亞急性瘤胃酸中毒對反芻動物瘤胃生理功能及物質(zhì)吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

姜雅慧 代 鵬 張雅嵐 王之盛*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，成都 611130；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物營養(yǎng)研究所，成都 611130)

為提高反芻動物的生產(chǎn)性能以及獲得最大的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，反芻動物飼喂大量以谷物淀粉為主要能量飼料的高精料飼糧。反芻動物大量采食富含快速發(fā)酵的碳水化合物飼糧后會引起瘤胃揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)蓄積，瘤胃液pH降低，瘤胃菌群紊亂，引發(fā)亞急性瘤胃酸中毒(subacute ruminal acidosis，SARA)。瘤胃酸中毒的發(fā)生不僅會影響反芻動物的采食量和動物副產(chǎn)品如肉、奶的產(chǎn)出量，而且會打破瘤胃微生物區(qū)系間的平衡而使反芻動物對飼料的消化和營養(yǎng)物質(zhì)代謝減弱，并伴隨有腹瀉、消化道損傷和炎癥、肝臟膿腫、蹄病以及乳脂下降綜合征等病征[1]。Stefańska等[2]對波蘭9個牛場213頭奶牛檢測發(fā)現(xiàn)約14%奶牛患有SARA。我國在育肥牛、羊和奶牛養(yǎng)殖中SARA發(fā)病率在19%～26%，嚴(yán)重制約了我國反芻動物養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[3]。瘤胃上皮不僅是反芻動物營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的重要部位，還是瘤胃微生物附著、生長以及瘤胃微生物代謝的主要部位，瘤胃上皮的結(jié)構(gòu)完整性以及功能的保護(hù)對于反芻動物健康養(yǎng)殖至關(guān)重要。本綜述從生產(chǎn)中常見的營養(yǎng)代謝疾病SARA入手，圍繞反芻動物瘤胃上皮結(jié)構(gòu)、功能以及上皮細(xì)胞中參與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)載體等進(jìn)行綜述，以期對反芻動物SARA的調(diào)控提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 SARA狀態(tài)下瘤胃發(fā)酵模式及瘤胃菌群的變化

1.1 瘤胃發(fā)酵模式變化

Gozho等[4]定義反芻動物瘤胃液pH下降至5.6以下并持續(xù)3 h以上則處于SARA狀態(tài)。在相同飼糧和同一飼養(yǎng)管理方式下，不同牛只對SARA的敏感性不同[5]，反芻動物減少咀嚼和反芻時間導(dǎo)致唾液分泌量降低，進(jìn)而增大牛只患SARA的風(fēng)險。Nagata等[6]通過飼糧誘導(dǎo)荷斯坦公牛SARA后發(fā)現(xiàn)，飼喂高谷物飼糧會導(dǎo)致瘤胃液pH急劇下降，瘤胃內(nèi)VFA和氨態(tài)氮濃度升高，乙酸比例降低，而丁酸比例升高。SARA會改變瘤胃發(fā)酵模式和VFA的產(chǎn)量，降低乙酸/丙酸，瘤胃中乙酸/丙酸由3.07下降到1.74，瘤胃中脂多糖(LPS)含量升高[2,7]。SARA耐受性高的山羊瘤胃對丁酸、酮體和質(zhì)子的轉(zhuǎn)運(yùn)速率更快，進(jìn)而改變血液代謝通量[8]，SARA還會改變瘤胃中硫胺素濃度，瘤胃中硫胺素濃度與瘤胃液pH和乙酸濃度呈正相關(guān)，而與瘤胃中乳酸濃度呈負(fù)相關(guān)[9]。

