氧化應激對圍產(chǎn)期奶牛及犢牛的影響研究進展

雷智琦，張 萱，柳 越，朱思鼎，李 蓮，王根林

（南京農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，江蘇南京 210095）

氧化應激（Oxidative Stress，OS）指動物體內抗氧化防御系統(tǒng)清除活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）等自由基的速度無法與細胞或組織中其產(chǎn)生的速度達到平衡，使得活性自由基過量生成，從而影響動物的正常生理活動，甚至誘發(fā)各類疾病，危害動物健康。圍產(chǎn)期又稱過渡期，一般指奶牛分娩前3周至分娩后3周的時期。圍產(chǎn)期奶牛的生理狀態(tài)較為特殊，在這一階段內，奶牛機體要承受由妊娠、產(chǎn)犢及泌乳3個階段交替帶來的生理性變化，此時奶牛干物質攝入量極易不足。若不及時進行適宜的飼養(yǎng)管理及環(huán)境調控，圍產(chǎn)期奶牛極易發(fā)生能量負平衡（Negative Energy Balance，NEB），從而導致氧化應激現(xiàn)象。

妊娠期母體的機體狀況、疾病與否密切影響胎兒的生長發(fā)育?，F(xiàn)常通過綜合考慮母體和胎兒的營養(yǎng)代謝需求后進行適當?shù)沫h(huán)境管理，從而保證母體健康和胎兒的正常生長發(fā)育，使其在之后的生理階段發(fā)揮正常的繁殖性能?！澳缸右惑w化”現(xiàn)已廣泛運用到奶牛等動物體上。越來越多的研究表明，氧化應激密切影響圍產(chǎn)期奶牛的健康及性能。本文對近年來關于圍產(chǎn)期奶牛氧化應激的研究進展進行概述，綜述氧化應激的代謝特征、致病因素以及對犢牛的消極影響，以期進一步揭示氧化應激在動物體內的作用機制、探究能量負平衡對繁殖性能的影響，為生產(chǎn)上維持圍產(chǎn)期奶牛正常生理機能及保證氧化應激影響下犢牛的機體健康提供理論參考。

1 誘發(fā)奶牛圍產(chǎn)期氧化應激的因素

1.1 圍產(chǎn)期特殊生理狀態(tài) ROS具有重要的生理功能，這類高度活性物質對細胞或組織的作用取決于其在動物體內的濃度。當體內含量適宜時，ROS對各生理活動具有積極的正面影響，但當ROS的產(chǎn)生速度與機體抗氧化系統(tǒng)的清除能力之間不平衡時，體內ROS含量過高，表現(xiàn)出明顯的負作用。動物體內ROS濃度與耗氧量呈正相關關系。圍產(chǎn)期奶牛新陳代謝旺盛、耗氧量增加，通常伴隨ROS等自由基濃度升高。臨近分娩前，母體卵巢內的妊娠黃體逐步溶解，胎盤分泌孕酮能力下降，繼而解除原本對催乳素的抑制，使奶牛發(fā)動泌乳。在此期間，乳腺各細胞組織發(fā)生復雜的生化反應，對激素的敏感性加強。乳腺上皮細胞更替速度變快，使得氧化呼吸鏈中的化學反應產(chǎn)生大量自由基。

非酶類抗氧化防御系統(tǒng)中的維生素E能阻止相鄰膜中脂肪酸氧化的自由基反應，是生物膜中最重要的抗氧化小分子物質。但分娩前奶牛體內大部分的α-生育酚要分至代謝旺盛的組織中發(fā)揮生理作用，所以非酶類抗氧化防御系統(tǒng)無法發(fā)揮完全的抗氧化作用。同時，與健康奶牛相比，圍產(chǎn)期奶?？鼓嫘暂^差，更容易感染乳房炎、酮病、脂肪肝等疾病，這些疾病會干擾機體抗氧化系統(tǒng)，進而更容易發(fā)生氧化應激。

1.2 奶牛飼料配方的變化 圍產(chǎn)期奶牛的日糧配比發(fā)生了一定程度的變化。研究表明，奶?？偢晌镔|、乳蛋白含量會隨飼料中粗蛋白質的添加量增加而提高。因此，為保證奶牛健康和乳制品質量，圍產(chǎn)期奶牛日糧中粗蛋白質水平應保持在12%左右。飼料中需采用優(yōu)質的禾本科牧草，但粗飼料不宜過多。姜士凱等給妊娠奶牛飼喂不同精粗比的飼糧發(fā)現(xiàn)，精料水平較高有助于動物分娩后恢復健康。纖維含量減少會導致瘤胃微生物發(fā)生變化，從而促進瘤胃乳頭發(fā)育。此外，為保證妊娠期奶牛的采食量，常在日糧中添加一定量的調味劑，引導母牛攝食，提高干物質攝入量。

