肠道不仅是体内最大的消化吸收场所，也是体内最大的免疫器官，是构成阻止肠道病原菌入侵的第1道屏障。肠道屏障主要是由肠道黏膜免疫系统组成的免疫屏障、肠黏液层和肠上皮细胞层组成的肠黏膜物理屏障及肠道微生物组成的生物屏障构成，其中，免疫屏障由肠道淋巴相关组织、先天免疫细胞和先天免疫分子构成。
肠上皮细胞作为肠道免疫屏障中的一种重要免疫细胞，除了消化吸收食物中的营养物质及蠕动功能之外，还可以通过分泌抑菌物质如抗菌肽、防御素、糖蛋白等，阻止大量有害病原物质的入侵，可进行不断死亡和更新，清除因消化过程或有害环境病原所损伤的细胞。另外，肠上皮细胞还可产生一些细胞因子如IL-1、IL-6、IL-7、TGF-β等和免疫调节因子如补体成分和前列腺素等，在感染防御及抗原吸收、转运、提呈等方面具有重要作用。当肠上皮细胞严重受损时，机体的免疫屏障功能就会受到影响从而导致一系列肠道疾病如炎症性肠病、坏死性肠炎和食物过敏等的发生。
益生菌是一种含有活菌及其成分和产物的微生物制剂，可以通过加强肠道紧密连接、增加黏液分泌及促进胃肠动力等改善肠道微生态平衡，影响肠道先天免疫系统，促进宿主健康。目前认为，益生菌主要是通过Toll样受体介导的抗感染反应、粘附定殖、对免疫球蛋白（IgA）和免疫细胞等的影响对免疫系统发挥作用。
1调节肠黏膜物理屏障功能，改善肠黏膜的通透性
肠上皮细胞以及上皮细胞之间的紧密连接（TJ）构成一道连续和完整的物理屏障，能够机械性地阻挡肠腔中病原微生物的入侵。
TJ主要由闭锁蛋白、claudins蛋白及闭锁小带（ZO）3种蛋白分子组成，这些蛋白分子具有高度动态的结构，当其密闭程度因外界刺激、生理和病理条件而发生改变时，会增加肠上皮细胞间隙的通透性，使病原菌进入细胞内，引发肠道感染性疾病。研究表明，应用益生菌处理可以抑制因病原菌感染而导致的肠道紧密连接与通透性的改变。
2调节黏蛋白和防御素的表达和分泌，增强化学屏障功能
肠上皮细胞分泌的黏液、抗菌物质及黏膜浆细胞分泌的SIgA等共同构成阻止肠道病原微生物入侵的化学屏障。益生菌能够直接刺激胸腺、脾脏和法氏囊等免疫器官的发育，增强黏膜浆细胞的活力以及活化肠黏膜内相关淋巴组织，使肠黏膜SIgA分泌增加，提高消化道黏膜免疫功能。SIgA能中和肠道内的病毒、毒素和酶等生物活性抗原，同时具有对嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞脱颗粒作用和ADCC作用，其最主要功能是阻止细菌对肠上皮细胞的吸附。
益生菌黏附于肠黏膜上皮细胞后可上调细胞表面黏蛋白的表达，使宿主细胞产生黏附拮抗物质，由此抑制病原菌的黏附。此外，益生菌可以上调肠上皮细胞防御素基因的表达和防御素的分泌。防御素是广泛分布于动物和植物界的一类富含半胱氨酸的阳离子小肽，在动物界主要由动物中性粒细胞和上皮细胞产生，在抗菌、抗病毒、抗肿瘤等方面发挥着重要的作用，是宿主抵抗外界病原微生物入侵的第1道防线。
3调节肠道细胞因子的分泌、参与肠道炎症与免疫反应
细胞因子是可溶性小肽分子或糖蛋白，产生于天然免疫和特异性免疫的效应阶段，介导免疫应答、炎症反应并实施有效地调节，它决定着T、B细胞分化的方向。肠上皮细胞、淋巴细胞、巨噬细胞等都是细胞因子的来源和作用靶点。研究发现，益生菌可阻断多种炎症因子的释放，如抑制核因子-κB的活化及细胞外信号调节的激酶促炎通路，减少TNF-α、IL-8等的产生和促进抑炎因子IL-10的产生。
