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发表于 2021-1-19 14:43:36 | 只看该作者 |只看大图 |倒序浏览 |阅读模式


动物营养学科发展在战略方向上的重大突破:构建动物健康营养理论和技术体系及其实际应用
作者:卢德勋

摘要:本文重点介绍本人近年来逐步形成并首次提出的动物健康营养理论和技术体系。这是国际动物营养学科发展在战略方向上的重大突破。本人在国际上首次提出由自由基稳态失衡为主导的氧化应激—炎症反应—免疫功能失衡三方联动效应健康营养的核心理念,揭开了病理条件下营养代谢基本特征,同时也是动物疾病,特别是非传染疾病发生的根本原因,为动物健康营养管理提供了正确的方向,具有十分重要的理论意义和实际应用价值。在此基础上,本人首次提出动物健康营养理论和技术体系,为健康养殖提供了一个系统集成型的营养技术方案。

关键词:核心理念、健康营养、动物健康营养理论和技术体系、健康管理   

传统动物营养学的发展有近200年的历史,到20世纪30年代后期,动物营养学正式从相关学科中分离出来,1937年美国Maynard教授编著的《Animal Nutrition》一书的出版标志着这一学科最终形成完整的现代学科体系。为推动动物营养学学科体系的形成和以后的发展进步,无数先辈呕心沥血付出了毕生的精力,历史永远不会忘记他们。任何一门科学理论和技术都要受到其诞生和发展时代历史条件和科技发展水平的限制,始终面临一个与时俱进的发展课题。动物营养学同样如此。传统动物营养学诞生于“分析时代”,这种学科整体思维方式和学科发展过程中受科学技术水平限制,使这一学科产生了不少学术局限性。长期以来,动物营养学正是针对这些学术局限性不断创新,不断向前发展进步。

本文将重点介绍本人最近8年来逐步形成并首次提出的动物健康营养理论和技术体系。这是国际动物营养学科发展在战略方向上的重大突破,具有十分重要的理论意义和实际应用价值。


1、 动物健康营养理论和技术体系提出的历史背景

1.1 对现行动物营养学学术局限性的科学分析

美国科学家Maynard教授早在80多年前就写到“一个真正的动物营养学科学家都会认识到现有知识的局限性”。从战略高度对动物营养学科存在的学术局限性进行科学分析和认识,从学科思维方式和体系创新入手,与时俱进驱动动物营养学不断发展是摆在我们同行面前一项具有战略意义的历史使命。为此,我们不但要不断研究动物营养学的现状,同时还要研究这一学科发展历史。不去研究学科发展历史就不会成为真正的科学家,充其量只不过是一位跛足的科技工作者。重视对动物营养学发展历史研究是实施创新驱动发展战略首要条件。下面简要地回顾一下传统动物营养学存在的一些学术局限性。

1.1.1 营养决策

从科学发展史来看,人类营养学为动物(主要是农畜动物)营养学发展奠定了科学基础,并深刻影响着动物营养学发展进程,可以说是人类营养学“派生”了动物营养学。人类营养学从学科发展的开始就把营养研究决策的重点放在保障人类健康、探讨营养缺乏时营养素摄入不足的影响上。今天它的研究决策重点发生了重要转移,不再限于研究营养缺乏对健康的影响,同时还要研究营养对慢性疾病的影响以及营养过剩带来的后果。

动物营养学自从与人类营养学“分手”后,其研究决策的重点当即发生了根本变化,一直把重点放在保障养殖效益上,奠定了传统动物营养学唯生产效益的决策观,建立起一整套与人类营养学完全不同的理论和技术体系,由此引发传统动物营养学出现了一个重要的学术局限性,致使其理论和技术体系中健康营养理论和技术缺失,特别是针对非传染性疾病预防和干预的营养理论和技术严重缺失。传统动物营养学这种唯生产性能的决策目标随着人类社会进步和经济发展正在受到极大的冲击。现代养殖业对动物健康和环境的影响和人们对畜产品品质、安全的关切已成为人类社会普遍关注的全球性问题。现代健康养殖要求把养殖效益、动物健康、对环境的影响以及畜产品品质和安全4个方面放在一起统筹考虑、协调发展。动物养殖由传统的唯生产效益向多元决策目标转变,这一发展趋势必将深刻地影响并改变着动物营养研究和应用的各个方面。以生产效益为唯一目标的决策观为特征的动物养殖科学模式向以多元决策观为特征的现代动物养殖科学模式的战略转变,不仅在理论上是一次巨大飞跃,而且给整个养殖业也带来了深远的影响。随着时间的推移和经济、科技的发展进步,这种影响会越来越明显。现代动物养殖科学模式在我国的实施目前已取得一些初步成果,然而还没有真正实现完全转变,其原因在于因为经济发展水平和科技发展水平的限制,养殖科学模式,特别是养殖业发展模式的转变是一个相当长的历史过程。许多涉及的问题在短时期是很难完全解决的,必须在实践的基础上, 特别是要在相关学科发展的共同配合下才能逐步深入、完善。1.1.2 营养需要量

