奶牛胃腸道菌群與奶牛乳房炎關(guān)聯(lián)性及其對(duì)乳房炎調(diào)控潛力的研究進(jìn)展

汪 悅，南雪梅，蔣林樹(shù)，熊本海*

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所 動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；2.北京農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 奶牛營(yíng)養(yǎng)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

奶牛乳房炎始終是制約全球乳品行業(yè)發(fā)展最重要的疾病之一。據(jù)估計(jì)，奶牛乳房炎造成的經(jīng)濟(jì)損失占奶牛場(chǎng)常見(jiàn)生產(chǎn)疾病直接總成本的38%[1]。因乳房炎造成的泌乳量及乳品質(zhì)下降、繁殖力減退、死淘率升高及治療成本增加等一系列損失更是對(duì)奶牛養(yǎng)殖業(yè)的慘重打擊[1]。目前，抗生素干預(yù)仍然是生產(chǎn)實(shí)際中用于臨床乳房炎(clinical mastitis, CM)治療的主要措施，廣泛使用抗生素治療可能會(huì)增加抗生素耐藥菌株的風(fēng)險(xiǎn)，從而對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生影響。而亞臨床乳房炎(subclinical mastitis, SCM)，在生產(chǎn)中通常不采取有效的治療措施[1-2]。盡管沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的炎癥癥狀，SCM的發(fā)生已經(jīng)導(dǎo)致了乳成分的改變[3]。一直以來(lái)，乳房炎主要的致病因素被認(rèn)為是來(lái)自外界環(huán)境中的致病菌入侵并感染乳腺[1]。然而，近來(lái)的研究表明，造成乳房感染的微生物存在著內(nèi)源途徑，即胃腸道菌群對(duì)乳房炎同樣有著重要的調(diào)控作用，這種調(diào)控作用可能包括對(duì)炎癥的引發(fā)和緩解[4-5]。

胃腸道菌群已被越來(lái)越多的研究證明在非腸組織炎癥疾病中發(fā)揮著重要作用?？赡艿臋C(jī)制包括對(duì)有限營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的直接競(jìng)爭(zhēng)、參與宿主代謝、免疫系統(tǒng)發(fā)育及對(duì)抗病原體入侵等[6-7]。有研究發(fā)現(xiàn)，胃腸道菌群結(jié)構(gòu)與乳房炎發(fā)病之間存在一定的關(guān)聯(lián)性[5, 8-9]。腸道菌群紊亂可誘發(fā)乳房炎[5]。反過(guò)來(lái)，乳房炎患病期間，奶牛瘤胃和糞便中與炎癥相關(guān)的微生物豐度和促炎代謝產(chǎn)物水平顯著增加，而有益共生菌豐度明顯下降[8-9]。這種關(guān)聯(lián)性可能基于微生物的“腸-乳腺”內(nèi)源途徑，其具體機(jī)制仍需深入研究[4]。基于此，通過(guò)調(diào)控胃腸道菌群或可實(shí)現(xiàn)對(duì)乳房炎的緩解。目前的研究表明，飲食結(jié)構(gòu)[10]、胃腸道菌群代謝產(chǎn)物(如SCFAs)[11]、益生菌[12]及腸道共生菌[6]等，對(duì)腸外組織(如乳腺)菌群及機(jī)體的免疫穩(wěn)態(tài)具有一定的調(diào)節(jié)作用。本文從奶牛乳房炎的致病因素、胃腸道菌群與乳房炎的關(guān)聯(lián)性及其對(duì)乳房炎調(diào)控的可能機(jī)制等方面進(jìn)行綜述，為奶牛乳房炎的發(fā)病機(jī)理及生產(chǎn)中的有效防治措施提供一定的參考。

1 奶牛乳房炎

1.1 影響奶牛乳房炎發(fā)病的因素

奶牛乳房炎的發(fā)病原因復(fù)雜，尚缺乏明確、系統(tǒng)的致病機(jī)制。目前，病原微生物入侵導(dǎo)致乳腺內(nèi)持續(xù)感染[13]和固有免疫反應(yīng)不足導(dǎo)致易感性增強(qiáng)[14]被認(rèn)為是奶牛乳房炎發(fā)病的主要因素。典型的乳房炎致病菌被分為“傳染性”和“環(huán)境性”[1]。先前的研究認(rèn)為，傳染性病原體(主要包括金黃色葡萄球菌、停乳鏈球菌和無(wú)乳鏈球菌等)對(duì)宿主具有更高的適應(yīng)性，因此，能夠持續(xù)存在于乳腺內(nèi)并引發(fā)SCM。SCM因其潛伏期長(zhǎng)、隱蔽性高等特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中的發(fā)病率(占乳房炎發(fā)病率的90%～95%)遠(yuǎn)高于CM[15]。同時(shí)，這些存在于SCM奶牛中的傳染性病原體通常會(huì)在擠奶時(shí)或擠奶前后在牛群之間傳播[3, 15]。相比之下，環(huán)境性病原體(主要是大腸桿菌)不適宜在宿主內(nèi)生存，它們通過(guò)入侵、繁殖，引起宿主的免疫反應(yīng)，然后迅速被機(jī)體固有免疫消滅[16]。然而，近來(lái)的研究表明，即使在一些管理良好的牧場(chǎng)中，也難以控制環(huán)境性病原菌引起的乳房炎，甚至可能出現(xiàn)更高的發(fā)病率[17]。一項(xiàng)調(diào)查研究顯示，在177個(gè)牛場(chǎng)的乳房炎發(fā)病群體中，80%是由環(huán)境性病原菌(主要是大腸桿菌)引起的[18]。

