镰刀菌毒素对动物毒性作用的研究进展

许 巧

（上海农林职业技术学院，上海 201600）

镰刀菌毒素是镰刀菌属真菌在生长过程中产生的次生代谢产物，因其种类繁多、污染率高、毒性强、难以去除等特点而被广泛关注，成为近年来毒性研究最多的一类真菌毒素[1]。摄入镰刀菌毒素可引起动物生产性能下降，引起急性或慢性中毒反应，包括生殖毒性、免疫毒性、肠道毒性、肝脏和肾脏毒性、细胞毒性及致癌性等[2-3]。从动物健康和生产的角度来看，危害最大的镰刀菌毒素主要有玉米赤霉烯酮（Zearalenone，ZEA）、脱氧雪腐镰刀菌烯醇（Deoxyniavalenol，DON）和T-2 毒素。此外，镰刀菌毒素难以降解，日粮中低水平的毒素虽不会影响动物生长，但可通过消化道进入动物体内，残留在动物产品中[4]，威胁人类健康。

近年来，由于全球异常气候频发、存储条件限制及农产品贸易全球化，镰刀菌毒素的污染风险呈现上升趋势。王国强[5]和雷元培等[6]调查了我国近年来饲料原料及配合饲料中霉菌毒素的污染情况，发现饲料原料和产品受镰刀菌毒素污染较为普遍，形势严峻。为此，本文总结了单一或混合镰刀菌毒素对动物毒性作用，以期为该领域的科研工作者和生产者提供参考。

1 镰刀菌毒素的分类

镰刀菌属真菌产生的毒素种类很多，常见的毒素有单端孢霉烯族类毒素、伏马类毒素、玉米烯酮类毒素，此外，近几年被鉴定出的串珠镰刀菌素、白僵菌素和恩镰孢菌素等新型镰刀菌毒素也因在食品和饲料中频发而备受关注[7]。单端孢霉烯族类毒素是镰刀菌毒素中最常见的一类，有A～D 4 种类型，以A、B 型毒性较大，前者主要包括T-2 毒素及其代谢物HT-2 毒素，后者主要包括DON 和雪腐镰刀菌烯醇（Nivalenol，NIV），其中T-2 毒素对动物毒性作用最强[8]。伏马类毒素（Fumonisins，FUM）是由串珠镰孢菌、多育镰刀菌和轮状镰刀菌等霉菌产生的一类水溶性代谢产物，迄今发现超28 种类型，其中以伏马毒素B1（FB1）毒性最强，污染最为严重，其次是伏马毒素B2和B3[9]。玉米烯酮类毒素是一类具有类雌激素样作用的非蛋白、非甾类真菌毒素，由禾谷镰刀菌、黄色镰刀菌和木贼镰孢菌等代谢产生[10]，主要有6 种类型，分别为ZEA、玉米赤霉酮（Zearalanone，ZAN）、α-/β-玉米赤霉烯醇（α-/β-Zearalenol，α-/β-ZOL）、α-/β-玉米赤霉醇（α-/β-Zearalanol，α-/β-ZAL），后5 种均为ZEA 的代谢衍生物[11]。

2 镰刀菌毒素对动物的毒性作用

镰刀菌污染饲料及原料后通常会产生多种镰刀菌毒素，不同毒素的毒性作用存在差异，且不同毒素间存在协同、加性、增效或拮抗等多种效应。

2.1 生殖毒性 多数镰刀菌毒素具有生殖毒性，其中以ZEA 最为显著。ZEA 及其衍生物在结构上与内源性雌激素相似，能与雌激素受体（ERs）结合，导致生殖系统功能障碍。关于ZEA 的生殖毒性已有大量报道，并在不同物种（鼠、兔和猪等）中得以证实[2]。雌性动物摄入ZEA 多表现为阴唇红肿、卵巢萎缩、发情异常、流产、不孕、死胎和胎儿畸形等[12]；孕酮、雌二醇等激素分泌紊乱，卵泡成熟和排卵异常，卵母细胞和颗粒细胞增殖受到抑制[12-13]。ZEA 对雄性动物的影响主要在其高剂量下表现出来，具体为性欲下降、包皮水肿、乳头肿大、睾丸萎缩及精子质量下降等[14]。ZEA 对雌性动物的生殖毒性具有跨代效应，可通过胎盘转移至胎儿体内，影响后代的生殖能力[14]。研究显示，ZEA 及其衍生物的雌激素效应不同，以α-ZOL 最强，这与它们对ERs 的亲和力有关[15]，而α-ZOL 是猪对ZEA 的主要代谢产物，因此猪是对ZEA 最敏感的动物。

