肠道是动物消化吸收营养物质的器官，也是机体最大的免疫器官。肠道中聚集着丰富而又复杂的微生物群落，称为微生物群[1]。肠道微生物群与宿主免疫系统之间并非孤立存在，而是相互作用共同维持动物肠道的稳态。没有任何微生物定植的无菌小鼠不具备健全的免疫系统[2]。反之，免疫系统也会影响肠道微生物群的组成和功能，宿主先天免疫功能缺失会导致肠道微生物群的紊乱[3]。肠道微生物群与宿主免疫系统之间的相互作用可通过各种介质实现，肠道微生物代谢产物是其中一类非常重要的调节剂[3]。肠道微生物的代谢产物种类丰富，包括短链脂肪酸（SCFAs）、色氨酸代谢产物、维生素和胆汁酸等。SCFAs可通过结合G蛋白偶联受体（GPCRs）和抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs）的活性调节肠道免疫功能；色氨酸代谢产物可通过活化芳香烃受体（AhR）增强机体的免疫功能和调控细胞增殖等[4]。因此，肠道微生物代谢产物在微生物群和免疫系统相互作用方面具有重要地位。本文主要对肠道微生物代谢产物的合成及其介导肠道免疫的机制进行综述，以期为肠道微生物代谢产物的功能性研究及其在动物生产中的应用提供参考。1肠道微生物及其代谢产物1.1肠道微生物的分布肠道中的优势菌群主要包括拟杆菌门、厚壁菌门、放线杆菌门和变性菌门[5]。由于不同肠段内环境不同，其微生物数量与组成也存在差异。小肠具有酸性强、氧气和抗菌物质含量较高的特点，是快速生长的兼性厌氧菌定植的主要场所，乳杆菌科和肠杆菌科的成员可耐受胆汁酸和抗菌物质的联合作用，同时仍能够有效地与宿主和其他细菌竞争获得简单的碳水化合物[6-7]。盲肠和结肠具有肠段蠕动速度缓慢、抗菌物质少和弱碱性等特点，是微生物主要的定植场所，其中优势菌群有拟杆菌科、普雷沃氏菌科、毛螺菌科和瘤胃球菌科等[8]。1.2肠道微生物产生的代谢产物肠道菌群在动物肠道内进行复杂活跃的代谢活动，不仅为自身提供了生长和繁殖所需的能量和营养，也产生了大量代谢产物进入动物体内[9]。肠道菌群的代谢产物主要来自动物体无法或没有来得及消化的食物以及肠道上皮细胞分泌的内源性黏液，经过肠道菌群作用后产生许多对动物有害或有益的代谢产物，如SCFAs、色氨酸代谢产物、次级胆汁酸以及维生素等[10-11]。2SCFAs对肠道免疫的影响2.1SCFAs的来源与合成SCFAs是指含有短脂肪链（少于6个碳）的游离脂肪酸，也称挥发性脂肪酸。SCFAs主要是由特定的肠道微生物群发酵膳食纤维和抗性淀粉产生，包括乙酸、丙酸、丁酸等及其盐类[1]。肠道内产生SCFAs的细菌种类各异，包括梭状芽孢杆菌菌、双歧杆菌、链球菌和乳酸杆菌等。乙酸是肠道中含量最多的SCFAs，主要是经乙酰CoA或Wood-Ljungdahl途径代谢丙酮酸产生，参与肌肉、脾脏、心脏和脑内的代谢[12]。丙酸可以由琥珀酸通过琥珀酸途径产生，也可以丙烯酸为底物、乳酸盐为前驱体，通过丙烯酸酯途径和丙二醇途径合成[13]。丁酸首先是由两分子的乙酰CoA缩合还原成丁酰CoA，接着丁酰CoA通过经典途径转化为丁酸，或以乙酸为底物通过乙酰CoA转移酶转化为丁酸。此外，肠道微生物的中间产物如支链氨基酸和乙醇也可代谢产生SCFAs[14]。肠道微生物代谢产物SCFAs的合成途经见表1[13,15-22]。