胃肠道线虫感染对反刍动物的影响及其防控措施研究进展

钟荣珍 王在森 向 海,3

(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林省草地畜牧重点实验室，长春 130102；2.美国兰斯顿大学，美国山羊研究所，兰斯顿 73050；3.中国科学院大学，现代农业科学学院，北京 100049)

反刍动物胃肠道栖息着大量细菌、真菌和原虫，同时也寄生着大量寄生虫。我国放牧牛、羊胃肠道线虫感染率达30%～100%，已成为限制反刍动物生产性能提高的重要因素。受反刍动物生理代谢的复杂性和技术手段的限制，反刍动物胃肠道线虫感染理论及其防治策略尚不十分完善，本文对反刍动物胃肠道线虫研究的必要性及其防治措施的研究现状进行了综述，旨在明确反刍动物与胃肠道线虫之间的相互作用及其重要意义，为反刍动物抗虫机理提供理论依据。

1 寄生线虫及其危害概述

在反刍动物养殖生产中，内寄生虫是最令人担忧的。据估算，寄生线虫造成的经济损失可达到每头羊每年24元，甚至更多[1-2]。根据美国动物健康监测系统的相关调查，寄生虫感染是动物死亡的第三大常见原因，因寄生虫感染导致的绵羊死亡数占绵羊死亡总数的9.6%，因寄生虫感染导致的山羊死亡数占山羊死亡总数的22.7%[3]。为方便不同领域读者的理解，本节简要概述寄生线虫的分类、生活史及其对动物的危害。

寄生线虫属于蜕皮动物，外形呈圆形或纺锤形，现已发现的线虫种类可能超过100万种。线虫主要分为三大类：刺嘴纲、矛线纲以及色矛纲。其中，色矛纲包含了脊椎动物中绝大多数的寄生线虫，主要种类包括粪类圆线虫、捻转血矛线虫、人蛔虫、环纹背带线虫、毛圆线虫属以及奥斯特亚属等，常见反刍动物胃肠道线虫种类见表1。

大多数线虫为卵生型。不同种类线虫具有不同的生活史，并且感染时期明显不同。矛线纲线虫在L1期便具备感染宿主的能力，而色矛纲线虫则必须到达L3期才具有感染能力。以反刍动物体内常见的捻转血矛线虫为例：虫卵在桑椹期由成年雌虫产出后，随粪便排出到外环境中发育。虫卵经过L1～L4期，便开始出现性别分化，发育为成虫。

不同寄生线虫导致的临床症状各异。有时受感染的动物可能没有明显的外部临床异常。然而，那些幼畜或者身处逆境、免疫系统受损、感染有大量寄生虫的宿主动物会呈现出相应的临床症状。这些症状可能包括：生长不良或体重减轻、产奶量或产毛量减少、腹泻、黏膜苍白(贫血)、水肿等。由于胃肠道线虫导致宿主胃肠道形态和生理生化环境的改变，宿主动物还可能会出现厌食或者挑食[5]。因此，寄生虫的防治是反刍动物生产管理中不可或缺的一环。

表1 反刍动物中主要的胃肠道线虫种类Table 1 Major gastrointestinal nematodes species in ruminants[4]

2 胃肠道线虫防治方法

市场销售的驱虫药苯并咪唑类和大环内酯类在治疗胃肠道线虫感染方面一直很有效。但在很多地方由于其大量使用致使寄生虫产生了耐药性，这些化学驱虫剂正在逐渐失去效力[6]。另外，随着人们对食品安全和食品中化学物质残留问题的关注日益增强，新的无公害的抗虫方法急需突破[7-8]。目前除了化学驱虫剂外，其他防治胃肠道线虫的手段也具备一定的抗虫效果。

2.1 放牧管理

合适的放牧管理可以有效降低放牧动物胃肠道线虫感染几率。一般而言，每一种放牧动物都有自己专属的胃肠道线虫种群。利用这一规律，在同一片牧场上可以放牧拥有不同胃肠道线虫的动物种群，从而帮助牧场清理胃肠道线虫。放牧过程中应将共享同种种类胃肠道线虫的动物分开[9]。

除了规划不同种类的动物放牧区域外，还可通过调整草地轮作方式来降低放牧动物胃肠道线虫感染几率。草地轮作休眠时间一般为30 d，但这恰巧与多数胃肠道线虫的发育时间一致，在休整后的草地进行放牧，将会使得放牧动物更容易感染胃肠道线虫，结果适得其反。因此，如果要创造更干净的牧场草地，应根据感染情况，至少休牧3个月以上[9]。如果采用草地轮作，最好结合适当的其他方法一起执行，如可以考虑在以前养过绵羊、山羊或鹿科动物的牧场上放牧马，以帮助新的宿主动物清理牧场。

