李 悅 張 昊 陳亞楠 陳躍平 楊敏馨
(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)結(jié)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210014;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院,南京 210095;3.福建省畜牧總站,福州 350003)
現(xiàn)代繁育技術(shù)在提高母豬窩產(chǎn)仔數(shù)的同時,也導(dǎo)致弱仔豬數(shù)量不斷增多。由于母豬子宮容積有限,胚胎生長空間及所需養(yǎng)分會隨其數(shù)量增多而愈發(fā)不足,造成胎兒及其器官生長發(fā)育受阻,這一現(xiàn)象稱為宮內(nèi)發(fā)育遲緩(intrauterine growth retardation,IUGR)。在生豬養(yǎng)殖中,低初生重或極低初生重是IUGR仔豬的典型特征,其出生后生長發(fā)育緩慢、存活率和抗病力較低,造成母豬繁殖資源和飼料資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[1]。研究表明,IUGR損傷新生仔豬肝臟功能,造成氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡、細(xì)胞凋亡和組織損傷增多等異常現(xiàn)象[2-3]。當(dāng)胎兒暴露于營養(yǎng)不良的宮內(nèi)環(huán)境時,機(jī)體會優(yōu)先將有限的養(yǎng)分供給大腦、心臟等器官以維持自身存活,而減少對肝臟等代謝器官的養(yǎng)分供給,造成肝臟生理功能損傷[4]。作為機(jī)體重要的代謝、分泌及解毒器官,肝臟損傷是導(dǎo)致IUGR仔豬生長性能和抗病能力下降的一個重要因素[4]。因此,緩解早期肝臟損傷是改善IUGR仔豬生長發(fā)育和健康狀況的可行途徑。
甜菜堿(學(xué)名三甲基甘氨酸)是一種廣泛存在于動植物及微生物中的季銨型生物堿,化學(xué)結(jié)構(gòu)與氨基酸相似,具有提供甲基、維持細(xì)胞滲透壓、調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能和酶活性以及改善脂質(zhì)代謝等多種生理功能[5]。在畜禽養(yǎng)殖中,飼糧中添加適宜劑量的甜菜堿既可改善動物生長性能和胴體品質(zhì),也能節(jié)約膽堿和蛋氨酸的用量以降低飼料成本[6-7]。近年來研究發(fā)現(xiàn),甜菜堿可通過調(diào)節(jié)肝臟含硫氨基酸代謝,提高抗氧化和解毒能力,改善多種不良因素造成的肝臟損傷[8-11]。然而,目前關(guān)于甜菜堿在IUGR仔豬上的應(yīng)用研究較少。因此,本試驗(yàn)旨在探討甜菜堿對IUGR仔豬生長性能、肝臟損傷和抗氧化功能的影響,以期為改善IUGR仔豬的生長發(fā)育與健康狀況提供科學(xué)依據(jù)。
從6窩符合正常初生重(NBW)和IUGR選擇標(biāo)準(zhǔn)的三元(“杜×長×大”)雜交新生仔豬中,按每窩1頭NBW和2頭IUGR雄性仔豬的挑選方式,選擇6頭NBW[(1.51±0.04) kg]和12頭IUGR[(0.85±0.05) kg]仔豬。NBW和IUGR的判定標(biāo)準(zhǔn)如下:初生重在群體平均值0.5個標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)為NBW仔豬,初生重低于群體平均值的2個標(biāo)準(zhǔn)差為IUGR仔豬[11-12]。所有仔豬自然哺乳至7日齡,隨后將每窩的1頭NBW和2頭IUGR仔豬分至NBW對照組、IUGR對照組和IUGR試驗(yàn)組,每組6個重復(fù),每個重復(fù)1頭。NBW對照組和IUGR對照組飼喂基礎(chǔ)配方乳,IUGR試驗(yàn)組飼喂在基礎(chǔ)配方乳中添加1.0 g/kg甜菜堿(以乳粉干物質(zhì)計(jì))的試驗(yàn)配方乳?;A(chǔ)配方乳參照NRC(2012)斷奶仔豬營養(yǎng)需要標(biāo)準(zhǔn)配制,其組成及營養(yǎng)水平見表1。各組配方乳臨喂時按每100 g乳粉加入600 mL 45 ℃溫水的比例配制,2~3 h瓶喂1次,每天飼喂8次,試驗(yàn)期15 d。試驗(yàn)期間,受試仔豬采用單欄飼養(yǎng),舍溫保持在27~29 ℃,免疫程序等其他管理按照常規(guī)方法進(jìn)行。準(zhǔn)確記錄仔豬初體重(IBW)、末體重(FBW)以及采食量,計(jì)算7~21日齡的平均日增重(ADG)、平均日采食量(ADFI)和料重比(F/G)。