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.23.032.T001表1肠道微生物代谢产物SCFAs的合成项目途径微生物文献来源乙酸从丙酮酸到乙酰CoA嗜黏蛋白阿克曼菌、拟杆菌属、双歧杆菌属、普雷沃氏菌属、瘤胃球菌属Louis等[13]、Xiao等[15]、Jiao等[16]Wood-Ljungdahl途径氢养布劳特氏菌、梭状芽孢杆属、链球菌属、放线菌门丙酸琥珀酸途径拟杆菌属、罗氏菌属、厚壁菌门、瘤胃球菌属、炭疽菌属、梭状芽孢杆菌、真细菌、粪球菌属、戴阿利斯特杆菌属、考拉杆菌属、嗜黏蛋白阿克曼菌、韦荣氏球菌属Louis等[13]、Yang等[17]、Benito-Vaquerizo等[18]、Shon等[19]丙烯酸酯途径梭状芽孢杆菌、灵巧粪球菌、埃氏巨型球菌丙二醇罗氏菌属、瘤胃球菌属、霍氏真杆菌、梭状芽孢杆菌、沙门氏菌属丁酸丁酰辅酶A：乙酸辅酶A转移酶途径肠道罗斯拜瑞氏菌、直肠真杆菌、罗氏菌属、梭状芽孢杆菌、粪球菌属、共生梭菌、柔嫩梭菌、厌氧菌属、霍氏真杆菌、普氏栖粪杆菌Vital等[20]、Singhal等[21]、Xu等[22]丁酸激酶途径拟杆菌属、粪球菌属肠道细菌合成SCFAs受到诸多因素的影响。第一，底物的种类及其含量，底物不同发酵产生的SCFAs种类和数量也不同。在生长育肥猪日粮中添加0.03%的低聚木糖可提高盲肠和结肠中丙酸的含量，提高结肠中丁酸含量[23]。在断奶仔猪日粮中添加0.5%异麦芽糖低聚糖可分别提高盲肠和结肠内挥发性SCFAs的总量[24]。第二，肠道中细菌的种类和数量，不同的细菌可合成不同种类的SCFAs。拟杆菌门的细菌主要分泌乙酸盐和丙酸盐，而厚壁菌门的细菌主要分泌丁酸盐[1]。第三，食糜在小肠中的转运时间。食糜在小肠中短时间的转运会使大量不被消化吸收的复杂碳水化合物进入到大肠，从而增加大肠中SCFAs的浓度[25]。2.2SCFAs调节肠道免疫功能的机制SCFAs可直接或间接作用于宿主的免疫系统，减轻局部炎症，抵御病原体入侵，维持肠道上皮细胞的完整性[26]。SCFAs主要通过以下几种机制影响宿主的免疫系统。2.2.1SCFAs激活GPCRs途径GPCRs是一种游离脂肪酸受体，广泛分布于肠黏膜上皮细胞（IECs）、免疫细胞、内分泌细胞、脂肪细胞等多种细胞中[27]。SCFAs可通过与细胞表面的GPCRs（如GPR41、GPR43和GPR109A）结合，激活调控免疫的信号通路。乙酸、丙酸和丁酸主要是激活GPR41和GPR43，丁酸主要是激活GPR109A。有研究发现，丁酸盐能够与小鼠结肠上皮细胞、巨噬细胞和树突状细胞上的GPR109A结合，引起白细胞介素-10（IL-10）的分泌，从而诱导调节性T细胞（Treg细胞）的分化[28-29]。GPR43存在于不同的组织细胞中，如脂肪细胞、IECs、免疫细胞和内分泌细胞等，其中免疫细胞中GPR43的表达最高[30]。SCFAs可通过与IECs上的GPR43结合，刺激炎症小体，从而激活白细胞介素-18（IL-18）的下游信号，参与修复和维持肠道上皮的完整性[31]。但也有研究发现，GPR43缺乏会减轻小鼠结肠炎的症状，表明SCFAs可能通过与GPR43结合在控制炎症方面发挥双重作用[32]。此外，SCFAs还能够通过激活T细胞上的GPR43，增强结肠T细胞表达转录因子Foxp3的能力，从而参与调控Treg细胞的发育和分化[33]。2.2.2SCFAs抑制HDACs途径HDACs是一类蛋白酶，能够参与修饰染色体的结构和调控基因的表达[34]。SCFAs作为HDACs的一种抑制剂，可通过抑制HDACs的活性调控T细胞的分化与功能，从而调节机体的免疫耐受[35]。丁酸作为HDACs的抑制剂可调节IECs中转化生长因子β的表达，从而诱导其分化为Treg细胞[36]。Park等[34]研究发现，SCFAs作为HDACs的抑制剂能够促进T细胞分化为效应T细胞和Treg细胞，同时增强T细胞分化所需的mTOR-S6K活性。