要条件，这需要在今后的研究中予以更多的关注。

出生后，犊牛及时摄入初乳，并刺激食道沟将初乳和牛奶分流到真胃而不是瘤胃，从而创造必要的酸性环境，促进后肠的消化和吸收。在犊牛出生后的前几个小时，大分子在肠道从腔内吸收到血液是可渗透的，如IgG。随着年龄的增长，肠道对初乳免疫球蛋白的渗透作用的终止或关闭，并且在产后12小时后逐渐降低。在出生后立即饲喂初乳会导致吸收功能加速停止，但喂养初乳的数量对封闭无影响。据推测，特定的某种乳酸菌可能是控制犊牛肠上皮细胞连接的因素之一，但肠道关闭的精确机制仍不清楚。

初乳中的生物活性成分可能在建立微生物群平衡和促进肠细胞生长中发挥着关键作用。过去30年来，初乳研究的重点一直是IgG在初乳中的被动转移，很少关注其他可能影响肠道菌群和生长的生物活性。初乳和牛奶常被认为是完整的益生元，因为它们含有大量的生物活性蛋白质、碳水化合物和脂肪酸。特别是初乳中含有大量的生长因子，包括IGF-I、IGF-II、胰岛素和表皮生长因子，这些都直接影响肠道生长信号通路。例如，在牛奶中添加IGF-1或增加初乳喂养时间可增加犊牛小肠上皮细胞的增殖。关于初乳中潜在的益生元特性，一项巴氏杀菌和新鲜初乳的比较研究发现，在犊牛出生后的前12和24小时，巴氏杀菌初乳在回肠和结肠中保持了较高的双歧杆菌水平，而大肠杆菌水平较低。巴氏杀菌的初乳不含有活的双歧杆菌，这使得作者推测，由于热处理的结果，初乳中的寡糖发生了化学变化，这些寡糖可以促进双歧杆菌的生长。总的来说，这项研究支持了这样一个观点，即初乳中的生物活性成分在建立微生物群平衡和在生命的第一天和几周内的肠道生长中发挥着关键作用，目前还没有明确描述。

有研究表明，许多miRNA靶向基因参与了犊牛早期生命的免疫功能调节和肠道发育。Liang等人(2014)在整个小肠中发现了区域特异性miRNA，其表达模式在生命的前6周发生了变化，尤其在生命的第1周表达最为多样化。作者还观察了miRNA表达与有益菌丰度之间的关系，即乳酸菌和双歧杆菌，文章表明miRNA在宿主和胃肠道微生物群之间相互交流的具有潜在作用。

最近，肠道屏障功能和奶牛生长的内分泌控制重新引起了人们的兴趣，大部分研究都是在断奶前的犊牛中进行的。在肠道产生的众多激素中，胰高血糖素样肽（GLP-2）在过去的5年中受到了相当多的关注。GLP-2激素是由肠内分泌L细胞和中枢神经系统的各种神经元产生的。肠道GLP-2与GLP-1在营养摄入时共同分泌，是肠道生长的刺激因子。用GLP-2治疗从啮齿动物肠道分离的初级粘膜下神经元增加了多种生长因子的表达，包括IGF-1。最近，两项涉及犊牛的研究报告称，在牛艾美耳亚感染期间，皮下注射GLP-2可减少氧化组织损伤，改善后肠上皮完整性，并增加小肠紧密连接蛋白的mRNA和蛋白表达。在Górka等人(2009,2011)的研究中，在牛奶代谢物中添加保护性丁酸，血液中GLP-2和IGF-1水平升高，这与肠和瘤胃的增殖和生长水平升高有关。所有这些发现都表明，需要进行更有针对性的研究，以确定哪些微生物群、营养物质和喂养策略可以刺激GLP-2和IGF-1的产生，从而改善整个消化道健康。

第三部分：影响胃肠道上皮细胞功能的关键阶段—断奶期

2、 断奶期

也许反刍动物生命中最显著的胃肠道转变之一就是从单食动物向反刍动物的转变。传统上，奶牛犊牛在1到3个月大的时候就被断奶了。在许多情况下，GIT没有为早期断奶做好准备，特别是当作为促进瘤胃发育的刺激因素而喂养的高水平牛奶减少时。随着行业逐渐转向喂养高水平的牛奶，寻找促进胃肠道上皮发展的最佳断奶策略变得越来越重要，因为需要最大限度地提高断奶前的干饲料采食量，以降低断奶期间生长速度下降和疾病的风险。

