鐮刀菌毒素對動物毒性作用的研究進展

許 巧

（上海農林職業技術學院，上海 201600）

鐮刀菌毒素是鐮刀菌屬真菌在生長過程中產生的次生代謝產物，因其種類繁多、污染率高、毒性強、難以去除等特點而被廣泛關注，成為近年來毒性研究最多的一類真菌毒素[1]。攝入鐮刀菌毒素可引起動物生產性能下降，引起急性或慢性中毒反應，包括生殖毒性、免疫毒性、腸道毒性、肝臟和腎臟毒性、細胞毒性及致癌性等[2-3]。從動物健康和生產的角度來看，危害最大的鐮刀菌毒素主要有玉米赤霉烯酮（Zearalenone，ZEA）、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（Deoxyniavalenol，DON）和T-2 毒素。此外，鐮刀菌毒素難以降解，日糧中低水平的毒素雖不會影響動物生長，但可通過消化道進入動物體內，殘留在動物產品中[4]，威脅人類健康。

近年來，由于全球異常氣候頻發、存儲條件限制及農產品貿易全球化，鐮刀菌毒素的污染風險呈現上升趨勢。王國強[5]和雷元培等[6]調查了我國近年來飼料原料及配合飼料中霉菌毒素的污染情況，發現飼料原料和產品受鐮刀菌毒素污染較為普遍，形勢嚴峻。為此，本文總結了單一或混合鐮刀菌毒素對動物毒性作用，以期為該領域的科研工作者和生產者提供參考。

1 鐮刀菌毒素的分類

鐮刀菌屬真菌產生的毒素種類很多，常見的毒素有單端孢霉烯族類毒素、伏馬類毒素、玉米烯酮類毒素，此外，近幾年被鑒定出的串珠鐮刀菌素、白僵菌素和恩鐮孢菌素等新型鐮刀菌毒素也因在食品和飼料中頻發而備受關注[7]。單端孢霉烯族類毒素是鐮刀菌毒素中最常見的一類，有A～D 4 種類型，以A、B 型毒性較大，前者主要包括T-2 毒素及其代謝物HT-2 毒素，后者主要包括DON 和雪腐鐮刀菌烯醇（Nivalenol，NIV），其中T-2 毒素對動物毒性作用最強[8]。伏馬類毒素（Fumonisins，FUM）是由串珠鐮孢菌、多育鐮刀菌和輪狀鐮刀菌等霉菌產生的一類水溶性代謝產物，迄今發現超28 種類型，其中以伏馬毒素B1（FB1）毒性最強，污染最為嚴重，其次是伏馬毒素B2和B3[9]。玉米烯酮類毒素是一類具有類雌激素樣作用的非蛋白、非甾類真菌毒素，由禾谷鐮刀菌、黃色鐮刀菌和木賊鐮孢菌等代謝產生[10]，主要有6 種類型，分別為ZEA、玉米赤霉酮（Zearalanone，ZAN）、α-/β-玉米赤霉烯醇（α-/β-Zearalenol，α-/β-ZOL）、α-/β-玉米赤霉醇（α-/β-Zearalanol，α-/β-ZAL），后5 種均為ZEA 的代謝衍生物[11]。

2 鐮刀菌毒素對動物的毒性作用

鐮刀菌污染飼料及原料后通常會產生多種鐮刀菌毒素，不同毒素的毒性作用存在差異，且不同毒素間存在協同、加性、增效或拮抗等多種效應。

2.1 生殖毒性 多數鐮刀菌毒素具有生殖毒性，其中以ZEA 最為顯著。ZEA 及其衍生物在結構上與內源性雌激素相似，能與雌激素受體（ERs）結合，導致生殖系統功能障礙。關于ZEA 的生殖毒性已有大量報道，并在不同物種（鼠、兔和豬等）中得以證實[2]。雌性動物攝入ZEA 多表現為陰唇紅腫、卵巢萎縮、發情異常、流產、不孕、死胎和胎兒畸形等[12]；孕酮、雌二醇等激素分泌紊亂，卵泡成熟和排卵異常，卵母細胞和顆粒細胞增殖受到抑制[12-13]。ZEA 對雄性動物的影響主要在其高劑量下表現出來，具體為性欲下降、包皮水腫、乳頭腫大、睪丸萎縮及精子質量下降等[14]。ZEA 對雌性動物的生殖毒性具有跨代效應，可通過胎盤轉移至胎兒體內，影響后代的生殖能力[14]。研究顯示，ZEA 及其衍生物的雌激素效應不同，以α-ZOL 最強，這與它們對ERs 的親和力有關[15]，而α-ZOL 是豬對ZEA 的主要代謝產物，因此豬是對ZEA 最敏感的動物。

