◆作者:龔燾 陳建穎 王文策
◆單位:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院/廣東省動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室
赭曲霉毒素A(Ochratoxin A,OTA)由曲霉菌屬和青霉菌屬等多種真菌產(chǎn)生,是自然界中分布最廣泛的一種赭曲霉毒素,也是食品和飼料中最常見的污染物之一(Mobashar等,2012),普遍存在于谷物及其副產(chǎn)品、咖啡、肉類、乳汁、干果、調(diào)味品、混合飼料等食物及飼料中(Ringot等,2006)。此外,某些中草藥、食品著色劑乃至瓶裝水中也檢測(cè)出含有OTA(Tao等,2018)。OTA可導(dǎo)致機(jī)體的肝臟、腎臟、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)等發(fā)生毒性病變(高翔等,2005),對(duì)人和動(dòng)植物影響巨大(韓錚,2011)。OTA能同血漿白蛋白高度結(jié)合,這使得OTA血漿半衰期較長(zhǎng)。在人體內(nèi),OTA半衰期長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月(陳鳳鳴等,2019)。由于OTA的廣泛存在性和高的熱穩(wěn)定性,使得從食物鏈途徑根除OTA變得非常困難(Frantisek等,2016)。
OTA在動(dòng)物組織中的分布,雖然受毒素?cái)?shù)量、攝入方式、飲食結(jié)構(gòu)和機(jī)體的整體健康狀況等多種因素影響,但其主要的作用靶點(diǎn)是腎臟和肝臟(Pohland等,1992)。通過對(duì)豬、大白鼠、雞以及山羊組織內(nèi)OTA分布情況及各器官免疫熒光分析發(fā)現(xiàn),OTA廣泛存在于肝、腎、脾、心肌、肌肉、腸管等組織,且在肝細(xì)胞和腎小管基底膜中殘留最多(原維,2009)。由于OTA半衰期較長(zhǎng),是積累型有毒化合物,因此對(duì)機(jī)體肝臟有持續(xù)的毒性影響。
肝臟是機(jī)體內(nèi)最重要的器官之一,其內(nèi)富含線粒體,其結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性均決定著機(jī)體的健康程度。然而越來越多的研究表明,OTA可誘導(dǎo)肝臟線粒體氧化損傷,導(dǎo)致機(jī)體穩(wěn)態(tài)失衡、疾病發(fā)生,給畜禽業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此,本文綜述了近年來OTA對(duì)肝臟線粒體氧化損傷的研究報(bào)道,以期為OTA的深入研究和減少其帶來的損失提供理論基礎(chǔ)和參考。
一般情況下,OTA飼料污染比食品污染嚴(yán)重。1979年北美3%左右的OTA污染物濃度高達(dá)20000~30000μg/kg,1983年 美國(guó)等13個(gè)國(guó)家的飼料OTA污染最高可達(dá)30%(丁平等,2010)。敖志剛等(2008)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),黑龍江等十個(gè)省市的多類飼料原料及飼料樣品的赭曲霉毒素含量達(dá)95.1%。程傳民等(2014)通過調(diào)查檢測(cè)2423份樣品的OTA檢出率,證實(shí)了OTA污染的普遍性,其中以玉米、小麥及它們的副產(chǎn)物的檢出率最為嚴(yán)重,均在80%以上。OTA被動(dòng)物攝食后會(huì)在體內(nèi)蓄積,并隨食物鏈進(jìn)入人和其他動(dòng)物體內(nèi),危害其健康(Pattono等,2011)。Holmberg等(1990)通過6年的調(diào)查發(fā)現(xiàn):豬腎臟、肝臟、脂肪、血液中的OTA殘留量取決于飼料中OTA的濃度,飼料中OTA濃度越高,殘留量也越多。