内毒素的生物活性及其对猪的危害

张吉鹍

（江西省农业科学院畜牧兽医研究所，江西 南昌 330200； 江西中成人药业有限公司，江西 进贤 331700）

1 内毒素概述

1.1 内毒素是一种分子质量相对较高的致热性复合物

内毒素（Endotoxin, ET）又名脂多糖（LPS）、类脂A（Lipid A）、热原（Pyrogen），是革兰氏阴性菌（GNB）细胞壁外层上的特有结构。是一种分子质量（MW）相对较高的复合物（Compound），分子量约为1×106～2×106道尔顿。通常GNB细胞壁的外层由脂多糖（LPS）、外膜蛋白质（Protein）、磷脂质（Phospholipids）以及金属离子（Metal ion）等组成[1]。ET作为外源性致热原可激活中性粒细胞等使之释放出内源性热原而引起机体发热（Pyrexia）[1]。

1.2 内毒素广泛存在于自然界中

尽管ET作为GNB的细胞壁组分，主要存在于沙门氏菌（Salmonella）、大肠杆菌（Escherichia coli）、伤寒杆菌（Salmonella typhi）、布氏杆菌（Brucella）、变形杆菌（Proteus）等GNB中，但在极少数 真 菌（Fungi）、 立 克 次 氏 体（Rickettsia）、支原体（Mycoplasma）、螺 旋 体（Spirochaeta）、 衣 原 体（Chlamydia）、革兰氏阳性菌（GPB）等微生物以及某些动植物组织中亦可见到ET[2]。因而ET在自然界中分布广泛，从空气、水到土壤等环境中，无处不在[1]。

2 内毒素的生物活性

2.1 内毒素在分子、细胞与机体多个层次上的生物活性

ET的生物活性主要体现在分子、细胞与机体等多个层次上[2-3]。⑴在分子层次：ET可活化补体、纤维蛋白溶酶原以及Hageman因子，并使鲎试剂（鲎细胞溶解物）凝集。⑵在细胞层次：①微量ET就可诱导机体巨噬细胞产生肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白细胞介素-1（IL-1）和白细胞介素 -6（IL-6）。例如，新鲜人血中ET的含量达到20～25 ng/L即可使血中单核细胞产生IL-1和TNF-α。②阻止巨噬细胞游走。③诱导前列腺素（PG）生成。④抗肿瘤坏死作用。⑶在机体层次，微量（0.2～1 ng）即可引起机体发热，大剂量则具有致死毒性，并产生如下反应：①骨髓反应；②白血球减少；③血小板减少；④诱导机体对ET的耐受性与非特异性感染防御力；⑤局部过敏反应，即施瓦茨曼反应（Shwartzman reaction）；⑥辅药作用；⑦激活凝血系统，引起急性弥漫性血管内凝血、微循环障碍与血压降低，最终导致动物休克（Shock）、体重降低等。

2.2 内毒素致热性的特点

ET最常见的生物活性就是其极为敏感的致热性（5 ng/kg即可使机体发热）。这是因为ET作为外源性致热原激活单核细胞后所产生的内源性致热原，作用于体温调节中枢可引起EP性发热[2-3]。

2.2.1 ET致热的种系差异性

ET致热具有种系差异，兔、牛对ET较敏感，而大鼠、小鼠对ET不敏感。而产自新西兰的白兔对ET致热性则极为敏感，因而其成为许多国家药典规定的热原检测的标准化实验动物。

2.2.2 ET致热的剂量依赖性

ET所致发热的程度与时程，在一定范围内呈现剂量依赖性，小剂量可引起单相热（Single phase fever, SPF）而大剂量则引起双相热。兔子在注射ET约90 min，出现第1热峰，约3 h左右出现第2热峰。

2.2.3 ET致热的易耐受性

ET致热易产生耐受性，家兔若连续接受ET注射，其发热反应会逐渐减弱。首先是双相热（Double phase fever, DPF）的第2峰消失，随之是第1峰的逐渐消退，相同剂量的ET会失去原有的发热反应。

2.2.4 ET致热活性的不易清除性

ET致热活性不易清除，即便常规高压灭菌法（如高压灭菌）也不能将ET彻底清除。试验表明，需在160 ℃加热2 h 以上才能将其彻底灭活[4-5]。

2.3 内毒素致热的机理

2.3.1 内生致热原直接作用于神经中枢敏感神经元

（1）内源性致热原的生成

ET除在细菌周围形成稳定的保护屏障以逃避抗生素的杀灭作用外，还可作用于单核细胞与巨噬细胞（如肺泡巨噬细胞、脾巨噬细胞、肝星状细胞、腹腔巨噬细胞等）以及某些肿瘤细胞等，使其产生IL-1、TNF-α、干扰素（IFN）、巨噬细胞炎症蛋白-1（MIP-1）、白细胞致热源（LP）以及睫状体促神经因子（CNTF）等内源性致热因子，即内源性致热原（Endogenous pyrogen, EP）。

