围产期奶牛脂肪动员与炎症反应之间的关系

■刘双鸣刘敏跃李 鹏 龙 淼 张 燚何剑斌

（1.沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866；2.辽宁省农牧业机械研究所有限公司，辽宁沈阳 110036）

围产期是指奶牛产前2～3周至产后2～3周这一时期，此期间奶牛各种疾病的发生率显著升高，如产后瘫痪、胎衣不下、子宫炎、酮病、皱胃变位、跛行、临床型乳房炎等[1]。围产期奶牛干物质采食量（DMI）明显下降，而此时由于胎儿和泌乳的需要，机体对能量的需求增加，使得奶牛处于一个能量负平衡（NEB）阶段。因此，此时奶牛为了适应NEB，通过大量动员体脂来满足机体对能量的需求[2]。而代谢改变如脂肪动员等通常都伴随着炎症反应以及免疫功能的变化。虽然已有报道显示脂肪动员和围产期奶牛免疫功能障碍有关，但具体机制尚不清楚。

1 脂肪运员

脂肪动员是一种哺乳动物在可利用能量减少的情况下获得营养来源的一种生理适应反应，是脂肪组织内脂肪生成与脂类分解的失衡的现象。脂肪生成最初是甘油二酯的合成，随后通过添加一个脂肪酸分子最终形成甘油三酯（TG）分子。脂肪组织中的脂解酶主要包括激素敏感脂肪酶、脂肪甘油三酯脂肪酶、单酰甘油脂肪酶等，主要负责启动TG分解成甘油和NEFA。在整个围产期，脂肪分解受一系列激素水平变化的影响，包括血浆胰岛素水平降低，脂肪和其他外周组织中胰岛素敏感性受损，以及血浆生长激素和糖皮质激素改变等。

围产期奶牛脂肪分解增加最终的结果是血浆游离脂肪酸浓度升高。事实上，血浆游离脂肪酸水平可通常作为评估围产期奶牛NEB程度的标准。在泌乳后期和干奶期，NEFA平均小于0.2 mmol/l。NEFA水平开始在分娩前2周内增加，峰值通常在产后0～10 d出现，浓度高时可超过0.75 mmol/l[3]。如果奶牛发展形成酮病，NEFA浓度可超过1.0 mmol/l。与之相反，伴随血液中NEFA浓度增加，其他血脂成分如磷脂（PL）和TG在分娩后的第1周内浓度降低。干奶期血浆TG浓度通常为200 μM，而在分娩后的10 d内通常下降至50 μM，而PL也由产前的200 μM下降至120 μM[4-5]。因此，围产期脂肪分解增强不仅增加血浆游离脂肪酸浓度，也改变了脂肪酸血浆脂质成分的比例。

2 NEFA的代谢

脂肪动员产生的NEFA可以作为能量底物被不同组织细胞利用，诸如白细胞和内皮细胞等。NEFA在通过不同机制转运进入细胞质后，有多种代谢途径。如作为能量底物在线粒体发生β-氧化反应，也可以在内质网等细胞器作为合成代谢的底物。当用作能量底物时，脂肪酸首先要在脂酰辅酶A合成酶的催化下合成脂酰辅酶A[6]。研究表明，多种动物的白细胞均可以表达不同亚型的脂酰辅酶A合成酶。人类单核细胞表达中链脂酰辅酶A合成酶和脂酰辅酶A结合蛋白。而小鼠淋巴细胞也能够表达特定的脂酰辅酶A合成酶。同样，内皮细胞也可同时表达脂酰辅酶A合成酶和脂酰辅酶A结合蛋白，从而促进NEFA的利用[7,8]。目前，围产期奶牛代谢改变对其内皮细胞和白细胞的脂酰辅酶A合成酶和结合蛋白表达的影响尚不清楚。

当游离脂肪酸转化为酰基辅酶A后，可借助于脂肪酸结合蛋白（FABP）的作用被运送到特定的细胞器进行代谢。白细胞和内皮细胞均表达有FABP的不同亚型。例如，单核细胞和巨噬细胞表达FABP3和FABP4，树突状细胞也可表达FABP3、FABP4，而淋巴细胞表达FABP5[9,10]。脂肪酸与特定的FABP结合，可以进入内质网和高尔基体进行代谢，如合成磷脂等。脂肪酸也可以与细胞内某些特殊的受体结合来调节某些基因的表达，如过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARs）等。PPARs及其配体（饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸和其他脂质介质）可以调节多种细胞的炎症反应，包括内皮细胞、单核细胞和脂肪细胞等。

3 NEFA对白细胞和内皮细胞功能的影响

围产期内奶牛脂肪动员改变血浆游离脂肪酸浓度和成分。许多研究人员对脂肪动员期间的奶牛白细胞和内皮细胞功能活动的变化进行了相应研究。例如，Lacetera等[11]报道当奶牛血浆游离脂肪酸浓度的升高时，其外周血单核细胞（PBMC）的DNA合成、IFN-γ分泌以及IgM合成均减少，同时中性粒细胞的功能和活力也受到影响，活性氧簇（ROS）的合成增加。血浆NEFA的含量和组成并不是影响白细胞的功能的唯一因素，NEFA的作用时间也起着关键作用。对人的研究表明，延长高浓度NEFA的处理时间（超过24 h）可以显著增强单核细胞炎性反应，主要包括细胞表面表达的粘附分子β整合素等相关基因转录水平的上调[12]。而这些变化可增强单核细胞对内皮细胞的粘附能力，可能是导致人动脉粥样硬化的关键因素。

