当前位置:首页 期刊杂志

霉菌毒素对肠道黏膜屏障功能影响的研究进展

时间:2024-05-23

张 曼,霍 军,王 军,张利卫,彭永帅,李月勤,宋予震,金 鑫

(1.河南牧业经济学院动物医药学院,河南郑州 450046;2.河南农业大学动物医学院,河南郑州 450046)

肠道是调节营养和水分摄入并排除潜在病原体和有毒物质的第一个物理屏障。研究显示,肠黏膜上皮细胞层对于维持物理、化学和免疫学屏障功能至关重要,其可以阻止病原体、毒素和外源抗原等有害物质的进入(Constantinescu 等,2016),并且其结构中的黏附连接(AJs)和桥粒主要负责相邻细胞的物理连接,而紧密连接(TJ)能够控制细胞的间隙并选择性的调节细胞旁离子溶质运输。此外,研究还发现位于肠上皮细胞上方的肠道菌群能够代谢各种饮食底物,并有助于发酵无法通过近端消化吸收的杂多糖(Jandhyala 等,2015)。另外,肠黏膜上皮细胞还可以通过多种防御机制保护宿主免受感染。因此,一旦畜禽肠黏膜屏障功能失调,不仅会引起肠道炎症,而且会大大增加黏膜下层与外源性化学物质和病原体的接触机会。

霉菌毒素是由丝状真菌或霉菌在谷物的生长、收获、储存和加工过程中产生的次级代谢产物,其主要包括脱氧雪腐烯醇(DON)、黄曲霉毒素B1(AFB1)、玉米赤霉烯酮(ZEA)、曲霉毒素A(OTA)、T-2 毒素和伏马菌素B(FBs)。这些代谢物是动物饮食中常见的天然生物污染物,它们广泛存在于饲料原料和畜禽饲料中。而肠道是霉菌毒素攻击的首要靶标,畜禽一旦摄入被污染的食物或饲料后不仅会改变肠上皮的形态和结构,降低跨上皮电阻(TEER)和减少紧密连接蛋白的表达,其还会降低黏蛋白的表达并改变肠道菌群的丰度和结构(Huang 等,2019;Gao 等,2017)。更令人担忧的是,在人体血液或母乳样品中也检测出霉菌毒素的污染(Yang 等,2020),提示霉菌毒素有通过动物性食品向人群传播的可能,严重威胁公共卫生安全。因此,本文主要针对霉菌毒素对肠道黏膜物理、化学、免疫和生物学屏障功能的影响进行了总结,旨在为该领域的进一步研究提供理论依据。

1 霉菌毒素对肠黏膜物理屏障功能的影响

肠黏膜物理屏障主要由肠上皮细胞和紧密连接蛋白组成,该屏障功能不仅是保护肠道免受病原体或有害物质侵袭肠道黏膜的关键,而且还为保持肠道上皮的选择渗透性奠定了结构基础。肠上皮细胞具有快速增殖和再生能力,可维持肠黏膜物理屏障功能。研究表明,霉菌毒素可通过破坏肠上皮的形态和组织完整性来破坏肠黏膜的物理屏障功能。例如,用DON 处理离体培养的猪空肠组织将会导致肠绒毛变短、肠细胞裂解和水肿(Silva 等,2014)。此外,用AFB1饲喂鸡后发现,肠绒毛顶端坏死、绒毛萎缩、线粒体空泡化和消失,以及杯状细胞数量明显减少(Wang 等,2018)。

紧密连接在上皮细胞的附着,在维持上皮细胞结构和生物学功能中起重要作用,其中TEER、肠黏膜通透性和紧密连接蛋白的表达是反映细胞间紧密连接程度的重要指标。研究发现,DON 可降低猪回肠中Claudin、Occludin 和波形蛋白的基因表达(Lessard 等,2015)。Diesing 等(2011)研究发 现,将2000 ng/mL DON 作用于IPEC-1 和IPEC-J2 后,紧密连接蛋白ZO-1 的表达下降,并且肠物理屏障的完整性也遭到破坏。此外,体外Caco-2 细胞试验表明,真菌毒素AFB1、FB1、OTA和T2 不仅能够降低TEER 值,同时还能够降低Claudin-3、Claudin-4 和Occludin 的表达水平(Barbara 等,2018)。

