蔡熙姮 尹 望 汪鳳蓮 王紅梅 周桂蓮 李 勇 賈友剛 張遨然
(新希望六和股份有限公司,畜禽飼料與畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全控制四川省重點實驗室,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼料及畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全控制重點實驗室,成都 610023)
產(chǎn)腸毒素大腸桿菌(enterotoxigenicEscherichiacoli,ETEC)是一類引起人和幼畜腹瀉的常見致病菌,其依靠黏附因子在宿主腸上皮細(xì)胞表面定植,通過在宿主體內(nèi)大量的繁殖破壞腸道正常微生態(tài)平衡,從而引發(fā)繼發(fā)感染,同時還可以通過釋放多種腸毒素而誘發(fā)炎癥,導(dǎo)致宿主的水代謝及電解質(zhì)代謝失調(diào),最終引發(fā)腹瀉[1]。初生幼畜感染ETEC后,會引發(fā)劇烈水樣腹瀉從而迅速脫水,發(fā)病率和死亡率極高[2]。傳統(tǒng)抗生素治療的弊端顯而易見,根據(jù)我國目前的禁抗現(xiàn)狀,益生菌、益生元、植物提取物、抗菌肽及噬菌體等多種抗生素代替品越來越多的被發(fā)現(xiàn)并研究。益生菌是指能在動物機體胃腸道內(nèi)定植,通過改善宿主胃腸道微生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)宿主體內(nèi)微生態(tài)平衡來達(dá)到對宿主產(chǎn)生益生作用的一類活性微生物。通過拮抗作用、產(chǎn)生具有抑菌能力的代謝產(chǎn)物以及刺激腸道免疫應(yīng)答等多種方式,益生菌能夠起到抑制致病菌在宿主體內(nèi)定植的作用[3-5]。武真邑等[6]從新鮮豬糞中分離篩選到一株乳酸片球菌ZLP025,其發(fā)酵上清液在體外抑菌試驗中能有效抑制大腸桿菌生物膜的形成。馮瑜菲等[7]從健康豬體內(nèi)分離到了6株對致病性大腸桿菌具有抑菌活性的乳酸菌,分析判斷其中抑菌成分為有機酸或細(xì)菌素。張賽群等[8]篩選到一株短芽孢桿菌PB JK-2,對由于感染大腸桿菌K88小鼠的疾病控制有較好的效果,但會導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)死亡。任書男[9]從酸馬奶中篩選到一株副干酪乳桿菌,通過對核因子-κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)-肌球蛋白輕鏈激酶(myosin light chain kinase,MLCK)和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)信號通路的干預(yù),實現(xiàn)對大腸桿菌性腹瀉的治療或預(yù)防作用。
本研究團(tuán)隊分離、鑒定和保存的菌株唾液乳桿菌(Lactobacillussalivarius)E33、貝萊斯芽孢桿菌(Bacillusvelezensis)F5001、戊糖片球菌(Pediococcuspentosaceus)9601、乳酸片球菌(Pediococcusacidilactici)11403和植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)B6401,對ETEC具有較好的抑制效果。因此,本研究以無特定病原體(SPF)級SD大鼠為研究對象,使用ETEC連續(xù)灌胃構(gòu)建腹瀉模型,以硫酸黏菌素作為陽性對照,分別測定在飲水中添加以上5株不同益生菌對ETEC進(jìn)行攻毒后大鼠的生長性能、臟器指數(shù)、血常規(guī)指標(biāo)、血清抗氧化和生化指標(biāo)以及肝臟抗氧化和生化指標(biāo)的影響,綜合評價其對ETEC感染大鼠的預(yù)防作用,從而篩選出效果最好的菌株,為預(yù)防動物機體因感染ETEC而產(chǎn)生不良影響提供科學(xué)依據(jù)。
