代謝組學(xué)在奶牛酮病中的研究進(jìn)展

代謝組學(xué)在奶牛酮病中的研究進(jìn)展

目前，中國奶牛飼養(yǎng)量達(dá)到1292.04萬公里，牛奶已成為中國畜牧業(yè)的主要支柱。然而,我國人均奶類占有量(7.3kg)僅為世界人均水平的1/15,與發(fā)展中國家年人均30kg的消費(fèi)水平差距較大。究其原因主要與奶牛品種、飼養(yǎng)管理、日糧營養(yǎng)水平、疾病等因素有關(guān)。以能量負(fù)平衡為病理學(xué)基礎(chǔ)的酮病是奶牛圍產(chǎn)期重要的群發(fā)性常見病。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,我國臨床酮病的發(fā)病率一般占產(chǎn)后母牛的2%～20%,而亞臨床型酮病的發(fā)病率一般占產(chǎn)后母牛的10%～30%,美國為4.0%～5.0%,而加拿大高達(dá)59%。該病常誘發(fā)皺胃變位、胎衣不下、難產(chǎn)、子宮炎、乳房炎和情期受胎率低等圍產(chǎn)期其他疾病,極大地降低了奶牛生產(chǎn)和繁殖性能,給奶牛業(yè)帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此,奶牛酮病已成為世界上牛病研究的重要方向之一。組學(xué)概念的提出為研究者提供了一個(gè)整體研究疾病的新思路。作為系統(tǒng)生物學(xué)最下游的代謝組學(xué),是21世紀(jì)新興的一門學(xué)科,主要研究生物體對(duì)病理生理刺激或基因修飾所產(chǎn)生代謝物的質(zhì)和量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。這種整體的研究模式可全面了解代謝物質(zhì)在疾病發(fā)生、發(fā)展過程中的變化規(guī)律,對(duì)發(fā)病機(jī)制研究以及疾病的診斷、治療和療效評(píng)估具有重要意義。本文對(duì)代謝組學(xué)和奶牛酮病病因?qū)W的研究現(xiàn)狀及代謝組學(xué)在奶牛酮病研究方面的應(yīng)用前景作一綜述,為今后奶牛酮病的研究提供新的思路。1.代謝組學(xué)的科學(xué)研究1.1代謝組學(xué)在生物生理及病理生理中的應(yīng)用代謝組學(xué)的相關(guān)研究可追溯到20世紀(jì)70年代的代謝譜分析(Metabolicprofiling),這類代謝譜分析通常采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC/MS)對(duì)患者體液中的代謝物進(jìn)行定性、定量分析及對(duì)疾病進(jìn)行篩選和診斷。90年代末,Nicholson等和Fiehn等先后提出了代謝組學(xué)(Metabonomics/Metabolomics)的概念,并將其定義為對(duì)生物系統(tǒng)因病理生理或基因改變等刺激所致動(dòng)態(tài)多參數(shù)代謝應(yīng)答的定量測定,并在動(dòng)物生理、藥物毒理、分子表型、疾病診斷和藥物篩選等方面做了大量卓有成效的工作。代謝組學(xué)是研究生命體所有代謝物及其中間體種類、數(shù)量及變化規(guī)律的科學(xué),可系統(tǒng)、整體地反映細(xì)胞、器官或個(gè)體的代謝物質(zhì)的功能及其與內(nèi)在或外在因素的相互作用。1.2代謝組學(xué)技術(shù)是一種技術(shù)由于機(jī)體各組織器官均參與代謝過程,每個(gè)細(xì)胞都有其代謝產(chǎn)物的釋放,而周圍環(huán)境可改變細(xì)胞的功能,因此代謝組學(xué)研究具有眾多的影響因素,不同的性別、年齡、品種、飲食、體況、藥物等均可對(duì)代謝譜產(chǎn)生不同程度的影響,要求在代謝組學(xué)研究時(shí),充分考慮到這些影響因素。目前,代謝組學(xué)研究根據(jù)樣品性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮透鞔x物理化性質(zhì)的不同以及代謝組學(xué)技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn),選擇不同的分析鑒定技術(shù)并進(jìn)行聯(lián)用,最常用的研究方法主要有核磁共振(NMR)、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS或LC/MS)、代謝物芯片等。