胃腸道菌群與黏膜免疫在圍產(chǎn)期奶牛健康中的作用

趙婉莉,曹棋棋,楊 悅,鄧昭舉,徐 闖

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,北京 100193)

不同于單胃動(dòng)物,反芻動(dòng)物有一套獨(dú)特的進(jìn)化優(yōu)勢,使它們能夠消化和利用單胃動(dòng)物無法消化的植物纖維,這些優(yōu)勢來自于瘤胃中棲息著的大量微生物。奶牛圍產(chǎn)期主要指奶牛產(chǎn)前3 周至產(chǎn)后3 周,這一時(shí)期奶牛會(huì)經(jīng)歷從懷孕到分娩和泌乳的過程,動(dòng)物正常營養(yǎng)代謝和能量平衡的維持面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。為適應(yīng)產(chǎn)后泌乳需要,圍產(chǎn)期奶牛從產(chǎn)前的高纖維飲食轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)后的高精料飲食,這種轉(zhuǎn)變往往導(dǎo)致瘤胃菌群的劇烈變化[2]。

寄生在胃腸道上的微生物和宿主之間存在的共生關(guān)系本質(zhì)上主要是互惠互利的。宿主-微生物群的相互作用主要發(fā)生在黏膜表面,這創(chuàng)造了一個(gè)生態(tài)位,促進(jìn)了細(xì)菌的定居和建立,也發(fā)展了對(duì)病原微生物識(shí)別和反應(yīng)的機(jī)制。同時(shí),微生物群產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物在宿主生理中起著重要作用,它與宿主的免疫系統(tǒng)保持動(dòng)態(tài)平衡[3]。越來越多的研究證明,胃腸道菌群通過參與競爭有限營養(yǎng)物質(zhì)、防御病原體和調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)發(fā)育等機(jī)制在非腸組織炎癥疾病中發(fā)揮著重要作用[4]。黏膜免疫作為機(jī)體抵抗病原體的第一道屏障,在宿主免疫系統(tǒng)中扮演重要角色。因此,清楚地了解圍產(chǎn)期奶牛胃腸道菌群與黏膜免疫在健康和疾病中的相互作用,對(duì)于圍產(chǎn)期奶牛飼養(yǎng)管理及疾病防控具有重要意義。

1 奶牛胃腸道菌群

1.1 圍產(chǎn)期奶牛胃腸道菌群特征

瘤胃約占奶牛胃腸道總體積的80%,是胃腸道中85%以上短鏈脂肪酸(SCFAs)產(chǎn)生的部位,也是奶牛胃腸道菌群研究最多的部位。瘤胃生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化按如下精確順序發(fā)生:瘤胃乳頭生長[5],發(fā)酵碳水化合物和蛋白質(zhì)的增加[6],提升酶活性[7]和調(diào)節(jié)微生物定植[8]。瘤胃中棲息著大量的微生物,包括細(xì)菌、原生動(dòng)物、真菌、古生菌和噬菌體等,它們能降解植物纖維,并產(chǎn)生可用于維持宿主動(dòng)物生長的代謝物[9]。瘤胃微生物群落主要分布在瘤胃液、瘤胃內(nèi)容物及瘤胃壁,相互協(xié)同作用,在這個(gè)復(fù)雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)中,細(xì)菌種群構(gòu)成了主導(dǎo)群落[10]。存在于瘤胃液內(nèi)的細(xì)菌稱為液相細(xì)菌,屬嚴(yán)格厭氧菌。瘤胃壁上皮附著的細(xì)菌又稱瘤胃壁黏附菌。瘤胃內(nèi)容物細(xì)菌附著在固態(tài)飼料顆粒上,稱為固相細(xì)菌,包含著大量纖維降解菌,是降解纖維素的最重要的組成成分[11]。成熟反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,圍產(chǎn)期奶牛瘤胃活躍的菌群由20個(gè)細(xì)菌門組成,按照功能不同又可劃分為纖維素與半纖維素降解菌、淀粉降解菌,產(chǎn)甲烷菌、乳酸產(chǎn)生菌,糖類、脂肪、蛋白分解菌等[11]。其中豐度最高的幾個(gè)細(xì)菌門主要是厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)[12]。最大優(yōu)勢科主要是厚壁菌門的瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、擬桿菌門的普雷沃菌科(Prevotellaceae)、變形菌門的琥珀酸弧菌科(Succinivibrionaceae)[13]。

