利用肠道微生物组疗法改善动物健康

近年来，人们愈发重视 肠道微生物组 及其在人类整体健康中的作用。与之相关的是，人们正通过这一复杂的微生物生态系统来重新审视动物健康，该系统在消化、免疫和疾病防御方面发挥着关键作用。公众对抗生素在食用牲畜中的使用、动物福利以及宠物健康问题日益关注，而这一切都与肠道微生物组息息相关。

因此，研究人员正在探索通过饲养和治疗策略来保护并增强动物健康，其中一些策略与人类微生物组支持市场相似，另一些则是动物领域的创新尝试。

动物健康的基石

肠道微生物组由居住在消化道中的数万亿微生物组成，包括细菌、古菌、病毒和真菌。这些微生物在营养消化、免疫系统发育和抵御病原体方面发挥着重要作用。平衡的微生物组有助于提升牲畜和伴侣动物的饲料转化率、生长速度和抗逆性（见图 1）。微生物平衡的破坏（即菌群失调）与胃肠道疾病、代谢性疾病及生产力下降密切相关。

我们分析了 CAS Content Collection^TM，这是全球最大的人工标引科学信息库，发现动物肠道微生物组领域的研究格局发生了显著演变。从 2005 年到 2024 年，该领域的期刊发表量呈持续上升趋势（见图 2）。插图对比显示，宠物相关的研究发表总量略高于牲畜，且在两个类别中，期刊论文数量均持续超过专利数量。

这表明近年来人们对宠物健康的关注度日益提高，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，多种治疗策略正逐渐受到重视。如图 3A 所示，许多疾病与肠道微生物组失调有关，其中胃肠道、代谢和免疫相关疾病的记录最为详尽。图 3B 重点介绍了旨在恢复微生物平衡的治疗策略，其中益生菌和益生元受到的研究关注度最高。这一对比凸显了科学界对针对微生物组的干预措施在治疗各类健康问题方面日益浓厚的兴趣。

例如，在牛、家禽、猪和小型反刍动物等牲畜中，肠道健康与饲料转化率、增重、繁殖成功率和抗病能力密切相关。在狗和猫等伴侣动物中，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。宠物的菌群失调已 被证实与 肥胖、过敏、炎症性肠病、肠癌和焦虑等慢性疾病有关，这凸显了微生物组对动物营养和生活质量的广泛影响。

调节肠道微生物群的现有治疗方法

当肠道微生物组因抗生素使用、饮食不当、压力或感染等因素而失衡时，会导致菌群失调，表现为胃肠道紊乱、炎症、代谢问题和免疫力下降。目前已出现多种应对菌群失调的治疗策略：

益生菌与益生元

益生菌——如乳杆菌、双歧杆菌和肠球菌等活体有益微生物——在增强动物肠道健康方面发挥着至关重要的作用。它们有助于恢复微生物平衡、抑制病原体、改善营养吸收并减少胃肠道紊乱，尤其是在动物处于应激、饮食转换和早期发育阶段时。针对小牛、仔猪和牦牛的研究表明，富含益生菌的饮食不仅能改善肠道形态、微生物多样性、免疫反应和生长性能，还能减轻炎症并促进消化。这些证据充分证明了益生菌和合生元在推动无抗畜牧生产及优化肠道微生物群以促进动物整体健康方面的巨大潜力。

益生元（如低聚果糖 (FOS)、菊粉和甘露寡糖 (MOS)）是不可消化的膳食纤维，能够选择性地刺激肠道有益菌的生长。肠道微生物对这些纤维的发酵会产生短链脂肪酸 (SCFA)，主要是丁酸、乙酸和丙酸，它们在维持肠道屏障完整性、减轻炎症和支持代谢健康方面起着关键作用。

后生元

Postbiotics, which are metabolites or structural components produced by probiotics such as lactic acid and peptides, offer a stable, non-living alternative for enhancing animal health. When added to feed, they can modulate mucosal and systemic immune responses, supporting gut integrity and reducing inflammation. A recent clinical trial by Admixture Research Company demonstrated the potential of postbiotics in companion animal health. In adult dogs, the heat-treated postbiotic form of Bifidobacterium animalis subsp. lactis CECT 8145 (PRIOME® MH) significantly reduced postprandial blood glucose levels during a weight loss phase, suggesting its role in supporting metabolic health.