同時(shí)發(fā)現(xiàn),豬血清的OTA的污染程度也與不同季節(jié)收獲的大麥濕度有關(guān),濕度越大污染程度越重。因此,我們可以檢測(cè)血液中OTA的濃度,來預(yù)估整個(gè)豬群OTA的攝入量,從而通過調(diào)節(jié)飼喂等方法,減少OTA的污染。據(jù)報(bào)道,正常情況下,植物性食品中OTA的平均濃度為0.1~100 μg/kg;干草和青貯飼料中OTA濃度為1~100μg/kg;動(dòng)物性食品和飼料OTA濃度為0.1~1 μg/kg(Vladimir等,2015)。可見,OTA在畜牧業(yè)中的污染相當(dāng)普遍。
家禽養(yǎng)殖業(yè)作為畜牧業(yè)的一部分,深受OTA的危害。OTA可抑制家禽腎臟、免疫及造血系統(tǒng)的生理功能,使肝糖原積聚、肝臟蒼白褪色,引起鈣和磷吸收不全、骨骼脆弱、生長(zhǎng)受阻等,導(dǎo)致家禽孵化率降低、肝細(xì)胞壞死、腎病、病死率增高等(歐陽(yáng)增理等,2012)。Aravind等(2003)研究表明OTA能抑制家禽的采食和生長(zhǎng),并加大病死率。Sakthivelan等(2010)試驗(yàn)也證實(shí)了OTA能抑制肉雞的生長(zhǎng),并顯著降低飼料消耗量和飼料轉(zhuǎn)化率。Stove(2010)對(duì)5 ppm OTA飼喂2周的雛雞進(jìn)行組織病理學(xué)檢查,發(fā)現(xiàn)OTA可引起大腦水腫、骨髓肌肉出血,并導(dǎo)致大腦、腎臟、肝臟和淋巴器官發(fā)生退行性變化。Pozzo等(2013)通過給雄性肉雞飼喂每千克添加0.1mg OTA的日糧發(fā)現(xiàn),OTA可造成脾臟、法氏囊和肝臟的退行性病變,誘發(fā)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。OTA不僅會(huì)降低肉雞飼料消化率,提高料重比,還會(huì)導(dǎo)致蛋雞蛋殼變薄,產(chǎn)蛋數(shù)減少。為此,歐洲食品安全局在2006年規(guī)定,谷物和谷物類飼料原料中OTA含量不得超過250μg/kg、每千克家禽日糧中OTA含量不高于100 μg/kg,中國(guó)飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(2017)也規(guī)定谷物及其加工產(chǎn)品和配合飼料中OTA含量不可超出100μg/kg(黃珂等,2019)。
氧化應(yīng)激通常指活性氧濃度超過機(jī)體抗氧化防御系統(tǒng)承受范圍的非正常狀態(tài),可導(dǎo)致機(jī)體衰老和疾病的發(fā)生(段圓慧等,2010)。氧化應(yīng)激產(chǎn)生的自由基主要有RNS(Reactive Nitrogen Species)和ROS(Reactive Oxygen Species),這些自由基可導(dǎo)致機(jī)體氧化損傷。有研究證實(shí),細(xì)胞凋亡會(huì)影響肝臟的正常代謝功能,誘發(fā)多種肝臟疾病(蔣志慧,2013)。同時(shí),擾亂肝臟線粒體自由基代謝,會(huì)促進(jìn)肝臟部分促凋亡基因的表達(dá)(莊煜,2013)。
肝臟是機(jī)體負(fù)責(zé)物質(zhì)代謝和生物轉(zhuǎn)化的主要器官,是代謝和解毒的重要場(chǎng)所。肝臟中含有大量的線粒體,一旦其結(jié)構(gòu)或功能受損,會(huì)嚴(yán)重影響細(xì)胞能量代謝,導(dǎo)致肝細(xì)胞壞死、凋亡等(Khan等,2006)。同時(shí),線粒體作為細(xì)胞的“動(dòng)力源泉”,不僅是細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ROS的主要位點(diǎn),還是氧化損傷的主要靶標(biāo)。