乳房炎的嚴(yán)重程度被認(rèn)為受到固有免疫反應(yīng)速度的影響，特別是多形核粒細(xì)胞(polymorphonu-clear neutrophils, PMNs)向乳腺的遷移速度[19]。乳中的體細(xì)胞是乳腺免疫的關(guān)鍵部分，對(duì)保護(hù)乳腺內(nèi)感染至關(guān)重要。通常來(lái)講，乳房炎的典型表現(xiàn)為感染乳區(qū)的牛奶體細(xì)胞數(shù)(somatic cell counts, SCCs)顯著升高。SCCs較高的奶牛可能會(huì)持續(xù)感染傳染性病原體，因此容易引起復(fù)發(fā)性乳房炎[1, 8]。然而，有調(diào)查研究表明，環(huán)乳房炎易感性的增加與低奶缸SCC(somatic cell count in bulk milk, BMSCC)有關(guān)(平均BMSCC < 150 000個(gè)細(xì)胞·mL-1)[20]。Green等[21]也發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌感染誘發(fā)的乳房炎在低BMSCC的牛群中更常見(jiàn)。Goli等[22]用大腸桿菌接種12頭奶牛誘導(dǎo)乳房炎，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，血液和牛奶中PMNs數(shù)較低的奶牛在乳腺內(nèi)攻毒時(shí)募集細(xì)胞速度也較慢，炎癥程度也隨即加重。以上這些數(shù)據(jù)表明，奶牛SCC可能會(huì)呈現(xiàn)一種“U型”分布，過(guò)低(SCC < 100 000個(gè)細(xì)胞·mL-1)或過(guò)高(SCC > 500 000個(gè)細(xì)胞·mL-1)的SCC都有更高的復(fù)發(fā)性乳房炎的發(fā)病率，這可能分別是由于免疫反應(yīng)不足或天生對(duì)感染的易感性高所致[20]。

1.2 乳房炎對(duì)奶牛代謝及免疫水平的影響

先前的研究認(rèn)為，奶牛乳房炎是致病菌入侵乳房導(dǎo)致的局部感染[15]。然而，隨著研究的深入，越來(lái)越多的證據(jù)表明，乳房炎，特別是SCM可能是由全身感染或炎癥引起的。反過(guò)來(lái)，乳房炎可能導(dǎo)致全身性炎癥的發(fā)生也被認(rèn)為是合理的[23]。奶牛乳房炎發(fā)病期間，上皮細(xì)胞間緊密連接的打開(kāi)，使得血漿中的炎性細(xì)胞因子，如IL-8、IL-1和TNF-α等滲入到牛奶中，進(jìn)而可能損害犢牛腸道[23]。此外，乳房炎發(fā)病期間，牛奶中的Na/K比值升高。牛奶N(yùn)a/K比值與奶牛血漿急性期蛋白顯著相關(guān)[24]。此外，有研究證實(shí)，乳房炎發(fā)病期間，奶牛機(jī)體代謝異常[25]。Sundekilde等[26]研究發(fā)現(xiàn)，乳房炎奶牛牛奶中乳酸、異亮氨酸和β-羥基丁酸的含量增加，而乳糖、馬尿酸和富馬酸含量降低。一方面，乳糖濃度的下降趨勢(shì)被發(fā)現(xiàn)可能與參與乳糖合成的乳糖合酶的調(diào)節(jié)亞基和α-乳清蛋白的下調(diào)有關(guān)；另一方面，乳糖濃度的降低可能是為了維持牛奶的滲透壓，以補(bǔ)償血液成分。此外，乳房炎期間，牛奶中乳酸濃度的增加可能與牛奶中高細(xì)菌載量有關(guān)，因?yàn)槿樗崾羌?xì)菌代謝的最終產(chǎn)物，但也可能是由于宿主厭氧代謝增加所致[25-26]。Thomas等[27]對(duì)乳房鏈球菌感染引起的奶牛乳房炎發(fā)病期間的代謝產(chǎn)物變化的研究中發(fā)現(xiàn)，大部分碳水化合物和核苷酸代謝產(chǎn)物在感染后81 h呈下降趨勢(shì)，而脂類(lèi)代謝產(chǎn)物(如前列腺素F2α(PGF2α)和類(lèi)花生四烯酸等)和二肽、三肽及四肽在同一時(shí)間點(diǎn)呈上升趨勢(shì)。PGF2α是急性炎癥過(guò)程中的重要介質(zhì)，已有研究證實(shí)，其在乳腺炎期間被上調(diào)。而這些多肽的增加可能是由于蛋白酶降解乳蛋白導(dǎo)致的。此外，由具有炎癥調(diào)節(jié)作用的法尼醇X受體(farnesol X receptor, FXR)介導(dǎo)抗菌活性物質(zhì)——膽汁酸，在奶牛乳房炎期間的含量顯著降低。FXR主要通過(guò)抑制NF-κB靶標(biāo)的表達(dá)而發(fā)揮抗炎作用，這表明，乳房炎的發(fā)生抑制了機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)活性[27]。