豬對DON 亦非常敏感，DON 對豬生殖毒性的表現與ZEA 相似。研究報道，攝入DON 可導致母豬子宮萎縮、發情間隔延長、死胎率增加，這可能與DON 可誘導豬卵巢卵母細胞和顆粒細胞變性，影響卵泡發育，抑制顆粒細胞增殖及生殖激素的分泌有關[16-17]。DON亦可引起雄性小鼠生殖器官萎縮、精子質量下降、生殖細胞變性、性激素分泌紊亂[18]。此外，T-2 毒素對動物亦具有生殖和發育毒性，能影響卵巢和睪丸的正常機能，抑制卵泡的成熟、顆粒細胞的增殖和類固醇激素的合成，降低精子質量和睪酮的分泌[19]。T-2 毒素及其代謝物HT-2 毒素能穿過胎盤進入胎兒體內，導致胚胎死亡、流產或發育畸形[20]。目前，FB1對動物生殖系統的毒性研究還不夠深入，但已有試驗發現FB1對豬卵巢顆粒細胞的增殖具有抑制作用[17]，飼喂FB1污染的日糧（FB1濃度大于10.2 mg/kg）可導致公雞精子活力和活精子數量顯著下降，損害繁殖能力[21]，提示FB1可紊亂動物的生殖功能。

有學者研究了多種鐮刀菌毒素的協同毒性作用。研究顯示，DON 與ZEA 聯合作用可影響豬卵巢顆粒細胞甾體和類固醇的生成[22]，導致妊娠母豬發生流產[23]；引起雄性小鼠睪丸發生組織病理學變化和氧化損傷，精子質量下降等生殖毒性反應[24]。Cortinovis 等[17]研究發現，FB1與DON 聯合對豬卵巢顆粒細胞的增殖有抑制作用，而α-ZOL 與FB1聯合能刺激顆粒細胞增殖，促進孕酮產生，并表現為加性效應。AlBonico 等[25]研究發現，FB1與α-/β-ZOL 聯合作用可顯著影響牛顆粒細胞的增殖和類固醇的生成，且表現出協同或加性效應。

2.2 免疫毒性 免疫系統是鐮刀菌毒素毒性作用的又一重要靶點，可通過破壞動物體的免疫器官結構，影響免疫細胞的增殖和免疫分子的分泌，進而損傷機體的免疫功能。

研究已證實，T-2 毒素和DON 具有雙向免疫效應，根據暴露的劑量、頻率和時間的不同，發揮免疫刺激或免疫抑制作用。T-2 毒素的免疫毒性研究較早，其毒性作用與暴露劑量有很大關系。低劑量T-2 毒素可短暫上調免疫相關基因的表達，增加免疫球蛋白水平和免疫細胞數量，達到刺激免疫應答的效果；而其高劑量則會引起免疫抑制，導致脾臟、胸腺、淋巴等免疫器官萎縮，淋巴細胞損傷和壞死，血清免疫球蛋白含量降低，易受沙門氏菌、大腸埃希菌等病原菌或新城疫病毒、傳染性法氏囊病病毒的浸染[26]。最新研究表明，低劑量DON上調了豬肺泡巨噬細胞（PAMs）中腫瘤壞死因子和白介素6 的基因表達量，促進了PAMs 的趨化和吞噬能力，引起免疫刺激；而高劑量DON 促進了PAMs 中白介素10 的基因表達，抑制了PAMs 趨化和吞噬作用，導致免疫抑制；探究其機制發現，DON 可能通過激活TLR4/NF-κB 通路引起免疫刺激，阻斷線粒體自噬導致免疫抑制[27]。通過接種疫苗獲得免疫力是預防動物感染病毒性疾病的重要手段，然而這種獲得性免疫可能被霉菌毒素損害，如T-2 毒素可導致肉雞新城疫病毒和傳染性法氏囊病病毒抗體滴度下降[28]；DON 污染的飼料可增強豬圓環病毒的復制并干擾免疫應答[29]，降低雞傳染性支氣管炎病毒的抗體效價[30]。多數免疫細胞中含有雌激素受體，因此ZEA 可通過紊亂免疫細胞的激素水平引起免疫毒性。Reddy 等[31]研究發現，采食ZEA 污染的日糧可干擾仔豬肝臟免疫相關基因的表達。ZEA 對脾臟有直接毒害作用，日糧中1.1～3.2 mg/kg ZEA 可導致仔豬脾臟淋巴細胞增殖率下降，組織病理學和超微結構改變，細胞因子基因表達異常，且表現出劑量效應[32]。

