营养与免疫关系及其研究进展

郭冬生

(湖南文理学院 生命与环境科学学院,湖南 常德,415000)

营养与免疫的关系已经突破了营养缺乏、营养过度和营养失衡的范畴,现已证明,许多对动物生长发育和健康必需的营养素对动物免疫力有着重要的影响。从宏观上讲,营养与免疫的关系是相互的,营养是免疫的基础,同时动物免疫力高低又改变动物对营养的需要量。随着动物营养学的研究深入和动物福利意识的增强,营养与免疫研究已成为动物营养学研究的重要内容,形成了营养免疫学交叉学科。营养免疫是指通过饲料等输入性营养,刺激并激活机体的免疫系统功能,其中影响动物机体免疫力的营养成分主要包括脂肪、蛋白质、氨基酸、矿物质和维生素等。

1 营养与免疫关系

营养(nutrition)是指机体消化吸收食物并利用食物中的有效成分(营养素)来维持生命活动、修补组织,实现生长生产的全部过程,营养的过程就是营养物质在机体内消化、吸收和代谢的过程。免疫(immune)是指机体通过免疫系统识别“自己”和“非己”成分,并通过机体免疫应答排除抗原性异物,以维持机体生理平衡的功能。免疫可以分为先天性免疫和获得性免疫2 种类型。免疫具有识别自身与非自身、特异性和免疫记忆3 项基本特性;免疫具有抗感染、维持自身稳定和免疫监视3 个基本功能。营养与免疫关系主要体现在2 个方面,一是动物营养状况是机体免疫系统和免疫功能的基础;二是动物的免疫反应和临床疾病可以改变营养代谢和营养需要量。

2 机体的免疫系统

维持机体内外环境平衡是动物健康生长和进行生产活动最基本的条件,动物在长期进化过程中形成了特殊的免疫系统,免疫系统是机体执行免疫功能的结构基础,机体的免疫系统主要由免疫器官、免疫细胞和免疫活性物质等组成。

机体抵御病原体的攻击主要依靠3 道防线,分别为皮肤和黏膜;吞噬细胞和体液中的杀菌物质;免疫器官和免疫细胞。其中第1 和第2 道防线称为非特性免疫(先天性免疫),第3 道防线称为特异性免疫(获得性免疫)。机体的免疫器官主要包括胸腺、淋巴结、骨髓、脾和扁桃体,是免疫细胞生成、成熟和集中分布的场所;免疫细胞是参与免疫应答或与免疫应答有关的细胞,主要包括吞噬细胞和淋巴细胞(T 淋巴细胞、B 淋巴细胞),分别通过效应T 细胞和浆细胞参与细胞免疫和体液免疫;免疫分子包括细胞因子、抗体和溶菌酶等,对免疫应答的发生、调节及效应起重要作用,主要包括白细胞介素、干扰素、群落刺激因子和肿瘤坏死因子4 大类。

3 脂肪与免疫

当机体受到外界抗原刺激时,抗体和淋巴因子等免疫物质的产生都有赖于脂肪的参与,尤其是多聚不饱和脂肪酸(PUFA)是细胞膜磷脂双分子层的重要组成部分,决定细胞膜的流动性和变形性。Calder等[1]研究发现,饲喂高水平的多聚不饱和脂肪酸会降低动物的免疫力。Kinsella 等[2]报道,哺乳动物缺乏多聚不饱和脂肪酸会降低淋巴细胞增殖和IL-2的产生,同时,日粮中必需脂肪酸(EFA)缺乏也会降低淋巴细胞的免疫功能,因为淋巴细胞的活性与功能与花生四烯酸的代谢密切相关。Willie 等[3]研究证实,日粮中添加油脂促进了B 细胞的增殖反应,但B 细胞抗体的产生却不受日粮中脂质的影响。机体免疫功能明显受到日粮脂肪酸的饱和度和添加量的影响,适量的供给才能提高机体的免疫功能。

4 蛋白质与免疫

蛋白质是构成动物机体免疫系统正常发育及其机能健全的物质基础,是免疫蛋白的主要成分,各种免疫细胞和抗体的生成都需要蛋白质和氨基酸的参与。蛋白质缺乏会降低免疫反应,这在许多试验中得到了验证。Glick 等[4]研究表明,饲料极度缺乏粗蛋白时,小鸡会降低对绵羊红细胞(SRBC)的抗体反应和抑制T 细胞免疫力;Pric 等[5]研究报道,饲喂缺乏蛋白质日粮的鸡,接种巴氏杆菌后其抗体生产减少;蛋白质缺乏会抑制肠道表面IgA的合成,从而降低对传染源的抵抗力。对犊牛和断奶仔猪,以大豆蛋白为补充料时,因大豆球蛋白和β-大豆球蛋白具有免疫抗原性,诱导肠道的过敏和损伤,造成吸收不良、腹泻和生长受阻。在断奶仔猪的日粮中添加富含免疫球蛋白的血浆蛋白粉和乳清粉等功能性蛋白饲料,可以提高仔猪免疫力,降低大肠杆菌的易感性[6]。