Yang等[35]研究表明，SCFAs能够通过抑制HDACs和结合GPR41促进野生型C57BL/6J小鼠脾脏CD4+ T细胞和先天性淋巴细胞产生白细胞介素-22（IL-22）。SCFAs对HDACs的抑制作用不仅限于肠道中的免疫细胞，还能够经肠道上皮进入血液循环中，影响其他的组织和器官，导致核因子κB失活，减少促炎性细胞因子的产生[37]。Zhang等[38]研究发现，在肉鸡日粮中添加1 g/kg的丁酸钠可通过降低核因子κB的活性，分别下调血清中白细胞介素-2（IL-2）、白细胞介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子α的表达量。2.2.3SCFAs增强肠道上皮屏障功能IECs作为一种天然的免疫屏障，可隔离宿主的组织和肠道共生细菌，进而维持肠道内环境的稳态[39]。SCFAs作为IECs的主要能量来源，在维持肠道屏障方面发挥极其重要的作用。第一，可通过促进上皮细胞的增殖和分化，减少细胞的凋亡，维持肠黏膜的机械屏障。Diao等[40]研究表明，给仔猪灌服高浓度（乙酸、丙酸和丁酸浓度分别为40.08、15.41和9.78 mmol/L）的SCFAs可提高空肠中肠道发育相关基因IGF-1和GLP-2的mRNA表达水平，减少总凋亡细胞的数量达99.5%，下调促凋亡基因Bax和Caspase-3的mRNA表达水平，从而有利于其肠道的发育。第二，通过促进黏蛋白分泌润滑肠道，减少致病菌在肠黏膜上的黏附。多形拟杆菌可通过产生乙酸盐上调参与杯状细胞分化的转录因子KLF4的蛋白表达量高达91%，利于黏液的产生并减少致病菌的附着[41]。第三，通过增加肠道跨膜电阻，降低肠黏膜的通透性，增强肠道的化学屏障。有研究发现，日粮中添加1×105 CFU/g的丁酸梭菌可通过降低仔猪血清中D-乳酸含量和二胺氧化酶活性，提高空肠中紧密连接蛋白ZO-1、Occludin和Claudin-1的表达增强肠上皮细胞的屏障功能[42]。3色氨酸代谢产物对肠道免疫的影响3.1色氨酸代谢产物的来源与合成色氨酸作为动物体自身无法合成的一种必需氨基酸，食物是其摄入的主要途径。动物的肠道内除了病毒和古细菌外，大多数肠道微生物可通过不同的途径代谢色氨酸，产生多种生物活性分子，如吲哚、色胺、吲哚乙醇、吲哚丙酸、吲哚乳酸、吲哚乙酸和吲哚丙烯酸等[43]（见表2）。吲哚主要是通过色氨酸酶催化色氨酸的分解产生，这种酶由多种革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌分泌，常见的包括大肠杆菌、梭状芽孢杆菌和霍乱弧菌等[44-45]。除了代谢色氨酸产生吲哚外，这些微生物还可以产生多种吲哚衍生物，如生孢梭菌可将色氨酸转化为色胺、吲哚乳酸和吲哚-3-丙酸[46]。乳酸杆菌可通过芳香族氨基酸转氨酶和吲哚乳酸脱氢酶将色氨酸转化为吲哚乙醛和吲哚乳酸[47-48]。瘤胃球菌通过色氨酸脱氢酶将色氨酸转化为色胺[49]。双歧杆菌可代谢色氨酸产生吲哚乳酸[50]。此外，3-甲基吲哚在类杆菌和梭状芽孢杆菌中可由吲哚乙酸经脱羧反应产生[51]。