動物氧化應激及其營養調控措施研究進展

儲 蓄，張軍霞，王 晶

(1.北京市農林科學院畜牧獸醫研究所，北京 100097；2.青海大學農牧學院，西寧 810016；3.北京市農林科學院-美國俄克拉荷馬州立大學動物科學聯合實驗室，北京 100097)

氧化應激指體內產生過多自由基引發的機體氧化還原平衡失調現象，是引起動物疾病和降低生產性能的重要原因之一。當體內活性氧自由基(ROS)和活性氮自由基(RNS)積累過多，就會對細胞脂質、蛋白質和DNA造成不可逆的損害，從而影響動物生理機能和生產性能。在畜禽生產中，很多因素如環境、生理階段改變和外源致病菌毒素等都會引發氧化應激，從而破壞機體氧化還原平衡。氧化應激會使動物機體處于亞健康狀態，體內過多的氧自由基可破壞組織器官黏膜屏障，導致機體功能損傷，容易引起疾病的發生[1]，出現生產性能、繁殖性能、畜產品品質降低等現象，嚴重影響生產經濟效益。

抗氧化是機體抵抗氧化作用的過程，機體內的抗氧化物質主要分為兩類，一類由機體自身合成，另一類由食物中獲得。當動物處于高溫、斷奶、妊娠等特殊時期時，補充外源抗氧化物質可以有效緩解動物體內氧化應激狀態，減少氧化損傷，從而改善健康狀況和生產性能。隨著我國養殖業和飼料業的發展，研究開發天然、綠色、安全的抗氧化劑以緩解畜禽機體氧化損傷及其帶來的危害是必然的選擇。本文綜述了動物氧化應激產生的原因及其造成的影響和損害，并對益生菌、維生素、微量元素、激素類和植物類活性物質等天然抗氧化劑在體內外調節抗氧化還原系統的作用和機制進行了歸納。

1 引起動物氧化應激的原因

很多因素可引起動物氧化應激，環境因素如溫度變化、低氧狀態和運輸等會引起氧化應激；動物自身狀態的改變，如出生、斷奶、妊娠或哺乳等也可能會觸發氧化應激；此外，感染致病菌和病毒等也會造成動物氧化應激的發生(圖1)。

圖1 引起動物氧化應激的原因Fig.1 Causes of oxidative stress in animals

1.1 環境因素

畜禽通過生理調節來維持體溫恒定，在適宜的環境溫度下，動物的生理機能和生產性能處于穩定狀態。溫度過高會導致動物機體代謝增強，引起ROS的過量堆積，從而對機體造成損傷，導致生產性能的下降等。熱應激引發的氧化應激是影響哺乳動物乳腺發育和功能的重要因素之一，高溫條件導致的應激會破壞體內抗氧化酶系統，并影響乳腺細胞熱休克蛋白的表達，導致乳腺細胞凋亡等現象的發生，進而引起乳腺炎癥、乳脂率和乳蛋白率下降，影響生產效益[2]。劉琦[3]研究發現，熱應激1周和2周的肉雞，其血清、胸腺和脾中丙二醛(MDA)水平顯著升高，超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)和總抗氧化能力(T-AOC)水平顯著降低，這表明持續高溫會導致機體發生嚴重的氧化應激。低氧是誘發機體氧化應激的另一重要因素。Gill等[4]研究發現，缺氧仔豬的大腦皮層中過氧化氫(H2O2)濃度顯著增加，且腦組織中谷胱甘肽(GSH)水平較高，細胞溶質細胞色素c和乳酸顯著增加，這表明缺氧仔豬正經歷嚴重的氧化應激。當發生缺氧時，機體會促進GSH-Px、環氧化酶(COX)、黃嘌呤脫氫酶(XDH)和髓過氧化物酶(MPO)的分泌進而產生多種氧自由基，最終導致機體氧化損傷的發生[5]。此外，陳前程[6]研究發現，間歇低氧也會導致大鼠心靜脈血清MDA和ROS濃度顯著增加，呈現氧化應激狀態。運輸過程中由于裝載時間、裝載密度、道路狀況和運輸過程中的飼料、溫度、飲水等因素也會導致動物發生氧化應激，從而引發疾病和降低肉品質。孫鋒[7]研究發現，在運輸過程中，新孵雛雞機體內谷胱甘肽轉移酶(GST)、過氧化氫酶(CAT)、T-AOC和總超氧化物歧化酶(T-SOD)含量明顯降低，而MDA含量顯著上升，表明此時雛雞發生了嚴重的氧化應激，這也可能是造成新生雛雞體重損失的原因之一。此外，運輸應激會引起蛋雞卵巢組織中MDA堆積、T-SOD和CAT活性降低，從而引發氧化損傷，降低蛋雞的產蛋率[8]。尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶1(NOX1)是ROS產生的關鍵酶，He等[9]屠宰了經歷運輸過程的豬后發現，其空腸上皮細胞NOX1表達顯著增高，這意味著運輸可能會引起豬體內ROS的堆積，從而導致氧化應激的發生。