植物乳桿菌B6401、戊糖片球菌9601、唾液乳桿菌E33、乳酸片球菌11403在MRS培養(yǎng)基上常規(guī)培養(yǎng);貝萊斯芽孢桿菌F5001、ETEC在營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上常規(guī)培養(yǎng)。
3周齡健康SPF級SD雌性大鼠,購自成都達(dá)碩試驗動物有限公司。
營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基、MRS培養(yǎng)基均購自北京陸橋技術(shù)股份有限公司;酶聯(lián)免疫吸附測定(ELISA)試劑盒購自南京建成生物工程研究所;硫酸黏菌素購自藥店。
將80只3周齡SPF級SD雌性健康大鼠隨機分成8組,每組10個重復(fù),每個重復(fù)1只大鼠??瞻讓φ战M(CK組)和陰性對照組(NC組)正常飲水,陽性對照組(AC組)在飲水中添加硫酸黏菌素(20 mg/L),試驗1組(EG-1組)、試驗2組(EG-2組)、試驗3組(EG-3組)、試驗4組(EG-4組)和試驗5組(EG-5組)分別在飲水中添加唾液乳桿菌E33、貝萊斯芽孢桿菌F5001、戊糖片球菌9601、乳酸片球菌11403和植物乳桿菌B6401新鮮菌液(1×107CFU/mL);試驗最后5 d,除CK組外,其他各組每只大鼠每天灌胃1 mL的ETEC菌液(1×1010CFU/mL)進(jìn)行攻毒,建立腹瀉模型。
所有大鼠提前1周適應(yīng)環(huán)境和飲食,籠養(yǎng),5只/籠。各益生菌和ETEC均過夜培養(yǎng)12 h,使用前通過離心重懸調(diào)節(jié)菌液濃度。試驗期間,所有大鼠均喂食正常飼糧;每3 d更換1次飲用水并重新添加新的菌液;預(yù)試期7 d,正試期20 d,最后5 d每天連續(xù)對大鼠進(jìn)行攻毒,最后1次攻毒24 h后將大鼠處死采樣。
1.5.1 樣品采集
試驗結(jié)束后,對所有大鼠使用水合氯醛進(jìn)行腹腔注射麻醉,麻醉后通過心臟采血的方式處死,采集的心臟血液分別使用抗凝采血管和促凝采血管收集,抗凝采血管采集的血液(2 mL)用于血常規(guī)指標(biāo)的測定;促凝采血管采集的血液(5 mL)靜止30 min后4 000 r/min離心10 min,收集上層血清,用于血清抗氧化、免疫指標(biāo)及細(xì)胞因子含量的測定。對大鼠進(jìn)行解剖,完整取下心臟、肝臟、脾臟、肺臟和腎臟后分別稱重;肝臟冷凍勻漿處理后,用于肝臟抗氧化、生化指標(biāo)的測定。
1.5.2 生長性能測定
試驗期間,每3 d對每個試驗組的大鼠逐個稱重,稱重前斷料12 h,記錄大鼠體重及耗料量,計算大鼠的平均日增重、平均日采食量及料重比。
1.5.3 臟器指數(shù)測定
臟器指數(shù)計算公式如下:
臟器指數(shù)(%)=100×臟器重量(g)/體重(g)。
1.5.4 血常規(guī)指標(biāo)測定
試驗結(jié)束,使用抗凝采血管采集大鼠全血,采集完成半小時內(nèi)送至成都里來醫(yī)學(xué)實驗中心進(jìn)行檢測,對各組大鼠血液中的血常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行測定。
1.5.5 血清抗氧化、免疫指標(biāo)及細(xì)胞因子含量測定
