胃腸道菌群與黏膜免疫在圍產期奶牛健康中的作用

趙婉莉,曹棋棋,楊 悅,鄧昭舉,徐 闖

(中國農業大學動物醫學院,北京 100193)

不同于單胃動物,反芻動物有一套獨特的進化優勢,使它們能夠消化和利用單胃動物無法消化的植物纖維,這些優勢來自于瘤胃中棲息著的大量微生物。奶牛圍產期主要指奶牛產前3 周至產后3 周,這一時期奶牛會經歷從懷孕到分娩和泌乳的過程,動物正常營養代謝和能量平衡的維持面臨嚴峻挑戰[1]。為適應產后泌乳需要,圍產期奶牛從產前的高纖維飲食轉變為產后的高精料飲食,這種轉變往往導致瘤胃菌群的劇烈變化[2]。

寄生在胃腸道上的微生物和宿主之間存在的共生關系本質上主要是互惠互利的。宿主-微生物群的相互作用主要發生在黏膜表面,這創造了一個生態位,促進了細菌的定居和建立,也發展了對病原微生物識別和反應的機制。同時,微生物群產生的代謝產物在宿主生理中起著重要作用,它與宿主的免疫系統保持動態平衡[3]。越來越多的研究證明,胃腸道菌群通過參與競爭有限營養物質、防御病原體和調節免疫系統發育等機制在非腸組織炎癥疾病中發揮著重要作用[4]。黏膜免疫作為機體抵抗病原體的第一道屏障,在宿主免疫系統中扮演重要角色。因此,清楚地了解圍產期奶牛胃腸道菌群與黏膜免疫在健康和疾病中的相互作用,對于圍產期奶牛飼養管理及疾病防控具有重要意義。

1 奶牛胃腸道菌群

1.1 圍產期奶牛胃腸道菌群特征

瘤胃約占奶牛胃腸道總體積的80%,是胃腸道中85%以上短鏈脂肪酸(SCFAs)產生的部位,也是奶牛胃腸道菌群研究最多的部位。瘤胃生態系統的進化按如下精確順序發生:瘤胃乳頭生長[5],發酵碳水化合物和蛋白質的增加[6],提升酶活性[7]和調節微生物定植[8]。瘤胃中棲息著大量的微生物,包括細菌、原生動物、真菌、古生菌和噬菌體等,它們能降解植物纖維,并產生可用于維持宿主動物生長的代謝物[9]。瘤胃微生物群落主要分布在瘤胃液、瘤胃內容物及瘤胃壁,相互協同作用,在這個復雜多樣的生態系統中,細菌種群構成了主導群落[10]。存在于瘤胃液內的細菌稱為液相細菌,屬嚴格厭氧菌。瘤胃壁上皮附著的細菌又稱瘤胃壁黏附菌。瘤胃內容物細菌附著在固態飼料顆粒上,稱為固相細菌,包含著大量纖維降解菌,是降解纖維素的最重要的組成成分[11]。成熟反芻動物瘤胃微生物區系結構較穩定,圍產期奶牛瘤胃活躍的菌群由20個細菌門組成,按照功能不同又可劃分為纖維素與半纖維素降解菌、淀粉降解菌,產甲烷菌、乳酸產生菌,糖類、脂肪、蛋白分解菌等[11]。其中豐度最高的幾個細菌門主要是厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)[12]。最大優勢科主要是厚壁菌門的瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、擬桿菌門的普雷沃菌科(Prevotellaceae)、變形菌門的琥珀酸弧菌科(Succinivibrionaceae)[13]。

