多酚在仔豬鐵供給失衡方面的研究進展

丁浩軒 趙 陽 洪作鵬 馮 杰

(浙江大學(xué)飼料科學(xué)研究所，浙江省動物營養(yǎng)重點實驗室，杭州310058)

鐵是動物生長發(fā)育必不可少的微量元素，其在能量代謝、氧氣運輸、電子傳遞等多方面發(fā)揮了重要的功能。仔豬因母乳供鐵不足、消化酶活性弱、鐵代謝蛋白表達(dá)低等多方面的因素容易患缺鐵性貧血[1]。雖然缺鐵并非造成氧化應(yīng)激的直接原因，但是氧化應(yīng)激是許多長期缺鐵條件下的共同特征[2]。合適劑量補充鐵可以預(yù)防仔豬缺鐵性貧血，并提高仔豬的生長性能。在哺乳仔豬飼養(yǎng)中，往往在仔豬出生后第3天肌肉注射200 mg右旋糖酐鐵，這雖然能有效避免仔豬貧血，但高劑量注射補鐵會造成仔豬的氧化損傷[3]。此外，在斷奶仔豬飼糧中按照NRC(2012)[4]設(shè)定了外源補鐵的標(biāo)準(zhǔn)，但飼糧中的外源補充鐵并未考慮到飼料本底中的鐵(例如礦物質(zhì)飼料和動物性蛋白質(zhì)飼料的鐵含量高達(dá)1 178和1 030 mg/kg[5])，這不僅僅會威脅動物的健康，而且加大了環(huán)保壓力[6]。鐵在動物體內(nèi)會通過哈伯-韋斯(Haber-Weiss)和芬頓(Fenton)反應(yīng)產(chǎn)生過量的活性氧自由基，進而攻擊脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸等成分，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡、壞死及鐵死亡[7]。多酚類化合物通常來源于植物性食物且具有多個酚羥基，具有良好的抗氧化活性特點。例如，研究發(fā)現(xiàn)單寧酸(一種水溶性天然多酚)可以參與活性氧的清除，進而降低鐵過載引起的損傷[8]。盡管已經(jīng)認(rèn)識到了多酚類化合物能夠發(fā)揮強抗氧化活性，但其在鐵缺乏與鐵過載領(lǐng)域報道較少。本文就鐵代謝紊亂引起仔豬損傷原因與影響、多酚在機體中的代謝、多酚干預(yù)鐵代謝紊亂中的機制、多酚在鐵代謝紊亂中的應(yīng)用進行綜述。

1 鐵供給失衡引起仔豬損傷的原因與影響

1.1 仔豬鐵缺乏的原因與影響

哺乳仔豬鐵攝入的主要來源是母乳和土壤。然而，在現(xiàn)代化規(guī)模養(yǎng)殖場的仔豬很難從土壤中獲得鐵。母乳成為了哺乳仔豬獲取鐵的唯一來源，但每日從母乳中獲取的鐵少于1 mg，難以滿足仔豬7～16 mg的需求[9]。此外，斷奶仔豬消化酶活性低，胃酸分泌能力不足，鐵轉(zhuǎn)運相關(guān)蛋白表達(dá)低，因此飼糧中的鐵很難在仔豬生長發(fā)育初期充分吸收[1,10]。仔豬體內(nèi)的鐵耗竭后，會出現(xiàn)虛弱疲勞、食欲低下、體重減輕等不利癥狀。鐵缺乏的不良反應(yīng)往往也會伴隨著氧化應(yīng)激。鐵與氧化應(yīng)激有著復(fù)雜的關(guān)系，一方面，鐵是很多抗氧化酶必不可少的催化結(jié)構(gòu)電子傳遞載體；另一方面，鐵也可以通過芬頓反應(yīng)刺激機體氧化應(yīng)激。在治療仔豬鐵缺乏癥時，補充合適劑量的鐵是比較便利的措施。但是，干預(yù)鐵缺乏后產(chǎn)生的氧化應(yīng)激和急劇補鐵帶來的不利反應(yīng)也尤為關(guān)鍵。多酚在緩解鐵缺乏帶來的氧化損傷方面存在廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 仔豬鐵過載的原因與影響

