阿魏酸(ferulic acid,FA)的化学名为4-羟基-3-甲氧基肉桂酸,是一种广泛存在于植物细胞壁中的酚酸类化合物[1],属于羟基肉桂酸衍生物。FA分子中的酚羟基和丙烯酸基团使其具有显著的抗氧化[2]、抗炎[3]和抗菌[4]等生物活性。近年来,多项研究报道FA在调节肠道菌群[5]、增强屏障功能以及改善动物消化吸收[6]等方面具有良好的效果。肠道屏障是由肠黏膜组织构成的复杂防御体系,通过物理结构、化学分泌物、免疫调节及微生物群落的多层次协同作用,实现对肠腔内容物的选择性通透[7]。肠道屏障在维持动物机体稳态中具有双重作用:一方面能有效阻隔病原微生物、内毒素及食物抗原等有害物质的跨膜转运;另一方面能精准调控水分、电解质及营养物质的主动吸收,从而保障宿主的代谢健康和生长发育。然而,一旦肠道屏障受损、肠道通透性异常增加,将引发一系列局部乃至全身性病理变化,不仅导致消化吸收功能障碍和肠道炎症,更可能引起内毒素易位、全身性炎症反应,甚至导致代谢紊乱、自身免疫病和神经性疾病的发生[8]。因此,本文重点综述了FA对动物肠黏膜屏障功能的调控作用及其应用现状,以期为其在畜禽生产中的应用提供参考。
1 FA概述
1.1 FA的来源和结构
FA存在于农作物(如玉米、大豆、甘蔗、小麦等)和中草药(如阿魏、升麻、当归、酸枣仁、木贼、川芎等)中[9],是植物苯丙烷类代谢途径的产物,主要与细胞壁中的木质素和阿拉伯木聚糖相结合,其生物合成主要通过咖啡酸-O-甲基转移酶(COMT)途径和咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶(CCoAOMT)途径生成。FA分子式为C10H10O4,相对分子质量为194.19,呈弱酸性且不易溶于水。FA具有顺式和反式2种异构体(图1):顺式为黄色油状物,反式则通常以无色正方形或纤维状结晶形式存在。丁明玉等[10]采用高效液相色谱、液相色谱-质谱联用等方法证实,FA的反式结构热稳定性强于顺式结构。现今,在动物生产中反式FA的生物利用度更高。
1.2 FA的吸收和代谢
在动物体内,FA的吸收、代谢和排泄是一个复杂的过程,其效率与FA的化学形态密切相关。FA的吸收主要发生在肠道,特别是空肠近端。食物中天然存在的FA多以结合态形式存在,必须先在肠道内转化为游离态的FA后才能被有效吸收[11]。吸收后的FA主要通过门静脉进入肝脏进行代谢转化,其代谢产物及部分原型最终主要经由尿液排出体外,少部分通过粪便排泄。
游离态FA可在消化道中直接被吸收[12],但不同部位的吸收效率存在差异。在大鼠体小肠回流试验中发现,FA在小肠不同肠段的吸收速率分别为十二指肠0.236 Ka/h(Ka表示吸收速率常数)、空肠0.258 Ka/h、回肠0.227 Ka/h,而在结肠段的吸收速率(0.193 Ka/h)显著降低,表明FA主要在小肠中被吸收[13]。Zhao等[14]通过大鼠原位胃吸收试验与体外试验相结合,验证了FA除在小肠外,在胃中也能被快速吸收并以游离形式存在,随后主要在肝脏中进行代谢。Poquet等[15]利用Caco-2/HT29-MTX共培养结肠上皮细胞模型研究发现,FA主要以游离形式经由被动扩散机制跨膜运输,其转运过程呈时间线性且无饱和特性。在酸性环境下,FA的转运速率显著提高。此外,FA有15%~20%的转运依赖单羧酸转运蛋白(monocarboxylate transporter,MCT)1或钠依赖性单羧酸转运蛋白(S-MCT)[15-16]。也有研究指出,FA的转运可能通过其他MCT亚型而非MCT1完成[17],MCT也可能参与胃部吸收[14],但需进一步通过试验论证。另有研究发现,FA在空肠的吸收可能涉及钠离子(Na+)依赖性或氢离子(H+)偶联的转运机制,并在Caco-2细胞中得到验证[18-19]。
