如何實現(xiàn)飼用抗生素的高效替代——英賽特基于科學(xué)(基本概念、作用機制和作用標準)的AGPs三等替代方案

彭險峰，覃宗華，程相逢

(1 廣東省新飼料添加劑發(fā)現(xiàn)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510663；2 廣州英賽特生物技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510663)

1 問題的提出

1950年，金霉素作為第一個抗生素生長促進劑(Antibiotic Growth Promoters，AGPs)被批準在飼料中應(yīng)用，在隨后的開發(fā)和應(yīng)用浪潮中先后有近百個AGPs在國內(nèi)外被批準使用。AGPs的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用曾被認為是飼料工業(yè)里程碑式的事件。事實上，到目前為止，從投入產(chǎn)出比來看，AGPs仍被認為是飼料配方體系中非營養(yǎng)組分中性價比最高的功能性飼料添加劑。近60年的應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析顯示，AGPs的投入產(chǎn)出比可達到1∶6。AGPs一方面表現(xiàn)出對動物生產(chǎn)性能非凡的促進作用，另一方面也直接解決了生產(chǎn)中的一些表觀問題，如斷奶仔豬腹瀉、肉雞水便和畜禽腸炎等。如果在AGPs的選擇和應(yīng)用方面做到優(yōu)化，可以使商品飼料在成本及性能方面體現(xiàn)出明顯的差異化，因此諸多商業(yè)化飼料廠對AGPs產(chǎn)生了嚴重的依賴，這也是過去在市場上部分飼料廠樂于多個AGPs聯(lián)合應(yīng)用甚至超劑量使用的原因。

現(xiàn)在，越來越多的國家和地區(qū)逐漸禁止或限制AGPs在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用，其背后的原因不外乎兩方面。一是擔(dān)心AGPs濫用后在動物性食品中殘留所致的食品安全問題；二是針對AGPs的耐藥性在不同細菌(尤其是人的病原性細菌)中的水平傳遞引起人們對公共衛(wèi)生的憂慮。

面對限制抗生素(以下簡稱“限抗”)和禁止抗生素(以下簡稱“禁抗”)使用帶來的巨大替代抗生素(以下簡稱“替抗”)市場需求，近二三十年來國內(nèi)外研究單位和企業(yè)開展了大量的研究來尋找AGPs的替代方案。各種概念和產(chǎn)品百花齊放，但也魚龍混雜，這些產(chǎn)品主要包括酸化劑、精油、植物提取物、抗菌肽和溶菌酶等。如果以傳統(tǒng)AGPs的效力及成本來評價這些產(chǎn)品，幾個可以真正落地呢？這又是為什么呢？

2 基本概念的區(qū)分

雖然全球?qū)W術(shù)界和工業(yè)界針對AGPs替代品的研發(fā)將近40年，但英賽特認為大家對于這一問題仍缺乏基本的、系統(tǒng)的理解。經(jīng)過20年的研發(fā)，我們認為對抗菌劑、抗菌藥、抗生素、AGPs和飼用抗菌劑幾個基本概念的理解和區(qū)分對于開發(fā)AGPs替代產(chǎn)品來說是最基礎(chǔ)的要求，也是最重要的要求。

這幾個基本概念的相互關(guān)系可用圖1中的模式圖簡單概括。這5個概念所定義的物質(zhì)具有一個共性，即抗菌活性?？咕鷦┧w的范圍最大，即任何具有抗菌活性的物質(zhì)均可以劃歸為抗菌劑。抗菌藥則是在抗菌劑中能滿足作為藥物應(yīng)用要求的一些化合物，主要的限制性要求包括抗菌活性、安全性、體內(nèi)動力學(xué)過程、應(yīng)用劑量及成本等。抗生素則是抗菌藥中更少的一部分，抗生素與抗菌藥的區(qū)別更多的是來源上的差異?？股厥窃诘蜐舛认履苓x擇性地抑制某些微生物的生命活動且由微生物分泌的次級代謝產(chǎn)物，抗菌藥則包含抗生素及合成類抗菌藥用化合物。而AGPs的范圍就更小了，專指某些具有抗菌性并且能促進動物生長的抗生素或抗菌藥，需要滿足飼料應(yīng)用的場景要求并能達到促生長的目的，因此實踐中能作為AGPs的抗生素品種并不多，主要限制性要求包括足夠強的抗菌活性、在動物腸道不吸收或吸收少、與人或動物治療用抗生素?zé)o結(jié)構(gòu)相關(guān)性、安全性高和應(yīng)用成本低等。而飼用抗菌劑應(yīng)是AGPs的高效替代產(chǎn)品，首先嚴格意義上來講，它與抗生素及抗菌藥均沒有結(jié)構(gòu)及耐藥性相關(guān)性，具有較強的抗菌活性，且安全性高，主要來源于飼料或食品中的組分或GRAS(Generally Recognized As Safe，一般公認安全的物質(zhì))相關(guān)的物質(zhì)。