1.2 圍產期奶牛胃腸道菌群組成變化

奶牛瘤胃菌群豐度與穩定性對瘤胃健康至關重要。圍產期瘤胃菌群種類及豐度在不同階段會發生相應變化。隨著奶牛從干奶期過渡到泌乳期,從飼喂高纖維飼料轉變到高精料,瘤胃菌群豐度和多樣性隨之下降[14-15]。對干奶期及泌乳早期瘤胃菌群進行分析,發現隨著精料增加,產前軟壁菌門、綠彎菌門和疣微菌門所占比例較高,產后放線菌門所占比例較高[16]。而作為瘤胃液中豐度最高的2個菌門,厚壁菌門與擬桿菌門細菌豐度及種類在圍產期變化尤為明顯,最顯著的變化是擬桿菌門比例的增加和厚壁菌門的減少,與產前相比,產后擬桿菌與厚壁菌的比值幾乎翻了一番(從6∶1到12∶1)[2]。其中產前厚壁菌門的瘤胃球菌屬與丁酸弧菌屬在瘤胃生態系統中富集,產后擬桿菌門中的擬桿菌屬和普雷沃菌的豐度卻顯著增加[16]。這也與產后日糧更換密切相關。瘤胃球菌、產琥珀酸絲狀桿菌作為瘤胃內主要的纖維降解菌,在纖維的降解過程中最為重要,在產前高纖維日糧飼喂條件中富集。當產后轉變高精料日糧飼喂時,需要大量的淀粉降解菌,這時諸如普雷沃菌、牛鏈球菌等的豐度將會顯著增加。厚壁菌門/擬桿菌門比值降低可以看作腸道菌群紊亂的生物標志,與某些疾病的發生、宿主的新陳代謝及生理健康密切相關[17]。產后瘤胃菌群的另一個值得注意的特征是鏈球菌屬和乳桿菌屬的過度表達,作為瘤胃內重要的淀粉利用者及乳酸產生者,該類細菌隨著產后高精料飼喂逐漸占據優勢[18],它們會產生大量的乳酸,乳酸代謝的主要產物是短鏈脂肪酸(SCFAs),指碳數少于6的脂肪酸,主要包括醋酸鹽、丙酸和丁酸。而圍產期奶牛丙酸的主要產生菌埃氏巨球型菌(Megasphaeraelsdenii)和反芻獸月形單胞菌(Selenomonasruminantium)的數量有所減少,乳酸因無法被及時代謝而導致機體內乳酸積聚,伴隨乳酸吸收入血,同時丙酸作為糖異生的重要底物,會導致圍產期奶牛揮發性脂肪酸(VFA )和葡萄糖濃度降低,易誘發奶牛生產性疾病[19]。

2 胃腸道黏膜免疫系統

黏膜免疫系統為90%以上的潛在病原體提供第一道免疫防御屏障,是體內最大的免疫器官。它不僅需要保持對入侵抗原的耐受性,同時還要防止對共生細菌的有害炎癥反應,專門負責監測和協調誘導抑制免疫反應。微生物區系和胃腸道上皮表面之間的密切串擾對黏膜免疫系統構成了巨大的挑戰。胃腸道黏膜免疫系統由物理屏障(如黏液、上皮)、化學屏障(如抗菌肽、分泌型IgA)和免疫屏障(如上皮內淋巴細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞、T和B細胞以及自然殺傷細胞)組成,它們共同識別和作用于病原體[20]。

