茶多酚对氧化应激诱导的奶牛疾病的调控作用

2023-07-30马莉花马学虎马燕芬

饲料研究 2023年9期

马莉花马贵马学虎马燕芬

（宁夏大学农学院宁夏回族自治区反刍动物分子细胞育种重点实验室，宁夏银川 750021）

围产期奶牛会经历一系列的代谢应激，以满足胎儿生长和泌乳所需的能量以及其他营养素的需求。高强度的代谢导致氧需求量显著增加，奶牛体内的需氧细胞产生一系列超氧阴离子、氢氧根离子、过氧化氢等活性氧（ROS）。ROS 的产生与清除之间的不平衡可能会使奶牛产生氧化应激[1]。氧化应激状态下奶牛机体的代谢增强，免疫功能失调，炎性反应频发，机体对疾病的易感率上升，奶牛易患乳腺炎、酮病及瘤胃酸中毒（SARA）等[2-3]。因此，通过提高奶牛机体的抗氧化性来缓解氧化应激对预防奶牛产生代谢病以及炎性疾病至关重要。

茶多酚含有多种生物活性成分，可作为一种绿色的天然抗氧化剂，将其添加到奶牛日粮中可用来预防和缓解奶牛的氧化应激。许多研究已证明，茶多酚主要通过降低丙二醛（MDA）含量、增强超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶活性来缓解氧化应激所致的氧化损伤[4]。因此，在饲料中合理添加茶多酚可为奶牛的健康养殖提供一种新的思路。

1 氧化应激的产生及危害

1.1 氧化应激的产生

正常情况下，机体会源源不断地产生ROS，同时可以及时清除ROS以保证机体正常生理活动的进行。然而，过量的ROS会导致脂质过氧化，损害蛋白质和DNA，破坏细胞结构的完整性，从而影响细胞正常的代谢活动，最终抑制细胞功能的发挥。机体内ROS 的产生与抗氧化防御能力之间的不平衡是诱导氧化应激的主要原因。机体内的抗氧化防御系统包括酶促和非酶促两种。其中酶促系统主要由SOD、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）等体内自生的抗氧化酶组成[5]，而维生素C、胡萝卜素、抗坏血酸和类黄酮等组成了机体的非酶促抗氧化防御系统[6]。围产期奶牛（产犊前21 d到产犊后21 d）在妊娠、产犊、泌乳期间，代谢需求显著增大，机体在短时间内产生的自由基数量远远超过了机体的清除防御能力。自由基的堆积会进一步导致机体代谢紊乱，即发生氧化应激[7]。

1.2 促炎反应

氧化应激的发生还会激活核转录因子（NF-kB）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）等氧化还原敏感信号的转导途径，同时还会增加白细胞介素-1β（IL-1β）、白细胞介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等促炎因子的表达[8-9]，介导炎症的发生。核转录因子E2相关因子2（Nrf2）是调节细胞氧化还原反应的关键因子[10]。围产期奶牛诱导氧化应激主要是通过降低Nrf2 的核移位和转录来增强氧化损伤，损害细胞蛋白质、脂质和DNA 结构，致使细胞凋亡，进一步促使炎症反应的发生。而MAPK-Nrf2则是通过与抗氧化反应元件（ARE）相互作用，即形成MAPK-Nrf2-ARE 信号通路。该通路是动物机体调节自身氧化还原的一条重要的防御通路，通常情况下，可以增强下游相关Ⅱ相解毒酶如血红素氧合酶-1（HO-1）和抗氧化酶如SOD、CAT、谷胱甘肽转硫酶（GSTs）的活性[11]，达到加速对过量自由基的清除，缓解奶牛氧化应激。但当该信号通路中的信号分子的表达被抑制时，自由基的清除作用就会减弱，从而打破机体内部的抗氧化平衡，致使机体出现氧化损伤，进一步诱发各种炎症反应的发生。

1.3 免疫功能失调

免疫平衡可以有效维持免疫系统发挥正常生理功能，参与免疫应答的因子被激活和抑制失去平衡就会产生免疫应激，使动物健康受到威胁。脂多糖（LPS）可通过激活某些实质细胞来诱导炎性因子的表达[12]。免疫细胞表面的模式识别受体-Toll样受体（TLR4）是LPS识别的主要受体，其髓样分化因子88（MyD88）是TLR4 信号通路的关键接头分子，能够与NF-kB 构成炎症反应的通路[13]。当氧化应激产生的ROS引起炎症反应时，TLR4就会被LPS激活，紧接着会激活MyD88的依赖途径和下游信号分子，包括NF-kB、MAPK 和干扰素调节因子3（IRF3）。这些信号分子不仅可以识别病原相关分子模式，同时还可以识别因氧化应激出现的损伤相关分子模式并诱导巨噬细胞、嗜中性粒细胞和淋巴细胞的表达，启动免疫反应[9,11]。可见，机体的免疫细胞对氧化应激产生的ROS 十分敏感，当ROS 无法及时被清除，免疫细胞的生理功能不能正常表达，就会降低机体的免疫力，导致机体免疫功能失调。