如何满足动物机体的营养需求是动物营养学必须回答的根本性问题。这就涉及一个营养需要标准的问题。根据传统动物营养学唯生产效益的决策观,动物营养需要标准包括2部分:一是维持需要量;二是生产需要量。推荐的营养需要量标准是在满足动物对维持健康最低需求的基础上,主要考虑能使动物达到一定生产水平的营养需要量。通常的做法是在某种营养素需要量平均值的基础上加一个安全系数即为该营养素需要量的推荐标准。这种做法的重要弊端在于:其一,所谓“健康”并未将亚健康性质的健康问题考虑进去,也未就随着生产水平提高此类问题也会随之增加的现实考虑进去;其二,至少2%或更多的高产动物的营养需要量显然被低估了;其三,这种做法往往忽略了营养对畜产品品质和养殖对环境的影响。对于维护动物健康而言,任何一种营养物质都应有3个需求量,第1个是最基本的维持生命的需求量;第2个是能够使机体达到比较健康的需求量;第3个是能够协助或者治疗疾病所需要的临床用量。除这些问题以外,能量需要量只谈焦耳、卡路里不谈能量载体物质比例以及现有需要量标准中缺失营养活性物质标准等,都是传统动物营养学的学术局限性。

1.1.3 饲料营养价值

在传统动物营养学中饲料营养价值评定是另一个核心内容。在这方面存在以下主要学术局限性:遵循饲粮内饲料营养物质可加性原则,忽视营养物质之间的组合效应存在;在饲粮营养组成方面缺失超微量成分营养活性物质数据;饲料营养评定指标只限于消化道层次或脱离动物本身以及传统的饲粮配合技术不完善性等。饲料营养价值评定存在的这些学术局限性严重地影响着动物营养学和饲料科学的发展和进步。

1.1.4 营养供给技术

营养供给技术又称饲养技术,它是将饲粮与动物联系起来,充分满足动物营养需求的一项根本技术。由于受到人类营养学中长期存在的重点探讨营养物质缺乏或营养物质摄入不足的影响的主流决策思路和以分析思维为特征的学科整体思维方式的影响,传统动物营养学的营养物质供给技术主要存在2个学术局限性:一是以补缺为主导的营养物质供给技术;二是着重以单一营养物质或少数几个营养物质补充,并非系统整体集成式补充为特征的营养物质供给技术。在生产实践中动物到底缺什么和缺多少,养殖者一般很难能确切知悉,难以做到“对症下药”。营养物质供求实际上是一个动态过程,动物每天的营养物质需要受诸多因素影响。饲粮类型、采食量、疾病状况以及外界环境变化的影响使我们根本无法准确知道动物的实时营养物质需求量。营养物质不缺乏并不代表动物机体健康。动物无明显病状或生产性能正常也不代表动物一定处于最佳健康状况。由于传统动物营养学在营养决策方面存在的这些学术局限性,即使采取了这样或那样的变通技术措施,但现行营养供给技术仍然存在许多不确定性。以补缺为主导的营养物质供给技术实际上是暗示所缺乏的营养物质是单独起作用的,只要将它补上就能万事大吉。而事实上并非如此,许多营养物质之间存在复杂的相互关系,处于一种营养平衡状态,其中某一种营养物质的量的变化势必影响其他有关营养物质的变化,从而影响整体的补饲效果。科学的营养物质供给技术是一种以系统整体集成为特征的技术,它是系统动物营养学中营养工程技术体系的核心,从理论和技术体系层次较好地解决了传统动物营养学长期存在的这一难题。

1.2 现代动物养殖模式催生动物健康营养理论和技术体系的诞生

现代动物养殖模式要求把养殖效益、动物健康和对环境的影响以及畜产品品质和安全4个方面放在一起统筹考虑、协调发展,而传统动物营养学在其理论和技术体系中恰恰存在着健康营养理论和技术缺失,特别是针对非传染性疾病预防和干预的营养理论和技术严重缺失的学术软肋。现代动物养殖模式强烈呼唤动物营养学在这一领域实现理论和技术创新。

健康营养理论和技术创新是一种体系创新。动物健康营养理论和技术体系是涉及动物营养学理论和技术体系创新的一个重要组成部分,它的提出具有颠覆性战略意义,是顺应现代动物养殖模式重大战略转变动物营养学科体系在其发展历史进程出现的一场历史性飞跃。