2.1 黏液屏障

上皮細胞表面的黏液層是機體物理屏障的第一道防線。黏液屏障主要由黏液和黏蛋白、抗菌肽和分泌型IgA(sIgA)組成。黏膜中的杯狀細胞分泌黏液和黏蛋白,構成屏障的主要部分[21]。腸道中黏液的產生似乎受到共生菌的刺激。在無菌小鼠和常規飼養的小鼠之間的比較表明,缺乏腸道細菌會導致黏液產生減少,但在無菌小鼠的結腸黏膜表面注射脂多糖和肽聚糖可刺激黏液產生,表明細菌或細菌產物促進了腸道黏液的產生[22]。此外,無菌小鼠的上皮細胞生成率低于常規飼養的小鼠[23]。這表明腸道微生物群對于維持腸道上皮細胞的增殖和確保損傷后黏膜屏障的恢復具有重要意義。腸上皮細胞與纖毛上皮細胞產生廣譜抗菌肽(比如防御素、抗菌肽、S100蛋白、肽聚糖識別蛋白1),這些肽類對革蘭陽性和革蘭陰性菌、真菌、病毒、原生動物都有活性[24-25]。分泌型IgA是由黏膜固有層中的漿細胞分泌二聚體IgA并轉運到黏膜上皮細胞表面而產生的,可與共生微生物區系的脂多糖、DNA和鞭毛抗原結合,防止它們跨上皮移位,在腸道免疫中發揮重要作用,它幫助免疫系統調節有益細菌和致病細菌之間的關系。如果這種免疫球蛋白從胃腸道中去除,細菌可能會無法控制地大量增加,同時免疫系統會上調促炎細胞因子的表達[26]。sIgA是小牛體內產生的主要免疫球蛋白,大量分泌于腸道黏膜上皮[27]。當sIgA到達腸腔時,它與細菌結合,然后sIgA-細菌復合體通過蠕動的方式在腸道內移動,最終隨糞便排出[28]。從小牛糞便中回收的共生菌中50%～70%包被sIgA[29]。缺少IgA可導致細菌擴張,引發炎癥反應,IgA恢復產生時伴隨機體正常菌群組成的恢復,同時消除局部和全身炎癥[30-31]。

2.2 免疫屏障

上皮細胞是胃腸道黏膜免疫系統的第二道物理屏障,直接參與胃腸道的免疫監視。上皮細胞不僅參與微生物的直接防御,還通過產生細胞因子和趨化因子向黏膜免疫系統發送信號,在胃腸道微生物區系的刺激下,可以調節宿主免疫反應,維持腸道微生物和宿主免疫系統的良好平衡[32]。單層上皮細胞通過稱為緊密連接的細胞間連接復合體相互粘連,緊密連接結構由封閉蛋白(occludin)、水閘蛋白(claudin)、間隙連接蛋白(junctional adhesion molecule)等多種蛋白質構成,可選擇性地促進營養物質、離子和水的細胞旁運輸,但阻止微生物和微生物衍生的肽的擴散[33]。黏膜表面與黏膜細菌(如乳桿菌和雙歧桿菌)或細菌代謝產物之間的相互作用通過上調緊密連接蛋白表達來促進腸道屏障的完整性[34-35]。緊密連接蛋白還受到飲食成分的調節,哺乳期犢牛補飼開食料會增加腸道黏膜屏障的通透性,這與緊密連接中的封閉蛋白與水閘蛋白的表達下調有關[36]。當緊密連接破裂時,這會使上皮細胞發生滲漏,腸道細菌及其產物可能會逃離腸道,發生炎癥反應并導致組織損傷,與之相關的炎癥綜合征稱為“腸道滲漏”。