猪对DON 亦非常敏感，DON 对猪生殖毒性的表现与ZEA 相似。研究报道，摄入DON 可导致母猪子宫萎缩、发情间隔延长、死胎率增加，这可能与DON 可诱导猪卵巢卵母细胞和颗粒细胞变性，影响卵泡发育，抑制颗粒细胞增殖及生殖激素的分泌有关[16-17]。DON亦可引起雄性小鼠生殖器官萎缩、精子质量下降、生殖细胞变性、性激素分泌紊乱[18]。此外，T-2 毒素对动物亦具有生殖和发育毒性，能影响卵巢和睾丸的正常机能，抑制卵泡的成熟、颗粒细胞的增殖和类固醇激素的合成，降低精子质量和睾酮的分泌[19]。T-2 毒素及其代谢物HT-2 毒素能穿过胎盘进入胎儿体内，导致胚胎死亡、流产或发育畸形[20]。目前，FB1对动物生殖系统的毒性研究还不够深入，但已有试验发现FB1对猪卵巢颗粒细胞的增殖具有抑制作用[17]，饲喂FB1污染的日粮（FB1浓度大于10.2 mg/kg）可导致公鸡精子活力和活精子数量显著下降，损害繁殖能力[21]，提示FB1可紊乱动物的生殖功能。

有学者研究了多种镰刀菌毒素的协同毒性作用。研究显示，DON 与ZEA 联合作用可影响猪卵巢颗粒细胞甾体和类固醇的生成[22]，导致妊娠母猪发生流产[23]；引起雄性小鼠睾丸发生组织病理学变化和氧化损伤，精子质量下降等生殖毒性反应[24]。Cortinovis 等[17]研究发现，FB1与DON 联合对猪卵巢颗粒细胞的增殖有抑制作用，而α-ZOL 与FB1联合能刺激颗粒细胞增殖，促进孕酮产生，并表现为加性效应。AlBonico 等[25]研究发现，FB1与α-/β-ZOL 联合作用可显著影响牛颗粒细胞的增殖和类固醇的生成，且表现出协同或加性效应。

2.2 免疫毒性 免疫系统是镰刀菌毒素毒性作用的又一重要靶点，可通过破坏动物体的免疫器官结构，影响免疫细胞的增殖和免疫分子的分泌，进而损伤机体的免疫功能。

研究已证实，T-2 毒素和DON 具有双向免疫效应，根据暴露的剂量、频率和时间的不同，发挥免疫刺激或免疫抑制作用。T-2 毒素的免疫毒性研究较早，其毒性作用与暴露剂量有很大关系。低剂量T-2 毒素可短暂上调免疫相关基因的表达，增加免疫球蛋白水平和免疫细胞数量，达到刺激免疫应答的效果；而其高剂量则会引起免疫抑制，导致脾脏、胸腺、淋巴等免疫器官萎缩，淋巴细胞损伤和坏死，血清免疫球蛋白含量降低，易受沙门氏菌、大肠埃希菌等病原菌或新城疫病毒、传染性法氏囊病病毒的浸染[26]。最新研究表明，低剂量DON上调了猪肺泡巨噬细胞（PAMs）中肿瘤坏死因子和白介素6 的基因表达量，促进了PAMs 的趋化和吞噬能力，引起免疫刺激；而高剂量DON 促进了PAMs 中白介素10 的基因表达，抑制了PAMs 趋化和吞噬作用，导致免疫抑制；探究其机制发现，DON 可能通过激活TLR4/NF-κB 通路引起免疫刺激，阻断线粒体自噬导致免疫抑制[27]。通过接种疫苗获得免疫力是预防动物感染病毒性疾病的重要手段，然而这种获得性免疫可能被霉菌毒素损害，如T-2 毒素可导致肉鸡新城疫病毒和传染性法氏囊病病毒抗体滴度下降[28]；DON 污染的饲料可增强猪圆环病毒的复制并干扰免疫应答[29]，降低鸡传染性支气管炎病毒的抗体效价[30]。多数免疫细胞中含有雌激素受体，因此ZEA 可通过紊乱免疫细胞的激素水平引起免疫毒性。Reddy 等[31]研究发现，采食ZEA 污染的日粮可干扰仔猪肝脏免疫相关基因的表达。ZEA 对脾脏有直接毒害作用，日粮中1.1～3.2 mg/kg ZEA 可导致仔猪脾脏淋巴细胞增殖率下降，组织病理学和超微结构改变，细胞因子基因表达异常，且表现出剂量效应[32]。

