《International Journal of Molecular Sciences》：Gut Microbiota as a Molecular Regulator of Mineral Homeostasis in Horses: Mechanisms and Future Perspectives
摘要
马的矿物质稳态传统上归因于肠道、肾脏、骨骼和内分泌系统的协调调节。新出现的证据表明，肠道微生物群也通过改变矿物质吸收发生的肠道环境来塑造这一过程。尽管人们对宿主-微生物群相互作用的兴趣日益增长，但连接马肠道微生物群与矿物质代谢的机制仍然知之甚少，且尚未被全面综合。本综述整合了马胃肠道生理学、肠道微生物生态学和矿物质代谢的现有知识，以考察肠道微生物群如何影响矿物质稳态，重点关注微生物发酵、生物活性代谢物产生、管腔pH调节、上皮屏障完整性、肠道矿物质转运蛋白的调节以及与内分泌和免疫通路的相互作用。对钙、磷和镁等常量矿物质以及铁、锌、铜、硒和锰等微量矿物质的评估采用了批判性方法。该评估区分了源自马研究的结果与从其他物种研究推断的结果。然而，马中的直接机制证据仍然有限，凸显了未来研究的必要性。通过整合微生物组分析、代谢组学、分子生物学和矿物质平衡研究来推进马微生物组研究，将增进我们对宿主-微生物群相互作用的理解，并支持基于微生物组的营养策略，以提高矿物质利用、胃肠道健康、骨骼功能以及马的长期健康和性能。
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引言
矿物质稳态由一个高度整合的生理网络维持，该网络协调肠道吸收、组织分布、内分泌调节和肾脏排泄，以在膳食矿物质摄入变化的情况下维持代谢稳定性。这一调节网络在马中尤为复杂，因为营养吸收发生在一个为后肠发酵进化而来的特殊消化 tract 中。马作为非反刍草食动物，显著依赖盲肠和结肠中的微生物群来发酵小肠酶无法分解的结构性碳水化合物。除了通过合成短链脂肪酸提供能量外，这一多样的微生物群落还通过调节管腔pH、氧化还原平衡、黏液分泌、上皮屏障稳定性和各种生物活性代谢物的产生来影响肠道微环境。微生物功能影响营养吸收的物理化学环境，同时在免疫调节、代谢信号传导和维持肠道平衡中发挥重要作用。因此，马胃肠系统作为一个完整的宿主-微生物群生态系统运作，而非仅仅作为消化器官。尽管人们日益认识到马肠道微生物群在消化生理和健康中的重要性，但其对矿物质稳态的潜在影响仍知之甚少。研究微生物代谢与矿物质稳态之间的相互作用可能产生创新策略，以增强马的营养、健康和运动性能。此外，这种理解可指导未来针对微生物组的营养干预措施的发展。
矿物质稳态传统上归因于肠道、骨骼、肾脏和内分泌系统之间的协调相互作用，这些系统共同调节全身矿物质平衡。该调节系统监督常量矿物质（包括钙、磷和镁）以及微量元素（如铁、锌、铜和硒）的代谢。该系统确保这些矿物质的浓度保持在正常细胞和系统功能所需的狭窄生理范围内。在调节器官中，小肠是矿物质吸收的主要部位。在这里，矿物质的生物利用度和摄取受到专门的上皮转运蛋白、管腔物理化学条件、膳食组成和营养相互作用的共同影响。肠道吸收后，矿物质被分配到代谢活跃的组织，特别是骨骼。全身矿物质平衡通过骨骼、肾脏和内分泌系统之间的协调相互作用进行调节，涉及甲状旁腺激素、骨化三醇[1,25-二羟基维生素D3]、成纤维细胞生长因子23和降钙素。
矿物质稳态的经典模型为理解矿物质调节提供了强有力的框架。然而，它未能充分解决肠道微生物群的影响，而肠道微生物群日益被认为是宿主代谢和营养利用中的关键组成部分。肠道微生物群除了支持后肠发酵外，还作为一个动态生态系统运作。它们通过产生生物活性代谢物、改变肠道环境以及影响与营养代谢相关的上皮、免疫和内分泌通路与宿主相互作用。宿主微生物群之间的相互作用通过几种相互关联的机制影响矿物质生物利用度，包括微生物代谢物的产生和肠道微环境的调节。这些相互作用的证据主要来自对人类和实验动物模型进行的机制研究。这些研究表明，肠道微生物组成和代谢活性的变化与钙、磷、镁、铁和锌代谢的改变相关。相比之下，尽管后肠发酵在马消化中的重要性以及人们对马肠道微生物组的理解日益增加，但微生物群落调节马矿物质稳态的机制在很大程度上仍然未知。这种知识的缺乏阻碍了基于微生物组的营养策略的推进，这些策略旨在改善马的矿物质利用、胃肠道健康和运动性能。
