汪 悅，南雪梅，蔣林樹，熊本海*

(1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所 動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193；2.北京農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 奶牛營養(yǎng)學(xué)北京市重點實驗室，北京 102206)

奶牛乳房炎始終是制約全球乳品行業(yè)發(fā)展最重要的疾病之一。據(jù)估計，奶牛乳房炎造成的經(jīng)濟損失占奶牛場常見生產(chǎn)疾病直接總成本的38%[1]。因乳房炎造成的泌乳量及乳品質(zhì)下降、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(yǎng)殖業(yè)的慘重打擊[1]。目前，抗生素干預(yù)仍然是生產(chǎn)實際中用于臨床乳房炎(clinical mastitis, CM)治療的主要措施，廣泛使用抗生素治療可能會增加抗生素耐藥菌株的風(fēng)險，從而對人類健康產(chǎn)生影響。而亞臨床乳房炎(subclinical mastitis, SCM)，在生產(chǎn)中通常不采取有效的治療措施[1-2]。盡管沒有肉眼可見的炎癥癥狀，SCM的發(fā)生已經(jīng)導(dǎo)致了乳成分的改變[3]。一直以來，乳房炎主要的致病因素被認為是來自外界環(huán)境中的致病菌入侵并感染乳腺[1]。然而，近來的研究表明，造成乳房感染的微生物存在著內(nèi)源途徑，即胃腸道菌群對乳房炎同樣有著重要的調(diào)控作用，這種調(diào)控作用可能包括對炎癥的引發(fā)和緩解[4-5]。

胃腸道菌群已被越來越多的研究證明在非腸組織炎癥疾病中發(fā)揮著重要作用?？赡艿臋C制包括對有限營養(yǎng)物質(zhì)的直接競爭、參與宿主代謝、免疫系統(tǒng)發(fā)育及對抗病原體入侵等[6-7]。有研究發(fā)現(xiàn)，胃腸道菌群結(jié)構(gòu)與乳房炎發(fā)病之間存在一定的關(guān)聯(lián)性[5, 8-9]。腸道菌群紊亂可誘發(fā)乳房炎[5]。反過來，乳房炎患病期間，奶牛瘤胃和糞便中與炎癥相關(guān)的微生物豐度和促炎代謝產(chǎn)物水平顯著增加，而有益共生菌豐度明顯下降[8-9]。這種關(guān)聯(lián)性可能基于微生物的“腸-乳腺”內(nèi)源途徑，其具體機制仍需深入研究[4]?；诖?，通過調(diào)控胃腸道菌群或可實現(xiàn)對乳房炎的緩解。目前的研究表明，飲食結(jié)構(gòu)[10]、胃腸道菌群代謝產(chǎn)物(如SCFAs)[11]、益生菌[12]及腸道共生菌[6]等，對腸外組織(如乳腺)菌群及機體的免疫穩(wěn)態(tài)具有一定的調(diào)節(jié)作用。本文從奶牛乳房炎的致病因素、胃腸道菌群與乳房炎的關(guān)聯(lián)性及其對乳房炎調(diào)控的可能機制等方面進行綜述，為奶牛乳房炎的發(fā)病機理及生產(chǎn)中的有效防治措施提供一定的參考。

1 奶牛乳房炎

1.1 影響奶牛乳房炎發(fā)病的因素

奶牛乳房炎的發(fā)病原因復(fù)雜，尚缺乏明確、系統(tǒng)的致病機制。目前，病原微生物入侵導(dǎo)致乳腺內(nèi)持續(xù)感染[13]和固有免疫反應(yīng)不足導(dǎo)致易感性增強[14]被認為是奶牛乳房炎發(fā)病的主要因素。典型的乳房炎致病菌被分為“傳染性”和“環(huán)境性”[1]。先前的研究認為，傳染性病原體(主要包括金黃色葡萄球菌、停乳鏈球菌和無乳鏈球菌等)對宿主具有更高的適應(yīng)性，因此，能夠持續(xù)存在于乳腺內(nèi)并引發(fā)SCM。SCM因其潛伏期長、隱蔽性高等特點，在實際生產(chǎn)中的發(fā)病率(占乳房炎發(fā)病率的90%～95%)遠高于CM[15]。同時，這些存在于SCM奶牛中的傳染性病原體通常會在擠奶時或擠奶前后在牛群之間傳播[3, 15]。相比之下，環(huán)境性病原體(主要是大腸桿菌)不適宜在宿主內(nèi)生存，它們通過入侵、繁殖，引起宿主的免疫反應(yīng)，然后迅速被機體固有免疫消滅[16]。然而，近來的研究表明，即使在一些管理良好的牧場中，也難以控制環(huán)境性病原菌引起的乳房炎，甚至可能出現(xiàn)更高的發(fā)病率[17]。一項調(diào)查研究顯示，在177個牛場的乳房炎發(fā)病群體中，80%是由環(huán)境性病原菌(主要是大腸桿菌)引起的[18]。