霉菌毒素损伤肠道细胞的主要机制是氧化损伤和DNA 损伤。Taranu 等(2015)用10 mol/L 的ZEA 处理猪IPEC-1 后进行转录组分析,结果发现,在此浓度下细胞的存活率不受影响,但ZEA可以促进活性氧的产生和破坏DNA 的结构,从而引起细胞氧化损伤,而霉菌毒素对细胞DNA 的破坏可通过添加抗氧化剂来抑制。此外,将ZEA 应用于未分化的Caco-2 细胞后发现,ZEA 以剂量依赖性方式引起DNA 片段化和抑制DNA 加合物的形成,并产生梯状DNA 图案。另外,研究者还发现,若向Caco-2 细胞中添加维生素E 可以缩短细胞周期,减少DNA 片段的产生并修复DNA 损伤(Salwa 等,2003),而维生素E 修复细胞中DNA损伤的作用主要是利用其抗氧化活性,这就表明氧化物与DNA 损伤紧密相关。

2 霉菌毒素对肠道化学屏障功能的影响

肠道化学屏障主要由胃酸、胆汁、各种消化酶、溶菌酶、黏多糖和胃肠道分泌的其他化学物质以及肠道寄生虫产生的抑菌物质组成,能够有效抑制有害物质,防御不利因素对肠道黏膜的损伤。而肠道上的分泌细胞如杯状细胞能够将高度糖基化的黏蛋白分泌到肠腔中,这些黏蛋白在外来污染物进入肠道黏膜屏障的深层组织中发挥着重要作用,形成抵抗微生物入侵的第一道防线。

霉菌毒素可引起鸡肠黏蛋白单糖组成的变化,进而影响黏蛋白的功能。Antonissen 等(2015)研究发现,FB 和DON 能够改变肉鸡十二指肠黏蛋白中单糖的比例,影响十二指肠黏液层的功能,即使是在低浓度下,霉菌毒素也能引起蛋鸡肠道黏膜单糖组成的变化,这些变化可能有助于增强肠道对霉菌毒素的抵抗力。此外,Wan 等(2016)研究发现,DON 和ZEA 的混合毒素增加了杯状特异性蛋白MUC2 的mRNA 表达水平,而单独或组合使用真菌毒素DON、ZEA、NIV 和FB1可显著改变MUC5AC 和MUC5B 的mRNA 和蛋白表达水平。这表明至少某些转录或翻译后的调控机制与霉菌毒素诱导的黏蛋白分子合成和分泌密切相关。

哺乳动物通过肠道上皮细胞分泌抗菌肽增强其屏障功能。研究表明,霉菌毒素能够上调猪防御素-1(pBD-1)和pBD-2 的mRNA 表达(Wan 等,2013)。Han 等(2015)进行的一项体外研究发现,pBD2 可增加Caco-2 细胞中黏蛋白的mRNA 表达。因此,推测当真菌毒素对肠道造成损害时,肠道通过上调抗菌肽的分泌而增加黏蛋白的表达,从而增强肠道黏膜的化学屏障功能。此外,研究还发现,在饲料中添加复合抗菌肽或抗菌肽CWA可以改善受损的肠上皮细胞的自我修复能力和肠黏膜的屏障功能,促进肠道上皮细胞增殖和蛋白质合成(易宏波,2016),说明在饲料中添加抗菌肽可以拮抗霉菌毒素的毒性。

3 霉菌毒素对肠道黏膜免疫屏障功能的影响

免疫屏障主要由肠道免疫系统细胞组成,包括源自肠道相关淋巴组织和已扩散的免疫细胞。前者主要是指分布在肠道中的聚集性淋巴结节,是免疫应答的诱导和激活位点,而后者主要是肠黏膜免疫的发生部位。Gerez 等(2015)发现,DON可诱导仔猪肠系膜淋巴结细胞凋亡,刺激免疫细胞分泌细胞因子,引起肠道免疫应答和炎症反应。此外,He 等(2014)研究发现,AFB1可显著降低雄性肉鸡回肠黏膜中sIgA、IgA、IgG 和IgM 的含量。sIgA 是胃肠道和黏膜表面的主要体液免疫成分和效应分子,并且是抵抗肠黏膜黏附和定居的第一道防线,其含量的降低,可导致肠道黏膜免疫反应的缺失,从而损伤肠道黏膜免疫屏障。

