尹 暢 吳維達 曹愛智 張宏福*
(1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所,動物營養學國家重點實驗室,北京100193; 2.山東龍昌動物保健品有限公司,濟南251100)
熱應激嚴重影響畜牧業發展,給全球養殖業每年造成高達數十億美元的損失[1]。我國大部分地區夏季高溫時間較長,極易引發熱應激,影響畜禽正常生長發育[2]。熱應激對畜禽最直接的影響是降低其采食量,導致生長緩慢及機體免疫力降低,進而誘發葡萄糖和脂質代謝紊亂、腸道菌群失調以及傳染性疾病等。如何緩解畜禽熱應激一直是困擾養殖行業的一個難題,國內外諸多學者開展研究開發出抗熱應激技術或產品,如提高飼糧能量水平以及應用電解質、礦物質、維生素及中草藥制劑等添加劑[3-5]。而膽汁酸作為新型飼料添加劑,具有綠色、安全、高效、作用持續穩定等特點,近年來引起越來越多關注。膽汁酸在傳統上作為乳化劑促進飼糧中脂肪利用率和脂溶性物質吸收,提高飼料效率,改善生產性能[6]。而一些親水性膽汁酸,如膽酸(cholic acid,CA)、鵝脫氧膽酸(chenodeoxycholic acid,CDCA)、熊脫氧膽酸(ursodeoxycholic acid,UDCA)還具有調節糖代謝和脂代謝、保護腸道屏障和微生態平衡以及抗氧化損傷等作用,在一定程度上緩解熱應激造成的負面影響[7-10]。本實驗室前期研究發現,熱應激抑制牛磺結合型膽汁酸(taurine-conjugated bile acid,TCBA)的合成、結合和攝取,影響腸肝循環,可能對生長豬的抗應激能力造成影響[11]。因此,飼糧中適當添加膽汁酸可能有利于維持畜禽代謝穩態,提高抗應激能力。本文系統地對膽汁酸代謝、膽汁酸對機體的調控機制以及添加外源膽汁酸對生長階段熱應激豬和肉雞的重要意義進行闡述,以期為下一步研究提供理論依據。
膽固醇是動物細胞膜的重要組成之一,也是合成膽汁酸的前體[12]。血液中膽固醇大部分來自肝臟的合成,小部分通過采食攝入。約2/5自身合成的膽固醇在肝臟實質細胞中通過經典途徑和替代途徑轉化為初級膽汁酸。經典途徑合成的膽汁酸約占82%,由膽固醇7α-羥化酶(CYP7A1)啟動,而后通過甾醇12α-羥化酶(CYP8B1)生成CA。通過甾醇27α-羥化酶(CYP27A1)和氧固醇7α-羥化酶(CYP7B1)合成的CDCA約占18%。合成后膽汁酸被膽汁酸輔酶A合成酶(BACS)和氨基酸N-乙酰轉移酶(BAT)激活并與牛磺酸(taurine)或甘氨酸(glycine)結合生成牛磺膽酸(taurocholic acid,TCA)或甘氨膽酸(glycocholic acid,GCA)并分泌到膽汁中,隨膽汁流向膽道儲存于膽囊。進食后由腸道分泌的膽囊收縮素(cholecystokinin,CCK)刺激膽囊收縮,使膽汁酸排入腸道。在回腸末端,約95%的膽汁酸通過鈉依賴性膽汁鹽轉運蛋白被刷狀緣膜重吸收,進入門脈循環被肝臟回收,此過程稱為膽汁酸的腸肝循環。膽汁酸的腸肝循環在營養吸收、毒性物質代謝、維持機體膽汁酸代謝穩態中起重要作用,由肝臟和腸道中核受體調節的復雜膜轉運系統調控。此外,除少量膽汁酸以類固醇的形式排出體外,還有一小部分膽汁酸被腸道微生物修飾后形成次級膽汁酸,隨后在結腸中以被動運輸的形式被吸收[13]。