除了檢測(cè)到乳腺內(nèi)蛋白及代謝水平的異常，乳房炎發(fā)病期間，奶牛血液中氨基酸(amino acids, AA)代謝和蛋白質(zhì)生物合成也被證實(shí)發(fā)生了多種變化。Dervishi等[28]利用GC-MS代謝組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，奶牛乳房炎發(fā)病期間，血清中包括Val、Leu和Ile在內(nèi)的所有支鏈氨基酸(branched chain amino acid, BCAA)和淀粉樣蛋白A的濃度升高。BCAA參與免疫細(xì)胞對(duì)蛋白質(zhì)合成的調(diào)節(jié)和細(xì)胞因子的釋放。血清中BCAA水平上升表明機(jī)體代謝不良。在感染期間，免疫系統(tǒng)對(duì)AA和蛋白質(zhì)等底物的需求顯著增加。全身性炎癥反應(yīng)刺激蛋白質(zhì)分解代謝以及肌肉蛋白質(zhì)中AA的釋放，為抗體、細(xì)胞因子、急性期蛋白質(zhì)和免疫系統(tǒng)相關(guān)蛋白質(zhì)的合成提供了底物，這可能是導(dǎo)致血清AA濃度增加的部分原因[3, 28]。綜上，奶牛乳房?jī)?nèi)感染期間，不僅出現(xiàn)乳房局部的炎癥反應(yīng)，機(jī)體AA、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)等其他代謝及免疫水平均會(huì)受到不利影響。

2 胃腸道菌群與乳房炎的關(guān)聯(lián)性

2.1 微生物在胃腸道與乳腺之間的“傳遞”

奶牛瘤胃及腸道中寄居的數(shù)量龐大、種類(lèi)繁多的微生物群是奶牛營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化、能量代謝及免疫反應(yīng)的主要參與者。近來(lái)的研究表明，腸道菌群與非腸組織(包括乳腺)炎癥有關(guān)[6]。其中一種可能機(jī)制是活菌可通過(guò)完整的腸道黏膜轉(zhuǎn)移至非腸組織，即細(xì)菌易位[4]。一項(xiàng)研究觀(guān)察到，懷孕和哺乳期小鼠細(xì)菌易位(從腸道跨越腸系膜淋巴結(jié)最后到達(dá)乳腺)頻率增加[29]。類(lèi)似于人類(lèi)和小鼠中的報(bào)道，細(xì)菌從腸道遷移到乳腺的機(jī)制也被證明發(fā)生在奶牛身上。Young等[30]研究了來(lái)自同一頭健康奶牛的牛奶(使用無(wú)菌導(dǎo)管，通過(guò)滴管延伸裝置收集無(wú)菌牛奶樣本)、血液及糞便樣本的微生物組成及多樣性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這3種樣本中均存在瘤胃球菌屬、消化鏈球菌屬和雙歧桿菌屬。該研究人員據(jù)此推測(cè)，這些細(xì)菌可能是通過(guò)循環(huán)白細(xì)胞從腸道轉(zhuǎn)移到乳腺的。研究表明，來(lái)自胃腸道的某些細(xì)菌可以通過(guò)涉及單核免疫細(xì)胞(主要是吞噬細(xì)胞)機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)移，通過(guò)內(nèi)源性細(xì)胞途徑(細(xì)菌性腸-乳途徑)遷移到乳腺[31]。這些單核吞噬細(xì)胞主要來(lái)自外周血，且具有向樹(shù)突細(xì)胞(dendritic cell, DC)分化的能力，其出現(xiàn)在腸道相關(guān)的淋巴組織(gut-associated lymphoid tissues, GALTs)，捕獲腸道菌群，然后將這些微生物成分運(yùn)到乳腺(圖1)。GALTs中的淋巴細(xì)胞回到乳腺，形成一個(gè)“腸-乳腺軸”，并形成“共同的黏膜系統(tǒng)”。在該系統(tǒng)中，腸道與非腸組織(乳腺)的黏膜部位通過(guò)免疫細(xì)胞的遷移而連接[31]。過(guò)去的研究認(rèn)為，細(xì)菌易位通常發(fā)生在病理?xiàng)l件下，因此，主要研究致病菌在機(jī)體內(nèi)的傳播[4]。事實(shí)上，已經(jīng)有人提出，腸道菌群易位到腸外組織也可發(fā)揮有益作用，因?yàn)樗赡芘c免疫調(diào)節(jié)有關(guān)[30-31]。總之，內(nèi)源性“腸道-乳腺通路”的存在為奶牛胃腸道與乳房之間的聯(lián)系提供了一定的支持。

圖1 腸道-乳腺內(nèi)源途徑[31]Fig.1 Gut-mammary gland endogenous route[31]

