马曦：23分钟详解替代抗生素促进肠道健康的三大武器
大家好，我是马曦，来自中国农业大学。
感谢热心肠研究院的邀请，今天我在这儿给大家分享一下，禁抗、替抗的大背景下关于肠道健康的一些思考。
我的题目是《替抗时代：舌尖上的安全；肠道中的健康》。
本演讲的幻灯片 .pdf 版将在热心肠菌群微信群分享，感兴趣的读者请按以下方法申请入群：
可能在座的还不太了解，根据去年（2019 年） 7 月 10 号发布的《中华人民共和国农业农村部第 194 号公告》要求，从今年（2020 年）的 7 月 1 号起，我国的饲料生产企业要停止生产含有促生长类药物饲料添加剂的商品饲料，中药类除外。这意味着我国的饲料行业进入了全面禁抗的新时代。
说到饲料禁抗，我们就有必要先和大家聊一聊抗生素的历史。
抗生素是 20 世纪最主要的发明之一。
巴斯德的学生保罗·维耶曼于 1889 年首次提出了“antibiosis”，也就是“抗生”的英文单词。它的意思是：一个生命体毁坏另一个生命体的过程。而“antibiotic”，也就是“抗生素”的说法，就是源于这个“antibiosis”。
对于这种当初被发现就被称为神奇的粉末，现在已经成为大家日常生活中触手可及的普通药物，人们一直怀着一种神秘感和好奇心。
其实，抗生素的使用历史可以一直追溯到古埃及。而在近代，为我们所熟知的是，1929 年，英国细菌学家弗莱明发现了青霉素，并首次证明了其可以杀死某些细菌。
1946 年，科学家摩尔很偶然地发现在动物生产中添加少量的链霉素，可以有利于动物多生长肌肉。因此，抗生素的使用逐渐成为生长促进剂，从 20 世纪 40 年代就开始了。
欧美的养殖业者开始尝试用抗生素的发酵残渣加入饲料中喂猪发现，它对促生长和抗病力都有良好的效果，这对养殖业来说无疑是非常大的好消息。
特别是 1948 年四环素的出现，这是最早发现的广谱抗生素。到今天为止，四环素基本只用于家畜畜禽的养殖。
1951 年美国的 FDA 正式批准了用于动物生产的第一款抗生素，而欧美养殖业也逐渐将使用饲用抗生素合法化。这一浪潮很快推广到世界各国。
但是随着抗生素越来越广泛的使用，我们发现重复使用一种抗生素，可能会使致病菌产生抗药性，会对肠道菌群产生严重的影响。
2014 年 4 月，世界卫生组织发布报告称，抗生素耐药性细菌正蔓延到全球各地，而且危害极其严重。
其实，我国是世界上最大的抗生素生产和使用国，同时也是抗生素滥用和细菌耐药性的重灾区。以 2013 年为例，我国的抗生素的使用量达到了 16.2 万吨，而其中的一半都运用在了饲料行业，有超过 5 万吨的抗生素被排放到了水土环境中，导致了环境中细菌耐药性的日益严重。
环境中的抗生素及耐药细菌一旦进入人体的肠道，将会破坏人体肠道的正常菌群稳态，对人体的肠道健康造成严重的威胁；而残存在环境中的污染物，则加剧了细菌耐药对人体健康的影响。特别是现在出现了能耐多种抗生素的超级细菌。
畜牧养殖业按照执行标准合理使用抗生素是没有问题的，但真正让我们觉得严重的是现在抗生素的滥用。它将导致药物在动物产品中的残留，再通过餐桌、肠道潜入体内，成为潜伏在人体内的隐形杀手。这正是民众最为担心的。
目前，畜牧业养殖户普遍将饲用抗生素添加到饲料中，当做保健品来促进生长，而这样导致的超级细菌的风险，环境污染加重的问题，正在挑战着国人的健康底线。
抗生素使用带来的细菌耐药甚至超级细菌等一系列问题，已经引起了全球的关注。
联合国高级别会议就细菌耐药问题，专门为全球共同抗击抗生素药物耐药建立了国际议程。
我国的政府和农业部先后作出表率，相继密集出台了一系列的政策法规。参照欧盟2006年要求在养殖端全面禁用抗生素，我国也明确了养殖端减抗和限抗的时间表，这就是农业部的 194 号公告。
可以说，一声令下，饲料全面禁抗已经打响了第一枪。