乳房炎的嚴重程度被認為受到固有免疫反應(yīng)速度的影響，特別是多形核粒細胞(polymorphonu-clear neutrophils, PMNs)向乳腺的遷移速度[19]。乳中的體細胞是乳腺免疫的關(guān)鍵部分，對保護乳腺內(nèi)感染至關(guān)重要。通常來講，乳房炎的典型表現(xiàn)為感染乳區(qū)的牛奶體細胞數(shù)(somatic cell counts, SCCs)顯著升高。SCCs較高的奶?？赡軙掷m(xù)感染傳染性病原體，因此容易引起復(fù)發(fā)性乳房炎[1, 8]。然而，有調(diào)查研究表明，環(huán)乳房炎易感性的增加與低奶缸SCC(somatic cell count in bulk milk, BMSCC)有關(guān)(平均BMSCC < 150 000個細胞·mL-1)[20]。Green等[21]也發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌感染誘發(fā)的乳房炎在低BMSCC的牛群中更常見。Goli等[22]用大腸桿菌接種12頭奶牛誘導(dǎo)乳房炎，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，血液和牛奶中PMNs數(shù)較低的奶牛在乳腺內(nèi)攻毒時募集細胞速度也較慢，炎癥程度也隨即加重。以上這些數(shù)據(jù)表明，奶牛SCC可能會呈現(xiàn)一種“U型”分布，過低(SCC < 100 000個細胞·mL-1)或過高(SCC > 500 000個細胞·mL-1)的SCC都有更高的復(fù)發(fā)性乳房炎的發(fā)病率，這可能分別是由于免疫反應(yīng)不足或天生對感染的易感性高所致[20]。

1.2 乳房炎對奶牛代謝及免疫水平的影響

先前的研究認為，奶牛乳房炎是致病菌入侵乳房導(dǎo)致的局部感染[15]。然而，隨著研究的深入，越來越多的證據(jù)表明，乳房炎，特別是SCM可能是由全身感染或炎癥引起的。反過來，乳房炎可能導(dǎo)致全身性炎癥的發(fā)生也被認為是合理的[23]。奶牛乳房炎發(fā)病期間，上皮細胞間緊密連接的打開，使得血漿中的炎性細胞因子，如IL-8、IL-1和TNF-α等滲入到牛奶中，進而可能損害犢牛腸道[23]。此外，乳房炎發(fā)病期間，牛奶中的Na/K比值升高。牛奶Na/K比值與奶牛血漿急性期蛋白顯著相關(guān)[24]。此外，有研究證實，乳房炎發(fā)病期間，奶牛機體代謝異常[25]。Sundekilde等[26]研究發(fā)現(xiàn)，乳房炎奶牛牛奶中乳酸、異亮氨酸和β-羥基丁酸的含量增加，而乳糖、馬尿酸和富馬酸含量降低。一方面，乳糖濃度的下降趨勢被發(fā)現(xiàn)可能與參與乳糖合成的乳糖合酶的調(diào)節(jié)亞基和α-乳清蛋白的下調(diào)有關(guān)；另一方面，乳糖濃度的降低可能是為了維持牛奶的滲透壓，以補償血液成分。此外，乳房炎期間，牛奶中乳酸濃度的增加可能與牛奶中高細菌載量有關(guān)，因為乳酸是細菌代謝的最終產(chǎn)物，但也可能是由于宿主厭氧代謝增加所致[25-26]。Thomas等[27]對乳房鏈球菌感染引起的奶牛乳房炎發(fā)病期間的代謝產(chǎn)物變化的研究中發(fā)現(xiàn)，大部分碳水化合物和核苷酸代謝產(chǎn)物在感染后81 h呈下降趨勢，而脂類代謝產(chǎn)物(如前列腺素F2α(PGF2α)和類花生四烯酸等)和二肽、三肽及四肽在同一時間點呈上升趨勢。PGF2α是急性炎癥過程中的重要介質(zhì)，已有研究證實，其在乳腺炎期間被上調(diào)。而這些多肽的增加可能是由于蛋白酶降解乳蛋白導(dǎo)致的。此外，由具有炎癥調(diào)節(jié)作用的法尼醇X受體(farnesol X receptor, FXR)介導(dǎo)抗菌活性物質(zhì)——膽汁酸，在奶牛乳房炎期間的含量顯著降低。FXR主要通過抑制NF-κB靶標的表達而發(fā)揮抗炎作用，這表明，乳房炎的發(fā)生抑制了機體的免疫調(diào)節(jié)活性[27]。