多種特殊免疫細胞群,如巨噬細胞、樹突狀細胞、先天淋巴細胞和調節性T細胞(Treg),可與腸道上皮細胞或腸道微生物區系雙向通訊[37]。如樹突狀細胞可以打開腸道上皮之間的緊密連接,直接進入腸腔,吞噬沙門菌和大腸桿菌[38]。上皮細胞對微生物代謝產物產生反應,如短鏈脂肪酸(丁酸)和許多正常的共生微生物成分(脆弱類桿菌莢膜多糖),它們可以通過促進杯狀細胞產生黏液和增加上皮細胞分泌抗菌肽來影響黏液屏障[39-40]。這些代謝產物和共生微生物成分刺激上皮細胞產生轉化因子β(TGF-β),這對產生抗炎細胞因子IL-10的Treg的發育是必不可少的。這些微生物代謝產物還直接刺激自然殺傷樣細胞3型先天淋巴細胞產生IL-22,從而誘導腸上皮細胞產生更多防御素[41]。對反芻動物進行的研究發現,G蛋白偶聯受體41(Gpr41)作為短鏈脂肪酸(SCFAs)的受體在反芻動物的日糧和免疫反應之間提供了潛在的分子聯系,SCFAs增強了Gpr41介導的多形核白細胞募集和上皮屏障功能相關的基因的表達,從而介導了瘤胃上皮細胞的保護性免疫[42]。丁酸還可以調節小腸上皮細胞的的生長和分化,是誘導血乳屏障緊密連接蛋白表達的重要營養物質[43]。此外,上皮細胞和抗原遞呈細胞(APCs)也表達各種模式識別受體(PRRs)識別抗原,Toll樣受體(TLRs)是PRRs家族重要的一員,能夠識別存在于微生物中的病原體相關分子模式(PAMPs),并觸發促炎或抗炎途徑[44]。哺乳期犢牛飼喂開食料會增加TLR2和TLR6的表達,這表明日糧能夠改變小牛腸道的通透性,微生物及其代謝產物與黏膜屏障接觸,導致PRRs表達增強[45]。還發現除了TLR1和TLR3外,新生牛犢TLRs表達水平高于日齡較大的奶牛,同時兩組間TLR10都在回腸區域高表達[46]。無菌動物的結腸中TLRs的表達低于常規飼養的動物,表明微生物與TLRs之間的相互作用在維持腸道內穩態和天然免疫反應方面發揮了一定作用[47]。與先天免疫細胞不同,先天免疫細胞是促炎細胞,也是第一反應細胞,上皮細胞主要是抗炎反應。在犢牛出生的第一周內,促炎細胞因子IL-8和抗炎細胞因子IL-10在小腸中的表達上調[48]。乳桿菌和雙歧桿菌定植在新生兒腸道中可以刺激未成熟的樹突狀細胞分泌IL-10,可以減輕對共生細菌的促炎反應[49]。在出生頭幾周的奶牛中,雙歧桿菌是小牛腸道的優勢菌種,這可能表明乳桿菌和雙歧桿菌在小牛腸道的定植促進了免疫反應的調節,避免炎癥反應加劇[50]。

固有層(LP)位于腸上皮細胞的下層,由B細胞和T細胞組成。黏液屏障與免疫屏障緊密互作,阻止主要的抗炎反應。微生物及其代謝產物通過刺激B細胞產生SIgA影響LP的免疫反應,同時維持產生Treg的抗炎環境,增加Treg數量(Treg是維持機體抗炎和免疫調節的重要因素)[39]。T細胞對腸道管腔發出的信號迅速作出反應,并啟動抗炎反應。類桿菌屬可以刺激調節性T細胞,促進上皮修復,增強對微生物的耐受性,并開始抑制對自身和細菌抗原的免疫反應。腸道微生物群促進初始CD8+T細胞向CD4+T細胞分化,刺激CD4+T細胞分泌IL-17和IL-22,參與調節腸道炎癥。

3 胃腸道菌群免疫互作失調介導奶牛疾病發生

菌群失調不僅僅是微生物群的喪失,它還會削弱黏膜屏障。機體中SIgA和AMPs的數量下降,使黏液層變薄,病原體與黏膜相互作用易導致疾病發生。同時幫助刺激黏膜產生抗炎作用的共生菌群不再可用,緊密連接變弱,腸漏發生,并發生促炎反應,進一步削弱腸道上皮,奶牛生產性疾病發病率升高[51]。胃腸道微生物區系的失調在宿主的代謝和免疫能力中起著重要作用[52]。了解胃腸微生物群的動態平衡在健康和疾病中的潛在作用,對于確定奶牛生產性疾病的生物標記物和探索新的治療方法非常重要。