结合态FA约5%可在十二指肠被吸收,绝大部分(约95%)会到达结肠[20]。结肠吸收延长了FA在体内的作用时间。与游离FA在胃和小肠迅速吸收、快速达峰不同,结合态FA在结肠中被缓慢分解吸收,导致其达峰时间延迟,但能在血浆中维持更长时间的有效浓度,从而可能产生更持久的抗氧化等生物效应[21]。结肠内复杂的微生物群落能够分泌阿魏酸酯酶等关键酶类[22],有效地将结合态FA水解,从而释放出具有生物活性的游离态FA[23-24]。释放的FA一部分被结肠上皮细胞吸收进入体循环,另一部分则被乳酸菌和双歧杆菌等微生物进一步代谢为短链脂肪酸(SCFAs)[25]。SCFAs一方面通过上调MCT1和MCT4促进FA的吸收[26],另一方面可反馈调节微生物群落,以共生方式影响宿主脂质代谢[27-28]。
1.3 FA的生物学功能
FA是一种高效的天然抗氧化剂,其苯环上的酚羟基是发挥抗氧化作用的关键活性基团,可通过氢原子转移机制有效清除自由基[29]。研究揭示,在脂多糖(LPS)处理的吉林白鹅氧化应激模型中,FA可显著提高肠道组织中超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性,减轻LPS诱导的氧化损伤[30]。除了直接的抗氧化效果外,FA还展现出多路径的抗炎特性:一方面,它能够通过激活p38丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核因子-κB(NF-κB)p65信号通路,促进巨噬细胞向抗炎的M2型极化,增加抗炎因子的释放[31];另一方面,其通过抑制白三烯B4(LTB4)/阻断脂质转运体1(BLT1)/NF-κB信号通路的过度激活,减少下游促炎因子的产生[32],从而在炎症调控中发挥双向调节作用。研究表明,FA能激活自然杀伤细胞和细胞毒性T淋巴细胞的杀伤活性,并增强B淋巴细胞介导的体液免疫,从而强化机体的免疫防御能力[33]。此外,FA对多种病原微生物具有抑制作用,其作用机制主要与破坏细菌细胞膜完整性和增加膜通透性有关[34]。有研究通过比较苯乳酸、FA和苹果酸3种有机酸发现,FA在抑制细菌生长与运动能力、破坏生物被膜结构以及降低黏附性与胞外聚合物含量方面作用最为显著,展现出最强的抑菌和抗生物被膜活性[35]。在代谢调节方面,Wang等[36]研究发现,FA能显著减轻高脂、高果糖饮食引起的大鼠体重增加,降低空腹血糖和胰岛素水平,改善胰岛素抵抗和高血糖症状;同时还能调节血脂,降低血清总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白胆固醇和游离脂肪酸含量,提高血清高密度脂蛋白胆固醇含量,并通过抑制脂肪生成相关基因[如脂肪酸合成酶(FAS)、乙酰辅酶A羧化酶α(ACCα)、乙酰辅酶A羧化酶β(ACCβ)和固醇调节元件结合蛋白-2(SREBP-2)]的表达,从而抑制脂肪酸的合成。综上所述,FA作为一种天然活性成分,其多种生物学功能源于其独特的酚酸结构和多靶点作用机制。FA除具有显著的抗氧化功能外,还可通过抗炎、抗菌、调节免疫和脂代谢等多途径发挥作用,这使其在功能食品、医药和畜禽生产等领域具有广阔的应用前景。
2 FA对畜禽肠道黏膜屏障功能的调控作用
表1 FA对动物肠道黏膜屏障功能的改善作用Table 1 Improvement effects of FA on intestinal mucosal barrier function of animals |
| 动物种类 Animal species | 添加量 Additive amount | 试验期 Test period/d | 效果 Effects | 参考文献 References | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 天府乌骨鸡 Tianfu black- bone chickens | 100 mg/kg | 21 | 缓解脂多糖诱导的肠道氧化应激,上调紧密 连接蛋白表达,促进肠上皮细胞增殖,提升 回肠黏膜分泌型免疫球蛋白A含量 | 唐子婷[37] | |||||
| 吉林白鹅 Jilin white geese | 60、120、 180、240 mg/kg | 21 | 缓解氧化应激对肠道各段的损伤,降低肠道各段 丙二醛(MDA)含量等氧化指标,提高抗氧化酶 活性;适宜添加量为180 mg/kg | Liu等[30] | |||||