采用ELISA試劑盒對各組大鼠血清抗氧化[超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性及丙二醛(MDA)含量、總抗氧化能力(T-AOC)]、免疫指標(biāo)[免疫球蛋白G(IgG)、免疫球蛋白M(IgM)、免疫球蛋白A(IgA含量)]及細(xì)胞因子[白細(xì)胞介素-2(IL-2)、白細(xì)胞介素-4(IL-4)、白細(xì)胞介素-10(IL-10)、白細(xì)胞介素-12(IL-12)及腫瘤壞死因子(TNF-α)]含量進(jìn)行測定。
1.5.6 肝臟抗氧化和生化指標(biāo)測定
采用ELISA試劑盒對各組大鼠肝臟抗氧化(GSH-Px、SOD活性及MDA含量、T-AOC)和生化指標(biāo)[堿性磷酸酶(ALP)、谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)、谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)活性]進(jìn)行測定。
試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理后,采用SAS 9.4軟件進(jìn)行單因素方差分析,并采用Duncan氏法進(jìn)行多重比較。P<0.01為差異極顯著,P<0.05為差異顯著,P>0.05為差異不顯著。
攻毒1 d后,NC組大鼠出現(xiàn)精神沉郁、反應(yīng)遲鈍、進(jìn)食量減少等現(xiàn)象;攻毒2 d后,NC組部分大鼠開始出現(xiàn)被毛雜亂、眼部產(chǎn)生黃色分泌物等現(xiàn)象;隨著攻毒時間的增加,NC組逐漸開始出現(xiàn)大鼠死亡。其他試驗組也出現(xiàn)相同癥狀,但發(fā)生時間略晚于NC組。在整個攻毒期間,CK組大鼠被毛光滑、體態(tài)活潑、食欲正常且未出現(xiàn)死亡。各組大鼠存活率如表1所示,其中CK、AC及EG-4組大鼠存活率均為100%。
表1 各試驗組大鼠存活率
攻毒前益生菌對大鼠生長性能的影響如表2所示,除EG-5組外,其他試驗組大鼠平均日增重均高于CK組,其中EG-3和EG-1組明顯高于CK組;除EG-5組外,其他試驗組料重比數(shù)據(jù)均低于CK組大鼠,其中EG-3和EG-1組料重比最低,為3.72。
如表3所示,NC組大鼠肝臟指數(shù)顯著低于EG-4和EG-5組(P<0.05)。各組之間其他臟器指數(shù)均差異不顯著(P>0.05)。
表3 益生菌對大鼠臟器指數(shù)的影響
如表4所示,CK組大鼠血液白細(xì)胞數(shù)量極顯著高于其他各組(P<0.01),EG-5組大鼠血液白細(xì)胞數(shù)量顯著低于EG-1和EG-3組(P<0.05)。CK組大鼠血液淋巴細(xì)胞數(shù)量極顯著高于其他各組(P<0.01)。EG-1、EG-2、EG-4、EG-5及NC組大鼠血液中性粒細(xì)胞數(shù)量極顯著低于CK組(P<0.01),EG-3及AC組大鼠血液中性粒細(xì)胞數(shù)量顯著低于CK組(P<0.05)。各組之間大鼠血液單核細(xì)胞、紅細(xì)胞數(shù)量及血紅蛋白含量均無顯著差異(P>0.05)。
表4 益生菌對大鼠血常規(guī)指標(biāo)的影響
如表5所示,與NC組相比,EG-4組大鼠血清SOD活性顯著升高(P<0.05),EG-4組和CK組大鼠血清T-AOC顯著升高(P<0.05),其余各組大鼠血清SOD活性及T-AOC無顯著差異(P>0.05)。各組大鼠血清MDA含量和GSH-Px活性均無顯著差異(P>0.05)。
表5 益生菌對大鼠血清抗氧化指標(biāo)的影響