膽汁酸種類較多,按照來源分類包括初級膽汁酸和次級膽汁酸。初級膽汁酸包括在肝臟中由膽固醇合成的CA、CDCA、UDCA以及它們與甘氨酸和牛磺酸結合的膽酸鹽。初級膽汁酸分泌進入腸腔,經擬桿菌屬(Bacteroides)、梭菌屬(Clostridium)、真桿菌屬(Eubacterium)、乳桿菌屬(Lactobacillus)和埃希菌屬(Escherichia)等菌表達的羥基類固醇脫氫酶(hydroxysteroid dehydrogenase,HSDH)將初級膽汁酸轉化為次級膽汁酸,主要包括脫氧膽酸(deoxycholic acid,DCA)和石膽酸(lithocholic acid,LCA)。膽汁酸又可按照結構分為游離型和結合型,即膽汁酸分子是否與牛磺酸或甘氨酸結合,結合型膽汁酸更具親水性以促進其分泌到膽汁中,且降低部分疏水性膽汁酸毒性。不同動物膽汁酸種類也有區別,在家禽中,膽汁酸主要包括CA、DCA、CDCA以及牛磺鵝脫氧膽酸(taurochenodeoxycholic acid,TCDCA);豬的膽汁酸主要包括豬脫氧膽酸(hyodeoxycholic acid,HDCA)、CDCA、豬膽酸(hyocholic acid,HCA)、TCA,其中HDCA約占40%,CDCA約占25%。
膽汁酸的結構多樣性是宿主和腸道菌群協同作用的結果,腸道微生物菌群通過修飾初級膽汁酸產生次級膽汁酸,從而充當“內分泌器官”。膽汁酸是腸-肝軸和微生物-宿主軸交互的信號分子,即機體可以通過肝臟將膽汁酸、免疫球蛋白A(IgA)以及多種抗菌分子排到腸道,從而保護腸道屏障和塑造腸道菌群,而腸道菌群通過次級膽汁酸、短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFA)等代謝產物在腸-肝軸傳遞信號,影響宿主采食和能量代謝[14]。微生物代謝衍生的次級膽汁酸不僅影響腸道微生物群的組成和功能,還作為關鍵信號分子通過激活特異性受體和細胞信號通路調節宿主機體的某些生物效應。膽汁酸核法尼醇X受體(farnesoid X receptor,FXR)和膽汁酸G蛋白偶聯受體5(G-protein-coupled bile acid receptor 5,TGR5)是參與緩解熱應激主要的膽汁酸受體,通過膽汁酸的信號傳導特性調節宿主多個代謝途徑(圖1)。
FXR在許多組織和器官中表達,在參與調節膽汁酸穩態的組織中表達量較高,如腸道、肝臟和腎臟[15-17];在胃、食道、膽管和胰腺上皮細胞中也有表達[18-22]。FXR可調節膽汁酸合成、膽汁的分泌、膽汁酸的重吸收,在膽汁酸的腸肝循環中起關鍵作用[23-24]。FXR還與糖代謝、脂代謝、免疫調節、腸道屏障完整性有關,在緩解熱應激效應中發揮著重要作用[23,25]。膽汁酸作為配體在激活FXR中的結構活性關系,其效價等級為:CDCA>DCA>LCA>CA[26]。TGR5作為被膽汁酸激活的膜受體[27],與膽汁酸相互影響,參與控制能量、葡萄糖穩態、腸屏障完整性和免疫反應等[28],在膽囊、脾臟、肝臟[庫普弗細胞(Kupffer cell)]、腸、腎臟、骨骼肌、胰腺、脂肪細胞和巨噬細胞中均有表達[29]。TGR5主要在腸神經元上調節腸運動[30],而在固有免疫細胞上似乎能有效抑制炎癥反應[31-32]。此外,膽汁酸以TCA、LCA、DCA、CDCA、CA的活性順序結合并活化TGR5[26]。總之,膽汁酸在塑造宿主先天免疫、緩解應激和調節代謝等方面起關鍵作用。目前,對于腸道微生物-膽汁酸-宿主軸的研究正在胃腸病學、內分泌學和傳染病學等多個領域不斷擴展。
在熱應激狀態下,糖代謝、脂代謝、抗氧化系統和腸道健康均受到負面影響,進而導致畜禽情緒低落、食欲不振,機體免疫力也隨之降低。采食量下降是熱應激對畜禽最直觀的影響,也是多數物種的適應性反應,以減少代謝產熱,穩固產能和熱量損失的平衡,從而導致生產性能大幅下降[33]。膽汁酸作為膽汁的重要組成成分,其獨特之處在于可通過乳化脂質、影響細胞膜、變構調節和受體介導等途徑發揮作用。但一些疏水性膽汁酸,如DCA和LCA在肝臟積聚反而會刺激肝細胞線粒體產生活性氧自由基(ROS)進而導致氧化應激,而腸道中大量疏水性膽汁酸積聚會損害斷奶仔豬腸道屏障和上皮細胞增殖[34]。CDCA和UDCA是具有保護作用的親水性膽汁酸,能針對毒性膽汁酸對機體起到保護作用,并刺激膽汁分泌,調節免疫以及對細胞凋亡的抑制。盡管CA、CDCA、UDCA等膽汁酸分子介導的信號調節通路涉及機體的糖代謝、脂代謝、腸道健康、抗氧化應激和免疫調節等多個有益方面已得到證實,但對于膽汁酸緩解畜禽熱應激的應用研究較少。因此,合理利用膽汁酸對緩解畜禽熱應激作用的研究對開發新型抗熱應激添加劑有重要意義。