在断奶期间，犊牛必须从主要在真胃和小肠消化的以牛奶为主的饲粮过渡到以固体采食量和瘤胃发酵为主的饲粮。因此，断奶不仅改变了消化和吸收的部位，而且还改变了可供吸收和吸收后代谢的营养物质。断奶仅发生在出生后几个月，其标志是瘤胃容量从整个消化道的30%增加到70%。为了增加瘤胃发酵产品的吸收表面积用于吸收SCFA，以满足增长需求，因此增加内腔的空间非常必要。早期断奶在生理和代谢上的巨大变化与自然断奶形成鲜明对比，自然断奶需要较长时间，犊牛喂养直至大约10个月大。在断奶前喂养更多的牛奶，以加速生长和提高潜在的终身产量。为了促进体重的增加，母乳喂养量也需要增加，同时需要加速瘤胃和肠道适应，包括复层鳞状上皮和柱状上皮的微生物、结构和功能变化。

固体饲料的消耗促进了瘤胃结构的发育。然而，微生物适应性从出生时就开始了。如前所述，犊牛瘤胃的接种从出生时开始有几个来源：阴道管、粪便、初乳、皮肤和唾液。细菌出现在生命的第一天，特别是那些有氧或兼性厌氧相关分类群。例如，变形杆菌和链球菌相关序列在1-3天大的犊牛中大量出现。在严格厌氧微生物种群之前，这些迅速定殖细菌在生物区形成中发挥重要作用。细菌多样性和物种丰富度随着年龄的增长而增加，在2-3周龄的犊牛中鉴定出45-47个属，属于13-15个门。在初始定殖阶段和成熟动物中发现的细菌群落中，似乎有一些属是共享的，这表明在生命初期细菌群落的建立可能会在生命后期留下微生物群落的印记。

在出生的一周后，即使瘤胃还没有发挥功能，也没有摄入复杂的多糖，纤维素分解菌和真菌也会增加。宏基因组学研究表明，瘤胃中存在大量多糖水解酶微生物基因，表明在生命早期植物碳水化合物代谢具有显著潜力。在幼龄反刍动物中，古细菌产甲烷菌的建立与纤维素降解菌的建立同时发生，甲烷短杆菌被发现为优势属。瘤胃壁外细菌的定植也与年龄有关。在幼龄山羊中，Jiao等人(2015)注意到在出生当天，变形菌门的测量值远远超过其他门(90.13%)，其中大部分属于埃希氏杆菌属。这一微生物群可能来自母亲的阴道、皮肤、初乳或环境，并可能在清除毛细血管网中扩散的氧气，从而创造适合建立厌氧菌群的生态条件方面具有特别重要的作用。纤毛虫原生动物是瘤胃中最后建立的群落。它们在2-3周龄时被检测到，内毛虫最先出现。利用培养方法的研究表明，瘤胃微生物生态系统在生存2个月后稳定；然而，在使用16S rRNA基因测序方法的研究中，在6个月前未检测到成熟的细菌排列，而拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门是优势门。

虽然近年来瘤胃发育和微生物定植已经引起了人们的广泛关注，但对瘤胃形态和生理的基本认识仍然缺乏。瘤胃组织形成在胎儿期早期开始，根据反刍动物种类的不同，在妊娠30-35天左右开始，50d后瘤胃上皮开始分层，这与瘤胃柱和瘤胃乳头的出现一致。已有研究表明，通过限制乳汁取食来促进固体采食量会增加瘤胃的大小和瘤胃乳头的数量。大多数研究报道了瘤胃乳头的高度和宽度作为瘤胃上皮生长的评估指标。最近使用微计算机断层摄影方法发现，瘤胃乳头高度和宽度的增加并不一定会导致表面积的增加，因为还必须考虑乳头密度。