4调控凋亡信号转导途径，抑制肠上皮细胞凋亡
细胞凋亡是细胞在各种死亡信号刺激后发生的一系列级联式的主动性细胞死亡的过程，包括凋亡信号转导、凋亡基因激活、细胞凋亡的执行及凋亡细胞的清除等。益生菌能作用于上皮细胞本身，通过拮抗致病菌在肠道上皮的定植、抑制肠道炎症反应、调控凋亡信号转导途径、改变凋亡蛋白和凋亡基因的表达等不同环节，抑制肠上皮细胞凋亡的发生发展和增强肠黏膜屏障功能。
5参与调节群体感应系统，抑制有害细菌的细胞毒性
群体感应（QS）也称为自诱导，最初是指细菌调节自身菌体密度的一种环境感应系统。细菌在繁殖过程中不断分泌信号分子到胞外，当这种信号分子的密度达到一个临界浓度时，就可诱导调节一系列目标基因的转录。QS是细菌感受外界环境变化并做出反应的重要信号转导机制之一，参与调控生物发光、细菌种群竞争、细胞分化、感受态的建立、质粒接合转移、生物膜合成和胞外多糖合成等细菌的多种生理过程，尤其与益生菌抗菌肽的合成、病原菌毒力因子的诱导、固氮菌与豆科植物的共生、细菌种间基因水平转移等与畜禽生活密切相关的细菌特性相关。群体感应有助于微生物对宿主的侵袭和定殖，调控微生物毒力因子的产生并作用于宿主，还能介导病原菌对宿主的免疫能力和药物抗性。
细菌中细胞之间的交流是一个复杂的过程，通过平行或串连行的感应通道表达细胞间的基因时序，从而表达整体的网络调控基因，在细菌的细胞种间得以“交流”并对寄主产生作用。益生菌参与有害菌的群体感应系统并能抑制细胞的细胞毒性。最初Kleerebezem等研究发现，在乳酸乳球菌、植物乳酸菌和沙克乳杆菌等乳酸菌中存在着调节细菌素合成的群体感应系统，其能够产生抗菌活性肽——细菌素，这些抗菌活性肽除有抗菌活性外，也具有自诱导肽功能，能激活自身的合成，乳酸菌再进一步通过特定的信号分子感知菌群密度的变化，协同细胞之间的行为，调节特定基因表达。
6抑制致病菌黏附，调节肠道菌群平衡
细菌在肠黏膜中黏附和定植：一是适应肠道环境，找到黏附位点；二是没有毒性因子或毒性因子含量少，没有入侵性，不会突破肠上皮屏障引起强烈的免疫应答。肠道非致病菌和致病菌都有黏附和定植于肠道的能力，但是益生菌能够通过一种种属特异的方式，竞争与上皮细胞和黏液层的结合位点，进而抑制肠道致病菌的黏附与定植。
益生菌的活性不是其抑制致病菌生长的必要条件，因为很多乳酸菌的代谢产物如菌表多糖具有广谱的抗菌活性，能够调节抗生素相关腹泻小鼠肠道菌群的平衡，恢复肠道正常菌群的数量。
综上所述，益生菌能通过增加肠上皮细胞紧密连接蛋白、增加粘蛋白和SIgA的产生、抑制上皮细胞凋亡、调节免疫细胞和细胞因子、参与群体感应系统的调节、与病原体竞争黏附等作用，增强肠上皮细胞的免疫功能。与抗生素相比，益生菌以其安全、高效、无毒性、无残留、无耐药性以及无环境污染等优点，已被广泛应用于畜牧、食品、医药等领域。但目前益生菌的应用仍存在一些问题，如菌株特异性、生产工艺等对其应用效果的影响、发挥最佳效应的添加方式和剂量、与益生元或其他添加剂的配伍问题等，因此，对其尚需广泛而深入地开展研究。
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