FXR:法尼醇受體 farnesoid X receptor;CCK:膽囊收縮素 cholecystokinin;MLCK:上皮肌球蛋白輕鏈激酶 myosin light chain kinase;SREBP-1c:膽固醇調節元件結合蛋白-1c sterol regulatory element binding protein-1c;PPARα:過氧化物酶體增殖劑激活受體α peroxisome proliferator activated receptor α;cAMP:環磷酸腺苷 cyclic adenosine monophosphate;CREB:環磷腺苷效應元件結合蛋白 cyclic adenosine monophosphate effector element binding protein;GLP-1:胰高血糖素樣肽-1 glucagon like peptide-1;IL-8:白細胞介素-8 interleukin-8;TGR5:膽汁酸G蛋白偶聯受體5 G-protein-coupled bile acid receptor 5;CA:膽酸 cholic acid;CDCA:鵝脫氧膽酸 chenodeoxycholic acid;SHP:小異源二聚體配體 small heterodimer partner;NF-κB:核因子-κB nuclear factor-κB;LCA:石膽酸 lithocholic acid;UDCA:熊脫氧膽酸 ursodeoxycholic acid;TUDCA:牛磺熊去氧膽酸 tauroursodeoxycholic acid。
膽汁酸可通過非受體介導機制在腸腔中與極性磷脂分子結合,將膳食脂質摻入腸腔內的混合膠束溶液中,這種膠束化過程增加了腔內脂質的表面積,改善腸道脂肪酶的可及性和脂肪水解效率。Pearce等[35]研究表明,急性熱應激影響家禽下丘腦和十二指腸中CCK的mRNA表達水平,不利于營養物質的吸收和刺激胰腺酶的分泌,進而影響其飼料轉化率。且畜禽在幼齡階段機體膽汁酸分泌不足,有限的內源乳化劑導致脂質消化和利用受到限制,飼糧中添加膽汁酸能提高消化能力、改善生長性能、減少腹瀉和提高飼料轉化率。有研究指出,在飼糧中添加外源乳化劑可提高斷奶仔豬對于脂肪的消化吸收,從而促進仔豬生長發育[36]。同時,飼糧能量水平是影響飼料轉化率、生長性能和胴體質量的關鍵因素,應激狀態下可以通過添加油脂提高飼糧能量水平以滿足畜禽能量需求[3]。據報道,肉雞飼糧中添加0.5%的CA顯著提高了飼料轉化率,肉雞對于油脂的表觀吸收率由51%提升至84%,以促進其生長發育[37]。且飼糧中添加60~80 mg/kg復合膽汁酸能有效改善肉雞生產性能,提升胸肌率[6,38]。這表明膽汁酸可促進肉雞利用更多的能量用于生長,改善熱應激引發的能量攝入不足。此外,CDCA通過誘導胰高血糖素樣肽-2(glucagon like peptide-2,GLP-2)分泌可改善斷奶前期仔豬的適應性,保護腸道完整性使其免受應激導致的腹瀉,保障生長發育[39]。在采食調控方面,膽汁酸還可通過腸道基底外側的TGR5刺激腸胃和胰腺分泌食欲和代謝調節激素[如胰高血糖素樣肽-1(glucagon like peptide-1,GLP-1)、酪酪肽(peptide YY,PYY)等],但涉及的機制尚未全面了解[40]。因此,畜禽在熱應激狀態下,飼糧中添加膽汁酸可能在一定程度上改善生產性能、胴體質量和肉品質。