目前，关于镰刀菌毒素联合的免疫毒性报道较少。与单一毒素污染的日粮相比，DON 和FUM 联合污染能引起仔猪更为严重的免疫抑制[33]。ZEA 与DON 联合染毒可影响小鼠T 细胞（CTLL-2）免疫细胞因子的分泌，降低免疫细胞杀伤活力，从而导致动物机体免疫机能下降，且表现出加性效应[34]。ZEA 和DON 联合染毒加剧了小鼠体液免疫功能的损伤，呈现亚加性效应，且在高剂量联合时的互作效应更为明显[35]。Semenov 等[36]用镰刀菌毒素污染的日粮（70 μg/kg T-2 毒素、50 μg/kg ZEA 和1 000 μg/kg DON）饲喂断奶仔猪，并口服感染梭状芽胞杆菌，发现T 淋巴细胞和B 淋巴细胞数量减少，脾脏发生病理学改变，特异性保护抗体滴度降低，传染病发生率增加，表明长期摄入镰刀菌毒素，即使处于饲料卫生标准允许的范围，也易导致感染性疾病的发生。因此，在制定饲料霉菌毒素的限量标准时，不能仅考虑单一毒素的危害。

2.3 肠道毒性 肠道黏膜是饮食毒素遇到的第一个生物屏障，因此，它极有可能暴露于大量毒素之中，成为霉菌毒素首要的攻击目标。正常的肠道形态结构、完整的肠道屏障功能、稳定的微生态区系以及有效的肠道免疫功能对于维持肠道正常生理功能和动物健康具有重要意义。DON 是肠道致病性真菌毒素，可引起动物呕吐、腹泻和消化不良等症状。研究表明，DON 可诱发动物肠道组织病变，包括绒毛萎缩、上皮细胞坏死；细胞单层跨上皮电阻降低，肠道通透性增加，引起肠道屏障功能受损；肠道防御机能下降，病原菌（如致病性大肠杆菌）的易感性增加[37]。DON 可抑制猪肠上皮细胞葡萄糖和氨基酸转运载体的合成，进而抑制肠黏膜对葡萄糖和氨基酸的吸收[38]，但相关机制尚不清楚。此外，DON 的摄入可影响母猪肠道微生物的多样性和丰富度，导致菌群紊乱[39]；促进猪肠道黏膜促炎性细胞因子的分泌，降低免疫球蛋白水平及杯状细胞和淋巴细胞数量[40]，表明DON 能直接或间接引起肠道的炎症反应，影响肠道免疫功能。

肠道对T-2 毒素比较敏感，T-2 毒素的摄入可引起各种动物消化道发生坏疽。研究显示，T-2 毒素可引起山羊肠道弥漫性充血和出血，导致肠道组织病理学改变和氧化损伤[41]；小鼠血液中二胺氧化酶活性升高，肠绒毛变短、断裂或溶解，提示T-2 对肠道形态结构和屏障功能的破坏[42]。ZEA 对肠道亦具有毒害作用，可改变猪肠道组织形态学结构[43]，降低母猪盲肠和结肠杯状细胞数量，增加淋巴细胞和浆细胞数量，破坏大肠的防御机能[44]。Lewczuk 等[45]研究发现，低剂量ZEA或DON 污染日粮也能引起猪十二指肠免疫细胞数量变化，因此低剂量镰刀菌毒素被认为是诱发小肠亚临床炎症的危险因素之一。PrzyBylska 等[43]报道，饲喂低浓度的ZEA 或DON 对猪肠道黏膜超微结构及屏障功能无明显影响，但可显著影响淋巴细胞、杯状细胞和浆细胞数量，表明肠道免疫细胞是低剂量ZEA 和DON 的主要攻击目标。此外，FB1也能改变小肠不同片段的组织形态学，降低绒毛高度，改变细胞因子的基因表达量[46]。

