近年来，人们日益关注肠道微生物组及其在人类整体健康中的作用。与此相关的是，动物健康也正越来越多地通过这个在消化、免疫和抗病中起关键作用的复杂微生物生态系统来被理解。人们担忧作为我们食物来源的家畜的抗生素使用，也关切动物福利及我们宠物的健康，这些都和肠道微生物组有关。
因此，研究人员正在探索通过饲养和治疗策略来保护和改善动物健康的方法，其中一些策略类似于人类微生物组支持产品的市场，另一些则是动物王国所特有的。
动物健康的基础
肠道微生物组包括生活在消化道内的数万亿微生物，包括细菌、古菌、病毒和真菌。这些微生物在营养消化、免疫系统发育及抵御病原体方面发挥着关键作用。平衡的微生物组支持家畜和伴侣动物的饲料转化效率、生长及抵抗力（见图 1）。微生物平衡的破坏（称为菌群失调）与胃肠道疾病、代谢性疾病以及生产力下降有关。
我们分析了全球最大的人工精选科学信息库，即 CAS 内容合集TM，发现有关动物肠道微生物组的研究格局发生了显著演变。从 2005 年到 2024 年，该领域的期刊出版物数量呈现持续增长趋势（见图 2）。其中的对比插图显示，宠物的出版物总量略多于家畜，且在这两个类别中，期刊文章的数量均持续超过专利数量。
这表明近年来对宠物健康的关注度日益增加，且该领域的大多数研究尚未实现商业化。然而，根据我们的分析，多种治疗策略正受到越来越多的关注。如图 3A 所示，许多疾病与肠道微生物菌群失调有关，其中胃肠道、代谢及免疫相关疾病的研究记载最为充分。图 3B 则重点展示了旨在恢复微生物平衡的治疗策略，其中益生菌和益生元获得的研究关注度最高。这一比较凸显了科学界对针对各类健康问题的微生物组靶向干预措施日益增长的兴趣。
例如，在牛、家禽、猪和小型反刍动物等家畜中，肠道健康与饲料效率、增重、繁殖成功率和抗病能力密切相关。在犬、猫等伴侣动物中，微生物组不仅影响消化和免疫，还影响情绪、行为、皮肤状况和整体活力。宠物体内的菌群失调与肥胖、过敏、炎症性肠病、肠癌和焦虑等慢性病症相关，这凸显了微生物组对动物营养和生活质量的广泛影响。
当前调节肠道菌群的疗法
当肠道微生物组因抗生素使用、不良饮食、压力或感染等因素而失衡时，可能导致菌群失调，表现为胃肠道紊乱、炎症、代谢问题及免疫力下降。目前已出现多种针对菌群失调的治疗策略：
益生菌和益生元
益生菌，如乳酸菌、双歧杆菌和肠球菌等活的有益微生物，对改善动物肠道健康起着至关重要的作用。它们有助于恢复微生物平衡、抑制病原菌、提高养分吸收并减少胃肠道紊乱，尤其在应激、日粮转换和早期发育阶段效果显著。对犊牛、仔猪和牦牛的研究表明，富含益生菌的日粮可改善肠道形态、微生物多样性、免疫应答及生长性能，同时减轻炎症并支持消化。这些证据证明了益生菌和合生制剂在推动无抗畜牧生产、优化肠道微生物以促进动物整体健康方面的潜力。
益生元，如低聚果糖、菊粉和甘露寡糖，是不可消化的膳食纤维，能选择性地刺激肠道有益菌的生长。肠道微生物对其发酵后，会产生短链脂肪酸 (SCFA)，特别是丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐，这些物质对维持肠道屏障完整性、减轻炎症和支持代谢健康起着关键作用。
后生元