2.2 营养调控

营养调控在胃肠道线虫控制过程中的重要性是毋庸置疑的[10]，营养良好的动物往往能够更好地抵抗胃肠道线虫带来的负面作用。一方面，宿主动物摄入足够的优质蛋白质可以保持其健全的免疫系统，降低粪便中虫卵数[11]，提高宿主动物对营养的消化与利用，使得宿主动物具有更强的胃肠道线虫抵抗力和恢复力[12]。同时，增加宿主饲粮的蛋白质水平会大幅增加宿主的生产性能并改善宿主肌肉品质[13-14]；另一方面，给宿主动物补充适当的维生素、矿物质以及能量也能增强宿主的抵抗力，特别是宿主动物营养需求增加的时期(如妊娠后期到哺乳期早期)[15]。综上可知，目前的所谓营养调控就是为宿主动物提供足够的营养，使其保持良好的体况，以增强对寄生虫危害的抵抗力。随着科学技术的发展、试验数据的积累以及对宿主动物抗虫机制的清晰认识，通过特定的营养素进行精准的抗虫调控就可成为现实。

2.3 饲喂含有鞣质的植物

研究表明，植物中的鞣质(单宁)似乎具备抗虫活性。当放牧动物感染胃肠道线虫后，它们会增加采食富含缩合单宁的植物(如菊苣、黄芪、胡枝子、红豆草、金合欢等)[16]。一方面，这些含有单宁的植物往往富含蛋白质和其他营养物质，能在一定程度上减少胃肠道线虫带来的负面作用[17];另一方面，单宁具备像化学驱虫剂一样的驱虫活性，能直接作用于线虫，使得线虫的超微结构发生变化，透射电镜检查发现胃肠道线虫萎缩，这可能导致幼虫无法进食，阻断了线虫的生理代谢，使其繁殖能力下降，从而达到抗虫作用[18]。除此之外，单宁能结合瘤胃中的可溶性蛋白质相结合，此结合物进入后肠道后，因pH变化而解离。此过程可增加过瘤胃蛋白，从而提高小肠可吸收氨基酸的比例。但单宁的摄入可能是利弊参半的。只有加入适量单宁(<60 g/kg)才能提高动物的蛋白质利用效率，并达到驱虫效果，如果单宁摄入过多，将导致动物生产力下降[19]。

2.4 食线虫真菌

食线虫真菌作为一种控制胃肠道线虫的生物方法已经用于实践。食线虫真菌主要通过菌丝形成菌丝陷阱来捕捉线虫。为了使真菌能够有效杀死胃肠道线虫并最终减少牧草污染，宿主动物粪便中必须含有大量的真菌[20]。这可以通过饲喂反刍动物真菌孢子来实现。这些真菌孢子随后会在粪便中发育成长，其菌丝可以缠绕并捕获粪便中的线虫幼虫。在反刍动物中，能成功存活于胃肠道中的真菌是Duddingtoniaflagrans[21]。目前已经有食线虫真菌的商业化产品BioWorma®在市场出售。由于受季节和环境的影响，该产品的有效性范围为0～100%，平均为80%左右[22-23]。如果这种生物控制方法可以与其他胃肠道线虫的控制策略一起使用，可创建一个更全面的胃肠道线虫控制方案。

2.5 胞外囊泡(extracellular vesicles，EVs)

EVs是一种起源于内体膜或质膜的膜囊泡。关于EVs的研究现在已经扩展到包括寄生虫在内的多种生物[24]。研究表明，部分线虫(包括Caenorhabditiselegans、Heligmosomoidespolygyrus、Trichurissuis、捻转血矛线虫、环纹背带线虫等)都能释放EVs[25]。

EVs已被公认在不同生物细胞间通信中发挥重要作用。它们能够携带蛋白质、脂质和核酸。这些分子被宿主受体细胞吸收，进而对宿主动物产生相应的影响。大多数已有的研究表明，胃肠道线虫的EVs分泌的产物会对宿主动物的免疫系统产生相当大的影响，并有利于新的化学驱虫剂与疫苗的制备，从而解决现有化学驱虫剂的耐药性问题[26-27]。例如，Heligmosomoidespolygyrus的EVs能够分泌miRNAs来抑制宿主巨噬细胞和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号[26,28]。同样，感染猪的蛔虫的EVs中也存在针对宿主的Th2型免疫反应的miRNAs[29]。这些结果支持了EVs在寄生线虫-宿主的交流中发挥作用的假设，意味着EVs可能成为治疗寄生线虫感染的有效手段。