1.2 圍產(chǎn)期奶牛胃腸道菌群組成變化

奶牛瘤胃菌群豐度與穩(wěn)定性對(duì)瘤胃健康至關(guān)重要。圍產(chǎn)期瘤胃菌群種類及豐度在不同階段會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。隨著奶牛從干奶期過渡到泌乳期,從飼喂高纖維飼料轉(zhuǎn)變到高精料,瘤胃菌群豐度和多樣性隨之下降[14-15]。對(duì)干奶期及泌乳早期瘤胃菌群進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)隨著精料增加,產(chǎn)前軟壁菌門、綠彎菌門和疣微菌門所占比例較高,產(chǎn)后放線菌門所占比例較高[16]。而作為瘤胃液中豐度最高的2個(gè)菌門,厚壁菌門與擬桿菌門細(xì)菌豐度及種類在圍產(chǎn)期變化尤為明顯,最顯著的變化是擬桿菌門比例的增加和厚壁菌門的減少,與產(chǎn)前相比,產(chǎn)后擬桿菌與厚壁菌的比值幾乎翻了一番(從6∶1到12∶1)[2]。其中產(chǎn)前厚壁菌門的瘤胃球菌屬與丁酸弧菌屬在瘤胃生態(tài)系統(tǒng)中富集,產(chǎn)后擬桿菌門中的擬桿菌屬和普雷沃菌的豐度卻顯著增加[16]。這也與產(chǎn)后日糧更換密切相關(guān)。瘤胃球菌、產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌作為瘤胃內(nèi)主要的纖維降解菌,在纖維的降解過程中最為重要,在產(chǎn)前高纖維日糧飼喂條件中富集。當(dāng)產(chǎn)后轉(zhuǎn)變高精料日糧飼喂時(shí),需要大量的淀粉降解菌,這時(shí)諸如普雷沃菌、牛鏈球菌等的豐度將會(huì)顯著增加。厚壁菌門/擬桿菌門比值降低可以看作腸道菌群紊亂的生物標(biāo)志,與某些疾病的發(fā)生、宿主的新陳代謝及生理健康密切相關(guān)[17]。產(chǎn)后瘤胃菌群的另一個(gè)值得注意的特征是鏈球菌屬和乳桿菌屬的過度表達(dá),作為瘤胃內(nèi)重要的淀粉利用者及乳酸產(chǎn)生者,該類細(xì)菌隨著產(chǎn)后高精料飼喂逐漸占據(jù)優(yōu)勢[18],它們會(huì)產(chǎn)生大量的乳酸,乳酸代謝的主要產(chǎn)物是短鏈脂肪酸(SCFAs),指碳數(shù)少于6的脂肪酸,主要包括醋酸鹽、丙酸和丁酸。而圍產(chǎn)期奶牛丙酸的主要產(chǎn)生菌埃氏巨球型菌(Megasphaeraelsdenii)和反芻獸月形單胞菌(Selenomonasruminantium)的數(shù)量有所減少,乳酸因無法被及時(shí)代謝而導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)乳酸積聚,伴隨乳酸吸收入血,同時(shí)丙酸作為糖異生的重要底物,會(huì)導(dǎo)致圍產(chǎn)期奶牛揮發(fā)性脂肪酸(VFA )和葡萄糖濃度降低,易誘發(fā)奶牛生產(chǎn)性疾病[19]。

2 胃腸道黏膜免疫系統(tǒng)

黏膜免疫系統(tǒng)為90%以上的潛在病原體提供第一道免疫防御屏障,是體內(nèi)最大的免疫器官。它不僅需要保持對(duì)入侵抗原的耐受性,同時(shí)還要防止對(duì)共生細(xì)菌的有害炎癥反應(yīng),專門負(fù)責(zé)監(jiān)測和協(xié)調(diào)誘導(dǎo)抑制免疫反應(yīng)。微生物區(qū)系和胃腸道上皮表面之間的密切串?dāng)_對(duì)黏膜免疫系統(tǒng)構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。胃腸道黏膜免疫系統(tǒng)由物理屏障(如黏液、上皮)、化學(xué)屏障(如抗菌肽、分泌型IgA)和免疫屏障(如上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、T和B細(xì)胞以及自然殺傷細(xì)胞)組成,它們共同識(shí)別和作用于病原體[20]。