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手段，在兽医学领域正日益受到认可，并广泛应用于伴侣动物和家畜。在犬猫中，FMT 在治疗抗生素相关性腹泻、慢性腹泻和炎症性肠病 (IBD) 等胃肠道疾病方面展现出良好前景，能显著改善临床症状并恢复微生物平衡 (Ref)。在畜牧业中，FMT 已被探索用于小牛和奶牛，以控制腹泻，甚至在亚临床乳腺炎病例中改善乳房健康和牛奶质量。在猪（尤其是幼猪）中，FMT 在减少断奶后腹泻、促进增重和改善肠道微生物群组成方面效果显著。这些应用凸显了 FMT 在改善动物健康、生产力和福利方面的潜力。

噬菌体疗法

噬菌体疗法是一种新兴的抗生素替代方案，因其作为适应性药物的多重优势，在治疗细菌感染方面备受关注。这些优势包括其高度特异性，以及在感染部位进化和增殖的能力。其应用前景包括预防由金黄色葡萄球菌引起的牛乳腺炎，减轻由肠炎沙门氏菌引起的猪沙门氏菌病，以及控制家禽体内的空肠弯曲杆菌和鸡沙门氏菌。基因工程领域的最新进展，特别是CRISPR/Cas9 系统的整合，进一步提高了噬菌体疗法的精准度和疗效。

下一代疗法：应对抗菌药物耐药性

正如目前的益生元和益生菌疗法所展示的那样，解决抗生素的使用及其相关的耐药性问题至关重要。抗菌药物耐药性 (AMR) 影响着粮食安全、人类健康和兽医护理，因为肠道微生物群是抗菌药物耐药基因 (ARG) 的关键储存库。畜牧业和伴侣动物中抗菌药物的广泛滥用加速了耐药性的产生，2020 年全球兽用抗菌药物使用量估计为 99,500 吨，其中亚洲占比高达 67%。预计到 2030 年，这一数字将增长 8%，这凸显了采取紧急、协调的干预措施的必要性，以应对抗菌药物使用、肠道微生物群紊乱与耐药性发展之间复杂的相互作用。

对此，研究力度不断加大，过去二十年 CAS 内容合集中与 AMR 相关的出版物稳步增长（见图 4）。目前，各种创新策略正在开发中。

可持续性重点干预措施

以微生物群为重点的治疗方法可能有助于同时改善动物健康和环境可持续性。一项研究表明，某些肠道细菌能够吸收并消除全氟和多氟烷基物质 (PFAS)，这是一类持久性的环境污染物。在小鼠体内，这些微生物使全身 PFAS 水平降低了高达 75%，这为动物排毒策略提供了一条有前景的途径。

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。由于甲烷是一种强效温室气体，主要由瘤胃中的产甲烷古菌产生，因此在生命早期改变微生物组成可以显著降低排放而不影响生产力，从而为畜牧业提供了一种可持续的解决方案。鉴于畜牧业排放量约占全球温室气体排放量的 14.5%，这种基于微生物群的干预措施为畜牧业提供了一种可持续的策略。

长寿

最近一项研究检查了兔子的肠道微生物谱，发现某些微生物（如阿克曼氏菌和克里斯滕森菌科）与更长的繁殖寿命和更强的适应力相关。这些发现表明，可以将基于微生物群的选择或补充整合到育种计划中，以提高寿命和生产力。通过利用CAS Scientific Patent Explorer^TM等工具，我们确定了多项专利，显示出该领域商业兴趣的日益浓厚。

例如，一项近期专利涵盖了用于宠物食品的稳定益生菌配方，可改善适口性和健康状况。其他专利则侧重于多菌株益生菌和用于纠正家畜及伴侣动物菌群失调的治疗方法。此外，还有一项专利 概述了一种微生物-营养素混合物，旨在增强肠道健康和动物表现。

新型抗生素类别

近期研究发现了一些新型抗菌剂，它们具有广谱活性且毒性极低，旨在保护有益肠道菌群的同时精准打击病原体。其中一个例子是 Lariocidin，这是一种新发现的套索肽，在动物模型中展现出强大的功效，并有望克服耐药机制。同样，一种来自悉尼岩牡蛎的生物活性蛋白已被发现能够破坏细菌生物膜，并增强抗生素对耐药性金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的杀伤力，且未观察到毒性或明显的微生物群紊乱。

抗菌光动力疗法

抗菌光动力疗法（aPDT）是一种创新方法，利用光敏剂在有氧条件下经光激活产生活性氧（ROS），从而有效杀灭病原体。在兽医学中，aPDT 在治疗牛羊乳腺炎以及小动物皮肤感染和耳炎方面展现出应用前景。研究已证实其对多种引起乳腺炎的细菌及多重耐药菌株具有显著疗效。然而，由于系统性光敏感性和潜在毒性，光敏剂的应用局限于局部，在动物健康领域广泛推广前仍需进一步研究。

抗菌肽

抗菌肽（AMPs）作为畜牧业和宠物护理中传统抗生素的创新替代品，正受到越来越多的关注。这些肽类分为非核糖体合成和核糖体合成两类，对多种病原体表现出强大的杀菌活性。多粘菌素和杆菌肽等非核糖体抗菌肽主要针对细菌膜和细胞壁合成，而乳酸链球菌素和片球菌素等核糖体合成的细菌素则通过破坏关键生物合成途径和细胞过程发挥作用。其生物可降解性、极小的环境影响以及与其他疗法的兼容性，使其成为饲料添加剂和治疗药物的理想候选者。尽管具有这些优势，但高昂的生产成本、较窄的抗菌谱、潜在毒性以及在给药和运输过程中的稳定性问题仍是挑战。基因工程和蛋白质工程的进步正在帮助解决这些局限性，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，是传统抗菌疗法的一种极具前景的替代方案。关键方法包括使用益生菌、益生元、后生元和合生元，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强化免疫反应，从而减少对抗生素的依赖。此外，针对性的疫苗接种计划在预防耐药病原体引起的感染方面发挥着至关重要的作用，提供了主动保护，并有助于整体畜群健康和疾病管理。