3 宿主动物对胃肠道线虫感染的免疫反应

胃肠道线虫感染会引起宿主的免疫反应，主要是Th2型免疫(体液免疫)反应。Th2细胞产生的多种白细胞介素[白细胞介素-3(IL-3)、白细胞介素-4(IL-4)、白细胞介素-5(IL-5)、白细胞介素-9(IL-9)、白细胞介素-10(IL-10)和白细胞介素-13(IL-13)]参与了多种免疫反应的调控[30-31](表2)，导致B细胞产生不同亚型的免疫球蛋白[免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白E(IgE)和免疫球蛋白G(IgG)][32]；Th2细胞因子还将驱动包括嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、肥大细胞、巨噬细胞、杯状细胞在内的多种效应细胞被激活[33]。

这些观测到的免疫反应，有些对宿主具有保护作用，即可抑制寄生虫，而有些则无保护作用，即对寄生虫无明显损伤作用。这些无保护作用的免疫反应可能是寄生虫为逃逸宿主免疫损伤而产生释放的类免疫因子，这些类免疫因子触发了对寄生虫无损伤的免疫反应。限于篇幅，本文不再展开,读者可参阅有关文献[35-36]。

表2 胃肠道线虫感染过程中主要的细胞因子及其介导的主要免疫反应Table 2 Major cytokines and immune responses during gastrointestinal nematode infection[34]

4 宿主动物营养代谢

大量研究表明，胃肠道线虫的感染导致宿主胃肠道各部位的蛋白质和氨基酸代谢发生巨大改变。在感染Trichostrongyluscolubriformis的绵羊中，宿主多种组织(包括十二指肠、回肠平滑肌、肠系膜淋巴结等)的蛋白质分数合成率增加。这说明感染胃肠道线虫的宿主的肠道和肠系膜淋巴结将吸收更多的蛋白质用以受损组织的修补和免疫组织的正常运转[37-38]。然而，宿主动物生产组织(骨骼肌、皮肤与毛纤维)的蛋白质利用将有所减少[38-40]。目前有关于胃肠道线虫对宿主蛋白质和氨基酸代谢的研究仍在不断丰富。已有研究表明，感染Trichostrongyluscolubriformis的宿主羊小肠中的甲硫氨酸和半胱氨酸等含硫氨基酸的代谢发生明显变化[38,41]，但缬氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的代谢未发生显著变化[40,41-42]。除此之外，胃肠道线虫蛋白质(主要为脯氨酸)代谢也发生明显变化。

在讨论宿主营养代谢时，一个密切相关的领域——胃肠道微生物菌群对宿主健康的作用，已经引起多种学科研究人员的关注[43]。此外，宿主动物胃肠道微生物菌群的变化与胃肠道线虫的侵入息息相关[44]。例如：山羊感染捻转血矛线虫后，宿主皱胃19%的微生物菌群发生改变[45]；绵羊感染环纹背带线虫后厌氧细菌丰度改变[46]。这些微生物菌群改变受很多因素的影响：一方面，宿主的内环境变化导致胃肠道微生物菌群的变化[47]；另一方面，宿主动物受胃肠道线虫感染后免疫反应被激活，导致了胃肠道微生物菌群的改变[48-50]。同时，胃肠道微生物的变化还可能是受到胃肠道线虫分泌产物的影响[51]。目前为止，尚不清楚到底是哪一种原因导致微生物菌群的改变或者哪一种原因占主要优势，需要进一步的研究。

胃肠道微生物菌群的结构和组成的变化将导致胃肠道线虫感染的宿主相关蛋白质和氨基酸代谢明显改变。其中，变化最明显的微生物是普雷沃氏菌属(Prevotella)。Prevotella是反刍动物瘤胃和后肠中最丰富的菌属之一，它在蛋白质和碳水化合物的降解过程中起着至关重要的作用[52]。当捻转血矛线虫感染绵羊时，其皱胃中Prevotella的平均丰度提升了52.3%[45]。这种增长可能用来弥补胃肠道线虫感染期间宿主消化不良而导致的蛋白质不足。除此之外，许多促进宿主胃肠道健康的相关菌群丰度明显改变，例如，在感染捻转血矛线虫的山羊中发现具有抗炎作用的毛螺旋菌属(Lachnospiraceae)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)的数量在其皱胃中大量减少[45]；而具有免疫调节作用的拟杆菌属(Bacteroides)、Candidatusarthromitus(一种分段丝状细菌)的数量大量增加[53]。

5 小结与展望

综上所述，胃肠道线虫感染对反刍动物各个方面产生了相应的危害，目前而言并没有很好的策略来应对。鉴于反刍动物中寄生线虫的危害性和普遍性，以及寄生虫对目前驱虫药的抗药性，新的有效的防治措施亟需突破。在对宿主抗虫机理详细阐明的基础上，可利用特定营养素或其他活性物质进行精准抗虫调控，其中包括：特定免疫调控，即针对特定免疫因子的增强或抑制调节；对人畜无害的特定杀虫剂的研发。除此以外，其他防治方法，如长效疫苗的研发，亦有很好的前景。