2.1 黏液屏障

上皮細(xì)胞表面的黏液層是機(jī)體物理屏障的第一道防線。黏液屏障主要由黏液和黏蛋白、抗菌肽和分泌型IgA(sIgA)組成。黏膜中的杯狀細(xì)胞分泌黏液和黏蛋白,構(gòu)成屏障的主要部分[21]。腸道中黏液的產(chǎn)生似乎受到共生菌的刺激。在無菌小鼠和常規(guī)飼養(yǎng)的小鼠之間的比較表明,缺乏腸道細(xì)菌會(huì)導(dǎo)致黏液產(chǎn)生減少,但在無菌小鼠的結(jié)腸黏膜表面注射脂多糖和肽聚糖可刺激黏液產(chǎn)生,表明細(xì)菌或細(xì)菌產(chǎn)物促進(jìn)了腸道黏液的產(chǎn)生[22]。此外,無菌小鼠的上皮細(xì)胞生成率低于常規(guī)飼養(yǎng)的小鼠[23]。這表明腸道微生物群對(duì)于維持腸道上皮細(xì)胞的增殖和確保損傷后黏膜屏障的恢復(fù)具有重要意義。腸上皮細(xì)胞與纖毛上皮細(xì)胞產(chǎn)生廣譜抗菌肽(比如防御素、抗菌肽、S100蛋白、肽聚糖識(shí)別蛋白1),這些肽類對(duì)革蘭陽性和革蘭陰性菌、真菌、病毒、原生動(dòng)物都有活性[24-25]。分泌型IgA是由黏膜固有層中的漿細(xì)胞分泌二聚體IgA并轉(zhuǎn)運(yùn)到黏膜上皮細(xì)胞表面而產(chǎn)生的,可與共生微生物區(qū)系的脂多糖、DNA和鞭毛抗原結(jié)合,防止它們跨上皮移位,在腸道免疫中發(fā)揮重要作用,它幫助免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)有益細(xì)菌和致病細(xì)菌之間的關(guān)系。如果這種免疫球蛋白從胃腸道中去除,細(xì)菌可能會(huì)無法控制地大量增加,同時(shí)免疫系統(tǒng)會(huì)上調(diào)促炎細(xì)胞因子的表達(dá)[26]。sIgA是小牛體內(nèi)產(chǎn)生的主要免疫球蛋白,大量分泌于腸道黏膜上皮[27]。當(dāng)sIgA到達(dá)腸腔時(shí),它與細(xì)菌結(jié)合,然后sIgA-細(xì)菌復(fù)合體通過蠕動(dòng)的方式在腸道內(nèi)移動(dòng),最終隨糞便排出[28]。從小牛糞便中回收的共生菌中50%～70%包被sIgA[29]。缺少IgA可導(dǎo)致細(xì)菌擴(kuò)張,引發(fā)炎癥反應(yīng),IgA恢復(fù)產(chǎn)生時(shí)伴隨機(jī)體正常菌群組成的恢復(fù),同時(shí)消除局部和全身炎癥[30-31]。

2.2 免疫屏障

上皮細(xì)胞是胃腸道黏膜免疫系統(tǒng)的第二道物理屏障,直接參與胃腸道的免疫監(jiān)視。上皮細(xì)胞不僅參與微生物的直接防御,還通過產(chǎn)生細(xì)胞因子和趨化因子向黏膜免疫系統(tǒng)發(fā)送信號(hào),在胃腸道微生物區(qū)系的刺激下,可以調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng),維持腸道微生物和宿主免疫系統(tǒng)的良好平衡[32]。單層上皮細(xì)胞通過稱為緊密連接的細(xì)胞間連接復(fù)合體相互粘連,緊密連接結(jié)構(gòu)由封閉蛋白(occludin)、水閘蛋白(claudin)、間隙連接蛋白(junctional adhesion molecule)等多種蛋白質(zhì)構(gòu)成,可選擇性地促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)、離子和水的細(xì)胞旁運(yùn)輸,但阻止微生物和微生物衍生的肽的擴(kuò)散[33]。黏膜表面與黏膜細(xì)菌(如乳桿菌和雙歧桿菌)或細(xì)菌代謝產(chǎn)物之間的相互作用通過上調(diào)緊密連接蛋白表達(dá)來促進(jìn)腸道屏障的完整性[34-35]。緊密連接蛋白還受到飲食成分的調(diào)節(jié),哺乳期犢牛補(bǔ)飼開食料會(huì)增加腸道黏膜屏障的通透性,這與緊密連接中的封閉蛋白與水閘蛋白的表達(dá)下調(diào)有關(guān)[36]。當(dāng)緊密連接破裂時(shí),這會(huì)使上皮細(xì)胞發(fā)生滲漏,腸道細(xì)菌及其產(chǎn)物可能會(huì)逃離腸道,發(fā)生炎癥反應(yīng)并導(dǎo)致組織損傷,與之相關(guān)的炎癥綜合征稱為“腸道滲漏”。