尽管在马胃肠道生理学和后肠微生物群组成方面取得了显著进展，但微生物群落与矿物质平衡之间的功能关系仍未得到充分理解。当前知识主要基于对人类和实验动物的研究，而涉及马的研究既稀少又分散。因此，许多重要问题仍未解决，包括微生物代谢物对矿物质生物利用度的影响、肠道矿物质转运系统的调节以及肠道微生物群与控制矿物质代谢的内分泌通路之间的相互作用。解决这些知识空白至关重要，因为对宿主-微生物群相互作用的更全面理解可能促进基于微生物组的营养策略的发展。这些策略旨在改善矿物质利用、支持胃肠道健康、增强骨骼完整性和运动性能，并促进马的长期健康和福利。由于关于这一主题的直接马数据在各个学科中有限且分散，本综述的主要贡献是将稀缺的马特异性证据与其他物种的机制发现整合成一个连贯的框架。该方法明确区分了在马中已确立的知识与通过外推做出的推断，从而为未来针对马科的分子研究制定可检验的假设。我们提出，马肠道微生物群可能通过复杂的机制网络而非单一途径影响矿物质稳态。这些机制可能包括微生物对含矿物质膳食化合物的转化、改变肠道物理化学环境的微生物代谢物的产生、对上皮屏障功能和矿物质转运过程的影响，以及与宿主免疫和内分泌通路的间接相互作用。然而，这些机制在马中活跃的程度仍不清楚，来自人类和其他实验物种的证据不应等同于直接的马证据。因此，本综述根据现有证据的强度和来源评估这些提出的途径，区分实验验证的马机制与需要马验证的跨物种证据和假设。因此，本综述整合了马胃肠道生理学、肠道微生物生态学和矿物质稳态的现有知识，以评估这些潜在机制，区分已确立的马证据与跨物种推断，并确定未来研究的优先事项。这些努力旨在推进基于微生物组的营养策略，并增强马科的长期健康和福利。
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文献检索与证据分类
使用PubMed、Web of Science、Scopus、Science Direct和Google Scholar数据库进行了全面的文献检索，以定位关于马肠道微生物群、矿物质稳态、胃肠道生理学、宿主-微生物群相互作用和矿物质代谢的相关同行评审文章。检索涵盖了截至2026年7月发表的研究，采用关键词组合，包括动物模型（"equine"、"horse"、"horses"）、微生物生态系统（"gut microbiota"、"gut microbiome"、"hindgut fermentation"）和矿物质代谢（"mineral homeostasis"、"mineral metabolism"、"calcium"、"phosphorus"、"magnesium"、"iron"、"zinc"、"copper"、"selenium"和"intestinal absorption"）。额外的检索将单个矿物质与机制术语组合，包括"microbial metabolites"、"short-chain fatty acids"、"intestinal transporter"、"bioavailability"、"phytate"、"epithelial barrier"、"endocrine regulation"和"immune signaling"。分析中包括了以英文发表的研究文章、系统综述、权威综述论文、书籍和营养指南。当文献提供马中的直接证据时优先考虑；然而，当研究提供与可能适用于马矿物质稳态的途径相关的机制证据时，也纳入了在人类和其他动物模型中进行的研。在必要时保留了基础研究以建立生理或分子机制。优先考虑过去10至15年发表的研究，但必要时也纳入了里程碑式出版物和基础参考文献。所选文献经过批判性评估，并组织成涵盖马胃肠道生理学、肠道微生物生态学、矿物质稳态、宿主-微生物群相互作用、分子机制和未来研究方向的专题部分。如果研究不涉及马胃肠道生理学、肠道微生物功能、矿物质代谢或与宿主-微生物群相互作用相关的机制，或缺乏足够信息来支持本综述中提供的机制解释，则将其排除。由于本文构成一篇整合性机制叙述性综述，而非系统综述或荟萃分析，研究按主题综合而非进行定量合并。
为防止将马观察结果与其他物种的机制证据混淆，本综述中综合的证据根据其实验来源进行解释。当微生物群、微生物代谢物、矿物质状态、矿物质吸收、转运蛋白表达或相关生理结果在马中进行了实验评估时，研究结果被视为直接马证据。当来自人类或其他动物模型的研究结果提供了可能与马生理学相关但尚未在马中直接证明的实验支持机制时，将其归类为跨物种机制证据。缺乏足够实验验证的机制被描述为提出或假设性机制。该分类贯穿全文和表格应用，在缺乏直接证据的地方对因果术语进行了适度处理。
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马胃肠道与肠道微生物群
3.1 马胃肠道的结构和功能组织
