內毒素的生物活性及其對豬的危害

張吉鹍

（江西省農業科學院畜牧獸醫研究所，江西 南昌 330200； 江西中成人藥業有限公司，江西 進賢 331700）

1 內毒素概述

1.1 內毒素是一種分子質量相對較高的致熱性復合物

內毒素（Endotoxin, ET）又名脂多糖（LPS）、類脂A（Lipid A）、熱原（Pyrogen），是革蘭氏陰性菌（GNB）細胞壁外層上的特有結構。是一種分子質量（MW）相對較高的復合物（Compound），分子量約為1×106～2×106道爾頓。通常GNB細胞壁的外層由脂多糖（LPS）、外膜蛋白質（Protein）、磷脂質（Phospholipids）以及金屬離子（Metal ion）等組成[1]。ET作為外源性致熱原可激活中性粒細胞等使之釋放出內源性熱原而引起機體發熱（Pyrexia）[1]。

1.2 內毒素廣泛存在于自然界中

盡管ET作為GNB的細胞壁組分，主要存在于沙門氏菌（Salmonella）、大腸桿菌（Escherichia coli）、傷寒桿菌（Salmonella typhi）、布氏桿菌（Brucella）、變形桿菌（Proteus）等GNB中，但在極少數 真 菌（Fungi）、 立 克 次 氏 體（Rickettsia）、支原體（Mycoplasma）、螺 旋 體（Spirochaeta）、 衣 原 體（Chlamydia）、革蘭氏陽性菌（GPB）等微生物以及某些動植物組織中亦可見到ET[2]。因而ET在自然界中分布廣泛，從空氣、水到土壤等環境中，無處不在[1]。

2 內毒素的生物活性

2.1 內毒素在分子、細胞與機體多個層次上的生物活性

ET的生物活性主要體現在分子、細胞與機體等多個層次上[2-3]。⑴在分子層次：ET可活化補體、纖維蛋白溶酶原以及Hageman因子，并使鱟試劑（鱟細胞溶解物）凝集。⑵在細胞層次：①微量ET就可誘導機體巨噬細胞產生腫瘤壞死因子α（TNF-α）、白細胞介素-1（IL-1）和白細胞介素 -6（IL-6）。例如，新鮮人血中ET的含量達到20～25 ng/L即可使血中單核細胞產生IL-1和TNF-α。②阻止巨噬細胞游走。③誘導前列腺素（PG）生成。④抗腫瘤壞死作用。⑶在機體層次，微量（0.2～1 ng）即可引起機體發熱，大劑量則具有致死毒性，并產生如下反應：①骨髓反應；②白血球減少；③血小板減少；④誘導機體對ET的耐受性與非特異性感染防御力；⑤局部過敏反應，即施瓦茨曼反應（Shwartzman reaction）；⑥輔藥作用；⑦激活凝血系統，引起急性彌漫性血管內凝血、微循環障礙與血壓降低，最終導致動物休克（Shock）、體重降低等。

2.2 內毒素致熱性的特點

ET最常見的生物活性就是其極為敏感的致熱性（5 ng/kg即可使機體發熱）。這是因為ET作為外源性致熱原激活單核細胞后所產生的內源性致熱原，作用于體溫調節中樞可引起EP性發熱[2-3]。

2.2.1 ET致熱的種系差異性

ET致熱具有種系差異，兔、牛對ET較敏感，而大鼠、小鼠對ET不敏感。而產自新西蘭的白兔對ET致熱性則極為敏感，因而其成為許多國家藥典規定的熱原檢測的標準化實驗動物。

2.2.2 ET致熱的劑量依賴性

ET所致發熱的程度與時程，在一定范圍內呈現劑量依賴性，小劑量可引起單相熱（Single phase fever, SPF）而大劑量則引起雙相熱。兔子在注射ET約90 min，出現第1熱峰，約3 h左右出現第2熱峰。