多種特殊免疫細(xì)胞群,如巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、先天淋巴細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg),可與腸道上皮細(xì)胞或腸道微生物區(qū)系雙向通訊[37]。如樹突狀細(xì)胞可以打開腸道上皮之間的緊密連接,直接進(jìn)入腸腔,吞噬沙門菌和大腸桿菌[38]。上皮細(xì)胞對(duì)微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)生反應(yīng),如短鏈脂肪酸(丁酸)和許多正常的共生微生物成分(脆弱類桿菌莢膜多糖),它們可以通過促進(jìn)杯狀細(xì)胞產(chǎn)生黏液和增加上皮細(xì)胞分泌抗菌肽來影響?zhàn)ひ浩琳蟍39-40]。這些代謝產(chǎn)物和共生微生物成分刺激上皮細(xì)胞產(chǎn)生轉(zhuǎn)化因子β(TGF-β),這對(duì)產(chǎn)生抗炎細(xì)胞因子IL-10的Treg的發(fā)育是必不可少的。這些微生物代謝產(chǎn)物還直接刺激自然殺傷樣細(xì)胞3型先天淋巴細(xì)胞產(chǎn)生IL-22,從而誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生更多防御素[41]。對(duì)反芻動(dòng)物進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn),G蛋白偶聯(lián)受體41(Gpr41)作為短鏈脂肪酸(SCFAs)的受體在反芻動(dòng)物的日糧和免疫反應(yīng)之間提供了潛在的分子聯(lián)系,SCFAs增強(qiáng)了Gpr41介導(dǎo)的多形核白細(xì)胞募集和上皮屏障功能相關(guān)的基因的表達(dá),從而介導(dǎo)了瘤胃上皮細(xì)胞的保護(hù)性免疫[42]。丁酸還可以調(diào)節(jié)小腸上皮細(xì)胞的的生長和分化,是誘導(dǎo)血乳屏障緊密連接蛋白表達(dá)的重要營養(yǎng)物質(zhì)[43]。此外,上皮細(xì)胞和抗原遞呈細(xì)胞(APCs)也表達(dá)各種模式識(shí)別受體(PRRs)識(shí)別抗原,Toll樣受體(TLRs)是PRRs家族重要的一員,能夠識(shí)別存在于微生物中的病原體相關(guān)分子模式(PAMPs),并觸發(fā)促炎或抗炎途徑[44]。哺乳期犢牛飼喂開食料會(huì)增加TLR2和TLR6的表達(dá),這表明日糧能夠改變小牛腸道的通透性,微生物及其代謝產(chǎn)物與黏膜屏障接觸,導(dǎo)致PRRs表達(dá)增強(qiáng)[45]。還發(fā)現(xiàn)除了TLR1和TLR3外,新生牛犢TLRs表達(dá)水平高于日齡較大的奶牛,同時(shí)兩組間TLR10都在回腸區(qū)域高表達(dá)[46]。無菌動(dòng)物的結(jié)腸中TLRs的表達(dá)低于常規(guī)飼養(yǎng)的動(dòng)物,表明微生物與TLRs之間的相互作用在維持腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)和天然免疫反應(yīng)方面發(fā)揮了一定作用[47]。與先天免疫細(xì)胞不同,先天免疫細(xì)胞是促炎細(xì)胞,也是第一反應(yīng)細(xì)胞,上皮細(xì)胞主要是抗炎反應(yīng)。在犢牛出生的第一周內(nèi),促炎細(xì)胞因子IL-8和抗炎細(xì)胞因子IL-10在小腸中的表達(dá)上調(diào)[48]。乳桿菌和雙歧桿菌定植在新生兒腸道中可以刺激未成熟的樹突狀細(xì)胞分泌IL-10,可以減輕對(duì)共生細(xì)菌的促炎反應(yīng)[49]。在出生頭幾周的奶牛中,雙歧桿菌是小牛腸道的優(yōu)勢菌種,這可能表明乳桿菌和雙歧桿菌在小牛腸道的定植促進(jìn)了免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié),避免炎癥反應(yīng)加劇[50]。

