仔猪免疫应激及其营养调控研究进展

刘玉兰

（武汉轻工大学动物营养与饲料科学湖北省重点实验室，湖北武汉 430023）

仔猪免疫应激及其营养调控研究进展

刘玉兰

（武汉轻工大学动物营养与饲料科学湖北省重点实验室，湖北武汉 430023）

编者按

2017年《中国畜牧杂志》全面改版。为更好展示畜牧学领域的科技前沿，促进学术交流，本刊特别邀请不同领域的专家或青年骨干，围绕各自的研究领域，介绍自己、团队或国际研究机构近几年的研究成果、存在问题及研究展望，或就当前的研究热点问题进行讨论和评论。2017年第一期自副主编开始，将为读者带来相关综述，希望能引发读者对相关热点、难点的思考，并进行深入探讨。

“免疫应激”在养猪生产中普遍存在，是导致猪生长抑制的重要因素之一，给养猪生产造成很大的经济损失。免疫应激是由于饲养环境中的病原体或非病原体（如细菌、病毒和内毒素等）、疫苗接种等刺激猪的免疫系统所致[1]。

适度的免疫反应对动物抵抗疾病、维持健康是有益的，然而当机体受到病原体或非病原体刺激时，免疫系统常处于一种高度激活状态，导致炎性细胞因子，如白细胞介素（IL）-1β、IL-6和肿瘤坏死因子（TNF）-α等过量分泌，从而产生免疫应激问题。传统的观点认为，炎性细胞因子主要由免疫系统产生。然而近十年的研究发现，神经内分泌系统、胃肠道、肝脏、肌肉和脂肪等组织也能分泌炎性细胞因子[1]。这些细胞因子通过对靶组织（如胃肠道、肝脏、肌肉和脂肪）的直接作用或通过作用于神经内分泌系统，引起动物一系列行为和代谢上的改变。行为上改变的典型特征是动物发烧、厌食；代谢上的改变是机体将用于生长和骨骼肌沉积的营养物质转向于维持高度激活的免疫系统，造成生长速度下降、饲料转化率降低、骨骼肌分解加速、合成减慢，最终导致动物生长迟缓和胴体品质下降[1]。因此，采取一定措施适度调节应激动物过度的免疫反应，尤其是炎性细胞因子的过量产生对缓解免疫应激有重要作用。目前，通过营养调控来缓解免疫应激已成为动物营养学的重要研究方向。

本文主要综述了本实验室的最新研究进展，包括仔猪免疫应激模型、免疫应激与炎症/抗炎信号通路的关系，并阐述了不同营养素对仔猪免疫应激的调控作用。

1 仔猪免疫应激模型

免疫应激包括复杂的神经、内分泌、免疫反应，建立合适的免疫应激模型，准确模拟免疫应激的生理过程，对进一步研究免疫应激的机制及其营养调控措施具有重要意义。

造成猪免疫应激的因素很多，如病原性或非病原性微生物、疫苗、内毒素和异源蛋白等。因此，国内外研究者建立了多种免疫应激模型。目前模拟免疫应激经典的方式是从猪腹膜或静脉注射一定剂量的大肠杆菌脂多糖（LPS）。本实验室研究发现，给仔猪腹膜注射100 μg/kg体重LPS，可诱导猪产生急性细菌感染症状（如发烧、呕吐、嗜睡等），导致血浆和组织炎性细胞因子，如TNF-α、IL-1和IL-6的含量或表达量显著上升，导致下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴激活，生长轴抑制，从而导致仔猪生长抑制[2]。此外，LPS刺激也会导致组织损伤。实验室研究发现，LPS可导致仔猪肠道结构及消化、吸收和屏障功能受损[3-4]。LPS可刺激肝脏枯否细胞分泌大量TNF-α，造成肝脏结构和功能损伤[5]。此外，LPS也可以抑制肌肉蛋白质的合成，促进肌肉蛋白质降解，降低肌肉量[6]。该研究为揭示猪免疫应激的机制和营养调控的研究提供了良好的模型。

2 仔猪免疫应激与炎症/抗炎信号通路的关系

从仔猪免疫应激的特点来看，免疫应激与炎症具有一定的相关性。目前，在免疫学和生物物理学等学科领域发现，过氧化物酶体增殖物活化受体γ（PPARγ）、Toll样受体（TLRs）和核苷酸结合寡聚化结构域（NODs）等信号通路对炎症具有重要调节作用。因而，推测这些信号通路可能参与猪免疫应激的调控，并进行了验证。