2.2 腸道菌群對(duì)乳房炎的影響

胃腸道菌群的一個(gè)主要功能是保護(hù)胃腸道免受外源性病原體和機(jī)體內(nèi)潛在有害微生物的定植。一旦正常微生物群落被破壞就會(huì)增加病原體感染，有害病原體過(guò)度生長(zhǎng)和炎癥疾病的風(fēng)險(xiǎn)。因此，宿主免疫系統(tǒng)和腸道微生物群之間的復(fù)雜互作是腸道穩(wěn)態(tài)所必需的[4]。近來(lái)有研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群紊亂可能引發(fā)奶牛乳房炎[5]。該研究將乳房炎奶牛的糞菌移植到無(wú)菌小鼠腸道后引發(fā)小鼠乳房炎癥狀，以及血清、脾和結(jié)腸的炎癥。而移植健康奶牛糞菌，則無(wú)此作用。因此，腸道菌群失調(diào)可能是引發(fā)乳房炎的病因之一。為進(jìn)一步探究奶牛腸道菌群與乳房炎之間的關(guān)系，Ma等[5]對(duì)比了健康與乳房炎奶牛糞便菌群及代謝物的差異。結(jié)果顯示，與健康奶牛相比，乳房炎奶牛糞便中厭氧棒桿菌、多爾氏菌屬、毛螺菌科及羅氏菌屬等產(chǎn)乙酸和丁酸的菌的豐度顯著減少，而顫螺旋菌屬豐度顯著增加。代謝組結(jié)果顯示，乳房炎奶牛的腸道中與維生素B相關(guān)的代謝途徑(包括硫辛酸代謝，維生素B6和硫胺素代謝等)受到明顯抑制。維生素B作為許多生化反應(yīng)的輔助因子可能具有抑制炎癥的作用。此外，腸道中其他受抑制的代謝途徑(包括賴(lài)氨酸生物合成、脂肪酸生物合成，嘌呤和嘧啶代謝及硒代謝等)可能與腸黏膜保護(hù)有關(guān)。據(jù)此推測(cè)，乳房炎發(fā)病可能與腸道菌群中維生素B代謝紊亂及腸黏膜保護(hù)功能受損有關(guān)，其機(jī)制需要進(jìn)一步研究[5]。Zhong等[32]研究發(fā)現(xiàn)，與低乳SCC(SCC < 200 000個(gè)細(xì)胞·mL-1)相比，高乳SCC(550 000 < SCC < 1 000 000個(gè)細(xì)胞·mL-1)奶牛瘤胃中琥珀酸弧菌科和丁酸弧菌屬豐度顯著降低，而放線(xiàn)菌門(mén)和未分類(lèi)梭菌科豐度顯著增加。Wang等[9]研究表明，與乳房健康的奶牛相比，乳房炎奶牛瘤胃微生物α-多樣性顯著降低。其中，CM奶牛瘤胃中，與口腔和腸道炎癥相關(guān)的毛螺菌科、莫拉克斯氏菌屬和奈瑟氏菌科的相對(duì)豐度隨著促炎代謝產(chǎn)物白三烯B4的含量增加顯著增加；而SCM奶牛瘤胃中，瘤胃梭菌屬和腸桿菌屬豐度增加，同時(shí)伴隨著六亞甲基四胺、5-甲基糠醛和甲氧基蜂毒毒素等與炎癥相關(guān)代謝物豐度的增加；與健康組相比，SCM和CM組中普雷沃氏菌屬_1、雙歧桿菌屬及2-苯基丁酸的豐度的顯著降低。上述研究表明，奶牛乳房炎患病期間，瘤胃與后腸道菌群及其代謝產(chǎn)物(主要與炎癥和免疫應(yīng)答相關(guān))較健康奶牛發(fā)生了顯著變化。胃腸道菌群與奶牛乳房炎相關(guān)性的可能機(jī)制主要涉及免疫調(diào)節(jié)[5,9, 32]。

在人類(lèi)乳腺癌的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，微生物從腸道向乳腺組織的易位會(huì)導(dǎo)致全身炎癥指數(shù)的增加，部分原因涉及到胃腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物與免疫系統(tǒng)的互作[33]。另有一項(xiàng)研究指出，一些腸道有益共生菌能夠參與集體免疫細(xì)胞的生成。CD8+T細(xì)胞是可以根除乳腺腫瘤細(xì)胞最有效的免疫細(xì)胞。胃腸道共生菌中屬于變形菌門(mén)的鞘氨醇單胞菌能夠參與效應(yīng)CD8+T細(xì)胞(也稱(chēng)為殺傷性T細(xì)胞)的成熟。而在乳房炎癥發(fā)病過(guò)程中，鞘氨醇單胞菌的這種能力下降，導(dǎo)致CD8+抗腫瘤細(xì)胞毒性T細(xì)胞的構(gòu)建受到阻礙[34]。此外，在人類(lèi)及小鼠中的研究數(shù)據(jù)表明，腸道共生菌失調(diào)與乳腺組織相關(guān)疾病(乳腺炎或乳腺癌)關(guān)聯(lián)性的可能機(jī)制還包括雌激素代謝、胰島素抵抗及血脂異常等[35-36]。