| 临武鸭 Linwu ducks | 400 mg/kg | 28 | 逆转由脂多糖诱导的肠道菌群失衡,并促进短链 脂肪酸生成菌的增殖,调节苯丙氨酸代谢和过 氧化物酶体增殖物活化受体(PPAR)信号通路相 关代谢物,增强宿主的抗氧化能力和免疫功能 | Liu等[38] | |||||
| 哺乳仔猪 Suckling piglets | 100 mg/kg | 21 | 提高宫内生长受限仔猪肠道消化酶活性,改善小肠 形态,降低十二指肠和空肠裂解型半胱天冬酶-3 (Caspase-3)和裂解型半胱天冬酶-9(Caspase-9) 含量,抑制肠道上皮细胞过度凋亡 | Wan等[39] | |||||
| 断奶仔猪 Weaned piglets | 0.05%、0.45% | 40 | 增强空肠抗氧化酶活性,上调抗氧化基因 表达,激活核因子E2相关因子2(Nrf2)- 抗氧化反应元件(ARE)通路,上调紧密连接 蛋白和黏蛋白表达;适宜添加量为 0.05%(即500 mg/kg) | Chen等[40] | |||||
| 育肥肉羊 Fattening mutton sheep | 100、200、 400 mg/kg | 74 | 提高营养物质消化率,促进瘤胃发酵,增加 瘤胃肌层和上皮细胞层厚度,上调紧密连接蛋白 闭锁小带蛋白-1(ZO-1)表达;适宜添 加量为100 mg/kg | 王如心[41] | |||||
| 小尾寒羊 Small-tailed Han sheep | 100、200、 400 mg/kg | 74 | 提高空肠和结肠抗氧化酶活性和免疫指标, 同时降低MDA和促炎因子含量,增强肠道屏障 功能和抗炎能力;适宜添加量为100 mg/kg | 包龙龙[42] | |||||
| 杉虎斑 Shanhu grouper (Epinephelus fuscoguttatus♀×Epinephelus polyphekadion♂) | 40、80、 160、320、 640、 1 280 mg/kg | 70 | 增强肠道消化酶活性,提升肠道抗氧化防御能力, 提高肠道绒毛高度、宽度及肌层厚度,上调白细胞 介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-8(IL-8)、肿瘤坏 死因子-α(TNF-α)等免疫相关基因表达, 提高免疫球蛋白M、补体3含量及溶菌酶 活性,优化肠道菌群结构,提高α多样性;适宜 添加量为80~160 mg/kg | 付伟杰[43] | |||||
| 日本沼虾 Macrobrachium nipponense | 20、40、80、 160、320 mg/kg | 70 | 显著改善菌群结构,促进有益菌增殖,抑制 潜在致病菌;适宜添加量为80~160 mg/kg | 刘鑫[44] |
2.1 FA对物理屏障的调控作用
物理屏障是防止肠腔内有害物质进入血液循环的关键结构,主要由肠上皮细胞及其间的紧密连接组成。紧密连接蛋白是维持肠道上皮屏障完整性的关键分子,主要包括跨膜蛋白[如闭合蛋白(Occludin)、密封蛋白(Claudin)家族和连接黏附分子(JAMs)]和细胞支架蛋白[如闭锁小带蛋白(ZO)-1、ZO-2和ZO-3]等[45],共同维持肠上皮的完整性和选择性通透性。然而,部分肠道病原体可以通过改变紧密连接蛋白的表达与分布,诱导肠道上皮细胞通透性异常增加,从而使毒素越过黏膜屏障进入全身循环,破坏肠道内稳态[46-47]。FA被认为是一种潜在的预防或治疗胃肠炎症的药物[48]。研究证实,FA可通过调控紧密连接蛋白的表达与分布,增强肠道屏障功能。He等[49]研究表明,在热应激诱导的肠上皮细胞IEC-6损伤模型中,FA预处理能显著减轻热应激导致的Occludin表达下降;同时,FA预处理还能使热应激大鼠小肠Occludin表达显著回升至正常水平,从而有效维持紧密连接结构的完整。FA同样显著上调多种应激条件下ZO-1的表达。在LPS诱导的肠道屏障功能障碍模型中,FA处理能有效逆转LPS引起的ZO-1表达下降,并维持其在细胞膜周围的正常分布[37]。Hu等[50]在肉鸡研究中发现,饲粮添加100~200 mg/kg FA不仅能显著提高肠道中ZO-1的mRNA表达水平,还能显著提升空肠Claudin-2的mRNA表达水平。