氧化應(yīng)激與奶牛常見疾病關(guān)系研究進展

李 瀾，楊佳琦，劉耀權(quán)，趙晨旭，王建國

(西北農(nóng)林科技大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

氧化應(yīng)激(oxidative stress)是指生物體遭受到體內(nèi)外有害刺激時，機體內(nèi)氧化劑與抗氧化劑失衡，產(chǎn)生的自由基超過機體抗氧化劑的清除能力而在體內(nèi)大量蓄積[1]。正常情況下，自由基及其衍生物在蛋白質(zhì)磷酸化、調(diào)節(jié)血管張力、激活轉(zhuǎn)錄因子、參與機體免疫防御以及維持氧化還原穩(wěn)態(tài)等方面發(fā)揮重要作用。但自由基易與幾乎所有的生物大分子發(fā)生反應(yīng)，且過多的自由基與核酸、蛋白質(zhì)的巰基和氨基親和力較強，當自由基在體內(nèi)蓄積到一定程度時，會嚴重損害機體細胞DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等生物大分子，導(dǎo)致全身廣泛性的細胞損傷，并可能引起炎癥反應(yīng)和免疫抑制，增加疾病易感性[2]。

近年來，大量的研究者通過測定患病奶牛體內(nèi)氧化劑與抗氧化劑的水平，并與健康奶牛比較，探究氧化應(yīng)激與奶牛多種疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)系，普遍認為氧化應(yīng)激通過參與機體氨基酸和糖代謝影響奶牛酮病、脂肪肝、低鈣血癥、乳房炎、肢蹄病等多種疾病的發(fā)生發(fā)展[3]。尤其對于新產(chǎn)牛，泌乳啟動導(dǎo)致營養(yǎng)流失過多、代謝水平升高，機體普遍處于能量負平衡狀態(tài)，極易發(fā)生氧化應(yīng)激，產(chǎn)生大量自由基，導(dǎo)致機體氧化劑與抗氧化劑之間不平衡。當氧化劑活性超過抗氧化劑的中和能力時，引起機體免疫防御功能和炎癥反應(yīng)能力下降，疾病易感性增加。

1 氧化劑與抗氧化劑

1.1 氧化劑及其對生物機體的影響

自由基是機體新陳代謝產(chǎn)生的外軌道含有一個或多個未配對電子的化學(xué)物質(zhì)(原子、分子或離子)[4]。機體內(nèi)的自由基主要有活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)、活性氮自由基、脂質(zhì)自由基和脂質(zhì)過氧化物。ROS包括超氧陰離子自由基、過氧化氫(H2O2)、羥自由基和單線態(tài)氧等；活性氮自由基包括一氧化氮、二氧化氮和過氧化亞硝酸鹽等；脂質(zhì)自由基、脂質(zhì)過氧化物包括丙二醛(malondialdenhyde,MDA)、脂過氧自由基、脂氧自由基、脂肪自由基等。

對于生物大分子，過量的自由基可使DNA脫氧核糖分解、磷酸二脂鍵斷裂、堿基修飾，還可改變蛋白質(zhì)構(gòu)象使其聚合，或與蛋白質(zhì)、磷脂結(jié)合，誘導(dǎo)機體內(nèi)的生物大分子產(chǎn)生氧化修飾，使其功能喪失；對于機體免疫方面，現(xiàn)有證據(jù)支持氧化應(yīng)激是引起炎癥反應(yīng)失調(diào)和宿主免疫功能障礙的潛在因素[5]；自由基可抑制淋巴細胞的增殖、分化，不同程度地影響淋巴細胞對刺激原的反應(yīng)性和細胞功能[6]；此外，自由基還是影響炎癥性疾病進展的關(guān)鍵信號分子，可以通過對參與炎癥反應(yīng)的多種基因的調(diào)高，啟動和/或放大炎癥[7]。

