單端孢霉烯族毒素誘導(dǎo)動物拒食反應(yīng)機(jī)制研究進(jìn)展

楊旭,黃婷玉,宋汶羲,王優(yōu)爽,劉雨,姜義寶,張叢

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院,河南 鄭州 450046)

真菌毒素是真菌生長中產(chǎn)生的有毒代謝產(chǎn)物,對動植物具有極大的危害。真菌毒素會滋生在玉米、小麥和大豆等,導(dǎo)致全球每年約有25%的糧食作物遭到污染[1]。動物攝入被真菌毒素污染的飼料時,其健康會受到危害,包括神經(jīng)紊亂、胃腸道疾病和肝臟損害等,進(jìn)而導(dǎo)致養(yǎng)殖業(yè)損失慘重。隨著現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,真菌毒素的危害逐漸受到關(guān)注。單端孢霉烯族毒素(trichothecenes,TS)是一類由鐮刀菌產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物,是自然界較為常見的真菌毒素。隨著TS的攝入,動物會出現(xiàn)一系列不良反應(yīng),包括拒食、嘔吐、生長遲緩、神經(jīng)內(nèi)分泌紊亂和免疫毒性等。動物的攝食行為受包括迷走神經(jīng)在內(nèi)的多種因素調(diào)控。其中,參與調(diào)控食欲的胃腸道激素和神經(jīng)遞質(zhì)等能通過調(diào)控血糖水平、攝食行為和胃腸道動力學(xué)來調(diào)節(jié)采食量。拒食反應(yīng)表現(xiàn)為食物攝入量減少,進(jìn)而導(dǎo)致動物機(jī)體因營養(yǎng)攝入不足出現(xiàn)生長遲緩、發(fā)育不良等癥狀,嚴(yán)重時可導(dǎo)致動物死亡。由于食物鏈富集現(xiàn)象,人攝入有TS殘留的動物性食品時,毒素會在人體內(nèi)積蓄并造成嚴(yán)重危害。農(nóng)作物在生長和收獲、運(yùn)輸和儲存過程中都有可能被TS污染,而谷物加工前處理并不能完全去除TS。拒食反應(yīng)是攝入TS后引起的急性中毒的典型癥狀,相關(guān)機(jī)制涉及TS上調(diào)或抑制食欲調(diào)控的相關(guān)激素、神經(jīng)遞質(zhì)和細(xì)胞因子等的表達(dá)。因此,概述了TS的來源和分類,并重點(diǎn)論述了TS引起動物拒食反應(yīng)的相關(guān)機(jī)制,為防治并降低其危害提供理論依據(jù)。

1 單端孢霉烯族毒素概述

TS在自然界中十分常見,在溫暖潮濕的地區(qū)容易滋長,并隨著被污染的谷物進(jìn)入動物機(jī)體,進(jìn)而對動物和人體健康造成極大傷害。TS的存在已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注,針對TS脫毒方法的研究也在逐步推進(jìn),以更高效地預(yù)防與治理TS造成的毒害。

1.1 單端孢霉烯族毒素來源

TS是由鐮刀菌屬(Fusarium)的禾谷鐮刀菌、黃色鐮刀菌、擬枝孢鐮刀菌、梨孢鐮刀菌和茄病鐮刀菌等菌株產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)相似、能夠危害動物健康并造成嚴(yán)重疾病甚至死亡的有毒次級代謝產(chǎn)物,在自然界中十分常見[2-5]。TS能夠污染大米、玉米、花生和麥類等多種農(nóng)作物,使其質(zhì)量下降,產(chǎn)量減少,進(jìn)而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。研究表明,中國中部和東部地區(qū)在玉米中檢測出的TS污染主要以脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(deoxynivalenol,DON)為主[6]。陳新元等[7]對四川省綿陽、南充、德陽等7個糧食主產(chǎn)區(qū)的玉米、小麥和水稻樣品進(jìn)行鐮刀菌毒素污染水平檢測,結(jié)果表明,DON檢出率顯著高于其他毒素。TS的產(chǎn)生受氣候條件、谷物自身缺陷和水分含量等因素的影響,在潮濕溫?zé)岬貐^(qū),谷物更易受到TS污染。高含水量谷物在0～32 ℃均能產(chǎn)生TS,處于15 ℃環(huán)境下時產(chǎn)出量最高[2]。動物在口服或皮膚接觸TS后均會產(chǎn)生不良反應(yīng)[8]。TS隨谷物飼料進(jìn)入動物機(jī)體后會對動物機(jī)體的免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和造血系統(tǒng)等產(chǎn)生一定的毒性作用。

