瘤胃异常代谢产物脂多糖对奶牛血浆中代谢产物和激素的影响及其机制

章 森 董国忠 周 俊

(西南大学动物科技学院，重庆市牧草与草食家畜重点实验室，重庆 400716)

随着奶牛业的发展，为了提高奶牛产奶量，往往在奶牛饲粮中使用大量精饲料，但当奶牛采食大量精饲料时，瘤胃代谢会发生变化，pH下降，瘤胃微生物区系发生变化［1］。尤其是当瘤胃液pH下降到一定水平时，奶牛会发生瘤胃酸中毒。瘤胃酸中毒是指反刍动物采食大量易发酵碳水化合物的饲料后，瘤胃有机酸产生过多而引起瘤胃微生物类型失衡和功能紊乱的一种营养代谢病［2］。根据临床表现，瘤胃酸中毒分为急性瘤胃酸中毒(acute rumen acidosis，ARA)和亚急性瘤胃酸中毒(subacute rumen acidosis，SARA)。ARA 发生时，瘤胃液pH通常小于5.0，而SARA发生时，瘤胃液pH大约在5.0～5.6［3］。在实际生产中 SARA更为常见。在欧美商业化的奶牛场中，泌乳早期和中期SARA发病率大于20%［4］。在澳大利亚和爱尔兰，即使是在以黑麦草为主的草地上放牧，奶牛中的SARA发病率也能达到10% ～15%［5－6］。我国由于牧草资源较为缺乏，SARA更为普遍。

在奶牛发生SARA时，瘤胃会产生许多异常代谢产物，如细菌内毒素脂多糖(LPS)、组胺、酪胺、色胺等［7－9］。其中，瘤胃中产生的 LPS可转运至血液中。因此，SARA可使外周血液中的LPS含量显著升高［10－11］。血液中的 LPS可引起一系列的免疫反应和代谢变化。本文着重阐述瘤胃异常代谢产物LPS对奶牛血浆代谢产物和激素水平的影响，并就其机制进行探讨。

1 LPS对奶牛血浆代谢产物的影响

1.1 LPS对能量代谢产物的影响

内毒素引起免疫反应的同时，也影响机体的能量代谢，血浆中的有关代谢产物会发生变化。Waldron等［12］对泌乳期奶牛静脉注射大肠杆菌内毒素后，发现血液葡萄糖和非酯化脂肪酸含量上升。Khafipour等［11］报道，谷物饲料诱发奶牛发生SARA时，细菌内毒素LPS进入血液的量增加，血浆葡萄糖水平显著升高(图1)。血浆中葡萄糖和非酯化脂肪酸与奶牛能量代谢密切相关，它们随着奶牛饲粮精饲料比例增加而升高的原因是饲粮中能量水平过高或内毒素引起的免疫反应对能量的需要增加所致［14］。奶牛在发生免疫反应并产生免疫因子时需要大量的能量［11］，但是发生SARA的奶牛消化机能紊乱，因此，为保证机体泌乳和免疫过程对能量的需求，必须动员机体储备的脂肪和糖元，大量体脂肪被分解为非酯化脂肪酸，然后进入肝脏分解为二氧化碳和水，同时为机体提供大量的能量，但是脂类代谢过快，奶牛可能会患上脂肪肝［14］。尽管LPS对血浆葡萄糖和非酯化脂肪酸影响的具体机制有待于进一步研究，但是Zebeli等［13］的研究表明，血浆葡萄糖和非酯化脂肪酸含量增高与瘤胃内毒素含量升高有很强的相关性。血浆葡萄糖和非酯化脂肪酸的含量升高可能会影响奶牛的采食量。在奶牛发生SARA时，采食量显著下降，并发生不规则起伏变化［15］。Krajcarski－Hunt等［16］指出，患 SARA 的奶牛对全混合日粮(TMR)的采食量比健康奶牛低25%。Ametaji等［14］给高产奶牛饲喂4种不同大麦含量(0、15%、30%、45%)的 TMR 时，TMR 采食量是一直下降的，但是奶牛的干物质采食量(DMI)分别为 13.3、15.3、14.7、16.0 kg/d，呈现曲线变化。由此可见，0和15%的大麦含量对DMI影响不显著，30%时则开始下降，45%时有所上升，此时DMI上升的原因可能是由于含45%大麦的饲粮含有更多的干物质。Khafipour等［11］用小麦 －大麦精饲料取代TMR中21%的干物质时，发现DMI下降15%。