在饲料禁抗的大背景下，养殖业正面临着巨大的考验。因为，没有抗生素的使用，我们如何保证养殖业的健康生态和高产优质呢？
俗话说，民以食为天，食以安为先。舌尖上的健康，肠道中的健康，关系着我们每个人的健康，是一个重大的民生问题。
对于养殖业来说，保障舌尖上的安全、肠道中的健康，就要发展低抗、乃至无抗的养殖策略，为全中国的老百姓的餐桌上提供无抗的肉制品、奶制品和蛋制品。
中国饲料工业协会也发布了“坚决落实禁用政策，努力推广替抗措施”的倡议书，要求加强科技创新，加快天然植物提取物、微生物、酶制剂等等为代表的新型绿色饲料添加剂的研发。
因此，如何在创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念指导下研究寻找更多、更好、更有效的抗生素替代品，就成为现在的当务之急。
目前，营养概念上的抗生素替代品包括以下几大类，其中最为重要的有：酸化剂、植物提取物、抗菌肽等等。
我们特别要注意的是，这些营养概念上的抗生素替代添加剂，它们的最终作用靶器官都是我们的肠道，就离不开研究肠道里这些营养性添加剂的功能作用。
首先，我们来看酸化剂。
酸化剂是指可用于饲料中的具有酸化作用的物质。它可以分为：有机酸、无机酸和复合酸制剂。
饲用酸制剂的作用机制主要是通过降低消化道 pH 值、抑制消化道病原微生物的增殖来实现的。它在促进益生菌增殖、改善肠道酶活性和营养物质消化力方面有非常良好的作用。
但酸化剂在使用过程中也不是多多益善，特别要重视它的规范使用量和方法，以及考虑与饲料的配伍，以免造成过酸的肠内环境，损害了畜禽的肠道健康。
迄今为止，酸化剂还是饲料行业应用最为广泛的抗生素替代品。
下面我们来看一下植物提取物。
植物提取物里的一大类是中草药，它大多来源于自然界里面的植物，目前研究的很多是中草药的提取成分。
由于中草药是天然物质，因此它安全可靠、副作用小。而且，很多中草药本身就含有丰富的蛋白质、维生素和矿物元素，兼有药效和营养的双重功能。
植物提取物对动物养殖业的作用效果，取决于其在肠道内的消化吸收和代谢转化。
如何开发更多的绿色安全、质量稳定、效果可靠的植物提取物，是我们在植物提取物研究方面的一个重点。
第三大类是抗菌肽。
抗菌肽是指生物体内能够诱导产生的一种具有强抗菌作用的多肽类物质。它广泛存在于多种生物体内，其中，由宿主本身产生的应对外界环境、抗炎的抗菌肽，被称为宿主防御肽，它主要由机体的吞噬细胞、黏膜上皮细胞和角质细胞生产和分泌。
抗菌肽的作用机理不同于抗生素，它不是次生代谢产物，而是机体主动合成的，具有广谱杀菌、免疫调控和增强肠道屏障的功能。特别值得注意的是，它不会产生耐药性。
我们的团队和美国俄克拉荷马州立大学张国龙教授合作，建立了猪源的宿主防御肽基因启动子荧光素酶报告系统。通过对 700 多种营养活性物质的筛选，获得了包括毛喉素在内的 6 种宿主防御肽高效诱导剂。未来将在饲料行业进行全面的推广应用。
下一大类是噬菌体。
噬菌体被称为超级细菌的特异性病毒和天敌，它的一个重要特征是可以自动的靶向病原菌，而且对人畜肠道无害。它在宿主菌内可以大量繁殖、释放，随着宿主细菌的消长而消长，没有残留。同时，它也不会产生抗生素的耐药性，对动物的代谢负担很轻。
但是，噬菌体在动物饲料行业的应用，还处于初步的研发阶段。
最后给大家介绍的，也是目前研究最火的，即基于益生元、益生菌、后生素的饲料抗生素替代品。
益生元“prebiotics”和益生菌 “probiotics”，大家耳熟能详。而现在，益生菌产生的有益代谢产物，我们提出了新的概念并把它命名为后生素“postbiotics”。
那么，我们根据这一逻辑顺序，来介绍一下我们在抗生素替代品，益生元、益生菌、后生素这个领域所开展的一些应用研究。
首先，我们来看益生元。