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.23.032.T002表2色氨酸代谢产物的合成色氨酸代谢产物微生物文献来源吲哚拟杆菌属：多形拟杆菌、卵形拟杆菌；梭菌属：双酶梭菌、破伤风梭菌、索氏梭菌；肠球菌属Devlin等[44]、Roager等[48]、Lee等[52]3-甲基吲哚拟杆菌属：多形拟杆菌、溶纤维丁酸弧菌；梭菌属：巴氏梭菌、生孢梭菌；乳酸菌属；真杆菌属：直肠真杆菌Roager等[48]、Russell等[53]吲哚丙酸梭菌属：肉毒梭菌、耐热梭状芽孢杆菌、副产气荚膜梭菌、生孢梭菌；消化链球菌属：不解糖消化链球菌、厌氧消化链球菌Dodd等[43]、Williams等[49]吲哚乳酸拟杆菌属：多形拟杆菌、艾格拟杆菌、卵形拟杆菌、脆弱拟杆菌；双歧杆菌属：青春型双歧杆菌、分叉双歧杆菌；梭菌属：巴氏梭菌、产气荚膜梭菌、生孢梭菌；埃希氏菌属：大肠杆菌、直肠真杆菌、圆柱状真杆菌；乳杆菌属：鼠乳杆菌、罗伊氏乳杆菌Dodd等[43]、Cervantes-Barragan等[47]、Russell等[53]吲哚乙酸拟杆菌属：多形拟杆菌、埃氏拟杆菌、脆弱拟杆菌；梭菌属：巴氏梭菌、艰难梭菌、类腐败梭菌；真杆菌属：霍氏真杆菌、圆柱状真杆菌Roager等[48]、Russell等[53]吲哚丙烯酸梭菌属：生孢梭菌；消化链球菌属：厌氧消化链球菌、口炎消化链球菌Dodd等[43]、Cervantes-Barragan等[47]3.2色氨酸代谢产物调节肠道免疫功能的机制AhR是一种微生物代谢产物的传感器，可保护动物机体免受化学物质和病原菌的侵害[48]。在肠道中AhR可介导先天淋巴细胞和上皮内淋巴细胞的发育，从而发挥抗菌和抗炎的作用[54]。许多微生物源性的色氨酸代谢产物均具有激活AhR的能力。Dong等[55]通过研究小鼠的盲肠内容物发现，吲哚、2-吲哚酮、吲哚乙酸和犬尿酸等可激活AhR，从而介导一系列的免疫反应。Hou等[56]研究表明，罗伊氏乳杆菌D8的代谢产物吲哚-3-醛可通过激活AhR刺激先天淋巴细胞分泌IL-22并诱导STAT3的磷酸化，从而促进肠道上皮细胞的增殖和修复受损的肠黏膜。肠道中的色氨酸代谢产物激活AhR后会增强3型先天淋巴细胞的功能。乳酸杆菌可代谢色氨酸产生AhR配体吲哚乙酸，进而通过激活先天淋巴细胞，增强机体对致病菌的抵抗力[57]。此外，先天淋巴细胞还能够通过诱导IL-22产生，调节肠道上皮细胞中抗菌肽的释放并降低病原体的传染性。Zelante等[58]研究发现，小鼠小肠中的罗伊氏乳杆菌和约氏乳杆菌可通过产生吲哚-3-醛，引起抗菌肽的分泌，从而减轻肠道炎症。4维生素及其代谢产物对肠道免疫的影响4.1维生素及其代谢产物的来源与合成动物体内的维生素除了从饲料中获取，其中一部分由肠道中的微生物代谢合成。如维生素B1可以由脆弱拟杆菌、普雷沃氏菌和双歧杆菌等合成；维生素B2可以由植物乳杆菌、发酵乳杆菌和脆弱拟杆菌等合成；维生素B9可由双歧杆菌和长双歧杆菌等合成；维生素B12可由费氏丙酸杆菌、沙门氏菌和罗伊氏乳杆菌等合成[59]。反刍动物瘤胃也可以合成大量的维生素，如瘤胃中的瘤胃球菌属和肠道沙门氏菌可参与维生素B5的合成，长双歧杆菌和产气柯林斯菌可参与维生素B6的合成[60]。肠道微生物还能够参与维生素的代谢。有研究发现，连续饲喂1 w 6×108 CFU/mL的婴儿双歧杆菌可促进小鼠体内维生素A代谢为维A酸（RA）[61]。结核分枝杆菌和鼠伤寒沙门氏菌等病原体可以产生维生素B2的中间体，该中间体与抗原呈递细胞上的主要组织相容性复合物I类相关基因蛋白结合，导致黏膜相关不变T细胞产生细胞因子，如干扰素γ和白细胞介素-17（IL-17），有助于宿主防御病原体[59]。4.2维生素及其代谢产物调节肠道免疫功能的机制维生素A主要通过其代谢产物RA发挥各种生物学功能。健康动物肠道中的维生素A被机体吸收代谢为RA后，RA可通过转化生长因子β促进CD4+ T细胞产生Treg细胞，促进B细胞产生免疫球蛋白A[62]。研究发现，RA的缺乏会抑制小鼠小肠固有层中Th17的分化，减少IL-17、IL-21和IL-22的分泌。