熱應激擾亂機體正常的糖和脂肪代謝,降低胰島素敏感性,導致葡萄糖不合理利用、脂肪過度沉積等亟待解決的問題。研究發現,許多物種在慢性熱應激狀態下機體循環胰島素水平升高,進而產生胰島素抵抗,血清中基礎游離脂肪酸含量趨于降低,脂肪組織中甘油生成和脂質儲存量反而增加[33,41]。膽汁酸分子作為維持機體代謝穩態的參與者,其激活的受體FXR在脂肪過度沉積和胰島素抵抗之間存在特定的分子聯系。如CDCA和牛磺熊去氧膽酸(tauroursodeoxycholic acid,TUDCA)可通過激活FXR受體有效緩解高血脂小鼠肝臟甘油三酯(TG)積聚、極低密度脂蛋白(VLDL)分泌和血清TG含量升高,并改善熱應激引起的胰島素抵抗[42-44]。熱應激狀態下,膽汁酸通過激活FXR提高機體血糖和胰島素耐受性,并誘導小異源二聚體配體(small heterodimer partner,SHP)抑制糖異生有關的磷酸烯酰丙酮酸激酶(PEPCK)、葡萄糖-6-磷酸酶(G-6-P)和果糖-1,6-二磷酸酶(FBP)基因表達以降低血糖,緩解胰島素抵抗和葡萄糖利用率降低等負面影響[45]。而FXR-/-可導致肝X受體(liver X receptors,LXR)表達水平升高,并誘導脂肪生成靶基因[如硬脂酰輔酶A去飽和酶1(SCD1)和脂肪酸合成酶(FAS)]的表達,造成脂肪過度積累[46]。有研究指出,CA和CDCA可降低膽固醇調節元件結合蛋白(SREBPs)在小鼠肝臟中的表達[7]。飼糧中添加0.1%和0.5%的CDCA可明顯抑制上述肝脂肪生成基因的表達,但過高劑量的CDCA有降低肉雞采食量的可能性[47]。在腸道L細胞中,FXR通過與環磷酸腺苷(cAMP)-環磷腺苷效應元件結合蛋白(CREB)信號通路的關鍵轉錄調節因子CREB相互作用抑制了GLP-1的分泌,降低胰腺β細胞分泌胰島素,緩解熱應激導致的胰島素抵抗,改善了糖代謝[48]。肝臟FXR也可誘導過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)的高表達,繼而上調脂肪酸β氧化相關酶,如酰基輔酶A氧化酶1(ACOX1)、乙酰輔酶A合酶(ACS)、脂蛋白脂肪酶(LPL)和肉毒堿棕櫚酰轉移酶l(CPT1)等的表達,促進脂肪酸氧化,也能減少脂質沉積[49]。此外,UDCA是目前用于治療多種肝膽疾病的“萬能藥”,可通過FXR依賴性肝脂質代謝保護骨骼肌免受脂毒性損傷,已被證明可以有效改善脂肪變性和炎癥[50]。而在維持膽固醇代謝穩態方面,FXR經膽汁酸激活后,誘導產生的成纖維細胞生長因子15(FGF15)改變初級膽汁酸與次級膽汁酸的比例,增強膽汁的親水性,進而通過ATP結合轉運蛋白ATP結合盒(ATP binding cassette,ABC)G5/G8促進膽固醇排出腸腔,防止膽固醇淤積[51]。而TGR5在能量穩態中也起著重要作用,其通過對棕色脂肪組織能量的消耗和增強胰島素敏感性以改善能量利用效率[52]。
