单端孢霉烯族毒素诱导动物拒食反应机制研究进展

杨旭,黄婷玉,宋汶羲,王优爽,刘雨,姜义宝,张丛

(1.河南农业大学动物医学院,河南 郑州 450046; 2.河南农业大学动物科技学院,河南 郑州 450046)

真菌毒素是真菌生长中产生的有毒代谢产物,对动植物具有极大的危害。真菌毒素会滋生在玉米、小麦和大豆等,导致全球每年约有25%的粮食作物遭到污染[1]。动物摄入被真菌毒素污染的饲料时,其健康会受到危害,包括神经紊乱、胃肠道疾病和肝脏损害等,进而导致养殖业损失惨重。随着现代养殖业的发展,真菌毒素的危害逐渐受到关注。单端孢霉烯族毒素(trichothecenes,TS)是一类由镰刀菌产生的次级代谢产物,是自然界较为常见的真菌毒素。随着TS的摄入,动物会出现一系列不良反应,包括拒食、呕吐、生长迟缓、神经内分泌紊乱和免疫毒性等。动物的摄食行为受包括迷走神经在内的多种因素调控。其中,参与调控食欲的胃肠道激素和神经递质等能通过调控血糖水平、摄食行为和胃肠道动力学来调节采食量。拒食反应表现为食物摄入量减少,进而导致动物机体因营养摄入不足出现生长迟缓、发育不良等症状,严重时可导致动物死亡。由于食物链富集现象,人摄入有TS残留的动物性食品时,毒素会在人体内积蓄并造成严重危害。农作物在生长和收获、运输和储存过程中都有可能被TS污染,而谷物加工前处理并不能完全去除TS。拒食反应是摄入TS后引起的急性中毒的典型症状,相关机制涉及TS上调或抑制食欲调控的相关激素、神经递质和细胞因子等的表达。因此,概述了TS的来源和分类,并重点论述了TS引起动物拒食反应的相关机制,为防治并降低其危害提供理论依据。

1 单端孢霉烯族毒素概述

TS在自然界中十分常见,在温暖潮湿的地区容易滋长,并随着被污染的谷物进入动物机体,进而对动物和人体健康造成极大伤害。TS的存在已经引起了广泛关注,针对TS脱毒方法的研究也在逐步推进,以更高效地预防与治理TS造成的毒害。

1.1 单端孢霉烯族毒素来源

TS是由镰刀菌属(Fusarium)的禾谷镰刀菌、黄色镰刀菌、拟枝孢镰刀菌、梨孢镰刀菌和茄病镰刀菌等菌株产生的结构相似、能够危害动物健康并造成严重疾病甚至死亡的有毒次级代谢产物,在自然界中十分常见[2-5]。TS能够污染大米、玉米、花生和麦类等多种农作物,使其质量下降,产量减少,进而造成严重的经济损失。研究表明,中国中部和东部地区在玉米中检测出的TS污染主要以脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol,DON)为主[6]。陈新元等[7]对四川省绵阳、南充、德阳等7个粮食主产区的玉米、小麦和水稻样品进行镰刀菌毒素污染水平检测,结果表明,DON检出率显著高于其他毒素。TS的产生受气候条件、谷物自身缺陷和水分含量等因素的影响,在潮湿温热地区,谷物更易受到TS污染。高含水量谷物在0～32 ℃均能产生TS,处于15 ℃环境下时产出量最高[2]。动物在口服或皮肤接触TS后均会产生不良反应[8]。TS随谷物饲料进入动物机体后会对动物机体的免疫系统、神经系统、血液系统、生殖系统和造血系统等产生一定的毒性作用。

1.2 单端孢霉烯族毒素分类

TS是由多个融合环组成的倍半萜化合物,其家族化合物都具有1个C12～C13位的环氧基团,这是主要的毒性基团。目前,已分离出的TS化合物有200多种。根据TS在骨架上5个位置的取代基不同,TS被分为A、B、C和D共4个类型[9]。A型TS的特点是在C8位上有1个非酮功能团,且在C4～C15中没有大环,其代表化合物有T-2毒素、HT-2毒素、蛇形毒素(diacetoxyscirpenol,DAS)和新茄病镰刀菌烯醇(neosolaniol,NEO)。B型TS的特点是在C8位上有羰基取代基,其代表化合物有DON、3-乙酰基脱氧雪腐镰刀菌烯醇(3-ADON)、15-乙酰基脱氧雪腐镰刀菌烯醇(15-ADON)、雪腐镰刀菌烯醇(nivalenol,NIV)和镰刀菌酮-X(fusarenon-X,FX);C型TS的特点是在C7～C8或者C9～C10中有1个环氧基团,其代表化合物有巴豆菌素(crotocin);D型TS的特点是C4～C15中形成带酯基的大环结构,其代表化合物有疣孢菌素A(verrucarin,VA)和黑葡萄穗霉毒素G(satratoxin G,SG)[10-12]。自然界中TS主要以A型和B型为主,其引发的拒食反应较为常见,因此着重综述A型和B型TS引起的拒食反应机制。