當(dāng)機(jī)體內(nèi)發(fā)生氧化應(yīng)激時(shí),線粒體最先也最容易受到攻擊。在正常生理?xiàng)l件下,線粒體能夠維持自身的氧代謝平衡,并通過ROS來調(diào)節(jié)機(jī)體的生理生化代謝。線粒體內(nèi)ROS濃度不同,所發(fā)揮的作用也有所不同。低濃度的ROS,可維持體內(nèi)氧化還原的平衡,并負(fù)責(zé)把信號(hào)隔離傳導(dǎo)到細(xì)胞的其他隔室,是氧化還原信號(hào)分子。但當(dāng)ROS濃度過高,超出機(jī)體的調(diào)節(jié)范圍時(shí),就會(huì)導(dǎo)致機(jī)體氧化受損。而過高濃度的ROS會(huì)氧化損傷mtDNA,誘發(fā)線粒體基因突變,同時(shí)促進(jìn)ROS的生成,導(dǎo)致惡性循環(huán),造成線粒體持續(xù)和強(qiáng)烈的氧化損傷,從而造成機(jī)體穩(wěn)態(tài)被打破、細(xì)胞凋亡。
3.1.1 OTA通過線粒體途徑導(dǎo)致肝氧化損傷
OTA最先引起線粒體功能的紊亂,導(dǎo)致線粒體損傷。研究發(fā)現(xiàn),OTA可以通過抑制線粒體內(nèi)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn),引起大鼠肝臟細(xì)胞的呼吸抑制,造成ATP消耗并導(dǎo)致線粒體形態(tài)變化(Ringot等,2006)。Bouaziz等(2008)探究表明,OTA可誘導(dǎo)線粒體的凋亡通路,引起線粒體跨膜電勢(shì)消失,促進(jìn)細(xì)胞色素c釋放并產(chǎn)生O2-,最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。Golli等(2009)研究也證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn),并認(rèn)為OTA可降低線粒體的膜電位,提高半胱天冬酶的活性。可見,OTA可以通過激活線粒體凋亡途徑來誘導(dǎo)肝損傷。
線粒體呼吸鏈活性受阻、衰老或疾病時(shí),會(huì)引起細(xì)胞大量產(chǎn)生和積聚ROS,從而導(dǎo)致氧化損傷。Jornayvaz等(2010)研究表明,線粒體ROS可促進(jìn)線粒體DNA轉(zhuǎn)錄,加快線粒體的生物合成,造成持續(xù)損傷。劉靜等(2012)研究者也認(rèn)為,OTA可通過擾亂線粒體呼吸鏈功能,引起ROS生成量增加,對(duì)線粒體結(jié)構(gòu)造成進(jìn)一步損傷,并促進(jìn)線粒體生物合成,使線粒體氧化損傷越發(fā)加劇,再次加速自由基的生成,從而對(duì)肝細(xì)胞造成進(jìn)一步的氧化損傷。
此外,OTA還會(huì)加大線粒體膜的通透性、激活JNK和MAPK通路并對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣通道造成影響(Liye等,2017;Sheu等,2017)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是維持鈣穩(wěn)態(tài)的龐大膜質(zhì)網(wǎng)絡(luò),負(fù)責(zé)多種蛋白質(zhì)的合成、成熟和轉(zhuǎn)運(yùn)。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能受損時(shí),會(huì)引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的Ca2+大量釋放,造成線粒體鈣超載,最終導(dǎo)致線粒體氧化應(yīng)激的發(fā)生(Egnatchik等,2014)。
3.1.2 OTA通過影響酶活性誘導(dǎo)肝氧化損傷