5 氨基酸与免疫

蛋白质是由氨基酸脱水缩合形成的大分子物质,氨基酸是蛋白质的基本组成单位,因此,蛋白质对免疫的影响实际上氨基酸对免疫功能的影响。Thacker[7]指出,蛋白质消化率、氨基酸平衡对机体免疫机能的影响,是考虑蛋白质和氨基酸营养需要时的一个关键性因素。目前,关于氨基酸与免疫的研究主要集中在赖氨酸、蛋氨酸和苏氨酸等几种必需氨基酸。

关于赖氨酸(Lys)对免疫应答的影响研究报道也不一致,Cook[8-9]研究报道,赖氨酸缺乏并不会降低动物机体的免疫反应,饲料赖氨酸水平降低到需要量的30%时,也未能抑制机体对绵羊红细胞(SRBC)及多杀巴氏杆菌的抗体反应。但也有部分试验研究发现赖氨酸影响机体免疫力,Alemed[10]研究报道,在7%蛋白质水平日粮中添加赖氨酸,可以提高大鼠破伤风内毒素免疫抗体水平。此外,在大鼠日粮中添加赖氨酸和苏氨酸可使胸腺增重,皮肤对异源移植的排斥反应增强。Kornegay 等[11]试验发现,断奶仔猪日粮中添加赖氨酸可以提高体液免疫反应。

蛋氨酸(Met)对动物机体的免疫功能有较大影响,Biear[5,10]报道,蛋氨酸缺乏使大鼠生长发育受阻,胸腺和脾脏萎缩;Tsiagbe 等[12]试验发现,雏鸡日粮蛋氨酸缺乏时,雏鸡对绵羊红细胞(SRBC)的抗体反应和对植物血凝素(PHA)的迟发型过敏反应降低。

苏氨酸(Thr)与免疫关系也很重要,试验研究发现,苏氨酸是IgG的第一限制性氨基酸,当其缺乏时,会导致免疫球蛋白水平降低,抑制T 和B 细胞产生;Bhargava 等[13-14]等试验发现,苏氨酸是IgG的第一限制性氨基酸,当其缺乏时,导致免疫球蛋白水平降低,抑制T 和B 细胞产生,用缺乏苏氨酸日粮的饲料喂小鸡,后将苏氨酸的含量提高到0.7%,发现小鸡对新城域病毒抗体滴度直线上升,且获得最大生长速度。

谷氨酰胺(Gln)是组织和血液中含量最丰富的游离氨基酸,是肠道上皮细胞和淋巴细胞的主要能量来源,可以促进淋巴细胞增殖和修复受损的肠道粘膜,对维持肠道屏障功能,保护肠道不受细菌侵害具有重要作用。精氨酸(Arg)对免疫器官的发育具有重要作用,能够促进胸腺的增大和T 淋巴细胞的生成。缬氨酸(Val)是免疫球蛋白中含量最高的氨基酸,对免疫功能也具有重要作用。

6 微量元素与免疫

微量元素是动物重要的营养成分,对于促进动物的正常生长发育,维持动物的健康,减少疾病发生具有重要作用。与动物健康和免疫功能密切相关的微量元素主要包括铜、铁、锌、锰和硒等元素。

铜是血浆铜蓝蛋白和铜锌超氧化物歧化酶的必需微量成分,其次铜还是凝血因子Ⅴ和金属硫蛋白的组成成分,铜缺乏时,动物免疫功能受损,主要表现为胸腺萎缩、抗体合成受损和抗体效价降低等。用鼠伤寒杆菌进行感染试验,结果发现铜缺乏的大白鼠死亡率高,且致死时间短,原因是铜缺乏时细胞免疫和体液免疫功能均降低。

铁是动物机体最必需的微量元素之一,是血红蛋白、细胞色素酶及氧化酶体系的重要组成成分,为机体内各种酶所必需,铁缺乏或过量会明显影响到机体的免疫功能。人体缺铁时最明显的是会出现贫血,从而使白细胞减少和杀菌能力降低,抑制抗体产生,干扰溶菌酶的活性,降低对感染的应答效能。铁的不平衡,无论过高或过低,都会增加动物对细菌性及寄生性传染病的易感性。缺铁动物的胸腺发育受阻和淋巴细胞转化受抑制,肉鸡表现为法氏囊,胸腺和脾脏重量显著减轻。Parsons 等[15]报道,缺铁仔猪易患传染性胃炎,肌肉注射铁制剂后可以预防。虽然铁是机体免疫机能所必须,但过量的铁也会对细胞的免疫功能具有一定的阻碍作用。