2 TS诱导动物拒食的反应机制

拒食反应是TS中毒的典型临床症状。TS进入动物机体后通过神经和体液来调控食欲,主要包括迷走神经、胃肠道激素、神经递质和细胞因子。

2.1 迷走神经在TS诱导动物拒食反应中的作用

迷走神经是第10对脑神经,属于混合性神经,富含感觉、运动和副交感神经纤维。迷走神经受损时会导致循环、呼吸和消化等功能的失调。近年来肠-脑轴在食欲的调控中起到了重要的作用,而迷走神经在其中负责信号的传递。摄入的食物进入胃肠道时,能够引起胃肠道黏膜分泌出胆囊收缩素(cholecystokinin,CCK)、胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)和酪酪肽(peptide tyrosine-tyrosine,PYY)等饱感激素,经由迷走神经将信号传送至中枢神经系统中与摄食和消化有关的部位。此外,迷走神经也能够接收到中枢与外周神经系统传来的终止摄食的信号。上述2种途径均能够引起食欲减弱[13]。研究表明,切断迷走神经可以削弱胃肠激素的饱感效应,而刺激迷走神经则能够引起一些胃肠激素的释放[14]。吴文达[15]将小鼠迷走神经切断后,给小鼠腹腔注射DON,结果表明动物采食量并无显著差异,且切断迷走神经也不能抑制DON诱导的拒食反应,即切断迷走神经并不能对DON诱导的拒食反应产生显著影响。据此推测,能引起拒食反应的信号并不仅通过迷走神经传递。为了验证迷走神经在拒食反应中的作用,首先确定通过迷走神经传递信号的物质,干扰这些物质从其他通路传递抑制食欲的信号,然后设置阻断与非阻断迷走神经的不同组别观察结果,才能更加准确判断迷走神经能否单独影响TS诱导动物产生的拒食反应。此外,食欲的调节是由许多不同的因素共同作用来达成的,迷走神经可以与下丘脑建立起连接,相关信号能够从消化道和外周血管通过迷走神经中传输到下丘脑的食欲控制中枢,同时下丘脑也可以释放相关信号通过传出性的迷走神经来调控其他组织和器官,控制机体进食行为。这或可成为探究迷走神经在包括T-2毒素、NEO和FX等不同TS引起的动物拒食反应机制的重要方向。

2.2 胃肠道激素在TS诱导动物拒食反应中的作用

胃肠道激素参与调节胃肠道的消化和营养物质的吸收,还发挥着调控食欲的作用。胃肠道能够在采食后产生饱腹感,也能够在长时间未摄食时产生饥饿感。而TS能够通过干扰胃肠道激素的分泌来抑制动物的食欲,产生拒食反应。胃肠道中有许多激素能够发挥调控食欲的作用,其中CCK、GLP-1、葡萄糖依赖性促胰岛素多肽(glucose-dependent insulinotropic polypeptide,GIP)、酪酪肽3-36(PYY3-36)、胃泌酸调节素(oxyntomodulin,OXM)、促胰液素(secretin)起到抑制食欲的作用;胃饥饿素(ghrelin)、胃动素(motilin)等起到促进食欲的作用。这些激素通过刺激胃肠道的迷走神经,将信号传送到下丘脑,也可以直接作用于脑部神经来调控食欲。促进食欲或抑制食欲的胃肠道激素在食欲调控、胃肠道运动和消化吸收的过程中都会起到重要的作用[16-17]。胰高血糖素样肽-17-36(GLP-17-36)能够通过葡萄糖来促进胰岛素的活性,还具有抑制胃酸分泌和胃排空的作用,同时能够调节胰高血糖素的释放量,使其受到抑制并调控胰腺β-细胞使其质量增加[18-20]。研究发现,在大鼠外周和人脑室内注射PYY3-36都会导致食欲下降、食物摄入减少,甚至导致体质量减轻[21-22]。对小鼠分别灌胃或腹腔注射攻毒T-2毒素、HT-2毒素、DAS和NEO均能够显著上调胃肠道饱感激素CCK、GLP-1、PYY3-36和GIP的浓度,同时伴随着采食量降低[16]。据此推测,TS诱导动物的拒食反应是通过干扰胃肠道激素的分泌来抑制动物食欲产生的。CCK通过抑制腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)磷酸化和激活可卡因苯丙胺调节转录因子(cocaine amphetamine-regulated transcript,CART)和促甲状腺激素释放激素(thyrotropin-releasing hormone,TRH)的表达来抑制摄食[23]。有研究结果显示,DON通过激活钙敏感受体(calcium sensing receptor,CaSR)和瞬间受体电位离子通道(transient receptor potential A1,TRPA1)2条通路引起GLP-1释放增多,GLP-1受体受到刺激后,将信号传入到下丘脑的食欲调节中枢,引起拒食反应[24-25]。DON能够诱导血浆中PYY3-36的浓度水平上升,PYY3-36作用于Y2受体将信号传递到下丘脑内调控食欲的区域,引起拒食反应[26]。对小鼠灌胃攻毒DON后引起了血浆中GIP浓度水平显著升高,使小鼠采食量降低[27]。A型与B型TS只有少数取代基不同,化学结构高度相似,因此毒理学特征也相似。DON通过上调胃肠道激素如PYY3-36、GLP-1和GIP等的浓度水平,来调节机体采食行为的机制,可为探究T-2毒素、HT-2毒素、DAS和NEO等诱导拒食的机制提供借鉴意义。

