孫智媛，谷雪玲，范志勇*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410128；2.湖南省畜禽安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128；3. 湖南家禽安全生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128；4. 飼料安全與高效利用教育部工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

胰島素抵抗(Insulin resistance, IR)是指組織對(duì)胰島素(Insulin，INS)的敏感性下降，機(jī)體葡萄糖攝取和處理能力下降，從而需要高水平INS來控制血糖的狀態(tài)。發(fā)生IR后，機(jī)體正常的血糖代謝和脂質(zhì)代謝功能容易出現(xiàn)異常，并易引發(fā)炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激[1-2]。IR主要發(fā)生部位為骨骼肌、肝臟和脂肪，是非酒精性脂肪肝、肥胖癥、Ⅱ型糖尿病(Type 2 diabetes, T2D)、高血壓等的常見并發(fā)癥。鑒于此，本文綜述了有關(guān)IR作用機(jī)制、營(yíng)養(yǎng)干預(yù)研究的文獻(xiàn)資料，圍繞幾種誘導(dǎo)畜禽IR的影響因素進(jìn)行闡述，探討IR的病理后果，以及可緩解IR的有效營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

1 IR的誘發(fā)因素

1.1 氧化還原狀態(tài)與IR

IR與氧化應(yīng)激具有正反饋關(guān)系，氧化應(yīng)激是導(dǎo)致胰島素敏感性降低的主要原因。Chaudhuri等[3]利用脂肪細(xì)胞氧化應(yīng)激模型，通過抑制谷胱甘肽(Glutathione, GSH)和硫氧還蛋白(Thioredoxin, Trx)的循環(huán)，測(cè)定了細(xì)胞在不同時(shí)刻對(duì)葡萄糖類似物2-脫氧-D-葡萄糖(2-deoxy-D-glucose,2-DG)的攝取量，證實(shí)了細(xì)胞INS敏感性與應(yīng)激的關(guān)聯(lián)性，其結(jié)果表明氧化應(yīng)激狀態(tài)下，細(xì)胞INS敏感性下降，這提示氧化應(yīng)激可導(dǎo)致IR的發(fā)生。氧化應(yīng)激會(huì)造成體內(nèi)活性氧自由基(Reactive oxygen species, ROS)大量產(chǎn)生，過量的ROS可通過激活炎癥小體介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，進(jìn)而誘發(fā)IR[4]。研究發(fā)現(xiàn)，Cys/CySS Eh變化會(huì)導(dǎo)致核因子E-2-相關(guān)因子2(Nuclear Faetor-E2-related factor 2, Nrf2)表達(dá)發(fā)生改變，造成培養(yǎng)基中細(xì)胞對(duì)葡萄糖攝取能力下降[5]。進(jìn)一步研究證明，氧化應(yīng)激誘導(dǎo)IR加劇可能與胰島素受體(Insulin receptor, INSR)和蛋白激酶B(Protein kinase B, Akt)的磷酸化受到抑制有關(guān)[6]。這說明，氧化應(yīng)激損傷可能是導(dǎo)致葡萄糖吸收力及血糖穩(wěn)定性降低的重要因素。

1.2 體脂代謝與IR

體脂代謝紊亂與脂肪組織分泌脂肪因子密切相關(guān)，脂肪因子可通過分泌神經(jīng)酰胺(Ceramide, Cer)和fet-A代謝產(chǎn)物或直接影響IRS磷酸化途徑誘導(dǎo)IR發(fā)生。在動(dòng)物妊娠和育肥過程中易出現(xiàn)肥胖和脂肪組織代謝異常現(xiàn)象，脂肪細(xì)胞大量聚集促進(jìn)了游離脂肪酸(free fat acid, FFA)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白介素-6(interleukin-6, IL-6)及視黃醇結(jié)合蛋白4(retinol-binding protein 4, RBP4)等脂肪因子的分泌[7]，導(dǎo)致胰島素敏感性降低并且引起組織慢性炎癥[8]。研究表明，F(xiàn)FA可以通過促進(jìn)Cer的分泌[9]，影響肌肉對(duì)胰島素的敏感性[10]。在短期模式下，F(xiàn)FA可通過激活蛋白磷酸酶(Protein phosphatase type 2A, PP2A)和蛋白激酶C ζ(Protein kinase C ζ, PKCζ)使Akt失活，降低胰島素敏感性，而在長(zhǎng)期模式下，Cer通過PKR/JNK或Prep1-p160通路影響IRS1活性。此外，，F(xiàn)FA可以通過促進(jìn)胎球蛋白A(Fetuin-A, Fet-A)表達(dá)，激活Toll樣受體4(Toll-like receptor-4, TLR4)介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，影響胰島素信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)[11]。

