仔豬免疫應(yīng)激及其營(yíng)養(yǎng)調(diào)控研究進(jìn)展

劉玉蘭

（武漢輕工大學(xué)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430023）

仔豬免疫應(yīng)激及其營(yíng)養(yǎng)調(diào)控研究進(jìn)展

劉玉蘭

（武漢輕工大學(xué)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430023）

編者按

2017年《中國(guó)畜牧雜志》全面改版。為更好展示畜牧學(xué)領(lǐng)域的科技前沿，促進(jìn)學(xué)術(shù)交流，本刊特別邀請(qǐng)不同領(lǐng)域的專家或青年骨干，圍繞各自的研究領(lǐng)域，介紹自己、團(tuán)隊(duì)或國(guó)際研究機(jī)構(gòu)近幾年的研究成果、存在問(wèn)題及研究展望，或就當(dāng)前的研究熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行討論和評(píng)論。2017年第一期自副主編開(kāi)始，將為讀者帶來(lái)相關(guān)綜述，希望能引發(fā)讀者對(duì)相關(guān)熱點(diǎn)、難點(diǎn)的思考，并進(jìn)行深入探討。

“免疫應(yīng)激”在養(yǎng)豬生產(chǎn)中普遍存在，是導(dǎo)致豬生長(zhǎng)抑制的重要因素之一，給養(yǎng)豬生產(chǎn)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。免疫應(yīng)激是由于飼養(yǎng)環(huán)境中的病原體或非病原體（如細(xì)菌、病毒和內(nèi)毒素等）、疫苗接種等刺激豬的免疫系統(tǒng)所致[1]。

適度的免疫反應(yīng)對(duì)動(dòng)物抵抗疾病、維持健康是有益的，然而當(dāng)機(jī)體受到病原體或非病原體刺激時(shí)，免疫系統(tǒng)常處于一種高度激活狀態(tài)，導(dǎo)致炎性細(xì)胞因子，如白細(xì)胞介素（IL）-1β、IL-6和腫瘤壞死因子（TNF）-α等過(guò)量分泌，從而產(chǎn)生免疫應(yīng)激問(wèn)題。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，炎性細(xì)胞因子主要由免疫系統(tǒng)產(chǎn)生。然而近十年的研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)、胃腸道、肝臟、肌肉和脂肪等組織也能分泌炎性細(xì)胞因子[1]。這些細(xì)胞因子通過(guò)對(duì)靶組織（如胃腸道、肝臟、肌肉和脂肪）的直接作用或通過(guò)作用于神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)，引起動(dòng)物一系列行為和代謝上的改變。行為上改變的典型特征是動(dòng)物發(fā)燒、厭食；代謝上的改變是機(jī)體將用于生長(zhǎng)和骨骼肌沉積的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)向于維持高度激活的免疫系統(tǒng)，造成生長(zhǎng)速度下降、飼料轉(zhuǎn)化率降低、骨骼肌分解加速、合成減慢，最終導(dǎo)致動(dòng)物生長(zhǎng)遲緩和胴體品質(zhì)下降[1]。因此，采取一定措施適度調(diào)節(jié)應(yīng)激動(dòng)物過(guò)度的免疫反應(yīng)，尤其是炎性細(xì)胞因子的過(guò)量產(chǎn)生對(duì)緩解免疫應(yīng)激有重要作用。目前，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)調(diào)控來(lái)緩解免疫應(yīng)激已成為動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)的重要研究方向。

本文主要綜述了本實(shí)驗(yàn)室的最新研究進(jìn)展，包括仔豬免疫應(yīng)激模型、免疫應(yīng)激與炎癥/抗炎信號(hào)通路的關(guān)系，并闡述了不同營(yíng)養(yǎng)素對(duì)仔豬免疫應(yīng)激的調(diào)控作用。

1 仔豬免疫應(yīng)激模型

免疫應(yīng)激包括復(fù)雜的神經(jīng)、內(nèi)分泌、免疫反應(yīng)，建立合適的免疫應(yīng)激模型，準(zhǔn)確模擬免疫應(yīng)激的生理過(guò)程，對(duì)進(jìn)一步研究免疫應(yīng)激的機(jī)制及其營(yíng)養(yǎng)調(diào)控措施具有重要意義。