目前，關于鐮刀菌毒素聯合的免疫毒性報道較少。與單一毒素污染的日糧相比，DON 和FUM 聯合污染能引起仔豬更為嚴重的免疫抑制[33]。ZEA 與DON 聯合染毒可影響小鼠T 細胞（CTLL-2）免疫細胞因子的分泌，降低免疫細胞殺傷活力，從而導致動物機體免疫機能下降，且表現出加性效應[34]。ZEA 和DON 聯合染毒加劇了小鼠體液免疫功能的損傷，呈現亞加性效應，且在高劑量聯合時的互作效應更為明顯[35]。Semenov 等[36]用鐮刀菌毒素污染的日糧（70 μg/kg T-2 毒素、50 μg/kg ZEA 和1 000 μg/kg DON）飼喂斷奶仔豬，并口服感染梭狀芽胞桿菌，發現T 淋巴細胞和B 淋巴細胞數量減少，脾臟發生病理學改變，特異性保護抗體滴度降低，傳染病發生率增加，表明長期攝入鐮刀菌毒素，即使處于飼料衛生標準允許的范圍，也易導致感染性疾病的發生。因此，在制定飼料霉菌毒素的限量標準時，不能僅考慮單一毒素的危害。

2.3 腸道毒性 腸道黏膜是飲食毒素遇到的第一個生物屏障，因此，它極有可能暴露于大量毒素之中，成為霉菌毒素首要的攻擊目標。正常的腸道形態結構、完整的腸道屏障功能、穩定的微生態區系以及有效的腸道免疫功能對于維持腸道正常生理功能和動物健康具有重要意義。DON 是腸道致病性真菌毒素，可引起動物嘔吐、腹瀉和消化不良等癥狀。研究表明，DON 可誘發動物腸道組織病變，包括絨毛萎縮、上皮細胞壞死；細胞單層跨上皮電阻降低，腸道通透性增加，引起腸道屏障功能受損；腸道防御機能下降，病原菌（如致病性大腸桿菌）的易感性增加[37]。DON 可抑制豬腸上皮細胞葡萄糖和氨基酸轉運載體的合成，進而抑制腸黏膜對葡萄糖和氨基酸的吸收[38]，但相關機制尚不清楚。此外，DON 的攝入可影響母豬腸道微生物的多樣性和豐富度，導致菌群紊亂[39]；促進豬腸道黏膜促炎性細胞因子的分泌，降低免疫球蛋白水平及杯狀細胞和淋巴細胞數量[40]，表明DON 能直接或間接引起腸道的炎癥反應，影響腸道免疫功能。

腸道對T-2 毒素比較敏感，T-2 毒素的攝入可引起各種動物消化道發生壞疽。研究顯示，T-2 毒素可引起山羊腸道彌漫性充血和出血，導致腸道組織病理學改變和氧化損傷[41]；小鼠血液中二胺氧化酶活性升高，腸絨毛變短、斷裂或溶解，提示T-2 對腸道形態結構和屏障功能的破壞[42]。ZEA 對腸道亦具有毒害作用，可改變豬腸道組織形態學結構[43]，降低母豬盲腸和結腸杯狀細胞數量，增加淋巴細胞和漿細胞數量，破壞大腸的防御機能[44]。Lewczuk 等[45]研究發現，低劑量ZEA或DON 污染日糧也能引起豬十二指腸免疫細胞數量變化，因此低劑量鐮刀菌毒素被認為是誘發小腸亞臨床炎癥的危險因素之一。PrzyBylska 等[43]報道，飼喂低濃度的ZEA 或DON 對豬腸道黏膜超微結構及屏障功能無明顯影響，但可顯著影響淋巴細胞、杯狀細胞和漿細胞數量，表明腸道免疫細胞是低劑量ZEA 和DON 的主要攻擊目標。此外，FB1也能改變小腸不同片段的組織形態學，降低絨毛高度，改變細胞因子的基因表達量[46]。