2.2.3 ET致熱的易耐受性

ET致熱易產生耐受性，家兔若連續接受ET注射，其發熱反應會逐漸減弱。首先是雙相熱（Double phase fever, DPF）的第2峰消失，隨之是第1峰的逐漸消退，相同劑量的ET會失去原有的發熱反應。

2.2.4 ET致熱活性的不易清除性

ET致熱活性不易清除，即便常規高壓滅菌法（如高壓滅菌）也不能將ET徹底清除。試驗表明，需在160 ℃加熱2 h 以上才能將其徹底滅活[4-5]。

2.3 內毒素致熱的機理

2.3.1 內生致熱原直接作用于神經中樞敏感神經元

（1）內源性致熱原的生成

ET除在細菌周圍形成穩定的保護屏障以逃避抗生素的殺滅作用外，還可作用于單核細胞與巨噬細胞（如肺泡巨噬細胞、脾巨噬細胞、肝星狀細胞、腹腔巨噬細胞等）以及某些腫瘤細胞等，使其產生IL-1、TNF-α、干擾素（IFN）、巨噬細胞炎癥蛋白-1（MIP-1）、白細胞致熱源（LP）以及睫狀體促神經因子（CNTF）等內源性致熱因子，即內源性致熱原（Endogenous pyrogen, EP）。

（2）內毒素與內源性致熱原的雙重作用加深致熱作用

腦內產生的或通過血腦屏障進入腦內的EP，直接或經過中樞介質作用于神經中樞敏感神經元，升高體溫調控閾值，從而導致體溫升高。當EP難以通過血腦屏障時，通過外周介質進入腦內才能產生發熱效果。ET作為外源性EP，除直接作用于下丘腦體溫調節中樞，引起ET性發熱外，同時它又可激活單核細胞和巨噬細胞產生IL-1、IL-6、IFN、TNF-α等內源性致熱原（EP），引起EP性發熱，內源與外源致熱的加性效應，進一步提升了ET的致熱作用[6-7]。例如，IL-1就是被ET激活的單核細胞后所釋放的一種單核細胞因子（一種分子量為1 500道爾頓的蛋白質），有著極強的致熱活性。據試驗，給試驗兔注射微量IFN即可引起單相熱，加大劑量注射TNF-α就可引起雙相熱[8]。

2.3.2 致熱中樞介質是內生致熱原難以通過血腦屏障時的致熱關鍵因子

當EP不能通過血腦屏障時，致熱中樞介質就成了影響機體致熱的關鍵因素。迄今，經證實的致熱中樞介質主要有環磷酸腺苷（cAMP）、鈉鈣離子比值（Na+／Ca2+）與前列腺素E（PGE）3種。

ET、EP所致發熱，在一定劑量ET范圍內，體溫的升高與維持時間隨劑量的增加而增加，量效關系呈顯著的正相關。當小劑量ET引起單相熱時，血漿、丘腦下部組織中cAMP濃度隨動物機體體溫的增加而增加（P＜0.05），cAMP濃度的變化與機體體溫的變化呈正相關。大劑量ET引起雙相熱時，丘腦下部、腦脊液中cAMP含量與體溫變化亦呈正相關[9]。但若繼續增加ET劑量，體溫并不會隨之無限增加。這是因為當ET劑量超過一定量時，腦脊液中cAMP含量不會再增加，從而形成熱限。可見，ET性熱限主要是EP生成受限所致，而EP生成受限則是因為激活與產生EP細胞的受體達到飽和的緣故。表明中樞性cAMP的生成受限是EP性和ET性熱限形成的關鍵。超熱限劑量的ET及其反復刺激形成的致耐性機體，不僅體溫不增加，反而會引起微循環障礙（MCD）、急性彌漫性血管內凝血（ARDS）、急性腎衰竭（ARF），甚至多器官功能衰竭（MOF）等多種疾病，最終機體因休克（Shock）而死亡[10]。