2 茶多酚的生物学作用

茶多酚又名茶单宁、茶鞣质，是从茶叶及其副产物中提取出来的多酚类化合物，含有儿茶素、花青素类、黄酮、黄酮醇类以及酚酸类等多种生物活性成分，其中儿茶素含量最高，占茶多酚总量的60%～80%[14]。茶多酚具有抗氧化、抗肿瘤、抑菌、抗病毒、抗辐射等多种生物学功能[15-17]。茶多酚高效的抑菌杀毒作用可有效抑制细菌、病毒的活性，改善肠道微生物菌群结构[18]。研究表明0.3%～0.8%的茶多酚具有有效的抗炎和促外伤愈合作用[19]。此外，茶多酚的抗氧化功能还能有效清除动物机体产生的ROS，增强动物机体的免疫力，降低疾病的易感率。茶多酚绿色环保，可以消除抗生素带来的抗生素残留、耐药性增加和生产性能下降等一系列副作用，在增加经济效益的同时也为人类的健康减少了隐患。由此可见，茶多酚可作为一种饲料添加剂应用于动物养殖中。茶多酚主要通过以下两个方面减缓机体氧化应激：一方面，茶多酚特殊的酚羟基结构具有很强的金属离子螯合能力，减弱了金属离子的催化作用，减少了过氧化物的生成[20]；另一方面，茶多酚可通过激活Nrf2-ARE通路促进抗氧化蛋白和Ⅱ解毒酶等相关因子的表达[21]，进而提高奶牛机体的抗氧化能力。

3 茶多酚对氧化应激诱导的相关疾病的调控作用及应用

3.1 茶多酚对奶牛乳腺炎的调控作用

奶牛发生乳腺炎是乳腺组织受到病原微生物的侵袭、内源物刺激等发生的炎性反应。围产期奶牛在氧化应激状态下体内多余的自由基攻击乳腺细胞，抑制了乳腺细胞的分化、增殖及代谢活动，造成乳腺细胞的氧化损伤，使奶牛泌乳量下降且乳品质低。可见，奶牛乳腺炎不仅影响养殖场的经济效益，还关乎消费者的身心健康。奶牛一旦患上乳腺炎，造成的不良影响几乎是不可逆的，因此从源头上预防奶牛乳腺炎的发生至关重要。氧化应激诱导奶牛乳腺炎的发生可以由多个信号通路实现。一种是ROS 通过激活MAPK 信号通路下游的c-Jun 氨基末端激酶（JNK）、细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）来诱发乳腺细胞产生炎性反应和凋亡，引起乳腺炎[22]；其次是ROS 在激活NF-κB信号通路后激活NOD 样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）炎性复合体，促进IL-18 与IL-1β 成熟，从而诱发乳腺炎[23]；此外，TNF-α 激活NF-κB 途径，IL-1β 和IL-6 激活MAPK 途径，而NFκB/MAPK途径的激活增加了炎症因子的分泌，诱导细胞炎性反应和凋亡，最终导致乳腺炎的发生[24]。

茶多酚所包含的酚类、酸类和黄酮类等多种生物活性物质对引起乳腺炎的信号分子具有靶向抑制作用，可以有效减缓奶牛氧化应激和降低乳腺炎的发生率。茶多酚可激活Nrf2-ARE 通路上调Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶活性，提高机体抗氧化水平，进而缓解氧化应激对乳腺上皮细胞产生的氧化损伤[25-26]。因此，对Nrf2 及其下游靶基因和抗氧化酶的调控构成了茶多酚对抗氧化应激的重要机制。茶多酚还可以通过降低乳腺上皮细胞TNF-α、IL-6 和mRNA 的表达量来降低LPS 诱导的IKB 激酶β（IKK-β）的活性，并降低IkB-α 和NF-kB 的磷酸化水平，进而抑制NF-kB 信号通路的激活来减少促炎细胞因子的产生，减少了乳腺炎的发生[27]。茶多酚还可通过上调血浆中IL-6 和IL-10 的浓度，下调TNF-α、IL-1β、IL-2，IL-8 和干扰素-γ 的浓度[28]，进一步缓解氧化损伤。有研究表明用20～100 μg/mL 茶多酚预处理100 μmol/L 过氧化氢建立的氧化应激模型，其中乳腺上皮细胞的凋亡率可下降到16.30%，死亡率低达6.33%，存活率可达到77.17%，说明一定浓度的茶多酚可以减缓乳腺上皮细胞的氧化损伤[4]。此外，茶多酚中的酚羟基具有金属离子螯合能力，可结合氢离子生成酚氧自由基，从而降低金属离子对氧化反应的催化作用，减少自由基的生成，进一步缓减氧化损伤[20]。由此可见，茶多酚作为一种纯天然的“药物”，其中包含的生物活性物质在奶牛乳腺炎的预防与治疗方面可以发挥有效的作用。