近幾年，有關ZEA 與DON 聯合毒性作用成為研究熱點。ZEA 與DON 聯合染毒會改變豬腸道組織學形態和免疫細胞數量[43]，影響結腸微生物群落的濃度、多樣性和代謝活性，且兩者間表現出協同效應[47]。而Lewczuk 等[45]認為，DON 和ZEA 引起腸道免疫細胞數目變化的時間歷程是不同的，這2 種毒素間的相互作用不能被簡單地認為是相加或協同。Gerez 等[48]研究了日糧中DON 單獨或與NIV、ZEA 混合的毒性作用，發現聯合污染引起的豬腸道組織學變化最為顯著。Bracarens 等[49]報道，DON 和FUM 在豬腸道毒性上可表現出協同效應、加性效應、亞加性效應和拮抗作用，表明霉菌毒素間交互作用的復雜性。Wan 等[50]研究發現，與單一毒素相比，混合鐮刀菌毒素（DON、NIV、ZEA、FB1）引起豬腸道的炎癥反應更為嚴重。

2.4 肝臟和腎臟毒性 肝臟是霉菌毒素在體內的主要代謝器官，毒素及其代謝物極易在肝臟中大量蓄積，進而誘發肝組織損傷。腎臟是主要的排泄器官，毒素及其代謝物可通過肝腸循環進入腎臟，由于腎臟血流量大，毒素可被大量運往腎組織，進而對腎臟產生強烈的毒害作用。大部分鐮刀菌毒素可誘發肝臟和腎臟毒性。

長時間攝入T-2 毒素可導致山羊肝臟和腎臟出現組織病理學變化，表現為肝臟腫大和彌漫性充血，肝細胞大量壞死，腎臟皮質變白，腎小管上皮細胞腫脹出血[41]。采食T-2/HT-2 毒素污染的日糧可導致肉雞血清轉氨酶活性顯著提升，誘導肝臟氧化損傷[51]。ZEA 可引起仔豬肝細胞和腎小管上皮細胞顆粒變性[52]，動物（雞、豬）血清轉氨酶活性顯著升高，總蛋白和白蛋白含量顯著降低[53-54]。Xu 等[53]在肉雞上的研究發現，ZEA 可在肝、腎組織中大量蓄積，從而解釋了ZEA 誘導肝臟和腎臟損傷的原因。DON 也可引起蛋雞肝臟和腎臟組織損傷，抑制肝臟的抗氧化能力[55]。給5 周齡仔豬喂食1.5 mg/kg DON 污染的飼料后，肝臟出現明顯病變[48]，而膳食4.59 mg/kg DON對14周齡仔豬肝臟沒有造成明顯損傷[56]，2 種相反的結果提示幼齡動物可能對DON 的敏感性更高。FB1可導致仔豬肝臟損傷，表現為血清肝功能指標升高，肝臟細胞空泡變性，促炎細胞因子基因表達量增加，抗炎細胞因子基因表達量降低[46]。

Grenier 等[33]研究發現，日糧中添加DON 和FB1能引起仔豬肝臟、腎臟組織發生病理學改變，其損傷程度較單一毒素更為嚴重。ZEA 和DON 聯合染毒具有亞加性效應，能顯著提高小鼠血清轉氨酶活性和肝細胞凋亡率，顯著降低總蛋白和白蛋白含量[57]；可誘導小鼠腎臟功能障礙、氧化應激和細胞凋亡，表現劑量、時間依賴關系，且聯合染毒可發揮亞加性的腎毒性作用[58]。2 mg/kg DON+1.3 mg/kg NIV+1.5 mg/kg ZEA 污染的日糧可導致仔豬肝細胞胞漿空泡化和局灶性壞死，且毒素間可能存在相互作用[48]。

2.5 細胞毒性及氧化應激 研究認為，鐮刀菌毒素中T-2 毒素的細胞毒性最強，其次是NIV、DON、FB1和ZEA[59]。T-2 毒素可通過線粒體途徑介導的氧化應激以及SAPK/JNK 和P38MAPK 信號轉導通路的激活，誘導肝細胞、腸細胞、生殖細胞等多種細胞凋亡[28]。以豬腸上皮細胞（IPEC-J2）為模型，研究發現DON 誘導的氧化應激可能通過調控PI3K-AKT-mTOR 信號通路誘導自噬，激活凋亡信號通路而表現出細胞毒性[60]。DON可促進牛卵巢顆粒細胞凋亡，其作用機制可能與核毒素應激反應的激活有關[61]。研究表明，FB1的細胞毒性相對較小，只有在相對高的濃度下才觀察到細胞死亡[62]。FB1可引起動物細胞氧化損傷和炎癥反應，從而激活細胞凋亡和自噬，對肝細胞、腸細胞和免疫細胞等造成毒性作用[63]。ZEA 可抑制豬胎盤滋養層細胞（pTr）增殖，使pTr 細胞發生氧化損傷，導致細胞凋亡，影響胎盤和胚胎發育[13]；干擾IPEC-J2 細胞周期，抑制細胞增殖，誘導細胞炎癥，造成細胞損傷[64]。鄭王龍[65]探究了ZEA 致睪丸支持細胞（TM4）凋亡和細胞骨架損傷的分子機制，發現ZEA 可誘導氧化應激水平升高，而ROS 的升高可加劇內質網應激水平，激活ATP/AMPK信號通路，進而引起TM4 細胞周期阻滯和細胞凋亡的發生，且內質網應激-細胞自噬-氧化應激通路參與了TM4 細胞骨架損傷。上述研究結果提示，細胞的氧化應激和炎性反應可能是各類鐮刀菌毒素誘發細胞損傷和凋亡的主要因素。

