乳酸菌的生理功能和作用机理

乳酸菌的生理功能和作用机理

1乳酸菌的生长机理所谓生物效应，是指对主枝的微生态平衡进行有效影响，提高主枝的健康水平和状态，以及在动物体内生长和繁殖的活菌制剂和代谢产品。目前常用益生菌主要有:芽孢杆菌类、乳酸菌类、真菌及酵母菌类。文中主要介绍乳酸菌的生理功能及其作用机理。乳酸菌是一群形态、代谢性能和生理学特征不完全相同的革兰氏阳性菌的统称,其总的特征是G+、不形成芽孢(个别属除外)、不行呼吸的球菌或杆菌,在发酵碳水化合物时主要的代谢产物为乳酸。最适生长pH通常为5.5~6.2,一般在pH为5或更低的情况下可生长;在中性或初始碱性pH条件下,会降低其生长速度。对乳酸菌所涵盖的范围,历来就存在争议,从传统的角度而言,Lactobacillus(乳杆菌属)、Leuconostoc(明串珠菌属)、Pediococcus(片球菌属)和Streptococcus(链球菌属)是组成乳酸菌的核心。2血液中的生理功能和机制2.1乳酸菌改善肠道功能胃肠道粘膜系统是一个很独特的内环境,它提供了众多微生物生存以及发挥作用的场所。在粘膜的表面,大约生存着40~50个属的200多种共计约1014的细菌(McCracken和Lorenz,2001)。机体内细菌总数的99%聚集在小肠的末端以及盲肠近端。在肠道中起主导地位的菌群约占总量的90%,主要由双歧杆菌和乳酸杆菌组成。典型的致病菌肠道球菌属和大肠埃希氏菌只占肠道全部菌群总量的不到1%。在健康的机体内,乳酸菌作为优势菌群,保持着数量和功能上的优势作用,通过抗菌物质的释放,养分及定植位点的竞争,抑制有害菌如大肠杆菌和沙门氏菌的过度繁殖。抗菌物质主要包括有机酸类,尤其是乳酸和乙酸。此外,乳酸菌还可释放H2O2、双乙酰和细菌素如大肠杆菌素等抗菌物质(Saxelin等,2005)。乳酸菌通过自身及其代谢产物和其他细菌之间的相互作用,调整菌群之间的关系,维持和保证菌群最佳组合及这种组合的稳定来改善胃肠道功能。乳酸菌必须具备某种特性,如粘附、竞争排斥、占位和产生抑制物等,才能在微环境中保持优势。乳酸菌除粘附外,也可以通过产酸、产生过氧化氢、产酶类、产生细菌素、合成维生素和分解胆盐来改善胃肠道环境。2.1.1肠道生长的影响大肠杆菌类包括大肠埃希氏菌和沙门氏菌,都喜爱偏碱性的环境。而乳酸菌的代谢会产生大量乳酸从而降低肠道内容物的pH值,并增强肠道对许多病原菌的总体抵抗力。如果肠道内容物呈弱酸性,那么乳酸菌的生长就会胜过大肠菌类,从而产生较多的酸进一步抑制病原菌。正常情况下,仔猪肠道中的有益菌群占优势,以产酸乳杆菌为代表,分解肠道的单糖形成乳酸,降低肠道pH值,从而抑制大肠埃希氏菌等病原微生物的生长,保证仔猪健康生长。在应激情况下(如断奶),仔猪正常的微生态平衡被打破,乳酸菌的生存条件受到限制,难以产生足够的乳酸以维持低的pH值,致使大肠埃希氏菌等有害菌大量增生而引起腹泻。2.1.2细菌素的作用机制许多研究表明,乳酸杆菌和双歧杆菌可以释放某些抗菌物质从而对肠道致病性微生物产生抑制作用。细菌素便是其中很重要的一种,它是一类由细菌分泌的可以杀菌的蛋白类分子。细菌素家族由各种各样的肽类和蛋白质类物质组成,根据它们分子量的大小、目标微生物的不同及作用方式和免疫机制的不同,可以分为三大类(Klaenhammer,1993):I含羊毛硫氨酸的细菌素(Lantibiotics)(<5kD);II不含羊毛硫氨酸的细菌素,热稳定(non-lanthioninecontainingpeptides)(<10kD);III热不稳定的大分子蛋白类细菌素(>30kD)。