除了檢測到乳腺內(nèi)蛋白及代謝水平的異常，乳房炎發(fā)病期間，奶牛血液中氨基酸(amino acids, AA)代謝和蛋白質(zhì)生物合成也被證實發(fā)生了多種變化。Dervishi等[28]利用GC-MS代謝組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，奶牛乳房炎發(fā)病期間，血清中包括Val、Leu和Ile在內(nèi)的所有支鏈氨基酸(branched chain amino acid, BCAA)和淀粉樣蛋白A的濃度升高。BCAA參與免疫細胞對蛋白質(zhì)合成的調(diào)節(jié)和細胞因子的釋放。血清中BCAA水平上升表明機體代謝不良。在感染期間，免疫系統(tǒng)對AA和蛋白質(zhì)等底物的需求顯著增加。全身性炎癥反應(yīng)刺激蛋白質(zhì)分解代謝以及肌肉蛋白質(zhì)中AA的釋放，為抗體、細胞因子、急性期蛋白質(zhì)和免疫系統(tǒng)相關(guān)蛋白質(zhì)的合成提供了底物，這可能是導(dǎo)致血清AA濃度增加的部分原因[3, 28]。綜上，奶牛乳房內(nèi)感染期間，不僅出現(xiàn)乳房局部的炎癥反應(yīng)，機體AA、蛋白質(zhì)、脂類等其他代謝及免疫水平均會受到不利影響。

2 胃腸道菌群與乳房炎的關(guān)聯(lián)性

2.1 微生物在胃腸道與乳腺之間的“傳遞”

奶牛瘤胃及腸道中寄居的數(shù)量龐大、種類繁多的微生物群是奶牛營養(yǎng)物質(zhì)消化、能量代謝及免疫反應(yīng)的主要參與者。近來的研究表明，腸道菌群與非腸組織(包括乳腺)炎癥有關(guān)[6]。其中一種可能機制是活菌可通過完整的腸道黏膜轉(zhuǎn)移至非腸組織，即細菌易位[4]。一項研究觀察到，懷孕和哺乳期小鼠細菌易位(從腸道跨越腸系膜淋巴結(jié)最后到達乳腺)頻率增加[29]。類似于人類和小鼠中的報道，細菌從腸道遷移到乳腺的機制也被證明發(fā)生在奶牛身上。Young等[30]研究了來自同一頭健康奶牛的牛奶(使用無菌導(dǎo)管，通過滴管延伸裝置收集無菌牛奶樣本)、血液及糞便樣本的微生物組成及多樣性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這3種樣本中均存在瘤胃球菌屬、消化鏈球菌屬和雙歧桿菌屬。該研究人員據(jù)此推測，這些細菌可能是通過循環(huán)白細胞從腸道轉(zhuǎn)移到乳腺的。研究表明，來自胃腸道的某些細菌可以通過涉及單核免疫細胞(主要是吞噬細胞)機制進行轉(zhuǎn)移，通過內(nèi)源性細胞途徑(細菌性腸-乳途徑)遷移到乳腺[31]。這些單核吞噬細胞主要來自外周血，且具有向樹突細胞(dendritic cell, DC)分化的能力，其出現(xiàn)在腸道相關(guān)的淋巴組織(gut-associated lymphoid tissues, GALTs)，捕獲腸道菌群，然后將這些微生物成分運到乳腺(圖1)。GALTs中的淋巴細胞回到乳腺，形成一個“腸-乳腺軸”，并形成“共同的黏膜系統(tǒng)”。在該系統(tǒng)中，腸道與非腸組織(乳腺)的黏膜部位通過免疫細胞的遷移而連接[31]。過去的研究認為，細菌易位通常發(fā)生在病理條件下，因此，主要研究致病菌在機體內(nèi)的傳播[4]。事實上，已經(jīng)有人提出，腸道菌群易位到腸外組織也可發(fā)揮有益作用，因為它可能與免疫調(diào)節(jié)有關(guān)[30-31]?？傊瑑?nèi)源性“腸道-乳腺通路”的存在為奶牛胃腸道與乳房之間的聯(lián)系提供了一定的支持。

圖1 腸道-乳腺內(nèi)源途徑[31]Fig.1 Gut-mammary gland endogenous route[31]