1.2 抗氧化劑分類及其作用

一般將內(nèi)源性抗氧化劑分為三大類，即酶類抗氧化劑、非酶類蛋白質(zhì)抗氧化劑和非酶類低分子量抗氧化劑。酶類抗氧化劑包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)和過氧化氫酶(catalase,CAT)，是細胞內(nèi)抗氧化防御的主要形式。SOD可將O2-轉(zhuǎn)化為H2O2，被視為抵抗氧化應(yīng)激的第一道防線，可以通過其活力衡量機體清除自由基的能力；GSH-Px活性可以反映血漿脂質(zhì)過氧化物含量，在抗氧化防御中起重要作用，可作為衡量氧化應(yīng)激的指標；CAT多集中于過氧化物酶內(nèi)，可清除長鏈脂肪酸的代謝產(chǎn)物H2O2，與GSH-Px協(xié)同SOD保護細胞[8]。非酶類抗氧化劑主要存在于血漿中，包括白蛋白、L-半胱氨酸和同型半胱氨酸的巰基，具有很強的還原性，是細胞外抗氧化防御的重要組成部分。非酶類低分子量抗氧化劑在血清、細胞內(nèi)液和細胞外液均有存在，包括谷胱甘肽(glutataione,GSH)、視黃醇、抗壞血酸、α-生育酚、尿酸、微量元素Se、Cu、Zn等，是血清抗氧化劑的重要來源。

2 氧化應(yīng)激與奶牛疾病

臨床上，奶牛補充抗氧化劑后，其代謝性疾病和傳染病的發(fā)病率降低，說明氧化應(yīng)激在奶牛疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。多項研究證明，奶牛酮病、脂肪肝、低鈣血癥、乳房炎等均與氧化應(yīng)激有關(guān)[3]。

2.1 氧化應(yīng)激與營養(yǎng)代謝性疾病

2.1.1 奶牛酮病 奶牛酮病是由奶牛體內(nèi)糖類化合物和脂肪代謝紊亂引起的營養(yǎng)代謝失調(diào)性疾病[9]。圍產(chǎn)期奶牛酮病特征為血漿非酯化脂肪酸和酮體(乙酰乙酸、β-羥丁酸、丙酮)的濃度相對較高而血糖降低。測定血液中β-羥丁酸水平是診斷奶牛是否罹患酮病的“金標準”，健康奶牛血清中β-羥丁酸的含量一般在1.72 mmol/L以下，亞臨床酮病奶牛血清中的β-羥丁酸的含量一般為1.72 mmol/L～3.44 mmol/L，酮病奶牛血清中的β-羥丁酸的含量一般在3.44 mmol/L以上。

研究結(jié)果顯示，酮病奶牛體內(nèi)脂質(zhì)過氧化物MDA和H2O2含量均高于健康奶牛[10-11]，說明酮病奶牛體內(nèi)脂質(zhì)過氧化，產(chǎn)生過量的ROS，機體氧化水平有所升高，該結(jié)果在水牛中也得到驗證[12]；同時，與健康奶牛相比，酮病奶牛體內(nèi)酶類抗氧化劑SOD、GSH-Px和CAT活性下降[5,10-11]，說明ROS的增加超過了酶類抗氧化劑的清除能力。但有研究結(jié)果顯示，酮病奶牛體內(nèi)SOD含量高于健康奶牛，這可能是機體抵御活性氧暫時性升高的適應(yīng)性反應(yīng)；此外，酮病奶牛體內(nèi)抗壞血酸、α-生育酚、尿酸、抑制羥自由基能力與健康奶牛相比也有所降低，進一步證明酮病奶牛體內(nèi)經(jīng)歷一定程度的氧化應(yīng)激[5,10]。

酮病奶牛經(jīng)歷氧化應(yīng)激可能與其體內(nèi)非酯化脂肪酸和酮體含量升高有關(guān)[13]，尤其在圍產(chǎn)期，奶牛處于能量負平衡狀態(tài)，為了應(yīng)對該狀態(tài)，機體在能量不足的情況下會進行脂肪動員，產(chǎn)生過量的非酯化脂肪酸，脂肪酸在機體內(nèi)不完全氧化為酮體。當酮體的生成量超過機體對酮體的利用時，導(dǎo)致體內(nèi)β-羥丁酸和非酯化脂肪酸含量增加[14]。β-羥丁酸含量過高導(dǎo)致奶牛酮?。环酋セ舅釀t進一步氧化，引起ROS累積而導(dǎo)致奶牛發(fā)生氧化應(yīng)激。此外，奶牛體內(nèi)酮體含量增多會引起機體內(nèi)NO濃度升高，放大氧化損傷，進一步導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物的濃度繼續(xù)升高和活性酶、非酶促進抗氧化劑水平減少，由此形成惡性循環(huán)，對奶牛產(chǎn)生嚴重影響[9]。