（2）内毒素与内源性致热原的双重作用加深致热作用

脑内产生的或通过血脑屏障进入脑内的EP，直接或经过中枢介质作用于神经中枢敏感神经元，升高体温调控阈值，从而导致体温升高。当EP难以通过血脑屏障时，通过外周介质进入脑内才能产生发热效果。ET作为外源性EP，除直接作用于下丘脑体温调节中枢，引起ET性发热外，同时它又可激活单核细胞和巨噬细胞产生IL-1、IL-6、IFN、TNF-α等内源性致热原（EP），引起EP性发热，内源与外源致热的加性效应，进一步提升了ET的致热作用[6-7]。例如，IL-1就是被ET激活的单核细胞后所释放的一种单核细胞因子（一种分子量为1 500道尔顿的蛋白质），有着极强的致热活性。据试验，给试验兔注射微量IFN即可引起单相热，加大剂量注射TNF-α就可引起双相热[8]。

2.3.2 致热中枢介质是内生致热原难以通过血脑屏障时的致热关键因子

当EP不能通过血脑屏障时，致热中枢介质就成了影响机体致热的关键因素。迄今，经证实的致热中枢介质主要有环磷酸腺苷（cAMP）、钠钙离子比值（Na+／Ca2+）与前列腺素E（PGE）3种。

ET、EP所致发热，在一定剂量ET范围内，体温的升高与维持时间随剂量的增加而增加，量效关系呈显著的正相关。当小剂量ET引起单相热时，血浆、丘脑下部组织中cAMP浓度随动物机体体温的增加而增加（P＜0.05），cAMP浓度的变化与机体体温的变化呈正相关。大剂量ET引起双相热时，丘脑下部、脑脊液中cAMP含量与体温变化亦呈正相关[9]。但若继续增加ET剂量，体温并不会随之无限增加。这是因为当ET剂量超过一定量时，脑脊液中cAMP含量不会再增加，从而形成热限。可见，ET性热限主要是EP生成受限所致，而EP生成受限则是因为激活与产生EP细胞的受体达到饱和的缘故。表明中枢性cAMP的生成受限是EP性和ET性热限形成的关键。超热限剂量的ET及其反复刺激形成的致耐性机体，不仅体温不增加，反而会引起微循环障碍（MCD）、急性弥漫性血管内凝血（ARDS）、急性肾衰竭（ARF），甚至多器官功能衰竭（MOF）等多种疾病，最终机体因休克（Shock）而死亡[10]。

3 猪场内毒素的来源及其对猪的危害

无论大、小猪场，大剂量使用抗生素治疗细菌性疾病已成常态。GNB死亡的同时，会释放出大量ET。这些ET会对猪只产生广泛而持久的危害，从厌食（Anorexia）、发热（Pyrexia）、炎症反应（IR）、组织损伤（TI）到败血性休克（Septic shock），都会降低生产性能，给生产造成损失[11]。

3.1 猪圈内空气中的细菌内毒素

3.1.1 猪舍空气中的尘埃是内毒素的载体

由于人们的饲喂、清扫与猪只的活动等，使得猪舍中的空气常年漂浮着很多尘埃，一些细菌释放出的ET会黏附在这些尘埃上，从而影响到猪只健康。作为细菌ET传播载体的猪舍空气中的尘埃，其组成成分复杂，变化大，范围广，主要包括：干的猪只粪尿粉尘，猪只皮屑，饲料粉尘，垫草颗粒，谷物中的孢子、花粉、螨虫，微生物及其细胞壁组分等[12]。猪只将这些含有细菌ET的尘埃吸入肺内，会严重影响到猪只的健康。

3.1.2 猪舍空气中尘埃的含量决定着空气中内毒素含量

猪舍空气中ET含量与空气中尘埃含量密切相关，会受到猪舍的通风效率、地面漏板种类、饲料形态、猪舍内环境（如湿度）以及人与猪的活动等的影响[12]。总之，一切能够增加猪舍空气中尘埃含量的因素（如猪舍湿度下降，人与猪的活动增加，通风效率降低等），均能增加猪舍空气中的ET含量；一切能够降低猪舍空气中尘埃含量的措施，均能够降低猪舍空气中的ET含量。例如，改饲喂粉料为饲喂颗粒饲料或液体饲料，改水泥漏板为塑料漏板，均能降低猪舍空气中的尘埃含量，从而降低猪舍空气中的ET 含量[13]。

3.1.3 猪舍空气中影响猪只健康的内毒素含量阈值

迄今，尚未见到有关猪舍空气中影响猪只健康的确切ET含量阈值的报道，其实这个“阈值”也是动态的，与猪的品种、猪的营养（也相当于免疫力）、猪舍外部环境（如气候）密切相关。据报道，在波兰东部的一些猪场，其舍内空气中的尘埃含量为3.03～14.05 mg/m3，内毒素含量为1.88～75.0 ug/m3，为ET含量安全阈值（0.1 ug/m3）的18.8～750倍[13]。但也有报道，认为猪舍空气中，影响猪只健康的ET含量安全阈值为每立方米1 540个内毒素单位（Endotoxin Unit, EU）（EU/ m3）。我国猪场的卫生状况普遍较差，猪舍内环境不理想，猪舍空气中的ET含量远高于此值[14]。