固有層(LP)位于腸上皮細(xì)胞的下層,由B細(xì)胞和T細(xì)胞組成。黏液屏障與免疫屏障緊密互作,阻止主要的抗炎反應(yīng)。微生物及其代謝產(chǎn)物通過刺激B細(xì)胞產(chǎn)生SIgA影響LP的免疫反應(yīng),同時(shí)維持產(chǎn)生Treg的抗炎環(huán)境,增加Treg數(shù)量(Treg是維持機(jī)體抗炎和免疫調(diào)節(jié)的重要因素)[39]。T細(xì)胞對(duì)腸道管腔發(fā)出的信號(hào)迅速作出反應(yīng),并啟動(dòng)抗炎反應(yīng)。類桿菌屬可以刺激調(diào)節(jié)性T細(xì)胞,促進(jìn)上皮修復(fù),增強(qiáng)對(duì)微生物的耐受性,并開始抑制對(duì)自身和細(xì)菌抗原的免疫反應(yīng)。腸道微生物群促進(jìn)初始CD8+T細(xì)胞向CD4+T細(xì)胞分化,刺激CD4+T細(xì)胞分泌IL-17和IL-22,參與調(diào)節(jié)腸道炎癥。

3 胃腸道菌群免疫互作失調(diào)介導(dǎo)奶牛疾病發(fā)生

菌群失調(diào)不僅僅是微生物群的喪失,它還會(huì)削弱黏膜屏障。機(jī)體中SIgA和AMPs的數(shù)量下降,使黏液層變薄,病原體與黏膜相互作用易導(dǎo)致疾病發(fā)生。同時(shí)幫助刺激黏膜產(chǎn)生抗炎作用的共生菌群不再可用,緊密連接變?nèi)?腸漏發(fā)生,并發(fā)生促炎反應(yīng),進(jìn)一步削弱腸道上皮,奶牛生產(chǎn)性疾病發(fā)病率升高[51]。胃腸道微生物區(qū)系的失調(diào)在宿主的代謝和免疫能力中起著重要作用[52]。了解胃腸微生物群的動(dòng)態(tài)平衡在健康和疾病中的潛在作用,對(duì)于確定奶牛生產(chǎn)性疾病的生物標(biāo)記物和探索新的治療方法非常重要。

3.1 瘤胃酸中毒

發(fā)生在反芻動(dòng)物身上的大多數(shù)消化系統(tǒng)疾病,如急性和亞急性瘤胃酸中毒(SARA),與瘤胃微生物的組成和功能紊亂有關(guān)[53]。瘤胃微生物對(duì)奶牛攝入的碳水化合物進(jìn)行發(fā)酵,產(chǎn)生乳酸和大量揮發(fā)性脂肪酸(VFA)。VFA主要包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和異戊酸等,是淀粉等碳水化合物在瘤胃內(nèi)發(fā)酵的終產(chǎn)物,也是反芻動(dòng)物維持正常生命活動(dòng)及生產(chǎn)所需的主要能量來源[54]。健康奶牛體內(nèi)VFA部分被瘤胃壁吸收,部分被分泌的唾液中和,使瘤胃pH保持在一定范圍內(nèi)。而當(dāng)奶牛攝入過量碳水化合物豐富的飼料時(shí),VFA積聚繼而導(dǎo)致瘤胃pH長時(shí)間間歇性下降,誘發(fā)奶牛SARA。瘤胃微生物群的改變可能在瘤胃酸中毒中發(fā)揮作用。在高谷物飼料飼養(yǎng)的奶牛中發(fā)現(xiàn),瘤胃纖維分解細(xì)菌的數(shù)量減少,產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌和溶纖維丁酸弧菌的比例下降,變形桿菌、牛鏈球菌、瘤胃單胞菌和普雷沃菌的比例增加,其中鏈球菌和乳桿菌的生長比其他細(xì)菌的生長速度更快[55]。在SARA中發(fā)現(xiàn)的最常見的細(xì)菌分類群是乳桿菌、鏈球菌、琥珀酸桿菌和梭狀芽胞桿菌[56]。瘤胃中革蘭陽性產(chǎn)乳酸菌,如鏈球菌與乳桿菌大量增殖,可能導(dǎo)致乳酸積聚,pH降低,誘發(fā)SARA。還有研究發(fā)現(xiàn),pH的急劇下降造成胃腸道黏膜上皮受損(潰瘍和黏膜炎癥),同時(shí)伴有大量革蘭陰性菌死亡,向瘤胃中釋放過量的脂多糖(LPS)[57]。LPS是革蘭陰性菌細(xì)胞壁的主要成分之一,也是一種非常重要的致炎因子。由于瘤胃內(nèi)生存著大量的革蘭陰性菌,細(xì)菌的死亡或者過度生長都會(huì)釋放LPS,因此瘤胃被認(rèn)為是LPS的主要儲(chǔ)存場所[58]。過多的LPS將會(huì)破壞胃腸屏障,進(jìn)入血液循環(huán),引發(fā)肝功能障礙和其他器官(如肺部、子宮、乳腺等)相關(guān)疾病,也可能導(dǎo)致死亡[59-60]。