OTA誘導(dǎo)的肝臟氧化損傷還 與SOD(Superoxide Dismutase)、CAT(Catalase)和GR(Glutathion Reductase)等還原酶活性有關(guān)。Abdel-Raheim等(2001)研究發(fā)現(xiàn),OTA對(duì)肝、腎組織中谷胱甘肽還原酶有明顯的抑制作用,組織中存在的OTA可能與SOD分子中的銅和鋅相互作用并抑制酶的活性;OTA處理的CAT活性降低,可能反映了該酶活性所需的必需元素的吸收減少;在OTA暴露下,肝臟和腎臟GR活性下降,OTA可能通過與半胱氨酸殘基的巰基結(jié)合而影響GR的活性。Gagliano等(2006)研究發(fā)現(xiàn),OTA可使大鼠肝臟中SOD的含量顯著升高。此外,其研究還表明,在OTA暴露后,肝臟和腎臟GSH(Glutathion)水平顯著下降,而GSH水平降低會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化降解減少,導(dǎo)致其積累,從而放大OTA的毒性。Zhang等(2013)在對(duì)Zn2+與肝細(xì)胞共培養(yǎng)過程中也發(fā)現(xiàn),OTA可促進(jìn)ROS的生成,并降低ROS活性和CAT mRNA水平,進(jìn)而導(dǎo)致氧化損傷??梢?,OTA可通過抑制SOD、CAT、GR等酶活性,降低GSH的表達(dá)水平等方式,間接導(dǎo)致肝氧化損傷。
此外,NADPH-CYP450還原酶可將OTA復(fù)合物中Fe3+還原為Fe2+,并產(chǎn)生自由基,引起脂質(zhì)過氧化和DNA損傷(陳鳳鳴等,2019)。還有研究發(fā)現(xiàn),OTA可促進(jìn)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的表達(dá),增加一氧化氮的合成和亞硝酸鹽/硝酸鹽濃度(Sorrenti等,2013),而高濃度的一氧化氮會(huì)與O2.-發(fā)生反應(yīng),形成過氧亞硝酸鹽,產(chǎn)生二氧化氮和OH-,從而導(dǎo)致氧化損傷。
3.1.3 OTA通過調(diào)控基因?qū)е赂窝趸瘬p傷
在近幾年的研究中,發(fā)現(xiàn)Nrf2(Nuclear factor erythroid 2 like 2)可維持線粒體氧化還原代謝功能,其不僅可以調(diào)節(jié)抗氧化和解毒反應(yīng),還可以調(diào)節(jié)生物能量功能和線粒體的合成(孫雪桐,2019)。Marin-Kuan等(2006)研究發(fā)現(xiàn),在長(zhǎng)期慢性致癌劑量OTA喂食的大鼠體內(nèi)Nrf2表達(dá)降低。Cavin(2007)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),OTA不僅可以降低Nrf2活性,還會(huì)抑制Nrf2調(diào)控基因的表達(dá),造成堿基位點(diǎn)損傷從而導(dǎo)致氧化損傷。有趣的是,預(yù)處理Nrf2誘導(dǎo)因子可以阻止所有OTA介導(dǎo)的效應(yīng)。Kensler等(2007)研究表明,抑制Nrf2及相關(guān)基因表達(dá),會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞對(duì)各種外來物質(zhì)和氧化應(yīng)激反應(yīng)的防御能力下降。Cavin等(2009)研究也證實(shí)了Nrf2激活劑可以通過對(duì)抗OTA誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化來對(duì)抗氧化應(yīng)激。綜上,OTA可能通過降低肝臟線粒體內(nèi)Nrf2基因的表達(dá),來導(dǎo)致肝細(xì)胞氧化損傷。
