N-乙酰半胱氨酸在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

朱 瑞，李登來，張寶媛，尚國俊，王浩彤，劉思影，吳莉芳，秦貴信

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118；2.動物生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量安全教育部重點實驗室，吉林省動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)重點實驗室，吉林 長春 130118)

N-乙酰半胱氨酸(NAC)是一種硫醇、黏液分解劑，同時也是L-半胱氨酸和還原型谷胱甘肽(GSH)的乙酰化前體，乙?；蛊涓妆晃眨寡趸愿€(wěn)定(Hou 等，2015)。NAC 廣泛存在蔥屬植物中，其中洋蔥中NAC 含量可達(dá)45 毫克/千克(林芷昕等，2022)。NAC含有巰基，能與活性氧(ROS)如過氧化氫和羥基自由基相互作用，被認(rèn)為是有效的自由基清除劑，因此NAC在保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激中起著重要作用(侯永清等，2014)。此外，NAC可以轉(zhuǎn)化為半胱氨酸、還原型谷胱甘肽、?；撬岬壬锘钚晕镔|(zhì)。本文綜述NAC的生理功能及在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用，以期為NAC作為水產(chǎn)新型飼料添加劑提供理論參考。

一、分子結(jié)構(gòu)、理化特性

NAC 為硫醇類化合物，分子式為C5H9NO3S，化學(xué)結(jié)構(gòu)包括巰基(-SH)、羧基(-COOH)以及與氨基(-NH2)連接的乙?；?-COCH3)。

二、NAC對水產(chǎn)動物的影響及其作用機(jī)制

1.改善水產(chǎn)動物生長性能

生長性能直觀反映動物的生長發(fā)育狀態(tài)。研究表明，飼料中添加2 克/千克的NAC 顯著改善了尼羅羅非魚的增重率和特定生長率(Xie 等，2016)，同樣添加投喂2 克/千克的NAC 顯著增加了草魚的生長性能(Xie等，2017)。在中華絨螯蟹的研究中，NAC 可有效緩解T-2 毒素(Wang 等，2021)、大豆球蛋白(韓鳳祿，2020)或β-伴大豆球蛋白(Han 等，2020)導(dǎo)致的生長抑制情況。NAC 具有促進(jìn)氨基酸吸收與轉(zhuǎn)運、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、提高免疫功能、增強(qiáng)抗氧化能力、改善腸道健康等功能(Hou 等，2015；林芷昕等，2022；侯永清等，2014)，這可能在一定程度上改善了水產(chǎn)動物生長性能。

2.改善水產(chǎn)動物腸黏膜發(fā)育和屏障功能

動物腸黏膜形態(tài)結(jié)構(gòu)完整是保證腸道正常生理功能的基礎(chǔ)，絨毛高度、絨毛寬度以及絨毛表面積常用于判斷動物腸道功能和健康狀況(Hou等，2010；2012)。研究表明，飼料中含70 克/千克的β-伴大豆球蛋白導(dǎo)致中華絨螯蟹圍食膜與黏膜皺襞分離以及腸上皮細(xì)胞損傷，而0.5～1克/千克的NAC 可消除此負(fù)面影響(Han 等，2020)。此外，飼料中添加0.5 克/千克的NAC 可減輕乙酸引起的仔豬潰瘍性黏膜損傷，增加杯狀細(xì)胞數(shù)量和密度，減少上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞的數(shù)量和密度(Wang等，2013)。NAC 能促進(jìn)腸黏膜發(fā)育，緩解應(yīng)激狀態(tài)下動物腸絨毛萎縮和隱窩增深，保護(hù)腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)的完整性。NAC對維持腸黏膜屏障完整性也具有重要作用(Hou等，2015；侯永清等，2014)。腸黏膜上皮細(xì)胞是機(jī)體重要的防御屏障，能夠降低腸腔內(nèi)病原體入侵機(jī)體的可能(L?KKA 等，2016)。二胺氧化酶(DAO)是一種存在于腸上皮細(xì)胞中的酶，同時也是一種具有高度活力的細(xì)胞內(nèi)酶，當(dāng)腸黏膜受損時，DAO被釋放至循環(huán)系統(tǒng)中，導(dǎo)致血液中DAO 活性升高、腸黏膜DAO 活性降低(Zhu 等，2021；黎君友等，2000)。NAC 能夠促進(jìn)水產(chǎn)動物腸道黏膜發(fā)育，降低應(yīng)激狀態(tài)下腸黏膜通透性，同時NAC可以通過調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的表達(dá)增強(qiáng)動物腸黏膜屏障功能。