3.1 瘤胃酸中毒

發生在反芻動物身上的大多數消化系統疾病,如急性和亞急性瘤胃酸中毒(SARA),與瘤胃微生物的組成和功能紊亂有關[53]。瘤胃微生物對奶牛攝入的碳水化合物進行發酵,產生乳酸和大量揮發性脂肪酸(VFA)。VFA主要包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和異戊酸等,是淀粉等碳水化合物在瘤胃內發酵的終產物,也是反芻動物維持正常生命活動及生產所需的主要能量來源[54]。健康奶牛體內VFA部分被瘤胃壁吸收,部分被分泌的唾液中和,使瘤胃pH保持在一定范圍內。而當奶牛攝入過量碳水化合物豐富的飼料時,VFA積聚繼而導致瘤胃pH長時間間歇性下降,誘發奶牛SARA。瘤胃微生物群的改變可能在瘤胃酸中毒中發揮作用。在高谷物飼料飼養的奶牛中發現,瘤胃纖維分解細菌的數量減少,產琥珀酸絲狀桿菌和溶纖維丁酸弧菌的比例下降,變形桿菌、牛鏈球菌、瘤胃單胞菌和普雷沃菌的比例增加,其中鏈球菌和乳桿菌的生長比其他細菌的生長速度更快[55]。在SARA中發現的最常見的細菌分類群是乳桿菌、鏈球菌、琥珀酸桿菌和梭狀芽胞桿菌[56]。瘤胃中革蘭陽性產乳酸菌,如鏈球菌與乳桿菌大量增殖,可能導致乳酸積聚,pH降低,誘發SARA。還有研究發現,pH的急劇下降造成胃腸道黏膜上皮受損(潰瘍和黏膜炎癥),同時伴有大量革蘭陰性菌死亡,向瘤胃中釋放過量的脂多糖(LPS)[57]。LPS是革蘭陰性菌細胞壁的主要成分之一,也是一種非常重要的致炎因子。由于瘤胃內生存著大量的革蘭陰性菌,細菌的死亡或者過度生長都會釋放LPS,因此瘤胃被認為是LPS的主要儲存場所[58]。過多的LPS將會破壞胃腸屏障,進入血液循環,引發肝功能障礙和其他器官(如肺部、子宮、乳腺等)相關疾病,也可能導致死亡[59-60]。

3.2 酮病

奶牛酮病與瘤胃菌群組成及瘤胃發酵所產生的不同VFA含量及比例密切相關。牛奶中β-羥基丁酸和丙酮濃度,可能是篩選對酮病易感性較低的奶牛的有用指標,普雷沃菌科和瘤胃球菌科細菌數量與酮病發生呈現顯著負相關性,唯一呈現正相關性的微生物是古生菌中的甲烷短桿菌屬[52]。另有研究發現,圍產期奶牛和酮病奶牛組的乳酸濃度高于對照組,而VFA濃度低于對照組[61]。在反芻動物中,大約90%的葡萄糖是由糖異生作用提供的,其中50%～60%來自丙酸[62]。丙酸是糖異生最重要的底物,主要是被轉移到肝通過糖異生作用生成葡萄糖,通過這種方式,動物很快就能獲得血糖。在奶牛體內,70%以上的乳酸是由埃氏巨球型菌通過丙烯酸酯途徑發酵的,丙酸是最終產物。反芻獸月形單胞菌利用琥珀酸-丙酸途徑將乳酸轉化為丙酸。擬桿菌門主要通過琥珀酸途徑或丙烯酸酯途徑產生丙酸。另外,瘤胃球菌也可以通過丙二醇途徑產生丙酸[63]。然而隨著產后產乳酸菌數量增加,但丙酸生成菌,包括反芻獸月形單胞菌和埃氏巨球型菌的數量顯著減少,瘤胃中生成的過量乳酸不能及時分解,導致生糖先質及能量供應不足,造成酮病發病率升高。研究指出圍產期和酮病奶牛的血糖濃度低于非圍產期奶牛,這是能量負平衡的一個重要指標[61]。低血糖的主要原因可能與瘤胃中埃氏巨球型菌和反芻獸月形單胞菌的不足有關,導致丙酸的生成減少,這可能促進能量負平衡或酮病的發展。同時也有研究發現,酮病奶牛體內的反芻獸月形單胞菌和埃氏巨球型菌低于健康組奶牛[61]。因此,作者推測,可以通過調節微生物發酵,特別是增加瘤胃中埃氏巨球型菌和反芻月單胞菌的數量來減輕或避免能量負平衡和酮病的發生。