此外,Marin-Kuan等(2006)通過基因表達(dá)譜分析發(fā)現(xiàn),OTA可顯著抑制肝細(xì)胞核因4α(HNF4α)調(diào)節(jié)基因的表達(dá),并降低HNF4α活性,同時(shí),OTA還抑制了由HNF4α調(diào)節(jié)基因編碼的外源物代謝酶和具有運(yùn)輸OTA功能等多種功能的蛋白R(shí)NA和蛋白表達(dá)??梢姡琌TA也可降低HNF4α活性,抑制HNF4α調(diào)控的代謝酶RNA和蛋白質(zhì)表達(dá),從而導(dǎo)致肝細(xì)胞氧化損傷。
還有研究表明,OTA可能作為一種非基因毒性腫瘤啟動(dòng)子發(fā)揮肝毒性作用,可顯著降低CX(Connexin)26、CX32和CX43基因的表達(dá)(Trosko,1998)。一些研究證實(shí),CX32的表達(dá)對(duì)肝癌的發(fā)生有抑制作用,CX32 cDNA的轉(zhuǎn)錄抑制了肝癌細(xì)胞的生長(zhǎng)(Evert等,2002)。此外,CX32啟動(dòng)子中轉(zhuǎn)錄因子與調(diào)控序列結(jié)合的修飾被認(rèn)為是潛在的效應(yīng)基礎(chǔ)(Morsi等,2003)。因此,推測(cè)OTA可通過影響CX32的表達(dá)來誘導(dǎo)肝氧化損傷。
3.2.1 通過線粒體途徑緩解肝氧化損傷
黃琳等(2008)研究發(fā)現(xiàn),黃連解毒湯可以促進(jìn)肝臟線粒體清除ROS等氧自由基,進(jìn)而保護(hù)線粒體膜結(jié)構(gòu)與功能的完整,以緩解OTA肝氧化損傷。王存福等(2011)研究表明,氨基胍可以降低肝臟線粒體CYP450 2E1活性,從而維持肝臟的氧平衡。張艷梅(2019)的相關(guān)試驗(yàn)顯示,沙蔥黃酮可抑制肝臟線粒體ROS的生成,改善肝臟線粒體ATP酶和呼吸鏈復(fù)合物Ⅱ活性,并提高其膜電位,從而維持肝臟線粒體的正常功能。
此外,還有研究指出,荔枝果肉多酚可提高線粒體內(nèi)ATP酶、線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ和Ⅱ活性及線粒體膜電位的水平改善肝臟氧化應(yīng)激狀態(tài)(張粹蘭,2011)。柚皮素可保護(hù)H2O2誘導(dǎo)的SH-SY5Y細(xì)胞的線粒體活性,改善SH-SY5Y細(xì)胞內(nèi)線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ、Ⅳ和SDH的活性及ATP的合成(Oliveira等,2017),從而緩解肝臟氧化損傷。齊墩果酸也被證實(shí)可以通過提高線粒體抗氧化酶活性,減輕線粒體腫脹度,增加線粒體活力等途徑,進(jìn)而有效保護(hù)肝氧化損傷(劉江正,2012)。何國(guó)林等(2016)試驗(yàn)表明,溪黃草總二萜可降低肝臟線粒體mPTP(Mitochondroal Permeablity Transition Por)的開放程度,保護(hù)肝臟線粒體膜結(jié)構(gòu)和功能的完整,改善線粒體能量代謝,降低氧化損傷。因此,通過保護(hù)肝臟線粒體功能及膜完整性可緩解OTA引起的肝臟氧損傷。
3.2.2 通過還原酶途徑緩解肝氧化損傷
OTA入侵機(jī)體后,會(huì)損害機(jī)體內(nèi)在的抗氧化防御系統(tǒng),造成氧化損傷。該系統(tǒng)中的SOD、CAT、GSH-Px和GSH等能夠及時(shí)清除多余的自由基,使機(jī)體維持氧化與抗氧化的平衡。馬永杰等(2009)通過比較試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),維生素E可提高機(jī)體SOD、GSH-Px的活性,從而維持機(jī)體內(nèi)自由基的穩(wěn)態(tài)平衡,以緩解OTA肝氧化損傷。趙士俠(2012)試驗(yàn)表明,低濃度的維生素C可提高細(xì)胞SOD活性,抑制OTA對(duì)細(xì)胞的毒性作用。