马的消化系统是一种特化的解剖结构，进化用于高效处理纤维性植物日粮，主要通过后肠中广泛发生的发酵。与主要在瘤胃中进行微生物发酵的反刍动物相比，马是单胃草食动物。它们依赖庞大且代谢活跃的盲肠和结肠来分解小肠中未被酶消化的结构性碳水化合物。这一进化特征使马能够从植物细胞壁成分中提取能量，同时确保食糜通过消化道的稳定流动，这一关键特征与其自然放牧习性和营养生态学相一致。马后肠既作为发酵场所，又作为一个动态生态系统。在这个环境中，宿主与其常驻微生物群之间的复杂相互作用影响消化效率、肠道平衡、免疫功能和营养吸收。因此，理解马胃肠道的结构和功能组织为认识马肠道微生物群的组成、代谢活性和生态复杂性提供了生理基础。
马胃肠系统在功能上分为在消化和营养利用中具有不同作用的区域。胃和小肠负责易消化营养素的酶解和吸收，而相当比例的结构性碳水化合物到达后肠进行微生物发酵。盲肠和结肠提供微生物发酵的主要场所，常驻微生物在此降解纤维素、半纤维素和其他复杂多糖，并产生与宿主生理相关的微生物代谢物。这种解剖组织创造了一个支持广泛后肠发酵和持续宿主-微生物群相互作用的独特微生物环境。这些特征与矿物质稳态尤为相关，因为后肠中的微生物活性可以改变管腔化学环境并产生可能影响矿物质可用性和宿主生理通路的代谢物。马胃肠道的解剖组织和与微生物定殖相关的主要消化隔室如图1所示。
马后肠的物理化学条件，以延长的食糜滞留、稳定的管腔环境和持续的可发酵底物流入为特征，促进了多样化厌氧微生物群落的维持并促进了广泛发酵。微生物发酵将结构性碳水化合物转化为短链脂肪酸，主要是乙酸、丙酸和丁酸，这些脂肪酸对宿主能量代谢有显著贡献并影响上皮和胃肠功能。除了碳水化合物发酵外，后肠微生物产生可与宿主生理通路相互作用的多种代谢物。微生物活动与矿物质稳态相关，因为它们有能力改变肠道物理化学环境。此外，它们可能提供微生物衍生的信号，使微生物群能够影响矿物质可用性和宿主矿物质生理。
3.2 马肠道微生物群的组成、发育和生态多样性
成年马肠道微生物群包含一个多样且主要为厌氧的群落，适应于后肠的发酵条件。尽管维持一个相对稳定的核心群落，但其组成和代谢活性可能随饮食、年龄、管理和抗菌药物暴露等因素而变化。这些变化与矿物质稳态相关，因为饮食和环境变化可以影响微生物组成和功能。此类变化可能改变发酵模式、微生物代谢物产生和肠道物理化学环境。因此，仅检查微生物群组成可能不足以理解其对矿物质生理的潜在贡献；功能活性和宿主-微生物群相互作用也很重要。
成熟马后肠微生物群主要由多种厌氧微生物组成，它们共同创造了一个高度特化的发酵环境。细菌是该微生物群落中的主导群体，其中厚壁菌门、拟杆菌门、纤维杆菌门、疣微菌门、变形菌门和放线菌门在分解纤维和维持代谢平衡中发挥关键作用。马肠道微生物群中微生物门类的相对丰度报告在不同研究中表现出显著变异性。据报道，厚壁菌门约占肠道微生物组的45-68%，而拟杆菌门在某些报告中占14-37%。相反，另一项研究确定拟杆菌门在健康和结肠炎马中均比厚壁菌门更普遍。纤维分解细菌负责纤维素、半纤维素和其他结构多糖的降解。相比之下，糖分解和蛋白分解微生物进一步处理发酵的中间产物。这导致复杂的营养相互作用，提高了后肠发酵的效率和稳定性。除细菌外，马后肠还含有产甲烷古菌、厌氧真菌、原生动物、噬菌体和其他病毒。尽管这些不太普遍，但它们通过利用氢气、破坏植物纤维、调节微生物种群和促进水平基因转移在微生物生态系统中发挥作用。
以饲草为基础的日粮促进纤维分解微生物的生长，而富含淀粉或精料的日粮则促进淀粉分解细菌种群。这种转变可能破坏微生物平衡，从而增加后肠酸中毒和相关胃肠疾病的风险。包括年龄、品种、遗传、管理实践、地理位置、季节变化、运动、应激、疾病状态和抗菌药物使用在内的各种因素导致个体间微生物组成和功能的差异。尽管存在差异，但微生物类群间的功能冗余使后肠生态系统能够维持关键的发酵和代谢活动。这种冗余确保了在广泛的生理条件下的消化效率和胃肠道平衡。微生物群落的每个分类组对代谢过程都有独特贡献，这些过程有助于纤维降解、促进微生物交叉喂养、维持胃肠道平衡，并可能影响矿物质代谢。
3.3 马肠道微生物群的功能作用
马后肠的微生物群在降解前肠酶消化逃逸的膳食纤维中起关键作用，从而使马能够有效消化富含饲草的日粮。这一过程由多种纤维分解微生物的协调活动促进，它们产生广泛的碳水化合物活性酶谱。这些酶能够将纤维素、半纤维素、果胶和其他植物多糖降解为可发酵底物。这些微生物参与复杂的代谢网络，其中初级降解者产生随后被次级发酵者通过微生物交叉喂养利用的中间产物。这一过程优化了纤维降解和能量提取。这种协作代谢策略使马后肠能够作为高效的发酵系统运作，从而提高消化效率，同时保持常驻微生物群的代谢活动。