3 豬場內毒素的來源及其對豬的危害

無論大、小豬場，大劑量使用抗生素治療細菌性疾病已成常態。GNB死亡的同時，會釋放出大量ET。這些ET會對豬只產生廣泛而持久的危害，從厭食（Anorexia）、發熱（Pyrexia）、炎癥反應（IR）、組織損傷（TI）到敗血性休克（Septic shock），都會降低生產性能，給生產造成損失[11]。

3.1 豬圈內空氣中的細菌內毒素

3.1.1 豬舍空氣中的塵埃是內毒素的載體

由于人們的飼喂、清掃與豬只的活動等，使得豬舍中的空氣常年漂浮著很多塵埃，一些細菌釋放出的ET會黏附在這些塵埃上，從而影響到豬只健康。作為細菌ET傳播載體的豬舍空氣中的塵埃，其組成成分復雜，變化大，范圍廣，主要包括：干的豬只糞尿粉塵，豬只皮屑，飼料粉塵，墊草顆粒，谷物中的孢子、花粉、螨蟲，微生物及其細胞壁組分等[12]。豬只將這些含有細菌ET的塵埃吸入肺內，會嚴重影響到豬只的健康。

3.1.2 豬舍空氣中塵埃的含量決定著空氣中內毒素含量

豬舍空氣中ET含量與空氣中塵埃含量密切相關，會受到豬舍的通風效率、地面漏板種類、飼料形態、豬舍內環境（如濕度）以及人與豬的活動等的影響[12]。總之，一切能夠增加豬舍空氣中塵埃含量的因素（如豬舍濕度下降，人與豬的活動增加，通風效率降低等），均能增加豬舍空氣中的ET含量；一切能夠降低豬舍空氣中塵埃含量的措施，均能夠降低豬舍空氣中的ET含量。例如，改飼喂粉料為飼喂顆粒飼料或液體飼料，改水泥漏板為塑料漏板，均能降低豬舍空氣中的塵埃含量，從而降低豬舍空氣中的ET 含量[13]。

3.1.3 豬舍空氣中影響豬只健康的內毒素含量閾值

迄今，尚未見到有關豬舍空氣中影響豬只健康的確切ET含量閾值的報道，其實這個“閾值”也是動態的，與豬的品種、豬的營養（也相當于免疫力）、豬舍外部環境（如氣候）密切相關。據報道，在波蘭東部的一些豬場，其舍內空氣中的塵埃含量為3.03～14.05 mg/m3，內毒素含量為1.88～75.0 ug/m3，為ET含量安全閾值（0.1 ug/m3）的18.8～750倍[13]。但也有報道，認為豬舍空氣中，影響豬只健康的ET含量安全閾值為每立方米1 540個內毒素單位（Endotoxin Unit, EU）（EU/ m3）。我國豬場的衛生狀況普遍較差，豬舍內環境不理想，豬舍空氣中的ET含量遠高于此值[14]。