3 AGPs的作用機制

要實現(xiàn)AGPs的高效替代，除了區(qū)分基本概念外，還要深刻理解AGPs的作用機制，即AGPs如何促進動物生長。要回答這個問題得先充分理解腸道微生物與動物生產(chǎn)性能的關(guān)系。動物腸道豐富的營養(yǎng)極其適宜細菌的快速增殖。因此，即使是常規(guī)飼養(yǎng)的貌似健康的動物的腸道也存在大量的細菌，在每克腸道內(nèi)容物中細菌的總量可達到107CFU～1010CFU。這些細菌的存在至少有兩方面的直接影響：一是細菌生長繁殖要消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì)(動物糞便中40%的干物質(zhì)屬于菌體蛋白)；其次，細菌產(chǎn)生的各種毒素或代謝產(chǎn)物可誘發(fā)動物的炎癥反應(yīng)或其他病理反應(yīng)，影響動物腸道健康，降低飼料利用率及動物生產(chǎn)性能。有研究資料顯示，雞在常規(guī)的飼養(yǎng)環(huán)境或無菌的環(huán)境下，腸道上皮細胞周轉(zhuǎn)速度存在巨大差別。在常規(guī)環(huán)境下，周轉(zhuǎn)時間為3.8 d，然而在無菌環(huán)境下，周轉(zhuǎn)時間為9.1 d，差了2.4倍！這意味著動物在常規(guī)(有菌)環(huán)境下，腸道維持的營養(yǎng)需求要高得多，大量能量和營養(yǎng)被用于維持腸道正常功能。例如試驗發(fā)現(xiàn)肉雞在感染球蟲的情況下，用于維持的能量要高出20 kcal/d～60 kcal/d?？偠灾瑪?shù)量龐大的腸道微生物對動物生產(chǎn)性能的總體影響是負面的。

因此，對腸道普發(fā)病原微生物的抑制而間接提高飼料利用率并改善動物生產(chǎn)性能是各種AGPs發(fā)揮作用的最直接機制。為什么結(jié)構(gòu)各異的AGPs均能改善動物的生產(chǎn)性能呢？雖然在結(jié)構(gòu)上不同的AGPs各不相同，但它們有一個共同的生物學(xué)活性，即對動物腸道病原菌有著作用譜或?qū)捇蛘囊种茪缱饔谩?/p>

動物生產(chǎn)實踐中常常有2種誤解：⑴將抗菌與促生長分開，認為這些AGPs是抗菌的，另外一些AGPs是促生長的，實際上抗菌是AGPs促生長的科學(xué)基礎(chǔ)；⑵將抗腹瀉與促生長分開，很多人將控制腹瀉等表觀效果與促生長割裂開來，誤以為這些抗生素是抗腹瀉的，另外一些抗生素是促生長的。以斷奶仔豬腹瀉的控制為例，AGPs因為從源頭上控制了產(chǎn)腸毒素大腸桿菌，從而緩解或改善了斷奶仔豬的腹瀉，并最終提高了仔豬的飼料利用率和動物的生產(chǎn)性能。這是現(xiàn)象和結(jié)果的關(guān)系，背后的真正原因仍然是AGPs的高效抑菌或殺菌作用。