近几年，有关ZEA 与DON 联合毒性作用成为研究热点。ZEA 与DON 联合染毒会改变猪肠道组织学形态和免疫细胞数量[43]，影响结肠微生物群落的浓度、多样性和代谢活性，且两者间表现出协同效应[47]。而Lewczuk 等[45]认为，DON 和ZEA 引起肠道免疫细胞数目变化的时间历程是不同的，这2 种毒素间的相互作用不能被简单地认为是相加或协同。Gerez 等[48]研究了日粮中DON 单独或与NIV、ZEA 混合的毒性作用，发现联合污染引起的猪肠道组织学变化最为显著。Bracarens 等[49]报道，DON 和FUM 在猪肠道毒性上可表现出协同效应、加性效应、亚加性效应和拮抗作用，表明霉菌毒素间交互作用的复杂性。Wan 等[50]研究发现，与单一毒素相比，混合镰刀菌毒素（DON、NIV、ZEA、FB1）引起猪肠道的炎症反应更为严重。

2.4 肝脏和肾脏毒性 肝脏是霉菌毒素在体内的主要代谢器官，毒素及其代谢物极易在肝脏中大量蓄积，进而诱发肝组织损伤。肾脏是主要的排泄器官，毒素及其代谢物可通过肝肠循环进入肾脏，由于肾脏血流量大，毒素可被大量运往肾组织，进而对肾脏产生强烈的毒害作用。大部分镰刀菌毒素可诱发肝脏和肾脏毒性。

长时间摄入T-2 毒素可导致山羊肝脏和肾脏出现组织病理学变化，表现为肝脏肿大和弥漫性充血，肝细胞大量坏死，肾脏皮质变白，肾小管上皮细胞肿胀出血[41]。采食T-2/HT-2 毒素污染的日粮可导致肉鸡血清转氨酶活性显著提升，诱导肝脏氧化损伤[51]。ZEA 可引起仔猪肝细胞和肾小管上皮细胞颗粒变性[52]，动物（鸡、猪）血清转氨酶活性显著升高，总蛋白和白蛋白含量显著降低[53-54]。Xu 等[53]在肉鸡上的研究发现，ZEA 可在肝、肾组织中大量蓄积，从而解释了ZEA 诱导肝脏和肾脏损伤的原因。DON 也可引起蛋鸡肝脏和肾脏组织损伤，抑制肝脏的抗氧化能力[55]。给5 周龄仔猪喂食1.5 mg/kg DON 污染的饲料后，肝脏出现明显病变[48]，而膳食4.59 mg/kg DON对14周龄仔猪肝脏没有造成明显损伤[56]，2 种相反的结果提示幼龄动物可能对DON 的敏感性更高。FB1可导致仔猪肝脏损伤，表现为血清肝功能指标升高，肝脏细胞空泡变性，促炎细胞因子基因表达量增加，抗炎细胞因子基因表达量降低[46]。

Grenier 等[33]研究发现，日粮中添加DON 和FB1能引起仔猪肝脏、肾脏组织发生病理学改变，其损伤程度较单一毒素更为严重。ZEA 和DON 联合染毒具有亚加性效应，能显著提高小鼠血清转氨酶活性和肝细胞凋亡率，显著降低总蛋白和白蛋白含量[57]；可诱导小鼠肾脏功能障碍、氧化应激和细胞凋亡，表现剂量、时间依赖关系，且联合染毒可发挥亚加性的肾毒性作用[58]。2 mg/kg DON+1.3 mg/kg NIV+1.5 mg/kg ZEA 污染的日粮可导致仔猪肝细胞胞浆空泡化和局灶性坏死，且毒素间可能存在相互作用[48]。

2.5 细胞毒性及氧化应激 研究认为，镰刀菌毒素中T-2 毒素的细胞毒性最强，其次是NIV、DON、FB1和ZEA[59]。T-2 毒素可通过线粒体途径介导的氧化应激以及SAPK/JNK 和P38MAPK 信号转导通路的激活，诱导肝细胞、肠细胞、生殖细胞等多种细胞凋亡[28]。以猪肠上皮细胞（IPEC-J2）为模型，研究发现DON 诱导的氧化应激可能通过调控PI3K-AKT-mTOR 信号通路诱导自噬，激活凋亡信号通路而表现出细胞毒性[60]。DON可促进牛卵巢颗粒细胞凋亡，其作用机制可能与核毒素应激反应的激活有关[61]。研究表明，FB1的细胞毒性相对较小，只有在相对高的浓度下才观察到细胞死亡[62]。FB1可引起动物细胞氧化损伤和炎症反应，从而激活细胞凋亡和自噬，对肝细胞、肠细胞和免疫细胞等造成毒性作用[63]。ZEA 可抑制猪胎盘滋养层细胞（pTr）增殖，使pTr 细胞发生氧化损伤，导致细胞凋亡，影响胎盘和胚胎发育[13]；干扰IPEC-J2 细胞周期，抑制细胞增殖，诱导细胞炎症，造成细胞损伤[64]。郑王龙[65]探究了ZEA 致睾丸支持细胞（TM4）凋亡和细胞骨架损伤的分子机制，发现ZEA 可诱导氧化应激水平升高，而ROS 的升高可加剧内质网应激水平，激活ATP/AMPK信号通路，进而引起TM4 细胞周期阻滞和细胞凋亡的发生，且内质网应激-细胞自噬-氧化应激通路参与了TM4 细胞骨架损伤。上述研究结果提示，细胞的氧化应激和炎性反应可能是各类镰刀菌毒素诱发细胞损伤和凋亡的主要因素。