后生元，如乳酸和肽类等由益生菌产生的代谢物或结构成分，为改善动物健康提供了一种稳定、非活性的替代选择。当添加到饲料中时，它们可以调节粘膜和全身免疫反应，支持肠道完整性并减轻炎症。Admixture Research 公司近期的一项临床试验展示了后生元在伴侣动物健康中的潜力。在成年犬中，经热处理的后生元制剂，即动物双歧杆菌亚种乳亚种 CECT 8145 (PRIOME® MH)，在减肥阶段显著降低了餐后血糖水平，表明其在支持代谢健康方面具有作用。
粪便微生物群移植
粪便微生物群移植 (FMT) 作为一种有价值的治疗工具，在兽医领域正获得越来越多的认可，其应用遍及伴侣动物与家畜。在犬猫中，FMT 已显示出治疗胃肠道疾病（如抗生素相关性腹泻、慢性腹泻和炎症性肠病）的潜力，能显著改善临床症状并恢复微生物平衡（参考文献）。在家畜中，FMT 已在犊牛和奶牛等反刍动物中被探索用于控制腹泻，甚至在亚临床乳腺炎病例中改善乳房健康和乳品质。在猪（尤其是幼猪）中，FMT 能有效降低断奶后腹泻、促进增重并改善肠道菌群组成。这些应用突显了 FMT 在改善动物健康、生产性能和福利方面的潜力。
噬菌体疗法
噬菌体疗法因其作为适应性药物的多重优势，正在成为治疗细菌感染的一种新兴抗生素替代方案。这些优势包括其高度特异性，以及其在感染部位进化与增殖的能力。其前景广阔的应用包括：预防由金黄色葡萄球菌引起的奶牛乳腺炎、减轻由肠炎沙门氏菌导致的猪沙门氏菌病，以及控制家禽中的空肠弯曲杆菌和鸡沙门氏菌。基因工程（尤其是 CRISPR/Cas9 系统的整合）的最新进展，进一步提升了噬菌体疗法的精确性与疗效。
下一代疗法：应对抗菌素耐药性
正如当前在益生元/益生菌等疗法中所见，解决抗生素使用及相关耐药性问题至关重要。抗菌素耐药性 (AMR) 影响着粮食安全、人类健康和兽医医疗，因为肠道微生物组是抗菌素耐药基因 (ARG) 的关键储存库。在畜禽和伴侣动物中广泛存在的抗菌药物滥用加速了耐药性的产生，据估算，2020 年全球约 99,500 吨的兽用抗菌药物用量中，亚洲占了 67%。预计到 2030 年，这一数字还将上升 8%，这凸显了需要采取紧急、协同的干预措施，同时考虑抗菌药物使用、肠道菌群破坏与耐药性发展之间复杂的相互作用。
作为回应，相关研究力度已经加强，这反映在过去的二十年间，CAS 内容合集中与 AMR 相关的出版物数量持续增长（见图 4）。目前，各种创新策略正在开发之中。
以可持续性为重点的干预措施
以微生物组为靶点的治疗可能有助于同时改善动物健康与环境可持续性。一项研究表明，某些肠道细菌能够吸收并清除全氟和多氟烷基物质，一类持久性环境污染物。在小鼠中，这些微生物将全氟化合物的系统性水平降低了高达 75%，这表明在动物中采用解毒策略是一个有前景的途径。
另一项突破性进展是利用 CRISPR 技术改造益生菌，以减少牛的甲烷排放。由于强效温室气体甲烷主要由瘤胃中的产甲烷古菌产生，因此在生命早期阶段调控微生物组成，可在不影响生产力的前提下显著降低排放，为畜牧业提供可持续的解决方案。这种基于微生物组的干预为畜牧业提供了一项可持续策略，尤其考虑到畜牧业排放约占全球温室气体排放的 14.5%。
长寿
一项近期研究检测了兔的肠道微生物谱，发现某些微生物（如阿克曼菌和克里斯滕森菌科）与更长的繁殖寿命及更强的适应力相关。这些发现表明，基于微生物组的筛选或补充策略可被整合到育种计划中，以提升动物的寿命与生产力。通过利用诸如 CAS Scientific Patent ExplorerTM 等工具，我们识别出数项专利，表明该领域的商业关注度正在增加。
