奶牛圍產(chǎn)期和泌乳早期主要營(yíng)養(yǎng)代謝病代謝輪廓的研究進(jìn)展

王郅杰，趙暢，何林，白云龍，宋玉錫，夏成，付世新，張洪友，徐闖，吳凌

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院/黑龍江省牛病防制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大慶 163319）

奶牛圍產(chǎn)期和泌乳早期在生理、內(nèi)分泌、代謝以及養(yǎng)分汲取上面臨極大的挑戰(zhàn)，是健康管理最重要的階段。據(jù)報(bào)道產(chǎn)后一個(gè)月內(nèi)發(fā)生的疾病大約占整個(gè)泌乳期疾病的75%左右[1]。奶牛產(chǎn)后疾病與圍產(chǎn)期的管理水平有著密切的關(guān)聯(lián)，如果在此期間采取有效的預(yù)防措施，整個(gè)泌乳期的疾病發(fā)生率將會(huì)降低90%，泌乳量也會(huì)大幅升高[2]。然而，如何保證高產(chǎn)奶牛產(chǎn)后的健康，已成為當(dāng)前奶牛業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

眾所周知，圍產(chǎn)期和泌乳早期是奶牛一個(gè)產(chǎn)奶周期中最關(guān)鍵的時(shí)期，也是發(fā)生疾病的高峰期[3]。其中，奶牛泌乳早期易發(fā)代謝病及繁殖障礙的時(shí)間是分娩期的乳熱（產(chǎn)后1 d）、圍產(chǎn)后期的酮病（產(chǎn)后7～21 d）以及正常發(fā)情配種期的乏情或卵巢疾?。óa(chǎn)后50～60 d）[4-6]。乳熱因代謝失衡導(dǎo)致產(chǎn)后鈣過(guò)量流失，發(fā)病于產(chǎn)后，也可以被稱為“入門(mén)病”。因?yàn)樗黾恿似渌膊〉娘L(fēng)險(xiǎn)，如酮癥、酸中毒、乳腺炎、胎盤(pán)滯留、真胃變位和子宮炎等[7]。而患有亞臨床酮病的奶牛產(chǎn)犢至首次發(fā)情、產(chǎn)犢至首次授精和產(chǎn)犢至妊娠的時(shí)間間隔延長(zhǎng)，首次授精成功率比健康母牛低4.3倍[8]。因此這三大代謝病之間息息相關(guān)。奶牛在產(chǎn)后均發(fā)生不同程度的代謝變化，當(dāng)這種變化的程度過(guò)大，即出現(xiàn)臨床癥狀。這提示奶牛圍產(chǎn)期和泌乳早期機(jī)體的代謝變化趨勢(shì)應(yīng)該予以重視。

繼基因組學(xué)以及蛋白組學(xué)后，代謝組學(xué)作為一種新型系統(tǒng)生物學(xué)而發(fā)展，其目的是研究機(jī)體受到刺激后發(fā)生的內(nèi)源性代謝變化。而根據(jù)代謝組學(xué)的技術(shù)不同，又可以將其分為：LC/MS、NMR以及GC/MS等。不同的代謝組學(xué)技術(shù)因其原理以及靈敏度不同，篩選出的代謝物有些許差異。目前，代謝組學(xué)技術(shù)已廣泛被用于奶牛多個(gè)疾病代謝輪廓或發(fā)生機(jī)理的研究，主要集中于乳熱、酮病以及乏情或卵巢靜止。這些研究顯示圍產(chǎn)期和泌乳早期代謝病高發(fā)的原因與機(jī)體代謝適應(yīng)性調(diào)整能力有著密切的關(guān)系。

依據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和作者已發(fā)表的論文就奶牛圍產(chǎn)期和泌乳早期機(jī)體的血漿代謝變化以及代謝途徑等進(jìn)行綜述，為今后揭示奶牛代謝病發(fā)生機(jī)理和防治新策略提供依據(jù)。