脂肪細(xì)胞分泌的TNF-α、IL-6及RBP4作用于c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)和誘導(dǎo)激酶/IκB激酶途徑(NF-kB-inducing kinase / I-Kappa-B kinase, NIK/IKK)，通過抑制絲氨酸激酶活性和IRS1磷酸化，降低體內(nèi)葡萄糖攝取量，最終導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生IR[10-13]。以上脂肪因子的作用機(jī)制如下：(1)脂肪組織中TNF-α?xí)种埔葝u素受體(Insulin receptor, INSR)活性，使IRS1酪氨酸磷酸化減弱，這可能與TNF-α誘導(dǎo)的骨骼肌胰島素抵抗的發(fā)展有關(guān)[14]；(2)脂肪細(xì)胞中的IL-6發(fā)揮促炎的作用，抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(Glucose transporter 4，GLUT4)和IRS1表達(dá)，進(jìn)而減弱胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能[15]。

1.3 碳水化合物代謝與IR

碳水化合物可通過Akt信號(hào)通路，調(diào)節(jié)胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而誘導(dǎo)IR。研究表明，日糧中長(zhǎng)期添加過高的果糖不僅不會(huì)顯著提高飼料攝入量[16]，還會(huì)通過抑制Akt激酶磷酸化和糖皮質(zhì)激素釋放抑制胰島素信號(hào)的傳導(dǎo)[17]。Yuruk等[18]進(jìn)一步指出，游離果糖與結(jié)合果糖相比更能促進(jìn)慢性疾病的發(fā)生，使得胰島素信號(hào)抑制。Liu等[19]研究發(fā)現(xiàn)，高糖高脂會(huì)顯著降低小型豬胰島素敏感性(24.8%)和骨骼肌中PI3K/Akt信號(hào)通路中p-Akt(S473)和GLUT4表達(dá)水平，提高胰島素抵抗指數(shù)(HOMA Insulin resistance index, HOMA-IR)(2.9倍)。Hsu等[20]研究發(fā)現(xiàn)，高水平脂質(zhì)攝入會(huì)誘導(dǎo)豬血脂異常、葡萄糖耐受不良以及骨骼肌胰島素抵抗現(xiàn)象出現(xiàn)。

1.4 腸道微生物與IR

目前，越來越多的研究表明，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物與IR的發(fā)生有關(guān)。革蘭氏陰性菌為腸道中常見的微生物，其細(xì)胞壁內(nèi)的脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)是誘發(fā)IR的主要因素。Saad等[21]發(fā)現(xiàn)，腸道中過量的LPS促使腸道通透性增加，繼而發(fā)生LPS易位以及與TLR4識(shí)別結(jié)合，激活髓樣分化因子(Myeloiddifferentiationfactor88, MyD88)及其下游的腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6(TNF receptor-associated factor 6, TRAF6)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子激酶1(TGF beta-Activated Kinase 1, TAK1)和JNK-IKK復(fù)合物，誘導(dǎo)胰島素受體底物(Insulin receptor substrate, IRS)絲氨酸磷酸化，最終引發(fā)IR。腸道微生物的代謝產(chǎn)物如短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA)一方面可以通過預(yù)防或減少脂肪的異位沉積、提高骨骼肌氧化能力來預(yù)防IR[22]；另一方面，SCFA可以通過抑制核因子κB(Nuclear factor kappa-B, NF-κB)以活化宿主的免疫細(xì)胞，刺激短鏈脂肪酸受體43和41(G protein-coupled receptor43, GPR43和G protein-coupled receptor41, GPR41)改善醋酸鹽誘導(dǎo)的抗炎反應(yīng)[23]，從而改善IR。

2 IR發(fā)生對(duì)畜禽健康的影響

2.1 IR對(duì)母豬繁殖性能的影響

IR會(huì)促使妊娠后期和早期哺乳期的母豬胰島素敏感性逐漸下降，加劇圍產(chǎn)期母豬代謝紊亂和脂肪沉積，不利于繁殖性能的提高。Cheng等[24]研究發(fā)現(xiàn)妊娠后期母豬背膘過厚和腸道菌群失衡導(dǎo)致腸道通透性增加，加劇了胰島素抵抗，減少了活仔數(shù)和產(chǎn)仔重量，對(duì)母豬生產(chǎn)性能有著顯著影響。Xu等[25]提到妊娠期胰島素敏感性下降可能導(dǎo)致母豬飼料攝入量減少，從而直接影響到母豬的整體生產(chǎn)力。Miller等[26]通過對(duì)比懷孕母豬和未懷孕母豬的蛋白質(zhì)沉積水平發(fā)現(xiàn)，母豬在妊娠后期蛋白質(zhì)沉積率會(huì)顯著降低，并推測(cè)這與外周組織中雌激素刺激產(chǎn)生的IR及葡萄糖代謝紊亂有關(guān)。