黃鈺(2014)研究發(fā)現(xiàn),過表達(dá)硒蛋白S可降低細(xì)胞中MDA含量,并提高細(xì)胞中SOD和GSH水平,在一定程度內(nèi)保護(hù)細(xì)胞拮抗OTA介導(dǎo)的氧化損傷。田靜(2015)研究表明,L-精氨酸等護(hù)肝藥物可使OTA感染的肝細(xì)胞內(nèi)SOD活性和GSH含量顯著回升,以減輕OTA對(duì)肝臟造成的氧化損傷。因此,通過提高抗氧化防御系統(tǒng)的酶活性和抗氧化物的含量,可以緩解OTA介導(dǎo)的肝臟氧化應(yīng)激。
另外,陳平(2010)研究表明,Se可提高Nrf2的活性,并促進(jìn)其下游谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶A2、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶O1,以及TrxR1、GR、GCLC、GCLM等抗氧化相關(guān)基因的表達(dá),提高細(xì)胞的抗氧化能力,減輕OTA引起的氧化損傷。于敏麗等(2017)探究發(fā)現(xiàn),硒代蛋氨酸、亞硒酸鈉通過上調(diào)GPx-1、GPx-4、Trx R水平,有效降低OTA所致的氧化損傷,提高氧自由基清除力,并通過下調(diào)凋亡相關(guān)蛋白Caspase-3、Caspase-8、Caspase-12的表達(dá),從而發(fā)揮抗細(xì)胞凋亡作用,在一定程度上緩解OTA所致?lián)p傷的進(jìn)程。Xie等(2017)報(bào)道,姜黃素可通過激活Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路增加大鼠CAT mRNA的表達(dá),對(duì)OTA誘導(dǎo)的氧化損傷起保護(hù)作用。Qi等(2018)研究表明,可以通過抑制Caspase 3和CDK1的表達(dá)來減輕OTA誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷。綜上,我們認(rèn)為可以通過調(diào)節(jié)抗氧化酶活性,來維持機(jī)體的氧化穩(wěn)態(tài),進(jìn)而起到緩解OTA對(duì)肝臟氧化應(yīng)激損傷的作用。
OTA可引起機(jī)體氧平衡失衡,并影響相關(guān)基因的表達(dá)和酶的活性,造成線粒體功能破壞,進(jìn)而導(dǎo)致肝臟線粒體氧化損傷,甚至細(xì)胞凋亡。OTA分布廣泛,在自然條件下不易降解消除,對(duì)生物機(jī)體有著嚴(yán)重危害。對(duì)于畜禽養(yǎng)殖業(yè),更是危害巨大。畜禽食用含有OTA的日糧不僅會(huì)引起畜禽產(chǎn)生氧化應(yīng)激,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失,還會(huì)在體內(nèi)積聚,最終影響到人類的健康。隨著研究的進(jìn)一步深入,不少學(xué)者發(fā)現(xiàn),調(diào)節(jié)機(jī)體抗氧化系統(tǒng)相關(guān)酶的活性和保護(hù)肝臟線粒體結(jié)構(gòu)及功能的完整性能夠緩解肝臟氧化損傷,而這也是目前保護(hù)肝氧化損傷的主要途徑。圍繞著這兩大緩解途徑,人醫(yī)、獸醫(yī)、飼料營(yíng)養(yǎng)等方向的學(xué)者展開了大量研究,從中藥提取物、化學(xué)提取物中發(fā)現(xiàn)了許多能減輕OTA引起的肝臟線粒體氧化損傷的物質(zhì),這也從另一個(gè)方面證實(shí)了OTA肝氧化損傷的緩解機(jī)制。盡管如此,關(guān)于OTA誘導(dǎo)肝臟線粒體損傷及氧化應(yīng)激的作用與緩解機(jī)制還需要繼續(xù)深入研究,OTA氧化損傷所造成的巨大經(jīng)濟(jì)影響也值得我們進(jìn)一步探討。