造成豬免疫應(yīng)激的因素很多，如病原性或非病原性微生物、疫苗、內(nèi)毒素和異源蛋白等。因此，國(guó)內(nèi)外研究者建立了多種免疫應(yīng)激模型。目前模擬免疫應(yīng)激經(jīng)典的方式是從豬腹膜或靜脈注射一定劑量的大腸桿菌脂多糖（LPS）。本實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，給仔豬腹膜注射100 μg/kg體重LPS，可誘導(dǎo)豬產(chǎn)生急性細(xì)菌感染癥狀（如發(fā)燒、嘔吐、嗜睡等），導(dǎo)致血漿和組織炎性細(xì)胞因子，如TNF-α、IL-1和IL-6的含量或表達(dá)量顯著上升，導(dǎo)致下丘腦-垂體-腎上腺（HPA）軸激活，生長(zhǎng)軸抑制，從而導(dǎo)致仔豬生長(zhǎng)抑制[2]。此外，LPS刺激也會(huì)導(dǎo)致組織損傷。實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，LPS可導(dǎo)致仔豬腸道結(jié)構(gòu)及消化、吸收和屏障功能受損[3-4]。LPS可刺激肝臟枯否細(xì)胞分泌大量TNF-α，造成肝臟結(jié)構(gòu)和功能損傷[5]。此外，LPS也可以抑制肌肉蛋白質(zhì)的合成，促進(jìn)肌肉蛋白質(zhì)降解，降低肌肉量[6]。該研究為揭示豬免疫應(yīng)激的機(jī)制和營(yíng)養(yǎng)調(diào)控的研究提供了良好的模型。

2 仔豬免疫應(yīng)激與炎癥/抗炎信號(hào)通路的關(guān)系

從仔豬免疫應(yīng)激的特點(diǎn)來(lái)看，免疫應(yīng)激與炎癥具有一定的相關(guān)性。目前，在免疫學(xué)和生物物理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)，過(guò)氧化物酶體增殖物活化受體γ（PPARγ）、Toll樣受體（TLRs）和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域（NODs）等信號(hào)通路對(duì)炎癥具有重要調(diào)節(jié)作用。因而，推測(cè)這些信號(hào)通路可能參與豬免疫應(yīng)激的調(diào)控，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.1 PPARγ信號(hào)通路 PPARγ屬II型核受體超家族成員，為一種配體激活的核轉(zhuǎn)錄因子。在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)，PPARγ為一種重要的抗炎信號(hào)分子，在抵抗試驗(yàn)動(dòng)物炎性疾病方面發(fā)揮重要作用。鑒于此，推測(cè)PPARγ在仔豬的免疫應(yīng)激中可能具有相似的作用。然而，研究發(fā)現(xiàn)，PPARγ對(duì)仔豬免疫應(yīng)激的調(diào)控作用具有組織特異性。在免疫系統(tǒng)，PPARγ激活促進(jìn)了炎性細(xì)胞因子的釋放從而加劇了仔豬免疫應(yīng)激反應(yīng)[7]；在腸道，PPARγ激活抑制了腸道炎性細(xì)胞因子釋放從而緩解了腸道損傷[8]。這表明，PPARγ作為免疫應(yīng)激的一種中間調(diào)控分子，只能局部而不能全面控制仔豬的免疫應(yīng)激。

2.2 TLR4和NODs信號(hào)通路 TLRs和NODs是近年來(lái)剛發(fā)現(xiàn)的與免疫密切相關(guān)的受體家族，為一類模式識(shí)別受體，通過(guò)識(shí)別不同病原體的病原相關(guān)的分子模式在抗感染天然免疫和炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。因此，預(yù)測(cè)TLRs和NODs可能參與仔豬免疫應(yīng)激的調(diào)控。本實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明，免疫應(yīng)激使仔豬免疫組織、神經(jīng)內(nèi)分泌組織、肝臟、肌肉、脂肪和腸道中TLR4信號(hào)通路（包括TLR4、MyD88、IRAK1、TRAF6、NF-кB、TNF-α等）和NODs信號(hào)通路（包括NOD1、NOD2、RIPK等）關(guān)鍵基因的表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致各組織炎性細(xì)胞因子過(guò)量釋放，從而導(dǎo)致HPA軸激活，腸道和肝臟損傷，肌肉蛋白質(zhì)降解增強(qiáng)，生產(chǎn)性能下降。采用相應(yīng)的阻斷劑抑制TLR4、NOD1、NOD2可以緩解這些現(xiàn)象[9-14]。這些研究結(jié)果表明，TLR4和NODs信號(hào)通路激活可導(dǎo)致仔豬的免疫應(yīng)激，負(fù)調(diào)控TLR4和NODs通路成為控制仔豬免疫應(yīng)激的重要途徑。