就微量元素而言,锌对动物免疫作用最为重要,也是目前研究较活跃的领域。有资料报道,缺锌影响胸腺和法氏囊发育。Primentel 等用低锌日粮(8 mg/kg)饲喂雏鸡,在第5 周时胸腺和法氏囊明显小于对照组雏鸡[16],其原因可能是锌是胸腺嘧啶核苷酸激酶和DNA 多聚酶的一种重要辅助因子。锌具有促进人体外周血单核细胞产生TNF的作用,白细胞减少是缺锌的特征,也是淋巴细胞减少的重要原因,锌还能促进IFN、IL-1 和IL-2的生成。锌是过氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)的激活剂,因此,锌是维持生物膜正常结构和功能所必需的。Graham 等[17]报道,奶牛日粮中添加蛋氨酸锌可显著降低牛奶中体细胞数(SCC)和乳腺炎的发生率。在多种疾病康复过程中,锌能够缩短病程和减轻症状,明显提高机体免疫功能。锌缺乏和过量都会导致免疫缺陷,免疫应答中也总是伴随着体内锌水平的改变[18]

锰超氧化物歧化酶(Mn-SOD)是动物体内重要的超氧化物歧化酶,能够催化超氧自由基发生歧化反应,具有清除超氧阴离子的作用,维持DNA、蛋白质和细胞膜的完整性,使机体免疫器官处于良好的状态。硒被称为畜禽的免疫促进剂,因硒和维生素E 对免疫有协同作用,经常同时添加使用。硒是谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)的组成成分,能够催化还原型谷胱甘肽变成氧化型谷胱甘肽,使有毒的过氧化物还原成无害的羟基化物,使H2O2分解而保护细胞膜的结构和功能不受损害。在犊牛和羔羊的日粮中添加硒0.2 mg/kg,并接种牛传染性支气管炎病毒和副流感病毒疫苗后,血清IgM的浓度和抗体滴度显著提高[19]。给繁殖机能较低的奶牛补充硒,可使子宫炎发病率下降,并有预防胎衣不下(RFM)的作用。schwarz 和Foltz[20]发现硒可以预防小鼠肝坏死和鸡渗出性素质(excudative diathesis);补硒可以预防和治疗羔羊白肌病;研究还表明,硒能够提高T 细胞数量,降低血清中皮质醇(一种免疫抑制剂)的含量。

7 维生素与免疫

维生素在机体内含量很少,既不是机体的结构成分,也不为机体提供能量,但对动物机体的新陈代谢和维持动物健康具有重要作用。维生素A的化学名叫视黄醇,是脂溶性的醇类物质,包括维生素A醇(只存在于动物性食物中)和β-胡萝卜素两种形式,β-胡萝卜素能够转化形成视黄酸和视黄醛等衍生物,维生素A 是维持机体正常免疫功能的重要营养物质。视黄醇主要通过B 淋巴细胞介导来增加免疫球蛋白合成,视黄酸主要通过T 淋巴细胞介导或产生淋巴因子促进球蛋白合成,从而增强机体免疫功能;β-胡萝卜素能够保护细胞膜免遭氧化破坏,还能促进T 淋巴细胞的增殖,增加NK 细胞上的IL-2 受体。鸡缺乏维生素A 时,机体内抗体反应减弱,淋巴细胞衰竭,胸腺和法氏囊重量减轻;母猪缺乏维生素A时,其产仔数和仔猪成活率降低;chew 等[21]研究发现,血浆中β-胡萝卜素和维生素A 高的奶牛,乳房炎感染率较低。

维生素E 又名生育酚,属脂溶性维生素,其中以α-生育酚活性最高,维生素E 是细胞膜上最有效的脂溶性抗氧化剂,可以通过清除细胞代谢所产生的过氧化物保护细胞膜的完整性;其次,维生素E 通过防止花生四烯酸的过氧化作用,影响前列腺素(PGE)的合成,而PGE 是一种免疫抑制剂。Gebremichael等[22]认为,维生素E 可促进巨噬细胞增殖,增加抗体的合成。维生素E 可促进T 淋巴细胞增殖,降低血清中皮质醇的含量,而皮质醇是人们熟知的免疫抑制剂。Smith 等[23]报道,干乳期奶牛日粮中添加740 IU 维生素E,在下一个泌乳期乳房炎和乳腺内感染的发生率分别下降37%和42%;Reddy 等(1987)[24]报道,补充维生素E 可以提高T 细胞和B 细胞的分裂速度,降低乳房炎的发生率。

维生素C可以防治坏血病,因而又叫抗坏血酸或称“抗坏血病维生素”,维生素C能够增加免疫球蛋白的含量、具有抗感染和抗应激功能。维生素C 和维生素E 能够清除机体内的自由基,提高其抗氧化能力和淋巴细胞的杀灭病毒的能力。B 族维生素主要包括维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素B12、烟酸、叶酸、泛酸和生物素,是多种酶的辅酶或辅基,参与重要代谢和免疫。