在膳食碳水化合物的厌氧发酵过程中，产生乙酸、丙酸和丁酸，共同提供估计马维持能量需求的50-70%。短链脂肪酸是马后肠发酵的既定产物，对宿主能量代谢有显著贡献。在啮齿动物和人类中的研究表明，短链脂肪酸信号传导可以影响与上皮和矿物质相关的通路。目前尚不清楚这些效应在马中是否相似。短链脂肪酸已知是微生物发酵的产物，但它们也作为影响肠道上皮、免疫和代谢功能的信号分子。马研究强调它们在后肠发酵和胃肠道健康中的作用，而对上皮信号传导、营养转运和矿物质通路的具体影响主要见于人类和动物模型。这些跨物种发现表明马微生物群与其宿主之间相互作用的生物学合理机制。然而，它们不应被解释为短链脂肪酸介导的马矿物质吸收调节的直接证据。后肠微生物群负责产生必需维生素，包括B族维生素复合物和维生素K。它还参与氨基酸代谢和氮循环，同时产生众多促进肠道微生物群与宿主组织之间通讯的生物活性代谢物。总的来说，这些微生物代谢物将肠道微生物群的功能影响扩展到消化之外。它们建立了一个将微生物活动与宿主生理调节联系起来的代谢界面，从而为肠道微生物群在矿物质稳态中的新兴作用提供了机制基础。
除了参与能量代谢外，马的肠道微生物群在维持肠道平衡方面起着至关重要的作用。这些微生物产生的代谢物通过保持紧密连接的完整性和促进黏液分泌来加强肠道上皮屏障。因此，这降低了肠道通透性，从而提供针对肠道病原体和炎症刺激的保护。肠道微生物群通过与上皮和免疫细胞的持续相互作用影响先天性和适应性免疫反应。微生物衍生的代谢物，特别是丁酸，促进调节性T细胞的分化并减少过度炎症反应，从而促进肠道内的免疫耐受。微生物群落提供了一种重要的定殖抵抗机制，改善胃肠道健康并维持微生物平衡。这些功能共同将肠道微生物群确立为肠道完整性和整体宿主健康的关键调节者，而不仅仅是饲料发酵的参与者。马肠道微生物群的主要生理功能及其对宿主代谢和矿物质稳态的贡献总结于图2。
3.4 研究马肠道微生物组：表征微生物群落的技术
马肠道微生物群的表征在过去二十年中经历了显著的方法论演变。最初，研究主要采用依赖培养的技术，这些技术仅限于识别那些能在标准实验室条件下增殖的细菌类群，从而显著低估了实际的微生物多样性。培养组学的最新进展，将多样化的培养条件与通过基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱的快速鉴定相结合，部分缓解了这一限制。然而，该领域已被下一代测序技术的引入从根本上改变。图3总结了用于表征马肠道微生物组的主要基于培养和基于测序的方法，突出了它们在常见下游生物信息学分析上的汇聚。
主要的测序方法涉及靶向细菌16S核糖体RNA基因，其高变区被扩增、聚类为操作分类单元，随后使用参考数据库（如Green-genes和SILVA）进行分类。尽管这种16S扩增子测序既经济高效又成熟，但它在马微生物组研究中存在某些局限性。具体来说，当前的短读长平台通常仅捕获完整基因的一部分，这限制了在属水平以上自信地分配分类学的能力。此外，不同类群间16S拷贝数的变异可能扭曲相对丰度的估计，引物的选择可能系统性地过度或不足代表特定细菌群。靶向富集杂交捕获是一种已被研究用于表征马粪便微生物组的替代测序方法。该方法已被证明与常规16S rRNA扩增子测序相比能识别更多样化的属和种。值得注意的是，靶向富集杂交捕获促进了额外门类的检测，如柔膜菌门和广古菌门。这些发现表明，靶向富集杂交捕获可能为未来马微生物组研究提供更全面的选择。
鸟枪法宏基因组测序通过捕获样本的完整基因内容而非聚焦于单一标记基因，解决了若干局限性。这种方法提高了分类学分辨率，并且对于本综述探讨的问题至关重要，它允许直接评估功能基因内容。这包括可能参与矿物质转运、隔离或代谢物产生的基因。尽管这种方法计算密集，但其解释能力受参考基因组可用性的限制。非致病性和先前未培养的类群在公共序列数据库中的代表性相对不足，这一缺陷常被称为微生物"暗物质"。常用于16S和宏基因组数据分析的生物信息学平台，如QIIME和mothur，促进了多样性指数的计算。这些指数包括香农指数、辛普森指数和Chao1丰富度估计器，它们表征了样本内和样本间的群落丰富度和均匀度。未来涉及将鸟枪法宏基因组学与代谢组学和矿物质平衡数据相结合的马矿物质稳态研究，将需要马特异性参考数据库的持续开发，以充分利用这些方法论的进步。
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马矿物质稳态的生理调节
4.1 矿物质的生理重要性
