呕吐毒素对畜禽肠道的损伤及营养干预

刘 壮

（华南农业大学，广州 510642）

饲料源性呕吐毒素污染一直是畜禽营养的难点与重点，受到业内广泛关注。呕吐毒素通常污染小麦、玉米、大麦等谷物作物，被动物体采食后可以产生广泛的毒性效应，常见的中毒效应有厌食、呕吐、腹泻、发烧、站立不稳、反应迟钝、体重下降、神经-内分泌改变以及免疫功能受损等[1]。而肠道是集消化、吸收、内分泌、免疫和防御功能于一体的器官，易于受到毒素、细菌、抗营养因子等有害物质的损伤。近年来，国内外针对呕吐毒素损伤肠道的研究层出不穷，深入地解析呕吐毒素的致病机制，以期减少呕吐毒素造成的肠道损伤，有利于提高饲料利用效率，改善畜产品品质。

1 呕吐毒素的污染概况

呕吐毒素（DON）是镰刀菌属代谢产生的次级产物，化学名3a，7a，15-三羟基-12，13-环氧单端孢酶-9-烯18酮，是一种B型单端孢酶烯族化合物，易于污染小麦、玉米、大麦等谷物作物，特别是在温热天气，不仅降低谷物的产量与品质，也对食品和饲料安全构成严重威胁[2]。我国规定呕吐毒素的含量在猪配合料中≤1 mg·kg-1，犊牛、羔羊、泌乳期精料补充料≤1 mg·kg-1，植物性饲料原料≤1 mg·kg-1。计成等对北京市15个代表性养猪场所用饲料原料和全价配合饲料（131份）霉菌毒素污染情况进行调研，发现玉米、DDGS和部分配合饲料呕吐毒素超标率很高，分别为57.1%、88.2%、15.8%。随着全球变暖与农业系统的变化，呕吐毒素蔓延至高纬度地区，Zha等从中国陕西省、宁夏回族自治区、甘肃省和新疆维吾尔自治区等地收获的小麦中检测DON的浓度时发现，82.9%小麦样品被DON污染，平均DON浓度为500 μg·kg-1[4]。此外，在食品的生产加工中存在类似的情况，Jiang等研究分析了100种商业面包和饼干中脱氧雪腐镰刀菌烯醇的含量，发现95%测试样品中DON超过联合国粮食及农业组织设定的1.0 μg·kg-1体重每天的每日临时耐受摄入量[5]。

2 呕吐毒素对畜禽的危害

个体水平上，呕吐毒素主要通过干扰动物体的采食量和生长水平影响牲畜，而在分子水平上，其通过与核糖体结合抑制蛋白质合成并激活涉及与增殖，分化和细胞凋亡有关的信号转导的关键细胞激酶来破坏正常细胞功能。动物体采食被呕吐毒素污染的饲粮后严重时造血系统受到损伤，甚至死亡[6]。呕吐毒素的吸收主要发生在小肠的近端部分，能够诱发畜禽肠上皮的损伤，主要表现为细胞裂解和水肿，绒毛长度与深度改变，肠上皮吸收细胞功能紊乱，营养素的吸收受阻，最终降低动物体的生长性能与产品品质[7-8]。而呕吐毒素毒性效应的强度取决于剂量、种类、消耗时间、毒素纯度和给药途径等。低至中等剂量急性口服呕吐毒素会导致呕吐，腹泻，胃肠炎，厌食，体重增加减少，葡萄糖吸收不良，食管穿孔，循环休克等症状，而高剂量促进白细胞凋亡，伴随免疫抑制，严重损害胃肠黏膜的淋巴和上皮细胞，导致内毒素败血症和休克。此外，微量呕吐毒素引起的食欲下降、生长迟缓、产品质量下降，免疫毒性以及母体毒性导致的生殖和发育受损等慢性危害，因其长期潜伏在动物体内，给养猪业造成的损失更是难以测算，已成为困扰全球的难题[9]。