研究表明，在低細胞毒性劑量下，鐮刀菌毒素聯合染毒（DON+FB1、DON+ZEA 和NIV-T2）對細胞凋亡具有協同作用[59]。DON 與ZEA 聯合作用能導致更為嚴重的細胞毒性，孫凱[66]研究發現，ZEA 與DON聯合暴露具有協同效應，可誘導小鼠體外T 淋巴細胞活力下降和超微結構損傷，通過激活Fas/FasL 和線粒體通路參與調控T 淋巴細胞凋亡。Severino 等[67]報道，FB1+ZEA 或NIV+DON 聯合染毒對豬淋巴細胞增殖的抑制作用較單一毒素更為嚴重，表現為協同效應。但Vejdovszky 等[68]報 道，DON+NIV、DON+ZEA 和NIV+ZEA 組合對人結腸腺癌細胞（Caco-2）的毒性具有拮抗作用，這可能與選擇的細胞模型、毒素濃度和孵育時間有關。

2.6 致癌性及其他毒性 國際癌癥研究機構已將FB1歸為2B 類致癌物，DON 和NIV 認定為3 類致癌物。雖然ZEA、T-2 和HT-2 還未被列出致癌物名單，但其致癌性的研究也有諸多報道。Pajewska 等[69]在47 個人類子宮內膜癌組織樣品中（共67 個樣品）檢測到α-ZOL的存在，由此推測ZEA 具有促進癌癥發生的可能。類似地，邱思奇[70]研究發現，DON 和ZEA 對人肝癌細胞（HepG2）有顯著的促增殖和促遷移作用，表明DON 和ZEA 具有潛在的致癌性。而ZEA 對癌細胞（乳腺癌、前列腺癌）具有促進和抑制增殖的雙重特性，即在低濃度時刺激癌細胞的增殖，在高劑量時具有抗增殖作用[71]。T-2 毒素具有弱致癌性，長期攝入則會到內臟器官壞死甚至引發癌癥[1]。

近年來研究發現，DON 可降低血腦屏障的完整性，從而允許DON 和其他毒素穿過屏障到達腦組織，對大腦神經元和神經膠質造成損害[72]；DON 具有血液毒性，攝入高濃度DON 可導致蛋雞凝血功能異常[55]。T-2 毒素作為一種神經類毒素，可直接穿過血腦屏障，引起腦損傷[73]；可導致山羊血紅蛋白含量、白細胞和血小板計數顯著降低，引起造血和凝血障礙[41]。T-2 毒素也是大骨節病的可能致病因素，可誘導軟骨細胞凋亡[74]。此外，ZEA 和DON 聯合染毒能引起小鼠腦組織氧化應激和細胞凋亡，呈劑量依賴性和協同效應[75]。

3 總結與展望

綜上，大部分鐮刀菌毒素具有多方面的毒性作用，同時在某方面也可能具有突出的毒性表現，因此對單一毒素進行深入的毒理研究極為重要。鐮刀菌毒素種類繁多，部分毒素的毒性研究還不夠全面，仍缺乏相關數據，且大多毒素的分子作用機制還尚未完全闡明，有待進一步研究。此外，自然條件下受污染的飼料往往含有多種毒素，尤其鐮刀菌毒素共存的概率極大，但當前國內外仍以單一毒素的研究居多，隨著研究的深入，應多關注霉菌毒素間的互作效應和聯合毒性作用，尤其在制定毒素的限量標準時不應僅僅參考單一毒素的毒性研究數據。最后，為保證動物健康以及畜產品安全，需加強脫毒方法的研究，尤其是在面對多種性質差異較大毒素共存時，如何進行有效脫毒是未來亟需解決的問題。