Mcauliffe等(2001)对细菌素的结构及作用方式进行了综述,结果表明,一般情况下,细菌素的作用范围是窄谱的,即由革兰氏阳性菌释放的细菌素首先对其它的阳性菌发挥作用。但是有一些由阳性菌产生的细菌素仍然可以作用于阴性菌,并且不同细菌素的抑菌范围变异较大,如乳酸链球菌肽的抑菌范围较广,包括乳球菌、链球菌、葡萄球菌、李斯特杆菌和双歧杆菌,以及某些植物类细菌、芽孢杆菌和梭菌等;而乳球菌素A,属于II类细菌素,只能够特异性杀死乳球菌。关于细菌素的作用方式目前已经研究的较为透彻。细菌素发挥作用的第一个目标即是敏感细胞的细胞质膜,有的细菌素通过质子动力在膜上形成一些不连续的小孔,来达到破坏细胞的目的,但这项工程是极其耗能的。有的细菌素不是通过形成膜孔来发挥作用的,而是通过干扰一些细胞必需的酶类来影响细菌的。虽然在一般情况下,乳酸杆菌所产生的细菌素对于革兰氏阴性菌没有杀伤作用,但有研究表明,乳酸杆菌素A165和BH5对于阴性菌H.pylori有抑制作用(Kim等,2003)。Stevens等(1991)研究也表明乳酸链球菌肽可以通过裂解细菌外膜来破坏革兰氏阴性菌。关于将细菌素作为防腐剂方面的研究已经引起了人们极大的兴趣。但是,在防治由革兰氏阳性致病菌所引起的胃肠道功能紊乱上,细菌素的应用还是很有限的。这是因为由革兰氏阳性菌所引起的病变与由革兰氏阴性菌和轮状病毒所引起的病变相比,二者有很大差异,前者表现出对细菌素的不敏感。2.1.3不同益生素合成的智中药动学无论是有益菌还是致病菌,对肠道上皮细胞的粘附与定植是细菌发挥作用的前提条件,只有能够在肠道中生存下来并可以稳定的代谢繁衍的菌株才可发挥其正常的生理功能,而作为“过路型”的菌株是很难对机体产生作用的。在正常动物体内,肠道系统已经具有一套较为完善的微生物环境,添加的益生菌并不会永久的定植在宿主体内(不包括无菌动物)。研究表明,在大多数情况下,动物在停止饲喂某种益生菌后几天到几周内,就可在粪中检测到该种微生物,并且在此之后就会逐渐消失,说明益生菌只能在体内短暂的定植(Spanhaak等,1998)。以上表明,对于后天饲喂给动物的益生素,只能起到改善肠道环境的作用,将微生物菌群搭配调节到正常水平,而不能作为肠道正常菌群长期居住下来,除非添加的益生素恰是体内正常菌群的一种。Reid等(1985)早期研究表明,乳酸杆菌通过竞争性粘附定植到宿主细胞,有效地抑制了有害菌对细胞的粘附。Bloberg等(1993)研究表明,发酵乳酸杆菌通过和大肠杆菌竞争粘液上的某些受体,抑制大肠杆菌的粘附。基于以上结果,竞争粘附被认为是乳酸菌抑制致病菌增殖并释放毒素的重要机制之一。Ouwehand等(1999)综述表明,某些益生乳酸菌制成的复合口服制剂,可以缩短由轮状病毒引起的腹泻的发病时间。对于治疗由轮状病毒引起的腹泻,菌株的粘附能力是一个很重要的选择指标,但并不是唯一的指标。2.2抗炎性细胞因子与促炎性细胞因子的平衡调节肠道上皮细胞一方面与肠道微生物直接接触,另一方面与肠道免疫系统也密切相关。微生物通过粘附于上皮细胞表面特定的受体位点上,诱导一系列的免疫应答程序,如诱导促炎性细胞因子(IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α)和抗炎性细胞因子(IL-1、IL-4、IL-10和TGF-β)的产生,而促炎性细胞因子和抗炎性细胞因子的平衡调节,对维持肠道正常免疫反应具有十分重要的病理生理意义(Kidd,2003)。乳酸菌作为机体的有益菌群,对于由致病菌或细菌之间的拮抗所引起的机体感染,可以通过刺激免疫系统作出迅速的应答来抑制有害菌或致病菌在肠道的定植。