矿物质是参与马生长、维持、繁殖和运动性能所需几乎所有生理过程的关键营养素。常量矿物质如钙、磷和镁需要大量摄入，对骨骼发育、神经肌肉功能、能量代谢和维持酸碱平衡至关重要。微量元素包括铁、锌、铜、锰和硒，需要量极少，但同样必不可少。这些矿物质作为结构成分或酶辅因子发挥作用，在氧运输、抗氧化防御、免疫调节、结缔组织形成和细胞代谢中发挥关键作用。矿物质水平通过控制肠道吸收、组织储存、再分布和排泄的机制根据代谢需求进行精细调节。这种调节至关重要，因为缺乏和过量都会损害生理功能。
维持适当的矿物质平衡至关重要，因为缺乏和过量都会对马健康、生长、繁殖、免疫功能和运动性能产生不利影响。矿物质失衡可能源于膳食摄入不足、肠道吸收减少、排泄过多或矿物质间的拮抗相互作用降低其生物利用度。例如，膳食中过量的钙摄入可抑制磷吸收，而升高的铁水平可阻碍铜和锌的吸收。硒、铜或锌的缺乏与抗氧化能力下降、免疫反应受损、组织愈合延迟和肌肉骨骼性能降低相关。因此，实现矿物质平衡不仅需要充足的膳食摄入，还需要有效的肠道吸收、生理调节以及各种矿物质的协同相互作用以支持最佳代谢过程。正常生理功能所需的主要矿物质通过高度协调的稳态机制进行调节。新出现的证据表明，这些调节通路中的若干也可能受肠道微生物群的影响。
4.2 矿物质的肠道吸收与转运
在马中，矿物质吸收主要发生在小肠，尽管大肠也 contributes 到特定矿物质和电解质的吸收。这一吸收过程受到精确调节，并受多种因素影响，包括每种矿物质的物理化学性质、肠道pH水平、膳食组成和特定上皮转运蛋白的存在。矿物质通过被动细胞旁扩散和主动跨细胞转运被吸收，每种途径的重要性根据矿物质浓度、生理需求和激素影响而变化。这些过程共同确保矿物质吸收与马的代谢需求一致，从而防止过度积累。
体内的矿物质吸收由位于肠道上皮细胞中的特定膜转运蛋白介导。这些转运机制根据身体的生理需求调节矿物质的摄取、细胞内移动和释放。钙的吸收主要涉及瞬时受体电位香草酸亚型6、钙结合蛋白-D9k和质膜钙ATP酶1b。磷的转运主要由钠依赖性磷酸盐共转运体-NaPi-IIb进行，而镁的吸收主要依赖瞬时受体电位melastatin通道。铁通过二价金属转运体1和铁转运蛋白吸收。锌和铜水平的调节涉及ZIP、ZnT、ATP7A和ATP7B转运蛋白家族。这些转运蛋白的表达和功能不断根据膳食矿物质摄入、激素信号和生理需求进行修改。这种适应性调节确保有效的矿物质吸收，防止过度积累，并维持体内整体矿物质平衡。这些转运系统的存在和生理功能必须与表明它们受肠道微生物群调节的证据区分开来。目前马中微生物群介导的矿物质转运蛋白表达或活性调节的直接证据有限。下文讨论的微生物群与转运蛋白之间提出的相互作用主要得到人类或其他动物模型实验研究的支持。
矿物质吸收受各种饮食和生理因素以及转运蛋白活性的影响。矿物质在肠道内的溶解性和生物利用度取决于其化学形式。膳食成分可通过肠道管腔内的化学相互作用促进或阻碍吸收。例如，植酸盐、草酸盐和升高的膳食纤维水平通过与钙、铁、锌和其他微量元素形成不溶性复合物来降低矿物质的生物利用度。相反，有机酸和发酵产物增加矿物质溶解度并促进吸收。胃肠道pH、肠道转运时间和上皮完整性等因素也通过改变吸收部位的物理化学条件影响矿物质摄取。有效的矿物质吸收既取决于膳食摄入，也取决于健康肠道环境的维持。这一理解构成了肠道微生物群对矿物质稳态潜在影响的生理基础。
后肠微生物群与矿物质吸收之间的空间关系是理解马微生物群-矿物质相互作用的关键因素。需要考虑的一个关键方面是微生物发酵的主要部位与矿物质吸收的主要部位之间的空间分离。大多数微生物生物量和代谢活动位于盲肠和结肠，而多种矿物质的大量吸收发生在小肠。因此，不应假设后肠微生物在微生物发酵部位直接增强矿物质吸收。相反，它们的影响可能通过局部和间接机制介导。在局部，微生物代谢可以改变管腔pH、矿物质形态、络合和后肠的化学环境，这可能影响该隔室内矿物质的可用性或再循环。间接地，后肠中产生的微生物代谢物可能与上皮、免疫、神经或内分泌通路相互作用，从而影响胃肠道其他部位或全身的生理过程。这些通路在马中的相对重要性仍不确定，需要直接的实验研究。
4.3 矿物质稳态的内分泌调节
矿物质稳态通过一个精确协调的内分泌系统维持，该系统持续调整肠道吸收、肾小管重吸收和骨矿物质交换以满足生理需求。调节该系统的主要激素是甲状旁腺激素、骨化三醇、成纤维细胞生长因子23和降钙素。这些激素迅速响应循环矿物质水平的变化，并通过互补反馈回路运作以维持整体矿物质平衡。它们的协调作用将矿物质水平维持在严格的生理限度内，尽管膳食摄入和代谢需求存在波动。