表1 基礎(chǔ)配方乳組成及營養(yǎng)水平(干物質(zhì)基礎(chǔ))Table 1 Composition and nutrient levels of the basal formula milk (DM basis) %
試驗(yàn)結(jié)束時,于仔豬前腔靜脈處采集5 mL血液置于肝素鈉抗凝管中,4 ℃條件下3 000 r/min離心10 min收集上層血漿,保存于-20 ℃冰箱中備用。采血完成后,將仔豬電擊致暈、放血致死,迅速分離肝臟,在左小葉處收集大約5 g組織置于預(yù)冷的Hank’s平衡鹽溶液中,用于肝細(xì)胞分離,另取1.5 g左右肝臟樣本收集至凍存管,液氮速凍后保存于用于-80 ℃超低溫冰箱中備用。
1.3.1 血漿轉(zhuǎn)氨酶活性的測定
使用南京建成生物工程研究所試劑盒測定血漿丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(ALT)和天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AST)活性。所有試驗(yàn)步驟嚴(yán)格按照試劑盒說明書進(jìn)行操作。
1.3.2 肝細(xì)胞活性氧(ROS)水平的檢測
采用機(jī)械剪碎與Ⅰ型膠原酶消化相結(jié)合的方法制備肝細(xì)胞懸液,具體方法參見Zhang等[12]報(bào)道。采用2’,7’-二氯熒光素雙乙酸鹽(DCFH-DA)熒光探針測定肝細(xì)胞ROS水平。DCFH-DA自身無熒光,可自由穿過細(xì)胞膜,并被細(xì)胞內(nèi)酯酶水解生成2’,7’-二氯熒光素二乙酸酯(DCFH)。DCFH不能通透細(xì)胞膜,故易裝載至細(xì)胞內(nèi)。DCFH易被細(xì)胞內(nèi)ROS氧化,產(chǎn)生帶有熒光的2’,7’-二氯熒光素(DCF)。因而,通過測定細(xì)胞DCF熒光強(qiáng)度可反映ROS水平。方法如下:在37 ℃條件下,使用工作濃度為10 μmol/L的DCFH-DA對肝細(xì)胞避光染色。孵育30 min后,使用磷酸鹽緩沖液(PBS)洗滌細(xì)胞2次,4 ℃條件下1 000 r/min離心5 min以棄上清。洗滌完成后,使用600 μL PBS重懸細(xì)胞,采用BD FACSCalibur流式細(xì)胞儀(美國BD公司)在激發(fā)波長488 nm、發(fā)射波長525 nm條件下測定細(xì)胞DCF熒光強(qiáng)度。
1.3.3 肝臟抗氧化酶活性的測定
稱取300 mg左右肝臟凍存樣本,加入9倍重量體積生理鹽水,在冰水浴條件下使用玻璃勻漿器制備組織勻漿液。4 ℃條件下4 000 r/min離心15 min,收集上清液用于抗氧化酶活性測定。使用南京建成生物工程研究所試劑盒測定肝臟超氧化物歧化酶(SOD)、γ-谷氨酰半胱氨酸連接酶(γ-GCL)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)、谷胱甘肽還原酶(GR)以及過氧化氫酶(CAT)活性。勻漿液蛋白含量采用碧云天生物技術(shù)研究所二喹啉甲酸(BCA)蛋白定量試劑盒測定。所有試驗(yàn)步驟均嚴(yán)格按照試劑盒說明書進(jìn)行操作。
1.3.4 肝臟氧化還原代謝產(chǎn)物含量的測定
制備肝臟組織勻漿液,方法同1.3.3。采用南京建成生物工程研究所試劑盒測定肝臟丙二醛(MDA)、蛋白羰基(PC)、還原型谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量,試驗(yàn)步驟按照試劑盒說明書進(jìn)行。勻漿液蛋白含量測定方法同1.3.3。
1.3.5 肝臟S-腺苷蛋氨酸(SAM)和S-腺苷同型半胱氨酸(SAH)含量的測定