1.2 單端孢霉烯族毒素分類

TS是由多個融合環(huán)組成的倍半萜化合物,其家族化合物都具有1個C12～C13位的環(huán)氧基團(tuán),這是主要的毒性基團(tuán)。目前,已分離出的TS化合物有200多種。根據(jù)TS在骨架上5個位置的取代基不同,TS被分為A、B、C和D共4個類型[9]。A型TS的特點(diǎn)是在C8位上有1個非酮功能團(tuán),且在C4～C15中沒有大環(huán),其代表化合物有T-2毒素、HT-2毒素、蛇形毒素(diacetoxyscirpenol,DAS)和新茄病鐮刀菌烯醇(neosolaniol,NEO)。B型TS的特點(diǎn)是在C8位上有羰基取代基,其代表化合物有DON、3-乙?；撗跹└牭毒┐?3-ADON)、15-乙?；撗跹└牭毒┐?15-ADON)、雪腐鐮刀菌烯醇(nivalenol,NIV)和鐮刀菌酮-X(fusarenon-X,FX);C型TS的特點(diǎn)是在C7～C8或者C9～C10中有1個環(huán)氧基團(tuán),其代表化合物有巴豆菌素(crotocin);D型TS的特點(diǎn)是C4～C15中形成帶酯基的大環(huán)結(jié)構(gòu),其代表化合物有疣孢菌素A(verrucarin,VA)和黑葡萄穗霉毒素G(satratoxin G,SG)[10-12]。自然界中TS主要以A型和B型為主,其引發(fā)的拒食反應(yīng)較為常見,因此著重綜述A型和B型TS引起的拒食反應(yīng)機(jī)制。

2 TS誘導(dǎo)動物拒食的反應(yīng)機(jī)制

拒食反應(yīng)是TS中毒的典型臨床癥狀。TS進(jìn)入動物機(jī)體后通過神經(jīng)和體液來調(diào)控食欲,主要包括迷走神經(jīng)、胃腸道激素、神經(jīng)遞質(zhì)和細(xì)胞因子。