1 奶牛乳熱（產(chǎn)后癱瘓）的代謝輪廓

奶牛經(jīng)歷的分娩應(yīng)激和啟動(dòng)泌乳常會(huì)引起機(jī)體代謝發(fā)生很多的變化，常發(fā)生乳熱（產(chǎn)后癱瘓）。孫雨航等[9]2015年報(bào)道奶牛乳熱時(shí)，體內(nèi)代謝物的變化。如表1所示，血中丙酮、賴氨酸、丙酮酸和β-羥基丁酸的水平升高，葡萄糖、氨基丁酸、丙氨酸、磷酸肌酸以及丙三醇5種代謝物表達(dá)水平降低。

表1 奶牛圍產(chǎn)期及泌乳早期代謝輪廓Table 1 Metabolic profile of dairy cows during perinatal and early lactation

由于丙氨酸、丙三醇等生糖物質(zhì)降低，血糖降低，β-羥基丁酸、丙酮等酮體水平升高，表明分娩時(shí)奶牛生糖底物不足，酮體生成增多，表現(xiàn)為能量負(fù)平衡的低糖和高酮的生化特征。丙酮酸的增加可能也與在乳熱奶牛中觀察到的磷酸肌酸的減少有關(guān)，因?yàn)楸岬纳咄ㄟ^(guò)抑制肌酸-丙酮酸激酶減少了磷酸肌酸的產(chǎn)生，至少在人類中是這樣的[10]。磷酸肌酸是肌肉組織的直接能源物質(zhì)[10]，血中的磷酸肌酸水平降低使得肌肉供能減少，這可能是患乳熱的奶牛麻痹、共濟(jì)失調(diào)和癱瘓的部分原因。賴氨酸僅來(lái)自飼料，是機(jī)體必需氨基酸之一[11]，然而它和丙酮酸同時(shí)升高，經(jīng)三羧循環(huán)供能未能緩解機(jī)體能量的缺乏。產(chǎn)犢后1 d血漿差異代謝物的代謝途徑如圖1所示。

圖1 奶牛產(chǎn)后乳熱血漿代謝通路匯總Fig.1 Metabolic pathways of differential metabolites in plasma of milk fever

另外，氨基丁酸是抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，是情緒性疾病的標(biāo)志物，抑制神經(jīng)肽/神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，或降低神經(jīng)細(xì)胞興奮性[12]。然而，奶牛分娩時(shí)或產(chǎn)后體內(nèi)磷酸肌酸、氨基丁酸的水平降低，與此期低血鈣癥所致的癱瘓或昏迷的關(guān)系尚不清楚。盡管奶牛分娩后以糖、氨基酸和酮體代謝為主，呈現(xiàn)了能量負(fù)平衡的代謝特征，但是更應(yīng)注意奶牛分娩后是乳熱和低血鈣發(fā)生的關(guān)鍵時(shí)期，與能量負(fù)平衡的因果或互作關(guān)系有待深入研究。

2 奶牛酮病的代謝輪廓

眾所周知，奶牛圍產(chǎn)后期易發(fā)高血酮與低血糖癥。產(chǎn)后7～21 d奶牛由于每日攝入的能量無(wú)法滿足大量泌乳和機(jī)體代謝的需求，而造成能量負(fù)平衡。在泌乳早期，奶牛的能量需求增加迅速，是平時(shí)的4倍以上，并且持續(xù)數(shù)周[13]。此時(shí)機(jī)體糖類、氨基酸、酮體和有機(jī)酸等代謝均發(fā)生了明顯的變化[14-15]。差異代謝物達(dá)58種，27種表達(dá)上調(diào)，31種表達(dá)下調(diào)。糖代謝中僅乙酸、木糖醇等上調(diào)，而葡萄糖、蜜二糖、半乳糖、肌醇、α-酮戊二酸、葡萄糖醛酸、檸檬酸、乳酸、丙酮酸和核糖醇等下調(diào)。涉及糖酵解或糖異生、檸檬酸循環(huán)、戊糖和葡萄糖醛酸酯的相互轉(zhuǎn)化和半乳糖代謝等通路，提示糖類不足。β-谷固醇、十八酸、十七酸、十六酸、十四酸、油酸、9-十六碳烯酸、氨基丙二酸等脂類代謝物上調(diào)[16]，而低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白下調(diào)[17]，提示脂肪運(yùn)輸能力減弱，脂肪酸生物合成、類固醇生物合成以及脂肪酸代謝等增強(qiáng)。β-羥丁酸、丙酮和乙酰乙酸等上調(diào)，表明酮體合成增強(qiáng)。在賴氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、丙氨酸、3-甲基組氨酸和1-甲基組氨酸等下調(diào)的氨基酸中，絕大多數(shù)是生糖氨基酸[18]，生糖底物不足。2-哌啶甲酸和亮氨酸參與生酮[19]，表達(dá)上調(diào)，此時(shí)奶牛機(jī)體內(nèi)生酮作用增強(qiáng)顯著。酪氨酸、異亮氨酸和苯丙氨酸是兼性生糖與生酮的氨基酸，苯丙氨酸與酪氨酸主要參與三羧酸循環(huán)而進(jìn)行生糖作用，而異亮氨酸則主要參與機(jī)體酮體的生成[20]。