2、从动物亚健康谈起

健康是一个发展中的概念。进入20世纪中期以后,人的健康的内涵不断发展,由过去单一的生理健康发展到生理健康、心理健康,又发展到生理健康、心理健康和社会适应能力良好3个方面。目前对于动物健康的概念尚无固定之说。客观的衡量机体健康极其困难,特别是当动物处于无明显疾病症状时。一般认为在营养物质及营养活性物质的干预下,畜禽机体对外界环境应激的反应最终会表现为患传染病、非传染性疾病或健康状态或亚健康状态。现代动物营养学在畜牧业发展过程中追求的根本目标应该是动物健康、高效、优质和清洁。显然,动物健康管理工程把重点放在针对解决非传染性疾病,特别是放在解决亚健康态问题方面是实现这一现代决策目标的根本途径。

动物机体从出生到死亡通常要经历健康态—亚健康态—亚临床态—临床疾病4个过程。实施动物健康管理工程其根本目的在于维护健康状态,干预并改善亚健康状态,从而使动物群体中处于健康状态的比例增大,最大程度地促使亚健康向健康状态转化,减少疾病发生的风险。20世纪80年代中期,前苏联学者布赫曼在对人体研究中发现:人体除了健康状态与疾病状态以外,还存在一种非健康非疾病的中间状态,又称“第三状态”。此后这一新概念获得越来越多学者的认同并重视,将其称之为亚健康状态。2004年,我国制定的《亚健康中医临床指南》中正式将亚健康概念统一界定为:亚健康为健康与疾病之间的一种状态。处于亚健康状态者不能达到健康的标准,表现为一定时间内的活力降低、功能和适应能力减退的症状,但不符合现代医学有关疾病的临床和亚临床诊断标准。

动物从健康状态发展到疾病状态是一个由量变到质变的动态过程,亚健康态可以认为是两者间的过渡期,是一个特殊的短暂的阶段。这个阶段时间可长可短,可以发展为各种疾病,也可以由于干预处理得当恢复到健康状态。处于亚健康状态动物的主要表现:活力下降、采食量下降、神情烦躁、焦虑、紧张、免疫功能降低、饲料利用率下降、繁殖障碍和畜产品品质恶化。导致动物处于亚健康态的根本原因有:

1) 饲粮因素。营养供给全面、充足、平衡是保证动物健康的基本条件,为此一定要尽量做到在保证满足基本营养物质需要的基础上,做好对起生理调节和防御功能的微量营养物质和超微量成分营养活性物质整体优化供应。首先,不能达到这一基本要求,特别是不能因时因地因动物生理阶段及时调整饲粮往往是造成动物亚健康态的重要原因;其次,饲料原料在生产、运输、保管和储藏等环节缺乏严格把关致使原料腐败、霉变也是一个重要原因。
2) 管理因素。动物是否健康一部分决定于遗传和环境,而相当大部分取决于饲养管理因素。有许多不科学的饲养管理因素导致动物亚健康状态的产生和发展。特别是对于高产畜群的管理,稍有不慎很容易出现类似问题。
3) 环境因素。动物生活在一定环境条件下,小到畜舍环境,大到牧场周围环境都会影响畜体健康状况,甚至出现亚健康状态。其中,冷热应激就是引发动物亚健康态的突出例证。
大量研究表明,导致动物亚健康态的核心机制是由自由基稳衡态(free radical homeostasis)失衡主导的氧化应激—炎症反应—免疫应激三方联动效应。最佳的动物亚健康防范措施应从防止自由基稳衡态失衡开始。

3、动物健康营养理论和技术体系的核心理念和主要内容
3.1 动物健康营养理论的核心理念
3.1.1 自由基动态稳衡是动物机体保持健康状况的根本前提

自由基是一些具有不配对电子的分子、原子、离子或原子团。实际上,它们是在外层轨道上缺少电子的原子或分子,具有高度活化和很强的氧化反应能力的特征。在动物体内,参与氧化还原反应,为生物提供能量。生物细胞利用氧,一方面,通过一系列的酶反应,使氧的4个电子还原生成H2O;另一方面,氧会经过单电子还原生成氧自由基,氧自由基或称活性氧(ROS),通常包括超氧阴离子、过氧化氢、羟自由基和单线态氧,以及由此而衍生的烷基过氧化物自由基、烷氧自由基、烷基自由基和氢过氧化物等。在ROS内一大部分属于上述的自由基产物,同时还包括有诸如过氧化氢、过氧亚硝酸根等非自由基产物。在代谢中许多非自由基ROS也能转化为自由基产物。自由基和ROS从严格意义上讲不能混为一谈。但是生物体内95%以上的自由基反应可介导过氧化作用,于是在自由基生物学研究领域内,常常把自由基和ROS的概念混为一谈。现在人们用ROS一词替代自由基一词使用的现象便愈加普遍。

