異喹啉類生物堿的生物學(xué)功能及其在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

王玉雯,閆景彩,萬發(fā)春,沈維軍,王 祚

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)院，湖南 長沙 410128)

抗生素對提高飼料利用率、促進(jìn)動物生長發(fā)育、動物疾病的防治等方面起到了積極作用，同時(shí)也提高了飼養(yǎng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。但是，頻繁使用抗生素類飼料添加劑會大幅提升畜禽胃腸道內(nèi)的有害細(xì)菌耐藥性，并會造成藥物殘留和環(huán)境污染等問題，對食品安全、環(huán)境安全以及人類健康造成嚴(yán)重威脅。當(dāng)前，我國已全面禁止抗生素類飼料添加劑的使用，因此急需尋求安全、有效、綠色的抗生素添加劑替代品，為畜牧業(yè)的綠色發(fā)展開辟出一條新的路徑。

異喹啉類生物堿是自然界中廣泛存在的一類天然活性物質(zhì)，也是種類最為豐富的一類生物堿，主要分布于小檗科()、防己科()、毛茛科()和罌粟科()等植物中。異喹啉類生物堿具有抗炎、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)和鎮(zhèn)痛等多種生物功能。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，異喹啉類生物堿可分為簡單異喹啉類、苯菲啶類、普羅托品類、阿樸菲類、小檗堿類等。此類生物堿來源廣泛、成本低廉、活性強(qiáng)、副作用小、使用安全，近年來被廣泛研究。部分異喹啉類生物堿已被證明可提高動物生產(chǎn)性能、增強(qiáng)動物抗病能力，顯示出替代飼用抗生素的良好潛質(zhì)和應(yīng)用前景。

本文重點(diǎn)闡述異喹啉類生物堿在抗炎、抗氧化、抑菌方面的生物學(xué)功能及其在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用效果，為異喹啉類生物堿在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 異喹啉類生物堿的生物學(xué)功能

1.1 抗炎作用

炎癥是機(jī)體受到刺激后產(chǎn)生的一種防御反應(yīng)，過多的促炎因子會導(dǎo)致機(jī)體組織受損，進(jìn)而引起器官的衰竭，若治療不及時(shí)甚至能造成死亡。數(shù)種異喹啉類生物堿已被證明具有良好的抗炎效果。核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB,)是一種重要的細(xì)胞轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，正常生理狀態(tài)下，NF-κB與抑制蛋白κB(IκB)結(jié)合。但在促炎因子的誘導(dǎo)下，NF-κB被激活，使其與IκB解離，促進(jìn)炎性基因的表達(dá)。腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)可阻止NF-κB活化。小檗堿(小檗堿類，BBR)在激活A(yù)MPK后，抑制了NF-κB信號傳導(dǎo)，降低了促炎因子的基因表達(dá)。BBR還可以通過AMPK/mTOR(雷帕霉素靶蛋白)信號通路來刺激巨噬細(xì)胞自噬從而達(dá)到減輕炎癥反應(yīng)的效果。去亞甲基小檗堿可通過調(diào)節(jié)NF-κB信號和輔助性T細(xì)胞(Th細(xì)胞)穩(wěn)態(tài)，緩解小鼠炎癥性結(jié)腸炎。血根堿(苯菲啶類生物堿，SG)能夠抑制絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)的激活，進(jìn)而改變體外炎癥介質(zhì)的合成與釋放。據(jù)Chen等研究表明，粉防己堿(雙芐基異喹啉類生物堿,Tet)能減弱樹突狀細(xì)胞介導(dǎo)的同種免疫，保護(hù)小鼠皮膚移植物免受排斥反應(yīng)，進(jìn)一步分析表明，Tet顯著下調(diào)CD80和CD86分子表達(dá)、上調(diào)IL-10的分泌。在葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎模型試驗(yàn)中，波爾定(阿樸菲類生物堿)通過調(diào)節(jié)促炎細(xì)胞因子(腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-6、白細(xì)胞介素-17)、NF-κB和STAT3信號顯著抑制結(jié)腸炎癥。Zhou等報(bào)道，鹽酸千金藤堿(阿樸菲類生物堿)可通過調(diào)節(jié)腸道微生物的結(jié)構(gòu)和功能、激活TLR4-MyD88先天免疫信號，維持腸道微環(huán)境穩(wěn)態(tài)，對食管癌具有更好地化療反應(yīng)。另外，千金藤對樹突狀細(xì)胞誘導(dǎo)的T細(xì)胞增殖和人扁桃體中淋巴細(xì)胞增殖具有一定抑制作用，并且促進(jìn)B淋巴細(xì)胞產(chǎn)生抗體。