2.3 神经递质在TS诱导动物拒食反应中的作用

神经递质是由化学突触信号来进行神经传递的内源性物质,大多数神经递质可以通过简单的生物合成过程转化得到,该生物过程的合成原料是从饮食中获得的氨基酸等多种前体物质。神经递质在食欲调节和体质量调控中发挥着重要的作用,包括5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)和P物质(substance P,SP)等。5-HT是单胺类神经递质,SP是11个氨基酸组成的多肽,二者由不同部位的肠嗜铬细胞产生并分泌。5-HT和SP是2种能通过中枢神经系统和外周神经系统发挥作用并使食欲降低减少摄食的神经递质[28]。当在中枢神经系统和外周神经系统注射5-HT激动剂后会引起摄食量下降[29],而在脑室内和腹腔注射5-HT均抑制摄食行为[30]。DON诱导小鼠的拒食反应在阻断5-HT受体时得到缓解。这表明5-HT主要是通过作用于5-HT受体来调控食欲的[31]。A型TS中T-2毒素和HT-2毒素可能是在进入胃肠道环境后,刺激肠嗜铬细胞,使其分泌5-HT,后者随着血液循环到达全身各处,当受体5-HT1β和5-HT2C受到5-HT的作用时对食欲进行调控;5-HT也能通过血脑屏障到达下丘脑的食欲调节中枢,抑制食欲从而导致拒食[32-34]。此外,大鼠脑室内注射SP会导致摄食和饮水均受到抑制[35];腹腔注射SP可抑制大鼠的摄食行为并减缓胃排空[36]。A型和B型TS分别以T-2毒素和DON为例,这2种毒素均可诱导血浆中SP水平上升,而SP可以通过作用于神经激肽1(NK1)受体(GPCRs)发挥调控食欲的功能,也可通过激活下丘脑内的阿黑皮素原(proopiomelanocortin,POMC)的表达来抑制食欲[37-38]。这也说明神经递质是能够促进神经传递的物质,在食欲调控和能量平衡中发挥着重要作用[39]。

2.4 细胞因子在TS诱导动物拒食反应中的作用

细胞因子是一种参与免疫调节的小分子蛋白质,通过自分泌、旁分泌和内分泌3种方式来影响周围的细胞,而TS可攻击机体的免疫系统,调节机体细胞因子的表达水平。细胞因子可根据功能不同分为7类,包括趋化因子、干扰素、白细胞介素、集落刺激因子、肿瘤坏死因子、转化生长因子β家族和生长因子。某些促炎因子,例如白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、白细胞介素-2(IL-2)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-8(IL-8)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和干扰素-γ(interferon-γ,IFN-γ)均能够抑制食欲,引起采食量降低[40]。除此之外,通过细胞因子引起厌食和代谢亢进是机体应对各种免疫刺激产生的急性期反应之一,细胞因子对胃肠道的蠕动有一定的调节作用,能够影响内分泌系统,改变下丘脑正常的神经递质和神经肽分泌从而调控采食行为[41-42]。研究表明,白细胞介素-6(IL-6)能够通过神经Gp130受体发出的有关信号调控摄食行为和能量平衡,而部分血浆中的IL-6也与拒食的发生有关[43]。TS具有一定的免疫毒性,对机体细胞因子的表达水平造成影响[44]。研究表明,T-2毒素能上调IL-1β、IL-6和TNF-α mRNA的表达[45-46];DON能够引起IL-1β和TNF-α等巨噬细胞内的细胞因子的表达升高[47]。TS激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和JAK(janus kinase)/信号转导子和转录激活子(signal transducer and activator of transcription,STAT)通路引起IL-1β、IL-6和TNF-α的产生[48]。细胞因子能够激活核转录因子-κB(nuclear transcription factor-κB,NF-κB)通路减少小鼠的采食量,引起拒食反应[49-50]。据此推测,TS可通过上调细胞因子的表达来降低食欲。当炎性细胞因子表达水平上调后,能够改变胃功能、调控食欲相关激素的表达,从而引起下丘脑和其他神经中枢对食欲的抑制。