根據(jù)研究對(duì)象和目的的不同,Fiehn將代謝組學(xué)分為以下幾個(gè)方面:(1)代謝物目標(biāo)分析(Metabolitetargetanalysis),對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)特定組織的分析;(2)代謝物輪廓譜分析(Metaboliteprofilinganalysis),對(duì)少數(shù)所預(yù)設(shè)的一些代謝產(chǎn)物的定量分析,如某些結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相關(guān)的化合物或某一代謝途徑的特定代謝物;(3)代謝物指紋譜分析(Metabolitefingerprintinganalysis),不分離鑒定具體單一組分,而是對(duì)代謝物進(jìn)行高通量的定性分析;(4)代謝組學(xué)(Metabonomics),對(duì)某一生物或細(xì)胞所有小分子代謝物進(jìn)行定性和定量分析;(5)代謝表型分析(Metabolismphenotypeanalysis),在代謝組分析的基礎(chǔ)上,對(duì)產(chǎn)生代謝物的有關(guān)生物和細(xì)胞進(jìn)行分類和鑒定。1.3系統(tǒng)生物學(xué)的研究內(nèi)容系統(tǒng)生物學(xué)(Systembiology)是系統(tǒng)地研究一個(gè)生物系統(tǒng)中所有組成成分(基因、蛋白質(zhì)、代謝物等)的構(gòu)成以及在特定條件下組分間的相互關(guān)系,并分析生物系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)的動(dòng)力學(xué)過程,是以整體性研究為特征的一門科學(xué)。在國際上,該理論最早由Weston等提出,我國最早的倡導(dǎo)者是中國工程院院士楊勝利。其以系統(tǒng)論為指導(dǎo),注重生物系統(tǒng)行為是通過其組分之間廣泛相互作用的結(jié)果,強(qiáng)調(diào)從整體的層次去研究和量化生物系統(tǒng)的行為。因此,系統(tǒng)生物學(xué)的研究內(nèi)容涵蓋基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)?；蚪M學(xué)主要研究生物系統(tǒng)的基因結(jié)構(gòu)組成,即DNA的序列及表達(dá);蛋白質(zhì)組學(xué)主要研究生物系統(tǒng)表達(dá)的蛋白及外因引起的差異蛋白改變;代謝組學(xué)是研究生物系統(tǒng)受外部刺激所產(chǎn)生的所有代謝產(chǎn)物的變化,是基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的延伸。1.4代謝組學(xué)研究代謝組學(xué)已廣泛應(yīng)用于植物學(xué)、毒理學(xué)、疾病臨床診斷、藥物開發(fā)、營養(yǎng)科學(xué)等研究領(lǐng)域。當(dāng)前,營養(yǎng)代謝物組學(xué)主要研究與營養(yǎng)密切相關(guān)的糖代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝等,進(jìn)而在分子水平上研究營養(yǎng)素對(duì)人和動(dòng)物的生理機(jī)能的影響。代謝組學(xué)在疾病研究中的應(yīng)用主要包括病變標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)、疾病的診斷、治療和預(yù)后的判斷。其中應(yīng)用最廣泛的是發(fā)現(xiàn)與疾病診斷、治療相關(guān)的代謝標(biāo)志物,通過代謝物譜分析得到的相關(guān)標(biāo)志物是疾病的分型、診斷、治療的基礎(chǔ),也是揭示疾病發(fā)生機(jī)制、評(píng)估病情和預(yù)后的依據(jù)。近年已有較多文獻(xiàn)報(bào)道了代謝組學(xué)在新生兒代謝紊亂、冠心病、膀胱炎、糖尿病、肝炎、高血壓、冠心病、關(guān)節(jié)炎、腫瘤和艾滋病等疾病方面的作用。綜上所述,隨著代謝物檢測分析技術(shù)的不斷改進(jìn)以及所積累的數(shù)據(jù)和信息的不斷完善,代謝組學(xué)技術(shù)日趨成熟,必將成為機(jī)體代謝狀況評(píng)估等最有力的研究方法之一,在動(dòng)物營養(yǎng)和疾病研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。2.牛酮研究2.1臨床健康牛血清中酮體含量的變化奶牛酮病曾被稱為奶牛醋酮血癥(Acetonemia)、母牛熱(Cowfever)、產(chǎn)后消化不良和低血糖性酮病等,是指奶牛在產(chǎn)犢后幾天至幾周內(nèi),由于體內(nèi)碳水化合物及揮發(fā)性脂肪酸代謝紊亂所引起的一種全身性功能失調(diào)的代謝性疾病,其特征是血液、尿、乳中的酮體含量增高,血糖濃度下降,消化機(jī)能紊亂,體重減輕,產(chǎn)奶量下降,間斷性地出現(xiàn)神經(jīng)癥狀。