取凍存肝臟組織,加入4倍重量體積0.6 mol/L高氯酸,在冰水浴條件下制備為勻漿液,并在冰上靜置1 h。4 ℃條件下14 000 r/min離心20 min,收集上清液,使用孔徑為0.22 μm的微孔濾膜進(jìn)行過濾。使用賽默飛UltiMate 3000高效液相色譜儀(美國賽默飛)測定溶液中SAM和SAH含量,色譜柱為Agilent ZORBAX Eclipse Plus C18柱(4.6 mm×250 mm,5 μm),條件如下:檢測波長254 nm,柱溫40 ℃,流動相分別為含有50 mmol/L KH2PO4、5 mmol/L庚烷磺酸鈉的鹽溶液(80%)和甲醇(20%),流速1.0 mL/min,進(jìn)樣量10 μL。SAM和SAH標(biāo)準(zhǔn)品購自Sigma-Aldrich(上海)。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示,采用SPSS 22.0軟件中ANOVA方法進(jìn)行單因素方差分析,采用Tukey方法進(jìn)行事后檢驗(yàn)和兩兩比較,P<0.05為差異顯著。
由表2可知,與NBW對照組相比,IUGR顯著降低了仔豬IBW、FBW以及7~21日齡ADG和ADFI(P<0.05),但對7~21日齡F/G無顯著影響(P>0.05)。甜菜堿未顯著改變IUGR仔豬21日齡FBW和7~21日齡生長性能(P>0.05)。
表2 甜菜堿對IUGR仔豬7~21日齡生長性能的影響Table 2 Effects of betaine on growth performance of IUGR piglets from 7 to 21 days of age
由表3可知,與NBW對照組相比,IUGR對照組仔豬血漿ALT和AST活性顯著升高(P<0.05)。飼喂甜菜堿后,IUGR試驗(yàn)組仔豬血漿ALT活性較IUGR對照組顯著降低(P<0.05),而血漿AST活性無顯著變化(P>0.05)。
表3 甜菜堿對21日齡IUGR仔豬血漿轉(zhuǎn)氨酶活性的影響Table 3 Effects of betaine on plasma aminotransferase activity of IUGR piglets at 21 days of age U/L
由表4可知,與NBW對照組相比,IUGR對照組仔豬肝細(xì)胞ROS水平及肝臟MDA和PC含量顯著提高(P<0.05)。與IUGR對照組比較,IUGR試驗(yàn)組仔豬肝細(xì)胞ROS水平和肝臟PC含量顯著降低(P<0.05),但肝臟MDA含量無顯著差異(P>0.05)。
表4 甜菜堿對21日齡IUGR仔豬肝臟氧化應(yīng)激標(biāo)志物水平的影響Table 4 Effects of betaine on oxidative stress marker levels in liver of IUGR piglets at 21 days of age
由表5可知,與NBW對照組相比,IUGR對照組仔豬肝臟γ-GCL和GR活性顯著降低(P<0.05),而肝臟SOD、GPx和CAT活性無顯著差異(P>0.05)。與IUGR對照組相比,IUGR試驗(yàn)組仔豬肝臟γ-GCL活性顯著提高(P<0.05),但肝臟SOD、GPx、GR和CAT活性均無顯著差異(P>0.05)。
表5 甜菜堿對21日齡IUGR仔豬肝臟抗氧化酶活性的影響Table 5 Effects of betaine on antioxidant enzyme activity in liver of IUGR piglets at 21 days of age
由表6可知,與NBW對照組相比,IUGR對照組仔豬肝臟總谷胱甘肽(T-GSH)和GSH含量以及GSH/GSSG值顯著降低(P<0.05),而肝臟GSSG含量顯著升高(P<0.05)。飼喂甜菜堿后,IUGR試驗(yàn)組仔豬肝臟T-GSH和GSH含量以及GSH/GSSG值均較IUGR對照組顯著升高(P<0.05),但2組之間肝臟GSSG含量無顯著差異(P>0.05)。
表6 甜菜堿對21日齡IUGR仔豬肝臟谷胱甘肽代謝物含量的影響Table 6 Effects of betaine on glutathione metabolite content in liver of IUGR piglets at 21 days of age
由表7可知,IUGR對照組仔豬肝臟SAM含量和SAM/SAH值均顯著低于NBW對照組(P<0.05)。與IUGR對照組相比,IUGR試驗(yàn)組仔豬肝臟SAM含量和SAM/SAH值顯著提高(P<0.05)。
表7 甜菜堿對21日齡仔豬肝臟SAM和SAH含量的影響Table 7 Effects of betaine on contents of SAM and SAH in liver of IUGR piglets at 21 days of age