2.2 腸道菌群對乳房炎的影響

胃腸道菌群的一個主要功能是保護胃腸道免受外源性病原體和機體內(nèi)潛在有害微生物的定植。一旦正常微生物群落被破壞就會增加病原體感染，有害病原體過度生長和炎癥疾病的風(fēng)險。因此，宿主免疫系統(tǒng)和腸道微生物群之間的復(fù)雜互作是腸道穩(wěn)態(tài)所必需的[4]。近來有研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群紊亂可能引發(fā)奶牛乳房炎[5]。該研究將乳房炎奶牛的糞菌移植到無菌小鼠腸道后引發(fā)小鼠乳房炎癥狀，以及血清、脾和結(jié)腸的炎癥。而移植健康奶牛糞菌，則無此作用。因此，腸道菌群失調(diào)可能是引發(fā)乳房炎的病因之一。為進一步探究奶牛腸道菌群與乳房炎之間的關(guān)系，Ma等[5]對比了健康與乳房炎奶牛糞便菌群及代謝物的差異。結(jié)果顯示，與健康奶牛相比，乳房炎奶牛糞便中厭氧棒桿菌、多爾氏菌屬、毛螺菌科及羅氏菌屬等產(chǎn)乙酸和丁酸的菌的豐度顯著減少，而顫螺旋菌屬豐度顯著增加。代謝組結(jié)果顯示，乳房炎奶牛的腸道中與維生素B相關(guān)的代謝途徑(包括硫辛酸代謝，維生素B6和硫胺素代謝等)受到明顯抑制。維生素B作為許多生化反應(yīng)的輔助因子可能具有抑制炎癥的作用。此外，腸道中其他受抑制的代謝途徑(包括賴氨酸生物合成、脂肪酸生物合成，嘌呤和嘧啶代謝及硒代謝等)可能與腸黏膜保護有關(guān)。據(jù)此推測，乳房炎發(fā)病可能與腸道菌群中維生素B代謝紊亂及腸黏膜保護功能受損有關(guān)，其機制需要進一步研究[5]。Zhong等[32]研究發(fā)現(xiàn)，與低乳SCC(SCC < 200 000個細胞·mL-1)相比，高乳SCC(550 000 < SCC < 1 000 000個細胞·mL-1)奶牛瘤胃中琥珀酸弧菌科和丁酸弧菌屬豐度顯著降低，而放線菌門和未分類梭菌科豐度顯著增加。Wang等[9]研究表明，與乳房健康的奶牛相比，乳房炎奶牛瘤胃微生物α-多樣性顯著降低。其中，CM奶牛瘤胃中，與口腔和腸道炎癥相關(guān)的毛螺菌科、莫拉克斯氏菌屬和奈瑟氏菌科的相對豐度隨著促炎代謝產(chǎn)物白三烯B4的含量增加顯著增加；而SCM奶牛瘤胃中，瘤胃梭菌屬和腸桿菌屬豐度增加，同時伴隨著六亞甲基四胺、5-甲基糠醛和甲氧基蜂毒毒素等與炎癥相關(guān)代謝物豐度的增加；與健康組相比，SCM和CM組中普雷沃氏菌屬_1、雙歧桿菌屬及2-苯基丁酸的豐度的顯著降低。上述研究表明，奶牛乳房炎患病期間，瘤胃與后腸道菌群及其代謝產(chǎn)物(主要與炎癥和免疫應(yīng)答相關(guān))較健康奶牛發(fā)生了顯著變化。胃腸道菌群與奶牛乳房炎相關(guān)性的可能機制主要涉及免疫調(diào)節(jié)[5,9, 32]。

在人類乳腺癌的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，微生物從腸道向乳腺組織的易位會導(dǎo)致全身炎癥指數(shù)的增加，部分原因涉及到胃腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物與免疫系統(tǒng)的互作[33]。另有一項研究指出，一些腸道有益共生菌能夠參與集體免疫細胞的生成。CD8+T細胞是可以根除乳腺腫瘤細胞最有效的免疫細胞。胃腸道共生菌中屬于變形菌門的鞘氨醇單胞菌能夠參與效應(yīng)CD8+T細胞(也稱為殺傷性T細胞)的成熟。而在乳房炎癥發(fā)病過程中，鞘氨醇單胞菌的這種能力下降，導(dǎo)致CD8+抗腫瘤細胞毒性T細胞的構(gòu)建受到阻礙[34]。此外，在人類及小鼠中的研究數(shù)據(jù)表明，腸道共生菌失調(diào)與乳腺組織相關(guān)疾病(乳腺炎或乳腺癌)關(guān)聯(lián)性的可能機制還包括雌激素代謝、胰島素抵抗及血脂異常等[35-36]。