3.提高水產(chǎn)動物抗氧化能力

細(xì)胞中過高ROS 蓄積會氧化脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA，引起后續(xù)細(xì)胞損傷和死亡(王靖雯等，2022)。而NAC 作為抗氧化劑，本身含有巰基，可以通過提供1 個電子與自由基結(jié)合，或通過給出1 個或2 個電子作為親核試劑來發(fā)揮直接抗氧化作用(Zafarullah等，2003；Hoey等，1986)。NAC中游離的巰基還能與重金屬離子結(jié)合形成螯合物，促進(jìn)其排出，從而降低重金屬離子的細(xì)胞毒性(Hou 等，2015；林芷昕等，2022)。Balaji 等(2013)研究發(fā)現(xiàn)，NAC能通過結(jié)構(gòu)中的巰基還原高鐵血紅蛋白，提高紅細(xì)胞的抗氧化能力。NAC還可以代謝生成半胱氨酸、GSH等發(fā)揮間接抗氧化作用(田新強(qiáng)等，2008；羅景慧等，2011)。同時，GSH可作為谷胱甘肽過氧化物酶、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶等的輔助因子或底物來增強(qiáng)機(jī)體抗氧化能力(Hou等，2015；侯永清等，2014)。Xie 等(2017)研究指出，飼料中添加0.2%的NAC 增加了草魚肝胰臟GSH水平，降低脂質(zhì)過氧化，并增強(qiáng)機(jī)體抗氧化能力。同時在含有8%大豆球蛋白的飼料中添加NAC，顯著降低了中華絨螯蟹腸道丙二醛含量，提升了過氧化氫酶活性和GSH 含量(韓鳳祿，2020)。此外，在歐洲鰻(PE?A-LLOPIS 等，2003)、羅非魚(GUTIéRREZ-PRAENA 等，2012)和 虹 鱒(Alak 等，2019)的研究中也揭示了NAC 能改善水生動物機(jī)體抗氧化狀態(tài)。因此，NAC具有良好的抗氧化特性。

4.提高水產(chǎn)動物抗炎能力

促炎細(xì)胞因子如TNF-α、IL-1β、IL-6 等是一類重要的免疫調(diào)節(jié)因子，其介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)在動物免疫調(diào)節(jié)過程中起重要作用(Zhu 等，2022)，而NAC 可通過多種信號途徑調(diào)節(jié)炎癥的發(fā)生(Hou等，2015；林芷昕等，2022)。有研究指出，NAC 能夠清除ROS、抑制IKKβ 和NF-κB 的核易位來抑制NF-κB 活化，從而抑制下游TNF-α、IL-1β、IL-6等的表達(dá)(侯永清等，2014)。NF-κB激活可以促進(jìn)TNF-α 表達(dá)，反之TNF-α 又可作為NF-κB 信號通路的激活因子加劇炎癥反應(yīng)(Zhu等，2022)。而NAC可調(diào)節(jié)TNF-α與TNF受體1、受體2 的相互作用，降低TNF-α 與其受體的結(jié)合，從而抑制NF-κB 信號通路激活(Wang 等，2018)。在羅非魚的研究中表明，飼料中添加NAC顯著下調(diào)了海豚鏈球菌攻毒后頭腎組織中IL-1b的相對表達(dá)量(Xie 等，2016)。NAC 也下調(diào)了脂多糖攻毒下中華絨螯蟹促炎細(xì)胞因子(TNF-α、EsRelish和白細(xì)胞介素2 增強(qiáng)子結(jié)合因子2)的表達(dá)(Han 等，2020)。此外，NAC可以有效緩解LPS誘導(dǎo)的腸炎和鼠膠原誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎(Wang 等，2013；KR?GER 等，1997)。孫磊等(2018)認(rèn)為NAC 可能通過抑制NFκB 下游NLRP3 的激活來減輕其介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，從而減輕LPS 誘導(dǎo)的大鼠急性肺損傷。因此，NFκB 信號通路是NAC 緩解炎癥的重要介導(dǎo)途徑。此外，NAC 還可以抑制誘導(dǎo)型一氧化氮合成酶分泌，降低一氧化氮以及IL-6 的產(chǎn)生，從而發(fā)揮抗炎作用(Li 等，2007)。同樣，在仔豬的研究中發(fā)現(xiàn)，NAC 還可以通過Toll 樣受體途徑降低腸炎發(fā)生，NAC 通過抑制LPS 刺激下腸黏膜TLR4 mRNA 表達(dá)，進(jìn)而降低血清和小腸黏膜TNF-α 濃度和腸道NFκB p65蛋白豐度(Hou等，2013)。