  Palmer等在1987年正式提出一氧化氮(NO)是内皮细胞松驰因子(EDRF)。到目前为止已证实,某些细胞受刺激或活化过程中释放出大量的氧自由基,同时也产生大量的NO。通常把NO及其反应性氮中间体,包括亚硝酸盐和相关的具有高活性的氮的氧化物,统称为活性氮(RNS)或氮自由基。NO作为一种自由基,不仅可以与ROS直接发生复合作用,而且可以通过与ROS代谢密切相关的酶活性,从多方面多层次调控细胞内ROS的水平。细胞内由NOS产生的硝化应激和由ROS产生的氧化应激之间通过NO进行相互调节,形成一种对细胞生理活动具有重要影响的生理平衡。动物体内自由基的来源多种多样,无时不在,无处不在:线粒体内能量产生过程中会产生自由基;血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素C和巯基在自动氧化过程中会产生超氧阴离子自由基;一些经酶催化的氧化过程中会产生自由基,如细胞过氧化酶体系;解毒第1阶段会产生自由基;细菌感染、炎症反应中产生自由基;组织缺氧时会产生自由基;诸如抗生素等某些药物会在动物体内产生自由基;电磁辐射和离子辐射在动物体内会产生自由基;吸入空气中的工业废气、杀虫剂、有机溶剂或摄入汞、砷等环境毒素都会产生自由基。为了适应外界环境,需氧生物体内环境包括各种组织和细胞内外液中所有的重要物质水平及各种生理功能都必须保持动态稳衡状态。在需氧生物体内作为重要物质之一的自由基也呈动态稳衡状态,与生命的维持有着不可分割的重要关系,无论对生命起源,还是对生物进化和生化代谢与生理功能维持,自由基都担负着非常重要的作用。自由基本身是机体正常的代谢产物,也是维持多种重要的生理功能的物质基础。正常生理状况下低水平的自由基不仅不会对机体产生伤害,还履行许多生理功能。需氧生物需要利用ROS的信号转导功能进行细胞分裂、分化和基因调控及诸如参与或调控前列腺素生物合成等其他有益生理功能,并在细菌侵入机体的特殊情况下,通过中性粒细胞等吞噬细胞产生的ROS发挥杀菌作用等。
当自由基稳态失衡时,就会对机体造成损伤,主要包括:
1) 对脂质的损害。脂质中的多不饱和脂肪酸最易受自由基损害发生氧化反应,磷脂作为构成生物膜的重要组成部分因富含多不饱和脂肪酸,极易受自由基破坏,严重影响生物膜的各种生理功能。此外,脂质过氧化使生物膜中花生四烯酸分解产生的白三烯(LTs)和前列腺素类(PGs)参与炎症等病理过程。
2) 对蛋白质的损害。自由基可直接作用于蛋白质,也可通过脂类过氧化物间接对蛋白质产生破坏作用。这种直接破坏作用的后果主要是使酶蛋白失活成为另一种催化错误反应的酶;出现某种具有异质性的蛋白质,从而引起自身免疫反应的靶子;自由基可使结缔组织结构蛋白质变性,功能丧失;自由基对核酸氧化和交联使DNA发生断裂、突变及对热的稳定性发生改变等,从而影响蛋白质众多功能发挥,涉及面很广,后果复杂而严重。
3) 对糖类的损害。自由基使核糖形成脱氢自由基,导致DNA主链断裂或碱基破坏,还可使细胞膜寡糖链中糖分子羟基氧化生成不饱和的羰基或聚合成双聚物,从而破坏细胞膜上的多糖结构,影响细胞免疫功能的发挥。此外,自由基可作用于细胞膜寡糖分子的羟基碳,使之氧化成为不饱和羰基或二聚体,使细胞膜的多糖链破坏造成细胞自溶。
  自由基的产生速率、清除途径在正常情况下受到机体严格而精确调控。在需氧生物体内,以氧自由基的产生、清除、利用、损伤及其修复为标志的自由基动态稳衡必须维持正常状态。自由基一旦被诱发产生,就是连锁反应,只有遇到自由基清除剂才能终止自由基反应。通常机体自由基不足(生成不足或/和清除过多)或自由基过多(生成过多或/和清除不足)都会对机体造成应激损伤。一旦自由基生成和清除的动态平衡被打破,导致其稳衡态失衡,就会产生氧化应激,可以影响到基因的转录、细胞信号的传导、酶和生物大分子的活性、细胞和器官的功能以及细胞的增殖、分化、凋亡和坏死等许多生理和病理过程,成为疾病发生和发展的重要原因。由于动物体内营养代谢状况不良可使动物自由基稳衡态受到了严重影响,其主要后果:1)不仅大大降低动物采食量,导致大范围的非传染性和传染性疾病症状发展,使其健康状况恶化,而且由于氧化应激极大地消耗了本来可利用于生长、增重和繁殖的饲粮有效能,使动物生产性能和饲料利用率降低;2)体内自由基产生量增多,抗氧化酶生物合成减少,内源性抗氧化物水平下降,使自由基产生与清除的动态平衡失常,出现内源性氧化应激,导致自由基重要分子损伤,对损伤的修复能力可能下降,自由基的正常生理作用也受到影响。
3.1.2 由自由基稳衡态失衡主导的三方联动效应

