氧化应激与奶牛常见疾病关系研究进展

李 澜，杨佳琦，刘耀权，赵晨旭，王建国

(西北农林科技大学动物医学院，陕西杨凌 712100)

氧化应激(oxidative stress)是指生物体遭受到体内外有害刺激时，机体内氧化剂与抗氧化剂失衡，产生的自由基超过机体抗氧化剂的清除能力而在体内大量蓄积[1]。正常情况下，自由基及其衍生物在蛋白质磷酸化、调节血管张力、激活转录因子、参与机体免疫防御以及维持氧化还原稳态等方面发挥重要作用。但自由基易与几乎所有的生物大分子发生反应，且过多的自由基与核酸、蛋白质的巯基和氨基亲和力较强，当自由基在体内蓄积到一定程度时，会严重损害机体细胞DNA、蛋白质、脂质等生物大分子，导致全身广泛性的细胞损伤，并可能引起炎症反应和免疫抑制，增加疾病易感性[2]。

近年来，大量的研究者通过测定患病奶牛体内氧化剂与抗氧化剂的水平，并与健康奶牛比较，探究氧化应激与奶牛多种疾病发生发展的关系，普遍认为氧化应激通过参与机体氨基酸和糖代谢影响奶牛酮病、脂肪肝、低钙血症、乳房炎、肢蹄病等多种疾病的发生发展[3]。尤其对于新产牛，泌乳启动导致营养流失过多、代谢水平升高，机体普遍处于能量负平衡状态，极易发生氧化应激，产生大量自由基，导致机体氧化剂与抗氧化剂之间不平衡。当氧化剂活性超过抗氧化剂的中和能力时，引起机体免疫防御功能和炎症反应能力下降，疾病易感性增加。

1 氧化剂与抗氧化剂

1.1 氧化剂及其对生物机体的影响

自由基是机体新陈代谢产生的外轨道含有一个或多个未配对电子的化学物质(原子、分子或离子)[4]。机体内的自由基主要有活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)、活性氮自由基、脂质自由基和脂质过氧化物。ROS包括超氧阴离子自由基、过氧化氢(H2O2)、羟自由基和单线态氧等；活性氮自由基包括一氧化氮、二氧化氮和过氧化亚硝酸盐等；脂质自由基、脂质过氧化物包括丙二醛(malondialdenhyde,MDA)、脂过氧自由基、脂氧自由基、脂肪自由基等。

对于生物大分子，过量的自由基可使DNA脱氧核糖分解、磷酸二脂键断裂、碱基修饰，还可改变蛋白质构象使其聚合，或与蛋白质、磷脂结合，诱导机体内的生物大分子产生氧化修饰，使其功能丧失；对于机体免疫方面，现有证据支持氧化应激是引起炎症反应失调和宿主免疫功能障碍的潜在因素[5]；自由基可抑制淋巴细胞的增殖、分化，不同程度地影响淋巴细胞对刺激原的反应性和细胞功能[6]；此外，自由基还是影响炎症性疾病进展的关键信号分子，可以通过对参与炎症反应的多种基因的调高，启动和/或放大炎症[7]。

1.2 抗氧化剂分类及其作用

一般将内源性抗氧化剂分为三大类，即酶类抗氧化剂、非酶类蛋白质抗氧化剂和非酶类低分子量抗氧化剂。酶类抗氧化剂包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)和过氧化氢酶(catalase,CAT)，是细胞内抗氧化防御的主要形式。SOD可将O2-转化为H2O2，被视为抵抗氧化应激的第一道防线，可以通过其活力衡量机体清除自由基的能力；GSH-Px活性可以反映血浆脂质过氧化物含量，在抗氧化防御中起重要作用，可作为衡量氧化应激的指标；CAT多集中于过氧化物酶内，可清除长链脂肪酸的代谢产物H2O2，与GSH-Px协同SOD保护细胞[8]。非酶类抗氧化剂主要存在于血浆中，包括白蛋白、L-半胱氨酸和同型半胱氨酸的巯基，具有很强的还原性，是细胞外抗氧化防御的重要组成部分。非酶类低分子量抗氧化剂在血清、细胞内液和细胞外液均有存在，包括谷胱甘肽(glutataione,GSH)、视黄醇、抗坏血酸、α-生育酚、尿酸、微量元素Se、Cu、Zn等，是血清抗氧化剂的重要来源。

2 氧化应激与奶牛疾病

临床上，奶牛补充抗氧化剂后，其代谢性疾病和传染病的发病率降低，说明氧化应激在奶牛疾病的发生发展中发挥重要作用。多项研究证明，奶牛酮病、脂肪肝、低钙血症、乳房炎等均与氧化应激有关[3]。