IL-1、IL-6、IL-8、IL-10、TNF-α 和IFN-γ 等是免疫细胞分泌的细胞因子,是调节免疫和炎症反应的重要介体。研究显示,DON 能够增加促炎因子IL-8、IL-1a、IL-1b 和TNF-a 的分泌,导致肠道的通透性增加,使肠道中的某些因子更容易通过肠进入血液(Cano 等,2013)。此外,用不同浓度的DON 刺激IPEC-J2 细胞后同样发现,DON 可增加与炎症和细胞凋亡相关基因IL-1β、环氧合酶-2(COX-2)、IL-6、TNF-α、caspase-3、caspase-8和caspase-9 的表达(Kang 等,2019)。这些研究表明霉菌毒素进入肠道内可破坏肠道免疫屏障,从而导致细胞凋亡。

4 霉菌毒素对肠道黏膜生物屏障功能的影响

肠道中的生物屏障由共同居住在肠道内腔或定居在肠道黏膜表面的肠道菌群形成。在正常条件下,肠道黏膜表面会生长大量厌氧细菌,这些厌氧菌通过黏附与肠上皮紧密结合,形成可抵抗和排斥外源病原体入侵的膜屏障。如果肠道厌氧菌数量减少,肠道菌群平衡受到破坏,外源病原菌就会黏附于肠道黏膜,导致腹泻和肠炎等一系列肠道疾病。

研究表明,动物的微生物群与摄入的霉菌毒素之间具有密切相互作用。Wang 等(2015)研究结果表明,AFB1可以剂量依赖的方式诱导微生物群落组成的变化,从而显著改变肠道菌群的组成。Guo 等(2014)使用宏基因组学和基于培养的方法研究了OTA 对肠道菌群的影响。结果发现,OTA能够降低肠道菌群的多样性,并且乳酸菌的相对丰度明显提高。Piotrowska 等(2014)研究ZEA 对肠道菌群的影响,结果发现使用ZEA 后,肠道内的产气荚膜梭状芽孢杆菌、肠杆菌科和大肠杆菌的浓度显著降低。至于DON 对肠道微生物的影响,研究发现DON 可减少肠道微生物种类,降低Alpha 和Beta 多样性,导致微生物菌群失衡(杨俊花等,2017),并且会重塑肠道微生物结构并完全破坏几个细菌门、科和属的丰度,从而导致生态平衡失衡(Lucke 等,2018)。此外,刘锦芳等(2019)研究还发现,DON 与AFB1单一及联合染毒均可改变肠道内菌群的丰度,降低有益菌丰度,升高有害菌丰度,并且DON 和AFB1表现出明显的互作性,具有协同效应。总之,霉菌毒素对肠道生物屏障的损伤主要体现在破坏肠道正常菌群结构,造成肠道有益菌减少,致病菌增多。

5 总结

肠道是机体抵抗体外污染物入侵的第一道屏障。肠道与高浓度的霉菌毒素污染物接触可能会损害肠黏膜。如果肠壁屏障的四个相互连接的组件(即物理、化学、免疫或生物屏障)中的任何一个遭到破坏,则可能会导致肠炎和癌症等疾病的发生。因此,控制日粮中霉菌毒素的含量十分有必要,但这可能要通过在生产过程中对饲料进行排毒来实现。迄今为止,关于物理、化学和免疫屏障的报道比对生物屏障的报道要多,这可能是由于试验技术的困难,因为肠道微生物群落的组成在很大程度上会受到饮食、环境、抗生素的使用和遗传背景等各种因素的影响。在未来的研究中,我们将寻求一种合适的试验系统来探索真菌毒素与肠道生物屏障之间的相互作用及作用机理,为开发减少真菌毒素引起的肠道损伤的药物奠定理论基础。

免责声明

我们致力于保护作者版权,注重分享,被刊用文章因无法核实真实出处,未能及时与作者取得联系,或有版权异议的,请联系管理员,我们会立即处理! 部分文章是来自各大过期杂志,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!