由此可見，外源致病菌入侵感染很可能不是奶牛乳房炎的唯一致病因素，胃腸道菌群完全有可能通過“腸道-乳腺”內(nèi)源途徑進入乳腺。因此，胃腸道菌群紊亂同樣會引發(fā)奶牛乳房炎。此外，乳房炎奶牛與健康奶牛胃腸道菌群及代謝產(chǎn)物之間存在顯著差異。發(fā)現(xiàn)的這些可能機制涉及胃腸道菌群與機體免疫系統(tǒng)的互作。

3 胃腸道菌群對乳房炎的調(diào)控

微生物從腸道轉(zhuǎn)運到乳腺的可能性為通過調(diào)控腸道菌群實現(xiàn)對乳房炎的緩解這一科學(xué)假設(shè)提供了一定的理論依據(jù)。研究表明，攝入的益生菌能夠通過血液進入乳腺，可以用來對抗與乳房炎發(fā)病有關(guān)的病原微生物[12]。微生物群對宿主的主要貢獻包括碳水化合物的消化和發(fā)酵、維生素的生產(chǎn)、GALTs的發(fā)育、腸道特異性免疫反應(yīng)的極化和病原體定植的預(yù)防[6]。反過來，由共生菌群誘導(dǎo)的腸道免疫反應(yīng)同樣能夠調(diào)節(jié)腸道微生物群的組成[37]。最近的研究表明，飲食、腸道菌群結(jié)構(gòu)及其代謝產(chǎn)物(如SCFAs)、益生菌和腸道共生菌等均能對乳房健康狀態(tài)起到重要的調(diào)控作用[6, 10-12](圖2)。

Treg：調(diào)節(jié)性T細胞；PMNs: 多形核白細胞Treg: regulatory T cells; PMNs: polymorphonuclear leukocytes圖2 胃腸道菌群對乳房炎觸發(fā)和緩解的調(diào)控[6,10-12]Fig.2 The trigger and relief of gastrointestinal microbiota to mastitis[6,10-12]

3.1 飲食對乳房炎的影響

食物的類型、質(zhì)量和來源是塑造腸道菌群組成、影響其結(jié)構(gòu)功能以及與宿主互作的主要因素。近來的一項研究表明，飲食在決定乳腺菌群結(jié)構(gòu)及其代謝產(chǎn)物方面具有至關(guān)重要的作用[10]。該研究采用猴子作為試驗動物模型，將其隨機分為2組，分別接受高膳食纖維和高脂飲食模式，飼養(yǎng)31個月，采集血漿和乳腺組織，對其微生物及代謝產(chǎn)物進行分析。結(jié)果表明，食用高脂或高膳食纖維飲食均可以影響乳腺微生物群組成和代謝產(chǎn)物。與高脂飲食喂養(yǎng)的猴子相比，高膳食纖維飲食顯著增加了乳腺中乳酸菌屬豐度、乳房膽汁酸代謝產(chǎn)物(包括結(jié)合型膽汁酸如甘氨膽酸(GCA)、鵝去氧膽酸(CDCA)及?；悄懰?TCA)等)水平及還原型谷胱甘肽(GSH)與氧化型谷胱甘肽(GSSG)的比值，而乳腺組織中瘤胃球菌屬和糞球菌屬豐度、活性氧和促炎代謝產(chǎn)物水平顯著下降。相反，高脂飲食喂養(yǎng)的猴子的乳腺組織中瘤胃球菌屬、毛螺菌科、顫螺旋菌屬和糞球菌屬的豐度明顯增加[10]。一項調(diào)查良性與惡性乳腺腫瘤患者乳腺組織微生物群的研究指出，與良性病變組織相比，惡性乳腺腫瘤的乳腺組織中乳酸桿菌菌屬數(shù)量顯著減少[38]。據(jù)報道，乳中乳酸桿菌屬數(shù)量的減少，可直接導(dǎo)致乳中SCCs的升高，即乳中的乳酸桿菌屬有維持乳腺健康和抵抗乳房感染的功效[5]。Jiménez等[39]發(fā)現(xiàn)，每天口服乳酸菌的哺乳期婦女的母乳中乳酸桿菌屬數(shù)量增加，這表明，飲食可以直接影響乳腺微生物群。Shively等[10]研究同樣發(fā)現(xiàn)，在高膳食飲食喂養(yǎng)的猴子糞便中乳酸桿菌屬豐度增加，瘤胃球菌屬及糞球菌屬的豐度減少。這表明，飲食對腸道和乳腺組織之間存在一些共同調(diào)控的微生物群。此外，膳食纖維攝入導(dǎo)致乳腺中膽汁酸代謝物的升高可能增加FXR的活化，這將減少局部雌激素合成，增加乳腺癌細胞凋亡[40]。高膳食纖維飲食減少了乳腺組織中的氧化應(yīng)激和促炎代謝物，這與具有清除活性氧功能的代謝產(chǎn)物的增加和促炎性氧化脂質(zhì)產(chǎn)物的減少有關(guān)，這表明，高膳食纖維飲食對微生物介導(dǎo)的代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)可能會影響乳腺局部的氧化應(yīng)激[10]。在一項人類的研究中發(fā)現(xiàn)，與高脂飲食模式相比，高膳食纖維飲食的女性患亞型乳腺癌的風(fēng)險更低[41]。膳食纖維發(fā)酵促進腸道益生菌的增殖，這些有益共生菌或可通過內(nèi)吞作用抵達乳腺，抑制致病菌的繁殖，同時也可提高宿主對致病菌的抵抗能力[5,10]。但其具體機制仍需進一步探究。膳食纖維對乳腺菌群的影響表明，飲食結(jié)構(gòu)對乳腺健康狀態(tài)可能起到直接的調(diào)控作用。