尽管近年来对奶牛围产期脂肪动员的研究取得了一些进展，但鲜有关于脂类代谢与白细胞和内皮细胞功能变化之间联系的报道。人类和啮齿类动物的研究表明，脂肪动员可通过几种不同途径影响炎症反应状态，诱导内皮细胞和白细胞的功能改变。其直接作用方式主要是脂毒性，间接方式主要包括脂肪酸对细胞内信号的调节，诱导氧化应激等。

3.1 脂毒性

脂类在非脂肪细胞的细胞质中蓄积被定义为异常的脂肪沉积或脂肪变性。最常见的与脂肪变性相关的脂类代谢产物主要包括NEFA及其相应的脂酰辅酶A、甘油二酯、甘油三酯等，而此过程在人类肝脏、骨骼肌、胰腺、心脏和血管组织均可发生。对奶牛而言，脂肪肝是脂肪变性最常见的一种形式，其发生时总是伴随着剧烈的脂肪动员[13]。TG及其他脂质代谢产物在肝细胞和其他细胞的过度沉积，可以压缩和减少其他细胞器的大小和数量，可能导致相应器官功能受损。

NEFA和其他脂类代谢产物的蓄积产生的第二种后果主要是诱导程序性细胞凋亡。虽然对于白细胞尚未见此类报道，但在心肌细胞和胰岛B细胞均有类似报道[14]。NEFA及其脂酰辅酶A可以通过内质网应激诱导细胞凋亡，该过程主要以蛋白质翻译过程减缓、蛋白质折叠能力增强、蛋白质降解加速等为特点。如果内质网功能持续紊乱，细胞最终将启动凋亡程序[15]。已经证实，棕榈酸和油酸可以在啮齿类动物胰腺细胞中通过内质网应激诱发细胞凋亡，而二者正是奶牛血液中NEFA的主要成分[16]。

3.2 NEFA对胞内信号的影响

NEFA及其相应的脂酰辅酶A可以通过直接与特异性受体结合，或间接地改变某些蛋白质结构和功能，从而实现对细胞信号通路的调节。报道显示，奶牛白细胞、肝细胞和脂肪细胞的细胞膜磷脂层中棕榈酸的含量在围产期显著增加，而高水平的棕榈酸可以显著促进围产期奶牛白细胞的活化。但当棕榈酸被二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳五烯酸（DHA）等ω-3多不饱和脂肪酸替代时，T细胞的活化延迟。而在围产期奶牛细胞膜磷脂成分中EPA和DHA的含量均降低[17-18]。

诸如棕榈酸和硬脂酸等饱和游离脂肪酸及其相应的酰基辅酶A，可以直接激活NF-κB的信号通路。NF-κB可以诱导几种黏附分子转录，包括：内皮白细胞黏附分子（ELAM-1）、血管细胞黏附分子-1（VCAM-1）、细胞间黏附分子（ICAM1），E-选择素等[19-20]。NF-κB也可诱导诸多细胞因子、趋化因子及其受体的表达，增强细胞的炎症反应。

饱和脂肪酸能够激活Toll样受体-4（TLR-4），并借此启动NF-κB信号传导通路[21]。TLR-4活化可损害内皮细胞对胰岛素的敏感性，导致一氧化氮的产量增加。在奶牛分娩后，血浆胰岛素浓度降至最低点，这可以增强TLR-4的促炎活力[22]。在诸如乳腺炎、子宫炎等围产期奶牛常见疾病发生过程中，脂肪动员引发的TLR表达变化可能与奶牛过度的炎症反应有关。

饱和脂肪酸还可以直接激活细胞内丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路。最近的一项研究表明，棕榈酸可以启动人血管内皮细胞p38 MAPK信号活化，诱导细胞凋亡，并呈剂量依赖性[23]。最近的研究也证实[24]，过渡期奶牛发生链球菌乳腺炎时某些MAPK通路相关基因表达下调，但脂肪动员对MAPK信号通路的影响尚需深入研究。

3.3 氧化应激

人体内研究表明，血浆游离脂肪酸可以增强白细胞和内皮细胞活性氧和活性氮产量[25]。活性氧是来源于分子氧和超氧阴离子，在线粒体电子传递链或NADPH氧化酶的作用下合成。同样，活性氮（RNS）主要来源于一氧化氮合成酶催化合成一氧化氮的过程中。在线粒体中，NEFA可以通过减缓线粒体电子传递链以及促进脂肪酸β-氧化代谢过程等两种方式增加ROS的产量。对于围产期奶牛，脂肪动员加剧，血液中NEFA含量升高，因此，可以通过以上两种途径显著增加其ROS的产量。此外，围产期奶牛尤其是过肥的奶牛机体抗氧化防御能力降低[26]。研究表明，某些类型的脂肪酸可以提高β-氧化过程中活性氧的生产，如棕榈酸，与丙酸和苹果酸等其他氧化底物相比，棕榈酸可产生大量的超氧化物[27]。而ROS和RNS浓度的增加可以导致白细胞的功能及其有效免疫防御能力受损。

4 结语

综上所述，能量负平衡引发的围产期奶牛代谢变化，尤其是脂肪动员，不仅可以影响奶牛能量代谢，也可影响其炎症反应状态和免疫功能。脂肪动员可以打破炎症发展与消退之间的平衡，可能加剧诸如乳腺炎、子宫炎、蹄叶炎等围产期奶牛常见疾病过程中的炎症反应。此外，血液NEFA浓度和成分的改变也可能直接影响白细胞活力从而提高机体对疾病的易感性。因此，在围产期奶牛饲养管理过程中，限制奶牛脂肪动员，增加干物质摄入，确保充足的多不饱和脂肪酸的摄入有利于增强机体免疫防御能力，从而控制围产期奶牛常见疾病的发生。