奶牛腸道菌群紊亂與乳腺炎的關系

陳玉山

蒙陰縣畜牧發展促進中心，山東臨沂 276200

0 引言

乳腺炎是影響奶牛泌乳性能、危害畜牧業發展的主要疾病之一，具有廣泛影響[1]。奶牛患病后，牛奶質量和經濟效益下降，還會對機體造成長時間不利影響。美國每年由于奶牛乳腺炎導致經濟損失225美元/頭，全年損失可達20 億美元[2]。加拿大每年患乳腺炎奶牛的治療成本為622 美元/頭，英國和荷蘭分別是203 英鎊/頭和240 英鎊/頭[3]。研究發現，乳腺炎導致我國奶牛場經濟損失每年最高可達135 美元/頭[4]。通常認為該病是由于細菌等病原體通過傷口或乳頭入侵乳腺，從而引發乳房部位的局部炎癥[5]。治療該病往往需要大量抗生素，這會導致抗生素在機體內殘留，對病菌的耐藥性增加，難以起到治療作用。近年來，腸道菌群由于其治療效果和廣泛的應用空間，進入大多數研究者視線。研究發現，腸道菌群數量和組成變化會導致機體內代謝產物合成變化、腸道屏障功能改變，引起機體炎癥，導致患糖尿病、心血管疾病、胃腸道疾病和腫瘤等[6]。腸道微生物菌群能編碼300多 萬個基因，是人體內基因總數的150 倍，這可能是腸道微生物能調節機體代謝和健康的原因之一[7]。腸道菌群可通過腸-腦途徑、腸-腎途徑、腸-肺途徑、腸-肝途徑等多渠道調節機體各臟器健康狀況，還可通過血液淋巴等循環途徑達到乳腺部位，發揮調控乳腺健康的作用[8]。因此，探究腸道菌群對乳腺炎發病機制的作用與影響，有助于為治療乳腺炎疾病提供新的防治方法，促進奶牛養殖健康快速發展。

1 奶牛乳腺炎的特征、發病率和流行狀況

乳腺炎是奶牛養殖過程的常見疾病之一，臨床表現為乳腺紅腫，觸摸伴有疼痛感，會導致乳汁理化性狀改變，顏色變黃，體細胞數量顯著增加，產奶量和飲食量減少[9]。奶牛乳腺炎通常根據癥狀不同分為臨床型乳腺炎和亞臨床型乳腺炎。患臨床型乳腺炎奶牛的癥狀較明顯，除上述表觀癥狀外，隨著病情發展，還會引發其他全身型疾病，如發熱、食欲下降和營養不良等[10]。患亞臨床型乳腺炎奶牛的臨床癥狀不明顯，常通過檢測體細胞數量變化來判斷，因此又被稱為隱性乳腺炎，但此類乳腺炎具有較強隱蔽性，常被養殖人員忽視，容易未及時治療而導致病情惡化[11]。乳腺炎的臨床或非臨床特征主要是由病原菌類型決定，且會由多種病因誘發。奶牛乳腺受到機械性損傷、病原微生物入侵或奶牛飼喂條件不衛生、營養攝入失衡而導致抵抗力下降等，都會導致乳腺炎，其中病原微生物入侵是主要病因[12]。據報道，從乳腺炎分離出的病原微生物已高達150多 種，其中20多 種較為常見，是引起乳腺炎的主要病原菌，包括金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、乳房鏈球菌、無乳鏈球菌、克雷伯氏菌、停乳鏈球菌、支原體和單胞假菌等[13]。這些病原菌根據分布和對乳腺的作用機制不同分為環境性病原菌和傳染性病原菌，前者通常存在奶牛飼養環境中，后者主要為接觸性傳播。由于病原菌的多樣性分布，在奶牛養殖過程中難以防治。數據顯示，該病在全世界廣泛流傳，美國約有50%的泌乳奶牛患乳腺炎，烏拉圭奶牛隱性乳腺炎的發病率為52.4%，日本奶牛乳腺炎發病率為45.1%，丹麥臨床型乳腺炎的發病率為21.0%[14]。我國作為畜牧養殖業大國，乳腺炎發病情況同樣屢見不鮮。劉霄等[15]對昆明市周圍標準化奶牛養殖場和奶牛合作社的調查發現，標準化奶牛養殖場的乳腺炎發病率為28.79%，奶牛合作社中隱性乳腺炎的發病率高達56.21%。郝景鋒[16]等對吉林省7 個地區31 267 頭奶牛進行一年的持續跟蹤，發現乳腺炎發病率高達57.21%，通化市發病率最高（76.71%），吉林市次之（69.32%），然后是白山市（53.58%）、延吉市（53.27%）、長春市（52.45%）、四平市（51.02%）和遼源市（50.31%）。總之，奶牛乳腺炎在全世界范圍廣泛流傳，影響奶牛養殖業健康發展。