2.1 迷走神經(jīng)在TS誘導(dǎo)動物拒食反應(yīng)中的作用

迷走神經(jīng)是第10對腦神經(jīng),屬于混合性神經(jīng),富含感覺、運(yùn)動和副交感神經(jīng)纖維。迷走神經(jīng)受損時會導(dǎo)致循環(huán)、呼吸和消化等功能的失調(diào)。近年來腸-腦軸在食欲的調(diào)控中起到了重要的作用,而迷走神經(jīng)在其中負(fù)責(zé)信號的傳遞。攝入的食物進(jìn)入胃腸道時,能夠引起胃腸道黏膜分泌出膽囊收縮素(cholecystokinin,CCK)、胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)和酪酪肽(peptide tyrosine-tyrosine,PYY)等飽感激素,經(jīng)由迷走神經(jīng)將信號傳送至中樞神經(jīng)系統(tǒng)中與攝食和消化有關(guān)的部位。此外,迷走神經(jīng)也能夠接收到中樞與外周神經(jīng)系統(tǒng)傳來的終止攝食的信號。上述2種途徑均能夠引起食欲減弱[13]。研究表明,切斷迷走神經(jīng)可以削弱胃腸激素的飽感效應(yīng),而刺激迷走神經(jīng)則能夠引起一些胃腸激素的釋放[14]。吳文達(dá)[15]將小鼠迷走神經(jīng)切斷后,給小鼠腹腔注射DON,結(jié)果表明動物采食量并無顯著差異,且切斷迷走神經(jīng)也不能抑制DON誘導(dǎo)的拒食反應(yīng),即切斷迷走神經(jīng)并不能對DON誘導(dǎo)的拒食反應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。據(jù)此推測,能引起拒食反應(yīng)的信號并不僅通過迷走神經(jīng)傳遞。為了驗證迷走神經(jīng)在拒食反應(yīng)中的作用,首先確定通過迷走神經(jīng)傳遞信號的物質(zhì),干擾這些物質(zhì)從其他通路傳遞抑制食欲的信號,然后設(shè)置阻斷與非阻斷迷走神經(jīng)的不同組別觀察結(jié)果,才能更加準(zhǔn)確判斷迷走神經(jīng)能否單獨(dú)影響TS誘導(dǎo)動物產(chǎn)生的拒食反應(yīng)。此外,食欲的調(diào)節(jié)是由許多不同的因素共同作用來達(dá)成的,迷走神經(jīng)可以與下丘腦建立起連接,相關(guān)信號能夠從消化道和外周血管通過迷走神經(jīng)中傳輸?shù)较虑鹉X的食欲控制中樞,同時下丘腦也可以釋放相關(guān)信號通過傳出性的迷走神經(jīng)來調(diào)控其他組織和器官,控制機(jī)體進(jìn)食行為。這或可成為探究迷走神經(jīng)在包括T-2毒素、NEO和FX等不同TS引起的動物拒食反應(yīng)機(jī)制的重要方向。

2.2 胃腸道激素在TS誘導(dǎo)動物拒食反應(yīng)中的作用

胃腸道激素參與調(diào)節(jié)胃腸道的消化和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,還發(fā)揮著調(diào)控食欲的作用。胃腸道能夠在采食后產(chǎn)生飽腹感,也能夠在長時間未攝食時產(chǎn)生饑餓感。而TS能夠通過干擾胃腸道激素的分泌來抑制動物的食欲,產(chǎn)生拒食反應(yīng)。胃腸道中有許多激素能夠發(fā)揮調(diào)控食欲的作用,其中CCK、GLP-1、葡萄糖依賴性促胰島素多肽(glucose-dependent insulinotropic polypeptide,GIP)、酪酪肽3-36(PYY3-36)、胃泌酸調(diào)節(jié)素(oxyntomodulin,OXM)、促胰液素(secretin)起到抑制食欲的作用;胃饑餓素(ghrelin)、胃動素(motilin)等起到促進(jìn)食欲的作用。這些激素通過刺激胃腸道的迷走神經(jīng),將信號傳送到下丘腦,也可以直接作用于腦部神經(jīng)來調(diào)控食欲。促進(jìn)食欲或抑制食欲的胃腸道激素在食欲調(diào)控、胃腸道運(yùn)動和消化吸收的過程中都會起到重要的作用[16-17]。胰高血糖素樣肽-17-36(GLP-17-36)能夠通過葡萄糖來促進(jìn)胰島素的活性,還具有抑制胃酸分泌和胃排空的作用,同時能夠調(diào)節(jié)胰高血糖素的釋放量,使其受到抑制并調(diào)控胰腺β-細(xì)胞使其質(zhì)量增加[18-20]。研究發(fā)現(xiàn),在大鼠外周和人腦室內(nèi)注射PYY3-36都會導(dǎo)致食欲下降、食物攝入減少,甚至導(dǎo)致體質(zhì)量減輕[21-22]。對小鼠分別灌胃或腹腔注射攻毒T-2毒素、HT-2毒素、DAS和NEO均能夠顯著上調(diào)胃腸道飽感激素CCK、GLP-1、PYY3-36和GIP的濃度,同時伴隨著采食量降低[16]。據(jù)此推測,TS誘導(dǎo)動物的拒食反應(yīng)是通過干擾胃腸道激素的分泌來抑制動物食欲產(chǎn)生的。CCK通過抑制腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)磷酸化和激活可卡因苯丙胺調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子(cocaine amphetamine-regulated transcript,CART)和促甲狀腺激素釋放激素(thyrotropin-releasing hormone,TRH)的表達(dá)來抑制攝食[23]。有研究結(jié)果顯示,DON通過激活鈣敏感受體(calcium sensing receptor,CaSR)和瞬間受體電位離子通道(transient receptor potential A1,TRPA1)2條通路引起GLP-1釋放增多,GLP-1受體受到刺激后,將信號傳入到下丘腦的食欲調(diào)節(jié)中樞,引起拒食反應(yīng)[24-25]。DON能夠誘導(dǎo)血漿中PYY3-36的濃度水平上升,PYY3-36作用于Y2受體將信號傳遞到下丘腦內(nèi)調(diào)控食欲的區(qū)域,引起拒食反應(yīng)[26]。對小鼠灌胃攻毒DON后引起了血漿中GIP濃度水平顯著升高,使小鼠采食量降低[27]。A型與B型TS只有少數(shù)取代基不同,化學(xué)結(jié)構(gòu)高度相似,因此毒理學(xué)特征也相似。DON通過上調(diào)胃腸道激素如PYY3-36、GLP-1和GIP等的濃度水平,來調(diào)節(jié)機(jī)體采食行為的機(jī)制,可為探究T-2毒素、HT-2毒素、DAS和NEO等誘導(dǎo)拒食的機(jī)制提供借鑒意義。