甲状旁腺激素响应血钙水平降低而分泌。它增加肾脏钙重吸收，刺激骨矿物质释放，并促进肾脏中骨化三醇的合成。骨化三醇随后通过上调肠细胞中矿物质转运蛋白的表达来增强钙和磷的肠道吸收。成纤维细胞生长因子23主要由骨细胞和成骨细胞响应磷浓度升高而产生。其作用是减少肾磷酸盐重吸收、抑制骨化三醇合成并促进磷酸盐排泄，从而确保磷稳态。尽管降钙素在成年马中的作用更为有限，但它通过在高血钙水平期间减少破骨细胞骨吸收来促进钙调节。利用非马模型的研究表明，微生物代谢物有可能与调节矿物质代谢的宿主内分泌信号通路相互作用。然而，缺乏直接证据证明马中微生物群介导的甲状旁腺激素、骨化三醇、成纤维细胞生长因子23或降钙素调节。因此，肠道微生物群与马矿物质稳态内分泌调节之间的相互作用应被视为假设性机制而非已确认的生理通路。
内分泌系统对矿物质稳态的调节与肠道、肾脏和骨骼的功能密切相关。这些器官持续通讯，交换激素和代谢信号以在不断变化的营养和生理状态下维持矿物质平衡。近期研究表明，肠道微生物群可能通过改变微生物代谢物的产生、影响矿物质可用性以及调节上皮和免疫功能来影响内分泌通讯。尽管马中的直接证据仍然有限，但这些发现表明内分泌调节与肠道微生物活动之间的相互作用在矿物质稳态中起着关键作用。
4.4 影响矿物质生物利用度的因素
矿物质的生物利用度受其膳食存在以及影响其肠道吸收和利用的各种营养、生理和环境因素的影响。矿物质的化学形式起重要作用，高溶解性形式通常比不溶性形式更有效地被吸收。膳食成分可通过协同或拮抗相互作用增强或阻碍矿物质可用性。植酸盐、草酸盐、单宁和过量膳食纤维等物质可通过与钙、铁、锌和其他微量元素形成不溶性复合物来减少矿物质吸收。相反，有机酸、某些氨基酸和发酵产生的代谢物可以改善矿物质溶解度并促进增强的肠道吸收。因此，矿物质生物利用度既取决于膳食组成，也取决于胃肠道内的物理化学环境。在马中，后肠微生物植酸酶的显著活性似乎大大减轻了单胃物种中常见的植酸盐抗营养效应。
宿主相关因素显著影响矿物质生物利用度的变异。年龄、生理状态、健康、胃肠功能和营养需求等因素在决定矿物质吸收和保留方面起关键作用。肠道pH、上皮完整性、转运时间和微生物发酵的改变改变了矿物质吸收的环境。这些变化影响矿物质溶解度、转运蛋白活性和上皮功能，从而影响矿物质利用。越来越多的证据表明，肠道微生物群通过塑造肠道微环境和产生影响营养吸收的代谢物在这些过程中做出显著贡献。理解这些相互作用对于解释肠道微生物群在矿物质稳态中的新兴作用至关重要，这将在下一节中考察。
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连接马肠道微生物群与矿物质稳态的机制
5.1 肠道微环境的重塑
肠道微环境是肠道微生物群影响矿物质稳态的主要界面。通过微生物发酵和其他代谢活动，肠道微生物群调节管腔pH、氧张力、氧化还原平衡、黏液组成、上皮完整性和肠道通透性等因素。这些修改影响矿物质被溶解、转运和被肠道上皮细胞吸收的环境。
微生物发酵产生可改变管腔pH的有机酸，从而改变矿物质存在的物理化学环境。在其他实验系统中，管腔酸度的变化与矿物质溶解度和可用性的改变相关。短链脂肪酸介导的后肠pH变化在马中直接影响全身矿物质吸收的程度仍不确定。这种不确定性主要源于几种矿物质的大量吸收发生在后肠发酵的主要部位之前。此外，微生物代谢对于维持黏液层和肠道上皮的完整性至关重要。这些结构作为管腔内容物与宿主组织之间的主要屏障，同时也提供矿物质吸收所需的表面。上皮完整性或微生物平衡的任何破坏都可能通过影响肠道通透性和吸收功能来潜在减少矿物质摄取。
马研究中的证据表明，肠道微生物群在后肠发酵和代谢物产生中发挥作用。此外，来自其他物种的证据表明，微生物代谢物也可能影响上皮和矿物质相关的信号通路。强健的肠道屏障增强营养转运效率，同时减轻可能损害吸收功能的炎症。相反，微生物失调可以损害上皮完整性、干扰转运蛋白活性并降低矿物质生物利用度。这些发现共同表明，肠道微生物群创造了一个生物环境。
5.2 微生物代谢物作为矿物质稳态的调节因子
微生物代谢物是促进肠道微生物群与宿主之间通讯的主要分子介质。这些化合物在膳食底物发酵和微生物对内源分子的转化过程中合成。一旦产生，它们在肠道管腔局部发挥作用或进入循环以影响远端器官。
短链脂肪酸是马后肠发酵过程中产生的主要微生物代谢物，是结肠细胞的主要能量来源，提供估计马维持能量需求的50-70%。在人类和动物中的研究表明，短链脂肪酸信号传导可能影响与矿物质处理相关的通路。然而，将短链脂肪酸产生与马矿物质吸收或转运蛋白活性变化直接联系起来的证据有限。因此，短链脂肪酸应被视为微生物群-宿主通讯中与矿物质平衡相关的潜在介质，而非马矿物质吸收的已确认调节因子。