2.1.2 脂肪肝 奶牛脂肪肝是指奶牛肝臟攝入的脂質(zhì)超過了其氧化和分泌能力時脂肪以甘油三酯的形式沉積于肝臟的病理狀態(tài)。脂肪肝是一種常見的圍產(chǎn)期奶牛代謝性疾病，與奶牛健康狀況和生殖功能下降密切相關(guān)，嚴重時，牛奶產(chǎn)量和飼料攝入量均會下降。

對圍產(chǎn)期奶牛血清中GSH-Px、SOD、MDA的檢測結(jié)果顯示，罹患脂肪肝奶牛血清SOD和GSH-Px活性顯著低于健康奶牛，而MDA含量高于健康奶牛[15]，表明奶牛機體內(nèi)氧化應(yīng)激與脂肪肝有必然的聯(lián)系。另有研究發(fā)現(xiàn)，患有脂肪肝的動物血漿中氧化三甲胺和瓜氨酸有所增加，氧化三甲胺和瓜氨酸增加常伴有氧化應(yīng)激和肝臟損傷，這在人類和小鼠的研究中也得到了相應(yīng)證明[16]。奶牛脂肪肝與人類非酒精性脂肪性肝有很多相似之處，非酒精性脂肪肝患者體內(nèi)由GSH氧化生成的氧化型谷胱甘肽(glutathiol,GSSG)含量增加了近1.5倍，抗氧化酶CAT和其他抗氧化物質(zhì)，如輔酶Q10、CuZn-SOD的活性下降[17]。多項結(jié)果表明脂肪肝奶牛體內(nèi)存在氧化還原狀態(tài)失衡[18]。

2.1.3 低鈣血癥 低鈣血癥又稱產(chǎn)后癱瘓，是奶牛產(chǎn)犢后泌乳啟動造成血鈣流失而引起的代謝紊亂性疾病。奶牛分娩后進入泌乳期，機體對鈣的需求量急劇增加，但由于分娩應(yīng)激，該時期奶牛存在采食量和消化功能下降，致使奶牛的體內(nèi)鈣大量丟失且攝入減少，造成鈣平衡失調(diào)，引發(fā)低鈣血癥。低鈣血癥對奶牛健康和生產(chǎn)性能影響很大，能直接影響免疫細胞對刺激物的應(yīng)答反應(yīng)，使得奶牛罹患傳染性疾病的風(fēng)險大大增加；患有低鈣血癥的奶牛產(chǎn)量也會降低，給養(yǎng)殖業(yè)帶來了很大的損失[19]。根據(jù)奶牛血漿中總血鈣濃度可將其分為臨床型和亞臨床型低鈣血癥。健康奶牛血漿中總鈣濃度為2.0 mmol/L～2.5 mmol/L,亞臨床低鈣血癥奶牛血漿中總鈣濃度為1.4 mmol/L～2.0 mmol/L,臨床低血鈣癥奶牛血漿中總鈣濃度小于1.4 mmol/L。

對于低鈣血癥奶牛體內(nèi)氧化狀態(tài)的研究相對較少，但也有研究顯示，相較于健康奶牛，罹患低鈣血癥和亞臨床低鈣血癥的奶牛在圍產(chǎn)期體內(nèi)水溶性抗氧化劑Zn的含量降低更為嚴重，而體內(nèi)水溶性抗氧化劑Cu含量在產(chǎn)前1周逐漸增加并在產(chǎn)后4周持續(xù)保持在較高水平[20]，可能是由于機體抗氧化系統(tǒng)發(fā)生紊亂，具體原因需進一步研究；同時，隨著泌乳天數(shù)的增長，體內(nèi)的抗氧化劑活性會逐漸下降，這可能是由于泌乳消耗了大量的脂質(zhì)抗氧化劑[21]；有研究表明，Ca能夠調(diào)節(jié)脂肪，在調(diào)節(jié)能量平衡方面起著關(guān)鍵作用[22]，罹患低鈣血癥的奶牛在生產(chǎn)當天Ca含量顯著下降，經(jīng)歷更嚴重的能量負平衡，脂質(zhì)氧化也隨之增加。由此可見，隨著奶牛分娩和產(chǎn)奶量的增加，奶牛體內(nèi)氧化還原狀態(tài)失衡的風(fēng)險也不斷升高。尤其是高產(chǎn)奶牛，患低鈣血癥的風(fēng)險更大，體內(nèi)氧化還原狀態(tài)失衡的風(fēng)險也更高，嚴重影響奶牛產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益。