2 腸道菌群與乳腺炎的關系與影響

近期研究發現，腸道菌群紊亂和奶牛乳腺炎的發生發展有密切關系，且患病奶牛和健康奶牛的腸道菌群有較大差別。瘤胃作為反芻動物代謝的主要部位，瘤胃微生物的作用相當于腸道微生物對機體的作用。Wang等[17]研究發現，患亞臨床型、臨床型乳腺炎的奶牛與正常奶牛相比，其糞便中的微生物群落多樣性明顯降低。臨床型乳腺炎奶牛的羅姆布茨菌屬Romboutsia、普雷沃氏菌科Prevotellaceae_UCG-003、另枝菌屬Alistipes和糞球菌屬Coprococcus等菌群豐度明顯降低，而埃希菌屬Escherichia、志賀氏菌屬Shigella、變形菌門Proteobacteria和鏈球菌屬Streptococcus等菌群豐度上升，且亞臨床型乳腺炎奶牛的克雷伯氏菌屬Klebsiella和索氏梭菌屬Paeniclostridium發生顯著富集。對其臨床指標進一步檢測發現，乳腺炎奶牛血清中的促炎癥脂質產物含量較高，尿酸和肌酐等代謝產物含量下降。進一步對健康奶牛、乳腺炎奶牛的瘤胃微生物菌群和代謝狀態變化進行研究，發現乳腺炎奶牛瘤胃中的丁酸、乙酸、乳酸、戊酸、丙酸、揮發性脂肪酸含量明顯降低，臨床型乳腺炎奶牛瘤胃中與炎癥密切相關的毛螺菌科Lachnospiraceae、奈瑟氏菌科Neisseriaceae和莫拉菌屬Moraxella等菌群豐度上升。亞臨床型乳腺炎奶牛的瘤胃梭菌屬Ruminiclostridium_9和腸桿菌屬Enterorhabdus菌群豐度增加，而產生短鏈脂肪酸的菌群（Prevoterotoella_1、雙歧桿菌屬Bifidobacterium）數量明顯下降，這些數據說明瘤胃中菌群變化與乳腺炎具有密切關聯[18]。Zhao等[19]對瘤胃菌群測序發現，臨床型乳腺炎奶牛瘤胃中變形菌門菌群豐度增加，致病菌群莫拉菌屬Moraxella富集，說明這2 種菌群與乳腺炎發生發展密切相關。