由此可見(jiàn)，外源致病菌入侵感染很可能不是奶牛乳房炎的唯一致病因素，胃腸道菌群完全有可能通過(guò)“腸道-乳腺”內(nèi)源途徑進(jìn)入乳腺。因此，胃腸道菌群紊亂同樣會(huì)引發(fā)奶牛乳房炎。此外，乳房炎奶牛與健康奶牛胃腸道菌群及代謝產(chǎn)物之間存在顯著差異。發(fā)現(xiàn)的這些可能機(jī)制涉及胃腸道菌群與機(jī)體免疫系統(tǒng)的互作。

3 胃腸道菌群對(duì)乳房炎的調(diào)控

微生物從腸道轉(zhuǎn)運(yùn)到乳腺的可能性為通過(guò)調(diào)控腸道菌群實(shí)現(xiàn)對(duì)乳房炎的緩解這一科學(xué)假設(shè)提供了一定的理論依據(jù)。研究表明，攝入的益生菌能夠通過(guò)血液進(jìn)入乳腺，可以用來(lái)對(duì)抗與乳房炎發(fā)病有關(guān)的病原微生物[12]。微生物群對(duì)宿主的主要貢獻(xiàn)包括碳水化合物的消化和發(fā)酵、維生素的生產(chǎn)、GALTs的發(fā)育、腸道特異性免疫反應(yīng)的極化和病原體定植的預(yù)防[6]。反過(guò)來(lái)，由共生菌群誘導(dǎo)的腸道免疫反應(yīng)同樣能夠調(diào)節(jié)腸道微生物群的組成[37]。最近的研究表明，飲食、腸道菌群結(jié)構(gòu)及其代謝產(chǎn)物(如SCFAs)、益生菌和腸道共生菌等均能對(duì)乳房健康狀態(tài)起到重要的調(diào)控作用[6, 10-12](圖2)。

Treg：調(diào)節(jié)性T細(xì)胞；PMNs: 多形核白細(xì)胞Treg: regulatory T cells; PMNs: polymorphonuclear leukocytes圖2 胃腸道菌群對(duì)乳房炎觸發(fā)和緩解的調(diào)控[6,10-12]Fig.2 The trigger and relief of gastrointestinal microbiota to mastitis[6,10-12]

3.1 飲食對(duì)乳房炎的影響

食物的類(lèi)型、質(zhì)量和來(lái)源是塑造腸道菌群組成、影響其結(jié)構(gòu)功能以及與宿主互作的主要因素。近來(lái)的一項(xiàng)研究表明，飲食在決定乳腺菌群結(jié)構(gòu)及其代謝產(chǎn)物方面具有至關(guān)重要的作用[10]。該研究采用猴子作為試驗(yàn)動(dòng)物模型，將其隨機(jī)分為2組，分別接受高膳食纖維和高脂飲食模式，飼養(yǎng)31個(gè)月，采集血漿和乳腺組織，對(duì)其微生物及代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析。結(jié)果表明，食用高脂或高膳食纖維飲食均可以影響乳腺微生物群組成和代謝產(chǎn)物。與高脂飲食喂養(yǎng)的猴子相比，高膳食纖維飲食顯著增加了乳腺中乳酸菌屬豐度、乳房膽汁酸代謝產(chǎn)物(包括結(jié)合型膽汁酸如甘氨膽酸(GCA)、鵝去氧膽酸(CDCA)及?；悄懰?TCA)等)水平及還原型谷胱甘肽(GSH)與氧化型谷胱甘肽(GSSG)的比值，而乳腺組織中瘤胃球菌屬和糞球菌屬豐度、活性氧和促炎代謝產(chǎn)物水平顯著下降。相反，高脂飲食喂養(yǎng)的猴子的乳腺組織中瘤胃球菌屬、毛螺菌科、顫螺旋菌屬和糞球菌屬的豐度明顯增加[10]。一項(xiàng)調(diào)查良性與惡性乳腺腫瘤患者乳腺組織微生物群的研究指出，與良性病變組織相比，惡性乳腺腫瘤的乳腺組織中乳酸桿菌菌屬數(shù)量顯著減少[38]。據(jù)報(bào)道，乳中乳酸桿菌屬數(shù)量的減少，可直接導(dǎo)致乳中SCCs的升高，即乳中的乳酸桿菌屬有維持乳腺健康和抵抗乳房感染的功效[5]。Jiménez等[39]發(fā)現(xiàn)，每天口服乳酸菌的哺乳期婦女的母乳中乳酸桿菌屬數(shù)量增加，這表明，飲食可以直接影響乳腺微生物群。Shively等[10]研究同樣發(fā)現(xiàn)，在高膳食飲食喂養(yǎng)的猴子糞便中乳酸桿菌屬豐度增加，瘤胃球菌屬及糞球菌屬的豐度減少。這表明，飲食對(duì)腸道和乳腺組織之間存在一些共同調(diào)控的微生物群。此外，膳食纖維攝入導(dǎo)致乳腺中膽汁酸代謝物的升高可能增加FXR的活化，這將減少局部雌激素合成，增加乳腺癌細(xì)胞凋亡[40]。高膳食纖維飲食減少了乳腺組織中的氧化應(yīng)激和促炎代謝物，這與具有清除活性氧功能的代謝產(chǎn)物的增加和促炎性氧化脂質(zhì)產(chǎn)物的減少有關(guān)，這表明，高膳食纖維飲食對(duì)微生物介導(dǎo)的代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)可能會(huì)影響乳腺局部的氧化應(yīng)激[10]。在一項(xiàng)人類(lèi)的研究中發(fā)現(xiàn)，與高脂飲食模式相比，高膳食纖維飲食的女性患亞型乳腺癌的風(fēng)險(xiǎn)更低[41]。膳食纖維發(fā)酵促進(jìn)腸道益生菌的增殖，這些有益共生菌或可通過(guò)內(nèi)吞作用抵達(dá)乳腺，抑制致病菌的繁殖，同時(shí)也可提高宿主對(duì)致病菌的抵抗能力[5,10]。但其具體機(jī)制仍需進(jìn)一步探究。膳食纖維對(duì)乳腺菌群的影響表明，飲食結(jié)構(gòu)對(duì)乳腺健康狀態(tài)可能起到直接的調(diào)控作用。