2.3 神經(jīng)遞質(zhì)在TS誘導(dǎo)動物拒食反應(yīng)中的作用

神經(jīng)遞質(zhì)是由化學(xué)突觸信號來進(jìn)行神經(jīng)傳遞的內(nèi)源性物質(zhì),大多數(shù)神經(jīng)遞質(zhì)可以通過簡單的生物合成過程轉(zhuǎn)化得到,該生物過程的合成原料是從飲食中獲得的氨基酸等多種前體物質(zhì)。神經(jīng)遞質(zhì)在食欲調(diào)節(jié)和體質(zhì)量調(diào)控中發(fā)揮著重要的作用,包括5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)和P物質(zhì)(substance P,SP)等。5-HT是單胺類神經(jīng)遞質(zhì),SP是11個氨基酸組成的多肽,二者由不同部位的腸嗜鉻細(xì)胞產(chǎn)生并分泌。5-HT和SP是2種能通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮作用并使食欲降低減少攝食的神經(jīng)遞質(zhì)[28]。當(dāng)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)注射5-HT激動劑后會引起攝食量下降[29],而在腦室內(nèi)和腹腔注射5-HT均抑制攝食行為[30]。DON誘導(dǎo)小鼠的拒食反應(yīng)在阻斷5-HT受體時得到緩解。這表明5-HT主要是通過作用于5-HT受體來調(diào)控食欲的[31]。A型TS中T-2毒素和HT-2毒素可能是在進(jìn)入胃腸道環(huán)境后,刺激腸嗜鉻細(xì)胞,使其分泌5-HT,后者隨著血液循環(huán)到達(dá)全身各處,當(dāng)受體5-HT1β和5-HT2C受到5-HT的作用時對食欲進(jìn)行調(diào)控;5-HT也能通過血腦屏障到達(dá)下丘腦的食欲調(diào)節(jié)中樞,抑制食欲從而導(dǎo)致拒食[32-34]。此外,大鼠腦室內(nèi)注射SP會導(dǎo)致攝食和飲水均受到抑制[35];腹腔注射SP可抑制大鼠的攝食行為并減緩胃排空[36]。A型和B型TS分別以T-2毒素和DON為例,這2種毒素均可誘導(dǎo)血漿中SP水平上升,而SP可以通過作用于神經(jīng)激肽1(NK1)受體(GPCRs)發(fā)揮調(diào)控食欲的功能,也可通過激活下丘腦內(nèi)的阿黑皮素原(proopiomelanocortin,POMC)的表達(dá)來抑制食欲[37-38]。這也說明神經(jīng)遞質(zhì)是能夠促進(jìn)神經(jīng)傳遞的物質(zhì),在食欲調(diào)控和能量平衡中發(fā)揮著重要作用[39]。