畜禽腸道健康在熱應激期間承受大量內源性和外源性刺激,破壞畜禽的腸道功能,影響營養物質消化和吸收,甚至導致死亡[53]。熱應激期間,血液從內臟器官到體表的分配量增加以盡可能的通過輻射散熱,腸道充血減少導致腸道細胞缺氧、ATP耗竭、酸中毒和細胞功能障礙,從而導致腸道絨毛萎縮、腸上皮細胞凋亡[54]。此外,在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激下,無論在體內試驗還是在體外試驗,均會導致循環胰島素水平升高,影響腸道屏障功能[55-56]。Pearce等[57]和Fernandez等[4]研究發現,熱應激導致生長豬的腸道通透性增加,血清LPS含量上升,進而造成腸道緊密連接蛋白受到破壞。熱應激狀態下,LPS刺激上皮肌球蛋白輕鏈激酶(myosin light chain kinase,MLCK)的高度表達,其表達和活性是誘導腸道緊密連接通透性增加的關鍵因素,而MLCK基因的信號轉導級聯是調節緊密連接的重要機制[8,58]。熱應激引發的腸道細胞缺氧條件下,回腸黏膜缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)的表達迅速升高,以供缺氧條件下細胞的存活[59]。有研究認為,HIF-1α也可能激活MLCK,導致腸道通透性升高[60]。CDCA可改善熱應激狀態下腸通透性增加、MLCK表達量升高以及緊密連接蛋白表達降低等負面影響,減輕LPS誘導的腸道屏障損傷[8]。有研究表明,CDCA參與降低斷奶仔豬的腸道通透性,降低血清LPS含量[61],并刺激CCK的分泌[62]。在肝臟和腸道中,TGR5/cAMP信號通過抑制核因子-κB(NF-κB)介導的炎性細胞因子產生而具有抗炎功能,保護腸屏障完整性并預防結腸炎[63-64]。膽汁酸作為FXR的內源性配體,可以激活參與腸道保護因子的表達,抑制細菌過度生長,還能降低促炎性細胞因子白細胞介素-8(IL-8)、誘導型一氧化氮合酶(iNOS)和碳酸酐酶12(CAR12)等黏膜損傷有關基因的表達[9]。如UDCA可以作用于黏膜免疫細胞,能特異性抑制腫瘤壞死因子-α(TNF-α)誘導的促炎性細胞因子IL-8的釋放[65]。
熱應激會打破畜禽腸道菌群質和量的生態平衡,造成腸內微生態失衡,有益菌數量和代謝產物的減少對腸道黏膜免疫和全身細胞因子的分泌造成負面影響。如厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)是豬腸道中的優勢菌群[66],而最近研究指出,熱應激降低豬腸道中Bacteroidetes的相對豐度,增加變形菌門(Proteobacteria)、γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)、假單胞菌目(Pseudomonadales)、莫拉菌科(Moraxellaceae)和不動桿菌屬(Acinetobacter)的相對豐度[67]。熱應激期間畜禽采食量大幅下降是影響腸道菌群的主要因素之一,有研究認為采食量通常與Bacteroidetes相對豐度和SCFA含量呈正相關,而與Proteobacteria相對豐度呈負相關[68]。Bacteroidetes主要通過多糖的酵解并產生SCFA為宿主提供能量,且SCFA有利于維持腸道黏膜的低pH環境以抑制病原體的生長,缺乏SCFA會減弱其對腸黏膜屏障的保護作用,導致機體循環內毒素含量增加[69]。膽汁酸可以激活小腸中的固有免疫基因來直接或間接地調節腸道微生物組成,通過膽汁酸代謝促進相關細菌的生長和抑制其他膽汁敏感細菌的生長以塑造腸道微生物群落,保證腸道健康[70]。如TUDCA能促進菌群中有抗炎作用的糞腸球菌(Enterococcusfaecalis)和阿克曼氏菌(Akkermansia)的相對豐度大幅上升,降低促炎性的減少螺菌(Spirillumminus)和活潑瘤胃球菌(Ruminococcusgnavus)的相對豐度[71]。而腸道菌群在膽汁酸代謝中起著至關重要的作用,次級膽汁酸的化學組成受腸道微生物群落的調控,任何微生物菌群的干擾都有可能破壞膽汁酸的穩態并影響宿主的生理過程。