SARA饲粮:用小麦+大麦(50∶50)颗粒料取代精粗比为50∶50的对照饲粮干物质的21%。SARA diet:replacing 21%of the dry matter of the control diet(the forage to concentrate ratio=50∶50)with wheat+barley(50∶50)pellet.图1 奶牛采食对照饲粮和亚急性酸中毒饲粮的血液葡萄糖浓度Fig.1 Blood glucose concentrations in dairy cows fed a control diet and a SARA diet［11］

采食量的下降会加剧奶牛发生以能量负平衡为特征的消瘦病，但是内毒素引起的慢性炎症是SARA奶牛体重下降的一个根本原因。炎症发生时，机体产生的炎性因子［如组胺、花生四烯酸代谢产物、肿瘤坏死因子α(TNF－α)等］抑制体内营养物质的消化代谢，降低DMI，从而抑制动物生长［4］。因此，随着奶牛饲粮中精饲料比例增加而诱发SARA以及血浆LPS升高的同时，奶牛会发生能量负平衡［17］。这种负平衡会导致脂肪肝的发生，特别是泌乳阶段的奶牛，会分解大量体脂肪以合成乳脂肪，血液中大量非酯化脂肪酸进入肝脏用于氧化供能以及合成三酰甘油，大量三酰甘油积累到肝脏，超过肝脏转运的速度导致了脂肪肝的发生［17］。另有研究表明，内毒素可以活化肝脏的巨噬细胞，使其产生 TNF－α、白细胞介素(IL)－1、IL－6 等细胞因子［18］，这些因子可刺激肝脏细胞产生血清淀粉样蛋白A(SAA)、结合珠蛋白(HP)、LPS结合蛋白(LPB)、C－反应蛋白(CRP)等急性期蛋白［11］。其中，血清SAA可以和LPS以及脂蛋白(大多数高密度脂蛋白)形成复合物，阻碍脂肪的转运，从另一个方面导致脂肪肝的发生［17］。

1.2 LPS对血浆游离氨基酸的影响

随着奶牛饲粮中精饲料比例增加，奶牛发生SARA，血浆LPS升高，血浆游离氨基酸的含量也发生变化。在人工注射LPS引起免疫反应时，牛血浆中的蛋氨酸(Met)、赖氨酸(Lys)、亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、苯丙氨酸(Phe)、色氨酸(Trp)、甘氨酸(Gly)、丝氨酸(Ser)、天冬氨酰(Asn)、谷氨酸(Glu)、苏氨酸(Thr)、缬氨酸(Val)和鸟氨酸(Orn)的含量下降，而组氨酸(His)、胱氨酸(Cys)、谷氨酰胺(Gln)和天冬氨酸(Asp)的含量基本不受影响［19－20］。当动物发生免疫应激时，血浆氨基酸优先用于合成急性期蛋白而不是体组织蛋白，前者含有较多的 Phe、Trp、Lys、Cys和Ser［21］，而支链氨基酸(Leu、Val和 Ile)与抗体的生成和能量的产生有关［22］，因此，这可能是血浆中这几种氨基酸含量下降的原因。Li等［23］也指出，炎症反应动物的血浆中的游离氨基酸将用于合成急性期蛋白、抗体、葡萄糖前体、激素和酶，他们还发现较多的Met转变为Cys和S－腺苷甲硫胺酸。而且有研究表明，自由基清除剂和谷胱甘肽的合成需要Cys［24］，许多免疫反应中的细胞因子需要S－腺苷甲硫胺酸来激活［25］，所以，这些因素导致了Met在免疫反应时含量下降。另外，血浆Orn的含量和血浆Arg的水平有着高度正相关的关系［26］，Arg可以被巨噬细胞和单核细胞作为谷胱甘肽合成的底物［27－28］，因此这可能是 Orn含量下降的原因。Thr的下降是因为其是合成免疫球蛋白［免疫球蛋白G(IgG)、免疫球蛋白A(IgA)和免疫球蛋白M(IgM)］的重要组成成分［29］。当机体发生免疫反应时，能量摄入减少，机体会分解自身组织用于免疫反应，在这个过程中，Gln是第一限制性氨基酸［30］，所以这可能是Gln含量下降的原因。总之，血浆氨基酸的变化可能是由LPS引起免疫反应时产生的一种现象。但是，目前对于奶牛发生SARA时，LPS对血浆氨基酸含量影响的报道较少，对于氨基酸变化规律和机制有待进行深入研究。