雖然目前認為病原體感染乳腺部位引發炎癥是導致乳腺炎的主要原因，但研究發現，腸道菌群紊亂也可能導致乳腺炎。Ma等[20]對患乳腺炎奶牛的糞便菌群進行測序，發現相比健康奶牛，乳腺炎奶牛糞便中毛螺菌科Lachnospiraceae、厭氧棒狀菌屬Anaerostipes、羅氏菌屬Roseburia和多爾氏菌屬Dorea菌群豐度明顯降低，顫螺菌屬Oscillospira和瘤胃球菌科Ruminococcaceae菌群豐度上調。將乳腺炎奶牛的腸道菌群移植給小鼠后，小鼠出現乳腺炎癥狀，且腸道菌群發生紊亂，脾臟、結腸和血清中的炎癥因子含量顯著增加，這說明腸道菌群紊亂可能引起乳腺炎。Hu等[21]研究發現，奶牛發生乳腺炎癥后會伴隨腸道菌群紊亂，引發全身炎癥，導致血乳屏障、腸道屏障和瘤胃屏障的通透性下降。還有研究發現，小鼠的腸道菌群發生紊亂后，會導致體內的血乳屏障減弱，對于金黃色葡萄球菌引起的乳腺炎起到惡化作用，而抑制正常小鼠的腸道菌群后，會使該現象扭轉，且給小鼠服用過多抗生素后會導致腸道菌群穩態發生變化，誘使致病性腸桿菌數量增加，降低產生短鏈脂肪酸菌群活性[22]。Zhao等[23]研究發現，小鼠補充喂食菊粉后能增加腸道中短鏈脂肪酸的濃度及相關菌群活性，從而激活巨噬細胞的免疫反應，吞噬病菌，延緩由于金黃色葡萄球菌引發的小鼠乳腺炎。另外，腸道菌群紊亂后還會導致由大腸桿菌引起的小鼠乳腺炎惡化，而通過飲食補充色氨酸后，腸道菌群可將其代謝為吲哚的相關衍生物（吲哚丙酸和吲哚-3-醛等），從而激活機體的代謝通路，上調AhR信號位點，抑制炎癥因子相關信號通路NF-κB的表達從而減少TNF-α和IL-1β等促炎因子表達，進一步緩解由于大腸桿菌引發的小鼠乳腺炎，且單獨喂食能產生AhR配體的羅伊氏桿菌同樣能調節相關信號通路來發揮作用，降低乳腺炎的反應[24]。總之，腸道菌群變化和乳腺炎發生具有密切關系，通過調節相關腸道菌群表達，可起到緩解乳腺炎的效果[25]。