1.2 動物自身狀態改變

動物不同生理狀態的改變也會引發氧化應激。幼畜剛出生時，其機體氧化還原系統尚未成熟，隨著日齡的增長，氧化還原系統逐步發育至完善。Yin等[10]發現，新生幼畜血漿中MDA、8-羥基鳥苷(8-OHG)、8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)等含量顯著增高，表現明顯的氧化應激過程，隨后機體通過激活核因子-E2相關因子2(Nrf2)信號通路，逐漸誘導SOD和GSH-Px等的釋放，在出生7 d后，機體內氧化還原趨于平衡。仔畜斷奶時，由于飲食和環境的改變，也會使機體遭受嚴重的氧化應激，進而引發腸道炎癥和腹瀉等，甚至造成死亡。斷奶會導致仔畜機體抗氧化能力下降，同時可能會通過抑制核因子-κB 亞基p65親和肽(NF-κB p65)和Nrf2 信號通路調節抗氧化基因表達，以促進機體抗氧化系統的發育，但目前斷奶后仔畜抗氧化系統發育的機制仍不清楚[11]。李沖[12]研究發現，羔羊斷奶會導致回腸細胞中MDA濃度顯著增加，但對SOD、GSH-Px的活性沒有顯著影響，表明斷奶會造成羔羊回腸細胞發生脂質過氧化。此外，母畜懷孕時，由于能量和氧需求的增加，使得胎盤內超氧化物和H2O2釋放異常，母畜很可能遭受氧化損傷，這在高產母畜中更為明顯[13]。高產母豬在懷孕和哺乳期內，血漿淋巴球細胞DNA的損傷比早期懷孕時高，血漿中維生素A和α-生育酚也顯著降低，直至斷奶后，母豬體內的氧化還原水平才達到早期懷孕時的水平[14]。因此，在妊娠母畜生產實踐中，有必要在飼糧中添加抗氧化劑，以緩解該階段引起的氧化損傷。

1.3 外源致病菌和病毒

2 氧化應激對動物的影響

2.1 氧化應激影響動物健康

動物發生氧化應激時，機體產生的ROS不僅會對細胞脂質、蛋白質和DNA造成損害，影響細胞功能，還會通過NF-κB或核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(Nalp-3)等誘導機體炎癥反應的發生和相關細胞因子的表達，進而影響機體健康[24]。腸道屏障是維持腸道內環境穩態和阻礙致病菌及病毒的先天性屏障，氧化應激會引發腸道黏膜細胞損傷，破壞腸道屏障完整性，進而導致腸道消化和吸收功能下降[25]，影響動物機體健康。Zhou等[26]發現，當斷奶仔豬發生氧化應激時，機體內緊密連接蛋白1(claudin-1)、閉合蛋白(occludin)和閉鎖連接蛋白1(ZO-1)等緊密連接蛋白表達顯著降低，表明機體氧化應激狀態影響腸道屏障功能和腸道健康。當動物長期處于氧化應激狀態，會引起腸道屏障功能受損和免疫功能下降，對畜禽機體健康造成嚴重影響。

2.2 氧化應激影響動物生產性能

當動物機體發生氧化應激時，其生產性能會受到明顯影響，進而對生產效益造成損失。Wang等[27]研究發現，產蛋雞生產后期腸道脂質代謝紊亂,T-SOD和GST活性降低，MDA含量激增，總抗氧化性能受損，推測其可能是產蛋后期生產性能較產蛋高峰期大大降低的內在原因。此外，受集約化養殖影響，產蛋或其他因素(熱應激、霉菌毒素等)會引起蛋雞的氧化應激，進而導致卵泡閉鎖，而卵泡閉鎖是影響蛋雞產蛋性能的重要因素[28]。遭受氧化應激的仔豬平均日增重(ADG)和平均日采食量(ADFI)顯著降低，料肉比(F/G)顯著增高[29]。肉羊遭受氧化應激時，其ADFI和ADG也會顯著下降[30]。研究表明，圍產期和高產母牛由于體內大量的代謝和生理活動會導致機體活性氧較平時顯著增加進而引發氧化應激，而長期的氧化應激會降低奶牛的免疫功能、影響乳腺健康進而影響奶牛的產奶量和乳品質[31]。