1.3 LPS对其他代谢产物的影响

LPS对血浆其他代谢产物如乳酸、β－羟丁酸、胆固醇和矿物质(钙、无机磷、铁、镁、锌、铜)的含量也有影响。Nagaraja等［31］报道，饲喂高精饲料饲粮后，奶牛血浆D型乳酸盐含量伴随瘤胃液LPS含量升高而升高。在奶牛发生SARA时，乳酸大量进入血液，干扰机体代谢，造成局部缺血，与LPS一起使反刍动物SARA进一步加剧［32－33］，并且易使奶牛患上肢蹄病(如蹄叶炎)。另有研究指出，增加奶牛饲粮中精饲料比例时，血浆中乳酸盐含量升高，而β－羟丁酸、胆固醇含量下降［14］。可能是由于血浆LPS诱导产生的急性期蛋白以及血浆乳酸、氨基酸等物质的综合影响而导致胆固醇含量降低［14］。但是，Zebeli等［13］的最近研究结果表明，奶牛发生SARA时，瘤胃液LPS大量进入血液，引起炎症反应并活化免疫系统，进而刺激胆固醇衍生为胆酸盐，随胆汁排入消化道，中和胃肠道中过多的LPS，最终导致血浆胆固醇含量的降低。因此，在SARA情况下的各类炎症(如乳房炎、败血症、子宫炎等)中，胆固醇含量的变化规律可能遵循上述研究结果，但是非SARA情况下的炎症反应中胆固醇含量变化规律有待于进一步研究。对于β－羟丁酸含量下降可能有2个方面的原因:一是由于外周血液高水平的葡萄糖和胰岛素影响肝细胞，使非酯化脂肪酸经生酮作用产生的β－羟丁酸的量减少;二是随着精饲料含量升高，瘤胃产生丁酸的量减少，而丁酸也是β－羟丁酸的前体，所以 β－羟丁酸的量随之减少［14］。Waldron等［12］对奶牛注射外源LPS同样引起血液β－羟丁酸的含量下降，并指出这是由于免疫反应而引起肝脏生酮作用下降。因此，在发生SARA情况下的脂肪肝、肝脓肿等继发症中，由于LPS对肝脏的影响，肝功能受到损伤，血浆β－羟丁酸量有所下降。总之，尽管这些代谢产物变化的具体机制有待于进一步研究，但是Zebeli等［13］的最新研究结果表明，随着饲粮精饲料比例的增加，血浆β－羟基丁酸、胆固醇含量下降与瘤胃中内毒素升高有着高度相关性，而血浆中的93%乳酸是伴随着瘤胃中内毒素增加而增加的。