若飼料中脂肪含量過高，動物會攝取過量多不飽和脂肪酸，多不飽和脂肪酸會促使氧化還原反應的發(fā)生，產(chǎn)生過量自由基；還會影響抗氧化系統(tǒng)抵抗自由基的進程，產(chǎn)生氧化應激現(xiàn)象。膘情密切影響著產(chǎn)犢時奶牛氧化應激的劇烈程度。田曉雨等研究表明，體況評分較高的圍產(chǎn)期奶牛更容易處于氧化應激狀態(tài)。因此，控制圍產(chǎn)期奶牛的膘情，避免因過肥而導致生產(chǎn)性能下降。此外，飼糧原料發(fā)生霉變、缺乏維生素和礦物質等抗氧化劑以及飼料配方營養(yǎng)分布不平衡等均可能打破奶牛體內的氧化平衡，誘導動物體發(fā)生氧化應激反應。

1.3 飼養(yǎng)管理及環(huán)境調控 圍產(chǎn)期奶牛的環(huán)境調控尤為重要。當環(huán)境溫度過高時，奶牛食欲不振，干物質攝入量下降。能量負平衡現(xiàn)象更加明顯，從而加劇脂質過氧化、氧化應激等一系列負反應。長時間處于高溫環(huán)境下，也會誘發(fā)動物體產(chǎn)生非特性的生理反應。奶牛一旦出現(xiàn)熱應激，會干擾代謝過程，導致氧化還原反應平衡紊亂，體內自由基濃度升高。熱應激還會抑制體內抗氧化酶的活性及抗氧化相關因子的生成，使抗氧化防御系統(tǒng)受到抑制。因此，熱應激很有可能導致氧化應激發(fā)生。同時，氧化應激的奶牛耐熱性下降，加劇了熱應激程度，影響奶牛的生長性能和繁殖機能。此外，食槽未清理干凈也會影響奶牛干物質采食量，加劇能量負平衡；還要避免農(nóng)藥對飼料的污染、改善畜牧場的通風降溫設施，防止有毒氣體、太陽輻射、溫度升高對奶牛產(chǎn)生不利影響。

2 奶牛圍產(chǎn)期能量負平衡

2.1 能量負平衡與氧化應激的關系 圍產(chǎn)期內，維持腹中胎兒正常生長發(fā)育需要大量營養(yǎng)，奶牛自身也由于發(fā)動泌乳導致乳房等部位發(fā)育以及內分泌環(huán)境改變，對能量的需求明顯增加。尤其在泌乳初期，母牛體內大量糖分用于合成乳糖，導致血糖急劇下降，需要補充能量飼料。但隨著胎兒體積逐漸增長，圍產(chǎn)期奶牛的生理狀態(tài)發(fā)生變化，奶牛干物質攝入量下降，攝入的營養(yǎng)無法給泌乳提供足夠的能量和鈣。在這種情況下，為了提供機體所需的能量，組織會通過細胞呼吸消耗更多氧氣，從而產(chǎn)生能量負平衡現(xiàn)象。

能量負平衡會引起過量的脂肪發(fā)生動員，這可能會提高ROS和活性氮的生成量。同時，由于母牛采食量減少，外源抗氧化劑的攝入量隨之下降，從而導致機體氧化還原平衡中促氧化劑發(fā)生變化。此時，動物體的抗氧化防御能力難以抵消增加的ROS和活性氮，當氧化還原平衡失衡時，這類自由基表現(xiàn)出損害生理進程的負作用，如導致細胞損傷和功能障礙等，這很可能引起奶牛發(fā)生氧化應激。