3.2 酮病

奶牛酮病與瘤胃菌群組成及瘤胃發(fā)酵所產(chǎn)生的不同VFA含量及比例密切相關(guān)。牛奶中β-羥基丁酸和丙酮濃度,可能是篩選對(duì)酮病易感性較低的奶牛的有用指標(biāo),普雷沃菌科和瘤胃球菌科細(xì)菌數(shù)量與酮病發(fā)生呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性,唯一呈現(xiàn)正相關(guān)性的微生物是古生菌中的甲烷短桿菌屬[52]。另有研究發(fā)現(xiàn),圍產(chǎn)期奶牛和酮病奶牛組的乳酸濃度高于對(duì)照組,而VFA濃度低于對(duì)照組[61]。在反芻動(dòng)物中,大約90%的葡萄糖是由糖異生作用提供的,其中50%～60%來自丙酸[62]。丙酸是糖異生最重要的底物,主要是被轉(zhuǎn)移到肝通過糖異生作用生成葡萄糖,通過這種方式,動(dòng)物很快就能獲得血糖。在奶牛體內(nèi),70%以上的乳酸是由埃氏巨球型菌通過丙烯酸酯途徑發(fā)酵的,丙酸是最終產(chǎn)物。反芻獸月形單胞菌利用琥珀酸-丙酸途徑將乳酸轉(zhuǎn)化為丙酸。擬桿菌門主要通過琥珀酸途徑或丙烯酸酯途徑產(chǎn)生丙酸。另外,瘤胃球菌也可以通過丙二醇途徑產(chǎn)生丙酸[63]。然而隨著產(chǎn)后產(chǎn)乳酸菌數(shù)量增加,但丙酸生成菌,包括反芻獸月形單胞菌和埃氏巨球型菌的數(shù)量顯著減少,瘤胃中生成的過量乳酸不能及時(shí)分解,導(dǎo)致生糖先質(zhì)及能量供應(yīng)不足,造成酮病發(fā)病率升高。研究指出圍產(chǎn)期和酮病奶牛的血糖濃度低于非圍產(chǎn)期奶牛,這是能量負(fù)平衡的一個(gè)重要指標(biāo)[61]。低血糖的主要原因可能與瘤胃中埃氏巨球型菌和反芻獸月形單胞菌的不足有關(guān),導(dǎo)致丙酸的生成減少,這可能促進(jìn)能量負(fù)平衡或酮病的發(fā)展。同時(shí)也有研究發(fā)現(xiàn),酮病奶牛體內(nèi)的反芻獸月形單胞菌和埃氏巨球型菌低于健康組奶牛[61]。因此,作者推測,可以通過調(diào)節(jié)微生物發(fā)酵,特別是增加瘤胃中埃氏巨球型菌和反芻月單胞菌的數(shù)量來減輕或避免能量負(fù)平衡和酮病的發(fā)生。

3.3 乳房炎

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。因乳房炎造成的牛奶產(chǎn)量及乳品質(zhì)下降、奶牛繁殖力減退、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。胃腸道微生物區(qū)系和宿主免疫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡的任何破壞被稱為“胃腸道生物失調(diào)”,這與動(dòng)物的乳房炎密切相關(guān)[64-65]。