1.2 瘤胃菌群的變化

Mao等[10]對患SARA奶牛微生物區(qū)系分析發(fā)現(xiàn)，SARA會降低瘤胃微生物的多樣性，從門水平上看，SARA會降低變形菌門和擬桿菌門豐度，而厚壁菌門和放線菌門豐度有所增加；從屬水平分析，奶?；糞ARA后，瘤胃中普雷沃菌屬、厭氧支原體屬、密螺旋菌屬、不動桿菌屬、乳酸桿菌屬和一些未分類的細(xì)菌豐度降低，而瘤胃中球菌屬、奇異菌屬、雙歧桿菌豐度升高。SARA會改變瘤胃中普雷沃菌屬和乳酸桿菌屬數(shù)量，也會改變瘤胃固相微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)[11]。高谷物組牛瘤胃內(nèi)普雷沃菌屬、真桿菌屬和顫螺旋菌屬豐度低于高粗料組，而瘤胃球菌屬豐度則相反[6]。隨瘤胃內(nèi)pH降低，瘤胃內(nèi)真桿菌屬和未分類梭菌科(unclassified Clostridiaceae)的豐度逐漸降低，但隨著SARA的反復(fù)發(fā)生會引起瘤胃部分微生物如真桿菌屬和unclassified Clostridiaceae的豐度逐漸增加，但具體機(jī)制尚需進(jìn)一步研究[6]。反芻動物處于SARA狀態(tài)下會抑制瘤胃中纖維的降解并伴隨著瘤胃內(nèi)參與纖維降解的白色瘤胃球菌和產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌的豐度降低，而普雷沃菌屬、乳酸菌屬、埃氏巨球型菌屬的豐度增加。SARA還會嚴(yán)重抑制瘤胃內(nèi)甲烷的產(chǎn)生，但對瘤胃內(nèi)產(chǎn)甲烷菌無影響[12]。Plaizier等[13-14]通過誘導(dǎo)奶牛發(fā)生SARA后比較其瘤胃內(nèi)微生物區(qū)系變化發(fā)現(xiàn)，SARA會改變瘤胃內(nèi)微生物的豐度、多樣性和穩(wěn)定性，飼糧中增加谷物含量會降低瘤胃中擬桿菌的豐度，SARA會增加瘤胃內(nèi)埃氏巨型球菌屬和厚壁菌門數(shù)量，瘤胃微生物90個分類單元中有9個分類單元也受SARA的影響。通過對比圍產(chǎn)期前后SARA對荷斯坦奶牛影響研究中發(fā)現(xiàn)，SARA并不是引起瘤胃內(nèi)微生物區(qū)系的直接原因，而可能通過對微生物區(qū)系在瘤胃中參與的功能途徑改變來影響微生物區(qū)系的豐度和多樣性[15]。SARA會改變瘤胃微生物區(qū)系豐度和多樣性，但是否直接影響瘤胃微生物的生長以及與外界環(huán)境和動物生理狀態(tài)的相互影響還有待探究。

2 SARA對瘤胃上皮細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的影響

2.1 瘤胃上皮細(xì)胞生長和形態(tài)結(jié)構(gòu)變化

瘤胃上皮由黏膜向漿膜面分為角質(zhì)化細(xì)胞層、顆粒層細(xì)胞、棘狀細(xì)胞層和基底層。反芻動物瘤胃內(nèi)VFA的積累會誘發(fā)SARA的發(fā)生，SARA會導(dǎo)致瘤胃上皮細(xì)胞損傷[16]。早期，Nocek等[17]研究表明精粗比太高會使瘤胃乳頭形態(tài)異常。近年研究也表明，SARA可使瘤胃壁黏膜出現(xiàn)不同程度的脫落，使瘤胃上皮基底層、顆粒層、棘突層和瘤胃上皮變薄，上皮細(xì)胞間緊密連接結(jié)構(gòu)變得松弛[16,18-20]。SARA會使瘤胃上皮角質(zhì)層變厚，棘狀層細(xì)胞線粒體出現(xiàn)降解并出現(xiàn)空泡，各層細(xì)胞如角質(zhì)層、顆粒層、棘狀層和基底層細(xì)胞甚至出現(xiàn)損傷和壞死，細(xì)胞間連接破壞，細(xì)胞間隙增大，棘突層出現(xiàn)氣泡，線粒體降解，細(xì)胞界限模糊，上皮細(xì)胞通透性增加[20-23]。鄔宇航[24]通過分子水平檢測發(fā)現(xiàn)SARA會使瘤胃上皮細(xì)胞微絨毛排列不整齊，線粒體腫脹，染色質(zhì)邊集化，并出現(xiàn)較多的凋亡小體，抑制瘤胃上皮細(xì)胞增殖。短鏈脂肪酸會上調(diào)瘤胃上皮細(xì)胞中細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1A，引起細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶和周期蛋白的表達(dá)降低，使瘤胃上皮細(xì)胞從G1期到S期受阻，抑制瘤胃上皮細(xì)胞生長，但短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)對瘤胃上皮細(xì)胞增殖影響的詳細(xì)機(jī)制還需進(jìn)一步探究[25]。