2.1 氧化应激与营养代谢性疾病

2.1.1 奶牛酮病 奶牛酮病是由奶牛体内糖类化合物和脂肪代谢紊乱引起的营养代谢失调性疾病[9]。围产期奶牛酮病特征为血浆非酯化脂肪酸和酮体(乙酰乙酸、β-羟丁酸、丙酮)的浓度相对较高而血糖降低。测定血液中β-羟丁酸水平是诊断奶牛是否罹患酮病的“金标准”，健康奶牛血清中β-羟丁酸的含量一般在1.72 mmol/L以下，亚临床酮病奶牛血清中的β-羟丁酸的含量一般为1.72 mmol/L～3.44 mmol/L，酮病奶牛血清中的β-羟丁酸的含量一般在3.44 mmol/L以上。

研究结果显示，酮病奶牛体内脂质过氧化物MDA和H2O2含量均高于健康奶牛[10-11]，说明酮病奶牛体内脂质过氧化，产生过量的ROS，机体氧化水平有所升高，该结果在水牛中也得到验证[12]；同时，与健康奶牛相比，酮病奶牛体内酶类抗氧化剂SOD、GSH-Px和CAT活性下降[5,10-11]，说明ROS的增加超过了酶类抗氧化剂的清除能力。但有研究结果显示，酮病奶牛体内SOD含量高于健康奶牛，这可能是机体抵御活性氧暂时性升高的适应性反应；此外，酮病奶牛体内抗坏血酸、α-生育酚、尿酸、抑制羟自由基能力与健康奶牛相比也有所降低，进一步证明酮病奶牛体内经历一定程度的氧化应激[5,10]。

酮病奶牛经历氧化应激可能与其体内非酯化脂肪酸和酮体含量升高有关[13]，尤其在围产期，奶牛处于能量负平衡状态，为了应对该状态，机体在能量不足的情况下会进行脂肪动员，产生过量的非酯化脂肪酸，脂肪酸在机体内不完全氧化为酮体。当酮体的生成量超过机体对酮体的利用时，导致体内β-羟丁酸和非酯化脂肪酸含量增加[14]。β-羟丁酸含量过高导致奶牛酮病；非酯化脂肪酸则进一步氧化，引起ROS累积而导致奶牛发生氧化应激。此外，奶牛体内酮体含量增多会引起机体内NO浓度升高，放大氧化损伤，进一步导致脂质过氧化物的浓度继续升高和活性酶、非酶促进抗氧化剂水平减少，由此形成恶性循环，对奶牛产生严重影响[9]。

2.1.2 脂肪肝 奶牛脂肪肝是指奶牛肝脏摄入的脂质超过了其氧化和分泌能力时脂肪以甘油三酯的形式沉积于肝脏的病理状态。脂肪肝是一种常见的围产期奶牛代谢性疾病，与奶牛健康状况和生殖功能下降密切相关，严重时，牛奶产量和饲料摄入量均会下降。

对围产期奶牛血清中GSH-Px、SOD、MDA的检测结果显示，罹患脂肪肝奶牛血清SOD和GSH-Px活性显著低于健康奶牛，而MDA含量高于健康奶牛[15]，表明奶牛机体内氧化应激与脂肪肝有必然的联系。另有研究发现，患有脂肪肝的动物血浆中氧化三甲胺和瓜氨酸有所增加，氧化三甲胺和瓜氨酸增加常伴有氧化应激和肝脏损伤，这在人类和小鼠的研究中也得到了相应证明[16]。奶牛脂肪肝与人类非酒精性脂肪性肝有很多相似之处，非酒精性脂肪肝患者体内由GSH氧化生成的氧化型谷胱甘肽(glutathiol,GSSG)含量增加了近1.5倍，抗氧化酶CAT和其他抗氧化物质，如辅酶Q10、CuZn-SOD的活性下降[17]。多项结果表明脂肪肝奶牛体内存在氧化还原状态失衡[18]。

2.1.3 低钙血症 低钙血症又称产后瘫痪，是奶牛产犊后泌乳启动造成血钙流失而引起的代谢紊乱性疾病。奶牛分娩后进入泌乳期，机体对钙的需求量急剧增加，但由于分娩应激，该时期奶牛存在采食量和消化功能下降，致使奶牛的体内钙大量丢失且摄入减少，造成钙平衡失调，引发低钙血症。低钙血症对奶牛健康和生产性能影响很大，能直接影响免疫细胞对刺激物的应答反应，使得奶牛罹患传染性疾病的风险大大增加；患有低钙血症的奶牛产量也会降低，给养殖业带来了很大的损失[19]。根据奶牛血浆中总血钙浓度可将其分为临床型和亚临床型低钙血症。健康奶牛血浆中总钙浓度为2.0 mmol/L～2.5 mmol/L,亚临床低钙血症奶牛血浆中总钙浓度为1.4 mmol/L～2.0 mmol/L,临床低血钙症奶牛血浆中总钙浓度小于1.4 mmol/L。