然而，與單胃動(dòng)物不同，瘤胃是奶牛等反芻動(dòng)物體內(nèi)最大的微生物聚集地。瘤胃中容納的數(shù)百萬(wàn)種微生物對(duì)奶牛營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化和機(jī)體免疫能力起決定性的作用。同時(shí)，瘤胃也是奶牛胃腸道中產(chǎn)生SCFAs的主要部位[42]。對(duì)于奶牛而言，飼料類(lèi)型同樣能夠影響乳房炎的發(fā)病。研究表明，奶牛飼料中精料比例過(guò)高會(huì)導(dǎo)致瘤胃內(nèi)促炎代謝產(chǎn)物，如生物胺及細(xì)菌內(nèi)毒素脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)等濃度增加，進(jìn)而通過(guò)瘤胃壁進(jìn)入血液，再透過(guò)血乳屏障進(jìn)入乳腺，從而引發(fā)乳房炎[43]。因此，通過(guò)調(diào)控奶牛飼料類(lèi)型可能也是預(yù)防或緩解乳房炎發(fā)生的有效途徑之一。

3.2 短鏈脂肪酸對(duì)乳房炎的調(diào)控

腸道菌群發(fā)酵纖維產(chǎn)生的SCFAs可通過(guò)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cells, Treg)的影響而具有抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用，Treg是維持機(jī)體免疫耐受、保持免疫穩(wěn)態(tài)的重要因素[6, 11]。近來(lái)的研究表明，腸道菌群對(duì)乳腺健康狀態(tài)調(diào)控的另一個(gè)關(guān)鍵因素是由SCFAs介導(dǎo)的[44-45]。Hu等[46]比較正常小鼠和腸道菌群失調(diào)小鼠(抗生素處理)在金黃色葡萄球菌誘導(dǎo)乳房炎后的生理變化，結(jié)果表明，與正常小鼠相比，腸道菌群失調(diào)小鼠的血乳屏障通透性增加，乳房炎加重。與此同時(shí)，腸道菌群豐富度和多樣性降低，且糞便中SCFAs(乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、異戊酸、戊酸)含量顯著下降。該研究表明，腸道菌群對(duì)金黃色葡萄球菌性乳房炎的保護(hù)作用可能是通過(guò)調(diào)節(jié)血乳屏障的通透性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而這種調(diào)控作用的關(guān)鍵可能與SCFAs有關(guān)[46]。丙酸和丁酸在宿主對(duì)細(xì)菌和真菌感染的易感性中起著重要作用[47-48]。研究表明，丙酸可以通過(guò)調(diào)節(jié)血液屏障來(lái)預(yù)防脂多糖誘導(dǎo)的乳房炎[49]。丁酸可調(diào)節(jié)小腸細(xì)胞生長(zhǎng)和分化，是誘導(dǎo)血乳屏障緊密連接蛋白表達(dá)重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[50]。這些發(fā)現(xiàn)表明，SCFAs可能參與了血乳屏障的形成。

與Hu等[46]研究結(jié)果類(lèi)似，Wang等[9]研究發(fā)現(xiàn)，與健康奶牛相比，乳房炎奶牛瘤胃中乙酸、丙酸和丁酸濃度顯著降低，部分原因可能與乳房炎患病期間采食量下降有關(guān)。SCFAs可提高乙酰輔酶A并調(diào)節(jié)代謝傳感器，以促進(jìn)氧化磷酸化、醣酵解及脂肪酸合成。因此，SCFAs不僅是機(jī)體代謝的能量底物，也是支持抗體產(chǎn)生的能量和組件。SCFAs產(chǎn)量降低導(dǎo)致機(jī)體在穩(wěn)態(tài)和病原體特異性抗體反應(yīng)方面均存在缺陷，進(jìn)而對(duì)病原體更為易感[51]。因此，直接或間接補(bǔ)充SCFAs或可實(shí)現(xiàn)對(duì)乳房炎的緩解。Hu等[46]在乳房炎小鼠腹腔中注射丙酸鈉和丁酸鈉后發(fā)現(xiàn)，血液和乳腺中的丙酸和丁酸水平均升高，血乳屏障通透性降低，乳房炎的嚴(yán)重程度減輕。上述研究表明，SCFAs對(duì)乳房炎的調(diào)控作用可能是通過(guò)支持抗體產(chǎn)生，降低對(duì)致病菌的易感性，或通過(guò)抑制促炎免疫反應(yīng)、維持血乳屏障通透性來(lái)實(shí)現(xiàn)的[9, 44, 49]。