Claudin家族是决定紧密连接通透性特征的关键蛋白,FA对多种Claudin均具有调控作用。Chen等[51]在草鱼中的研究显示,饲料添加100 mg/kg FA可显著提升肠道中Claudin-b、Claudin-3、Claudin-7a和Claudin-12的mRNA表达水平。此外,E钙黏蛋白(E-cadherin)是构成细胞黏附连接的主要蛋白,虽不直接参与紧密连接形成,但对维持细胞间黏附和上皮屏障完整性具有重要作用。He等[49]研究发现,FA预处理能显著减轻热应激导致的E-cadherin表达下降及分布异常。综上所述,FA通过上调Occludin、ZO-1、Claudin和E-cadherin的表达,从而增强肠道上皮屏障的完整性和功能,减少有害物质的渗透。
2.2 FA对化学屏障的调控作用
肠道化学屏障主要由黏液层、抗菌物质及消化酶等构成,FA通过促进黏液分泌、调控抗菌肽(AMPs)表达以及减轻肠道炎症反应等多种方式保障肠道健康。黏液层作为机体黏膜表面的凝胶状保护层,主要由杯状细胞分泌的黏蛋白构成。Hwang等[52]研究发现,在高脂饲粮中添加50 mg/kg FA能显著上调小鼠肠道黏蛋白2(MUC2)mRNA表达,减轻高脂饮食(HFD)引起的肠道上皮屏障破坏。黏液层的功能不仅取决于黏蛋白的数量,更与其糖基化程度密切相关。一项针对胃黏膜的研究发现,异阿魏酸能够直接与糖基转移酶结合,并逆转酒精对其活性的抑制[53]。异阿魏酸作为FA的同分异构体,其结构与FA高度相似,这为FA通过调节翻译后修饰来保护黏液屏障提供了有力的分子层面证据。AMPs是肠道化学屏障的重要组成部分,在抵御致病菌和调节肠道菌群方面发挥关键作用。Yang等[54]研究发现,FA可稳定结合溶菌酶并诱导其构象变化,在抑制其酯酶活性的同时,显著增强其自由基清除能力。此外,FA可与消化酶结合形成稳定复合物,延长其肠道半衰期或改变活性,起到保障消化酶养分转化及维护微生态平衡的作用。例如,FA能够结合α-淀粉酶的活性中心或诱导其构象变化,抑制淀粉分解为葡萄糖,从而延缓餐后血糖升高[55]。Yi等[56]研究表明,饲粮添加30和90 mg/kg FA可显著增强肉鸡十二指肠糜蛋白酶和胰蛋白酶活性,饲粮添加90 mg/kg FA对脂肪酶活性也有显著的提升作用。综上所述,FA通过刺激黏液生成、调节AMPs表达、减轻炎症和缓解氧化应激等方式,增强肠道化学屏障。这些协同作用有助于构建更稳固且具有韧性的肠道防御体系,进一步凸显了FA作为改善肠道健康和预防肠道疾病的潜力。
2.3 FA对微生物屏障的调控作用
微生物屏障由肠道内的细菌、真菌和病毒等多种微生物构成,它们在肠道内形成复杂的共生体系,其群落结构及其代谢产物对维持肠道内环境稳态具有重要影响[57]。FA在维系肠道稳态中发挥着关键作用,它能调节有益菌的生长并抑制有害菌的过度繁殖。在HFD小鼠模型中,FA(40 mg/kg)干预可显著逆转HFD诱导的肠道菌群失调,具体表现为厚壁菌门(Firmicutes)和丹毒丝菌科(Erysipelotrichaceae)等与肥胖和代谢异常相关的菌群丰度下降,而拟杆菌门(Bacteroidetes)、瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)和臭气杆菌属(Odoribacter)等有益菌的丰度提高[58]。在LPS小鼠模型中,补充80 mg/kg FA能有效缓解LPS引起的菌群丰富度下降,并减少有害菌丰度,提高有益菌丰度[59]。刘欣果等[60]研究发现,FA与β-葡聚糖复配可显著提高结肠菌群多样性,提高双歧杆菌等益生菌丰度,同时促进阿克曼菌属(Akkermansia)等具有肠道屏障保护作用的细菌定植。此外,FA被肠道微生物代谢为阿魏酰酯,进而促进丁酸产生菌的生长,其代谢产物SCFAs可降低肠道pH,抑制病原菌繁殖,间接优化消化酶作用的微环境,体现出FA通过“菌群-肠-轴”途径发挥协同效应[56]。研究还证实,FA可通过重塑肠道菌群结构及其代谢产物,改善载脂蛋白E(ApoE)-/-小鼠的动脉粥样硬化损伤[61]。综上所述,在饲粮中添加适宜剂量FA能够调节肠道微生物群落组成,增加双歧杆菌和乳酸菌等有益菌数量,抑制大肠杆菌和梭菌等有害菌增殖,从而增强微生物屏障功能,降低病原侵袭风险。此外,FA还能通过影响肠道微生物的代谢活动,促进SCFAs等有益代谢物的生成,进一步调控宿主健康,在维持肠道菌群整体平衡和健康中发挥关键作用。