肠道微生物群产生一系列代谢物，包括次级胆汁酸、吲哚衍生物、多胺、微生物维生素和微生物代谢过程中产生的其他生物活性化合物。尽管这些代谢物中的大多数主要在人类和实验动物中进行了研究，但它们日益被认为是上皮更新、免疫功能、氧化平衡和细胞信号传导的调节因子。此外，某些代谢物影响肠道转运蛋白的表达和活性，表明可能间接参与矿物质吸收。然而，这些代谢物在马矿物质稳态中的确切贡献尚不清楚，需要进一步研究。这些代谢物通过多种相互关联的机制而非单一途径发挥作用，共同影响矿物质吸收和利用的效率。理解这些机制对于考察肠道微生物群如何影响特定矿物质的稳态至关重要。
5.3 肠道矿物质转运的微生物调节
有效的矿物质吸收依赖于肠道上皮转运系统的协调活动，这些系统响应饮食、生理、激素和环境信号。在人类和其他动物模型中的实验研究表明，微生物代谢物可以影响与肠道矿物质转运相关的信号通路。然而，直接实验证据表明马肠道微生物群或其代谢物调节马矿物质转运蛋白表达或活性的证据仍然有限。例如，短链脂肪酸对钙转运蛋白（包括TRPV6和钙结合蛋白-D9k）的影响已在人类和啮齿动物模型中证明。相比之下，与微生物群相关的铁调节通路改变，涉及DMT1、铁转运蛋白和铁调素，主要已在非马系统中进行了研究。同样，关于锌和铜相关转运通路的证据主要来自非马模型。因此，本节讨论的机制应根据其证据基础进行解释，将已确立的转运蛋白生理学与跨物种证据和提出的微生物群介导效应区分开来。
肠道上皮作为肠道微生物群与宿主之间的动态界面。微生物群落与上皮细胞之间的持续相互作用调节细胞增殖、分化和更新，从而维持整个胃肠道的吸收能力。在肠道失调的情况下，调节过程的破坏可导致转运蛋白活性降低。因此，维持平衡的肠道微生物群对于维持有效矿物质转运所需的生理条件至关重要。
虽然肠道矿物质转运的基本机制相似，但每种矿物质拥有独特的吸收途径、调节激素和对微生物活性的敏感性。因此，肠道微生物群对矿物质的影响根据其化学性质、转运系统和生理调节而有所不同。以下各节总结了将肠道微生物群与特定常量和微量矿物质稳态联系起来的最新证据。
5.4 肠道微生物群与常量矿物质稳态
钙、磷和镁是骨骼发育、神经肌肉功能、细胞信号传导和能量代谢所必需的主要常量矿物质。这些矿物质的稳态通过肠道、骨骼、肾脏和内分泌系统之间的复杂相互作用维持。近期证据表明，肠道微生物群通过改变这些矿物质被吸收的肠道环境，构成了该调节网络的额外元素。这一观点通过认识到肠道微生物群是矿物质调节中的活跃参与者，而非内分泌调节之前消化的被动组成部分，扩展了矿物质稳态的传统模型。
在常量矿物质中，钙吸收最直接受到第5.1节中描述的发酵驱动pH和上皮屏障机制的影响。在涉及啮齿动物结直肠黏膜和Caco-2人肠道上皮细胞的实验研究中，已证明暴露于短链脂肪酸可增强TRPV6和钙结合蛋白-D9k的表达。这些发现表明了一种将微生物活动与钙处理联系起来的潜在分子机制；然而，微生物群-TRPV6/钙结合蛋白关系尚未在马中直接证明。
肠道微生物群对磷和镁稳态的影响尚未像对钙的影响那样被广泛研究，但正日益得到认可。微生物植酸酶活性可通过水解植酸结合磷来提高磷可用性，从而增加可吸收无机磷酸盐的库。此外，微生物发酵创造有利于镁溶解性和肠道吸收的物理化学条件，尽管确切的分子机制尚未完全阐明。钙、磷和镁利用共享的吸收途径并受共同的内分泌机制调节。因此，肠道微生物活性的改变可能影响这些矿物质的整体平衡，而非独立影响每种矿物质。这种整合调节突出了常量矿物质稳态作为协调生理过程的重要性。
尽管机制证据越来越多，但当前大部分理解基于人类研究和实验动物模型。马中类似主题的研究仍然有限，特别是在矿物质转运蛋白的微生物调节、内分泌信号传导和长期矿物质代谢方面。未来整合宏基因组学、代谢组学和矿物质平衡分析的研究对于在实际马饲养背景下阐明这些相互作用至关重要。这些研究将为开发针对微生物组的营养策略以改善马矿物质利用和骨骼健康奠定更坚实的科学基础。
5.5 肠道微生物群与微量元素稳态
微量元素在氧运输、抗氧化防御、免疫调节、酶活性和细胞代谢中发挥重要作用，尽管需求量相对较小。由于缺乏和过量对生理功能的潜在负面影响，微量元素肠道吸收的调节高度严格。与常量矿物质相比，微量元素与肠道微生物群发生直接相互作用。这些微生物与宿主竞争特定微量元素，改变其化学形式，并影响促进矿物质摄取的上皮转运蛋白的表达。肠道微生物群与微量元素稳态之间的相互作用高度动态，超越了简单的营养吸收。
铁是一种已被广泛研究其与肠道微生物群关系的微量元素。它在氧运输、线粒体呼吸和各种酶促过程中发挥关键作用。同时，铁对众多肠道微生物的增殖至关重要，导致宿主和微生物群之间竞争这种有限资源。涉及人类受试者和实验动物模型的研究表明，肠道微生物群的组成及其产生的代谢物可以影响铁可用性、炎症信号传导以及与DMT1、铁转运蛋白和铁调素相关的通路。然而，目前缺乏马中微生物群介导的DMT1、铁转运蛋白或铁调素调节的直接证据。因此，这些发现应被视为为马研究提供假设的跨物种机制证据，而非已确立的马机制。