2.4 細(xì)胞因子在TS誘導(dǎo)動物拒食反應(yīng)中的作用

細(xì)胞因子是一種參與免疫調(diào)節(jié)的小分子蛋白質(zhì),通過自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌3種方式來影響周圍的細(xì)胞,而TS可攻擊機(jī)體的免疫系統(tǒng),調(diào)節(jié)機(jī)體細(xì)胞因子的表達(dá)水平。細(xì)胞因子可根據(jù)功能不同分為7類,包括趨化因子、干擾素、白細(xì)胞介素、集落刺激因子、腫瘤壞死因子、轉(zhuǎn)化生長因子β家族和生長因子。某些促炎因子,例如白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、白細(xì)胞介素-2(IL-2)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)、白細(xì)胞介素-8(IL-8)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)均能夠抑制食欲,引起采食量降低[40]。除此之外,通過細(xì)胞因子引起厭食和代謝亢進(jìn)是機(jī)體應(yīng)對各種免疫刺激產(chǎn)生的急性期反應(yīng)之一,細(xì)胞因子對胃腸道的蠕動有一定的調(diào)節(jié)作用,能夠影響內(nèi)分泌系統(tǒng),改變下丘腦正常的神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)肽分泌從而調(diào)控采食行為[41-42]。研究表明,白細(xì)胞介素-6(IL-6)能夠通過神經(jīng)Gp130受體發(fā)出的有關(guān)信號調(diào)控攝食行為和能量平衡,而部分血漿中的IL-6也與拒食的發(fā)生有關(guān)[43]。TS具有一定的免疫毒性,對機(jī)體細(xì)胞因子的表達(dá)水平造成影響[44]。研究表明,T-2毒素能上調(diào)IL-1β、IL-6和TNF-α mRNA的表達(dá)[45-46];DON能夠引起IL-1β和TNF-α等巨噬細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞因子的表達(dá)升高[47]。TS激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和JAK(janus kinase)/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子(signal transducer and activator of transcription,STAT)通路引起IL-1β、IL-6和TNF-α的產(chǎn)生[48]。細(xì)胞因子能夠激活核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear transcription factor-κB,NF-κB)通路減少小鼠的采食量,引起拒食反應(yīng)[49-50]。據(jù)此推測,TS可通過上調(diào)細(xì)胞因子的表達(dá)來降低食欲。當(dāng)炎性細(xì)胞因子表達(dá)水平上調(diào)后,能夠改變胃功能、調(diào)控食欲相關(guān)激素的表達(dá),從而引起下丘腦和其他神經(jīng)中樞對食欲的抑制。