NAC還可以通過調(diào)控MAPK信號通路來調(diào)節(jié)炎癥的發(fā)生。MAPK 信號通路是體內(nèi)重要的介導(dǎo)炎癥因子釋放、氧化應(yīng)激和啟動凋亡的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，也是激活NF-κB 信號通路的主要上游位點(Osaki等，2013)。在大鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，氣管內(nèi)滴注PM2.5 增加了肺組織中p-ERK1/2 MAPK、p-JNK1/2 MAPK 和p-p38 MAPK 的蛋白質(zhì)表達(dá)，而經(jīng)NAC 處理后，PM2.5暴露大鼠的MAPK磷酸化蛋白表達(dá)顯著減少(Fen 等，2019)。NAC 還能通過影響大鼠p38 MAPK信號通路而拮抗順鉑的腎臟毒性作用，NAC抑制了p38 MAPK 激活，減少下游與凋亡相關(guān)的細(xì)胞因子表達(dá)水平(羅景慧等，2011)，這為臨床探索解決藥物性腎臟損害提供了理論依據(jù)。譚利平等(2010)研究發(fā)現(xiàn)NAC 可通過抑制p38 MAPK 信號通路的激活對高氧肺損傷起保護(hù)作用。此外，NAC顯著抑制了TNF-α 誘導(dǎo)的p38 MAPK 和MAPKK3/MAPKK6 激活，從而抑制下游IL-8 表達(dá)(Hou 等，2018；Rasheduzzaman等，2019)。NAC調(diào)控動物炎癥涉及多條信號途徑，但目前NAC對水產(chǎn)動物炎癥反應(yīng)的影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

5.調(diào)控水產(chǎn)動物細(xì)胞凋亡

NAC具有抗細(xì)胞凋亡作用。細(xì)胞凋亡是機(jī)體為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)而存在的細(xì)胞自主、有序的死亡方式，可以被炎性細(xì)胞因子、ROS 等啟動(Novitsky等，2008)。半胱氨酸蛋白酶在細(xì)胞凋亡過程中發(fā)揮重要作用，其調(diào)控細(xì)胞凋亡的發(fā)生與發(fā)展過程，Caspase-3、Caspase-6和Caspase-7主要參與細(xì)胞因子介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)并執(zhí)行細(xì)胞凋亡，其中Caspase-3 最為關(guān)鍵，直接決定細(xì)胞的凋亡(Joseph等，2004)。NAC抗凋亡作用可能是通過調(diào)節(jié)動物機(jī)體Caspase的表達(dá)來實現(xiàn)的。在中華絨螯蟹的研究中發(fā)現(xiàn)，NAC 下調(diào)了肝胰腺組織中Caspase-3、Caspase-8 和p53 基因的表達(dá)，以及Bax/Bcl2 的比值(Wang 等，2021)，從而緩解T2 毒素誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。在陸生動物中，NAC可以緩解慢性肝病導(dǎo)致的小鼠骨骼肌細(xì)胞凋亡，具體表現(xiàn)為降低ROS、Caspase-3 和Caspase-9 含量(Abrigo 等，2020)。同樣，在輻射條件下，NAC 可通過抑制Caspase-3 表達(dá)來避免大鼠海馬細(xì)胞的凋亡(Li等，2015)。此外，NAC 能通過影響MAPK 信號通路抑制小鼠肝缺血再灌注損傷誘導(dǎo)的自噬和細(xì)胞凋亡，其機(jī)制可能涉及通過清除ROS 和抑制MAPK 信號通路，間接增加Bcl2 水平以拮抗半胱氨酸蛋白酶(Wang等，2014)。綜上，NAC可以抑制應(yīng)激狀態(tài)下Caspase-3的表達(dá)，緩解細(xì)胞凋亡，從而減輕水產(chǎn)動物機(jī)體損傷。