該病根據(jù)有無明顯的臨床癥狀,可分為臨床酮病和亞臨床酮病。健康牛血清中的酮體含量一般在1.72mmol/L(100mg/L)以下,亞臨床酮病母牛血清中的酮體含量在1.72～3.44mmol/L(100～200mg/L)之間,而臨床酮病母牛血清中的酮體含量一般均在3.44mmol/L(200mg/L)以上。根據(jù)發(fā)生原因,奶牛酮病可分為原發(fā)性酮病(生產(chǎn)性酮病)、繼發(fā)性酮病、食源性酮病、饑餓性酮病和由于某些特殊營養(yǎng)缺乏所引起的酮病。2.2乳狀液導(dǎo)致的酮病奶牛酮病的病因涉及的因素很多,且較為復(fù)雜。原發(fā)性酮病發(fā)生在體況極好、具有較高的泌乳潛力且飼喂高質(zhì)量日糧的母牛,是因能量代謝紊亂導(dǎo)致體內(nèi)酮體生成增多所引起的。繼發(fā)性酮病是因其他疾病,如真胃變位、創(chuàng)傷性網(wǎng)胃炎、子宮炎、乳房炎以及肝臟疾病等引起食欲下降、血糖濃度降低,導(dǎo)致脂代謝紊亂,酮體產(chǎn)生增多而發(fā)生。食源性酮病是因青貯料中含有過量的丁酸鹽,牛采食后易產(chǎn)生酮體引起的,也可能是由于含有高丁酸鹽的青貯料適口性差,引起采食量減少所致。饑餓性酮病發(fā)生在體況較差、飼喂低劣飼料的母牛,由于機(jī)體的生糖物質(zhì)缺乏,引起能量負(fù)平衡,產(chǎn)生大量酮體而發(fā)病。某些特殊營養(yǎng)物質(zhì),如鈷、碘、磷等缺乏也可能與酮病的發(fā)生有關(guān)。另外,干奶期供應(yīng)能量水平過高,母牛產(chǎn)前過度肥胖,嚴(yán)重影響產(chǎn)后采食量的恢復(fù),同樣會(huì)使機(jī)體的生糖物質(zhì)缺乏,引起能量負(fù)平衡,產(chǎn)生大量酮體而發(fā)病。由這種原因引起的酮病稱消耗性酮病。此外,產(chǎn)乳量高的母牛、產(chǎn)乳量高的品種發(fā)病較多。有些母牛有反復(fù)發(fā)生酮病的病史,這可能與遺傳易感性有關(guān),也可能與牛的消化和代謝能力較差有關(guān)。由此可見,奶牛酮病的發(fā)生與機(jī)體生理狀態(tài)、體況、泌乳、胎次、日糧營養(yǎng)組成和水平、飼養(yǎng)管理和疾病等多種因素有關(guān),而最重要的因素是飼養(yǎng)管理和日糧組成及營養(yǎng)水平。2.3對(duì)牛奶圍產(chǎn)期的解釋盡管以往有關(guān)奶牛酮病的研究已經(jīng)涉及了生理、病理、代謝、內(nèi)分泌和基因等多個(gè)方面,但目前仍存在如下問題:(1)現(xiàn)有的研究未能徹底解釋為何奶牛圍產(chǎn)期食欲低,干物質(zhì)攝入少;(2)奶牛圍產(chǎn)期能量負(fù)平衡或酮病發(fā)生過程中整體代謝狀況及其相互關(guān)系尚不清楚;(3)無法得知酮病發(fā)生過程中是否有新的未知因素參與。對(duì)這些問題深入系統(tǒng)的研究不僅是今后酮病研究的方向,而且將對(duì)豐富和發(fā)展酮病病因?qū)W理論及防治策略具有重要意義。3.代謝組學(xué):生物代謝中代謝產(chǎn)物的檢測代謝組學(xué)是一門在新陳代謝的動(dòng)態(tài)進(jìn)程中系統(tǒng)研究代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律、揭示機(jī)體生命活動(dòng)代謝本質(zhì)的科學(xué)。代謝組學(xué)能夠反映細(xì)胞、體液的內(nèi)源性和外源性代謝物濃度與機(jī)體功能之間的關(guān)系。生物體液中的代謝物與細(xì)胞和組織中的代謝物處于動(dòng)態(tài)平衡,所有由于病理生理紊亂引起的直接化學(xué)反應(yīng),通過與控制代謝的酶或核酸相結(jié)合而引起的內(nèi)源生化物質(zhì)在比例、濃度及代謝通量等方面的失調(diào)均會(huì)在代謝物成分中得到反映。其技術(shù)具有快速、高效、非侵襲性、通用性、高靈敏度和高特異性的特點(diǎn),能定性或定量檢測生物體液中的代謝產(chǎn)物,為研究疾病發(fā)生、發(fā)展以及病理過程中機(jī)體代謝和功能及調(diào)控提供了強(qiáng)有力的手段。應(yīng)用代謝組學(xué)的理論和技術(shù),通過研究代謝物圖譜,能夠提供有關(guān)生物體病理生理作用過程中整體代謝和功能的完整信息。針對(duì)所研究的疾病,尋找具有代表意義的生物標(biāo)記物,為探討疾病發(fā)生機(jī)制、建立新的診斷和防治措施提供了新的思路。迄今為止,奶牛圍產(chǎn)期易發(fā)酮病及其能量平衡調(diào)節(jié)機(jī)制未能充