3.3 乳房炎

奶牛乳房炎始終是制約全球乳品行業發展最重要的疾病之一。因乳房炎造成的牛奶產量及乳品質下降、奶牛繁殖力減退、死淘率升高及治療成本增加等一系列損失更是對奶牛養殖業的慘重打擊。胃腸道微生物區系和宿主免疫系統動態平衡的任何破壞被稱為“胃腸道生物失調”,這與動物的乳房炎密切相關[64-65]。

奶牛瘤胃菌群紊亂釋放的脂多糖(LPS)可能與乳房炎的發生有關。高精料誘導的奶牛瘤胃菌群紊亂會促使條件致病菌過度生長和繁殖,破壞瘤胃、腸道和血乳屏障的保護性。瘤胃內的病原體和有毒代謝物LPS,穿過破損的腸道上皮屏障侵入血液循環,進入乳腺,開始定植,導致乳房生態失調和組織損傷,并破壞免疫反應,最終導致乳腺炎[66-67]。有研究指出乳房炎奶牛乳靜脈和乳動脈血液中LPS含量顯著升高[68]。目前有研究證明,腸道相關的淋巴組織中的單核吞噬細胞(具有向樹突狀細胞分化的能力)可以捕獲腸道菌群,通過內源性細胞途徑(腸-乳途徑)將微生物成分運到乳腺[55,69]。在通過對奶牛飼喂高精料誘導的SARA這一典型的奶牛瘤胃菌群紊亂動物模型中發現,寡養單胞菌在SARA奶牛瘤胃液、乳汁和糞便中富集,然后通過給小鼠灌服麥芽寡養單胞菌(寡養單胞菌中唯一的菌種),發現小鼠乳腺組織出現病理性損傷[70]。表明奶牛SARA導致瘤胃內寡養單胞菌大量升高是其誘發乳腺炎的內源性途徑之一。

腸道菌群對金黃色葡萄球菌性乳房炎的保護作用可能是通過調節血乳屏障的通透性來實現的,而這種調控作用的關鍵可能與SCFAs有關[71]。醋酸鹽、丁酸鹽和丙酸是存在于宿主腸道和牛奶中的重要短鏈脂肪酸,具有跨越細菌細胞膜擴散的能力,并發揮積極的免疫調節和抗炎作用[72-73]。丙酸可以通過調節血液屏障來預防脂多糖誘導的乳房炎[74]。丁酸是誘導血乳屏障緊密連接蛋白表達重要的營養物質[43]。SCFAs通過與Treg的G蛋白偶聯受體(GPR)結合,調節適應性免疫系統中T淋巴細胞的功能[75],并促進T淋巴細胞分化為Treg或效應性T淋巴細胞[76]。醋酸鹽通過HDAC和mTOR調節T淋巴細胞的增殖,并上調IL-10的產生[76]。此外,丁酸鹽減少淋巴細胞中趨化因子受體-2(CXCR-2)的表達,并調節T細胞向炎癥部位的募集[77]。短鏈脂肪酸還可以刺激B細胞的分化,促進抗入侵病原菌的IgA 產生[78]。這些研究表明,SCFAs介導的免疫調節在調節免疫平衡和防止組織損傷方面發揮著重要作用。一方面,短鏈脂肪酸通過支持腸上皮細胞來保護黏膜屏障的完整性;另一方面,短鏈脂肪酸通過抑制促炎細胞因子的分泌和促進抗炎細胞因子的釋放,顯著調節先天和獲得性免疫反應。

3.4 蹄葉炎

蹄葉炎是發生在足部或者是蹄類動物四肢的皮膚層區域的彌漫性無敗性炎癥,是引起奶牛跛行主要的疾病。奶牛蹄葉炎是由于全身性代謝損傷引起的,是一種營養代謝性疾病,亞急性瘤胃酸中毒是主要的致病因素[79]。在亞急性瘤胃酸中毒的情況下,全身pH降低,瘤胃菌群紊亂,導致脂多糖大量釋放,破壞胃腸屏障,過多的脂多糖進入血液循環,同時,瘤胃內產生的大量組胺會抑制上皮細胞的自我修復,導致瘤胃壁通透性升高而造成損傷,使更多的有害物質進入循環系統[80]。在此過程中,血管活性物質激活,蹄部血流增加,內毒素和組胺釋放,造成血管收縮和舒張,導致蹄部血管微循環血壓升高,血管壁損傷滲出,導致水腫出血,形成血栓。最終,在機械性和代謝性共同作用下致使蹄葉炎的發生。