2.2.1抗菌活性的变化非特异性免疫应答是机体抵御外界刺激的第一道防线,不同的刺激均可导致该反应的快速激活。非特异性免疫是基于以下细胞来进行的:单核吞噬细胞(单核细胞和巨噬细胞)、白细胞(主要是嗜中性粒细胞)和NK细胞。吞噬作用可引起细胞间的一系列反应,并伴随着活性氧和活性氮以及TNF-α和IL-1等细胞因子的释放。乳酸菌的应用主要起到以下作用:①增强腹膜与肺中的巨噬细胞和血液中的白细胞的活性。②增加溶酶体的分泌,促进活性氧和活性氮以及吞噬细胞的产生。③增强单核-巨噬系统的吞噬能力。许多研究表明,乳酸菌有预防肠道病变和癌变的作用。Perdigon等(1995)研究表明,L.casei通过免疫调节作用,防治营养不良人群的肠道病变,并促进sIgA的分泌量。Alvarez等(1998)研究报道,第1d即给Swissalbino鼠接种L.casei,使机体对于Salmonellatyphimurium的攻毒产生免疫应答,从而对机体起到保护作用,在第15d和30d对其再进行接种L.casei,发现这种接种方式可以维持机体的免疫应答程序。作者认为该保护作用的机制是:由于肠道粘膜固有层中IgA分泌细胞的增多和肠道粘液中sIgA分泌增多造成的。对照组中则发现多形单核细胞的数量增多,从而导致炎症反应的发生并影响了肠道粘膜的完整性。同时肠道的益生乳酸杆菌通过作用抗原,减弱相关细胞因子的分泌,抑制过敏反应的发生(Niers等,2005)。白爱平等(2005从婴儿粪便中筛选获得的保加利亚乳酸杆菌能明显抑制炎症状态时肠上皮细胞分泌IL-8。2.3屏障功能的含义长期以来肠道仅被认为是一个消化和吸收营养物质的功能器官,而对它的其他功能知之甚少。近来随着科学技术的进步和临床科研的发展,人们逐渐意识到它还具有免疫、内分泌和粘膜屏障等作用。正常的肠道粘膜阻止肠道内细菌及其分解产物经肠壁逸出的特定功能,即所谓“屏障功能”。肠粘膜屏障包括机械屏障、生物屏障、化学屏障及免疫屏障,各屏障之间也不孤立的划分,彼此之间相互渗透联系,形成一个全面的防御屏障体系。2.3.2菌群的设置在生理状态下人的肠道存在大量共生细菌,它们通过分泌细菌毒素、产生短链脂肪酸、促进肠蠕动、占据致病菌粘附点以及争夺营养素等多个环节防止有害细菌的侵入,而保持菌群间合适的数量与比例,对于维护肠粘膜屏障的完整性至关重要。粘附在肠上皮细胞表面的正常菌群和益生菌构成了抵御致病菌的肠道菌屏障(Lievin等,2000)。2.3.3肠黏膜屏障已知胃酸、胆汁酸、粘液、溶菌酶、乳铁蛋白和各种消化酶等对阻止致病因子入侵,维护肠粘膜屏障具有重要作用。近年来研究又发现肠上皮细胞分泌的防御素具有强大抗菌活性,肠粘液形成粘弹性胶层保护物粘膜免疫机械和化学损伤,其杯状细胞分泌的粘蛋白与细菌结合,阻挡条件性致病菌的定植,在维护肠粘膜屏障和控制微生物入侵起重要作用。2.3.4细菌细胞屏障由胃肠相关淋巴组织产生的特异性分泌型免疫球蛋白(sIgA)可以防止细菌粘附到粘膜细胞,防止抗原摄取及内毒素或微生物与微绒毛结合、溶解细菌,阻碍细菌复制和与上皮细胞受体结合,构成肠粘膜的免疫屏障这四个部分任何一个环节的缺损都会影响到正常肠道屏障的功能。当机体应激反应过度或者失调时,肠粘膜功能将受到损害,原先寄生于肠道内的微生物及其毒素越过受损的肠粘膜屏障,导致肠道细菌及其毒素移位,甚至引起肠功能衰竭及全身炎症反应综合症。2.2.2抗体导体行为诱导抗体免疫特异性免疫应答可以分为两类:体液免疫和细胞免疫。血浆细胞(成熟的B淋巴细胞)