3.3 口服益生菌對(duì)乳房炎的調(diào)控

口服益生菌的主要作用靶點(diǎn)是消化道和腸道微生物群。這些活性的、代謝活躍的益生菌與腸道微生物相互作用，通過(guò)恢復(fù)微生物穩(wěn)態(tài)或糾正失調(diào)來(lái)發(fā)揮其有益作用[12]。有幾項(xiàng)試驗(yàn)研究了口服益生菌對(duì)乳房炎影響。Even[52]研究表明，從奶牛乳腺細(xì)菌中分離出的乳酸菌用來(lái)預(yù)防或治療奶牛乳房炎。Ma等[5]將乳房炎奶牛的糞菌移植給無(wú)菌小鼠后引發(fā)小鼠乳房炎癥，補(bǔ)充干酪乳桿菌后，可減輕炎癥癥狀。de Leblanc等[53]研究了瑞士乳桿菌R389發(fā)酵乳對(duì)乳房局部炎癥存在時(shí)免疫應(yīng)答的調(diào)節(jié)能力。結(jié)果表明，使用L. helveticus R389發(fā)酵乳喂養(yǎng)乳房炎小鼠后，小鼠血清和乳腺細(xì)胞中IL-10升高，IL-6水平降低，炎癥受到明顯抑制。

有研究基于16S rRNA基因特征的基礎(chǔ)上，提出奶牛乳房炎是由微生物失調(diào)引起的，即乳腺中有益共生菌群與引起乳房炎的病原菌之間的不平衡。使用口服途徑的基本原理是益生菌通過(guò)DC或巨噬細(xì)胞，沿“腸-乳腺軸”從腸腔轉(zhuǎn)移到乳腺。益生菌應(yīng)用于乳房炎的可能機(jī)制包括以下幾種：1)對(duì)腸道微生物群組成和活性的調(diào)節(jié)，通過(guò)代謝物或細(xì)菌素產(chǎn)生直接拮抗，或通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)排斥。益生菌可產(chǎn)生多種抗菌化合物，如乳酸、SCFAs、過(guò)氧化氫、一氧化氮和細(xì)菌素等，這些都可能抑制致病菌[54]。2)增強(qiáng)上皮屏障功能。益生菌是腸道屏障功能和完整性的重要介質(zhì)。益生菌可能以不同的方式對(duì)腸道上皮細(xì)胞起到有益的作用：①通過(guò)提高緊密連接的完整性。黏液層可以限制細(xì)菌的移動(dòng)和與上皮細(xì)胞的接觸，維持上皮細(xì)胞表面分泌的IgA和抗菌肽的有效濃度，并可能作為一些微生物群的黏附或營(yíng)養(yǎng)的底物；②通過(guò)刺激生產(chǎn)抗菌肽的上皮細(xì)胞，尤其是潘氏(Paneth)細(xì)胞[55]。3)與腸道上皮細(xì)胞的相互作用發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用。益生菌通過(guò)與單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和DC的相互作用及先天免疫反應(yīng)，調(diào)節(jié)輔助性T(T helper, Th)細(xì)胞的平衡，從而影響適應(yīng)性免疫應(yīng)答。此外，益生菌能夠誘導(dǎo)免疫調(diào)節(jié)，主要通過(guò)抑制炎癥途徑(NF-κB或組胺依賴(lài)性途徑)；或調(diào)控上皮相關(guān)T細(xì)胞，例如產(chǎn)生作用于上皮細(xì)胞IL-17的Th17細(xì)胞；或通過(guò)調(diào)節(jié)Treg細(xì)胞以抑制促炎性信號(hào)[56]。4)對(duì)全身反應(yīng)的調(diào)節(jié)，例如通過(guò)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)或通過(guò)信號(hào)介導(dǎo)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)[12]。

盡管臨床研究表明，口服益生菌可以作為預(yù)防和控制乳房炎發(fā)展、增強(qiáng)宿主免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)劑，但其臨床效果仍然存在一部分爭(zhēng)議。需要更多的臨床試驗(yàn)或前瞻性研究來(lái)驗(yàn)證益生菌在乳房炎預(yù)防和治療中的效果，并揭示免疫系統(tǒng)機(jī)制。

3.4 腸道共生菌對(duì)乳腺組織的保護(hù)