2.2 代謝特征 能量負平衡會導致脂肪過度動員，從而提高循環(huán)中非酯化游離脂肪酸（Non-esterified Fatty Acids，NEFAs）濃度。在這一時期，一部分NEFAs在肝臟發(fā)生氧化分解以緩解能量負平衡，另一部分則作為合成乳脂的原料被乳腺和乳腺周圍組織利用。卵泡液中NEFA的水平隨著血液循環(huán)變化而改變，但血液和卵泡液中NEFA成分和濃度不同。在代謝應激期間，卵泡液中單不飽和油酸的水平相對較高，這也是血液和卵泡液之間NEFA成分最顯著的區(qū)別之一。為了接近上皮細胞，NEFAs需要通過由膜細胞、基底膜和顆粒細胞形成的血卵泡屏障，其通過與否取決于代謝物的大小和所帶電荷正負。就目前的研究而言，關于脂肪酸從血液向卵泡液的潛在選擇性轉移仍然有很多未知之處。此外，奶牛產(chǎn)生乳汁時要消耗大量葡萄糖，這與奶牛干物質攝入量中可補充的糖分失衡，因此會影響肝臟的糖異生反應。葡萄糖所需的原料丙酸分泌不足，影響其轉換為乳糖，從而加劇機體能量負平衡。

2.3 能量負平衡的危害 能量負平衡影響奶牛的繁殖及生產(chǎn)性能。夏成等研究表明，能量負平衡奶牛表現(xiàn)出情期受胎率低等現(xiàn)象。能量負平衡抑制下丘腦分泌促性腺激素釋放激素。奶牛卵巢受到擾亂，出現(xiàn)卵巢靜止，影響配種。脂肪動員的產(chǎn)物會影響卵母細胞發(fā)育。不飽和非酯化游離脂肪酸對體細胞產(chǎn)生反面作用，抑制卵母細胞生長。卵泡液、棕櫚酸和脂酸中的飽和非酯化游離脂肪酸似乎對卵母細胞發(fā)育成胚胎的能力具有劑量依賴性的負面影響。能量負平衡奶牛的乳汁中乳蛋白含量降低，說明能量負平衡會引起乳品質下降。奶牛采食量降低會導致產(chǎn)奶量下降，同時血糖劇烈消耗無法給乳腺供給充足的葡萄糖，也會影響奶牛的泌乳量。

能量負平衡還會誘發(fā)各種疾病。能量負平衡導致的脂肪動員破壞了動物體生理內環(huán)境平衡。當NEFA形成速度超出肝臟的氧化分解能力時，會發(fā)生不完全的-氧化。大量酮體在體內聚集引發(fā)奶牛高血酮癥或酮病。游離脂肪酸被酯化成甘油三酯沉積在肝臟中會形成脂肪肝。免疫代謝系統(tǒng)與動物機體的氧化還原反應相互關聯(lián)。孫光野等研究發(fā)現(xiàn)，與健康組奶牛相比，能量負平衡組奶牛血液中白細胞介素水平極顯著升高，起激活免疫細胞、增強免疫功能的Ca、Mg含量極顯著降低。

3 氧化應激對仔畜的影響

3.1 母體氧化應激對胎兒的影響 圍產(chǎn)期奶牛所經(jīng)歷的氧化應激對后代具有遺傳效應。對于妊娠動物而言，分娩前的氧化應激不僅會危害母體健康，嚴重時還會對后代產(chǎn)生影響，甚至誘發(fā)終生難以治愈的后遺癥。胎兒在發(fā)育過程中新陳代謝劇烈，且尚未形成完善的免疫保護機制，很容易因所處的環(huán)境變化而導致發(fā)育遲緩或對機體產(chǎn)生不良影響。韋啟鵬研究表明，葡萄糖濃度過高導致胚胎產(chǎn)生大量ROS，會使胚胎發(fā)生氧化應激損傷，削弱其發(fā)育潛力。Takahashi研究發(fā)現(xiàn)，ROS也會對體外生產(chǎn)的胚胎造成損傷，導致胚胎發(fā)育停滯、誘導細胞凋亡和脂質過氧化。