盡管豬舍空氣中的ET含量因受環境的影響，變異大，但其對豬的危害不容忽視。

3.2 飼料中的內毒素

受飼料倉儲、加工等環境與生產工藝等因素的影響，飼料中不可避免地含有一定數量的ET[15]。首先，許多飼料添加劑是用GNB發酵生產的，其中大腸桿菌是應用較廣的GNB。例如，用于發酵生產飼料添加劑的大腸桿菌K-12，盡管其ET較其他菌株的毒力小，但也具有相當于野生型菌株毒性的1/4ET[16]，并不如想象的那么安全。因此，在用大腸桿菌K-12發酵生產飼料添加劑時，可能會混入其ET，從而對豬只健康造成潛在危害。據報道，豬飼料中的ET最大含量為60 mg/kg，平均含量為13 mg/kg[17]。然而，亦有多個證據表明：①往豬日糧中添加高劑量的ET，不會引起健康豬只的臨床癥狀[18]；②給小鼠口服大劑量的大腸桿菌ET，未對其小腸結構與細胞增殖產生顯著影響[19]；③不僅大劑量口服單一ET后，小鼠未見不良副作用。而且連續28 d給予小鼠重復劑量的ET后，小鼠亦未出現肝、腎中毒與炎癥癥狀，而且體重正常[20]。可見，健康動物的腸道能夠耐受一定數量的ET，其通過口腔攝入的ET對機體造成的危害較小。因此，用GNB發酵生產的飼料添加劑飼喂健康豬只，若其所含的ET不超過正常飼料原料的含量時，就不會對豬只健康造成顯著影響。但當豬群受到應激（如熱應激）或其他疾病導致消化道功能紊亂而破壞胃腸道黏膜上皮的完整性，從而降低其屏障功能，造成胃腸道中的ET大量進入體內而引起病變[21]。

3.3 疾病產生的內毒素

3.3.1 便秘

便秘（Constipation）為妊娠母豬的常見疾病，是造成ET在母豬體內積聚增多的主要原因。日糧設計不合理，飼料纖維品質差、含量少；飼養于定位欄中，缺乏運動；熱應激、飲水不足等飼養管理因素，均可導致母豬便秘[22-23]。特別是當妊娠母豬分娩時，由于腸道活力減弱、蠕動緩慢，使得臨產母豬較懷孕母豬、泌乳母豬更易便秘[24]。

便秘導致母豬的腸道菌群失衡，表現在類桿菌的數量顯著增加，梭菌、乳酸菌的數量顯著降低，并誘導產生ET，損傷腸道黏膜屏障，使得進入機體的ET增加，進而產生一系列炎癥反應，嚴重時會導致豬只死亡[25]。也有研究表明，豬只發生便秘時，食糜在消化道中停留的時間延長，腸道微生物的繁殖增多，使得ET的釋放與吸收增多，最終導致產后母豬乳腺炎、子宮炎以及泌乳障礙等疾病[22]。可見，便秘是造成母豬體內ET增加的重要因素之一。

3.3.2 腹瀉

腹瀉（Diarrhea）是仔豬尤其是斷奶仔豬易發多發的常見病。造成仔豬腹瀉的原因很多，主要有：①斷奶應激所致的腸道消化機能損傷，可誘發仔豬的重度腹瀉，甚至死亡[26]。②因早期斷奶仔豬的消化機能不健全，對固體飼料的消化率低。飼料中的抗原物質如大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白等免疫原性較強的大豆抗原蛋白，可引起仔豬胃腸道黏膜暫時性過敏反應（Anaphylaxis）而致仔豬腹瀉[27]。③斷奶仔豬固體飼料中的豆粕，所含的胰蛋白酶抑制因子、大豆凝血素、抗原蛋白等抗營養因子可增加仔豬腸道上皮細胞的通透性，導致黏膜水腫，隱窩細胞的生長速度增加，腸絨毛萎縮脫落，小腸的消化吸收面積減少，降低營養物質的吸收利用，進而導致腹瀉[28]。④當保溫措施不當，仔豬會因自身的體溫調節機能差，而降低免疫力，出現仔豬腹瀉[29]。

仔豬腹瀉對消化道的危害主要體現在兩方面，一是在腸道結構方面，表現在：①腸上皮細胞充血、水腫、出血；②腸絨毛萎縮、脫落；③這些改變以致破壞腸道結構。二是在腸道菌群結構方面，占優勢的乳桿菌等益生菌菌群的數量顯著降低，大腸桿菌等致病菌的數量顯著升高，成為優勢菌群[30]。該兩方面的改變，嚴重破壞了豬腸道微生態屏障，不僅會進一步加劇仔豬的腹瀉，增加腸道中的ET含量，而且還會進一步增加吸收進入體內的ET量[31]，從而進一步加深對豬只的危害。