2.1 PPARγ信号通路 PPARγ属II型核受体超家族成员，为一种配体激活的核转录因子。在医学研究领域发现，PPARγ为一种重要的抗炎信号分子，在抵抗试验动物炎性疾病方面发挥重要作用。鉴于此，推测PPARγ在仔猪的免疫应激中可能具有相似的作用。然而，研究发现，PPARγ对仔猪免疫应激的调控作用具有组织特异性。在免疫系统，PPARγ激活促进了炎性细胞因子的释放从而加剧了仔猪免疫应激反应[7]；在肠道，PPARγ激活抑制了肠道炎性细胞因子释放从而缓解了肠道损伤[8]。这表明，PPARγ作为免疫应激的一种中间调控分子，只能局部而不能全面控制仔猪的免疫应激。

2.2 TLR4和NODs信号通路 TLRs和NODs是近年来刚发现的与免疫密切相关的受体家族，为一类模式识别受体，通过识别不同病原体的病原相关的分子模式在抗感染天然免疫和炎症反应中发挥重要作用。因此，预测TLRs和NODs可能参与仔猪免疫应激的调控。本实验室研究结果表明，免疫应激使仔猪免疫组织、神经内分泌组织、肝脏、肌肉、脂肪和肠道中TLR4信号通路（包括TLR4、MyD88、IRAK1、TRAF6、NF-кB、TNF-α等）和NODs信号通路（包括NOD1、NOD2、RIPK等）关键基因的表达上调，导致各组织炎性细胞因子过量释放，从而导致HPA轴激活，肠道和肝脏损伤，肌肉蛋白质降解增强，生产性能下降。采用相应的阻断剂抑制TLR4、NOD1、NOD2可以缓解这些现象[9-14]。这些研究结果表明，TLR4和NODs信号通路激活可导致仔猪的免疫应激，负调控TLR4和NODs通路成为控制仔猪免疫应激的重要途径。

进一步探讨TLR4负调控因子—细胞因子信号转导抑制蛋白1（SOCS1）仔猪在免疫应激中的调控作用，发现免疫应激导致SOCS1在仔猪各组织中mRNA表达量显著上升（未发表资料）。在猪小肠上皮细胞系（IPEC1）上进一步研究发现，SOCS1可以抑制IPEC1细胞炎症反应，但是对IPEC1细胞损伤无显著缓解作用[15]。有关SOCS1对猪免疫应激的影响尚需进一步研究。

3 仔猪免疫应激的营养调控

目前，通过营养调控来缓解免疫应激已成为动物营养学的重要研究方向。近十年来，本实验室系统探讨了脂肪酸（如n-3多不饱和脂肪酸（PUFA）、中链脂肪酸（MCFA）、短链脂肪酸（SCFA））、功能性氨基酸（如精氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、甘氨酸、N-乙酰半胱氨酸）、植物提取物（如寡糖、多糖、精油、多酚）对仔猪免疫应激的调控作用。本文仅对脂肪酸对仔猪免疫应激的调控作用进行阐述。

n-3 PUFA主要包括α-亚麻酸（ALA，C18:3n-3）、二十碳五烯酸（EPA，C20:5n-3）和二十二碳六烯酸（DHA，C22:6n-3）。ALA主要存在于植物油中，EPA和DHA主要存在于深海鱼油中。ALA是EPA和DHA的前体物质，在体内可以转变成EPA和DHA，但是转化的比例很有限（0.2%～15%）。本实验室早期研究发现，鱼油（富含EPA和DHA）可有效缓解LPS导致的仔猪日采食量和日增重的下降。鱼油的这种效果与其抑制血浆炎性细胞因子的过量释放，缓解生长轴的抑制和HPA轴的激活密切相关[2]。进一步研究发现，鱼油还可有效缓解LPS导致的仔猪肠道、肝脏损伤和肌肉蛋白质的降解。鱼油的这种缓解作用与其抑制TLR4和NODs信号通路密切相关[12-14]。除了鱼油之外，也研究了亚麻油（富含ALA）对仔猪免疫应激的调控作用，发现亚麻油提高了肝脏和肠黏膜中总n-3 PUFA、ALA和EPA的含量，抑制了肝脏和肠道TLR4和NODs信号通路某些基因的表达，对LPS诱导肝脏结构和功能的损伤具有一定的缓解作用，但对肠道功能仅有轻微的保护作用，对肠道结构无改善作用[16]。总体而言，亚麻油对免疫应激的缓解作用不如鱼油，这可能与ALA在猪体内转化为EPA效率较低有关。综上所述，在n-3 PUFA中，富含EPA和DHA的鱼油是一种有效缓解猪免疫应激的重要营养素。