3 不同种类动物体对呕吐毒素的敏感性

呕吐毒素是广泛存在于谷物作物中的霉菌毒素之一，能够破坏肠道黏膜屏障，进入机体内被谷胱甘肽、氨基酸、多肽等物质修饰，增强亲水性，潜在于畜禽体内，诱发细胞毒性及肠道损伤[10]。而不同动物体对呕吐毒素的敏感性不同，反刍动物具有复杂的瘤胃微生物，对呕吐毒素的耐受力最强，家禽、啮齿动物次之，而猪是对呕吐毒素最敏感的动物。研究发现，生长猪一次性摄入呕吐毒素0.05～0.1 mg·kg-1BW或日粮含呕吐毒素2～20 mg·kg-1即可引起呕吐，对小麦及其副产物来源呕吐毒素吸收率较高，采食15～30 min就有82%的呕吐毒素被吸收进入血液，达到血药峰浓度[11-12]。

4 呕吐毒素对肠上皮屏障的影响

4.1 黏膜屏障

肠上皮屏障是抵御外界病原菌、病毒、饲料源性毒素的最初防线。上皮屏障的完整性对于肠道功能的维持和保护是至关重要的。紧密连接为肠上皮细胞建立复杂的网络关系，不仅能够调节细胞极性、小分子物质转运、肠上皮细胞通透性，还保护黏膜细胞免受有毒有害物质的侵袭。当细胞暴露于呕吐毒素后，呕吐毒素结合到核糖体RNA肽基转移酶位点，干扰转录过程与相关蛋白质的合成，破坏肠上皮细胞的形态与紧密连接结构[13]。闭合小环蛋白（ZO）是紧密连接支持结构基础，闭合蛋白（claudins）为紧密连接的结构骨架[14]。Pinton等发现，IPEC-1细胞系暴露于10 μm呕吐毒素48 h时，claudin-3和claudin-4表达量减少[15]。相似的研究发现，100 μg·kg-1BW呕吐毒素显著降低ZO-1蛋白的表达量[16]。伴随着紧密连接结构的改变，MAPKs信号通路被激活，暗示着呕吐毒素可能是MAPKs的信号分子，调控相关基因的表达，发挥毒性效应。其次，肠上皮细胞选择性地转运营养素、毒素等，其绒毛的高度与深度与物质的吸收速率密切相关，一般而言，绒毛高度越高，表面积越大消化吸收能力越强；而绒毛的深度反映肠上皮细胞的更新速度，分泌功能。Awad等报道，呕吐毒素能够显著改变小肠的形态结构，降低空肠绒毛的高度与表面积，减少对营养物质的吸收[17]。Xie等发现，高浓度呕吐毒素饲喂虾时，虾的体重增加减少，存活率降低[18]。

4.2 免疫屏障

人和鼠肠上皮细胞暴露于呕吐毒素时，能够通过各种信号机制诱导促炎细胞因子和趋化因子的产生，抵御呕吐毒素的损伤效应。Park等发现，促炎细胞因子IL-8随着肠上皮细胞中呕吐毒素诱导的化学核糖核酸应激而增强[19]。Cano等也有类似的发现，呕吐毒素处理猪上皮细胞IPEC-1和空肠外植体时，IL-8、IL-1α和IL-1β、TNF-α的mRNA丰度显著增加，诱导促炎反应的发生[20]。此外，肠上皮细胞表面覆盖着一层黏液，能够稀释毒素，减弱细胞的毒性效应。而呕吐毒素可通过抑制肠上皮粘蛋白基因的表达和粘蛋白单糖的组成影响十二指肠粘液层，从而使肠上皮细胞暴露出来，易受到毒素与病菌的侵袭与干扰[21]。

4.3 微生物屏障

除了调控蛋白质的合成与各种靶基因的表达，肠上皮细胞还能够通过接触共生细菌维持免疫稳态。呕吐毒素是镰刀菌属代谢产生的毒性物质，主要在消化道的前端部分（胃至空肠近端）被吸收，能够抑制肠上皮细胞的增殖与分化，改变肠道的通透性。而当肠上皮屏障被破坏时，微生物就会快速定植，增加肠道感染与炎症反应的风险[22-23]。然而，目前关于通过改变活体内肠道菌群的成分缓解呕吐毒素损伤的研究甚少，主要集中于体外研究微生物脱毒的方法。Pierron等发现细菌能够通过去环氧化或差向异构化作用降低呕吐毒素的毒性[24]。Gang等也有类似的发现，土壤中分离的某些细菌对DON及其衍生物（包括3-乙酰基-DON和15-乙酰基-DON）具有有效的生物降解能力。通过羟基氧化作用霉菌毒素转化为无毒或毒性较低的化合物[25]。此外，利用反刍动物瘤胃微生物具有多样性与复杂性的特点，Fuchs等从牛的瘤胃中分离提取微生物，与呕吐毒素共培养，发现瘤胃微生物具有很好的脱毒效果[26]。值得关注的是，近期大量的研究报道表明，土壤、沼气池等来源的微生物也具有良好的脱毒效果[27]。