諸多研究表明,初生重是影響仔豬出生后生長性能的關(guān)鍵因素之一[1,10-12]。本試驗(yàn)中,IUGR顯著降低了仔豬7和21日齡體重以及7~21日齡ADG和ADFI,這與前人研究結(jié)果[12-14]基本一致。飼喂甜菜堿后,IUGR試驗(yàn)組仔豬7~21日齡ADG較IUGR對照組提高了7.2%,但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平,說明在7~21日齡階段補(bǔ)充甜菜堿對IUGR仔豬生長性能無顯著改變。因此,對于緩解IUGR仔豬生長阻滯或需較長時期的營養(yǎng)調(diào)控方可實(shí)現(xiàn)。
肝臟作為機(jī)體重要的代謝器官和分泌器官,直接影響動物生長潛能的發(fā)揮。血漿轉(zhuǎn)氨酶活性是反映肝臟功能的重要指標(biāo)[15]。正常生理?xiàng)l件下,ALT主要存在于肝細(xì)胞,AST主要存在于心肌細(xì)胞和肝細(xì)胞。當(dāng)肝臟發(fā)生損傷,ALT和AST會因細(xì)胞膜破裂而大量釋放進(jìn)入血液,導(dǎo)致血液循環(huán)中轉(zhuǎn)氨酶的活性隨之升高[15]。本試驗(yàn)中,IUGR顯著提高了21日齡仔豬血漿ALT和AST活性,提示IUGR仔豬肝細(xì)胞發(fā)生損傷。與此相似,IUGR仔豬在斷奶后早期階段依然伴有血漿ALT和AST活性顯著升高的現(xiàn)象[16]。臨床研究也證實(shí),IUGR導(dǎo)致新生兒肝臟功能受損、代謝效率降低[17]。因此,若得不到及時、有效地緩解,IUGR仔豬肝臟損傷現(xiàn)象或在其出生后較長時期持續(xù)存在。飼喂甜菜堿后,IUGR試驗(yàn)組血漿ALT活性較IUGR對照組顯著降低,表明甜菜堿一定程度地緩解了IUGR仔豬肝臟損傷的現(xiàn)象。在嚙齒動物上的研究也證實(shí),甜菜堿能夠減輕酒精、高脂飲食、有毒物質(zhì)等不良刺激誘導(dǎo)的血液ALT和AST活性異常升高,有效保護(hù)動物肝臟功能[18-20]。
氧化應(yīng)激是導(dǎo)致IUGR動物早期肝臟損傷的重要原因。正常情況下,ROS產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡狀態(tài),對細(xì)胞及組織功能無負(fù)面影響。發(fā)生應(yīng)激時,細(xì)胞氧化還原代謝失衡,造成ROS大量積聚以及蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸氧化損傷,破壞細(xì)胞穩(wěn)態(tài)乃至組織功能。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,21日齡IUGR仔豬肝細(xì)胞ROS水平較NBW仔豬顯著提高,肝臟MDA和PC含量顯著升高。MDA是重要的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物,其含量直接反映細(xì)胞脂質(zhì)過氧化程度[21]。PC含量與蛋白質(zhì)氧化損傷及酶失活密切相關(guān),也是反映細(xì)胞氧化應(yīng)激的敏感指標(biāo)[22]。上述結(jié)果表明,IUGR仔豬肝臟存在明顯的氧化應(yīng)激現(xiàn)象。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),添加甜菜堿可有效緩解IUGR造成的仔豬肝臟氧化應(yīng)激,顯著降低了肝細(xì)胞ROS水平以及肝臟PC含量,說明甜菜堿具有保護(hù)IUGR仔豬肝臟功能的作用。在大鼠上的研究也證實(shí),飼喂甜菜堿有效改善了大鼠非酒精性肝損傷,肝臟氧化應(yīng)激和纖維化程度均明顯減輕[11]。
抗氧化能力不足是造成IUGR仔豬肝臟氧化應(yīng)激的關(guān)鍵因素。本試驗(yàn)中,IUGR對照組仔豬肝臟T-GSH含量與GSH/GSSG值較NBW對照組均顯著降低。在斷奶仔豬上的試驗(yàn)結(jié)果也表明,IUGR導(dǎo)致仔豬肝臟GSH含量降低而GSSG含量升高[16]。GSH作為細(xì)胞內(nèi)重要的非酶類抗氧化物,可通過清除自由基、還原過氧化物以及保護(hù)蛋白巰基等方式,發(fā)揮抗氧化保護(hù)作用[23]。發(fā)生氧化應(yīng)激時,大量GSH被氧化,若無法被及時還原會導(dǎo)致GSSG積聚,GSH/GSSG值也隨之降低。因此,GSH含量和GSH/GSSG值下降提示此時肝臟伴有劇烈的氧化應(yīng)激,這也解釋了IUGR對照組肝臟MDA和PC含量顯著升高的現(xiàn)象。