然而，與單胃動物不同，瘤胃是奶牛等反芻動物體內(nèi)最大的微生物聚集地。瘤胃中容納的數(shù)百萬種微生物對奶牛營養(yǎng)物質(zhì)消化和機體免疫能力起決定性的作用。同時，瘤胃也是奶牛胃腸道中產(chǎn)生SCFAs的主要部位[42]。對于奶牛而言，飼料類型同樣能夠影響乳房炎的發(fā)病。研究表明，奶牛飼料中精料比例過高會導(dǎo)致瘤胃內(nèi)促炎代謝產(chǎn)物，如生物胺及細菌內(nèi)毒素脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)等濃度增加，進而通過瘤胃壁進入血液，再透過血乳屏障進入乳腺，從而引發(fā)乳房炎[43]。因此，通過調(diào)控奶牛飼料類型可能也是預(yù)防或緩解乳房炎發(fā)生的有效途徑之一。

3.2 短鏈脂肪酸對乳房炎的調(diào)控

腸道菌群發(fā)酵纖維產(chǎn)生的SCFAs可通過調(diào)節(jié)性T細胞(regulatory T cells, Treg)的影響而具有抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用，Treg是維持機體免疫耐受、保持免疫穩(wěn)態(tài)的重要因素[6, 11]。近來的研究表明，腸道菌群對乳腺健康狀態(tài)調(diào)控的另一個關(guān)鍵因素是由SCFAs介導(dǎo)的[44-45]。Hu等[46]比較正常小鼠和腸道菌群失調(diào)小鼠(抗生素處理)在金黃色葡萄球菌誘導(dǎo)乳房炎后的生理變化，結(jié)果表明，與正常小鼠相比，腸道菌群失調(diào)小鼠的血乳屏障通透性增加，乳房炎加重。與此同時，腸道菌群豐富度和多樣性降低，且糞便中SCFAs(乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、異戊酸、戊酸)含量顯著下降。該研究表明，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(diào)節(jié)血乳屏障的通透性來實現(xiàn)的，而這種調(diào)控作用的關(guān)鍵可能與SCFAs有關(guān)[46]。丙酸和丁酸在宿主對細菌和真菌感染的易感性中起著重要作用[47-48]。研究表明，丙酸可以通過調(diào)節(jié)血液屏障來預(yù)防脂多糖誘導(dǎo)的乳房炎[49]。丁酸可調(diào)節(jié)小腸細胞生長和分化，是誘導(dǎo)血乳屏障緊密連接蛋白表達重要的營養(yǎng)物質(zhì)[50]。這些發(fā)現(xiàn)表明，SCFAs可能參與了血乳屏障的形成。