2.3 氧化應激影響動物繁殖性能

在動物繁殖過程中，由于母畜體內代謝增強，自由基大量堆積，易引發機體氧化應激和氧化損傷，若不加以控制，則會影響動物繁殖性能。Luo等[32]研究發現，妊娠母豬血漿GSH-Px和T-SOD活性顯著增高，但MDA和T-AOC含量變化不顯著，表明妊娠階段母豬表現一定程度的氧化應激狀態。在泌乳階段，母豬也較易發生氧化應激，引起乳腺上皮細胞DNA損傷和脂質過氧化，導致乳腺細胞凋亡，影響其泌乳性能，進而對仔豬生長發育也產生影響[33]。夏季高溫破壞雄性哺乳動物的氧化還原防御系統，從而影響精子的正常生成，并對精液品質造成不利影響[34-35]。氧化損傷是影響動物繁殖效率的重要因素之一，因此，有必要采取相應的措施以緩解繁殖階段動物機體氧化應激造成的損傷。

3 緩解氧化應激的營養調控措施

生物體內有酶類和非酶類兩種抗氧化系統，酶類系統包括SOD、CAT、GSH-Px等抗氧化酶，非酶類包括維生素A、維生素C、GSH、褪黑素、α-硫辛酸、類胡蘿卜素和微量元素銅(Cu)、鋅(Zn)、硒(Se)等。在動物生產中，當機體內氧化還原失衡發生氧化應激時，可以通過添加抗氧化物質，如益生菌、維生素、微量元素、激素和植物類活性物質等調節動物機體的氧化還原平衡(表1)。

3.1 益生菌

益生菌(probiotics)是一類對宿主有益的活性微生物，研究表明益生菌具有多種生物學功能，可通過調節腸道菌群降低動物腹瀉率、刺激體液和細胞免疫、降低腸道內不良代謝物含量等促進機體健康[60]。近年來也有研究發現，益生乳酸菌的添加對動物氧化應激具有調節作用。Zhao等[36]發現干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)可以緩解脂多糖(LPS)誘導的仔豬血漿中谷氨酰轉肽酶(GGT)的增高，但對AST活性無顯著影響，表明干酪乳桿菌對LPS引起的仔豬肝損傷有一定的緩解作用，但無法完全恢復，這可能與干酪乳桿菌使用劑量有關；同時添加干酪乳桿菌可顯著提高仔豬肝中SOD活性并顯著降低MDA的含量，但對CAT和GSH-Px活性無明顯影響，推測干酪乳桿菌可能通過提高SOD活性來緩解仔豬肝損傷，進而保護機體健康。Chen等[37]發現，在日糧中添加德氏乳桿菌(Lactobacillusdelbrueckii)，可以顯著增加LPS處理仔豬結腸T-AOC活性和空腸GSH濃度以及CAT和Cu/Zn-SODmRNA表達，顯著降低空腸和回腸中MDA的濃度，表明添加德氏乳桿菌可有效減輕LPS引起的仔豬腸道氧化損傷。芽孢桿菌(Bacillus)由于其具有強大的抗氧化活性，也被廣泛用于緩解機體氧化應激。通過體外對豬腸上皮細胞(IPEC-1)的研究，Wang等[38]發現，解淀粉芽孢桿菌SC06預處理IPEC-1細胞后可提高線粒體膜電位，降低H2O2引起的ROS生成，從而減輕細胞凋亡和壞死的發生，且這種抗氧化能力主要通過Nrf2/Keap1信號通路的調節發揮作用。朱瑾等[39]發現，育肥豬飼糧中添加200 mg·kg-1的枯草芽孢桿菌可以顯著增加豬血漿中CAT的活性并顯著降低MDA含量，但對肌肉抗氧化能力無顯著影響。Mazzoli等[61]亦報道，巨大芽孢桿菌SF185其孢子有清除自由基ROS能力，無論在小鼠體內還是體外都具有緩解氧化應激的作用。此外，研究證實，益生菌代謝產物，如胞外多糖(EPS)、阿魏酸(FA)、類胡蘿卜素、組胺等均具有較強的抗氧化性能[62]，因此,益生菌也可能通過這些代謝產物來發揮抗氧化作用。