應激會干擾下丘腦-垂體-腎上腺軸的反饋調節(jié)作用，打破妊娠動物激素分泌平衡。妊娠初期，胎兒大腦發(fā)育尚不完全，無法進行適應性調節(jié)，因此母體可以通過下丘腦-垂體-腎上腺軸影響胎兒的生長發(fā)育，改變仔畜的代謝狀態(tài)，并對后代產(chǎn)生攜帶效應。因此，長期暴露于不良刺激中的孕期動物其后代常出現(xiàn)認知障礙，并發(fā)生異常的行為反應。母體氧化應激會導致胎盤發(fā)育異常。胎盤部位血管發(fā)生病變，臍血流量減少，嚴重時可能會引起宮內缺氧，導致胎兒窘迫。瓦增成等研究發(fā)現(xiàn)，臍血流舒張壓的阻力指數(shù)、搏動指數(shù)以及收縮期最大血流速度/舒張末期血流速與胎盤內氧化應激時產(chǎn)生自由基的副產(chǎn)物呈正相關關系。孕晚期母體氧化還原反應異常，胎盤中產(chǎn)生過多的ROS，特異性轉運載體受到干擾，影響母體通過胎盤轉運系統(tǒng)向胎兒傳送營養(yǎng)物質，從而限制胎兒的骨骼生長，容易造成胎兒生長發(fā)育受限。吳玉花研究發(fā)現(xiàn)，胎兒生長受限患者組血清中脂質過氧化損傷產(chǎn)物濃度極顯著升高。但有關氧化應激如何影響特定養(yǎng)分載體的具體機制還需要進一步的研究探索。

3.2 氧化應激對新生仔畜的影響 產(chǎn)前應激不僅對動物自身具有明顯的消極影響，還會給腹中胎兒帶來生理和行為上的危害，影響后代終身生理進程及繁殖機能。新生兒免疫系統(tǒng)發(fā)育不完善，抗逆能力差，很容易感染各類疾病。研究表明，孕后期熱應激奶牛所產(chǎn)后代的平均初生重較低；母體發(fā)生熱應激也會影響犢牛小腸吸收免疫蛋白G（IgG）的能力，與對照組相比，熱應激組后代犢牛的免疫蛋白表面吸收效率極顯著下降，血清內IgG濃度也顯著降低。這表明孕后期發(fā)生應激會導致新生兒無法發(fā)揮原有的完全免疫功能。

仔畜出生后，其所處環(huán)境和生活方式發(fā)生根本性變化。新生仔畜離開溫度均衡、相對無菌的母體子宮，轉為需要機體調節(jié)體溫、主動獲得免疫能力才能適應的變溫、有菌環(huán)境；呼吸方式從原來通過臍帶與母體血液進行氣體交換的被動方式轉變?yōu)橥耆揽孔陨砗粑到y(tǒng)進行的自主呼吸。新生仔畜一旦開始自主呼吸，便處于富氧環(huán)境下，會產(chǎn)生過多的ROS等自由基。而分娩過程中由于骨盆擠壓等外部環(huán)境刺激，也會加劇新生兒氧化應激的程度，從而引起仔畜相對持久的氧化應激狀態(tài)。同時，仔畜的抗氧化系統(tǒng)發(fā)育尚不完善，無法及時清除自由基。但這類系統(tǒng)仍舊會在發(fā)生氧化損傷后被激活，調節(jié)機體的氧化還原平衡。

仔畜斷奶時進食方式的改變會導致采食量降低。仔畜攝入的食物由流體的母乳轉變?yōu)楣腆w飼料，消化道也相應產(chǎn)生結構和功能上的改變，導致胃腸道消化吸收率降低，從而影響斷奶動物吸收發(fā)揮抗氧化功能的營養(yǎng)物質；同時，轉場、換料等因素會誘導仔畜腸道菌群發(fā)生變化，抑制氧化應激的乳酸菌數(shù)量顯著下降，大腸桿菌等有害細菌數(shù)量則呈增長趨勢。這意味著新生兒抗氧化系統(tǒng)受到了一定程度的損傷。同時，斷奶時仔畜面臨與母親分開飼養(yǎng)，通常會產(chǎn)生情感應激，導致神經(jīng)內分泌系統(tǒng)異?；顒?，產(chǎn)生較多的皮質醇和兒茶酚胺，誘導自由基生成，加劇動物體氧化應激。

此外，妊娠時發(fā)生氧化應激的動物，其后代體內自由基濃度上升，出生后更容易發(fā)生氧化應激。Ling等研究發(fā)現(xiàn)，NEFA或氧化應激較高的母牛產(chǎn)下的犢牛不僅體重較輕，而且與正常組的后代相比，犢牛血清中ROS水平較高，更有可能由于自由基無法被及時清除而發(fā)生氧化應激損傷。此外，結果反應暴露于氧化應激母體環(huán)境內的犢牛血液中結合珠蛋白（Hp）和腫瘤壞死因子-（TNF-）濃度也較高，表明孕后期母牛氧化應激還會影響后代的免疫力，引起動物的基礎炎癥反應。