2.2 IR對(duì)機(jī)體免疫功能的影響

Pan等[27]研究發(fā)現(xiàn)，高脂飼喂的西藏小型豬表現(xiàn)出IR后，其非特異性免疫機(jī)制受到影響，表現(xiàn)為C反應(yīng)蛋白(C-reactive protein, CRP)水平顯著增加。此外，妊娠母體發(fā)生IR后可使體液免疫指標(biāo)CRP濃度顯著增加[28]。Backman等[29]研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病豬Akt信號(hào)激活受到影響，抑制TLR介導(dǎo)的PI3K-Akt-mTOR信號(hào)傳導(dǎo)途徑，從而影響先天性免疫穩(wěn)態(tài)。Marin-juez等[30]通過向斑馬魚注射高濃度INS誘發(fā)其發(fā)生IR，與免疫系統(tǒng)相關(guān)差異表達(dá)基因(Differentially expressed genes, DEGs)轉(zhuǎn)錄水平顯著下降，在基因水平上證明了IR對(duì)免疫系統(tǒng)的普遍抑制。這說明，IR通過影響CRP水平和TLR介導(dǎo)的免疫通路影響機(jī)體的免疫穩(wěn)態(tài)。

2.3 引發(fā)其他代謝綜合征

IR會(huì)增加動(dòng)物患高血糖伴高血脂癥、高胰島素血癥和糖耐量異常等代謝綜合征的幾率[31-32]，是多種代謝類疾病的病理學(xué)基礎(chǔ)。許多患T2D的前期個(gè)體已經(jīng)存在IR及糖脂代謝功能障礙，且會(huì)隨著病情嚴(yán)重程度增加而增強(qiáng)[33-34]。IR是奶牛脂肪肝的病理學(xué)基礎(chǔ)，可引起高非酯化脂肪酸血癥、高酮血癥等能量代謝性疾病[35]，給奶牛場(chǎng)帶來一定經(jīng)濟(jì)損失。王朋賢等[36]也證明了奶牛IR導(dǎo)致的葡萄糖利用障礙和奶牛酮病存在一定的關(guān)聯(lián)性。

3 營(yíng)養(yǎng)干預(yù)對(duì)IR的緩解效應(yīng)

3.1 膳食纖維對(duì)IR的緩解效應(yīng)

膳食纖維是一類不能被內(nèi)源性消化酶消化吸收的多糖類物質(zhì)，以其低能量、促進(jìn)腸胃健康和減少血糖血脂的作用被人熟知[37]。在日糧中補(bǔ)充膳食纖維，可以促進(jìn)盲腸和結(jié)腸末菌群端產(chǎn)生SCFA[38-39]，保護(hù)腸道屏障，改善母豬胰島素敏感性并降低氧化應(yīng)激[25]。Wu等[40]研究發(fā)現(xiàn)，給豬飼喂5%菊粉(Inulin, INU)或微晶纖維素(Microcrystalline cellulose, MCC)60 d可以顯著降低空腹胰高血糖素，提高胰島素敏感性，同時(shí)，MCC還增加了結(jié)腸處SCFA。膳食纖維還可以通過提高白介素因子水平改善IR。Torquati等[41]研究發(fā)現(xiàn)膳食纖維攝入量與白介素-22(Interleukin-22, IL-22)水平呈顯著正相關(guān)，而IL-22可以緩解炎癥反應(yīng)并提高胰島素敏感性，從而減輕肥胖引起的IR。Marta等[42]利用非淀粉多糖降解酶提高纖維的消化率，添加后顯著降低了豬IL-4，白介素-7(interleukin-7, IL-7)和白介素-11(interleukin-11, IL-11)的濃度，證明了較高水平的纖維有利于腸道免疫的調(diào)節(jié)，且可以通過增加過氧化物酶體增殖物激活受體(Peroxisome proliferators activate receptors, PPAR)的mRNA表達(dá)改善IR。Li等[43]研究發(fā)現(xiàn)，飼喂低比值膳食纖維日糧的母豬和仔豬具有更高的抗氧化酶活性和更低的炎性因子水平，證明了妊娠期母豬飲食中膳食纖維組成對(duì)自身及后代炎癥反應(yīng)的重要作用。此外，膳食纖維具有吸水性和膨脹性，具有理想的飽腹效果，可以通過降低能量攝入量減少脂肪沉積和肥胖的患病率。Sapkota等[44]研究發(fā)現(xiàn)，高膳食纖維水平的日糧可以提高豬的飽腹感，降低豬的采食量并控制能量的攝入，繼而改善IR。