在短链脂肪酸中，丁酸已被报道为体内瘤胃上皮增殖的强效刺激物，在后肠中也是如此。然而，这种刺激发育背后的分子机制尚不清楚，可能通过与核蛋白受体的DNA转录因子家族结合，激活相关基因的表达，来参与对胃肠道上皮细胞分化和发育的调控。在一项犊牛断奶研究中，验证并确定过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)α和(PPAR)δ是激活的转录因子，与向快速发酵饲粮过度期的奶牛瘤胃上皮中也发现了同样的结果，切具有响应性。

如前所述，miRNA可能在断奶前和断奶期间的基因表达中发挥作用。Liang等人的研究发现，miR-205在瘤胃中高表达，占所有miRNA序列的60%，，并在生命早期作为细胞增殖和瘤胃复层鳞状上皮发展的潜在调控因子。而且miRNA-129的表达与瘤胃细菌总数之间的关联，可能会影响瘤胃细菌种群。

固体采食量的增加不仅影响瘤胃上皮结构的发育和微生物菌群的变化，同时也影响后肠的屏障功能。胃肠道屏障功能包括分泌过程(如碱性磷酸酶、分泌IgG、防御素)、先天免疫反应和消化道的通透性。Malmuthuge等人报道，断奶时联合饲喂开食料与代乳剂可增加toll样受体(TLR-3、TLR-4、TLR-5)和β-防御素的mRNA表达，并显著增加TLR-6和肽聚糖识别蛋白1 (PGRP-1)。这些数据表明，固体饲料过度对断奶期犊牛的先天免疫反应有一些作用，并对微生物相关分子模式和微生物群控制有一些调节作用。

许多研究表明，早期断奶会导致犊牛胃肠道不同区域的屏障功能受到破坏。Wood等人研究指出，早期断奶会增加瘤胃、十二指肠和空肠的屏障功能受损风险，而Malmuthuge等人认为空肠、回肠和盲肠的屏障功能受到损害。对婴儿和仔猪的研究也清楚地记录了断奶期间肠道的炎症和形态变化，同样的情况也会发生在反刍动物身上。在断奶期间，犊牛可能会出现短暂的后肠酸中毒，因为它们在断奶期间显示出粪便淀粉水平升高，炎症标志物也有所增加。

第四部分：影响胃肠道上皮细胞功能的关键阶段—快速发酵日粮的过渡期、未来的研究方向、结论

3、 快速发酵日粮的过渡期

为了满足高产奶牛对净能量和代谢蛋白质的需求，需要使用高发酵性饲粮。突然过渡到一个高度可发酵的日粮，导致通过瘤胃发酵产生短链脂肪酸的速度超过了瘤胃缓冲、转移，特别是吸收的速度，使每天pH低于5.6的时间延长，增加了亚急性瘤胃酸中毒风险。从低能量饲粮到高水平可发酵饲粮的过渡，例如从干奶期到泌乳期的过渡，使奶牛牛更易发生SARA。据估计，20%的泌乳奶牛发生SARA，并在泌乳早期最为普遍。该疾病与摄食量降低、产量降低、乳脂和乳脂产量降低以及最近的全动物炎症有关。因此，在奶牛处于SARA风险时，减少屏障功能障碍和增加生长能有效减少机体炎症，改善奶牛的能量平衡。Nagaraja等人在综述中总结了快速发酵饲料过渡期间瘤胃微生物群和瘤胃上皮的适应性。本部分的综述的结果与最近有关的后肠的文献和新的数据有密切关系。

最新的研究显示，磷酸脂多糖(LPS)可能是引起动物全身炎症的主要原因。LPS是一种众所周知的内毒素，也是免疫系统的有效刺激物。在SARA期间，紧密连接基因被下调，瘤胃上皮厚度减少，复层鳞状上皮病变增加，导致瘤胃壁通透性增加，可能导致LPS在瘤胃复层鳞状上皮转移，继而引起炎症反应。然而，与单层的肠道结构相比，瘤胃结构更具有不可通透性；因此，LPS和细菌更不容易穿透瘤胃壁。根据通透性测量，十二指肠可能是一个细胞旁通透性特别高的区域。此时，大量LPS可能通过后肠道上皮进入淋巴和血液循环系统引起机体的炎症反应和免疫反应。此外，其他潜在的微生物产物也可以诱导炎症反应，如脂磷壁酸、鞭毛蛋白、组胺和其他微生物片段。值得注意的是，炎症指标急性期蛋白(血清淀粉样蛋白A和触珠蛋白)仅在高谷物日粮中血液中升高，同时奶牛粪便和食糜中淀粉含量和LPS水平同时升高，这一结果更加证实了LPS是引起机体炎症的主要因素。然而，还需要进一步的探索来确定在这种快速转向富含快速发酵碳水化合物的日粮的过程中，降低肠道屏障功能的破坏程度。

