奶牛SARA状态下LPS易位机理研究进展

高景，齐智利

（华中农业大学动物科技学院，武汉 430070）

在现代集约化反刍动物生产中，为了提高生产水平而大量饲喂谷物淀粉为主的高精日粮，导致瘤胃酸中毒发病率增加。瘤胃酸中毒是指长时间高精日粮饲喂反刍动物导致的瘤胃有机酸积累，pH下降，瘤胃微生物菌群失调，进而导致瘤胃代谢紊乱的疾病[1]。瘤胃酸中毒分为急性瘤胃酸中毒和亚急性瘤胃酸中毒（SARA），一般认为当瘤胃pH下降至5.0以下为急性瘤胃酸中毒，下降至5.6～5.8为亚急性瘤胃酸中毒[2]。因为SARA症状不明显，诊断困难，其对生产实践中造成的危害比急性瘤胃酸中毒大。除了瘤胃pH下降，SARA发生时还伴随着瘤胃异常代谢产物脂多糖（LPS）的积累。低pH下，革兰氏阴性菌大量裂解，LPS被释放出来，导致瘤胃液中LPS浓度上升。研究表明，瘤胃液中LPS浓度上升激活瘤胃上皮细胞炎症信号核转录因子kB（NF-kB），引起瘤胃局部炎症[3]。同时，LPS能从瘤胃中易位进入机体循环系统，增加急性期蛋白含量，并与后续症状肝脓肿和蹄叶炎等病发生均有关[4]。因此研究SARA发生时LPS从瘤胃易位到机体循环系统的机理对进一步了解瘤胃酸中毒致病机制及对机体的危害作用有重要意义，可为SASA提早防控和治疗提供参考，有利于提高牛群健康福利，减少经济损失。

1 LPS 的产生

LPS位于革兰氏阴性菌细胞壁外膜的最外层，其中类脂-A是革兰氏阴性菌内毒素的主要成分。高精日粮导致瘤胃pH下降，瘤胃中革兰氏阴性菌大量裂解，瘤胃液中LPS浓度升高，可升高到2～13.5倍[5,6]。研究表明不同细菌种类的LPS毒力作用不同[7]。实验性SARA构建方法有两种：高精日粮诱导和饲粮颗粒诱导。这两种诱导方法均能使瘤胃pH下降，瘤胃中LPS浓度升高。区别在于高精日粮诱导的SARA同时升高盲肠和粪便中的LPS含量，其含量对应地从16508EU/g增加到118522EU/g，从12832EU/g增加到118522EU/g，而饲粮颗粒诱导的SARA只增加瘤胃中的LPS浓度，对大肠和粪便中LPS浓度无影响[8]。两种SARA模型间的差异可能是由于高精日粮诱导的SARA牛，由于后肠道食糜淀粉含量的增加，肠道中的淀粉发酵促进了细菌生长，从而释放LPS，使其含量升高。而饲粮颗粒诱导的SARA不增加后肠道食糜淀粉含量。

2 LPS 易位

关于SARA状况下LPS是否能从瘤胃易位到机体循环还存在争议。Plaizier 等人报道在SARA状况下外周血中LPS浓度无变化[9]，而Khafipour等人则发现瘤胃上皮通透性增大，并且外周血中LPS浓度升高[10]。早期研究将51Cr标记的大肠杆菌LPS注射到瘤胃中，但没有发现有51Cr标记的大肠杆菌LPS吸收进入淋巴组织和外周血中，由此得出瘤胃上皮对LPS没有通透性[11]。但这可能是因为51Cr会与LPS的类脂A紧密结合，使其不易乳化和扩散，进而影响LPS穿透黏膜上皮的能力。后续有研究报道LPS是能穿透牛的瘤胃和结肠组织而发生易位的[12]。LPS从瘤胃以及肠道上皮的易位说明LPS能破坏上皮屏障，增加其通透性。