2.5 TS引起動物拒食反應(yīng)的最大無作用劑量和最小有作用劑量

在TS引起拒食反應(yīng)的試驗過程中,研究人員對不同種類TS引起動物拒食反應(yīng)的最大無作用劑量(no-observed adverse effect level,NOAEL)和最小有作用劑量(lowest observed adverse effect level,LOAEL)進(jìn)行了統(tǒng)計。NOAEL是指一種外來化學(xué)物質(zhì)在一定時間內(nèi),通過某種方式或途徑與機(jī)體發(fā)生接觸,通過現(xiàn)代檢驗方法和最敏感的觀測指標(biāo)無法觀測到的對機(jī)體造成傷害的最大劑量;而 LOAEL則指的是可以觀測到身體損害的最小劑量。因此,NOAEL和LOAEL是評定不同種類TS對機(jī)體損害作用的主要依據(jù),能夠幫助制定各類谷物中不同種類TS的最高安全限量標(biāo)準(zhǔn)。吳文達(dá)[15]、張杰[16]分別對A型和B型TS誘導(dǎo)動物拒食的NOAEL和LOAEL進(jìn)行統(tǒng)計。A型TS中,T-2、HT-2和NEO無論是腹腔注射還是灌胃攻毒的NOAEL均為0.01 mg·kg-1,LOAEL均為0.1 mg·kg-1;而DAS腹腔注射攻毒的NOAEL小于0.01 mg·kg-1,LOAEL為0.1 mg·kg-1,灌胃攻毒的NOAEL為0.1 mg·kg-1,LOAEL為0.5 mg·kg-1。B型TS中,DON、3-ADON、5-ADON腹腔注攻毒的NOAEL均為0.5 mg·kg-1,LOAEL均為1 mg·kg-1,灌胃攻毒的NOAEL均為1 mg·kg-1,LOAEL均為2.5 mg·kg-1;FX無論是腹腔注射還是灌胃攻毒的NOAEL均為0.025 mg·kg-1,LOAEL均為0.25 mg·kg-1;NIV腹腔注射攻毒的NOAEL為0.01 mg·kg-1,LOAEL為0.1 mg·kg-1,灌胃攻毒的NOAEL為0.1 mg·kg-1,LOAEL為1 mg·kg-1。以上數(shù)據(jù)可以為制定飼料中TS限量標(biāo)準(zhǔn)提供支撐。

3 存在問題與展望

TS廣泛存在于食物和飼料中,造成的危害不容忽視。拒食反應(yīng)是TS中毒的典型臨床癥狀。因此,圍繞TS的基本信息和TS誘導(dǎo)動物拒食機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行論述,即TS可通過增加胃腸道飽感激素濃度、提高神經(jīng)遞質(zhì)濃度和上調(diào)細(xì)胞因子表達(dá)來調(diào)控食欲,進(jìn)而引起拒食反應(yīng)。TS引起的拒食反應(yīng)的過程并不是受單一因素影響,而是迷走神經(jīng)、胃腸道激素、神經(jīng)遞質(zhì)和細(xì)胞因子等多種因素相互作用產(chǎn)生的結(jié)果。但是,由于T-2毒素、HT-2毒素、DON、NIV、巴豆菌素和VA等毒素在化學(xué)結(jié)構(gòu)之間存在細(xì)微差異,這些毒素引起拒食反應(yīng)的作用機(jī)制并不完全相同,因此還有待進(jìn)一步探索。

NOAEL和LOAEL是判斷TS對機(jī)體損害作用的主要依據(jù)。目前,二者在不同動物種屬中的具體數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步確定。迷走神經(jīng)分布在機(jī)體各處,支配胃、肝、咽、耳和心等多個器官的感覺、運(yùn)動及腺體分泌。關(guān)于迷走神經(jīng)在機(jī)體暴露TS引起拒食反應(yīng)中的作用,可采用阻斷特定部位的迷走神經(jīng)傳遞的方法來判斷,如切斷腸道迷走神經(jīng)或TS的靶器官肝臟中迷走神經(jīng)等。胃腸道激素、神經(jīng)遞質(zhì)和細(xì)胞因子在機(jī)體暴露TS引起拒食反應(yīng)的機(jī)制研究已相對充分,但三者之間的相互影響以及具體哪種信號是TS引起拒食反應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)仍需深入發(fā)掘。目前,對應(yīng)用植物源性活性物質(zhì)或中藥療法治療/緩解TS誘導(dǎo)的拒食反應(yīng)仍屬空白,發(fā)掘植物源性活性物質(zhì)或中藥非藥用部位中活性成分可為防治TS誘導(dǎo)的拒食反應(yīng)提供新的解決思路。鑒于腸道菌群在食欲調(diào)控中的作用,針對TS改變動物腸道菌群的組成和豐度,以及通過腸-肝軸、腸-胃軸或腸-腦軸引起動物拒食反應(yīng)等問題還有待進(jìn)一步研究。