2.4 FA对免疫屏障的调控作用
肠道免疫屏障由肠上皮细胞、上皮内淋巴细胞、固有层淋巴细胞、派伊氏结和肠系膜淋巴结等共同构成[62]。肠上皮屏障受损使黏膜下层暴露于病原体,会触发先天免疫反应,并导致大量促炎细胞因子如白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的产生[63]。这些促炎因子不仅导致肠通透性升高,还诱导肠上皮细胞凋亡[64],进而引起肠黏膜萎缩和功能紊乱[65-66]。FA作为一种具有显著抗炎活性的天然化合物,能调节肠道免疫细胞的活性和功能,促进抗菌物质的产生,从而抑制肠道内有害微生物的生长,增强免疫屏障的防御能力。Hwang等[52]研究发现,FA能减轻HFD小鼠肠道炎症和淋巴细胞浸润。葛怡[67]研究发现,阿魏酸钠干预可显著降低溃疡性结肠炎模型小鼠血清IL-1β和TNF-α含量,并提高血清白细胞介素-4(IL-4)含量,同时调节异常的免疫球蛋白和补体3含量。综上可知,FA增强肠道免疫屏障功能的核心在于其对先天免疫应答的调控。先天免疫是机体抵抗病原体入侵的首道防线,其适度激活对启动有效的抗菌防御至关重要,但过度反应导致的慢性炎症则会造成组织损伤。FA的独特价值在于它能够双向调节这一平衡:一方面,它通过协同激活重要的抗病毒信号通路,强化宿主的初始防御能力;另一方面,它又精确抑制那些驱动过度炎症的关键信号轴,从而在抑制病原体的同时避免炎症失控。这种多靶点、协同作用的特性,使得FA能够从多个层面协调固有免疫应答,维护肠道免疫稳态。此外,FA也可通过阻断Toll样受体4(TLR4)与髓样分化因子88(MyD88)的结合,抑制NF-κB核转位,从而减少TNF-α和IL-1β的释放[56]。TLR4是一种重要的先天免疫受体,其过度激活会通过MyD88依赖的信号通路导致NF-κB驱动的炎症因子风暴[68]。此外,FA能够直接抑制NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)炎症小体组装,降低IL-1β等细胞因子产生,从而发挥免疫调节作用[69]。NLRP3炎症小体是胞内的一种多蛋白复合物,其激活可导致促炎因子IL-1β的成熟与释放,是炎症反应的关键执行者。进一步的机制研究表明,FA及其代谢物可通过多通路协同发挥抗炎作用。例如,Serreli等[70]研究发现,FA代谢物在Caco-2细胞单层模型中能有效对抗LPS诱导的促炎效应,其机制包括抑制MAPK和蛋白激酶B(Akt)信号通路,减少核因子-κB抑制因子α(IκBα)降解和NF-κB活化,并上调核因子E2相关因子2(Nrf2)表达。Cai等[71]研究发现,FA通过促进胃饥饿素(Ghrelin)与生长激素促分泌素受体(GHSR)结合,抑制TLR4/NF-κB/NLRP3通路,从而降低IL-1β、白细胞介素-18(IL-18)的表达,进而减少炎症反应。以上研究表明,FA通过多靶点、多通路的协同作用,有效抑制TLR4/NF-κB和NLRP3等关键促炎信号的过度活化,减少促炎因子释放,同时增强抗菌防御能力,从多方面维护肠道免疫屏障结构完整和功能稳定。
3 小结
综上所述,FA对动物肠道的物理屏障、化学屏障、微生物屏障和免疫屏障都具有积极的调控作用,表现出极大的应用潜力。目前,FA已在多种动物模型中进行研究,并展现出良好的应用效果。然而,当前研究仍存在多个关键问题有待深入探讨:首先,多数研究仍停留在表观性状的改善层面,对FA的具体调控机制解析不够深入,其在动物体内的吸收与代谢途径尚未完全明确;其次,不同化学形态的FA其生物利用度存在显著差异,FA与肠道菌群之间的相互作用机制也有待进一步阐明;此外,针对不同动物种类和生理阶段的FA最佳添加量尚未建立,FA与其他饲料成分之间的互作关系研究也较为缺乏。未来研究可重点关注FA的分子作用靶点、基于药物动力学特征的制剂开发以及针对不同动物种类和生理阶段的精准营养方案设计,以充分发挥其应用潜力。