進(jìn)一步探討TLR4負(fù)調(diào)控因子—細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制蛋白1（SOCS1）仔豬在免疫應(yīng)激中的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)免疫應(yīng)激導(dǎo)致SOCS1在仔豬各組織中mRNA表達(dá)量顯著上升（未發(fā)表資料）。在豬小腸上皮細(xì)胞系（IPEC1）上進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SOCS1可以抑制IPEC1細(xì)胞炎癥反應(yīng)，但是對(duì)IPEC1細(xì)胞損傷無(wú)顯著緩解作用[15]。有關(guān)SOCS1對(duì)豬免疫應(yīng)激的影響尚需進(jìn)一步研究。

3 仔豬免疫應(yīng)激的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控

目前，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)調(diào)控來(lái)緩解免疫應(yīng)激已成為動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)的重要研究方向。近十年來(lái)，本實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)探討了脂肪酸（如n-3多不飽和脂肪酸（PUFA）、中鏈脂肪酸（MCFA）、短鏈脂肪酸（SCFA））、功能性氨基酸（如精氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、甘氨酸、N-乙酰半胱氨酸）、植物提取物（如寡糖、多糖、精油、多酚）對(duì)仔豬免疫應(yīng)激的調(diào)控作用。本文僅對(duì)脂肪酸對(duì)仔豬免疫應(yīng)激的調(diào)控作用進(jìn)行闡述。

n-3 PUFA主要包括α-亞麻酸（ALA，C18:3n-3）、二十碳五烯酸（EPA，C20:5n-3）和二十二碳六烯酸（DHA，C22:6n-3）。ALA主要存在于植物油中，EPA和DHA主要存在于深海魚(yú)油中。ALA是EPA和DHA的前體物質(zhì)，在體內(nèi)可以轉(zhuǎn)變成EPA和DHA，但是轉(zhuǎn)化的比例很有限（0.2%～15%）。本實(shí)驗(yàn)室早期研究發(fā)現(xiàn)，魚(yú)油（富含EPA和DHA）可有效緩解LPS導(dǎo)致的仔豬日采食量和日增重的下降。魚(yú)油的這種效果與其抑制血漿炎性細(xì)胞因子的過(guò)量釋放，緩解生長(zhǎng)軸的抑制和HPA軸的激活密切相關(guān)[2]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，魚(yú)油還可有效緩解LPS導(dǎo)致的仔豬腸道、肝臟損傷和肌肉蛋白質(zhì)的降解。魚(yú)油的這種緩解作用與其抑制TLR4和NODs信號(hào)通路密切相關(guān)[12-14]。除了魚(yú)油之外，也研究了亞麻油（富含ALA）對(duì)仔豬免疫應(yīng)激的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)亞麻油提高了肝臟和腸黏膜中總n-3 PUFA、ALA和EPA的含量，抑制了肝臟和腸道TLR4和NODs信號(hào)通路某些基因的表達(dá)，對(duì)LPS誘導(dǎo)肝臟結(jié)構(gòu)和功能的損傷具有一定的緩解作用，但對(duì)腸道功能僅有輕微的保護(hù)作用，對(duì)腸道結(jié)構(gòu)無(wú)改善作用[16]?？傮w而言，亞麻油對(duì)免疫應(yīng)激的緩解作用不如魚(yú)油，這可能與ALA在豬體內(nèi)轉(zhuǎn)化為EPA效率較低有關(guān)。綜上所述，在n-3 PUFA中，富含EPA和DHA的魚(yú)油是一種有效緩解豬免疫應(yīng)激的重要營(yíng)養(yǎng)素。

MCFA指含有6～12個(gè)碳原子的脂肪酸，主要包括己酸、辛酸、癸酸和月桂酸，其酯化形式為中鏈甘油三酯（又稱中鏈脂肪）。目前，關(guān)于MCFA對(duì)豬免疫應(yīng)激的研究很少見(jiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，辛、葵酸甘油酯可抑制TLR4和NODs/p38信號(hào)通路、程序性壞死信號(hào)通路（RIP1/RIP3/MLKL）相關(guān)基因的mRNA或蛋白表達(dá)，進(jìn)而降低腸道和肝臟炎性介質(zhì)的表達(dá)，緩解LPS對(duì)仔豬腸道和肝臟的損傷[17]。