3.2 維生素

維生素(vitamin)是人和動物自身合成或需從食物中獲得的用于維持正常生理功能的一類微量物質，部分維生素由于其具有較強的抗氧化性能，目前被廣泛用于緩解人和動物的氧化應激反應。其中，維生素C是一種強抗氧化劑，已有研究表明維生素C可有效緩解玉米赤霉烯酮(zearalenone)引起的機體氧化損傷。Shi等[22]研究發現，當“杜×長×大”雜交斷奶仔豬用玉米赤霉烯酮攻毒后，日糧中添加維生素C可通過調節仔豬肝核受體基因(PXR、CAR)、I期代謝酶基因(CYP1A1、CYP1A2、CYP1A6)和II期代謝酶基因(UGT1A1、UGT1A3、UGT1A6)mRNA的表達來保護肝免受氧化應激損傷。維生素E又稱生育酚，是一種脂溶性抗氧化劑，在動物體內發揮重要作用。Rehman等[40]研究發現，新城疫感染雞時，其腸道會出現炎癥、變形和絨毛斷裂等組織病理學變化，感染雞體內GST、CAT和T-AOC活性和GSH含量顯著降低且MDA含量顯著增高，而補充維生素E可以改善雞新城疫引起的氧化損傷和炎癥反應。王宣懿等[41]發現，飼料中添加維生素E可降低熱應激雛雞血清中亞硝酸鹽(NO)水平，顯著增加GSH-Px活性，以緩解機體氧化損傷。Yilmaz等[42]通過添加維生素E研究黃曲霉毒素對大鼠的影響時，發現維生素E可顯著降低血漿AST、丙氨酸轉氨酶(ALT)活性并提高組織中抗氧化酶CAT、GSH-Px和SOD活性來緩解黃曲霉素引起的大鼠機體氧化損傷。此外，Sun等[43]發現，大鼠飼糧中添加200 mg·kg-1BW維生素E可顯著增加Nrf2的mRNA表達和其信號通路下游產物GSH-Px2 mRNA的表達來抵抗機體氧化應激。維生素A是一種重要的脂溶性物質，也具有抗氧化功能。Shi等[44]發現，維生素A可提高GSH-Px和TrxR等抗氧化酶的轉錄和表達，并通過活化Nrf2信號通路和NF-κB途徑以保護NO誘導的BMEC氧化損傷，當維生素A濃度為1 μg·mL-1時效果最佳。陳雪[45]在研究豬卵母細胞時，發現維生素A可通過增強抗氧化基因視黃醇受體(RAR)和GSH的mRNA表達來降低細胞內ROS的產生和提高GSH濃度，從而緩解卵母細胞的氧化損傷。

3.3 微量元素

微量元素參與抗氧化酶的活性構成，通過改變抗氧化酶活性來改變機體的抗氧化能力。在生產中，飼料中添加微量元素也可有效預防或緩解動物的氧化應激。微量元素硒主要以硒蛋白形式參與生命活動。當硒缺乏時，含硒抗氧化酶含量降低，動物易發生氧化應激反應。常見的抗氧化酶如谷丙轉氨酶(GPT)、GSH-Px、甲狀腺素脫碘酶(Dios)和TrxR等都屬于硒蛋白家族[63]。Yang等[64]研究表明，硒缺乏的高能日糧會抑制Nrf2途徑及其對氧化還原反應的調節。而Liu等[65]發現，當日糧中添加硒(1.0 mg·kg-1)和維生素E(200 IU·kg-1)的水平高于通常推薦量時，可有效緩解由于高溫引起的氧化損傷，并顯著提高GSH-Px活性以減少氧化應激的發生。OTA誘導的氧化應激可促進PCV2的復制，研究發現，過表達的豬硒蛋白(SelS)可抑制PK15細胞中p38和p38磷酸化來阻斷OTA引發的PCV2復制[46]。鋅參與動物體內各種抗氧化酶的組成，Brugger和Windisch[66]通過對斷奶仔豬心肌的研究，發現亞臨床缺鋅會導致心抗氧化能力降低，誘導CAT和谷胱甘肽還原酶等抗氧化基因的表達，短期缺鋅時機體會發生補償反應，但長時間缺鋅則會損傷機體健康。鄒田浩[49]研究發現，肉雞日糧中添加蛋氨酸鋅和蛋氨酸錳均可顯著提高21和42 d血清中Cu-Zn SOD活性，顯著降低21 d血清MDA濃度，這表明，飼喂蛋氨酸鋅和蛋氨酸錳均可提高肉雞的抗氧化功能。侯鵬霞等[50]發現，當飼糧中連續添加氨基酸鋅50和60 d時，灘湖雜羊血清中SOD、GSH-Px、CAT和T-AOC活性隨鋅添加量呈正相關趨勢，當氨基酸鋅(鋅含量為52.8 mg·kg-1)添加50 d以上時可最大程度促進灘湖雜羊生長，提高免疫力和抗氧化能力。