锌和铜作为参与抗氧化防御、免疫功能和细胞代谢的各种酶的关键辅因子。它们的吸收由特化的上皮转运系统介导，并受肠道屏障状况的影响。在非马模型中进行的研究表明，微生物代谢物以及肠道微生物组成的变化可能影响上皮完整性和参与锌和铜调节的信号通路。这些相互作用是否直接调节马锌或铜转运蛋白的表达或矿物质吸收仍未解决。锌、铜和其他微量元素之间的相互作用可能影响它们的肠道可用性。然而，详细说明马中这些机制的直接证据有限。
与铁、锌和铜与肠道微生物群的良好记录的相互作用不同，肠道微生物群与硒和镁稳态之间的关系理解较少。硒被整合到硒蛋白中，这些蛋白保护细胞免受氧化损伤并调节免疫功能。相比之下，镁作为对骨骼发育、抗氧化防御和能量代谢至关重要的酶的辅因子。近期证据表明，肠道微生物可能通过微生物对硒化合物的转化影响硒代谢，并且也提出了对镁吸收的间接影响。
现有证据共同表明，肠道微生物群通过各种互补机制影响微量元素稳态。这些机制包括对矿物质的竞争、矿物质化合物的转化以及肠道屏障功能的维持。然而，证据强度在个别微量元素之间差异显著，且主要基于在人类和实验动物模型中进行的研究。因此，扩展马中的机制研究对于确定这些相互作用的生理意义及其对马营养的影响至关重要。
5.6 肠道微生物群-矿物质稳态的整合模型
本综述支持一个概念模型，其中肠道微生物群可能通过微生物、物理化学、上皮、免疫和内分泌通路的相互连接网络促进矿物质稳态。机制间的证据强度差异显著，许多提出的分子相互作用主要得到人类或实验动物模型研究的支持，而非直接马实验。这些过程同时运作并与经典的肠道、骨骼、肾脏和内分泌轴相互作用以维持全身矿物质平衡。因此，肠道微生物群可能构成矿物质稳态网络中的额外元素，补充而非取代已确立的肠道、骨骼、肾脏和内分泌机制。
肠道微生物群与矿物质稳态之间的相互作用既是动态的也是双向的。膳食组成影响微生物多样性和代谢活性，而微生物代谢物改变肠道环境并影响矿物质可用性。矿物质状态的变化也可能影响微生物群落的结构，在宿主营养和肠道微生物组之间建立相互反馈回路。因此，矿物质稳态应被视为饮食、肠道微生物群、肠道生理、内分泌调节和宿主代谢之间持续相互作用的结果，而非任何单一器官或通路的功能。
5.7 马研究的直接证据
虽然上述大多数机制证据来自人类和啮齿动物研究，但少量但不断增长的直接马研究为该框架提供了初步的、真正物种特异性的基础。马粪便样本的宏基因组学测序推进了对后肠微生物组内功能基因内容的理解，超越了单纯的分类学分析。该方法已能够恢复超过一百个宏基因组组装的细菌和古菌基因组，从而揭示了广泛且 largely 未表征的功能多样性。在更广泛的规模上，从精英耐力马构建的整合肠道微生物基因目录，包含超过2500万个非冗余基因，证明了全息组学方法的可行性。这些整合微生物组和宿主代谢组学数据的方法已成功将微生物基因功能与宿主线粒体和代谢表型联系起来。尽管该目录应用于心血管健康而非矿物质代谢，但它建立了矿物质聚焦的马微生物组研究可以借鉴的方法学先例和参考数据集。
关于矿物质状态本身也有直接证据。已在各种生理和抗氧化补充条件下评估了马的血清铜、锌、铁、钙、钾和镁浓度。这些评估表明，马微量元素和常量矿物质的状态可测量地受饮食和运动的影响。此外，在马中观察到的显著后肠微生物植酸酶活性提供了机制特异性的、马验证的肠道微生物群与磷生物利用度之间的联系，而非依赖其他物种的外推。虽然与从人类和啮齿动物模型获得的机制见解相比，这些研究主要是描述性的，但它们并未建立马微生物组组成或功能与矿物质转运蛋白表达或矿物质内分泌调节之间的直接联系。然而，它们表明解决这一空白所需的必要宏基因组学、代谢组学和矿物质分析方法已经可在马研究中获得并验证。
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未来研究优先事项与转化前景
尽管微生物组研究取得了显著进展，但马肠道微生物群与矿物质稳态之间的相互作用仍未得到充分理解。现有研究主要侧重于表征微生物组成，而非阐明肠道微生物影响矿物质吸收、转运和全身代谢的分子机制。此外，大部分机制证据来自人类和实验动物模型，限制了其对马生理学的适用性。解决这些知识空白需要从描述性微生物组研究转向专门为马受试者设计的假设驱动机制研究。采样问题在文献中仍未解决。尽管当前分析与表明粪便和肠道微生物群信号存在差异的证据一致，但其他研究表明粪便细菌群落与结肠或盲肠中的群落没有显著差异，仅与上胃肠道的群落不同。这一差异强调了进行直接比较研究的必要性，这些研究专门针对不同肠道区域中与矿物质相关的类群。
未来研究应结合受控