4 AGPs的作用標準

AGPs要在飼料中發(fā)揮抗菌(抗腹瀉)促生長的作用必須滿足以下5個標準，這也是AGPs替代產(chǎn)品應(yīng)該滿足的基本條件。

⑴較強的抗菌效力。AGPs的替代產(chǎn)品也應(yīng)具有相當?shù)目咕钚?MIC90≤30 μg/mL)，但從結(jié)構(gòu)和來源上看不應(yīng)屬于抗菌藥的范疇，且與抗菌藥沒有結(jié)構(gòu)及耐藥性相關(guān)性。

⑵必須能夠在動物腸道的后端維持足夠的有效濃度。任何AGPs替代產(chǎn)品都要充分考慮靶標分子在動物體內(nèi)的代謝動力學(xué)過程以及在飼料加工、保存和運輸?shù)雀鞣N因素的影響下活性成分是否能在動物腸道的后端達到足夠濃度而發(fā)揮作用。

⑶在飼料產(chǎn)品中有足夠的有效添加劑量。AGPs要在動物體內(nèi)發(fā)揮作用，其有效添加劑量要基于其抗菌活性及體內(nèi)動力學(xué)過程(包括吸收、稀釋、代謝轉(zhuǎn)化及穩(wěn)定性等)這兩方面綜合考慮，這也是AGPs替代產(chǎn)品必須參考相同的原則。

⑷產(chǎn)品安全性。產(chǎn)品的活性成分必須是明確可控的，長期添加毒性小，且符合相關(guān)法律法規(guī)，無任何安全性風(fēng)險。

⑸合理的應(yīng)用成本。替代產(chǎn)品必須在現(xiàn)有AGPs的應(yīng)用成本范圍之內(nèi)(3～30元/t，教槽料和保育料除外)，否則在生產(chǎn)實踐中沒有應(yīng)用價值和意義。

5 AGPs替代產(chǎn)品的系統(tǒng)篩選和評價方法

英賽特的替抗解決方案是從基本概念、AGPs的作用機制及作用標準著手，首先從眾多的GRAS物質(zhì)中測試并篩選出與抗生素相比有相當抗菌效力的化合物(包括大腸桿菌、沙門氏菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌等)。然后通過斷奶仔豬腹瀉等高壓力的動物模型，用抗生素(如金霉素等)或AGPs替代產(chǎn)品進行單因素高劑量治療試驗，快速高效評價其效果，然后再通過飼養(yǎng)試驗進行篩選。

但是，傳統(tǒng)上僅僅依靠飼養(yǎng)試驗來評估篩選替抗產(chǎn)品知易行難，試驗周期長、效率低和影響因素多，且試驗設(shè)計與實施的標準化以及過程管理不當都會嚴重影響試驗結(jié)果的評估，導(dǎo)致很難篩選到真正有價值的替代品。因此，高腸道壓力動物模型(如斷奶仔豬腹瀉、肉雞腸炎和蛋雞水便等)的治療試驗是AGPs替代產(chǎn)品效力驗證的最直接方法，也是飼料廠在現(xiàn)場快速評價相關(guān)產(chǎn)品最客觀、快速且準確的方法。

6 英賽特的AGPs高效替代方案

英賽特基于以上理解，包括基本概念、作用機制、標準及篩選方法，用8年的時間先后從各類GRAS物質(zhì)中高通量篩選了超過3 000種化合物的抗菌活性，并結(jié)合動物體內(nèi)代謝過程，利用獨創(chuàng)的藥物制劑技術(shù)，開發(fā)了3個從“機制、效力和成本”上均能落地的AGPs高效替代產(chǎn)品。

⑴30%腸溶肉豆蔻酸(商品名：賽金素)。肉豆蔻酸具有廣譜抗菌活性(其對主要腸道病原菌的體內(nèi)抑制活性見表1)，但由于肉豆蔻酸是中長鏈脂肪酸，在動物腸道的中前端很容易被吸收而無法到達腸道中后端。賽金素是將肉豆蔻酸的廣譜抗菌活性與腸道靶向釋放的藥物制劑工藝相結(jié)合而開發(fā)的AGPs高效替代產(chǎn)品。公司應(yīng)用的腸溶工藝(非包被工藝，包被無法實現(xiàn)真正的腸溶)實現(xiàn)了肉豆蔻酸在動物體內(nèi)高后腸濃度和低血藥濃度，最重要的是成本可行。