如表6所示,AC及CK組大鼠血清IgM含量極顯著高于EG-3組(P<0.01),AC組大鼠血清IgM含量極顯著高于EG-1、EG-2、EG-3、EG-4、EG-5及NC組(P<0.01),CK組大鼠血清IgM含量顯著高于EG-1及EG-4組(P<0.05)。NC組大鼠血清IgG含量顯著高于EG-4組(P<0.05)。各組之間大鼠血清IgA含量無顯著差異(P>0.05)。
表6 益生菌對大鼠血清免疫指標(biāo)的影響
如表7所示,CK、NC、EG-2及EG-5組大鼠血清IL-4含量顯著高于EG-1組(P<0.05)。各組之間大鼠血清IL-2、IL-10、IL-12及TNF-α含量均無顯著差異(P>0.05)。
表7 益生菌對大鼠血清細(xì)胞因子含量的影響
如表8所示,與CK組相比,NC組大鼠肝臟SOD活性及T-AOC極顯著降低(P<0.01),EG-1組大鼠肝臟SOD活性顯著降低(P<0.05),其余各組大鼠肝臟SOD活性與T-AOC無顯著差異(P>0.05)。各組之間大鼠肝臟MDA含量和GSH-Px活性均無顯著差異(P>0.05)。
表8 益生菌對大鼠肝臟抗氧化指標(biāo)的影響
如表9所示,與CK組相比,NC、EG-1、EG-2、EG-3及EG-5組大鼠肝臟ALP活性極顯著升高(P<0.01),AC及EG-4組大鼠肝臟ALP活性顯著升高(P<0.05)。EG-1、EG-2、EG-3、EG-4、EG-5及NC組大鼠肝臟ALT活性極顯著高于CK組(P<0.01),EG-2、EG-3及NC組大鼠肝臟ALT活性極顯著高于EG-5及AC組(P<0.01),EG-1組大鼠肝臟ALT活性極顯著高于AC組(P<0.01)。AC組大鼠肝臟ALT活性顯著高于CK組(P<0.05),EG-4組大鼠肝臟ALT活性顯著高于AC組(P<0.05)。各組之間大鼠肝臟AST活性無顯著差異(P>0.05)。
表9 益生菌對大鼠肝臟生化指標(biāo)的影響
ETEC是一種外源性致病菌,在宿主體內(nèi)定植后會引起腹瀉甚至引起腸炎的發(fā)生[10]。國內(nèi)外通過建立小鼠模型來研究ETEC的報道有很多,他們通常都是使用腹腔注射或鼻飼的方式來進(jìn)行模型的構(gòu)建,這些方法雖然都可以建立穩(wěn)定的小鼠腸炎模型,但無法很好地闡明ETEC對腸炎的誘發(fā)機制[11-12],而經(jīng)口灌服ETEC的方式誘導(dǎo)的腸炎模型則成為了研究這一類問題的理想模型。本研究通過在大鼠飲用水中添加新鮮的益生菌菌液進(jìn)行干預(yù),試驗后期采用ETEC新鮮菌液直接灌胃的方式建立大鼠腸炎模型,通過監(jiān)測大鼠臨床表現(xiàn)、生長性能及死亡情況,檢測其血清抗氧化、免疫指標(biāo)及細(xì)胞因子含量及肝臟抗氧化、生化指標(biāo),從而篩選出對ETEC感染誘發(fā)的腸炎具有預(yù)防作用的益生菌菌株。
本研究發(fā)現(xiàn),在造模前的飼喂中,植物乳桿菌B6401、戊糖片球菌9601、唾液乳桿菌E33、乳酸片球菌11403均對大鼠生長性能有一定促作用;在試驗結(jié)束后對大鼠存活情況進(jìn)行分析,EG-4組大鼠存活率為100%,與CK和AC組持平,這表明乳酸片球菌11403明顯降低了ETEC感染后的致死率。有研究表明,動物攝入乳酸桿菌和芽孢桿菌可以提高飼料消化率[13],但也有研究發(fā)現(xiàn)單一添加芽孢桿菌對動物的生長性能沒有明顯的促進(jìn)作用[14-15]。本研究發(fā)現(xiàn),貝萊斯芽孢桿菌F5001對大鼠的生長沒有表現(xiàn)出正向調(diào)節(jié)作用,這種試驗結(jié)果的差異性可能是由于益生菌的添加方式、動物本身的健康狀態(tài)、養(yǎng)殖環(huán)境的衛(wèi)生程度以及飼料的組成等條件的不同導(dǎo)致的。還有研究表明,益生菌的益生效果會受到動物腸道微生態(tài)環(huán)境的影響,其對腸道環(huán)境的改善效果更多的表現(xiàn)在腸道菌群的破壞或建立的過程中,故而并不一定會在生長性能上有所體現(xiàn)[16-17]。