尽管在泌乳前或泌乳早期，可以通过刺激胃肠道生长来改善能量平衡和胃肠道功能，但上皮生长的延迟限制了胃肠道的吸收能力。奶牛进入泌乳期，瘤胃质量增加了55%，小肠质量增加了38%，增加胃肠道表面积会增加短链脂肪酸的吸收量，从而提高瘤胃pH，降低瘤胃酸中毒的发生率。但肠道表面积增加也需要消耗能量，而瘤胃生长的延迟则限制了瘤胃的吸收能力，从而降低了总能量平衡。有趣的是，人们认为在泌乳前喂养特定营养素，如保护瘤胃的丁酸盐，可以促进瘤胃生长，使奶牛的瘤胃为泌乳做准备。瘤胃复层鳞状上皮在日粮过渡期间的转录组研究表明，在干奶期和泌乳期的第一周，IGF-1,生长激素(GH)、表皮生长因子(EGF)和TGFβ1与控制细胞分化和发展有关。因此，了解哪些改善胃肠道上皮功能的途径，可以为如何在泌乳早期刺激胃肠道上皮生长，改善能量负平衡提供思路。

未来的研究防方向

近年来，对犊牛和奶牛胃肠道发育和功能障碍时期的胃肠道上皮微生物组和转录组的研究取得了重大进展。特别是当与新的高通量分子基础研究相关时，这种与消化道功能相关的广泛而复杂的测量将提高知识的广度，我们可以最大限度地利用数据来改善喂养方案，有利于胃肠道上皮功能，提高生产成绩。

未来研究的关键机制包括对胃肠道上皮屏障功能和增殖的调控。在反刍动物中，我们正处于表征屏障功能及其调控的初级阶段。主要是通过研究在反刍动物发育和饲喂高淀粉饲料过程中紧密连接基因的mRNA和蛋白表达，来研究了屏障功能。医学研究中已经出现了数百种影响紧密连接信号的机制，这些机制来自微生物群、腔内微生物群和内毒素，以及代谢物，但这些领域在奶牛和犊牛中仍未明确定义。需要立即注意的研究领域是后肠的黏液层，因为它仍然是一个完全未探索的领域。粘液层的重要性不应被忽视，因为它们已被证明在保护和调节柱状上皮与消化道之间的微生物群方面发挥着关键作用。

另一方面，促进胃肠道上皮活力的增加有助于提高日粮的摄入量，能有效支撑机体能量的消耗，其中生长刺激剂和抑制剂也是调节吸收效率的不错选择。在改变消化道的途径中，包括IGF和生长激素的促生长轴被认为在胃肠道上皮增殖中发挥作用。像GLP-2这样的多效性胃激素引起了人们的极大兴趣，因为它们对屏障功能的作用已经被很好地描述并显示能增加血流量。如果上皮细胞增殖增加表面积，同时血流量增加，则可使腔内营养素摄取量最大化。确定具有多效作用的刺激胃激素的特定营养物质或喂养方案，如GLP-2，可能对奶牛和犊牛的健康和生产有显著的好处，应该是一个持续关注的领域。

结论

在奶牛的研究和养殖业中，人们重新燃起了对胃肠道上皮的兴趣，这导致了营养添加剂(如短链脂肪酸、益生菌、益生元)的广泛应用。消化道健康这个术语已经成为奶牛营养学中的一个流行词，然而它的定义很宽泛，但是也是科学的，所以仔细考虑一种特定的营养物质或喂养策略对消化道健康的促进作用是很重要的。无论如何，了解和改进与胃肠道上皮疾病相关的应用在断奶前犊牛、断奶期间以及向快速发酵饲料过渡期间都具有巨大的潜力。结合体内胃肠功能测量与高通量分子数据将使这一新兴领域的快速进展。