哺乳仔豬往往在仔豬出生后第3天肌肉注射200 mg右旋糖酐鐵進行補充鐵。但也有報道指出單次肌肉注射高劑量補鐵會造成哺乳仔豬的氧化損傷，因而研究人員更推薦稍低劑量2次注射補鐵[3]。但飼糧中的外源補充鐵并未考慮到飼料本底中的鐵，長期飼用高鐵飼糧可能會對斷奶仔豬造成潛在損傷[5]。游離鐵及其介導(dǎo)產(chǎn)生的活性氧是很多鐵過載相關(guān)疾病的重要成因。鐵介導(dǎo)的活性氧通過細(xì)胞凋亡、壞死、自噬及鐵死亡多種細(xì)胞死亡途徑導(dǎo)致機體發(fā)生病理學(xué)變化[7,11]。過量鐵會對仔豬健康生長造成多方面的影響。Li等[12]報道指出高鐵飼喂仔豬的十二指腸黏膜腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-1和白細(xì)胞介素-6表達(dá)相比于對照組顯著上調(diào)。Ji等[13]研究發(fā)現(xiàn)過量鐵會導(dǎo)致仔豬海馬體中嘌呤和嘧啶代謝發(fā)生協(xié)調(diào)變化，暗示神經(jīng)元受損。Espinoza等[14]揭示了高鐵飼糧會促進仔豬中的Ⅱ型糖尿病的發(fā)展，并可以誘導(dǎo)炎癥。盡管鐵誘導(dǎo)細(xì)胞死亡及器官病理學(xué)變化的關(guān)系很復(fù)雜，但其通常會涉及活性氧的參與。因此，具有強抗氧化性的多酚是緩解仔豬鐵過載相關(guān)癥狀的有效方案之一。

2 多酚在機體中的代謝

2.1 多酚的來源

多酚通常是指含有酚羥基結(jié)構(gòu)的化合物，且大多數(shù)多酚來源于植物的次生代謝產(chǎn)物。中國傳統(tǒng)中草藥例如杜仲、黃芪、荷葉等均富含多酚類化合物，其作為飼料添加劑也展現(xiàn)了促進生長、抵抗氧化、增強免疫等多方面的功能[15]。

2.2 多酚的結(jié)構(gòu)與分類

多酚根據(jù)苯酚環(huán)和連環(huán)結(jié)構(gòu)分為黃酮類化合物和非黃酮類化合物。黃酮類化合物具有2個苯環(huán)共享2個碳氧合雜環(huán)的特征結(jié)構(gòu)，并依據(jù)雜環(huán)類型細(xì)分為黃酮、黃酮醇、異黃酮、黃烷三醇、黃烷酮和花青素類[16]。非黃酮類化合物則細(xì)分為酚酸、木脂素和類胡蘿卜素[17]。

2.3 多酚在仔豬中的吸收與代謝

多酚在仔豬中發(fā)揮功效不僅僅取決于其本身的活性，而且與生物利用度有很大關(guān)聯(lián)。天然植物中的多酚很難被仔豬腸道消化利用，因為仔豬腸道內(nèi)缺乏能水解以酯、糖苷或聚合物形式多酚的消化酶[18]。此外，經(jīng)過水解后的多酚(例如糖苷配基、單糖和二糖苷)受限于位于腸細(xì)胞表面多酚轉(zhuǎn)運蛋白的耗能轉(zhuǎn)運速率[16]。因此，只有不到5%水解后的多酚能被仔豬腸道吸收[17]。吸收進入機體的水解多酚需要先經(jīng)過肝臟甲基化、葡萄糖醛酸化、硫酸化的排毒途徑轉(zhuǎn)化為親水性共軛代謝產(chǎn)物才能部分進入血液[19]。膽汁中的共軛代謝產(chǎn)物和腸道中未被吸收的多酚會在結(jié)腸中通過菌群的發(fā)酵等多種生物途徑生成多種代謝產(chǎn)物[20]。結(jié)腸中的多酚代謝物一部分可被結(jié)合到腸上皮細(xì)胞吸收和肝臟代謝后進入循環(huán)系統(tǒng)，另一部分會以益生元的形式調(diào)控結(jié)腸微生物群的組成并通過糞便排泄[21]。

