奶牛SARA狀態(tài)下LPS易位機理研究進展

高景，齊智利

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，武漢 430070）

在現(xiàn)代集約化反芻動物生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)水平而大量飼喂谷物淀粉為主的高精日糧，導(dǎo)致瘤胃酸中毒發(fā)病率增加。瘤胃酸中毒是指長時間高精日糧飼喂反芻動物導(dǎo)致的瘤胃有機酸積累，pH下降，瘤胃微生物菌群失調(diào)，進而導(dǎo)致瘤胃代謝紊亂的疾病[1]。瘤胃酸中毒分為急性瘤胃酸中毒和亞急性瘤胃酸中毒（SARA），一般認(rèn)為當(dāng)瘤胃pH下降至5.0以下為急性瘤胃酸中毒，下降至5.6～5.8為亞急性瘤胃酸中毒[2]。因為SARA癥狀不明顯，診斷困難，其對生產(chǎn)實踐中造成的危害比急性瘤胃酸中毒大。除了瘤胃pH下降，SARA發(fā)生時還伴隨著瘤胃異常代謝產(chǎn)物脂多糖（LPS）的積累。低pH下，革蘭氏陰性菌大量裂解，LPS被釋放出來，導(dǎo)致瘤胃液中LPS濃度上升。研究表明，瘤胃液中LPS濃度上升激活瘤胃上皮細(xì)胞炎癥信號核轉(zhuǎn)錄因子kB（NF-kB），引起瘤胃局部炎癥[3]。同時，LPS能從瘤胃中易位進入機體循環(huán)系統(tǒng)，增加急性期蛋白含量，并與后續(xù)癥狀肝膿腫和蹄葉炎等病發(fā)生均有關(guān)[4]。因此研究SARA發(fā)生時LPS從瘤胃易位到機體循環(huán)系統(tǒng)的機理對進一步了解瘤胃酸中毒致病機制及對機體的危害作用有重要意義，可為SASA提早防控和治療提供參考，有利于提高牛群健康福利，減少經(jīng)濟損失。

1 LPS 的產(chǎn)生

LPS位于革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁外膜的最外層，其中類脂-A是革蘭氏陰性菌內(nèi)毒素的主要成分。高精日糧導(dǎo)致瘤胃pH下降，瘤胃中革蘭氏陰性菌大量裂解，瘤胃液中LPS濃度升高，可升高到2～13.5倍[5,6]。研究表明不同細(xì)菌種類的LPS毒力作用不同[7]。實驗性SARA構(gòu)建方法有兩種：高精日糧誘導(dǎo)和飼糧顆粒誘導(dǎo)。這兩種誘導(dǎo)方法均能使瘤胃pH下降，瘤胃中LPS濃度升高。區(qū)別在于高精日糧誘導(dǎo)的SARA同時升高盲腸和糞便中的LPS含量，其含量對應(yīng)地從16508EU/g增加到118522EU/g，從12832EU/g增加到118522EU/g，而飼糧顆粒誘導(dǎo)的SARA只增加瘤胃中的LPS濃度，對大腸和糞便中LPS濃度無影響[8]。兩種SARA模型間的差異可能是由于高精日糧誘導(dǎo)的SARA牛，由于后腸道食糜淀粉含量的增加，腸道中的淀粉發(fā)酵促進了細(xì)菌生長，從而釋放LPS，使其含量升高。而飼糧顆粒誘導(dǎo)的SARA不增加后腸道食糜淀粉含量。

2 LPS 易位

關(guān)于SARA狀況下LPS是否能從瘤胃易位到機體循環(huán)還存在爭議。Plaizier 等人報道在SARA狀況下外周血中LPS濃度無變化[9]，而Khafipour等人則發(fā)現(xiàn)瘤胃上皮通透性增大，并且外周血中LPS濃度升高[10]。早期研究將51Cr標(biāo)記的大腸桿菌LPS注射到瘤胃中，但沒有發(fā)現(xiàn)有51Cr標(biāo)記的大腸桿菌LPS吸收進入淋巴組織和外周血中，由此得出瘤胃上皮對LPS沒有通透性[11]。但這可能是因為51Cr會與LPS的類脂A緊密結(jié)合，使其不易乳化和擴散，進而影響LPS穿透黏膜上皮的能力。后續(xù)有研究報道LPS是能穿透牛的瘤胃和結(jié)腸組織而發(fā)生易位的[12]。LPS從瘤胃以及腸道上皮的易位說明LPS能破壞上皮屏障，增加其通透性。

在正常情況下，消化道上皮有抵御外界異物的屏障，即由緊密連接蛋白連接的單層細(xì)胞，LPS等大分子是無法透過上皮進入機體循環(huán)的。而當(dāng)緊密連接蛋白受到破壞時會增加上皮的通透性，此時滲透性增加，LPS會穿過上皮，易位到外周血中。LPS在消化道上皮通過跨細(xì)胞或者穿過細(xì)胞間的緊密連接（細(xì)胞旁路）[13]進入到外周血中。研究表明高濃度的LPS將會介導(dǎo)細(xì)胞凋亡，破壞緊密連接蛋白ZO-1，其原理在于瘤胃LPS通過增加誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）的表達，增加一氧化氮（NO）產(chǎn)生[14]。適量的NO對機體是無害的，其參與多種生命活動，包括神經(jīng)傳遞、血管舒張以及炎癥反應(yīng)等[15]。而當(dāng)LPS能上調(diào)腸道上皮細(xì)胞iNOS的表達，會使NO產(chǎn)生迅速增加。累積的NO將會破壞緊密連接蛋白，并與超氧陰離子結(jié)合產(chǎn)生有毒的過氧亞硝酸鹽，其會不可逆地阻斷線粒體呼吸鏈，激活凋亡級聯(lián)反應(yīng)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[16]。據(jù)Williams 等人研究報道，LPS能加快小鼠腸道上皮細(xì)胞的凋亡速率，使其超過產(chǎn)生速率，并導(dǎo)致腸道上皮出現(xiàn)細(xì)胞間隙[17]。