臟器指數(shù)是指臟器重量占體重的百分比,能夠在一定程度上反映動物臟器功能變化和病變情況,臟器功能損傷將導(dǎo)致臟器指數(shù)發(fā)生明顯變化[18]。動物的臟器指數(shù)是體內(nèi)試驗中一類重要的生物學(xué)指標(biāo)。有研究表明,臟器指數(shù)與體重間存在一定相關(guān)性,相關(guān)性依據(jù)臟器不同而存在差異[19]。肝臟是構(gòu)成網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的重要組成部分,同時也是非特異性免疫的主要器官[20]。本研究發(fā)現(xiàn),ETEC感染可導(dǎo)致大鼠肝臟指數(shù)降低,所有試驗組益生菌的添加均能夠抑制大鼠肝臟指數(shù)的下降,表明所有菌株對大鼠ETEC感染導(dǎo)致的肝功能的下降具有一定的有預(yù)防作用,其中菌株植物乳桿菌B6401、乳酸片球菌11403和貝萊斯芽孢桿菌F5001對肝功能下降的抑制效果最好。ALP、ALT和AST是反映肝功能的主要指標(biāo),其中AST和ALT活性是反映肝臟實質(zhì)損傷的重要標(biāo)志。有研究表明,大量的ETEC感染可能引起急性肝臟損傷,同時伴有肝臟AST及ALT活性的明顯升高[21]。通常情況下,AST及ALT活性的升高程度與肝臟細(xì)胞的受損程度呈正相關(guān)[22]。本研究發(fā)現(xiàn),ETEC感染可導(dǎo)致大鼠肝臟ALP、ALT及AST活性升高,其中所有試驗組ALP及ALT活性均顯著或極顯著高于CK組,所有試驗組益生菌的添加均能抑制大鼠肝臟內(nèi)ALP、ALT及AST活性的升高,表明所有菌株對大鼠ETEC感染導(dǎo)致的肝臟損傷均具有一定的有預(yù)防作用,其中乳酸片球菌11403和貝萊斯芽孢桿菌F5001對肝臟功能損傷的預(yù)防效果最明顯。
血細(xì)胞主要包括紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板,其中白細(xì)胞是一類重要的免疫細(xì)胞,包括中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等,其在血液中的數(shù)量變化能夠反映動物機體的免疫狀態(tài)[23]。有研究報道,益生菌可以通過改變血液中部分免疫細(xì)胞的比例從而達(dá)到調(diào)節(jié)機體免疫的目的[24]。還有研究報道,細(xì)菌感染會導(dǎo)致小鼠外周血的白細(xì)胞數(shù)量明顯升高,8 h后達(dá)到峰值,16 h后開始下降,24 h后下降到低于對照組[11]。本研究發(fā)現(xiàn),攻毒1 d后,大鼠血液白細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞數(shù)量均低于CK組,其中EG-1、EG-2、EG-3及AC組大鼠血液白細(xì)胞數(shù)量高于NC組,EG-1、EG-3及AC組大鼠血液淋巴細(xì)胞數(shù)量高于NC組,EG-3及AC組大鼠血液中性粒細(xì)胞數(shù)量高于NC組,表明戊糖片球菌9601對機體細(xì)胞免疫具有較好的調(diào)節(jié)作用。