4.4 ABC转运蛋白

ATP结合盒蛋白在古细菌、真细菌和真核生物中形成了超大型的主动运输系统，通常由两个整合的膜结构域组成，该膜结构域包含形成易位路径的六个跨膜α-螺旋和将ATP结合偶联至底物易位的两个胞质核苷酸结合域。ABC转运蛋白主要功能是利用ATP水解产生的能量将底物进行逆浓度梯度跨膜运输，将各种分子转运穿过不同的细胞膜，其转运的底物有多肽、蛋白质、寡核苷酸、细胞代谢产物和药物等[28]。其参与许多重要的生理过程，如营养摄入、细胞解毒、脂质转运、信号转导、病毒防御以及抗原呈递等[29-30]。研究表明，ABCB1（P-gp）和ABCC2（MRP2）在功能上具有一定的相似性，都能够将呕吐毒素，伏马菌素B1和赭曲霉毒素A转运至细胞外，从而起到减轻霉菌毒素损伤的作用[31-32]。Videmann等也有相似的发现，以Caco-2细胞为模型，不同浓度呕吐毒素处理细胞时，发现呕吐毒素从底膜到顶膜的转运量明显高于底膜到顶膜的转运量，意味着呕吐毒素的外排增加，减弱对细胞的毒性。再分别用ABCB1、ABCC2抑制剂处理细胞时，发现抑制剂明显地减少了呕吐毒素的外排，证明了ABCB1、ABCC2能够调控呕吐毒素的转运过程[33]。

5 缓解呕吐毒素损伤的营养调控

呕吐毒素不仅降低谷物作物的品质，也给畜牧业的生产带来了严重的损失，成为一个困扰全球性的难题，因此寻求缓解呕吐毒素损伤的措施极为重要。目前的营养调控措施主要集中在寡糖、氨基酸等方面。

低聚半乳糖是乳糖经β-半乳糖苷酶发酵产生的混合物，包含2～8个糖单位（聚合度），其中一个单位是末端葡萄糖，剩余的糖单位是半乳糖和2单位半乳糖的构成二糖。而CXCL8是人肠上皮细胞在炎症过程早期分泌的细胞因子，能够有效地诱发嗜中性粒细胞内的化学反应。研究表明，1%和2%的GOS可以显著抑制Caco-2细胞中呕吐毒素诱导的CXCL8 mRNA表达丰度，加速紧密连接结构的恢复。小鼠活体试验中，日粮中补充1%GOS可以缓解呕吐毒素造成的肠道绒毛损伤[34]。Miaomiao等发现，日粮中添加谷氨酸，可以缓解呕吐毒素诱发的肠道损伤与氧化应激[35]。相关研究结果也表明，呕吐毒素可以增强肠道的通透性，破坏绒毛形态结构，引起上皮细胞凋亡，抑制蛋白质合成，而日粮中添加复合抗菌肽时可以明显地改善肠道形态，修复呕吐毒素诱导的肠道损伤，保护肠道绒毛的结构与功能[36]。此外，蛋氨酸作为重要的甲基供体，参与DNA、蛋白质的甲基化以及精胺的合成，调节免疫相关基因的表达，进而可能在一定程度上缓解呕吐毒素造成的机体炎症反应[37]。同时作为合成谷胱甘肽的前体物质，可减弱氧化应激对肠上皮细胞的破坏作用，保护动物体肠上皮屏障结构与功能的完整性。研究指出，补充Met可减少小肠黏膜蛋白质羰基化和丙二醛水平，改善小肠绒毛发育[38]。

6 小 结

呕吐毒素自身及其代谢产物干扰动物体的生理机能与健康水平，对于动物体的生长发育水平与产品品质构成严重的威胁。研究呕吐毒素在体内的代谢与相应的防御机制，对于揭示宿主肠道稳态和功能的调控机制，开发营养性调控技术具有重要的意义，将有利于提升动物体的生产性能和健康水平，防控相关疾病。随着科学技术的进步和研究水平的不断提高，更多营养干预的措施将会被发现与应用，促进畜牧业的进步与发展。