SCFA指碳原子數(shù)少于6的脂肪酸，包括乙酸、丙酸和丁酸，主要由結(jié)腸微生物發(fā)酵日糧纖維產(chǎn)生。這些SCFA為結(jié)腸細(xì)胞的主要能源，可為結(jié)腸細(xì)胞提供60%～70%的能量。目前，有關(guān)SCFA在豬上的研究主要集中在腸道健康方面。本實(shí)驗(yàn)室早期研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加0.5%三丁酸甘油酯可提高早期斷奶仔豬的日增重、日采食量和耗料增重比，降低腹瀉率，改善腸道形態(tài)學(xué)，提高腸道二糖酶的活性[18]。此外，近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，在仔豬結(jié)腸炎模型中，日糧添加0.1%三丁酸甘油酯可抑制腸細(xì)胞凋亡，促進(jìn)緊密連接蛋白的形成，激活表皮生長(zhǎng)因子受體信號(hào)，從而緩解腸道損傷[19]。本實(shí)驗(yàn)室與SCFA相關(guān)的研究還發(fā)現(xiàn)，仔豬日糧中添加木寡糖、香菇多糖可改變腸道微生物組成，提高腸道SCFA的產(chǎn)生，抑制組蛋白去乙酰化酶活性，進(jìn)而緩解LPS刺激導(dǎo)致的腸道炎癥反應(yīng)，緩解腸道結(jié)構(gòu)和功能損傷（未發(fā)表資料）。

4 小結(jié)與展望

LPS模型為揭示豬免疫應(yīng)激的機(jī)制和營(yíng)養(yǎng)調(diào)控的研究提供了良好的模型。TLR4和NODs等與炎癥密切相關(guān)的信號(hào)通路參與了豬免疫應(yīng)激的調(diào)控。n-3 PUFA、MCFA、SCFA可有效緩解免疫應(yīng)激導(dǎo)致的生長(zhǎng)抑制或組織損傷等負(fù)面影響。這些研究為緩解豬免疫應(yīng)激進(jìn)而提高養(yǎng)豬生產(chǎn)水平和效益提供了理論依據(jù)。

目前，在有關(guān)豬的免疫應(yīng)激及其營(yíng)養(yǎng)調(diào)控的研究中，仍需要深入研究以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：①LPS免疫應(yīng)激模型存在不足。在實(shí)際豬場(chǎng)環(huán)境中，普遍存在的是慢性免疫應(yīng)激，而LPS誘導(dǎo)的是急性免疫應(yīng)激，更為理想的模型還需進(jìn)一步探索。在探索理想免疫應(yīng)激模型的過(guò)程中，最佳應(yīng)激源、確定適宜引入方式和劑量、篩選敏感監(jiān)測(cè)標(biāo)識(shí)、明確應(yīng)激持續(xù)時(shí)間都十分困難，有待深入研究。②免疫應(yīng)激的機(jī)制尚需進(jìn)一步探討。除了炎癥/抗炎信號(hào)通路參與免疫應(yīng)激的調(diào)控外，其他信號(hào)通路（如與細(xì)胞死亡或應(yīng)激相關(guān)的信號(hào)通路）也可能參與免疫應(yīng)激的調(diào)控。隨著組學(xué)、表觀遺傳學(xué)等技術(shù)手段在該研究領(lǐng)域的應(yīng)用，將有助于全面揭示免疫應(yīng)激的分子機(jī)制。③不同營(yíng)養(yǎng)素組合及其互作對(duì)免疫應(yīng)激調(diào)控作用的研究很少。④營(yíng)養(yǎng)素調(diào)控免疫應(yīng)激的定性定量規(guī)律尚未建立。

[1] Gabler N K, Spurlock M E. Integrating the immune system with the regulation of growth and efficiency[J]. J Anim Sci,2008, 86(14 Suppl): E64-74.

[2] Liu Y L, Li D F, Gong L M, et al. Effects of fish oil supplementation on the performance and the immunological, adrenal, and somatotropic responses of weaned pigs after an Escherichia coli lipopolysaccharide challenge[J]. J Anim Sci, 2003, 81(11): 2758-2765.

[3] Zhu H, Liu Y, Chen S, et al. Fish oil enhances intestinal barrier function and inhibits corticotropin-releasing hormone/corticotropin-releasing hormone receptor 1 signalling pathway in weaned pigs after lipopolysaccharide challenge[J]. Brit J Nutr, 2016, 115(11): 1947-1957.

[4] Liu Y. Fatty acids, inflammation and intestinal health in pigs[J]. J Anim Sci Biotechno, 2015, 6(1): 41.