长期以来,人们对氧化应激、炎症反应和免疫应激都是孤立起来进行研究,认为三者是不同的病理生理过程。根据近年来大量的基础研究和人医临床结果表明,这3方面紧密联系,不可分割。卢德勋首次提出氧化应激—炎症反应—免疫功能失衡链是1个问题的3个相互联动的方面,往往出现相互叠加效应。这一联动链涉及到许多共同的细胞类型(如巨噬细胞、淋巴细胞等)、共同细胞因子(白细胞介素类、前列腺素等)、共同化学介质和发病机制。卢德勋将这一新理念进一步发展为“由自由基稳衡态失衡主导的三方联动效应”,并把它确定为健康营养理论的核心理念。

动物体内自由基稳衡态失衡之所以成为三方联动效应主导方面的主要理由为:
1) 关乎全面认识氧的供应对维持动物生命活动的正面效应和负面效应。动物体内自由基稳态失衡之所以成为主导氧化应激-炎症反应-免疫功能失衡链三方联动效应的根本原因,是因为生命代谢过程中绝对离不开氧的供应,但是同时产生的ROS对机体内关键大分子又有不良反应。一旦动物体内自由基稳衡态处于失衡状态,就会出现氧化应激。据报道,人体1 h可制造出1 000亿个自由基,每天我们身体细胞至少会被自由基攻击73 000次。
2) 关乎充分认识营养物质是自由基产生的物质基础。动物体内自由基的来源多种多样,无所不在,无处不在。机体内的ROS与RNS是氧代谢中以氧与氮为中心的自由基及其活性衍生物,它们在酶或非酶反应中产生时所需的物质均直接或间接来源于营养物质。
3) 关乎充分认识自由基稳衡态失衡在三方联动效应中的重要位置。已知在产生三方联动效应的3个方面中间,炎症反应和免疫失衡与自由基稳态失衡存在有密切关联的联动效应,自由基稳态失衡在其中处于源头引爆点和决定联动效应的走向和最后结局的中心位置。
4) 关乎充分认识饲粮营养物质供给状况与饲养技术在维持自由基稳衡态的重要作用。已知饲粮营养物质过剩、缺乏和不平衡均会导致代谢紊乱,出现自由基增多,使其稳衡态失衡。动物营养物质供给不当和饲养管理技术不科学通常是造成自由基稳态失衡的最重要原因。
  在饲养实践中,通常随处可见大量因氧化应激导致的家畜疾病,比如由黄曲霉毒素引起的损伤就是一种形式的氧化应激,还有断奶仔猪猝死、鸡胚氧化应激、奶牛围产期疾病、犊牛和肉牛适应期、转群期和运输期出现的各种问题、家禽腹水症、家禽脑软化症、家禽脂肪出血综合征、猪恶性高热症、奶牛乳房炎、牛营养退行性疾病、牛乳房水肿和奶牛繁殖疾患等。在由自由基稳衡态失衡主导的这一联动效应中炎症反应是重要的一方。在临床上,创伤和感染均可引起炎症,异常的免疫反应造成的组织损伤及机械性、化学性(如强酸、强碱、强氧化剂等)、物理性(高温、低温、紫外线和放射线等)外伤,还有各种毒素,包括生物异源物资和重金属等也会引起机体的炎症反应。通常炎症是从急性炎症开始,急性炎症本是机体对于外界某些刺激引发的一种防御反应,同时也属于机体对外界刺激造成损伤的一种自愈机制,但是炎症反应过于剧烈或维持太久就会使急性炎症转化为慢性炎症,炎症反应由防御反应转变为致病机制。此时机体只有启动抗炎机制,释放抗炎细胞因子对炎症反应进行反馈调节,使机体既能有效抵御致病因素的侵袭,又能使炎症反应不会过度强烈而损伤机体自身的健康。在炎症中细菌、病毒等病原体感染会破坏机体正常的自由基动态稳态,从而产生ROS和RNS,参与病原体的复制、基因突变并诱发宿主细胞凋亡,从而促使炎症进一步发展。氧自由基是炎症反应的效应器,氧自由基过度产生也能通过模式识别受体(PRRs)和非模式识别受体诱导炎症反应,自由基导致的氧化应激与炎症通过调控转录水平进而相互影响,形成由自由基稳态失衡主导产生的三方联动效应,其中炎症是这一联动效应中重要的一方。氧化应激是炎症过程中的伴随现象,通过氧化加重炎症反应,而炎症通过炎症介质促进氧化,反过来又加重氧化应激,形成恶性联动循环。机体免疫平衡与炎症反应存在密切的互动关系。当免疫平衡时,大部分的炎症反应不会显著干扰动物机体的总体健康状况;一旦免疫失衡,免疫系统会产生大量炎症反应,在这种情况下就会给机体造成损害,最后导致疾病发生。免疫应激是参与以自由基稳衡态失衡主导的联动效应另一个重要一方。动物体内存在的免疫系统是机体对抗外部入侵、保护动物免受威胁的重要防御屏障,对保障动物健康生存有极其重要的意义。免疫系统和抗氧化系统紧密联系整体,当机体发生免疫应激时,体内抗氧化系统随之也会失衡从而激活氧化应激系统,其中核因子-κB(NF-κB)信号通路是连接这2个系统的桥梁。脂多糖(LPS)在激活NF-κB信号通路的同时可以调控其下游靶基因,导致机体产生并释放大量ROS。由于免疫细胞的细胞膜脆弱的结构特征,比其他细胞更易遭受氧化应激的损伤。正常生理状态下,ROS含量是反映机体氧化状态最直接的标志物。过量的ROS能够激活NF-κB通路的信号分子,同时也通过激活Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1-核因子E2相关因子2-抗氧化反应元件(Keap1-Nrf2-ARE)信号通路对外界刺激进行抵抗,抑制或减少细胞的氧化损伤,增强细胞的抗氧化能力。NF-κB通路可以被多种病理因素激活,参与调控众多炎症因子基因表达,是多种促炎症基因转录的必需因子;同时NF-κB对参与炎症反应放大与持续(即级联瀑布样效应)的多种酶[诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、环氧合酶-2(COX-2)等]基因的表达也具有重要的调控作用。NF-κB的适度活化对于机体抵御各种因素的侵害有正面作用,但同时由于NF-κB的过度活化又可以诱导一些诸如白细胞介素-1β、黏附分子、免疫受体和炎症相关酶类等细胞因子的表达,从而形成炎症因子风暴反应。