與Hu等[46]研究結(jié)果類似，Wang等[9]研究發(fā)現(xiàn)，與健康奶牛相比，乳房炎奶牛瘤胃中乙酸、丙酸和丁酸濃度顯著降低，部分原因可能與乳房炎患病期間采食量下降有關(guān)。SCFAs可提高乙酰輔酶A并調(diào)節(jié)代謝傳感器，以促進氧化磷酸化、醣酵解及脂肪酸合成。因此，SCFAs不僅是機體代謝的能量底物，也是支持抗體產(chǎn)生的能量和組件。SCFAs產(chǎn)量降低導(dǎo)致機體在穩(wěn)態(tài)和病原體特異性抗體反應(yīng)方面均存在缺陷，進而對病原體更為易感[51]。因此，直接或間接補充SCFAs或可實現(xiàn)對乳房炎的緩解。Hu等[46]在乳房炎小鼠腹腔中注射丙酸鈉和丁酸鈉后發(fā)現(xiàn)，血液和乳腺中的丙酸和丁酸水平均升高，血乳屏障通透性降低，乳房炎的嚴重程度減輕。上述研究表明，SCFAs對乳房炎的調(diào)控作用可能是通過支持抗體產(chǎn)生，降低對致病菌的易感性，或通過抑制促炎免疫反應(yīng)、維持血乳屏障通透性來實現(xiàn)的[9, 44, 49]。

3.3 口服益生菌對乳房炎的調(diào)控

口服益生菌的主要作用靶點是消化道和腸道微生物群。這些活性的、代謝活躍的益生菌與腸道微生物相互作用，通過恢復(fù)微生物穩(wěn)態(tài)或糾正失調(diào)來發(fā)揮其有益作用[12]。有幾項試驗研究了口服益生菌對乳房炎影響。Even[52]研究表明，從奶牛乳腺細菌中分離出的乳酸菌用來預(yù)防或治療奶牛乳房炎。Ma等[5]將乳房炎奶牛的糞菌移植給無菌小鼠后引發(fā)小鼠乳房炎癥，補充干酪乳桿菌后，可減輕炎癥癥狀。de Leblanc等[53]研究了瑞士乳桿菌R389發(fā)酵乳對乳房局部炎癥存在時免疫應(yīng)答的調(diào)節(jié)能力。結(jié)果表明，使用L. helveticus R389發(fā)酵乳喂養(yǎng)乳房炎小鼠后，小鼠血清和乳腺細胞中IL-10升高，IL-6水平降低，炎癥受到明顯抑制。

有研究基于16S rRNA基因特征的基礎(chǔ)上，提出奶牛乳房炎是由微生物失調(diào)引起的，即乳腺中有益共生菌群與引起乳房炎的病原菌之間的不平衡。使用口服途徑的基本原理是益生菌通過DC或巨噬細胞，沿“腸-乳腺軸”從腸腔轉(zhuǎn)移到乳腺。益生菌應(yīng)用于乳房炎的可能機制包括以下幾種：1)對腸道微生物群組成和活性的調(diào)節(jié)，通過代謝物或細菌素產(chǎn)生直接拮抗，或通過競爭營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生競爭排斥。益生菌可產(chǎn)生多種抗菌化合物，如乳酸、SCFAs、過氧化氫、一氧化氮和細菌素等，這些都可能抑制致病菌[54]。2)增強上皮屏障功能。益生菌是腸道屏障功能和完整性的重要介質(zhì)。益生菌可能以不同的方式對腸道上皮細胞起到有益的作用：①通過提高緊密連接的完整性。黏液層可以限制細菌的移動和與上皮細胞的接觸，維持上皮細胞表面分泌的IgA和抗菌肽的有效濃度，并可能作為一些微生物群的黏附或營養(yǎng)的底物；②通過刺激生產(chǎn)抗菌肽的上皮細胞，尤其是潘氏(Paneth)細胞[55]。3)與腸道上皮細胞的相互作用發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用。益生菌通過與單核細胞、巨噬細胞和DC的相互作用及先天免疫反應(yīng)，調(diào)節(jié)輔助性T(T helper, Th)細胞的平衡，從而影響適應(yīng)性免疫應(yīng)答。此外，益生菌能夠誘導(dǎo)免疫調(diào)節(jié)，主要通過抑制炎癥途徑(NF-κB或組胺依賴性途徑)；或調(diào)控上皮相關(guān)T細胞，例如產(chǎn)生作用于上皮細胞IL-17的Th17細胞；或通過調(diào)節(jié)Treg細胞以抑制促炎性信號[56]。4)對全身反應(yīng)的調(diào)節(jié)，例如通過內(nèi)分泌調(diào)節(jié)或通過信號介導(dǎo)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)[12]。

盡管臨床研究表明，口服益生菌可以作為預(yù)防和控制乳房炎發(fā)展、增強宿主免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)劑，但其臨床效果仍然存在一部分爭議。需要更多的臨床試驗或前瞻性研究來驗證益生菌在乳房炎預(yù)防和治療中的效果，并揭示免疫系統(tǒng)機制。