MCFA指含有6～12个碳原子的脂肪酸，主要包括己酸、辛酸、癸酸和月桂酸，其酯化形式为中链甘油三酯（又称中链脂肪）。目前，关于MCFA对猪免疫应激的研究很少见报道。本实验室研究发现，辛、葵酸甘油酯可抑制TLR4和NODs/p38信号通路、程序性坏死信号通路（RIP1/RIP3/MLKL）相关基因的mRNA或蛋白表达，进而降低肠道和肝脏炎性介质的表达，缓解LPS对仔猪肠道和肝脏的损伤[17]。

SCFA指碳原子数少于6的脂肪酸，包括乙酸、丙酸和丁酸，主要由结肠微生物发酵日粮纤维产生。这些SCFA为结肠细胞的主要能源，可为结肠细胞提供60%～70%的能量。目前，有关SCFA在猪上的研究主要集中在肠道健康方面。本实验室早期研究发现，日粮中添加0.5%三丁酸甘油酯可提高早期断奶仔猪的日增重、日采食量和耗料增重比，降低腹泻率，改善肠道形态学，提高肠道二糖酶的活性[18]。此外，近来研究发现，在仔猪结肠炎模型中，日粮添加0.1%三丁酸甘油酯可抑制肠细胞凋亡，促进紧密连接蛋白的形成，激活表皮生长因子受体信号，从而缓解肠道损伤[19]。本实验室与SCFA相关的研究还发现，仔猪日粮中添加木寡糖、香菇多糖可改变肠道微生物组成，提高肠道SCFA的产生，抑制组蛋白去乙酰化酶活性，进而缓解LPS刺激导致的肠道炎症反应，缓解肠道结构和功能损伤（未发表资料）。

4 小结与展望

LPS模型为揭示猪免疫应激的机制和营养调控的研究提供了良好的模型。TLR4和NODs等与炎症密切相关的信号通路参与了猪免疫应激的调控。n-3 PUFA、MCFA、SCFA可有效缓解免疫应激导致的生长抑制或组织损伤等负面影响。这些研究为缓解猪免疫应激进而提高养猪生产水平和效益提供了理论依据。

目前，在有关猪的免疫应激及其营养调控的研究中，仍需要深入研究以下几个方面的问题：①LPS免疫应激模型存在不足。在实际猪场环境中，普遍存在的是慢性免疫应激，而LPS诱导的是急性免疫应激，更为理想的模型还需进一步探索。在探索理想免疫应激模型的过程中，最佳应激源、确定适宜引入方式和剂量、筛选敏感监测标识、明确应激持续时间都十分困难，有待深入研究。②免疫应激的机制尚需进一步探讨。除了炎症/抗炎信号通路参与免疫应激的调控外，其他信号通路（如与细胞死亡或应激相关的信号通路）也可能参与免疫应激的调控。随着组学、表观遗传学等技术手段在该研究领域的应用，将有助于全面揭示免疫应激的分子机制。③不同营养素组合及其互作对免疫应激调控作用的研究很少。④营养素调控免疫应激的定性定量规律尚未建立。

[1] Gabler N K, Spurlock M E. Integrating the immune system with the regulation of growth and efficiency[J]. J Anim Sci,2008, 86(14 Suppl): E64-74.

[2] Liu Y L, Li D F, Gong L M, et al. Effects of fish oil supplementation on the performance and the immunological, adrenal, and somatotropic responses of weaned pigs after an Escherichia coli lipopolysaccharide challenge[J]. J Anim Sci, 2003, 81(11): 2758-2765.

[3] Zhu H, Liu Y, Chen S, et al. Fish oil enhances intestinal barrier function and inhibits corticotropin-releasing hormone/corticotropin-releasing hormone receptor 1 signalling pathway in weaned pigs after lipopolysaccharide challenge[J]. Brit J Nutr, 2016, 115(11): 1947-1957.