2.5 TS引起动物拒食反应的最大无作用剂量和最小有作用剂量

在TS引起拒食反应的试验过程中,研究人员对不同种类TS引起动物拒食反应的最大无作用剂量(no-observed adverse effect level,NOAEL)和最小有作用剂量(lowest observed adverse effect level,LOAEL)进行了统计。NOAEL是指一种外来化学物质在一定时间内,通过某种方式或途径与机体发生接触,通过现代检验方法和最敏感的观测指标无法观测到的对机体造成伤害的最大剂量;而 LOAEL则指的是可以观测到身体损害的最小剂量。因此,NOAEL和LOAEL是评定不同种类TS对机体损害作用的主要依据,能够帮助制定各类谷物中不同种类TS的最高安全限量标准。吴文达[15]、张杰[16]分别对A型和B型TS诱导动物拒食的NOAEL和LOAEL进行统计。A型TS中,T-2、HT-2和NEO无论是腹腔注射还是灌胃攻毒的NOAEL均为0.01 mg·kg-1,LOAEL均为0.1 mg·kg-1;而DAS腹腔注射攻毒的NOAEL小于0.01 mg·kg-1,LOAEL为0.1 mg·kg-1,灌胃攻毒的NOAEL为0.1 mg·kg-1,LOAEL为0.5 mg·kg-1。B型TS中,DON、3-ADON、5-ADON腹腔注攻毒的NOAEL均为0.5 mg·kg-1,LOAEL均为1 mg·kg-1,灌胃攻毒的NOAEL均为1 mg·kg-1,LOAEL均为2.5 mg·kg-1;FX无论是腹腔注射还是灌胃攻毒的NOAEL均为0.025 mg·kg-1,LOAEL均为0.25 mg·kg-1;NIV腹腔注射攻毒的NOAEL为0.01 mg·kg-1,LOAEL为0.1 mg·kg-1,灌胃攻毒的NOAEL为0.1 mg·kg-1,LOAEL为1 mg·kg-1。以上数据可以为制定饲料中TS限量标准提供支撑。

3 存在问题与展望

TS广泛存在于食物和饲料中,造成的危害不容忽视。拒食反应是TS中毒的典型临床症状。因此,围绕TS的基本信息和TS诱导动物拒食机制的研究进展进行论述,即TS可通过增加胃肠道饱感激素浓度、提高神经递质浓度和上调细胞因子表达来调控食欲,进而引起拒食反应。TS引起的拒食反应的过程并不是受单一因素影响,而是迷走神经、胃肠道激素、神经递质和细胞因子等多种因素相互作用产生的结果。但是,由于T-2毒素、HT-2毒素、DON、NIV、巴豆菌素和VA等毒素在化学结构之间存在细微差异,这些毒素引起拒食反应的作用机制并不完全相同,因此还有待进一步探索。

NOAEL和LOAEL是判断TS对机体损害作用的主要依据。目前,二者在不同动物种属中的具体数据还需进一步确定。迷走神经分布在机体各处,支配胃、肝、咽、耳和心等多个器官的感觉、运动及腺体分泌。关于迷走神经在机体暴露TS引起拒食反应中的作用,可采用阻断特定部位的迷走神经传递的方法来判断,如切断肠道迷走神经或TS的靶器官肝脏中迷走神经等。胃肠道激素、神经递质和细胞因子在机体暴露TS引起拒食反应的机制研究已相对充分,但三者之间的相互影响以及具体哪种信号是TS引起拒食反应的关键环节仍需深入发掘。目前,对应用植物源性活性物质或中药疗法治疗/缓解TS诱导的拒食反应仍属空白,发掘植物源性活性物质或中药非药用部位中活性成分可为防治TS诱导的拒食反应提供新的解决思路。鉴于肠道菌群在食欲调控中的作用,针对TS改变动物肠道菌群的组成和丰度,以及通过肠-肝轴、肠-胃轴或肠-脑轴引起动物拒食反应等问题还有待进一步研究。