植物化学物质

植物化学物质是源自植物且具有明确健康益处的生物活性化合物。它们不仅具有抗菌特性，还能促进营养吸收、改善肠道健康并减少腐败，这使其成为反刍动物、猪和家禽生产中极具潜力的天然抗生素替代品。

纳米颗粒

纳米颗粒凭借其独特的抗菌机制和物理化学性质，正成为动物健康领域中极具前景的抗生素替代品。银、铜及复合纳米颗粒已在体外实验中显示出对奶牛乳腺炎、子宫感染和蹄部疾病病原体的强大杀伤力。它们能够破坏细菌膜、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。虽然早期研究表明其在低浓度下具有安全性，但关于细胞毒性和生物蓄积性的担忧，意味着在广泛应用于兽医临床前，仍需进行更多的体内研究。

臭氧疗法

臭氧疗法作为一种安全有效的兽医抗生素替代方案，正受到广泛关注。其强大的氧化性能通过破坏细胞膜和DNA来杀灭细菌，同时在低剂量下还具有免疫调节和抗氧化作用。臭氧已成功应用于牛、羊、山羊和马的乳腺炎、子宫炎及生殖系统疾病治疗，且不会在乳或肉中残留，从而避免了休药期。

营养遗传学：定制化喂养

无论是人类还是动物，饮食都与肠道微生物群的健康密切相关。营养遗传学研究基因变异如何影响动物对营养物质的反应，它通过实现基于基因图谱的精准营养，正在改变动物健康服务。从本质上讲，这种方法认识到个体基因差异会影响动物代谢营养物质的方式及其对饮食干预的反应，这直接关系到微生物群的多样性和抗生素耐药基因的流行。

在分子水平上，营养物质通过多种机制与基因相互作用（见图5）。了解这些机制有助于开发针对性的饮食，以支持最佳的基因表达、生理机能和有益的微生物群组成，同时减少对抗生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。

应用与健康益处

• 畜牧业：营养遗传学在畜牧业中已得到广泛应用，通过提供与基因图谱相匹配的精准营养策略来改善健康和生产力。研究表明，宿主遗传学可以影响肠道微生物组成，特定的基因变异通过微生物介导的途径影响饲料转化效率。在家禽养殖中，基因图谱分析已实现了饲料配方的优化，在增强生长速度、饲料转化率和免疫力的同时，促进了能够抵御病原体定植的有益微生物群落的形成。在养猪业中，营养遗传学方法有助于识别具有优良营养利用性状的猪只，从而实现精准喂养，支持繁殖性能并减少浪费。同样，在奶牛养殖中，基于基因型的饮食已被证明能提高产奶量，并减少酮病和酸中毒等代谢性疾病的发生。除了传统畜牧业，针对羊只营养遗传性状的研究也在进行中，旨在改善其繁殖效率、免疫功能以及对营养匮乏环境的适应能力。

• 马匹：营养遗传学目前正被探索用于马匹管理，通过定制化的营养策略来控制代谢综合征、支持运动马的竞技表现并预防蹄叶炎等疾病。这些应用在竞技和治疗环境中尤为重要，因为在这些场景下，最佳的健康状态和恢复能力至关重要。

• 伴侣动物：营养遗传学在管理犬猫品种特有的健康问题（如肥胖、食物过敏和代谢紊乱）方面正日益受到重视。基于遗传易感性的个性化饮食正在开发中，旨在延长寿命并提升整体健康水平。这些方法还有助于支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，营养遗传学在动物营养领域的成功整合将取决于几个战略重点：简化基因筛查流程，开发能够考虑微生物组相互作用的可扩展且灵活的饲喂模型，将研究范围扩大到代表性不足的物种，以及建立明确的监管框架。通过拥抱这些进步，生产商、兽医和宠物主人可以从通用的饲喂方式转向精准营养策略，以契合每只动物的遗传潜力和健康需求。  

肠道健康即动物的整体福祉

推进动物健康需要一种整合肠道微生物组科学、营养遗传学见解以及抗微生物药物耐药性创新替代方案的整体方法。这些领域共同提供了强大的工具，以增强免疫力、优化营养并减少对抗生素的依赖。随着我们不断加深对肠道微生物组重要性的理解，新的研究成果不仅将应用于人类健康，还将惠及与我们及环境互动的食物来源和伴侣动物。

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