研究表明，在低细胞毒性剂量下，镰刀菌毒素联合染毒（DON+FB1、DON+ZEA 和NIV-T2）对细胞凋亡具有协同作用[59]。DON 与ZEA 联合作用能导致更为严重的细胞毒性，孙凯[66]研究发现，ZEA 与DON联合暴露具有协同效应，可诱导小鼠体外T 淋巴细胞活力下降和超微结构损伤，通过激活Fas/FasL 和线粒体通路参与调控T 淋巴细胞凋亡。Severino 等[67]报道，FB1+ZEA 或NIV+DON 联合染毒对猪淋巴细胞增殖的抑制作用较单一毒素更为严重，表现为协同效应。但Vejdovszky 等[68]报 道，DON+NIV、DON+ZEA 和NIV+ZEA 组合对人结肠腺癌细胞（Caco-2）的毒性具有拮抗作用，这可能与选择的细胞模型、毒素浓度和孵育时间有关。

2.6 致癌性及其他毒性 国际癌症研究机构已将FB1归为2B 类致癌物，DON 和NIV 认定为3 类致癌物。虽然ZEA、T-2 和HT-2 还未被列出致癌物名单，但其致癌性的研究也有诸多报道。Pajewska 等[69]在47 个人类子宫内膜癌组织样品中（共67 个样品）检测到α-ZOL的存在，由此推测ZEA 具有促进癌症发生的可能。类似地，邱思奇[70]研究发现，DON 和ZEA 对人肝癌细胞（HepG2）有显著的促增殖和促迁移作用，表明DON 和ZEA 具有潜在的致癌性。而ZEA 对癌细胞（乳腺癌、前列腺癌）具有促进和抑制增殖的双重特性，即在低浓度时刺激癌细胞的增殖，在高剂量时具有抗增殖作用[71]。T-2 毒素具有弱致癌性，长期摄入则会到内脏器官坏死甚至引发癌症[1]。

近年来研究发现，DON 可降低血脑屏障的完整性，从而允许DON 和其他毒素穿过屏障到达脑组织，对大脑神经元和神经胶质造成损害[72]；DON 具有血液毒性，摄入高浓度DON 可导致蛋鸡凝血功能异常[55]。T-2 毒素作为一种神经类毒素，可直接穿过血脑屏障，引起脑损伤[73]；可导致山羊血红蛋白含量、白细胞和血小板计数显著降低，引起造血和凝血障碍[41]。T-2 毒素也是大骨节病的可能致病因素，可诱导软骨细胞凋亡[74]。此外，ZEA 和DON 联合染毒能引起小鼠脑组织氧化应激和细胞凋亡，呈剂量依赖性和协同效应[75]。

3 总结与展望

综上，大部分镰刀菌毒素具有多方面的毒性作用，同时在某方面也可能具有突出的毒性表现，因此对单一毒素进行深入的毒理研究极为重要。镰刀菌毒素种类繁多，部分毒素的毒性研究还不够全面，仍缺乏相关数据，且大多毒素的分子作用机制还尚未完全阐明，有待进一步研究。此外，自然条件下受污染的饲料往往含有多种毒素，尤其镰刀菌毒素共存的概率极大，但当前国内外仍以单一毒素的研究居多，随着研究的深入，应多关注霉菌毒素间的互作效应和联合毒性作用，尤其在制定毒素的限量标准时不应仅仅参考单一毒素的毒性研究数据。最后，为保证动物健康以及畜产品安全，需加强脱毒方法的研究，尤其是在面对多种性质差异较大毒素共存时，如何进行有效脱毒是未来亟需解决的问题。