在小鼠疫苗接种期间，给维生素A缺乏的小鼠灌服300 μg的RA可以恢复其产生IgA的能力并增强免疫应答水平[63]。此外，RA还能够诱导先天淋巴细胞的归巢。研究表明，RA能够诱导先天淋巴细胞表达α4β7和CCR9分子，并将这些细胞归巢到肠道，促进肠相关淋巴组织中Th17/Treg细胞的平衡[64]。当机体处于炎症状态时，RA可诱导树突状细胞产生促炎性细胞因子IL-6和肿瘤坏死因子-α，从而促进效应T细胞的分化和保护肠道黏膜屏障功能[65]。同样，其他维生素及其代谢产物也会影响机体的肠道免疫反应。维生素D可影响肠道免疫系统和黏膜屏障功能，在大多数情况下与维生素A一同发挥作用[66]。维生素D缺乏是引起动物结肠癌和炎症性肠病的主要诱因之一，且患病动物体内维生素D受体的表达量也显著降低[67]。此外，维生素D在体内的活性形式1, 25-二羟基维生素D也是调节肠道生理和动态平衡的重要因子，其在维持上皮细胞的完整性、增强肠道屏障和免疫功能等方面至关重要[68]。在B族维生素中，维生素与免疫系统之间的关系尤为密切。维生素B1能够通过抑制脂多糖诱导的Toll样受体下游信号通路核因子κB的激活，从而减少炎症因子的释放[69]。此外，日粮中维生素B1缺乏的小鼠也表现出了黏膜免疫功能的降低。维生素B3是GPR109A的配体，可诱导Treg细胞分化，抑制巨噬细胞和单核细胞产生促炎性细胞因子IL-1、IL-6和肿瘤坏死因子α[59]。Aragona等[70]研究发现，在围产期荷斯坦奶牛的日粮中添加48 g维生素B3可使初乳中IgG的含量从73.8 g/L提高到86.8 g/L。此外，维生素可能和免疫细胞启动之间具有直接的关联。微生物代谢所产生的维生素B2衍生物可刺激黏膜相关恒定T细胞分泌IFN-γ和IL-17[71]。5其他肠道微生物代谢产物对肠道免疫的影响除了SCFAs、色氨酸代谢产物和维生素外，肠道微生物还能够参与其他物质的代谢。胆汁酸在肠腔内经过一系列复杂的生物学过程可被肠道菌群修饰为功能性的次级胆汁酸，如石胆酸、熊去氧胆酸和脱氧胆酸等[72]。Van den Bossche等[73]研究发现，给结肠炎小鼠每天灌服0.5 mg/g熊去氧胆酸可有效缓解其结肠内厚壁菌门与拟杆菌门的比例失调，降低小鼠肠道中促炎性细胞因子IL-6的水平并加速溃疡化上皮的愈合速度。Campbell等[74]研究发现，次级胆汁酸3β-羟基脱氧胆酸能够通过作用于树突状细胞增加其抗炎表型的基因表达，从而增加Treg细胞的分化。两性离子多糖A（PSA）可直接或间接参与肠道免疫，维持动物的肠道健康[8]。PSA是肠道微生物自身合成的一种囊状两性离子多糖，主要是通过激活树突状细胞和Treg细胞来分泌抗炎性细胞因子介导宿主的免疫系统[75]。首先，PSA能够通过肠黏膜进入肠道固有层中，经树突状细胞的吸收后将抗原递呈给CD4+ T细胞，使其分泌IL-10，从而抑制肠道T细胞活性，尤其是Th17细胞，阻止机体炎症反应发生[76]。其次，PSA能够激活树突状细胞表面的Toll样受体2，促进T细胞分泌IL-10。如脆弱拟杆菌可通过产生PSA与Toll样受体2结合抑制IL-17的产生，并提高CD4+ T细胞表达IL-10的水平[77]。6展望肠道微生物代谢产物可以通过各种途径调节宿主的肠道免疫反应。肠道微生物代谢产物的合成涉及动物肠道多种共生微生物之间的相互作用，肠道微生物代谢产物在微生物群与肠道免疫系统互作中发挥的作用也极其复杂。因此，肠道微生物代谢产物在介导微生物群和肠道免疫系统互作方面的研究仍需进一步完善。随着饲料禁抗、养殖减抗时代到来，肠道微生物代谢产物在维持动物肠道健康方面所发挥的作用也将会越来越受到关注。