3.4 激素類

激素是一種調節機體新陳代謝和組織生理活動的重要物質。目前研究發現，多種激素參與調節機體內氧化還原反應[67]。褪黑激素是一種由松果體產生的激素，主要負責調節睡眠和睡眠周期，同時還是一種有效的抗氧化劑和氧自由基清除劑，其代謝物AMK和AFMK是有效的自由基清除劑[68]。研究表明，OTA會引發線粒體異常和氧化磷酸化缺陷，進而促使豬卵母細胞發生氧化應激，而添加褪黑激素可顯著降低ROS產生，顯著增加GSH-Px和CAT的表達以改善OTA引起的氧化損傷和細胞凋亡現象[51]。17β-雌二醇是雌激素的一類，Rynkowska等[52]通過對屠宰母豬卵巢和甲狀腺勻漿研究發現，添加17β-雌二醇可顯著降低過氧化氫和鐵誘導的脂質過氧化。胰島素是一種常見的用于治療糖尿病的藥物，研究發現胰島素可以顯著提高GSH-Px和SOD活性，降低MDA水平以緩解鎘引起的大鼠糖尿病肝和腎的損傷[53]，因此推測，胰島素發揮作用或與其對氧化應激的調節作用相關。目前，針對激素類抗氧化性能的研究主要集中于動物與人病理性氧化應激方面，而對于緩解動物氧化應激方面的研究較少。

3.5 天然產物

近年來，人們發現植物活性物質具有強大的抗氧化能力，無論在體內外均有清除自由基，提高抗氧化酶活性的功能，常見的植物性天然抗氧化產物有黃酮類、植物類多酚、皂苷和精油等[69]。槲皮素是一種天然的黃酮類化合物，研究證實，槲皮素可通過降低MDA含量，激活Nrf2-ARE信號通路進而增強下游抗氧化酶的表達來保護氧化損傷的肝細胞[70]。植物多酚由于其抗病毒、抗氧化和抗炎效果被廣泛用于緩解動物氧化損傷和提高機體免疫力[71]。姜黃素是常見的多酚類物質，Cao等[57]發現，姜黃素可以通過腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)激活后誘導Parkin(一種線粒體自噬相關蛋白)依賴的線粒體自噬來有效改善H2O2誘導的氧化應激、腸上皮損傷和豬腸上皮細胞線粒體損傷。同時，Qin等[72]在體外試驗中發現，添加姜黃素可有效緩解玉米赤霉烯酮引起的豬顆粒細胞SOD1、CAT和GSH-Px1活性降低，表現為機體氧化損傷的減輕。皂苷也具有抗菌性、抗炎性和抗氧化等功能，有研究者發現，人參皂苷可以激活Nrf2/HO-1和Wnt/β-catenin信號通路，調節淋巴組織表達受體(RELT)、Toll樣受體4(TLR4)等基因表達和提高SOD、CAR、GSH-Px等抗氧化酶活性能力以緩解氧化應激損傷[73]，但目前針對人參皂苷在動物體上的研究較少。牛至精油是精油中的一種，由于其強大的抑菌和清除DPPH·和ABTS·等自由基的能力，被廣泛用作天然抗氧化劑[74]。聶利芳[59]在愛拔益加肉仔雞日糧中添加牛至油，發現可顯著提高21和42 d血清、肝T-SOD活力，顯著降低MDA含量。

4 小 結

動物生產中環境、生產階段等因素都有可能引發動物氧化應激的產生，嚴重影響動物健康和生產性能等。日糧中添加抗氧化劑可以幫助緩解氧化應激對動物造成的損害，本文從營養學角度歸納了益生菌、維生素、微量元素、激素和植物類活性物質等有效緩解氧化應激的營養物質及它們可能的作用機制。合理添加一些營養物質對動物機體的氧化應激狀態有一定緩解作用，但這些物質的適宜添加劑量、適宜添加階段以及深入的作用機制等仍需進行更進一步的研究。此外，添加的各種抗氧化劑之間是否存在協同或拮抗作用，如何形成合理的配伍添加比例和方式，也需要開展針對性的研究。因此，關注動物氧化應激狀態，并科學合理地采用營養性飼料添加劑進行適當調節，對于提高動物健康和生產性能有著重要的意義。