纤维是益生元里的明星分子。我们的研究发现，纤维的种类对断奶仔猪的肠道发育和功能具有良好的调控作用。
饲料行业应用的纤维主要包括玉米皮、大豆皮和小麦麸等等。我们的研究发现，高度多样化的纤维日粮可以诱导细菌多样性的增加。
我们在断奶仔猪的日粮中添加了 5%的玉米皮，发现它在提高断奶仔猪生长性能和抗炎能力、增强仔猪的存活率方面具有重要作用。
通过对肠道菌群的测序发现，在仔猪日粮中添加 5%玉米皮以后，可以增加后肠道中纤维降解菌，比如说普雷沃式菌的含量以及丁酸的含量。
从这些研究结果我们就可以看到，我们的益生元能够显著地改善动物的肠道健康，是通过益生菌来发挥作用的。
我们再来看益生菌。
基于上述研究，我们认为，复合添加益生菌和益生元可以进一步的改善仔猪肠道的屏障功能和它的健康。
我们选取了能够分解纤维和生成丁酸的丁酸梭菌，复配到前期的玉米皮里面。
然后就发现，在添加 5%玉米皮和 108 CFU/克的丁酸梭菌的基础上，能够进一步的改善断奶仔猪的生长性能，降低仔猪的死亡率。进一步揭示了丁酸梭菌可以通过优化微生物菌群的结构，提高乙酸和丁酸的产生和利用效率，进而改善仔猪的肠道健康。
相关的研究以封面论文发表在《美国农业食品化学》上。
其实，在上面讲的益生元和益生菌的基础上，我们已经提到了一种后生素，就是里面的丁酸。
所以，后生素的概念就是益生菌产生的能够改善动物肠道健康的代谢产物或者营养活性物质。
我们的研究进一步发现，丁酸对于动物肠道的免疫应答具有双向的调控作用。它在仔猪的后肠道可以通过激活 G 蛋白偶联受体（GPCR）和抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）两条途径，改善仔猪肠道黏膜的氧化应激，进而改善仔猪的肠道健康。
但是，过量的丁酸也会造成仔猪后肠道肠上皮细胞的钠钾泵的失活以及细胞的肿胀坏死。
美国营养学会前主席、Journal of Nutrition 期刊的主编 Teresa Davis 教授对我们的论文点评认为，我们的发现阐明了抗氧化剂和抗生素促进动物生长性能的重要性。
通过上面的介绍，大家也可以发现，其实我们在谈抗生素的过程中，是离不开病原菌或者肠道微生物的。
我们谈禁抗，就是怎么对付好肠道的微生物，包括使益生菌大量的繁殖，抑制病原菌的增殖。
总结一下，我们不难发现，我们努力寻找的抗生素的潜在替代物，大致可以分为三类。一类是益生菌及其营养物质，第二类是针对病原菌粘附的阻断剂或者抑杀物质，第三类是增强宿主免疫功能的物质。
我们在使用这一些抗生素替代品的时候发现，通过营养手段也可以改善抗生素的替代品的效果。这样配伍使用，特别是功能氨基酸和微量元素的配套使用，能大大增强它们的效果，强化肠道的机械屏障，更大限度的保障肠道微生态的健康。
那么，我就以我们实验室研究最多的功能性氨基酸代表——色氨酸为例，来给大家介绍一下抗生素替代品和功能性氨基酸的复配作用。
色氨酸作为人和动物机体的非必须氨基酸之一，它不能在体内合成，需要从食物中摄取。
色氨酸目前被认为可以成为调节免疫反应的潜在靶点。它主要是通过 PI3K 和 AKT 途径，激活细胞内能量和免疫代谢的中枢——mTOR 信号通路，进而调节细胞的代谢和免疫，从而调控宿主防御肽的表达以及细胞内的很多生物进程。
此外，在前期研究的基础上，近年来研究发现，色氨酸有望成为炎症性肠病（IBD）的潜在候选药物。
我们课题组在前期研究发现，色氨酸除了作为合成蛋白质之外，还可以分解代谢产生多种具有生物学活性的化合物。目前已经知道的有 38 种，其中最重要的有 3 种。
首先是犬尿酸，它可以作为 AhR 受体（芳香烃受体）的激动剂，促进调节性 T 淋巴细胞的增殖，进而调控机体的免疫和肠道的黏膜屏障。