多酚對仔豬健康展現(xiàn)了諸多益處，例如增進食欲、平衡菌群、削弱應(yīng)激、免疫調(diào)節(jié)等多方面的功能。但在仔豬試驗中觀察到的有利益處并不能簡單歸結(jié)于多酚本身，因為吸收進入機體的是多酚代謝產(chǎn)物。此外，吸收進入血液的多酚代謝產(chǎn)物通常小于1 μmol/L，難以直接激活抗氧化系統(tǒng)和清除自由基[16]。因此，在認(rèn)識到多酚提高機體抗氧化能力的基礎(chǔ)上，人們可能也需要關(guān)注到多酚在鐵供給失衡中獨特的特征。

3 多酚干預(yù)鐵供給失衡中的機制

3.1 金屬螯合特性

金屬螯合特性是多酚的一種生物學(xué)特性，多酚中的羥基結(jié)構(gòu)被取代后可以增強金屬的配位，形成的金屬-多酚復(fù)合物穩(wěn)定性較好[22]。同時，因為金屬離子通常會參與生成自由基相關(guān)的氧化反應(yīng)，多酚的螯合特性可以緩解機體的氧化應(yīng)激[23]。在細(xì)胞試驗中，研究發(fā)現(xiàn)多酚會螯合細(xì)胞中的銅、鋅、鐵等金屬離子，進而調(diào)節(jié)細(xì)胞微量元素的代謝穩(wěn)態(tài)[24]。

金屬螯合特性是多酚干預(yù)鐵代謝紊亂相關(guān)疾病的關(guān)鍵特性。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域許多疾病和鐵代謝紊亂具有關(guān)聯(lián)性，例如酒精性肝炎、帕金森氏病和缺鐵性貧血等[25-26]。多酚具有的金屬螯合特性在鐵代謝紊亂相關(guān)疾病展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。槲皮素是一種黃酮醇類多酚，其具有對抗自由基防止機體過氧化的功能。Horniblow等[27]報道了將槲皮素作為外源性鐵螯合劑降低過量的胞內(nèi)鐵用干預(yù)癌細(xì)胞生長的新治療措施。表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)是綠茶的主要多酚成分，具有抗菌消炎、抗氧化、抗腫瘤等多種功能。在很多神經(jīng)退行性疾病中，鐵的積累引起的超氧化物、羥自由基和一氧化氮常是神經(jīng)毒性的觸發(fā)條件。EGCG不僅僅具有自由基的清除能力，而且可以與游離鐵高效螯合減輕大腦中鐵超負(fù)荷[28]。多酚類化合物在鐵超過負(fù)荷情況下會與鐵蛋白競爭性結(jié)合鐵，并清除胞內(nèi)鐵造成鐵的外排[29]。因此，多酚類化合物清除游離鐵的能力很大程度上取決于鐵外排的速率超過鐵吸收的速率。在今后，多酚類化合物作為一種具有出色金屬螯合能力的植物提取物，其可以作為主要、替代或輔助鐵代謝相關(guān)疾病的治療方案。