3.2 改善腸道菌群對(duì)IR的緩解效應(yīng)

腸道菌群的正向調(diào)控與改善母豬圍產(chǎn)期胰島素敏感性和低度炎癥有關(guān)，治療IR可以通過添加益生元形成健康的腸道菌群實(shí)現(xiàn)[45-46]。Zhou等[47]研究了腸道微生物對(duì)小鼠胰島素抵抗的影響，發(fā)現(xiàn)普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)、乳酸菌(Lactobacillus)和產(chǎn)堿桿菌科(Alcaligenaceae)類菌群含量在腸道中增加后，可顯著提高胰島素敏感性。Le等[48]研究發(fā)現(xiàn)在母豬圍產(chǎn)期使用益生元補(bǔ)充劑后，可以使動(dòng)物表現(xiàn)出更高的分泌胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide 1, GLP-1)的能力，其胰腺對(duì)葡萄糖的敏感性也得到顯著改善。San等[49]發(fā)現(xiàn)甘露寡糖(Mannose-oligosaccharides, MOS)這類益生元可以提高斷奶仔豬胰島素樣生長(zhǎng)因子濃度，減少炎癥反應(yīng)。

3.3 其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)IR的緩解效應(yīng)

在日糧中添加抗氧化或抗炎營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括β-胡蘿卜素(β-carotene, β-C)和熊果酸(Ursolic acid, UA)，也可以發(fā)揮改善IR的作用。

β-C被廣泛應(yīng)用于反芻動(dòng)物配合飼料生產(chǎn)中，研究表明，血清中β-C濃度與機(jī)體胰島素敏感性有顯著相關(guān)性，且與IR呈顯著負(fù)相關(guān)，這與β-C的抗氧化和抗炎能力相關(guān)[50]。張相倫等[51]在肉牛日糧中添加不同水平的β-C，發(fā)現(xiàn)血清中T-AOC、GSH、總超氧化物歧化酶(Total superoxide dismutase, T-SOD)均顯著高于對(duì)照組，MDA顯著降低，表明β-C能夠提高肉牛的抗氧化作用。劉明美等[52]在日糧中添加β-C后，發(fā)現(xiàn)山羊血清中SOD、過氧化氫酶(Catalase, CAT)等活性的升高，證明了β-C對(duì)山羊抗氧化能力的改善。在飲水中補(bǔ)充β-C可抑制腹膜中性粒細(xì)胞的聚集，同時(shí)抑制腹膜中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生炎癥因子[53]。β-C對(duì)IR的緩解機(jī)制是以視黃醇為中間物抑制RBP4的表達(dá)，抑制其旁分泌功能，減少炎性因子的產(chǎn)生并改善IR[54]。此外，β-C還可以通過促進(jìn)線粒體解偶聯(lián)蛋白2(Uncoupling protein-2, UCP2)表達(dá)，促進(jìn)白色脂肪進(jìn)行非耦合呼吸和適應(yīng)性產(chǎn)熱，抑制增重[55]。

UA是存在于天然植物中的一種三萜類化合物，UA和羅格列酮(Rosiglitazone, RSG)聯(lián)合可激活I(lǐng)RS-PI3-Akt通路，誘導(dǎo)GLUT4易位和增加胰島素受體表達(dá)，改善胰島素敏感性[56]。Zhang等[57]研究發(fā)現(xiàn)，UA可以降低高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗大鼠的體重，降低空腹INS水平，提高胰島素敏感性，并推測(cè)UA是通過抑制大鼠體內(nèi)蛋白酪氨酸磷酸酶1B(Protein Tyrosine Phosphatase 1B, PTP1B)表達(dá)促進(jìn)IRS表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)改善大鼠胰島素敏感性。

4 小 結(jié)

本文綜述了誘導(dǎo)發(fā)生IR的三個(gè)主要因素，即機(jī)體異常的氧化還原狀態(tài)、體脂代謝以及腸道微生物菌群，并進(jìn)一步闡明了其誘發(fā)機(jī)制。動(dòng)物機(jī)體發(fā)生IR后主要表現(xiàn)為動(dòng)物繁殖性能降低、免疫力下降以及發(fā)生糖脂代謝等代謝性疾病。盡管諸多研究表明，β-C和UA等營(yíng)養(yǎng)素可有效緩解IR，但尋找更多有效的營(yíng)養(yǎng)途徑預(yù)防或改善IR，對(duì)于提高畜禽生產(chǎn)具有重要意義。