3 乳腺菌群和腸道菌群的關系

除了腸道微生物和乳腺炎發病相關之外，奶牛的乳腺菌群對調解乳腺炎發病也有密切關系，且可能受腸道菌群調節。Fernandez等[26]認為乳腺炎的本質是乳腺部位菌群失調的結果。Pang等[27]對兩家亞臨床型乳腺炎的奶牛場進行腸道菌群檢測發現，與正常健康奶牛相比，兩家奶牛場中患病奶牛中鏈球菌屬Streptococcus菌群豐度明顯上升。患病率稍低的奶牛場還伴有克氏桿菌Klebsiella和志賀氏大腸桿菌Escherichia-Shigella菌群豐度增加，患病率高的奶牛場則伴有棒狀桿菌屬Corynebacterium菌群豐度提高，且在所有牛奶樣品中均能檢測到來自腸道的瘤胃球菌屬Ruminococcus、理研菌屬Rikenella、普雷沃氏菌屬Prevotella、擬桿菌屬Bacteroides和另枝菌屬Alistipes等菌群，這說明乳腺中菌群可能來自腸道菌群。Zhu等[28]對健康奶牛和患病奶牛的乳腺組織探索分析，發現乳腺炎奶牛中乳腺菌群和正常奶牛存在明顯差異，其中存在變化的主要為瘤胃菌科Ruminococcaceae、根瘤菌屬Rhizobium、瘤胃球菌屬Ruminococcus、糞球菌屬Coprococcus和梭菌屬Clostridium等菌群。瘤胃菌科Ruminococcaceae與乳腺免疫相關疾病的表達有密切關系，主要包括ICAMI、HSPA1A、LGMN、HSPA1B、THBS1等與抗原加工和提呈的基因、以及CCN1和IL15RA等與細胞因子受體和趨化因子相關的基因。而瘤胃球菌屬Ruminococcus、糞球菌屬Coprococcus和梭菌屬Clostridium等菌群則與乳腺組織中的CD8+T細胞的表達密切相關，這些數據說明乳腺中微生物和、炎癥的表達以及免疫調節相關，可進一步調節乳腺炎發病，影響奶牛乳腺健康。乳腺中微生物可能和腸道中微生物存在關聯。研究發現，腸道菌群可穿過腸道屏障進入乳腺，調節乳腺的健康表達[29]。研究者對奶牛血液、牛奶和糞便中的微生物群落進行檢測，發現乳腺炎奶牛與健康奶牛糞便中的差異菌群主要為梭菌屬Clostridium、Turicibacter和多爾氏菌屬Dorea等菌群，在牛奶中差異較大的菌群為Olsenella和紅球菌屬Rhodococcus，在血液中差異較大的菌群主要為支原體類的菌[30]。研究發現，乳腺炎奶牛中分離出的大腸桿菌與腸胃道中自然存在的共生菌沒有差異，且大腸桿菌中能引起乳腺炎的毒力因子也在大腸桿菌定植，并生存于多樣性胃腸道環境中，發揮重要作用[31]。Hoque等[29]對比健康奶牛和乳腺炎奶牛中菌群差異，發現糞腸球菌Enterococcus faecalis、脆片乳酸桿菌Lactobacillus crispatus、分散泛菌Pantoea dispersa、綠膿桿菌Pseudomonas aeruginosa和催產素克雷伯氏菌Klebsiella oxytoca等菌群存在較大差異，這種差異同時存在于乳腺炎奶牛的乳汁和腸道中。將健康奶牛的菌群定植到乳腺炎小鼠后，發現乳腺炎小鼠的乳汁和腸道中同時發生眼馬賽菌Massilia oculi、動物雙歧桿菌Bifidobacterium animalis、皮氏羅爾斯頓菌Ralstonia pickettii、鄧氏菌屬Duncaniella、金黃色葡萄球菌Staphylococcus aureus和腸鼠桿菌Muribaculum intestinale等菌種富集，說明這些菌種在調節乳腺炎中發揮重要作用。Zhong等[32]進一步研究發現，母親口服活性菌粉后，可通過哺乳，經過口腔-腸道-乳腺過程垂直傳遞給嬰幼兒，這些研究證明腸道菌群與乳腺菌群有密切關聯，且機體內可能存在腸道-乳腺的傳遞途徑，并且腸道菌群可通過該途徑來調節乳腺炎發生。Yong等[33]對同一頭奶牛血液、乳汁和糞便中的菌群進行分析發現，在3 種樣品中均存在瘤胃球菌屬Ruminococcus、消化鏈球菌屬Peptostreptococcus和雙歧桿菌屬Bifidobacterium等菌群，推測奶牛腸道部位的菌群能通過內源性相關途徑遷移到乳腺中。針對Protothecazopfii引起奶牛乳腺炎的流行病學研究表明，這類乳腺炎發病可能是由于病菌從腸道遷移至乳腺。Kuehn等[34]對健康奶牛和乳腺炎奶牛中微生物進行16s rDNA高通量測序發現，乳腺炎奶牛菌群中短波單胞菌屬Brevundimonas、鞘氨醇單胞菌屬Sphingomonas、伯克霍爾德菌屬Burkholderia和寡養單胞菌屬Stenotrophomonas菌群豐度顯著升高，嗜冷桿菌Psychrobacter、青枯菌Ralstonia和假單胞菌Pseudomonas菌群豐度下降。Oikonomou等[35]對比臨床型乳腺炎和亞臨床型乳腺炎奶牛的乳汁微生物區別，發現亞臨床型乳腺炎奶牛乳汁中好氧芽胞桿菌屬Aeribacillus、糞桿菌屬Faecalibacterium、丙酸桿菌屬Propionibacterium和毛螺菌科未確定菌屬Unidentified-Lachnospiraceae菌群豐度更高，且腸道中菌群也相應變化。此外，奶牛腸道菌群發生紊亂后，可能伴隨大量革蘭氏陰性菌死亡，同時釋放大量脂多糖，而脂多糖是革蘭氏陰性菌細胞壁的主要構成成分，也是一種常見炎癥因子，還會誘導促炎因子TNF-α和IL-1β表達增多，導致乳腺炎發生[36，37]。

4 小結

奶牛乳腺炎的誘因除外界病原體入侵、機體抵抗能力下降、皮膚損傷等，還存在腸道菌群或瘤胃菌群及其代謝物介導的感染途徑。腸道菌群發生紊亂后，會導致機體內致病菌群數量增加，影響免疫系統正常作用，誘發炎癥，且能通過腸道-乳腺途徑進入乳房，破壞血乳屏障作用。因此，對于乳腺炎的誘發病因，可分為外源性影響因素和內源性影響因素進行后期的探索研究。未來，可通過靶向菌群調節腸道-乳腺途徑來進行乳腺炎防治工作，做到快速高效的靶向治療。