動物機體抗氧化系統(tǒng)的首道防線主要負(fù)責(zé)抑制自由基產(chǎn)生,同時抑制脂質(zhì)過氧化,當(dāng)機體發(fā)生病原菌感染時會產(chǎn)生大量的自由基(如羥基、過氧基等),而過量的自由基可與生物膜結(jié)合會導(dǎo)致蛋白質(zhì)和核酸等大分子物質(zhì)的損傷,同時還會產(chǎn)生大量的MDA損傷組織細(xì)胞,對機體內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定造成影響,機體自身為減少自由基產(chǎn)生的傷害會相應(yīng)激發(fā)SOD、GSH-Px等抗氧化酶的活性,從而抑制疾病的發(fā)生[25-27]。研究表明,腹瀉往往伴隨著氧化應(yīng)激反應(yīng),從而導(dǎo)致腸道損傷,而益生菌可通過抑制脂質(zhì)過氧化或清除超氧陰離子等方式在一定程度上保護(hù)腸道細(xì)胞,減輕自由基產(chǎn)生的氧化應(yīng)激傷害[28]。本研究發(fā)現(xiàn),ETEC感染會導(dǎo)致大鼠血清及肝臟MDA含量升高,T-AOC以及SOD、GSH-Px活性降低。各益生菌的添加降低了大鼠血清及肝臟MDA含量,同時提高了大鼠血清及肝臟T-AOC以及SOD、GSH-Px活性,其中乳酸片球菌11403的抗氧化能力最好。
機體免疫調(diào)節(jié)是一個極為復(fù)雜的過程,其中伴隨著各種免疫球蛋白(IgG、IgM和IgA等)和細(xì)胞因子(IL-2、IL-4、IL-10、IL-12和TNF-α等)含量的變化。免疫球蛋白是普遍存在于血液、組織液、淋巴液及外分泌液中的一類參與體液免疫的重要免疫因子,該類免疫因子通過與抗原結(jié)合引起免疫反應(yīng)來抑制病原體對機體的損害[29]。IgG是動物機體內(nèi)含量最高的免疫球蛋白,IgM是機體初次免疫反應(yīng)最早產(chǎn)生的免疫球蛋白,IgA分為血清型和分泌型2種,其中血清型IgA主要以無炎癥形式對抗原進(jìn)行清除[30]。本研究發(fā)現(xiàn),ETEC感染會導(dǎo)致大鼠血清IgG和IgA含量升高,血清IgM含量會因清除作用迅速下降,因此除AC組外,其余試驗組IgM含量均低于CK組,益生菌的添加使大鼠血清IgG和IgA含量下降,其中EG-1組、EG-2組和EG-5組血清免疫球蛋白含量與CK組最為接近。白細(xì)胞介素是一類在白細(xì)胞或免疫細(xì)胞間相互作用的淋巴因子,其在傳遞信息、激活與調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞、介導(dǎo)T細(xì)胞和B細(xì)胞活化、增殖與分化在炎癥反應(yīng)的過程中起到重要作用。促炎細(xì)胞因子主要包括IL-2、IL-12和TNF-α等,通常調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的生長、活化、分化等,旨在控制并根除細(xì)胞內(nèi)病原體[31]。抗炎細(xì)胞因子主要包括IL-4、IL-10等,旨在減輕炎癥反應(yīng)甚至終止炎癥反應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn),ETEC感染會導(dǎo)致大鼠血清IL-4和IL-10含量降低,IL-2、IL-12和TNF-α含量升高,益生菌的添加使ETEC感染大鼠的血清免疫指標(biāo)和細(xì)胞因子含量均有所改善,趨于向CK組靠數(shù)值近,其中唾液乳桿菌E33、貝萊斯芽孢桿菌F5001和乳酸片球菌11403對機體免疫的調(diào)節(jié)效果較好。
飲水中添加益生菌能有效降低大鼠死亡率,同時提高大鼠的生長性能;ETEC會導(dǎo)致大鼠血液白細(xì)胞數(shù)和淋巴細(xì)胞數(shù)量下降,益生菌的添加對ETEC感染造成的影響均具有一定的預(yù)防效果,其中乳酸片球菌11403的預(yù)防效果最好。