2.2 瘤胃上皮屏障功能

瘤胃的黏膜屏障由瘤胃上皮細(xì)胞及其連接所組成的機(jī)械屏障、化學(xué)屏障、生物屏障及免疫屏障組成[26]。瘤胃上皮屏障能有效抵擋瘤胃中產(chǎn)生的有害物質(zhì)如組胺、內(nèi)毒素等進(jìn)入機(jī)體組織，同時又可允許營養(yǎng)物質(zhì)、水等進(jìn)入機(jī)體。瘤胃上皮通透性是反映瘤胃上皮屏障功能最直接的標(biāo)志，屏障功能受損則瘤胃上皮通透性升高。飼糧在瘤胃內(nèi)快速發(fā)酵引起瘤胃內(nèi)VFA積累，長期低pH的酸性環(huán)境刺激會改變瘤胃上皮細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu)形態(tài)，瘤胃上皮緊密連接蛋白降解或其在瘤胃上皮細(xì)胞上的表達(dá)分布改變，細(xì)胞連接破壞，上皮細(xì)胞各部分受損，影響瘤胃的屏障功能，導(dǎo)致有害物質(zhì)如LPS、內(nèi)毒素等通過細(xì)胞進(jìn)入血液，引起動物機(jī)體炎癥反應(yīng)或誘發(fā)系列疾病[27-28]。Penner等[29]研究表明，在低pH時會使瘤胃上皮組織結(jié)構(gòu)改變，血液滲透壓升高，上皮細(xì)胞屏障功能受損；另外，短暫瘤胃酸中毒可能不影響上皮細(xì)胞屏障功能，但長期低pH刺激下，瘤胃上皮通透性增加，使其屏障功能減弱。劉軍花[21]還進(jìn)一步驗(yàn)證了SARA影響瘤胃屏障的具體機(jī)制，發(fā)現(xiàn)SARA可以激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2(ERK1/2)信號通路，低pH和LPS含量會提高ERK1/2磷酸化比例，引起瘤胃上皮細(xì)胞緊密連接蛋白表達(dá)下降，進(jìn)而影響瘤胃上皮屏障功能。利用尤斯室法研究SARA對細(xì)胞屏障功能的影響發(fā)現(xiàn)，SARA會增強(qiáng)瘤胃上皮細(xì)胞組織的導(dǎo)電性能，降低單位時間通過上皮組織的電荷流量，進(jìn)而影響瘤胃細(xì)胞屏障功能[29]。SARA會引起瘤胃上皮細(xì)胞的短路電流、組織導(dǎo)電性升高，而跨膜電位差則降低[18,20]。但在，Aschenbach等[30]和Penner等[29]分別以體外調(diào)節(jié)環(huán)境酸度和灌注葡萄糖誘導(dǎo)SARA發(fā)現(xiàn)，組織導(dǎo)電性增加，但短路電流降低。綜上可知，SARA會以破壞上皮細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性使瘤胃上皮細(xì)胞屏障功能受損，改變瘤胃上皮對LPS、內(nèi)毒素等的屏障隔離作用。

3 SARA對瘤胃上皮細(xì)胞物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)及相關(guān)載體表達(dá)的影響

4 SARA引起瘤胃內(nèi)代謝異常反應(yīng)

劉軍花[21]對山羊誘導(dǎo)SARA發(fā)現(xiàn)，SARA會激活瘤胃上皮免疫反應(yīng)，引發(fā)瘤胃上皮細(xì)胞炎癥反應(yīng)。張瑞陽[38]通過代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，高精料誘發(fā)奶牛SARA會導(dǎo)致瘤胃中LPS、乙醇胺、生物胺和戊二酸等異常代謝物或促炎物含量增加，通過基因芯片技術(shù)研究分析，促炎癥相關(guān)因子白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、白細(xì)胞介素-2(IL-2)、白細(xì)胞介素-22(IL-22)、趨化因子CCL19、趨化因子CCL8、趨化因子CX3C受體1(CX3CR1)和CXC趨化因子配體6(CXCL6)等的表達(dá)量顯著上調(diào)，抗炎癥因子如白細(xì)胞介素-6(IL-6)和白細(xì)胞介素-15受體拮抗劑(IL-15RA)的表達(dá)量顯著下調(diào)，表明SARA觸發(fā)了瘤胃上皮局部炎癥反應(yīng)，并且瘤胃上皮炎癥因子與瘤胃環(huán)境因子(pH和LPS)存在相關(guān)性，LPS會使瘤胃上皮細(xì)胞中IL-1β、IL-2、IL-6和白細(xì)胞介素-8(IL-8)的表達(dá)量顯著上調(diào)，而低pH會提高瘤胃上皮細(xì)胞腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor，TNF-α)的表達(dá)量。Zhang等[39]通過對比飼喂高精料和低精料飼糧奶牛瘤胃上皮細(xì)胞中炎癥相關(guān)基因表達(dá)，也發(fā)現(xiàn)促炎癥相關(guān)因子表達(dá)上調(diào)，而且LPS促使瘤胃上皮細(xì)胞中IL-1β、IL-2、IL-6和IL-8的表達(dá)量升高，同時低pH處理會使TNF-α的表達(dá)升高。Stefanska等[40]通過分析來自13個牧場的305頭泌乳奶牛瘤胃液pH、瘤胃內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)物和瘤胃內(nèi)毒素含量以及相關(guān)基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞中LPS受體功能相關(guān)基因[如白細(xì)胞分化抗原14(CD14)、Toll樣受體4(TLR4)、髓樣分化蛋白2(MD2)]的mRNA相對豐度出現(xiàn)差異，而且酸中毒組與健康組奶牛相比，血液中的高密度脂蛋白、血清淀粉樣蛋白A、鈣和結(jié)合珠蛋白含量均出現(xiàn)顯著差異，以及LPS結(jié)合蛋白含量也有顯著差異。同時，瘤胃pH與LPS受體功能相關(guān)基因表達(dá)量以及血漿高密度脂蛋白含量有負(fù)相關(guān)性，而與血漿鈣含量有正相關(guān)性，表明降低瘤胃液pH會增加瘤胃中LPS的釋放并激發(fā)LPS相關(guān)受體的表達(dá)和相應(yīng)的免疫反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致血漿高密度脂蛋白含量升高，血漿Ca含量降低。