在矿物质元素方面，Waldron等［34］对泌乳期的奶牛静脉注射大肠杆菌内毒素后，发现血浆钙、磷含量下降，而镁的含量不变。这种低血钙、低血磷状态易使奶牛患上产乳热和蹄叶炎。Zebeli等［35］分别用含大麦0、15%、30%和45%的饲粮饲喂奶牛时，血浆中钙、铁和锌的含量呈二次曲线变化。采食大麦含量为15%的饲粮的奶牛，其血浆中钙、铁和锌的含量最高;采食大麦含量为45%的饲粮的奶牛，其血浆中钙、铁和锌的含量降至最低，而此时的内毒素含量最高，这说明细菌内毒素可影响钙、铁、锌的代谢。Wenz等［36］报道，泌乳期奶牛血浆钙含量受到乳房炎的影响，这间接说明内毒素对血钙有着重要的影响。事实上血钙的作用是稳定急性期蛋白的结构，尤其是稳定SAA的结构，并促进SAA聚集在组织器官上，然后进一步加强机体的中合作用，最终消除血浆过量的内毒素［35－38］。而铁的减少一方面与 CRP的增加密切相关，另一方面与铁调素(hepcidin)的增加有关，铁调素也是一种急性期蛋白，它通过专门的位点与铁元素结合，进而发挥免疫作用［37］。另外，在LPS诱导的急性期反应中，铜和锌的相互作用共同维持急性期蛋白的二级和三级结构的稳定性［38］，这可能是锌含量下降的一个原因，而另一个原因是由于促炎因子IL－6释放金属硫蛋白，结合血浆的锌元素，使其浓度下降［39］。但是，在Zebeli等［35］的研究中，血浆中铜含量却不受饲粮精饲料比例的影响。总之，在奶牛发生SARA时，内毒素影响矿物质元素代谢的机制需要进一步研究。对于奶牛在SARA发生时的血浆锰、碘、硒等矿物质元素含量的变化鲜见报道，有待于进一步研究。

2 LPS对奶牛血浆激素水平的影响及其机制

2.1 LPS对奶牛血浆激素水平的影响

当奶牛发生SARA时，血浆高浓度LPS对血浆各种激素水平也有一定的影响(表1)。Waldron等［12］向奶牛血液注入 LPS后，血浆生长激素(GH)、瘦素和胰岛样生长因子1(IGF－1)基本不受影响，而胰岛素和胰高血糖素含量升高并且二者的比值降低，他们认为这是因为免疫反应影响了能量代谢相关激素的变化。Waggoner等19用内毒素诱导肉牛发生一系列临床和代谢变化后，发现血浆催乳素和胰岛素含量升高，而三碘甲腺原氨酸(T3)、四碘甲腺原氨酸(T4)和IGF－1的含量却下降，这在他们随后的研究中再次得到证实，他们还指出内毒素也导致皮质醇含量升高［40］。有关生殖方面的激素，如促黄体素(LH)、雌二醇(E2)、孕酮(P4)等都在一定程度上受LPS的影响，内毒素可以降低LH的释放频率，推迟LH的峰值，增加P4的含量而降低E2的含量［41］。

表1 脂多糖对牛科动物血浆激素水平的影响Table 1 Effects of lipopolysaccharide on plasma hormone levels in Bovidae animals

2.2 LPS影响内分泌激素分泌的机制

内毒素影响内分泌激素的机制多种多样。牛科动物的生长激素水平受到内毒素的影响很小，但是 IGF－1 下降明显［42－44］，这主要有 2 个方面的原因:一是内毒素引起的免疫反应所产生的细胞因子改变了 IGF－1的酸性不稳定亚基的表达［45－46］;二是可能与 IGF 结合蛋白(IGFBP－2)的含量下降有关［47］。生长激素与IGF－1的这种变化机制在机体在发生炎症性疾病(乳房炎、子宫炎)时，可保证营养物质较少用于生产(如产奶)和生长，而较多用于免疫反应［48］。