3.1.3 动物健康营养理论核心理念要点
本人提出的动物健康营养理论核心理念的主要内容可以概括为以下几点:
1) 动物维持生命的必要条件就是内环境的稳定性。这种稳定性常表现在动物体内各种重要物质与生理功能的动态稳衡性维持正常,其中包括自由基动态稳衡性, 它是维持机体稳态的重要调节机制,一旦失衡且机体自身和人为干预失效时,就会出现氧化应激,继发一系列的异常反应,最终使健康受到影响,引发疾病,甚至危及生命。
2) 自由基稳衡态失衡不是局部的孤立现象,而是一个与机体健康密切交织在一起的整体生理过程,由自由基稳衡态失衡主导的三方联动效应的整体运作状况最终决定氧化应激、炎症和免疫功能失衡是否影响动物健康状况的走向和最后结局。导致动物亚健康态的核心机制是由自由基稳衡态失衡主导的三方联动效应,同时也是动物疾病,特别是非传染疾病发生的根本原因。
3) 在这三方联动效应中,自由基稳衡态失衡占据主导地位,炎症反应是以自由基稳衡态失衡主导的联动效应的重要一方,免疫应激是参与以自由基稳衡态失衡主导的联动效应的另一个重要一方。由自由基稳衡态失衡主导的三方联动效应链是一个闭合的路径圈,一个环节的诱因会引发整个链产生整体联动反应,甚至出现重叠反应,在干预失效后就会向有害健康的方向继续发展,直至诱发慢性疾患。
4) 由自由基稳衡态失衡主导的三方联动效应链具有共同的运作平台和相互密切联系的共同运行机制,其中NF-κB信号通路是连接免疫系统和抗氧化的重要枢纽,NF-κB同时可以被多种病理因素激活,参与调控众多炎症因子基因表达,是多种促炎症基因转录的必需因子,而Nrf2-ARE信号通路是机体抗氧化应激的主要承担者,是保护细胞免受外源性刺激和氧化损伤的主要信号通路。这2个信号通路是由自由基稳衡态失衡主导的三方联动效应链产生系统整体联动反应的分子机制。
5) 氧化应激和炎症通常是畜群出现健康问题的2个重要引爆点,其中氧化应激是源头引爆点。
6) 干预和预防由自由基稳衡态失衡主导的三方联动效应是健康营养理论和技术体系的核心内容。预防、治疗与氧化应激、炎症和免疫功能失调有关动物健康问题不能单打一,各自为战,必须根据由自由基稳衡态失衡主导的三方联动效应链的系统整体联动反应的学术观点,从抗氧化应激、抗炎和免疫调节3个方面整体运作,进行“体系”作战。