奶牛瘤胃菌群紊亂釋放的脂多糖(LPS)可能與乳房炎的發(fā)生有關(guān)。高精料誘導(dǎo)的奶牛瘤胃菌群紊亂會(huì)促使條件致病菌過度生長和繁殖,破壞瘤胃、腸道和血乳屏障的保護(hù)性。瘤胃內(nèi)的病原體和有毒代謝物L(fēng)PS,穿過破損的腸道上皮屏障侵入血液循環(huán),進(jìn)入乳腺,開始定植,導(dǎo)致乳房生態(tài)失調(diào)和組織損傷,并破壞免疫反應(yīng),最終導(dǎo)致乳腺炎[66-67]。有研究指出乳房炎奶牛乳靜脈和乳動(dòng)脈血液中LPS含量顯著升高[68]。目前有研究證明,腸道相關(guān)的淋巴組織中的單核吞噬細(xì)胞(具有向樹突狀細(xì)胞分化的能力)可以捕獲腸道菌群,通過內(nèi)源性細(xì)胞途徑(腸-乳途徑)將微生物成分運(yùn)到乳腺[55,69]。在通過對(duì)奶牛飼喂高精料誘導(dǎo)的SARA這一典型的奶牛瘤胃菌群紊亂動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn),寡養(yǎng)單胞菌在SARA奶牛瘤胃液、乳汁和糞便中富集,然后通過給小鼠灌服麥芽寡養(yǎng)單胞菌(寡養(yǎng)單胞菌中唯一的菌種),發(fā)現(xiàn)小鼠乳腺組織出現(xiàn)病理性損傷[70]。表明奶牛SARA導(dǎo)致瘤胃內(nèi)寡養(yǎng)單胞菌大量升高是其誘發(fā)乳腺炎的內(nèi)源性途徑之一。

腸道菌群對(duì)金黃色葡萄球菌性乳房炎的保護(hù)作用可能是通過調(diào)節(jié)血乳屏障的通透性來實(shí)現(xiàn)的,而這種調(diào)控作用的關(guān)鍵可能與SCFAs有關(guān)[71]。醋酸鹽、丁酸鹽和丙酸是存在于宿主腸道和牛奶中的重要短鏈脂肪酸,具有跨越細(xì)菌細(xì)胞膜擴(kuò)散的能力,并發(fā)揮積極的免疫調(diào)節(jié)和抗炎作用[72-73]。丙酸可以通過調(diào)節(jié)血液屏障來預(yù)防脂多糖誘導(dǎo)的乳房炎[74]。丁酸是誘導(dǎo)血乳屏障緊密連接蛋白表達(dá)重要的營養(yǎng)物質(zhì)[43]。SCFAs通過與Treg的G蛋白偶聯(lián)受體(GPR)結(jié)合,調(diào)節(jié)適應(yīng)性免疫系統(tǒng)中T淋巴細(xì)胞的功能[75],并促進(jìn)T淋巴細(xì)胞分化為Treg或效應(yīng)性T淋巴細(xì)胞[76]。醋酸鹽通過HDAC和mTOR調(diào)節(jié)T淋巴細(xì)胞的增殖,并上調(diào)IL-10的產(chǎn)生[76]。此外,丁酸鹽減少淋巴細(xì)胞中趨化因子受體-2(CXCR-2)的表達(dá),并調(diào)節(jié)T細(xì)胞向炎癥部位的募集[77]。短鏈脂肪酸還可以刺激B細(xì)胞的分化,促進(jìn)抗入侵病原菌的IgA 產(chǎn)生[78]。這些研究表明,SCFAs介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)在調(diào)節(jié)免疫平衡和防止組織損傷方面發(fā)揮著重要作用。一方面,短鏈脂肪酸通過支持腸上皮細(xì)胞來保護(hù)黏膜屏障的完整性;另一方面,短鏈脂肪酸通過抑制促炎細(xì)胞因子的分泌和促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子的釋放,顯著調(diào)節(jié)先天和獲得性免疫反應(yīng)。

3.4 蹄葉炎

蹄葉炎是發(fā)生在足部或者是蹄類動(dòng)物四肢的皮膚層區(qū)域的彌漫性無敗性炎癥,是引起奶牛跛行主要的疾病。奶牛蹄葉炎是由于全身性代謝損傷引起的,是一種營養(yǎng)代謝性疾病,亞急性瘤胃酸中毒是主要的致病因素[79]。在亞急性瘤胃酸中毒的情況下,全身pH降低,瘤胃菌群紊亂,導(dǎo)致脂多糖大量釋放,破壞胃腸屏障,過多的脂多糖進(jìn)入血液循環(huán),同時(shí),瘤胃內(nèi)產(chǎn)生的大量組胺會(huì)抑制上皮細(xì)胞的自我修復(fù),導(dǎo)致瘤胃壁通透性升高而造成損傷,使更多的有害物質(zhì)進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)[80]。在此過程中,血管活性物質(zhì)激活,蹄部血流增加,內(nèi)毒素和組胺釋放,造成血管收縮和舒張,導(dǎo)致蹄部血管微循環(huán)血壓升高,血管壁損傷滲出,導(dǎo)致水腫出血,形成血栓。最終,在機(jī)械性和代謝性共同作用下致使蹄葉炎的發(fā)生。