腸道共生菌對(duì)非腸組織(包括乳腺)發(fā)揮保護(hù)作用的可能機(jī)制還包括促進(jìn)黏膜屏障功能、增強(qiáng)對(duì)病原體的固有免疫力及促進(jìn)適應(yīng)性免疫等[6]。研究表明，腸道菌群可以通過(guò)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生增強(qiáng)上皮屏障功能。例如，雙歧桿菌產(chǎn)生的SCFAs(特別是乙酸)作用于腸上皮細(xì)胞可抑制大腸桿菌O157:H7產(chǎn)生的志賀毒素的易位[57]。此外，腸道共生菌還可以通過(guò)調(diào)控IL-17A的分泌來(lái)促進(jìn)免疫[58]。細(xì)胞因子IL-17A已被證明在宿主不同上皮部位對(duì)細(xì)菌和真菌感染的防御中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Porcherie等[58]通過(guò)小鼠乳腺炎模型研究發(fā)現(xiàn)，IL-17A參與了乳腺對(duì)大腸桿菌感染的防御。利用大腸桿菌誘導(dǎo)小鼠乳房炎后，細(xì)菌負(fù)荷迅速增加，引發(fā)白細(xì)胞大量涌入乳腺組織，并增加了IL-6、IL-22、TNF-α和IL-10的濃度。嗜中性粒細(xì)胞是第一個(gè)向乳腺組織強(qiáng)烈遷移的細(xì)胞。而IL-17A產(chǎn)生增加的最主要的貢獻(xiàn)者是嗜中性粒細(xì)胞，乳房炎感染期間，腸道共生菌可通過(guò)激活視黃酸相關(guān)的孤兒受體γ(RORγt)信號(hào)誘導(dǎo)嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)生IL-17A，從而使細(xì)菌數(shù)量和IL-10產(chǎn)生顯著減少[6, 58]。以上結(jié)果表明，共生菌通過(guò)刺激嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)生IL-17A是乳腺組織對(duì)大腸桿菌免疫的一個(gè)重要效應(yīng)。如上所述，細(xì)菌易位可能誘發(fā)乳房炎，這通常與病原體感染和上皮屏障的破壞有關(guān)[5, 54]。然而，研究表明，腸道共生細(xì)菌能夠誘導(dǎo)適應(yīng)性免疫反應(yīng)(包括IgA的產(chǎn)生和CD4+T細(xì)胞的產(chǎn)生)，這可能有助于防止由致病菌易位而引起的間接損害，并可能通過(guò)其他免疫機(jī)制對(duì)病原體起到清除作用[59]。此外，腸道共生菌誘導(dǎo)腸道Toll樣受體(Toll-like receptors, TLR)依賴(lài)的DC激活，可抑制腸外組織感染[60]。最近有研究報(bào)道，腸道共生細(xì)菌可能提供組織特異性防御機(jī)制，即宿主皮膚細(xì)菌能夠?qū)Υ嬖谟诮M織局部的病原菌感染提供保護(hù)[61]。然而，腸道共生菌對(duì)乳腺組織感染是否能夠提供類(lèi)似的防御機(jī)制尚不清楚，仍需開(kāi)展深入研究。

4 小結(jié)與展望

乳房炎在生產(chǎn)實(shí)際中對(duì)奶牛機(jī)體健康狀態(tài)、生產(chǎn)性能及繁殖能力造成的損害極為嚴(yán)重。除了外源致病菌入侵感染外，瘤胃及腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂同樣能夠引發(fā)乳房炎。此外，乳房炎發(fā)病期間，奶牛瘤胃和腸道菌群及其代謝產(chǎn)物同樣發(fā)生了顯著改變。其機(jī)制可能與微生物的“腸道-乳腺”內(nèi)源途徑有關(guān)。目前，胃腸道菌群對(duì)乳房炎調(diào)控的可能機(jī)制涉及飲食、腸道菌群代謝產(chǎn)物(如SCFAs)、益生菌及腸道共生菌對(duì)腸外組織免疫功能的調(diào)控等，然而，其具體作用機(jī)制尚不十分明確，需要開(kāi)展更為深入的研究。

胃腸道菌群在全身性(系統(tǒng)性)炎癥疾病中的角色日益凸顯，然而，其在乳腺組織相關(guān)疾病(如乳腺炎及乳腺癌)中的研究目前主要集中在人和小鼠上，有關(guān)奶牛乳房炎的報(bào)道極為有限。鑒于奶牛與單胃動(dòng)物在消化道結(jié)構(gòu)上的明顯差異，未來(lái)的研究需要進(jìn)一步明確奶牛乳房炎發(fā)病與瘤胃內(nèi)環(huán)境之間存在的相關(guān)性及其機(jī)制，這對(duì)于乳房炎的改善及調(diào)控具有關(guān)鍵的指導(dǎo)意義。此外，基于當(dāng)前的研究基礎(chǔ)，進(jìn)一步探究通過(guò)營(yíng)養(yǎng)調(diào)控等手段改善奶牛瘤胃及腸道內(nèi)環(huán)境是否有助于預(yù)防和緩解乳房炎的發(fā)病，這對(duì)于奶牛生產(chǎn)具有實(shí)際意義。