即使緊密連接蛋白完整的情況下，LPS也能通過Toll樣受體4（TLR4）介導(dǎo)的內(nèi)吞作用從跨細(xì)胞向基底層細(xì)胞轉(zhuǎn)運，其中TLR4是LPS的模式識別受體（PRR）[18]。正常情況下，腸道上皮低表達TLR4、髓樣差異蛋白2（MD2）及分群14（CD14），因此其對LPS的識別和結(jié)合度低[19]。而在SARA會上調(diào)TLR和相關(guān)信號蛋白的表達時，會促進受體介導(dǎo)的LPS內(nèi)吞作用，增加腸道上皮通透性[20]。內(nèi)毒素可運送到高爾基體。高爾基體內(nèi)含有乳糜微粒，其與LPS有高親和性，可與LPS結(jié)合在淋巴和血液中進行運輸，從而引起系統(tǒng)性炎癥和免疫反應(yīng)[21]。

除此之外，SARA發(fā)生時引起的瘤胃上皮角化不全也會促進LPS從瘤胃上皮易位到循環(huán)系統(tǒng)中。在健康的瘤胃中，瘤胃復(fù)層鱗狀上皮被角化細(xì)胞覆蓋，角化細(xì)胞充當(dāng)保護性屏障。然而高精日糧飼喂后，分層鱗狀上皮細(xì)胞的代謝和增殖速率顯著增加，導(dǎo)致細(xì)胞過早進入角質(zhì)層，這種狀況稱為角化不全。研究表明，高精日糧誘導(dǎo)的SARA可通過降低瘤胃復(fù)層鱗狀上皮組織厚度以及顆粒層細(xì)胞間的黏附，從而增加LPS從細(xì)胞旁路易位[22]。

3 外周血中的LPS

被乳糜微粒包裹的LPS從消化道易位后進入淋巴系統(tǒng)并激活腸系膜淋巴結(jié)的巨噬細(xì)胞釋放促炎因子IL-1、IL-6、TNF-a等。另一部分LPS運輸?shù)介T靜脈進入肝臟，肝臟中的肝細(xì)胞和庫普弗細(xì)胞會清除LPS，并釋放促炎因子到循環(huán)系統(tǒng)中，引起急性期反應(yīng)，導(dǎo)致血液中血清淀粉樣蛋白A（SAA）、觸珠蛋白（Hp）及脂多糖結(jié)合蛋白（LBP）等急性期蛋白含量上升[23]。Khafipour 等人發(fā)現(xiàn)精料誘導(dǎo)的SARA泌乳奶牛血液中LPS濃度從無法檢測的水平（＜0.05 EU/mL）上升到0.52 EU/mL，并且外周血中LBP、SAA及Hp濃度分別從18μg/mL、77.6μg/mL、0.0μg/mL上升到53μg/mL、218.9μg/mL、0.48μg/mL[24]。少數(shù)逃過肝臟清除的LPS進入循環(huán)血液中，與低密度脂蛋白（LDL）和高密度脂蛋白(HDL)結(jié)合進行運輸，最終會被肝細(xì)胞或白脂肪組織中的巨噬細(xì)胞清除，釋放促炎因子，引起局部炎癥[25]。LPS易位到循環(huán)血液后機體啟動自身清除體系，并伴隨有炎癥反應(yīng)和急性期反應(yīng)，這種過度的免疫反應(yīng)消耗能量，干擾機體對病原體的識別和免疫反應(yīng)，促進了多種疾病的發(fā)生。

4 展望

SARA發(fā)生時LPS的積累會破壞瘤胃及腸道上皮屏障的完整性，增加上皮通透性，使LPS從瘤胃易位到機體循環(huán)，進而引起全身炎癥和急性期反應(yīng)，誘導(dǎo)相關(guān)疾病如肝膿腫等疾病的發(fā)生。因此研究LPS從瘤胃易位到機體循環(huán)的機理對于減緩SARA危害，提早診斷并治療SARA有重要意義。目前關(guān)于瘤胃異常代謝產(chǎn)物的研究主要集中在LPS上，也有相關(guān)文獻報道SARA發(fā)生時組胺等其他有毒物質(zhì)也會積累，但關(guān)于其他瘤胃異常代謝產(chǎn)物對上皮通透性的影響以及易位尚不清楚。因此，可以選取多個指標(biāo)作為研究對象，如從瘤胃微生物區(qū)系變化、代謝產(chǎn)物積累等方面并聯(lián)系瘤胃和機體循環(huán)，系統(tǒng)性地研究SARA致病機制及其對動物全身的影響。