如膽汁酸水解酶(bile salt hydrolase,BSH)屬于微生物酶,BSH能夠斷開糖結合的膽汁酸和牛磺膽汁酸的氨基酸側鏈,使之產生游離膽汁酸(CA和CDCA),后者在微生物的作用下還可進一步產生次級膽汁酸(DCA和LCA)。目前已經在一些細菌中發現BSH,主要是厭氧菌屬,包括Bacteroides、Clostridium、Eubacterium、Lactobacillus以及Escherichia。研究表明,BSH有助于腸道微生物對膽汁的耐受性[72]。因此,BSH的活性在調節宿主體內的動態平衡中起著重要作用,并且該活性很可能在腸道屏障和免疫功能以及對宿主脂質和膽固醇代謝的調節中起關鍵作用[73]。未來還需要大量的工作來了解微生物產生的膽汁酸信號與宿主膽汁酸受體相互間微妙的作用,這些相互作用機制最終可能會成為驅動宿主健康或疾病的分子開關[74]。
熱應激狀態下器官組織缺血會導致機體超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性下降,細胞清除自由基的能力下降,自由基不能及時清除或超過動物體內抗氧化系統的清除能力時就會造成氧化應激,進而導致脂質、肝臟和肌肉的氧化損傷。細胞在氧化應激情況下,線粒體產生大量的ROS[74]。同時,血漿中SOD和GSH-Px活性也會上調,產生更多的丙二醛(MDA)[75-76]。此外,作為細胞內的能量傳感器,單磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)被認為是維持細胞能量動態平衡的主要調節因子[77]。為滿足細胞能量需求,AMPK被激活并促進骨骼肌中脂肪酸和葡萄糖的氧化[78]。Lu等[79]研究表明,處于熱應激狀態下7 d的肉雞會導致AMPKα的磷酸化水平上升,AMPK被激活并增強了三羧酸循環和線粒體中脂肪酸的β-氧化,進而產生更多的能量。線粒體大量產生能量的同時不可避免地導致ROS水平升高,過量的ROS會破壞胞內脂質、蛋白質、核酸的結構,導致細胞功能障礙,最終造成機體代謝失常和免疫功能降低[80]。而一些膽汁酸在緩解氧化應激方面發揮著重要作用。Perez等[81]研究表明,UDCA通過提高肝臟內谷胱甘肽(GSH)水平增強機體的抗氧化損傷能力,促進肝細胞和膽管上皮細胞的免疫調節和膽汁分泌,也可能有助于此類親水性膽汁酸保護細胞。TUDCA在機體中可以作為分子伴侶,以增強蛋白質折疊并保護肝細胞抵抗內質網應激[82]。TCDCA能通過提高機體各抗氧化酶活性及平衡各抗氧化酶在組織中的分布,增強機體抗氧化能力,抑制脂質過氧化,抵御氧自由基對動物組織造成的損害[83]。Liu等[10]通過分子建模研究,觀察到膽汁酸主要以氫鍵和π-π堆積作用與Kelch樣ECH關聯蛋白1(Keap1)結合,上調核因子E2相關因子2(Nrf2)信號傳導和影響下游蛋白質的表達,起到緩解氧化應激的作用。熱應激條件下,肉雞飼糧中添加200 mg/kg TUDCA能顯著降低血清中MDA含量,提高肝臟的總抗氧化能力(T-AOC),降低氧化應激對雞群產生的影響[84]。此外,UDCA和TUDCA能夠在細胞和分子水平上起到直接的保護作用,包括穩固肝細胞膜、增強抗氧化應激能力以及抑制多種藥物誘導的細胞凋亡[85],表明膽汁酸作為營養預防策略在緩解氧化應激和保護細胞等方面具有一定潛力。
近年來,許多研究評估了急性和長期熱應激對畜禽生產造成的負面效應,以及尋求緩解熱應激的有效策略。盡管早期研究均已經表明膽汁酸在維持動物的生理穩態方面至關重要,但還缺乏對熱應激狀態下膽汁酸代謝機制深入、系統的研究。畜禽既是重要的農業產品又是相關的生物醫學模型,通過畜禽熱應激模型對各類膽汁酸的功能和通路進行深度發掘,促進功能性膽汁酸的合理利用,有利于開發出緩解畜禽熱應激和代替抗生素的新型綠色添加劑,其結果可能對人類健康和動物生產有重要影響。