3.2 健康养殖营养预防和干预技术
健康养殖营养预防和干预技术有3个方面,分别叙述如下:
3.2.1 充分调动机体自我防御功能,把住维护动物健第1关

动物机体内部存在强大的自我防御功能,构建起维护机体健康第1道防线。这一自我防御功能就是机体生理功能动态稳衡性,其中诸如核与线粒体的DNA修复、蛋白质修复、损伤愈合和组织再生、免疫功能和抗氧化防御体系等。在机体自我防御功能中,最具有全局影响的2个体系就是控制自由基动态稳衡的抗氧化防御体系和免疫防御体系。已知在动物机体内部存在降低自由基危害的4道防线:1)第1道防线——细胞色素氧化酶机制。在长期进化过程中,一切需氧生物发展形成了一条十分复杂又精巧、由细胞色素氧化酶参与的细胞呼吸链,其可避免ROS的产生,这是清除自由基最彻底的防御系统。机体从空气中吸入的分子氧95%以上经线粒体中细胞色素氧化酶直接还原为水,与此相耦联通过氧化磷酸化作用产生了可供机体利用的能量;另外5%的氧通过非酶途径生产了ROS。2)第2道防线——抗氧化酶机制。尽管有第1道防线,即使在正常机体中仍有3%~5%的O2由线粒体泄漏的电子生成O2-,在一些病理条件下会产生更多的O2-。能清除ROS的酶称之为抗氧化酶,它们是抵抗自由基危害的第2道防线。3)第3道防线——清除剂机制。清除剂也常常称之为抗氧化剂, 机体内固有的清除剂称之为内源性抗氧化剂,有别于由饲粮或药物从外界摄入的外源性抗氧化剂,其作用机制是直接还原自由基,通过增强抗氧化酶活性,迅速消灭自由基。这是抵抗自由基危害的第3道防线。4)第4道防线——修复机制。即使机体内有上述3道防线防御自由基的侵害,但是自由基损伤还是防不胜防,不断发生,显然仅靠上述清除机制还不够十分保险,为此动物机体又发展形成了一套对已遭受自由基损伤的物质的修复机制。这一套系统执行2种功能:一是把已损伤的物质搬走或清除,主要是把受伤害的物质降解成简单物质变成供修复用的材料;二是把这些原料重新合成原来的物质,这一步才是真正意义上的修复。这4道防线担负着机体抗氧化应激的自我防御功能。

在给动物提供营养物质供给时不仅要能满足动物机体生长发育的自身需要,而且还要能满足机体担负起保护自身健康的防御功能需要。现代动物营养学必须建立起一个完整的保护自我防御功能营养物质供给技术体系。为了满足机体自我防御功能的需要,必须采用系统整体的营养物质供给方案。首先,要通过饲粮优化设计满足机体全面、充足、平衡的基本营养物质需求;其次,要确保具有防御功能的微量营养物质和超微量营养活性物质供给,以提升动物内外源防御功能,并在此基础上针对特殊饲养条件和特定的生理阶段提供个性化的营养物质供给方案。
3.2.2 充分利用具有防御功能的微量营养物质和超微量营养活性物质资源,提升动物外源防御功能

在营养学中,我们熟知的微量营养物质是指维生素与微量矿物质元素。长期以来,营养研究关注的是它们对代谢调节作用方面,近年来对于维生素和微量矿物质元素抗氧化作用的深入研究揭示了它们在动物体内的防御性的新功能,其中硒最重要的作用是清除ROS自由基功能;锌和铜是铜锌超氧化物歧化酶(Cu/Zn-SOD)的必需组成成分,作为细胞与自由基反应的第1道防线;锌的抗氧化作用的第2个机制是阻断金属离子的氧化还原反应(如铁和铜离子),在蛋白质内部防止巯基基团的氧化;锌通过金属硫蛋白(MT)发挥抗氧化作用;铜作为铜蓝蛋白、Cu/Zn-SOD等酶类的重要辅基参与机体的抗氧化作用;铜还可诱导多种组织内金属硫蛋白的合成;锰离子主要参与锰超氧化物歧化酶(Mn-SOD)组成,作为线粒体内的抗氧化酶,对机体抗氧化损伤起着重要作用。维生素A、维生素E、维生素C和叶酸都是最重要的具有防御功能的微量营养物质。关于超微量营养活性物质的有关内容参见卢德勋。