例如，近期一项专利涉及用于宠物食品的稳定化益生菌配方，该配方可提升适口性并改善健康效果。其他专利则聚焦于多菌株益生菌及针对畜禽和伴侣动物菌群失调的矫正疗法。另有一项专利概述了旨在增强肠道健康并提升动物生产性能的微生物-营养素混合制剂。
新型抗生素类别
最新研究成果正推动一批新型抗菌剂的问世，这类制剂具有广谱抗菌活性和低毒性特征，其目标是在精准杀灭病原体的同时保护肠道有益菌群。例如新近鉴定的套索肽 Lariocidin，在动物模型中展现显著疗效，并显示出突破耐药机制的潜力。同样地，研究人员发现悉尼岩牡蛎中的一种生物活性蛋白能够破坏细菌生物膜，并提升抗生素对抗耐药性金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的效果，且未观察到毒性或显著的微生物群紊乱。
抗菌光动力疗法
抗菌光动力疗法 (aPDT) 是一种创新治疗手段，它利用光敏剂在光照和氧气存在下产生活性氧 (ROS)，从而有效杀灭病原体。在兽医学领域，aPDT 已在治疗牛羊乳腺炎、以及犬猫等小动物的皮肤感染和中耳炎方面展现出潜力。研究证实，它对多种引起乳腺炎的细菌及多重耐药菌株均具有疗效。然而，其应用仍存在局限：由于光敏剂可能引发全身性光敏反应及潜在毒性，目前主要局限于局部使用，这需要在动物健康领域更广泛应用前进行更深入的研究。
抗菌肽
抗菌肽 (AMP) 作为传统抗生素的创新替代品，在家畜与宠物保健领域正受到越来越多的关注。这些肽类物质可分为非核糖体合成与核糖体合成两大类，对多种病原体均展现出强大的杀菌活性。非核糖体合成的抗菌肽（如多黏菌素和杆菌肽）主要靶向细菌细胞膜及细胞壁合成；而核糖体合成的抗菌肽（包括乳酸链球菌素和片球菌素等细菌素）则通过干扰关键生物合成途径和细胞进程发挥作用。其良好的生物可降解性、极低的环境影响以及与其他治疗的兼容性，使其成为饲料添加剂和治疗药物的理想候选。尽管优势显著，但抗菌肽仍面临诸多挑战，例如高昂的生产成本、较窄的抗菌谱、潜在的毒性，以及在给药和运输过程中的稳定性问题。基因与蛋白质工程的进步正在帮助突破这些限制，为抗菌肽在可持续动物健康管理中发挥更重要的作用铺平道路。
免疫调节策略
通过免疫调节策略增强动物的天然免疫系统，为传统抗菌方法提供了一种前景广阔的替代方案。核心方法包括使用益生菌、益生元、后生元及合生元，这些物质有助于维持健康的肠道微生物群，并增强对有害病原体的抵抗力。免疫刺激剂也被用于激活和加强免疫反应，从而减少对抗生素的依赖。此外，有针对性的疫苗接种计划在预防耐药病原体引发的感染方面发挥着关键作用，可提供主动保护，并有助于改善整体畜群健康与疾病管理。
植物化学物质
植物化学物是源自植物的生物活性化合物，其健康益处已获证实。它们的抗菌特性，连同其增强营养吸收、改善肠道健康和减少饲料腐败的能力，使它们成为反刍动物、猪和家禽生产中具有前景的天然抗生素替代品。
纳米颗粒
纳米颗粒因其独特的抗菌机制和物理化学性质，正成为动物健康领域具有前景的抗生素替代品。银、铜及复合纳米颗粒在体外已显示出对引起奶牛乳腺炎、子宫感染及蹄病的病原体具有强效抑制作用。它们通过破坏细菌细胞膜、产生活性氧并损伤细胞内结构，为对抗耐药微生物提供了新途径。尽管早期研究表明其在低浓度下安全性良好，但对细胞毒性和生物累积性的担忧凸显了在广泛兽医应用前，仍需进行更深入的体内研究。