鳥(niǎo)氨酸能夠調(diào)節(jié)機(jī)體氨基酸代謝異常[21]，而焦谷氨酸則參與脂質(zhì)和糖類的代謝[22]，二者表達(dá)均下降，再次證實(shí)三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝出現(xiàn)異常。核酸合成以甲酸作為碳源，機(jī)體炎癥可能與其過(guò)度消耗相關(guān)[23]。核糖醇是核黃素的成分，參與糖、脂肪、蛋白質(zhì)和酮體等代謝[24]，尿囊素由尿酸轉(zhuǎn)化而來(lái)，核黃素下調(diào)而尿囊素上調(diào)，標(biāo)志著機(jī)體正處于氧化應(yīng)激狀態(tài)[25]。肌酸在機(jī)體中直接參與能量代謝，其被過(guò)度消耗將無(wú)法滿足對(duì)肌肉的能量供應(yīng)[26]。

谷氨酰胺、酪氨酸、甘氨酸以及丙氨酸等不僅與能量負(fù)平衡有關(guān)，也與乏情有關(guān)[27]。膽堿不僅可以加速肝臟甘油三酯轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)干物質(zhì)攝入，緩解能量負(fù)平衡，同時(shí)能夠影響生殖激素E2，從而影響奶牛乏情[28]。因此，機(jī)體此階段易發(fā)的酮病或能量負(fù)平衡也將會(huì)對(duì)奶牛接下來(lái)的發(fā)情階段產(chǎn)生影響。最后，2，3，4-三羥基丁酸、生育酚、絲氨酸、4-羥基脯氨酸與能量代謝的關(guān)系尚有待證實(shí)。赤蘚糖醇和3，4-二十二碳六烯酸的作用仍不清楚，有待進(jìn)一步研究。產(chǎn)犢后酮病血漿差異代謝物的代謝途徑如圖2所示。

圖2 奶牛產(chǎn)后酮病血漿代謝通路匯總Fig.2 Metabolic pathways of differential metabolites in plasma of ketosis

綜上所述，奶牛產(chǎn)后酮病時(shí)，表現(xiàn)出糖類不足，生糖氨基酸減少和生酮氨基酸增多，脂肪酸分解增強(qiáng)，酮體生成增高等生化特征，證實(shí)此期是奶牛能量負(fù)平衡高發(fā)期，而能量負(fù)平衡引起的機(jī)體代謝紊亂是酮病或脂肪肝發(fā)生的病理學(xué)基礎(chǔ)。然而，其他代謝物，如赤蘚糖醇和3，4-二十二碳六烯酸等的變化，與機(jī)體代謝健康的關(guān)系尚不清楚。因此，此期奶牛代謝發(fā)生了廣泛的和復(fù)雜的變化。