[4] Liu Y. Fatty acids, inflammation and intestinal health in pigs[J]. J Anim Sci Biotechno, 2015, 6(1): 41.

[5] Wu H, Liu Y, Pi D, et al. Asparagine attenuates hepatic injury caused by lipopolysaccharide in weaned piglets associated with modulation of Toll-like receptor 4 and nucleotide-binding oligomerisation domain protein signalling and their negative regulators[J]. Brit J Nutr,2015, 114(2): 189-201.

[6] Liu Y, Wang X, Wu H, et al. Glycine enhances muscle protein mass associated with maintaining Akt-mTORFOXO1 signaling and suppressing TLR4 and NOD2 signaling in piglets challenged with LPS[J]. Am J Physiol Reg I, 2016, 311(2): R365-373.

[7] Liu Y, Shi J, Lu J, et al. Activation of peroxisome proliferator-activated receptor-gamma potentiates proinflammatory cytokine production, and adrenal and somatotropic changes of weaned pigs after Escherichia coli lipopolysaccharide challenge[J]. Innate Immun, 2009,15(3): 169-178.

[8] Wei F, Liu Y L, Wu Z F, et al. Effects of rosiglitazone, an agonist of the peroxisome proliferator-activated receptor γ, on intestinal damage induced by Escherichia coli lipopolysaccharide in weaned pigs[J]. Am J Vet Res, 2010,71(11): 1331-1338.

[9] 陈少魁, 刘玉兰, 李权,等. 脂多糖刺激对仔猪下丘脑-垂体-肾上腺轴 Toll样受体4信号通路关键基因表达的影响[J]. 动物营养学报, 2014, 26(11): 3356-3361.

[10] 王海波, 刘玉兰, 李权,等. 脂多糖对仔猪下丘脑-垂体-肾上腺轴内应激基因和NOD信号通路关键基因表达的影响[J]. 中国畜牧杂志, 2015, 51(1): 20-24.

[11] Chen F, Liu Y, Zhu H, et al. Fish oil attenuates liver injury caused by LPS in weaned pigs associated with inhibition of TLR4 and nucleotide-binding oligomerization domain protein signaling pathways[J]. Innate Immun, 2013, 19(5):504-515.

[12] Liu Y, Chen F, Odle J, et al. Fish oil enhances intestinal integrity and inhibits TLR4 and NOD2 signaling pathways in weaned pigs after LPS challenge.[J]. J Nutr, 2012,142(11): 2017-2024.

[13] Liu Y, Chen F, Li Q, et al. Fish oil alleviates activation of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis associated with inhibition of TLR4 and NOD signaling pathways in weaned piglets after a lipopolysaccharide challenge[J]. J Nutr,2013, 143(11): 1799-1807.

[14] Liu Y, Chen F, Odle J, et al. Fish oil increases muscle protein mass and modulates Akt/FOXO, TLR4, and NOD signaling in weanling piglets after lipopolysaccharide challenge[J]. J Nutr, 2013, 143(8): 1331-1339.

[15] 涂治骁. NF-κB、p38和SOCS1在双氧水诱导IPEC-1细胞损伤中的作用[D]. 武汉: 武汉轻工大学, 2017.

[16] 王海波. 亚麻油对脂多糖诱导仔猪肠道和肝脏损伤的调控作用[D]. 武汉: 武汉轻工大学, 2016: 39.

[17] 陈少魁. 中链脂肪酸对脂多糖诱导仔猪肠道和肝脏损伤的调控作用[D]. 武汉: 武汉轻工大学, 2016: 48.

[18] Hou Y Q, Liu Y L, Hu J, et al. Effects of lactitol and tributyrin on growth performance, small intestinal morphology and enzyme activity in weaned pigs[J]. Asian-Austr J Anim, 2006, 19(10): 1470-1477.

[19] Hou Y, Wang L, Yi D, et al. Dietary supplementation with tributyrin alleviates intestinal injury in piglets challenged with intrarectal administration of acetic acid[J]. Brit J Nutr,2014, 111(10): 1748-1758.

10.19556/j.0258-7033.2017-10-001

国家自然科学基金项目（31372318、31422053、31772615）

刘玉兰（1975-），女，湖北天门人，博士，教授，2014年国家自然科学基金优秀青年基金获得者，主要从事动物营养与免疫方面的研究，E-mail: yulanflower@126.com