对于低钙血症奶牛体内氧化状态的研究相对较少，但也有研究显示，相较于健康奶牛，罹患低钙血症和亚临床低钙血症的奶牛在围产期体内水溶性抗氧化剂Zn的含量降低更为严重，而体内水溶性抗氧化剂Cu含量在产前1周逐渐增加并在产后4周持续保持在较高水平[20]，可能是由于机体抗氧化系统发生紊乱，具体原因需进一步研究；同时，随着泌乳天数的增长，体内的抗氧化剂活性会逐渐下降，这可能是由于泌乳消耗了大量的脂质抗氧化剂[21]；有研究表明，Ca能够调节脂肪，在调节能量平衡方面起着关键作用[22]，罹患低钙血症的奶牛在生产当天Ca含量显著下降，经历更严重的能量负平衡，脂质氧化也随之增加。由此可见，随着奶牛分娩和产奶量的增加，奶牛体内氧化还原状态失衡的风险也不断升高。尤其是高产奶牛，患低钙血症的风险更大，体内氧化还原状态失衡的风险也更高，严重影响奶牛产业的经济效益。

2.2 氧化应激与乳房炎

乳房炎是奶牛养殖生产中最常见的一种疾病，多发于围产期，不仅对奶牛乳腺和机体健康产生严重威胁，而且影响奶牛的生产性能，造成产奶量和乳品质下降，牛奶中细菌超标并呈酒精阳性，间接影响人类健康[6]。奶牛乳房炎最常见的致病菌是葡萄球菌、链球菌和大肠埃希氏菌[23]。研究表明，与健康奶牛相比，罹患急性乳房炎和亚临床乳房炎的奶牛血浆中抗氧化剂维生素C(VC)和Zn水平显著下降，且随着奶牛乳房炎严重程度的增加，VC下降程度有所增加；与此同时，患病奶牛体内红细胞脂质过氧化物水平显著增加[24]。此外，有研究显示，奶牛在补充维生素E(VE)和Se后，乳房炎的发病率和严重程度均有所下降[24]。越来越多的研究证实氧化应激对于奶牛乳房炎的发生发展具有潜在影响。这可能与奶牛乳腺组织新陈代谢旺盛、生化反应复杂有关，尤其是围产期奶牛经历“妊娠-分娩-泌乳”一系列过程使得奶牛乳腺上皮细胞的代谢率增高，呼吸链中的多种化学反应产生多种ROS，且此时机体肝脏产生的大量自由基也会随血液循环进入乳腺并蓄积[25]。另外，处于氧化应激状态奶牛乳腺组织中炎性因子、黏附因子表达增强，增加炎症反应时的组织损伤[26]。

2.3 氧化应激与肢蹄病

肢蹄病是指奶牛四肢和蹄部的疾病，是继乳房炎和生殖疾病后对奶牛养殖业造成重大经济损失的重要疾病。随着奶牛养殖业向规模化、集约化和标准化方向发展，奶牛肢蹄病的发生日益增多，导致奶牛产奶量和繁殖率下降，严重影响奶牛福利和经济效益。跛行是奶牛肢蹄病常见表现，其发病机制与氧化应激密切相关，尤其是由矿物代谢紊乱引起的奶牛跛行表现尤为明显。先前研究结果显示，跛行奶牛体内MDA水平和GSSG/GSH增加，而SOD活性和金属硫蛋白水平显著下降，跛行奶牛体内与抗氧化有关的矿物质Cu、Zn、Mn的代谢发生紊乱，证实奶牛跛行与氧化应激有关[27]。

3 展望

综上所述，氧化应激与奶牛多种疾病的发生发展密切相关。因此，未来的研究应着眼于奶牛不同生理时期和时间阶段血液中氧化剂与抗氧化剂水平的动态变化，以不同时间点的抗氧化剂和氧化剂为切入点，进一步阐明氧化还原状态与奶牛多种疾病发病机理之间的关系，以期建立一套适用于生产的早期快速检测指标，实现奶牛常见疾病的早期诊断。在降低奶牛发病率且提高奶牛单产的基础上，开发经济实惠、临床应用方便的抗氧化剂药物，并在不同疾病的易感阶段预防性地补充抗氧化剂，实现对奶牛相关疾病的综合干预，将对今后奶牛健康养殖环节意义深远。