⑵黑曲霉菌及其定向培養(yǎng)物(商品名：鉆石菌)。黑曲霉菌培養(yǎng)產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物具有廣譜的抗菌活性。鉆石菌是優(yōu)選的黑曲霉菌與其定向培養(yǎng)的產(chǎn)物組合而成的產(chǎn)品，具有極好的配伍性及應(yīng)用效果。

⑶60%腸溶苯甲酸(商品名：可肥酸-60)。苯甲酸是酸化劑分子中抗菌活性最強的，且具有能直接抗腹瀉病理性分泌的作用。但苯甲酸在動物體內(nèi)的生物利用率超過70%，只有極少部分可以到達后腸發(fā)揮作用?？煞仕?60利用腸溶制劑工藝可確保絕大部分的苯甲酸能直接送達腸道發(fā)揮抗菌作用。就抗腹瀉及改善生產(chǎn)性能效果而言，可肥酸-60較普通苯甲酸可提升3倍以上的效力。同時，可肥酸-60還解決了原料型苯甲酸產(chǎn)品刺激性氣味大、結(jié)塊、流散性不好、腐蝕設(shè)備和與其他添加劑組分反應(yīng)性強等多方面的缺點。

產(chǎn)品應(yīng)用定位及方案：賽金素、鉆石菌及可肥酸-60都可作為非抗生素類的廣譜抗菌劑單獨或聯(lián)合應(yīng)用，可替代AGPs。另外，可肥酸-60作為抗菌性最強的酸化劑，按1∶3替代飼料配方中的苯甲酸類及其他普通酸化劑產(chǎn)品，等(或低)成本提高效果。

7 AGPs替代品在動物腸道健康系統(tǒng)方案中的定位

雖然AGPs在改善動物腸道健康及生產(chǎn)性能方面發(fā)揮了重大作用，但我們要客觀認識到動物腸道健康的復(fù)雜性。英賽特技術(shù)團隊系統(tǒng)地從引起動物腸道問題的原因入手，提出了系統(tǒng)解決動物腸道健康的135模型及五步曲方案(圖2)，主要包括殺菌、中和毒素、收斂、抗炎及抗分泌五個環(huán)節(jié)?？股氐臍⒕饔檬轻槍毦搭^的作用，但除了細菌之外還有其他很多因素能引起動物腸道功能異常，包括病毒和原蟲等微生物的感染壓力、異源抗原刺激以及體內(nèi)外各種非感染性應(yīng)激因素等。因此，要想系統(tǒng)解決動物腸道健康問題，使動物獲得良好的生產(chǎn)性能，除了抗菌之外，一些提高動物腸道功能(收斂)或針對相應(yīng)病理生理過程(炎癥、病理性分泌)的手段和方案均可有效幫助解決動物腸道健康問題，特別是幼齡動物(如斷奶仔豬)，各種方案應(yīng)盡可能多管齊下，而在動物的中后期生長階段，動物腸道功能相對健全，用1～2個產(chǎn)品配合應(yīng)用即可解決主要的問題。

圖2 英賽特之動物腸道健康135模型及5步曲解方案

8 總結(jié)

綜上所述，AGPs替代方案必須是基于科學(xué)的原理及方法(基本概念區(qū)分、作用機制歸納及作用標準提出)而產(chǎn)生的“三等”替代方案(等機制、等效力、等成本)。“賽金素”、“鉆石菌”及“可肥酸-60”這3種非抗生素的飼用抗菌劑均可實現(xiàn)AGPs的“三等”高效替代。

相關(guān)替抗產(chǎn)品在各種動物品種和階段均可應(yīng)用，提高動物生產(chǎn)性能，進一步拓展抗菌促生長類產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，且性能價格比能落地，完全科學(xué)、經(jīng)濟地實現(xiàn)了飼用抗生素的高效替代。