3.2 鐵代謝基因調(diào)控

多酚類化合物并非只能用于鐵過載引起的相關(guān)疾病，其在鐵缺乏引起的疾病中也具有應(yīng)用前景。鐵調(diào)素是降解腸道鐵轉(zhuǎn)運蛋白的調(diào)節(jié)劑，其可以靶向負(fù)反饋調(diào)節(jié)機體鐵吸收。Mu等[30]報道了楊梅素處理細(xì)胞可通過減少SMAD1/5/8磷酸化來降低鐵調(diào)素抗菌肽(HAMP) mRNA水平和啟動子活性，并在小鼠上觀察到了肝鐵調(diào)素表達(dá)降低，脾鐵水平降低和血清鐵水平升高。這表明楊梅素可以抑制鐵調(diào)素表達(dá)，進而提供了一種治療鐵缺乏癥相關(guān)疾病的新療法。金雀異黃素是一種具有抗氧化和抗炎特性的類黃酮。與楊梅素類似，金雀異黃素通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3)和SMAD4依賴性過程增加斑馬魚和人肝細(xì)胞中HAMP啟動子的活性，進而調(diào)控鐵調(diào)素的表達(dá)[31]。這暗示金雀異黃素的抗炎特性一部分來自于對鐵調(diào)素調(diào)控的能力。另一種有效的類黃酮抗氧化劑姜黃素，除調(diào)節(jié)氧化還原狀態(tài)外，也可以參與鐵代謝的調(diào)控。Niu等[32]報道了姜黃素可以通過激活肝臟鐵反應(yīng)性元件結(jié)合蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體，并下調(diào)肝鐵蛋白和鐵調(diào)素來調(diào)控小鼠的缺鐵性貧血。多酚類化合物對鐵代謝基因的調(diào)控功能也會是未來鐵代謝紊亂相關(guān)疾病的重要研究熱點。

3.3 抗氧化體系激活

當(dāng)機體長期處于應(yīng)激狀態(tài)下，內(nèi)源性抗氧化酶難以徹底清除自由基。植物來源的多酚是良好的外源性抗氧化劑，其可以參與機體抗氧化體系的激活，進而加強抗氧化酶活性?？寡趸w系受到了轉(zhuǎn)錄因子——核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)的調(diào)控，Nrf2與抗氧化反應(yīng)元件結(jié)合后可以激活抗氧化酶的合成[33]。EGCG可以激活Nrf2進而上調(diào)抗氧化酶和抗炎相關(guān)基因[2]，因此其幫助處于鐵過載狀態(tài)的機體恢復(fù)平衡的氧化還原狀態(tài)。葡萄籽提取物富含花青素、兒茶素、沒食子酸等多酚類化合物。葡萄籽提取物可以通過增強抗氧化劑(谷胱甘肽過氧化酶、超氧化物歧化酶、總抗氧化能力)的活性，進而預(yù)防鐵帶來的氧化損傷[34]。此外，多酚激活機體的抗氧化體系會在一定程度上下調(diào)絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)等炎癥通路，進而緩解鐵供給失衡導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)[35]。

3.4 自由基清除與激活能力

活性氧在正常細(xì)胞新陳代謝的副產(chǎn)物，其可以參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、酪氨酸激酶活化、免疫調(diào)控等多種生命活動[36]。當(dāng)內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)無法抵御活性氧，過量活性氧的外源清除途徑顯得尤其關(guān)鍵。Rossi等[37]報道了花生皮酚提取物(主要成分為槲皮素)可以清除正常上皮細(xì)胞，大鼠回腸細(xì)胞，猴腎細(xì)胞或人外周血單核細(xì)胞中的過氧化物陰離子。Tate等[38]發(fā)現(xiàn)巴拉圭茶(主要成分為茶多酚)在人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞中可以減少活性氧含量和DNA斷裂。水產(chǎn)品由于富含蛋白質(zhì)與脂肪酸容易腐敗變質(zhì)，而多酚可以抑制營養(yǎng)物質(zhì)氧化，限制微生物的生長，進而延長水產(chǎn)品的保質(zhì)期[39]。有趣的是，部分多酚類化合物并非依賴于清除活性氧發(fā)揮生物活性，在特定條件下(高濃度、高pH、氧化還原活性過渡金屬)也可以激活機體活性氧進而增強機體對外源應(yīng)激的抵抗效果[40]。例如，咖啡酸、阿魏酸和芹菜素等可通過氮氧化合物在細(xì)胞內(nèi)激活活性氧而發(fā)揮促氧化劑作用[41]。在了解多酚類化合物所具有的抗氧化和促氧化的基礎(chǔ)上，人們會對多酚類化合物在鐵代謝紊亂相關(guān)疾病中發(fā)揮的生物活性有更全面的認(rèn)識。