3 奶牛乏情的代謝輪廓

奶牛產(chǎn)后50～60 d是正常發(fā)情配種的關(guān)鍵時(shí)期，是提高繁殖成績(jī)的重要階段。此期奶牛是否正常發(fā)情與泌乳和代謝有著密切的關(guān)系。目前共報(bào)道有40種代謝物發(fā)生變化，5種上調(diào)，33種下調(diào)，另外2種代謝物——檸檬酸和酪氨酸的變化不一。其中葡萄糖、肌醇、核糖醇、琥珀酸、丙酮酸、塔格糖等糖類表達(dá)下調(diào)，乙酸以及檸檬酸等脂肪酸表達(dá)上調(diào)。糖酵解、糖異生、半乳糖代謝、磷酸戊糖途徑、檸檬酸循環(huán)等通路都與之相關(guān)，提示機(jī)體糖類不足，脂肪酸分解增強(qiáng)。β-羥丁酸上調(diào)，意味著酮體生成增多。而極低密度脂蛋白以及低密度脂蛋白下調(diào)，則提示機(jī)體內(nèi)脂肪的運(yùn)輸能力相對(duì)減弱。卵泡發(fā)育有三個(gè)利用葡萄糖的方式，即磷酸戊糖途徑、葡萄糖氧化和轉(zhuǎn)化成細(xì)胞外代謝。然而，此時(shí)期奶牛體內(nèi)糖類不足，尤其參與糖酵解和磷酸戊糖的糖缺乏，加上載脂蛋白不足，會(huì)導(dǎo)致卵泡液中嘌呤以及ATP的生成減弱，影響奶牛卵母細(xì)胞細(xì)胞發(fā)育、核生長(zhǎng)或細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[28]，引起乏情。Sinclair等[29]2008年研究發(fā)現(xiàn)牛卵泡液中丙氨酸與甘氨酸是含量最多的氨基酸，關(guān)系著核苷酸合成、蛋白質(zhì)合成以及細(xì)胞生長(zhǎng)等。卵泡中的顆粒細(xì)胞特定攝取某些氨基酸以呈遞給卵母細(xì)胞，如脯氨酸、甘氨酸或者丙氨酸等。這提示氨基酸能夠在卵泡腔中被顆粒細(xì)胞所攝取，并在其發(fā)育中起著重要作用[22]。因此，卵泡發(fā)育受阻的原因之一可能是奶牛體內(nèi)氨基酸含量的降低，進(jìn)而引發(fā)卵巢靜止。

煙酸含量下調(diào)易造成脂質(zhì)更多分解為脂肪酸，造成脂肪肝，引起細(xì)胞死亡[30]。游離脂肪酸可以通過(guò)卵丘細(xì)胞被母細(xì)胞攝取，為后期胚胎的發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)。但機(jī)體游離脂肪酸增加過(guò)多，將會(huì)致使線粒體受刺激釋而放Cyt C、激活半胱天冬酶以及促進(jìn)神經(jīng)酰胺形成，進(jìn)一步促進(jìn)脂肪毒性[31]，阻礙卵泡初期發(fā)育。在膽酸代謝中，膽酸含量增高，使機(jī)體膽汁酸合成相應(yīng)增加。膽汁酸能夠通過(guò)G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1（GPBAR1）影響顆粒細(xì)胞生長(zhǎng)；或通過(guò)核受體亞家族抑制類固醇類急性調(diào)節(jié)蛋白的表達(dá)對(duì)卵巢發(fā)揮影響作用[32]。最近有研究發(fā)現(xiàn)胰島素、膽固醇和甘油三酯的代謝能夠受3-氨基異丁酸的調(diào)節(jié)[33]，進(jìn)而抑制卵泡發(fā)育。磷酸膽堿、甘油磷酸膽堿以及膽堿代謝異常都屬于膽堿代謝異常的范圍，作為類固醇激素的合成原料，其表達(dá)下調(diào)直接影響激素合成[28]。其中磷酸膽堿的表達(dá)下調(diào)還會(huì)影響磷脂酸的水平，間接使RAS-MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路受阻，從而使卵泡發(fā)育受到抑制[31]。天冬酰胺參與糖異生的方式是通過(guò)轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜?，之后糖酵解，產(chǎn)生的丙酮酸經(jīng)過(guò)氧化脫羧轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴］o酶A，再參與類固醇激素的合成，如孕酮和雌二醇等。研究證實(shí)，天冬氨酰與丙氨酸在此期下調(diào)，引發(fā)奶牛乏情[34]。