臭氧疗法
臭氧疗法因其安全有效，正作为抗生素替代品在兽医学领域受到关注。其强氧化性可通过破坏细胞膜和 DNA 来杀灭细菌，同时在低剂量下兼具免疫调节和抗氧化作用。在牛、羊、山羊和马中的应用表明，臭氧在治疗乳腺炎、子宫炎及繁殖障碍方面成效显著，且不会在奶或肉中残留，因而无需设定休药期。
营养遗传学：精准设计饲养方案
无论是在人类还是动物中，饮食都与肠道微生物群健康密切相关。营养遗传学研究遗传变异如何影响动物对营养物质反应的科学，正通过提供基于遗传特征的精准营养方案，变革着动物健康服务。其核心在于，这种方法认识到个体的遗传差异会影响动物代谢营养物质和对膳食干预的反应，并直接关系到微生物组多样性与抗菌素耐药基因的流行。
在分子层面，营养物质通过多种机制与基因相互作用（见图 5）。理解这些机制有助于开发有针对性的日粮，以支持最佳的基因表达、生理机能和有益的微生物组成，同时减少对抗菌素耐药性的选择压力。
图 5：营养物质与基因相互作用的分子机制。
应用与健康效益
- 家畜：在家畜领域，营养遗传学已得到广泛应用，它提供了与遗传特征相匹配的精准营养策略，以改善健康水平和生产效率。研究表明，宿主的遗传因素能够影响肠道微生物组成，特定的遗传变异可通过微生物组介导的途径影响饲料转化效率。在家禽生产中，基因分析使得配制能促进生长速率、提高饲料转化效率、增强免疫韧性并促进有益微生物群落（抑制病原体定植）的饲料成为可能。在猪养殖中，营养遗传学方法已帮助识别出具有优异营养利用特性的猪只，从而实现支持繁殖性能、减少浪费的精准饲喂。同样，在奶牛生产中，基于基因型的日粮已被证明可提高产奶量并降低酮病和酸中毒等代谢性疾病的发生率。除传统家畜外，绵羊和山羊的营养遗传学研究也在进行中，旨在探索影响繁殖效率、免疫功能及适应营养匮乏环境的相关性状。
- 马科动物：在马匹中，营养遗传学正被探索用于通过定制营养策略来管理代谢综合征、支持运动马的竞技表现，以及预防蹄叶炎等疾病。这些应用在竞技及治疗场景中尤为重要，因为此时最佳的健康状态与恢复能力至关重要。
- 伴侣动物：营养遗传学在管理犬猫的品种特异性健康问题（如肥胖、食物过敏及代谢紊乱）方面正日益受到重视。基于遗传易感性的个性化日粮正在开发中，旨在延长寿命并提升整体健康水平。这些方法也有助于维持免疫和消化系统健康，从而改善生活质量并减少兽医干预。
展望未来，将营养遗传学成功整合到动物营养领域将取决于以下几项战略重点：简化基因筛查流程、开发考虑微生物组相互作用的可扩展及适应性饲喂模型、扩大研究范围以涵盖代表性不足的物种，并建立明确的监管框架。通过采纳这些进步，生产者、兽医及宠物主将能从通用饲喂模式转向与每只动物遗传潜能及健康需求相匹配的精准营养策略。
肠道健康关乎动物的整体福祉
推进动物健康需要一种整体性方法，整合肠道微生物组科学、营养遗传学洞见以及抗菌素耐药性的创新替代方案。这些领域共同为增强免疫力、优化营养和减少抗生素依赖提供了强有力的工具。随着我们对肠道微生物组重要性的不断认识，新的研究成果不仅将应用于人类健康，也将惠及与我们及我们环境互动的食物来源和伴侣动物。