含硫氨基酸代謝紊亂與IUGR仔豬肝臟T-GSH合成減少密切相關(guān)[24]。在動物體內(nèi),50%以上攝入的含硫氨基酸在肝臟代謝,主要分為轉(zhuǎn)硫和再甲基化途徑。蛋氨酸可在胱硫醚β合酶和γ-GCL的催化下,經(jīng)轉(zhuǎn)硫途徑生成半胱氨酸,后者參與GSH、?;撬岬壬锘钚晕镔|(zhì)的代謝,對維持機(jī)體氧化還原穩(wěn)態(tài)具有重要意義[25]。在再甲基化過程中,蛋氨酸經(jīng)蛋氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶(MAT)作用產(chǎn)生SAM,其攜帶1個活化的甲基,廣泛參與細(xì)胞內(nèi)甲基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。SAM在提供甲基后會轉(zhuǎn)化為SAH,后者經(jīng)水解產(chǎn)生同型半胱氨酸,并在甜菜堿或N5-甲基四氫葉酸提供甲基后完成再甲基化。本試驗(yàn)中,與NBW對照組相比,IUGR對照組仔豬肝臟γ-GCL活性、SAM含量以及SAM/SAH值均顯著降低,說明IUGR仔豬肝臟轉(zhuǎn)硫和再甲基化途徑均受抑制,導(dǎo)致GSH從頭合成減少。與此相似,Maclennan等[26]研究發(fā)現(xiàn),IUGR新生大鼠肝臟SAH、同型半胱氨酸和蛋氨酸含量增加,而半胱氨酸含量減少,進(jìn)而阻礙了GSH合成。在仔豬上的研究也表明,IUGR導(dǎo)致肝臟半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶和γ-GCL活性降低[24]。此外,本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),IUGR顯著降低了21日齡仔豬肝臟GR活性。GR是GSH氧化還原代謝過程中重要的還原酶,借助還原型輔酶Ⅱ(NADPH)將GSSG轉(zhuǎn)化為GSH,以維持細(xì)胞GSH水平[27]。GR活性降低表明IUGR也會損傷仔豬肝臟GSH氧化還原代謝,導(dǎo)致肝臟GSH/GSSG值下降。
作為甲基供體,甜菜堿可有效補(bǔ)充蛋氨酸,并可促進(jìn)MAT和γ-GCL表達(dá),這不僅有助于改善甲基供給水平,也有利于GSH等生物活性物質(zhì)的合成[5]。本試驗(yàn)中,添加甜菜堿顯著提高了21日齡IUGR仔豬肝臟γ-GCL活性、T-GSH和GSH含量以及GSH/GSSG值,有效改善了GSH從頭合成和氧化還原的代謝效率,繼而增強(qiáng)了IUGR仔豬肝臟抗氧化功能。Jung等[8]也發(fā)現(xiàn)甜菜堿可通過促進(jìn)GSH合成而發(fā)揮清除ROS作用。另外,本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),飼喂甜菜堿后IUGR仔豬肝臟SAM含量顯著提高,這與甜菜堿供甲基特性有關(guān)。除了作為有活性的甲基供體,SAM也具有抗氧化作用,可直接清除部分ROS或通過螯合鐵離子而抑制羥自由基產(chǎn)生[28]。同時,SAM能夠激活血紅素加氧酶-1鐵蛋白系統(tǒng),減少NADPH介導(dǎo)的ROS產(chǎn)生,降低組織氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)[29]。此外,SAM可促進(jìn)抑制素1表達(dá),緩解應(yīng)激造成的線粒體功能紊亂,減少電子傳遞鏈中ROS的生成[30]。綜上所述,添加甜菜堿可有效改善IUGR仔豬肝臟含硫氨基酸代謝,促進(jìn)轉(zhuǎn)硫和再甲基化途徑的代謝效率,提高GSH和SAM等生物活性物質(zhì)含量,從而發(fā)揮保護(hù)肝臟作用。上述結(jié)果也解釋了IUGR試驗(yàn)組仔豬飼喂甜菜堿后肝細(xì)胞ROS水平、肝臟PC含量以及血漿ALT活性降低的現(xiàn)象。
① IUGR會損傷21日齡仔豬肝臟含硫氨基酸代謝、谷胱甘肽從頭合成及氧化還原循環(huán)效率,導(dǎo)致肝臟SAM、T-GSH和GSH等關(guān)鍵代謝物含量減少,抗氧化能力降低,引發(fā)肝臟氧化應(yīng)激和組織損傷。
② 飼喂甜菜堿有助于改善IUGR仔豬肝臟SAM和T-GSH合成受阻的現(xiàn)象,提高肝臟抗氧化功能,降低肝細(xì)胞ROS水平、肝臟PC含量及血漿ALT活性,有效緩解IUGR仔豬肝臟氧化應(yīng)激和組織損傷。