3.4 腸道共生菌對乳腺組織的保護

腸道共生菌對非腸組織(包括乳腺)發(fā)揮保護作用的可能機制還包括促進黏膜屏障功能、增強對病原體的固有免疫力及促進適應(yīng)性免疫等[6]。研究表明，腸道菌群可以通過代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生增強上皮屏障功能。例如，雙歧桿菌產(chǎn)生的SCFAs(特別是乙酸)作用于腸上皮細胞可抑制大腸桿菌O157:H7產(chǎn)生的志賀毒素的易位[57]。此外，腸道共生菌還可以通過調(diào)控IL-17A的分泌來促進免疫[58]。細胞因子IL-17A已被證明在宿主不同上皮部位對細菌和真菌感染的防御中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Porcherie等[58]通過小鼠乳腺炎模型研究發(fā)現(xiàn)，IL-17A參與了乳腺對大腸桿菌感染的防御。利用大腸桿菌誘導(dǎo)小鼠乳房炎后，細菌負荷迅速增加，引發(fā)白細胞大量涌入乳腺組織，并增加了IL-6、IL-22、TNF-α和IL-10的濃度。嗜中性粒細胞是第一個向乳腺組織強烈遷移的細胞。而IL-17A產(chǎn)生增加的最主要的貢獻者是嗜中性粒細胞，乳房炎感染期間，腸道共生菌可通過激活視黃酸相關(guān)的孤兒受體γ(RORγt)信號誘導(dǎo)嗜中性粒細胞產(chǎn)生IL-17A，從而使細菌數(shù)量和IL-10產(chǎn)生顯著減少[6, 58]。以上結(jié)果表明，共生菌通過刺激嗜中性粒細胞產(chǎn)生IL-17A是乳腺組織對大腸桿菌免疫的一個重要效應(yīng)。如上所述，細菌易位可能誘發(fā)乳房炎，這通常與病原體感染和上皮屏障的破壞有關(guān)[5, 54]。然而，研究表明，腸道共生細菌能夠誘導(dǎo)適應(yīng)性免疫反應(yīng)(包括IgA的產(chǎn)生和CD4+T細胞的產(chǎn)生)，這可能有助于防止由致病菌易位而引起的間接損害，并可能通過其他免疫機制對病原體起到清除作用[59]。此外，腸道共生菌誘導(dǎo)腸道Toll樣受體(Toll-like receptors, TLR)依賴的DC激活，可抑制腸外組織感染[60]。最近有研究報道，腸道共生細菌可能提供組織特異性防御機制，即宿主皮膚細菌能夠?qū)Υ嬖谟诮M織局部的病原菌感染提供保護[61]。然而，腸道共生菌對乳腺組織感染是否能夠提供類似的防御機制尚不清楚，仍需開展深入研究。

4 小結(jié)與展望

乳房炎在生產(chǎn)實際中對奶牛機體健康狀態(tài)、生產(chǎn)性能及繁殖能力造成的損害極為嚴重。除了外源致病菌入侵感染外，瘤胃及腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂同樣能夠引發(fā)乳房炎。此外，乳房炎發(fā)病期間，奶牛瘤胃和腸道菌群及其代謝產(chǎn)物同樣發(fā)生了顯著改變。其機制可能與微生物的“腸道-乳腺”內(nèi)源途徑有關(guān)。目前，胃腸道菌群對乳房炎調(diào)控的可能機制涉及飲食、腸道菌群代謝產(chǎn)物(如SCFAs)、益生菌及腸道共生菌對腸外組織免疫功能的調(diào)控等，然而，其具體作用機制尚不十分明確，需要開展更為深入的研究。

胃腸道菌群在全身性(系統(tǒng)性)炎癥疾病中的角色日益凸顯，然而，其在乳腺組織相關(guān)疾病(如乳腺炎及乳腺癌)中的研究目前主要集中在人和小鼠上，有關(guān)奶牛乳房炎的報道極為有限。鑒于奶牛與單胃動物在消化道結(jié)構(gòu)上的明顯差異，未來的研究需要進一步明確奶牛乳房炎發(fā)病與瘤胃內(nèi)環(huán)境之間存在的相關(guān)性及其機制，這對于乳房炎的改善及調(diào)控具有關(guān)鍵的指導(dǎo)意義。此外，基于當前的研究基礎(chǔ)，進一步探究通過營養(yǎng)調(diào)控等手段改善奶牛瘤胃及腸道內(nèi)環(huán)境是否有助于預(yù)防和緩解乳房炎的發(fā)病，這對于奶牛生產(chǎn)具有實際意義。