3.3 氧化應激對新生仔畜的危害 氧化應激嚴重影響著新生兒的生長發(fā)育和機體健康。阿氏（Apgar）評分常用來評定新生兒的健康程度，分數(shù)太低代表胎兒具有窒息風險。李愛金等研究表明，新生仔畜1 min Apgar評分與胎盤組織中超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）呈現(xiàn)顯著正相關關系，與丙二醛（MDA）呈現(xiàn)極顯著負相關關系，表明氧化應激密切影響新生兒的生長發(fā)育。

新生仔畜出生后，身體各器官發(fā)育尚未成熟，尤其是仔畜的肺部以及消化道，還要經(jīng)歷呼吸、消化方式的轉變，很容易因氧化應激造成無法逆轉的損傷。氧化應激會導致新生兒支氣管肺發(fā)育不全，造成動物體肺部損傷。新生兒的胃腸道抗逆性較差，很容易受到氧化應激影響，干擾消化道代謝過程。胃腸道有限的抗逆性會制約消化吸收相關酶發(fā)揮生物活性作用，降低營養(yǎng)物質消化吸收利用效率。嚴重時還可能引起仔畜消化道疾病，損害動物終身繁殖機能。袁施彬等研究發(fā)現(xiàn)，氧化魚油和敵草快引起的氧化應激會不同程度的降低仔豬空腸絨毛高度，加深空腸隱窩深度，同時還會引起腸黏膜水腫、結締組織變性，以及肝臟內部分細胞壞死。

此外，氧化應激還會改變仔畜體內氨基酸的濃度、干擾轉運蛋白的表達，從而影響新生兒的營養(yǎng)、能量代謝方式。新生兒的大腦抗氧化功能尚不完善，少突膠質細胞表現(xiàn)為氧化應激不耐受。并且腦內的鐵離子、多不飽和脂肪酸含量較高，一旦血腦屏障被破壞，還有可能造成顱內出血。這都使得新生兒的大腦較成年動物相比更容易遭受氧化損傷。

3.4 預防措施 在生產(chǎn)中，建議采用補充外源抗氧化物等飼料營養(yǎng)調控措施預防圍產(chǎn)期動物或新生兒產(chǎn)生應激反應。同時，當動物機體的氧化平衡被破壞、抗氧化防御系統(tǒng)無法消除過多的活性氧時，也可以通過這些調控措施來緩解動物體氧化應激損傷。人工合成的抗氧化劑可以有效緩解氧化應激帶來的負面作用，還可以延長飼料貯存時間，在生產(chǎn)中運用廣泛。在靜脈或日糧中添加維生素和微量元素也可以提高妊娠母牛、犢牛的抗氧化力。圍產(chǎn)期動物日糧中能量和蛋白質等與動物應激發(fā)生率及疾病感染率密切相關?？傊ㄟ^產(chǎn)前及產(chǎn)后各項管理措施的改善可提高奶牛生產(chǎn)水平，發(fā)揮仔畜最大生產(chǎn)潛能。

4 小結與展望

綜上所述，氧化還原平衡對動物體至關重要，當自由基產(chǎn)生速度與動物的抗氧化能力之間失衡時，就會產(chǎn)生氧化應激損傷。尤其對于圍產(chǎn)期奶牛而言，氧化應激不僅對動物自身具有明顯的消極影響，還危害后代。圍產(chǎn)期由于生理情況的特殊性以及對母體和子代的重要性受到業(yè)界的廣泛關注。因此，要根據(jù)“母子一體化”，對圍產(chǎn)期動物進行針對性飼養(yǎng)管理，調節(jié)母體體況，保證子宮內環(huán)境適應胎兒健康生長，避免胎兒生長受限或出生后產(chǎn)生氧化應激的現(xiàn)象。子代出生后，也要根據(jù)所處的特定生理階段進行配套管理，兼顧新生仔畜的生理及心理變化，以防仔畜出現(xiàn)氧化應激，確保仔畜順利渡過出生關、斷奶關。可以在日糧中添加抗氧化劑預防母體與仔畜發(fā)生氧化應激，緩解氧化損傷。在生產(chǎn)實踐中進一步探究如何有效避免氧化應激損傷，對提高圍產(chǎn)期奶牛繁殖性能具有重要意義。