尽管猪舍空气中的ET含量因受环境的影响，变异大，但其对猪的危害不容忽视。

3.2 饲料中的内毒素

受饲料仓储、加工等环境与生产工艺等因素的影响，饲料中不可避免地含有一定数量的ET[15]。首先，许多饲料添加剂是用GNB发酵生产的，其中大肠杆菌是应用较广的GNB。例如，用于发酵生产饲料添加剂的大肠杆菌K-12，尽管其ET较其他菌株的毒力小，但也具有相当于野生型菌株毒性的1/4ET[16]，并不如想象的那么安全。因此，在用大肠杆菌K-12发酵生产饲料添加剂时，可能会混入其ET，从而对猪只健康造成潜在危害。据报道，猪饲料中的ET最大含量为60 mg/kg，平均含量为13 mg/kg[17]。然而，亦有多个证据表明：①往猪日粮中添加高剂量的ET，不会引起健康猪只的临床症状[18]；②给小鼠口服大剂量的大肠杆菌ET，未对其小肠结构与细胞增殖产生显著影响[19]；③不仅大剂量口服单一ET后，小鼠未见不良副作用。而且连续28 d给予小鼠重复剂量的ET后，小鼠亦未出现肝、肾中毒与炎症症状，而且体重正常[20]。可见，健康动物的肠道能够耐受一定数量的ET，其通过口腔摄入的ET对机体造成的危害较小。因此，用GNB发酵生产的饲料添加剂饲喂健康猪只，若其所含的ET不超过正常饲料原料的含量时，就不会对猪只健康造成显著影响。但当猪群受到应激（如热应激）或其他疾病导致消化道功能紊乱而破坏胃肠道黏膜上皮的完整性，从而降低其屏障功能，造成胃肠道中的ET大量进入体内而引起病变[21]。

3.3 疾病产生的内毒素

3.3.1 便秘

便秘（Constipation）为妊娠母猪的常见疾病，是造成ET在母猪体内积聚增多的主要原因。日粮设计不合理，饲料纤维品质差、含量少；饲养于定位栏中，缺乏运动；热应激、饮水不足等饲养管理因素，均可导致母猪便秘[22-23]。特别是当妊娠母猪分娩时，由于肠道活力减弱、蠕动缓慢，使得临产母猪较怀孕母猪、泌乳母猪更易便秘[24]。

便秘导致母猪的肠道菌群失衡，表现在类杆菌的数量显著增加，梭菌、乳酸菌的数量显著降低，并诱导产生ET，损伤肠道黏膜屏障，使得进入机体的ET增加，进而产生一系列炎症反应，严重时会导致猪只死亡[25]。也有研究表明，猪只发生便秘时，食糜在消化道中停留的时间延长，肠道微生物的繁殖增多，使得ET的释放与吸收增多，最终导致产后母猪乳腺炎、子宫炎以及泌乳障碍等疾病[22]。可见，便秘是造成母猪体内ET增加的重要因素之一。

3.3.2 腹泻

腹泻（Diarrhea）是仔猪尤其是断奶仔猪易发多发的常见病。造成仔猪腹泻的原因很多，主要有：①断奶应激所致的肠道消化机能损伤，可诱发仔猪的重度腹泻，甚至死亡[26]。②因早期断奶仔猪的消化机能不健全，对固体饲料的消化率低。饲料中的抗原物质如大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白等免疫原性较强的大豆抗原蛋白，可引起仔猪胃肠道黏膜暂时性过敏反应（Anaphylaxis）而致仔猪腹泻[27]。③断奶仔猪固体饲料中的豆粕，所含的胰蛋白酶抑制因子、大豆凝血素、抗原蛋白等抗营养因子可增加仔猪肠道上皮细胞的通透性，导致黏膜水肿，隐窝细胞的生长速度增加，肠绒毛萎缩脱落，小肠的消化吸收面积减少，降低营养物质的吸收利用，进而导致腹泻[28]。④当保温措施不当，仔猪会因自身的体温调节机能差，而降低免疫力，出现仔猪腹泻[29]。

仔猪腹泻对消化道的危害主要体现在两方面，一是在肠道结构方面，表现在：①肠上皮细胞充血、水肿、出血；②肠绒毛萎缩、脱落；③这些改变以致破坏肠道结构。二是在肠道菌群结构方面，占优势的乳杆菌等益生菌菌群的数量显著降低，大肠杆菌等致病菌的数量显著升高，成为优势菌群[30]。该两方面的改变，严重破坏了猪肠道微生态屏障，不仅会进一步加剧仔猪的腹泻，增加肠道中的ET含量，而且还会进一步增加吸收进入体内的ET量[31]，从而进一步加深对猪只的危害。