3.5 子宮內(nèi)膜炎

奶牛子宮內(nèi)膜炎是病原菌侵入子宮內(nèi)引起子宮內(nèi)膜層發(fā)生的炎癥,多發(fā)于分娩后[81]。子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的模式識(shí)別受體(PRRs)特異性識(shí)別病原菌的分子結(jié)構(gòu),體內(nèi)免疫反應(yīng)被激活,當(dāng)子宮內(nèi)免疫屏障無法完全消滅病原菌時(shí),病原菌定植于子宮腔中并大量繁殖,釋放外毒素,引起子宮內(nèi)膜的炎癥反應(yīng)。由于奶牛生殖系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu),產(chǎn)后外源性細(xì)菌感染被認(rèn)為是奶牛子宮內(nèi)膜炎的主要原因。但近些年來,菌群失調(diào)被認(rèn)為是患病奶牛的重要內(nèi)源性誘因。產(chǎn)后奶牛由于產(chǎn)犢泌乳及日糧改變帶來的生產(chǎn)應(yīng)激,造成胃腸菌群結(jié)構(gòu)失衡,引起大量的LPS釋放和黏膜屏障受損。來自消化道的LPS進(jìn)入子宮,激活TLR4信號(hào)通路,引起子宮內(nèi)膜炎[82]。同時(shí)致病菌還可通過血液從腸道遷移到子宮,引起奶牛子宮炎[70]。

3.6 炎性肝損傷

外源性和內(nèi)源性LPS均可誘導(dǎo)炎性肝損傷[83]。瘤胃菌群紊亂疾病模型(即患有SARA的奶牛)的門靜脈和肝靜脈中可以觀察到高濃度的LPS,隨后,超過肝代謝能力的過量LPS會(huì)引起肝的氧化應(yīng)激和細(xì)胞損傷,并導(dǎo)致炎癥的發(fā)生[84-85]。瘤胃酸中毒也會(huì)致使瘤胃上皮受損,導(dǎo)致壞死梭桿菌和化膿性放線菌穿透瘤胃壁,進(jìn)入門脈循環(huán),最終進(jìn)入門脈毛細(xì)血管系統(tǒng),造成肝膿腫及肝損傷[57]。

4 小結(jié)與展望

胃腸道微生物在機(jī)體健康和疾病中的作用已經(jīng)成為許多研究的焦點(diǎn)。圍產(chǎn)期對(duì)奶牛來說是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),葡萄糖供應(yīng)不足、體內(nèi)脂肪動(dòng)員可能會(huì)導(dǎo)致能量負(fù)平衡、酮病或脂肪肝等生產(chǎn)性疾病。同時(shí)為適應(yīng)奶牛大量泌乳的需要,產(chǎn)后飼喂高精料日糧也會(huì)造成瘤胃菌群紊亂,擬桿菌門比例顯著增加而厚壁菌門比例減少,乳酸生成菌(鏈球菌屬和乳桿菌屬)的過度表達(dá)和丙酸生成菌(埃氏巨球型菌和反芻獸月形單胞菌)的不足,都會(huì)造成機(jī)體內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸與葡萄糖濃度降低,而乳酸濃度升高。微生物區(qū)系和胃腸道上皮表面之間的緊密互作對(duì)黏膜免疫系統(tǒng)構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。圍產(chǎn)期奶牛體內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸與葡萄糖濃度的不足,削弱了黏膜屏障的完整性,刺激機(jī)體炎癥反應(yīng)的發(fā)生。乳酸的積聚又引起瘤胃內(nèi)pH下降,損傷胃腸道上皮屏障,同時(shí)又造成革蘭陰性菌死亡,釋放大量脂多糖。病原體及有害細(xì)菌產(chǎn)物(脂多糖),穿過受損的黏膜屏障,通過血液循環(huán)途徑定植在乳腺、肝、肺等器官,造成全身性的炎癥反應(yīng),造成圍產(chǎn)期奶牛生產(chǎn)性疾病高發(fā)。

胃腸道菌群與黏膜免疫的互作在維持奶牛健康中發(fā)揮著重要作用。目前關(guān)于奶牛方面的相關(guān)文章還比較少,未來的研究需要進(jìn)一步明確圍產(chǎn)期奶牛菌群變化特征及其與黏膜免疫的互作機(jī)制,探究通過添加益生菌或其他營養(yǎng)調(diào)控的方式來改善奶牛瘤胃及腸道內(nèi)環(huán)境是否有助于維持奶牛機(jī)體健康水平。