其他代謝物：除膽酸表現(xiàn)上調(diào)外，甲基化-D-半乳糖皮蒽、天冬酰胺、二乙酸，6-羥基煙酸、3-氨基異丁酸、海藻糖、膽堿、羥胺，丁二胺、苯丙酮酸，肌酸，2-哌啶酸，5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸、香草扁桃酸、亞氨基二乙酸、煙酰甘氨酸和N-甲基-L-谷氨酸均表現(xiàn)下調(diào)。然而，它們對(duì)此時(shí)期奶牛代謝和繁殖的影響尚不完全清楚。產(chǎn)犢后乏情的血漿差異代謝物代謝途徑如圖3所示。

圖3 奶牛乏情血漿代謝通路匯總Fig.3 Metabolic pathways of differential metabolites in plasma of anestrus

綜上所述，在奶牛產(chǎn)后乏情時(shí)，機(jī)體糖類、脂類、氨基酸、煙酸和膽堿等代謝變化會(huì)影響奶牛繁殖性能。由于這個(gè)時(shí)期機(jī)體生糖物質(zhì)不足，脂肪動(dòng)員增強(qiáng)，氨基酸消耗增多等的能量負(fù)平衡狀態(tài)還在持續(xù)，會(huì)直接或間接影響卵泡、卵母細(xì)胞或顆粒細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)而影響發(fā)情、配種等。然而，由于涉及代謝物或代謝通路較為錯(cuò)綜復(fù)雜，它們與機(jī)體代謝和繁殖的關(guān)系仍需要進(jìn)一步探究。

4 奶牛圍產(chǎn)期及泌乳早期主要營(yíng)養(yǎng)代謝病代謝差異

在三大疾病中，表現(xiàn)出變化趨勢(shì)的是賴氨酸、肌酸、谷氨酰胺、氨基丁酸、丙酮酸和膽堿，主要涉及賴氨酸代謝；甘氨酸、蘇氨酸和絲氨酸代謝；精氨酸生物合成；丙氨酸，谷氨酸和天冬氨酸代謝；糖酵解/糖異生和甘油磷脂代謝。賴氨酸是生糖氨基酸，當(dāng)奶牛產(chǎn)后發(fā)生乳熱時(shí)，其水平上調(diào)，丙酮酸也上調(diào)，意味著其經(jīng)三酸循環(huán)為機(jī)體供能，而發(fā)生酮病時(shí)，生糖氨基酸水平下調(diào)，丙酮酸上調(diào)，賴氨酸消耗過(guò)多，表現(xiàn)為機(jī)體供能不足。氨基丁酸為抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，其表達(dá)水平上調(diào)也與乳熱時(shí)精神沉郁的狀態(tài)相關(guān)。同時(shí)，不論是在產(chǎn)后乳熱，酮病，還是在乏情奶牛中，其血漿代謝特征都表現(xiàn)為能量負(fù)平衡狀態(tài)，酮病以及乏情時(shí)尤為突出。

續(xù)表1 奶牛圍產(chǎn)期及泌乳早期代謝輪廓Continued table 1 Metabolic profile of dairy cows during perinatal and early lactation

續(xù)表1 奶牛圍產(chǎn)期及泌乳早期代謝輪廓Continued table 1 Metabolic profile of dairy cows during perinatal and early lactation

總之，通過(guò)奶牛圍產(chǎn)期和泌乳早期易發(fā)代謝病的三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的血清或血漿代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，從分娩后當(dāng)天至產(chǎn)后60 d機(jī)體代謝物的數(shù)量和種類發(fā)生了很大的變化，以糖類、脂類和氨基酸等三大代謝變化為主，都表現(xiàn)出奶牛能量負(fù)平衡的代謝特征，以酮病的代謝物最多和復(fù)雜。并且，酮病也是直接或間接的妨礙奶牛正常的發(fā)情和配種的主要因素。然而，由于奶牛圍產(chǎn)期及泌乳早期階段涉及的代謝物和代謝途徑復(fù)雜性和多樣性，加上每個(gè)階段易并發(fā)或混發(fā)的疾病，使得奶牛圍產(chǎn)期和泌乳早期代謝更加復(fù)雜和多變，給代謝和繁殖帶來(lái)更多的問(wèn)題。因此，單一理論和技術(shù)將無(wú)法解決這個(gè)時(shí)期的繁雜問(wèn)題，亟待今后多學(xué)科理論和技術(shù)從整體角度來(lái)探究。