胰岛素和胰高血糖素受到内毒素的影响后含量都升高，但是，具体机制尚不十分清楚［12］。Steiger等［49］在1999年就曾报道，在奶牛接受LPS注射后，胰岛素含量升高。在应激和内毒素感染的情况下，由于细胞因子对胰岛素受体的作用，牛的外周组织对胰岛素的抵抗能力提高［19］。因此，这些反应可以限制外周组织对葡萄糖的利用，同时保证对免疫组织的能量供给［50］。总之，高浓度的胰岛素有利于免疫反应。对于胰高血糖素来说，在动物发生免疫反应时，在所有的有关能量代谢的激素中胰高血糖素并不是最先发生变化的一种［51］，显然胰高血糖素的浓度还受其他激素如胰岛素的调节。另外，虽然在牛科动物上鲜有报道，但在其他物种体内已有报道，免疫反应产生的细胞因子和其他炎症产物(如一氧化氮)影响胰腺的结构和功能［52－53］，从而影响这些胰腺激素的分泌。至于胰岛素对胰高血糖素的比例降低，可能与皮质醇含量升高以及肝脏糖原异生作用的改变有关。

对于血浆催乳素、皮质醇、T3和T4来说，催乳素是一种下丘脑激素，它的升高有利于淋巴细胞的增殖，有利于免疫反应的发生［54］，而皮质醇有利于机体抵抗应激反应，特别是乳房炎、败血症、子宫炎等炎症应激反应。Sapolsky等［55］报道，LPS引起的免疫反应产生的细胞因子对下丘脑以及下丘脑－垂体－肾上腺的影响而导致催乳素和皮质醇的升高。另外，Kahl等［56］也证实，随着血浆内毒素的增加，血浆T3和T4含量下降，并指出这是因为甲状腺机能的衰退以及肝脏5'－去碘酶产生量减少，5'－去碘酶减少是由于内毒素改变肝功能使其产生免疫相关物质增多。而在内毒素引起的脂肪肝和肝脓肿疾病中，肝功能受到极大损害，5'－去碘酶产生量更少。

对于生殖激素来说，Suzuki等［41］指出，内毒素可推迟母牛LH的峰值长达6 h之久，他们还认为P4含量的增加是短暂的，其归结于肾上腺皮质激素过多的分泌。虽然有学者在母羊上也得到了类似的试验结果［57－58］，但是对于 LH和 P4含量的变化的具体机制有待于进一步的研究。由于IGF－1和T3在调整和恢复卵巢的周期方面有重要作用［59］，因此内毒素对IGF－1和 T3的影响也间接影响到生殖激素。在实际生产中，能量负平衡类的疾病(如脂肪肝)、乳房炎与生殖能力下降之间有着密切关系［60］，而且临床以及亚临床状态的乳房炎可以导致子宫畸形［61］，从而影响生殖能力，这些现象似乎都可以用内毒素对生殖激素的影响来解释。

总之，随着血浆内毒素的增加，奶牛血浆激素变化的一些机制以及各个激素之间的相互关系尚需进一步的研究，而且许多试验中内毒素是通过人工注射的而不是通过SARA诱导而产生的。因此，对在SARA情形下血浆内毒素对各种激素的影响还有待于进一步深入研究。

3 小结

当奶牛饲粮中精饲料水平提高时，奶牛易发生瘤胃酸中毒，其中SARA在实际生产中更为常见。当奶牛发生SARA时，血浆LPS引起一系列免疫反应和代谢变化，葡萄糖、非酯化脂肪酸含量会升高，血浆氨基酸、β－羟基丁酸、胆固醇和矿物质(钙、铁、锌等)的含量会发生变化。随着酸中毒的发生，血浆中的各种激素(IGF－1、T3、T4、皮质醇、胰岛素、LH等)分泌也会发生变化。这些变化会对奶牛健康和生产性能产生不良影响。

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