1.2 抗氧化作用

氧化自由基(ROS)是所有生化過程的基礎(chǔ)，是有氧生活和新陳代謝的重要組成部分，是由呼吸作用和一些細(xì)胞介導(dǎo)的免疫功能持續(xù)產(chǎn)生的。在機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生的自由基與抗氧化劑之間具有動態(tài)平衡，當(dāng)這種平衡被打破，就會引發(fā)氧化應(yīng)激等一系列疾病。研究表明，小檗堿可有效清除一氧化氮(NO)、2,2'-聯(lián)氮-雙-(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)(ABTS)、1,1-二苯基-2-苦基肼(DPPH)及超氧化物等自由基。Shirwaikar等研究了BBR的抗氧化活性，體外抗氧化模型試驗(yàn)結(jié)果顯示BBR濃度越高，其清除自由基能力隨之增強(qiáng)。BBR也可以通過抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH)氧化酶亞基的表達(dá)，減少超氧陰離子及下游產(chǎn)物等活性氧的生成。同樣的，在SG的抗氧化活性試驗(yàn)中，SG可通過阻礙NADPH氧化酶的活性發(fā)揮其抗氧化功能，而且SG可有效清除DPPH自由基，該作用隨著濃度的增加而增強(qiáng)。許多阿樸菲類生物堿，如海罌粟堿、異波爾定堿、木蘭花堿、番荔枝堿等被證實(shí)可以通過清除ROS和其他自由基，阻止次黃嘌呤-黃嘌呤氧化酶體系而發(fā)揮抗氧化活性。綜上，大量文獻(xiàn)表明，異喹啉類生物堿可通過清除氧自由基、減少活性氧的生成、減輕脂質(zhì)過氧化反應(yīng)、增強(qiáng)抗氧化酶活性等途徑來實(shí)現(xiàn)抗氧化作用。

1.3 抑菌作用

異喹啉類生物堿的藥理作用廣泛，近年來對其抑菌效果的報(bào)道較多。研究發(fā)現(xiàn)BBR對痢疾桿菌、霍亂桿菌、大腸桿菌、幽門螺旋桿菌等病原菌具有較強(qiáng)的抑制作用，而對腸道有益菌的抑制效果較弱。鄭洪艷等研究了不同原小檗堿型生物堿對致病菌的抑菌效果，發(fā)現(xiàn)BBR具有的抗菌活性與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，其季銨結(jié)構(gòu)可抑制細(xì)菌核蛋白體30s亞基，進(jìn)而阻礙細(xì)菌蛋白質(zhì)合成。Peng等研究發(fā)現(xiàn)，BBR可破壞無乳鏈球菌細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)以及抑制其蛋白質(zhì)及DNA的合成，從而起到殺菌作用。另有報(bào)道，BBR能夠抑制拓?fù)洚悩?gòu)酶(Topo)Ⅰ/Ⅱ的活性，阻止TopoⅠ與TopoⅠ-DNA結(jié)合，阻止DNA的合成。BBR能夠阻止病菌與紅血球、上皮細(xì)胞的黏附，使病菌與受感染體之間失去介質(zhì)，從而降低病原菌的感染力。據(jù)報(bào)道，生物被膜對抗生素有著極強(qiáng)的抵抗力，其可以減緩抗菌藥物對細(xì)菌的殺傷作用，妨礙了腸道炎癥的治療。王靜慧等在管碟法體外抑菌試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)SG對于沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏菌表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抑制作用，并且隨著濃度增加抑菌效果更強(qiáng)。進(jìn)一步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SG濃度達(dá)到0.16 g/L時(shí)可完全清除大腸桿菌與沙門氏菌生物被膜。潘萌等研究證明，白屈菜紅堿對動物大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好抑制作用。徐冬雪等通過透射電鏡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，白屈菜紅堿可通過抑制變形鏈球菌的細(xì)胞分裂抑制其生長，并對莢膜、細(xì)胞壁和細(xì)胞膜等產(chǎn)生影響。目前，小檗堿、血根堿、白屈菜紅堿、海罌粟堿已被報(bào)道對細(xì)菌和真菌具有明顯抑制效果，對異喹啉類生物堿的抑菌機(jī)理主要?dú)w結(jié)為破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、抑制菌體核酸、抑制細(xì)菌酶蛋白活性以及其自身結(jié)構(gòu)所起到的作用等。

2 異喹啉類生物堿在生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 對反芻動物生產(chǎn)性能的影響

大量研究表明，在飼糧中添加異喹啉類生物堿可增加單胃動物的日增重，對單胃動物的生產(chǎn)性能起到了積極作用。Goodarzi與張衛(wèi)兵等對3～23日齡犢牛的研究表明，在代乳劑中添加5 g異喹啉類生物堿對犢牛體重增加具有積極作用。在添加SG對公牛生產(chǎn)性能和胴體性狀的影響試驗(yàn)中，Alex等研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比， SG組公牛的胴體產(chǎn)量更高且皮重較低。說明SG能夠提高干物質(zhì)向胴體轉(zhuǎn)化的效率和胴體產(chǎn)量，其可能原因是SG提高了小腸中非氨氮的供應(yīng)量, 進(jìn)而減少了瘤胃中飼料蛋白質(zhì)的降解以及增加了微生物蛋白質(zhì)的合成。SG還可去除瘤胃中的原生動物，同樣造成微生物蛋白質(zhì)合成增加。Estrada-Angulo等發(fā)現(xiàn)，在母羊的高能量日糧中添加博落回提取物(MCE)可提高母羊?qū)ρ谉岘h(huán)境的耐受力，減輕熱環(huán)境對母羊生長性能造成的不良影響，提高母羊的增重效率。這種作用可能是由于MCE具有抗炎作用以及相應(yīng)的營養(yǎng)吸收增強(qiáng)而實(shí)現(xiàn)的。