3.2 茶多酚对奶牛酮病的调控作用

酮病是围产期奶牛频发的一种营养代谢性疾病。奶牛在产后极易进入氧化应激状态，产生大量自由基和脂质过氧化物，体内的体脂动员过剩造成大量酮体累积，从而导致奶牛酮病的发生。奶牛通过动员体内的脂肪存储来补偿妊娠最后几周胎儿的快速生长和产奶量上升的能量需求，奶牛在能量赤字下处于代谢负平衡状态[29]。这种状态下，葡萄糖供应与需求之间出现的明显失衡是奶牛易感酮病的主要原因。当直接供给机体的葡萄糖很少时，体内大部分糖只能通过糖异生作用获得，奶牛出现低血糖的症状，随之碳水化合物水平下降，胰岛素分泌减少，脂肪动员增加，肝脏生酮作用增加，奶牛出现乳酮、尿酮、血酮等现象。据报道奶牛血清中至少有3 个连续的β-羟基丁酸样本≥1.2 和≤2.9 mmol/L 被认为是亚临床酮症[30]。患病奶牛的临床症状主要表现为采食量减少、反刍减少甚至停止、泌乳量下降、乳品质不佳等[31]。奶牛酮病的发生使奶牛的生产力明显下降。研究表明，多胎次奶牛患亚临床酮病使得泌乳持续力显著下降，在奶牛产后第7和14 d，亚临床酮病奶牛的泌乳量较正常组下降了2.49 kg和2.30 kg[32]。由此可见，降低奶牛酮病的发生率可以有效改善奶牛的健康状况和生产性能，增加牧场的盈利。

茶多酚可以通过调节脂质代谢来缓解奶牛酮病的发生，其机理主要是通过调节肠道微生物多样性、激活能量转换器腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）、促进内质网上线粒体的生物合成、减少氧化应激反应等途径来实现的。茶多酚的主要成分表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）可能是动物胃肠道微生物群的合适底物，其代谢物会到达结肠并暴露于大量的微生物群中，改善微生物群的生长和组成，以减少高脂肪饮食诱导的脂质代谢异常[33]。此外，围产期奶牛在泌乳早期肝脏中存在内质网应激，由于内质网应激引起脂肪肝、酮症或炎症的发生，因此内质网应激诱导的未折叠蛋白质反应是导致围产奶牛肝脏中常见的病理生理状况的主要原因[34]。研究发现，奶牛采食富含绿茶（95%）和多酚的姜黄提取物（5%）的日粮后，可以有效降低肝脏中的甘油三酯和胆固醇含量，促进产奶量和预防脂肪肝综合征[35]。此外，采食富含多酚的植物提取物显著降低MAD的含量，阻碍SOD、CAT的活性下降，以此提高机体的抗氧化水平，减轻氧化应激导致的肝脏损伤，减少酮病的发生[36]。综上所述，茶多酚对预防奶牛酮病方面起到积极有效的作用。

3.3 茶多酚对奶牛瘤胃酸中毒的调控作用

瘤胃内环境的稳定有利于维持奶牛生产性能的稳定。奶牛的高浓缩日粮必须含有足够的物理有效纤维来刺激反刍、唾液产生和瘤胃缓冲[37]。为保证围产期奶牛高产乳能量的需求，需要饲喂高精料日粮，高精料的大量饲喂破坏了瘤胃自我调节能力，导致饲料在瘤胃内发酵，产生大量挥发性脂肪酸、乳酸等有机酸，降低瘤胃内环境pH 值。瘤胃pH 值是衡量瘤胃健康的重要指标[38]。随着发酵的进行和乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐等发酵产物浓度的增加，瘤胃中的挥发性脂肪酸含量进一步增加，瘤胃内pH 值持续下降，瘤胃内微生物区系平衡受到破坏，当瘤胃pH 值低于5.8 时，SARA 的发生率增加[39]。当pH 值降低到5.5[37]，即瘤胃pH 阈值，引发SARA。瘤胃酸中毒临床上分为急性和亚急性病[40]，围产期奶牛易患急性瘤胃酸中毒。而奶牛患SARA 可以使其一天内的牛奶产量降低2.7 kg，乳脂量降低了0.3%，奶蛋白量降低0.12%[41]，严重影响奶牛的生产性能，导致牧场经济损失严重。