[5] Wu H, Liu Y, Pi D, et al. Asparagine attenuates hepatic injury caused by lipopolysaccharide in weaned piglets associated with modulation of Toll-like receptor 4 and nucleotide-binding oligomerisation domain protein signalling and their negative regulators[J]. Brit J Nutr,2015, 114(2): 189-201.

[6] Liu Y, Wang X, Wu H, et al. Glycine enhances muscle protein mass associated with maintaining Akt-mTORFOXO1 signaling and suppressing TLR4 and NOD2 signaling in piglets challenged with LPS[J]. Am J Physiol Reg I, 2016, 311(2): R365-373.

[7] Liu Y, Shi J, Lu J, et al. Activation of peroxisome proliferator-activated receptor-gamma potentiates proinflammatory cytokine production, and adrenal and somatotropic changes of weaned pigs after Escherichia coli lipopolysaccharide challenge[J]. Innate Immun, 2009,15(3): 169-178.

[8] Wei F, Liu Y L, Wu Z F, et al. Effects of rosiglitazone, an agonist of the peroxisome proliferator-activated receptor γ, on intestinal damage induced by Escherichia coli lipopolysaccharide in weaned pigs[J]. Am J Vet Res, 2010,71(11): 1331-1338.

[9] 陳少魁, 劉玉蘭, 李權(quán),等. 脂多糖刺激對(duì)仔豬下丘腦-垂體-腎上腺軸 Toll樣受體4信號(hào)通路關(guān)鍵基因表達(dá)的影響[J]. 動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào), 2014, 26(11): 3356-3361.

[10] 王海波, 劉玉蘭, 李權(quán),等. 脂多糖對(duì)仔豬下丘腦-垂體-腎上腺軸內(nèi)應(yīng)激基因和NOD信號(hào)通路關(guān)鍵基因表達(dá)的影響[J]. 中國(guó)畜牧雜志, 2015, 51(1): 20-24.

[11] Chen F, Liu Y, Zhu H, et al. Fish oil attenuates liver injury caused by LPS in weaned pigs associated with inhibition of TLR4 and nucleotide-binding oligomerization domain protein signaling pathways[J]. Innate Immun, 2013, 19(5):504-515.

[12] Liu Y, Chen F, Odle J, et al. Fish oil enhances intestinal integrity and inhibits TLR4 and NOD2 signaling pathways in weaned pigs after LPS challenge.[J]. J Nutr, 2012,142(11): 2017-2024.

[13] Liu Y, Chen F, Li Q, et al. Fish oil alleviates activation of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis associated with inhibition of TLR4 and NOD signaling pathways in weaned piglets after a lipopolysaccharide challenge[J]. J Nutr,2013, 143(11): 1799-1807.

[14] Liu Y, Chen F, Odle J, et al. Fish oil increases muscle protein mass and modulates Akt/FOXO, TLR4, and NOD signaling in weanling piglets after lipopolysaccharide challenge[J]. J Nutr, 2013, 143(8): 1331-1339.

[15] 涂治驍. NF-κB、p38和SOCS1在雙氧水誘導(dǎo)IPEC-1細(xì)胞損傷中的作用[D]. 武漢: 武漢輕工大學(xué), 2017.

[16] 王海波. 亞麻油對(duì)脂多糖誘導(dǎo)仔豬腸道和肝臟損傷的調(diào)控作用[D]. 武漢: 武漢輕工大學(xué), 2016: 39.

[17] 陳少魁. 中鏈脂肪酸對(duì)脂多糖誘導(dǎo)仔豬腸道和肝臟損傷的調(diào)控作用[D]. 武漢: 武漢輕工大學(xué), 2016: 48.

[18] Hou Y Q, Liu Y L, Hu J, et al. Effects of lactitol and tributyrin on growth performance, small intestinal morphology and enzyme activity in weaned pigs[J]. Asian-Austr J Anim, 2006, 19(10): 1470-1477.

[19] Hou Y, Wang L, Yi D, et al. Dietary supplementation with tributyrin alleviates intestinal injury in piglets challenged with intrarectal administration of acetic acid[J]. Brit J Nutr,2014, 111(10): 1748-1758.

10.19556/j.0258-7033.2017-10-001

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31372318、31422053、31772615）

劉玉蘭（1975-），女，湖北天門(mén)人，博士，教授，2014年國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者，主要從事動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與免疫方面的研究，E-mail: yulanflower@126.com