發(fā)生SARA的牛只瘤胃上皮細(xì)胞中核轉(zhuǎn)錄因子-κB p65(NF-κB p65)、核因子轉(zhuǎn)錄-κB抑制蛋白α(IκB-α)和氨基末端激酶(c-jun N-terminal kinase，JNK)以及EKB1/2的磷酸化水平顯著高于正常生理狀態(tài)牛只，發(fā)生SARA的牛只瘤胃上皮細(xì)胞中核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)、MAPK調(diào)控的炎癥因子、TNF-α、IL-6和IL-1β的mRNA和蛋白表達(dá)量均高于正常牛只，同樣發(fā)生SARA的牛只血漿中TNF-α和IL-6含量也顯著升高[41]。SARA發(fā)生可以產(chǎn)生溶血磷脂酸(LPA)和組胺等異常代謝產(chǎn)物，這些產(chǎn)物能作為信號分子激活NF-κB和MAPK信號通路，通路中的關(guān)鍵蛋白如IκBα、NF-κB p65、JNK和ERK1/2磷酸化水平增高，進(jìn)一步誘導(dǎo)促炎癥因子靶基因轉(zhuǎn)錄，增加了促炎癥因子表達(dá)，引發(fā)瘤胃上皮及其他相關(guān)組織炎癥反應(yīng)。

5 小結(jié)與展望

反芻動物發(fā)生SARA，會改變瘤胃發(fā)酵模式，降低乙酸/丙酸，瘤胃內(nèi)LPS含量增加，瘤胃內(nèi)微生物區(qū)系的穩(wěn)定性和多樣性也會發(fā)生改變。對于瘤胃上皮細(xì)胞而言，會破壞其結(jié)構(gòu)的完整性，主要表現(xiàn)為細(xì)胞間連接破壞、各層細(xì)胞厚度發(fā)生改變以及細(xì)胞通透性增加，導(dǎo)致瘤胃上皮屏障功能受損。瘤胃上皮細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝發(fā)生改變。同時患SARA會誘發(fā)瘤胃上皮細(xì)胞的局部炎癥反應(yīng)，激活瘤胃上皮細(xì)胞免疫反應(yīng)，引起上皮細(xì)胞中炎癥相關(guān)基因表達(dá)變化。瘤胃上皮細(xì)胞中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝過程以及引發(fā)的炎癥反應(yīng)受多種調(diào)控因子的影響，這些因子還參與瘤胃上皮細(xì)胞的增殖調(diào)控，調(diào)控因子可以通過不同信號通路影響瘤胃結(jié)構(gòu)和功能。反芻動物發(fā)生SARA后，瘤胃上皮細(xì)胞調(diào)控因子受哪些信號通路調(diào)控以及具體的調(diào)控機(jī)制還需深入研究，以明確SARA對反芻動物生產(chǎn)性能影響的具體機(jī)制，便于飼養(yǎng)管理者在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行理論指導(dǎo)，最大程度減少和避免SARA發(fā)生對動物生產(chǎn)帶來的損失。