茶多酚中的单宁、多酚及黄酮类物质对预防与治疗奶牛SARA 具有十分可观的作用。单宁又称单宁酸、鞣质，是高分子量水溶性的多酚类化合物[42]。单宁通过调整瘤胃微生物群组成抑制不饱和脂肪酸的生物氢化反应，还可以在不影响纤维消化的情况下与瘤胃微生物群相互作用，从而改善微生物群的组成及结构[43]。研究表明，单宁酸可以降低血清中与氨基酸代谢产物相关的N-乙酰-L-组氨酸和L-3-甲基组氨酸的含量和淀粉样蛋白A、白细胞介素-1β和LPS的浓度，提高蛋氨酸和胆碱含量[44]。2.5%的单宁酸处理的玉米原料可以提高瘤胃内玉米的降解抗性，进而在一定程度上避免SARA 的发生[44]。此外，多酚对革兰氏阳性纤维化菌和纤毛虫均有抑制作用，可以减少挥发性脂肪酸的产生，阻碍pH值的进一步下降[43]。研究表明，日粮中补充类黄酮物质可以增加瘤胃中消耗乳酸的微生物数量，增加丙酸盐的瘤胃摩尔比例，并降低了乙丙酸盐的比例，从而改变整个瘤胃微生物群并刺激了产生丙酸盐的细菌的生长，有效改善奶牛瘤胃发酵和降低瘤胃酸中毒的发生率[45]。茶多酚还可以显著提高瘤胃氨态氮水平，提高血清中SOD活性和降低MDA含量，使乙酸与丙酸的比值下降，改变瘤胃发酵产生的挥发酸组成，从而影响瘤胃发酵模式，提升奶牛的能量代谢，减少了SARA 带来的不良影响，增强奶牛的免疫功能，进一步提高奶牛的经济效益[46]。

3.4 茶多酚在动物生产中的应用

茶多酚作为一种天然的抗氧化剂被应用于动物生产中，可以代替抗生素所产生的生物学效应，促进“无抗”养殖的发展。目前，茶多酚在畜禽生产中已被证实具有促进生长发育、改善生产性能等作用。在仔猪饲粮中添加适宜的茶多酚可以促进细胞因子分泌，进而促进仔猪生长发育[47]。在育肥鸡饲粮中添加0.04%的茶多酚可以明显提高肉鸡的生长性能及肉品质[48]。此外，茶多酚在奶牛的抗氧化方面效果也十分显著。在奶牛饲粮中添加0.02%的茶多酚可以显著提高血清中SOD 等抗氧化酶的活性，降低MDA 含量，提高奶牛机体的抗氧化水平[46]。在奶牛产后饲料中添加30 mg/kg BW 和40 mg/kg BW 剂量的茶多酚可显著降低血浆酮体、游离脂肪酸、乳清中过氧化氢含量，提高抗氧化酶活性，在一定程度上改善奶牛能量代谢、抗氧化性能和生产性能，调节肝肾功能，减少奶牛酮病的发生[49]。饲料中茶叶提取物添加量为20 g/(头·d)时，能够有效保护奶牛乳腺细胞，提高产奶量，降低体细胞数，减少乳腺炎的发生，改善奶牛血液抗氧水平及奶牛机体的健康状况[50]。还有研究发现，100 μg/mL 茶多酚能够显著抑制奶牛乳腺细胞的凋亡程度，使细胞存活率上升，缓解氧化应激所致的奶牛乳腺上皮细胞的损伤，进而降低奶牛乳腺炎的发生，保证产乳量及乳品质[4]。此外，补充茶多酚还可以降低早期泌乳期间奶牛肝脏中内质网应激的发展[51]。茶多酚作为一种饲料添加剂已被广泛用于动物生产中，可以有效提高畜禽机体抗氧化能力、免疫力，改善养殖环境，为牧场带来收益。因此，茶多酚在动物养殖上具有很大的开发和应用前景。