4 多酚干預(yù)仔豬鐵供給失衡的應(yīng)用

多酚類化合物具有金屬螯合特性、鐵代謝調(diào)節(jié)及氧化調(diào)節(jié)功能，因此多酚類化合物在仔豬鐵供給失衡相關(guān)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。Lee等[42]采用單寧酸(1 000 mg/kg)飼喂斷奶仔豬后評估其對鐵狀態(tài)的變化，研究發(fā)現(xiàn)單寧酸對仔豬血漿鐵有負(fù)面影響。這是由于單寧酸具有鐵結(jié)合的親和力進而導(dǎo)致血液學(xué)狀況受損。因此，人們可能也要警惕斷奶仔豬飼糧中過量添加多酚類功能性添加劑對仔豬鐵狀態(tài)的干擾。單寧酸限制鐵轉(zhuǎn)運在鐵超載的仔豬中可能有一定的應(yīng)用前景。仔豬常會因感染腸毒素性大腸桿菌發(fā)生腹瀉。紅茶提取物(0.8%)抗腹瀉的原因是酚類化合物(例如沒食子酸)具有與鐵結(jié)合的能力，從而使腸毒素性大腸桿菌無法獲得鐵，由此保護仔豬健康生長[43]。豬肉中的血紅蛋白是保證肉色的重要指標(biāo)之一，血紅蛋白中的二價鐵離子(Fe2+)轉(zhuǎn)化為三價鐵離子(Fe3+)會喪失攜氧能力并將肉色從紅色變?yōu)樽厣?。Dong等[44]報道了1.6 mg/L茶多酚處理豬肉后可以使豬肉在pH 7.4和25 ℃下儲存72 h后，仍然保持鮮紅肉色。同樣，?zalp等[45]模擬了葡萄渣多酚(2%)對肉質(zhì)的影響，研究發(fā)現(xiàn)多酚可以抑制自由基與血紅蛋白的接觸，從而減緩肉質(zhì)的氧化進程。

多酚類化合物在鐵供給失衡中的應(yīng)用并非只能局限于鐵元素，多酚具有的強金屬螯合能力可以合理外推至高電荷密度的陽離子，例如銅、鋅、錳、鋁等[16]。對于畜禽微量元素代謝紊亂而言，通過多酚對相關(guān)代謝疾病進行調(diào)控和治療將會是一條有效途徑。目前往往只是認(rèn)識到了多酚的強抗氧化性，缺乏多酚在微量元素相互關(guān)系的探討。對于多酚和微量元素的互作，多酚和微量元素對腸道菌群的調(diào)控，多酚和微量元素的新型復(fù)合物等方面依然是研究的熱點。

5 小 結(jié)

在飼糧中補充微量元素需要充分認(rèn)識到精準(zhǔn)營養(yǎng)的重要性，并綜合考慮畜禽微量元素的配比、飼料本底微量元素、仔豬生長需要量等多方面因素，進而為仔豬提供科學(xué)合理的微量元素供應(yīng)。多酚化合物具有金屬螯合特性、鐵代謝調(diào)節(jié)、抗氧化體系激活及自由基清除與激活能力等特性，其在畜禽微量元素供給失衡方面展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。展望未來，多酚類化合物不僅可以作為畜禽的新型飼料添加劑，而且可以為畜禽微量元素供給失衡提供一條綠色解決方案。