2.2 氧化應(yīng)激與乳房炎

乳房炎是奶牛養(yǎng)殖生產(chǎn)中最常見的一種疾病，多發(fā)于圍產(chǎn)期，不僅對奶牛乳腺和機體健康產(chǎn)生嚴重威脅，而且影響奶牛的生產(chǎn)性能，造成產(chǎn)奶量和乳品質(zhì)下降，牛奶中細菌超標并呈酒精陽性，間接影響人類健康[6]。奶牛乳房炎最常見的致病菌是葡萄球菌、鏈球菌和大腸埃希氏菌[23]。研究表明，與健康奶牛相比，罹患急性乳房炎和亞臨床乳房炎的奶牛血漿中抗氧化劑維生素C(VC)和Zn水平顯著下降，且隨著奶牛乳房炎嚴重程度的增加，VC下降程度有所增加；與此同時，患病奶牛體內(nèi)紅細胞脂質(zhì)過氧化物水平顯著增加[24]。此外，有研究顯示，奶牛在補充維生素E(VE)和Se后，乳房炎的發(fā)病率和嚴重程度均有所下降[24]。越來越多的研究證實氧化應(yīng)激對于奶牛乳房炎的發(fā)生發(fā)展具有潛在影響。這可能與奶牛乳腺組織新陳代謝旺盛、生化反應(yīng)復(fù)雜有關(guān)，尤其是圍產(chǎn)期奶牛經(jīng)歷“妊娠-分娩-泌乳”一系列過程使得奶牛乳腺上皮細胞的代謝率增高，呼吸鏈中的多種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生多種ROS，且此時機體肝臟產(chǎn)生的大量自由基也會隨血液循環(huán)進入乳腺并蓄積[25]。另外，處于氧化應(yīng)激狀態(tài)奶牛乳腺組織中炎性因子、黏附因子表達增強，增加炎癥反應(yīng)時的組織損傷[26]。

2.3 氧化應(yīng)激與肢蹄病

肢蹄病是指奶牛四肢和蹄部的疾病，是繼乳房炎和生殖疾病后對奶牛養(yǎng)殖業(yè)造成重大經(jīng)濟損失的重要疾病。隨著奶牛養(yǎng)殖業(yè)向規(guī)?；?、集約化和標準化方向發(fā)展，奶牛肢蹄病的發(fā)生日益增多，導(dǎo)致奶牛產(chǎn)奶量和繁殖率下降，嚴重影響奶牛福利和經(jīng)濟效益。跛行是奶牛肢蹄病常見表現(xiàn)，其發(fā)病機制與氧化應(yīng)激密切相關(guān)，尤其是由礦物代謝紊亂引起的奶牛跛行表現(xiàn)尤為明顯。先前研究結(jié)果顯示，跛行奶牛體內(nèi)MDA水平和GSSG/GSH增加，而SOD活性和金屬硫蛋白水平顯著下降，跛行奶牛體內(nèi)與抗氧化有關(guān)的礦物質(zhì)Cu、Zn、Mn的代謝發(fā)生紊亂，證實奶牛跛行與氧化應(yīng)激有關(guān)[27]。

3 展望

綜上所述，氧化應(yīng)激與奶牛多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。因此，未來的研究應(yīng)著眼于奶牛不同生理時期和時間階段血液中氧化劑與抗氧化劑水平的動態(tài)變化，以不同時間點的抗氧化劑和氧化劑為切入點，進一步闡明氧化還原狀態(tài)與奶牛多種疾病發(fā)病機理之間的關(guān)系，以期建立一套適用于生產(chǎn)的早期快速檢測指標，實現(xiàn)奶牛常見疾病的早期診斷。在降低奶牛發(fā)病率且提高奶牛單產(chǎn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)經(jīng)濟實惠、臨床應(yīng)用方便的抗氧化劑藥物，并在不同疾病的易感階段預(yù)防性地補充抗氧化劑，實現(xiàn)對奶牛相關(guān)疾病的綜合干預(yù)，將對今后奶牛健康養(yǎng)殖環(huán)節(jié)意義深遠。