3.5 子宮內膜炎

奶牛子宮內膜炎是病原菌侵入子宮內引起子宮內膜層發生的炎癥,多發于分娩后[81]。子宮內膜上皮細胞的模式識別受體(PRRs)特異性識別病原菌的分子結構,體內免疫反應被激活,當子宮內免疫屏障無法完全消滅病原菌時,病原菌定植于子宮腔中并大量繁殖,釋放外毒素,引起子宮內膜的炎癥反應。由于奶牛生殖系統的特殊結構,產后外源性細菌感染被認為是奶牛子宮內膜炎的主要原因。但近些年來,菌群失調被認為是患病奶牛的重要內源性誘因。產后奶牛由于產犢泌乳及日糧改變帶來的生產應激,造成胃腸菌群結構失衡,引起大量的LPS釋放和黏膜屏障受損。來自消化道的LPS進入子宮,激活TLR4信號通路,引起子宮內膜炎[82]。同時致病菌還可通過血液從腸道遷移到子宮,引起奶牛子宮炎[70]。

3.6 炎性肝損傷

外源性和內源性LPS均可誘導炎性肝損傷[83]。瘤胃菌群紊亂疾病模型(即患有SARA的奶牛)的門靜脈和肝靜脈中可以觀察到高濃度的LPS,隨后,超過肝代謝能力的過量LPS會引起肝的氧化應激和細胞損傷,并導致炎癥的發生[84-85]。瘤胃酸中毒也會致使瘤胃上皮受損,導致壞死梭桿菌和化膿性放線菌穿透瘤胃壁,進入門脈循環,最終進入門脈毛細血管系統,造成肝膿腫及肝損傷[57]。

4 小結與展望

胃腸道微生物在機體健康和疾病中的作用已經成為許多研究的焦點。圍產期對奶牛來說是一個嚴峻的挑戰,葡萄糖供應不足、體內脂肪動員可能會導致能量負平衡、酮病或脂肪肝等生產性疾病。同時為適應奶牛大量泌乳的需要,產后飼喂高精料日糧也會造成瘤胃菌群紊亂,擬桿菌門比例顯著增加而厚壁菌門比例減少,乳酸生成菌(鏈球菌屬和乳桿菌屬)的過度表達和丙酸生成菌(埃氏巨球型菌和反芻獸月形單胞菌)的不足,都會造成機體內揮發性脂肪酸與葡萄糖濃度降低,而乳酸濃度升高。微生物區系和胃腸道上皮表面之間的緊密互作對黏膜免疫系統構成了巨大的挑戰。圍產期奶牛體內揮發性脂肪酸與葡萄糖濃度的不足,削弱了黏膜屏障的完整性,刺激機體炎癥反應的發生。乳酸的積聚又引起瘤胃內pH下降,損傷胃腸道上皮屏障,同時又造成革蘭陰性菌死亡,釋放大量脂多糖。病原體及有害細菌產物(脂多糖),穿過受損的黏膜屏障,通過血液循環途徑定植在乳腺、肝、肺等器官,造成全身性的炎癥反應,造成圍產期奶牛生產性疾病高發。

胃腸道菌群與黏膜免疫的互作在維持奶牛健康中發揮著重要作用。目前關于奶牛方面的相關文章還比較少,未來的研究需要進一步明確圍產期奶牛菌群變化特征及其與黏膜免疫的互作機制,探究通過添加益生菌或其他營養調控的方式來改善奶牛瘤胃及腸道內環境是否有助于維持奶牛機體健康水平。