第二是五羟色胺，它可以由肠道黏膜上皮细胞分解色氨酸生成，也可以由部分肠道内的细菌代谢生成。它同时可以作用于肠道上皮细胞上的五羟色胺受体，以及肠道部分微生物上的五羟色胺受体。因此我们认为，五羟色胺是调控肠道菌群和肠道黏膜屏障之间的关键性的信号分子。
第三类是褪黑素。以往研究认为它是调控动物生长和节律的物质，近年来我们研究发现，它作为色氨酸代谢产物，可以介导肠道黏膜免疫细胞的活化和增殖，从而发挥抗菌作用，以及调节微生物的组成。褪黑素还可以通过 NF-κB 途径，介导肠道细菌的活动信号，调控肠道内菌群和宿主节律运动。
因此我们认为，色氨酸可以通过对肠道功能的多方面的调节，包括它的代谢产物的调控，在肠道的疾病和治疗中发挥着关键性的作用。
下面，我给大家再展开一点我们的研究发现。
色氨酸代谢产物可以通过芳香烃受体的激活，从而在菌群-肠-脑轴中发挥着关键性的调控作用。
我们都知道，色氨酸经过微生物的代谢，可以作为 AhR 的配体，激活 AhR 受体，而 AhR 受体可以促进炎性细胞因子和细胞色素 P450 酶的表达，并经过免疫、代谢和神经迷走信号的转导机制，介导肠道微生物与肠-脑轴之间的双向信号转导，从而调控了机体的炎症等等多项信号机制。
通过上面的介绍我们可以知道，以往人们使用抗生素调节和处理畜禽肠道问题，但现在的新常态认为，伴随着动物营养领域和微生态研究的发展，微生物的研究已经从单一菌种的丰度，转变为以聚类分析和群体为单位来发挥作用。
菌群中，细菌种内与种间的交流沟通，细菌群体生理特征的调控均提示，以细菌的群体感应作为研究和干预的靶点具有更重要的意义和可能性。
因此在我们的研究中，我们陆续分离鉴定了乳酸杆菌、双歧杆菌、枯草芽孢杆菌等多种益生菌，并阐明了其可以通过特异性的 postbiotics（后生素）介导群体感应系统，调控病原菌生物膜的形成，从而抑制病原菌的黏附定殖，实现对机体肠道菌群平衡的干预，改善动物的肠道健康。
在此基础上，我们筛选和鉴定能够具有靶向调控肠道关键菌群和后生素表达的营养素，揭示其营养调控的模式，将为将来阐明肠道菌群和黏膜天然免疫系统的协同效应机制，为营养干预仔猪阶段以及其它幼龄动物阶段的肠道疾病提供新的理论依据。
目前，开发新的益生元，用来培养出健康的肠道益生菌，从益生元和益生菌的互作里面，鉴定其潜在的生化机制，开发具有功能活性的后生素，将成为干预肠道健康和机体健康一个新的方向和策略。
如果我们快进到未来，我们就发现，益生菌的使用将会成为历史。因为，后生素作为微生物的代谢物，它具有化学结构明确、计量效应关系准、保存时间长、生物利用度高、效果稳定等等优点。而且，特别重要的是，它可以避免抗生素耐药基因的传递。
因此，越来越多的研究人员已经开始意识到，并不仅仅是益生菌本身在帮助我们的肠道，它们所分泌的分子和化学物质，即微生物的代谢产物 postbiotics，对我们的身体有非常大的有益作用。
基于此，在稳定状态下，postbiotics 在宿主与微生物间的相互作用，作为一种有效的沟通手段和干预措施，未来将深刻地影响着人类和动物的健康，也在抗生素的替代品当中发挥着关键性的作用。
现在的研究认为：“与其救疗于有疾之后，不若摄养于无疾之先”。用现在话来说就是，要治未病。
早在古代，人们就推崇健康饮食的观念。进入现代社会以来，由于环境污染、技术发展等等原因造成的食品安全问题严重的影响着我们自身的健康。
我们在政府和食品安全监控方面的严格监管大背景下，作为食动物性食品生产链条的最初也是最核心的环节，养殖业的安全健康将为我国的政府和民众所关切，更是牢牢牵动着学界和产业界的目光。
站在禁抗、替抗这个新的历史节点上，我希望今天借助热心肠研究院《肠·道》这个平台，来为我们抗生素替代品在养殖业的替抗时代所发挥的作用，为我们舌尖上的安全、肠道中的健康呼吁，希望得到大家越来越多的重视，希望我们能为大家把好动物性食品的第一关。
谢谢大家！