2.2 對反芻動物瘤胃發(fā)酵的影響

甲烷是一種動物不能利用的高能物質(zhì)，甲烷的釋放伴隨著能量的損失。有研究指出，反芻動物釋放甲烷所損失的能量占飼料總能的7%。因此，控制甲烷的生成是瘤胃發(fā)酵調(diào)控的重要內(nèi)容之一。在湖羊瘤胃體外試驗(yàn)中，張志紅等發(fā)現(xiàn)低濃度MCE(有效成分為血根堿和白屈菜紅堿)會提高甲烷的生成量，高濃度MCE會減少產(chǎn)甲烷量，并且MCE促進(jìn)湖羊瘤胃發(fā)酵模式由乙酸型轉(zhuǎn)變成丙酸型。其原因在于低濃度MCE增加了產(chǎn)甲烷菌等微生物活性使產(chǎn)氣量和甲烷產(chǎn)量增加，而高濃度MCE在降低產(chǎn)甲烷菌活性的同時(shí)也影響了瘤胃中纖維降解菌、原蟲等活動，降低了產(chǎn)甲烷量。Aguilar等發(fā)現(xiàn)在肉牛的精料中添加異喹啉類生物堿，可提高育肥牛對氮的利用效率。其部分原因是提高了瘤胃微生物效率，降低了飼料氮的瘤胃降解，促進(jìn)了瘤胃后氮消化。

2.3 對反芻動物抗病能力的影響

亞急性瘤胃酸中毒(SARA)是一種奶牛高發(fā)病，可增加炎癥水平，誘發(fā)奶牛瘤胃炎。Zhao等研究探討B(tài)BR對脂多糖(LPS)刺激的瘤胃上皮細(xì)胞(REC)的抗炎作用， 結(jié)果表明，BBR對Toll樣受體4 (TLR4)和髓系分化初級反應(yīng)蛋白(MyD88) 的表達(dá)具有顯著抑制作用，故對LPS誘導(dǎo)的REC炎癥反應(yīng)具有良好保護(hù)作用。

脂肪肝是圍產(chǎn)期奶牛主要的脂質(zhì)代謝疾病，主要表現(xiàn)為胰島素抵抗、非酯化脂肪酸(NEFA)水平高和肝臟TG積累。Shi等研究表明，奶牛脂肪肝表現(xiàn)出線粒體呼吸鏈功能和胰島素信號的損傷。高水平的NEFA可損害牛肝細(xì)胞線粒體呼吸鏈功能和胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。而BBR顯著改善了這種狀況，為預(yù)防和治療奶牛脂肪肝，特別是輕、中度脂肪肝提供了一種新的治療策略。

Zhou等研究表明，BBR與常用抗生素聯(lián)合使用對表皮葡萄球菌多重耐藥菌株具有良好的協(xié)同作用，可單獨(dú)或與其它抗微生物劑聯(lián)合使用，預(yù)防和治療由葡萄球菌引起的奶牛乳腺炎。Bandyopadhyay等發(fā)現(xiàn),BBR對導(dǎo)致牦牛出血性腹瀉的多重耐藥性大腸桿菌具有顯著的抑制作用，表明BBR可作為一種有效的抗耐藥大腸桿菌的抗菌劑。

3 小 結(jié)

目前對異喹啉類生物堿的藥理特性及生物學(xué)活性等方面的研究較多，發(fā)現(xiàn)其具有抗氧化、抗菌抗炎、鎮(zhèn)痛止咳及抗癌等作用。在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用研究表明，異喹啉類生物堿能夠增強(qiáng)動物免疫功能、提高動物生長性能以及改善動物產(chǎn)品品質(zhì)，是一類很有潛質(zhì)的飼用抗生素替代品。近年來，以血根堿為主要成分的博落回提取物在動物生產(chǎn)生產(chǎn)中起到了良好的作用效果，但是僅批準(zhǔn)用于豬禽，并未涉及反芻動物。有關(guān)異喹啉類生物堿在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用研究較少，現(xiàn)在仍處于初級階段。其一是因?yàn)榉雌c動物復(fù)雜的瘤胃微生物環(huán)境，其二是異喹啉類生物堿提取于中草藥，而中草藥本身具有毒副作用，以及中草藥組方之間存在配伍禁忌，可能會對動物產(chǎn)生危害。因此，還需進(jìn)一步對異喹啉類生物堿在反芻動物生產(chǎn)中應(yīng)用的有效性與潛在性進(jìn)行挖掘，深入研究其作用機(jī)制。