在正常情况下，消化道上皮有抵御外界异物的屏障，即由紧密连接蛋白连接的单层细胞，LPS等大分子是无法透过上皮进入机体循环的。而当紧密连接蛋白受到破坏时会增加上皮的通透性，此时渗透性增加，LPS会穿过上皮，易位到外周血中。LPS在消化道上皮通过跨细胞或者穿过细胞间的紧密连接（细胞旁路）[13]进入到外周血中。研究表明高浓度的LPS将会介导细胞凋亡，破坏紧密连接蛋白ZO-1，其原理在于瘤胃LPS通过增加诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达，增加一氧化氮（NO）产生[14]。适量的NO对机体是无害的，其参与多种生命活动，包括神经传递、血管舒张以及炎症反应等[15]。而当LPS能上调肠道上皮细胞iNOS的表达，会使NO产生迅速增加。累积的NO将会破坏紧密连接蛋白，并与超氧阴离子结合产生有毒的过氧亚硝酸盐，其会不可逆地阻断线粒体呼吸链，激活凋亡级联反应，诱导细胞凋亡[16]。据Williams 等人研究报道，LPS能加快小鼠肠道上皮细胞的凋亡速率，使其超过产生速率，并导致肠道上皮出现细胞间隙[17]。

即使紧密连接蛋白完整的情况下，LPS也能通过Toll样受体4（TLR4）介导的内吞作用从跨细胞向基底层细胞转运，其中TLR4是LPS的模式识别受体（PRR）[18]。正常情况下，肠道上皮低表达TLR4、髓样差异蛋白2（MD2）及分群14（CD14），因此其对LPS的识别和结合度低[19]。而在SARA会上调TLR和相关信号蛋白的表达时，会促进受体介导的LPS内吞作用，增加肠道上皮通透性[20]。内毒素可运送到高尔基体。高尔基体内含有乳糜微粒，其与LPS有高亲和性，可与LPS结合在淋巴和血液中进行运输，从而引起系统性炎症和免疫反应[21]。

除此之外，SARA发生时引起的瘤胃上皮角化不全也会促进LPS从瘤胃上皮易位到循环系统中。在健康的瘤胃中，瘤胃复层鳞状上皮被角化细胞覆盖，角化细胞充当保护性屏障。然而高精日粮饲喂后，分层鳞状上皮细胞的代谢和增殖速率显著增加，导致细胞过早进入角质层，这种状况称为角化不全。研究表明，高精日粮诱导的SARA可通过降低瘤胃复层鳞状上皮组织厚度以及颗粒层细胞间的黏附，从而增加LPS从细胞旁路易位[22]。

3 外周血中的LPS

被乳糜微粒包裹的LPS从消化道易位后进入淋巴系统并激活肠系膜淋巴结的巨噬细胞释放促炎因子IL-1、IL-6、TNF-a等。另一部分LPS运输到门静脉进入肝脏，肝脏中的肝细胞和库普弗细胞会清除LPS，并释放促炎因子到循环系统中，引起急性期反应，导致血液中血清淀粉样蛋白A（SAA）、触珠蛋白（Hp）及脂多糖结合蛋白（LBP）等急性期蛋白含量上升[23]。Khafipour 等人发现精料诱导的SARA泌乳奶牛血液中LPS浓度从无法检测的水平（＜0.05 EU/mL）上升到0.52 EU/mL，并且外周血中LBP、SAA及Hp浓度分别从18μg/mL、77.6μg/mL、0.0μg/mL上升到53μg/mL、218.9μg/mL、0.48μg/mL[24]。少数逃过肝脏清除的LPS进入循环血液中，与低密度脂蛋白（LDL）和高密度脂蛋白(HDL)结合进行运输，最终会被肝细胞或白脂肪组织中的巨噬细胞清除，释放促炎因子，引起局部炎症[25]。LPS易位到循环血液后机体启动自身清除体系，并伴随有炎症反应和急性期反应，这种过度的免疫反应消耗能量，干扰机体对病原体的识别和免疫反应，促进了多种疾病的发生。

4 展望

SARA发生时LPS的积累会破坏瘤胃及肠道上皮屏障的完整性，增加上皮通透性，使LPS从瘤胃易位到机体循环，进而引起全身炎症和急性期反应，诱导相关疾病如肝脓肿等疾病的发生。因此研究LPS从瘤胃易位到机体循环的机理对于减缓SARA危害，提早诊断并治疗SARA有重要意义。目前关于瘤胃异常代谢产物的研究主要集中在LPS上，也有相关文献报道SARA发生时组胺等其他有毒物质也会积累，但关于其他瘤胃异常代谢产物对上皮通透性的影响以及易位尚不清楚。因此，可以选取多个指标作为研究对象，如从瘤胃微生物区系变化、代谢产物积累等方面并联系瘤胃和机体循环，系统性地研究SARA致病机制及其对动物全身的影响。