6.抗菌能力

在尼羅羅非魚的研究中表明，飼料中補(bǔ)充NAC投喂后顯著提高了海豚鏈球菌攻毒下尼羅羅非魚的抗氧化能力、免疫功能和存活率，這表明NAC 能有效提高動物機(jī)體的抗菌能力(Xie 等，2016)。在小鼠的研究中表明，相較于對照組，NAC 組腸道乳酸桿菌、雙歧桿菌和腸球菌豐度增加，而大腸桿菌豐度降低，表明NAC能改變小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)(包健等，2014)。NAC可通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞代謝來發(fā)揮抗菌作用(Yi 等，2017)。在體外試驗中證實，12.5 毫克/毫升的NAC能夠顯著抑制痤瘡丙酸桿菌和表皮葡萄球菌的生物膜發(fā)育(Eroshenko 等，2017)；并且NAC 可通過降解生物膜的胞外多糖基質(zhì)從而提高環(huán)丙沙星滅殺大腸桿菌的效果(El-Feky等，2009)。以上研究表明，NAC能夠通過影響細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)來發(fā)揮抑菌作用，這可能歸功于NAC與鈣、鎂的螯合或與細(xì)菌生物膜中關(guān)鍵成分的相互作用(Zhao 等，2010)。此外，NAC 作為一種弱有機(jī)酸，可以引起動物腸道環(huán)境pH 變化，有研究指出NAC 誘導(dǎo)的pH變化是其抗細(xì)菌生物膜活性的重要途徑(Chang等，2013)。NAC 的抗菌作用并不依賴單一的途徑，可能是改變環(huán)境pH、抑制細(xì)菌生物膜發(fā)育、調(diào)控細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞代謝等功能的協(xié)同作用。

7.調(diào)控生殖功能

NAC具有調(diào)控生殖的作用。在水生動物中，慢性鎘暴露導(dǎo)致河南華溪蟹(Sinopotamon henanense)卵巢氧化應(yīng)激和組織損傷，而NAC的補(bǔ)充改善了這些不利影響，證實NAC對鎘誘導(dǎo)的生殖毒性具有緩解作用(陳紅苗等，2017)。

三、小結(jié)與展望

N-乙酰半胱氨酸具有改善動物生長性能和腸黏膜發(fā)育、提高抗炎和抗氧化能力、調(diào)控細(xì)胞凋亡和生殖以及抗菌等功能，在養(yǎng)殖生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。NAC的生理功能也符合水產(chǎn)新型綠色添加劑的開發(fā)要求。由于養(yǎng)殖環(huán)境存在差異，陸生動物中的灌服和注射等手段并不適用于水生動物；消化生理結(jié)構(gòu)差異也導(dǎo)致水生動物對NAC的生理響應(yīng)與陸生動物可能存在差異。此外，水生動物物種特異性，發(fā)育階段、養(yǎng)殖環(huán)境和飼料配方組成差異等因素導(dǎo)致機(jī)體對NAC 需求量不一致，有待進(jìn)一步研究。NAC在水產(chǎn)動物中的應(yīng)用研究處于起步階段，研究證實NAC能夠改善水產(chǎn)動物生長和健康。在飼料中添加投喂是NAC在水產(chǎn)動物生產(chǎn)中應(yīng)用的發(fā)展趨勢，需要進(jìn)一步研究NAC的作用機(jī)制和適宜添加劑量，為開發(fā)新型綠色飼料添加劑提供參考。