3.2.3 充分发挥营养管理技术潜力,为动物健康保驾护航

在动物养殖中优化饲粮设计和优化的营养物质供给是健康养殖的根本条件,但是这2个方面并不是万能的,没有科学的营养管理技术做保障也是无法达到健康养殖的目标的。动物健康养殖的营养管理措施着重考虑以下2个方面:一是根据动物生理阶段,重点、有序地保证在特定的阶段通过分群管理采取必要的营养管理措施,比如幼畜阶段和母畜围产期;二是尽最大可能防止各种损伤发生,特别是减少外环境通过呼吸道、消化道和皮肤而引起的损伤。饲粮和饮水中的有毒有害物质,比如杀虫剂、除草剂、重金属等都会对动物健康造成不利影响。当这些有毒有害物质进入动物体内时,动物首先启动免疫系统来保护自己,而免疫系统在抵抗这些有毒有害物质时会大量消耗营养物质,为了保持其强大的防御功能,对免疫系统提供全面、充足、平衡的营养物质供应是健康养殖中最重要的营养策略。现代养殖业面临环境污染和气候变化异常对动物健康的伤害比过去大为增加,我们需要在健康管理中采取更多有效技术措施,给动物创造一个相对舒适、友好的养殖环境。

在养殖业中通常采用的营养管理技术主要有分群技术、母畜围产期营养特殊管理技术、抗冷热应激营养特殊管理技术、高产动物营养特殊管理技术、幼畜营养特殊管理技术;此外,对于动物健康管理还有其他一些重要措施其中包括构建强大而有效运作的健康保障体系、建立完善而严格的防疫保障体系、构建完善的畜舍设备和卫生保障体系、严格执行动物健康状况检测技术体系和建立健全完整的生产记录和健康记录制度。

4、动物健康营养技术体系

动物健康营养技术体系由动物健康状况检测技术、动物健康管理营养工程技术体系和牧场动物健康管理技术3项技术组成。

4.1 动物健康状况检测技术
1) 机体自由基动态稳衡性检测技术。自由基动态稳衡性检测技术涉及自由基产生量、清除自由基的能力、自由基的生理作用和自由基对重要生物分子的损伤及其修复等方面。目前自由基动态稳衡性检测技术侧重于清除自由基的能力(如抗氧化酶活性或抗氧化物含量)和自由基损伤或修复中的产物。自由基动态稳衡性测定的一般方法主要有4种:检测脂质过氧化终末产物水平、Cu, Zn-SOD的纯化与活性检测、过氧化氢酶的纯化与活性检测、谷胱甘肽过氧化物酶活性的检测。自由基动态稳衡性测定的特殊方法主要有5种:总抗氧化酶活性的检测、血清中蛋白质羰基含量的检测、尿中8-OH脱氧鸟苷排出量的检测、血中谷胱甘肽和氧化型谷胱甘肽含量的检测和血清中ROS代谢物含量的检测。
2) 评估动物机体氧化应激状态的检测技术。主要有超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶等活性测定;全血细胞内谷胱甘肽和还原型谷胱甘肽含量的测定;尿液或血清中的脂质过氧化物(TBARS)含量和尿液中8-羟基-2-脱氧鸟苷(8-OH-2DG)含量的测定。
3) 肠道健康状况评定技术。主要有肠绒毛高度/隐窝深度比值(V/C)、肠道通透性评价、肠道免疫功能评价和肠道菌群结构及多样性评价等。
4) 免疫平衡评定技术。CD4/CD8的比值和Th1/Th2的比值评定等。
5) 炎症反应水平评定技术。炎症反应启动和发展主要取决于促炎因子与抗炎因子平衡。促进炎症反应发生或增强炎症反应过程的生物分子为促炎因子,减轻炎症反应甚至终止炎症反应的生物分子为抗炎因子。促炎因子常见的有激肽、组织胺、白细胞介素-1、白细胞介素-2、白细胞介素-6、前列腺素、花生四烯酸、α-肿瘤坏死因子、5-羟色胺等。抗炎因子有白细胞介素-4、白细胞介素-10、转化生长因子等。炎症水平评估包括白细胞介素-6、白细胞介素-8、C-反应蛋白、α-肿瘤坏死因子等促炎因子指标评定。
4.2 动物健康管理营养工程技术体系

在《系统动物营养学导论》中,本人首次提出一种系统集成型营养调控技术模式。这一技术模式又称营养工程技术。所谓“动物营养工程技术”,简单地说就是在对动物营养系统进行整体调控的系统工程中,将本人提出的动物健康营养理论和技术用于动物饲养实践的成套实用营养技术体系。这一技术模式具有营养调控优先、灰箱性质、综合技术、系统集成、动态优化、检测-决策-预测三位一体和技术决策和运行的精准性等技术特征。本人这里提出的动物健康营养管理工程技术体系是实现动物健康决策目标进行“体系”作战技术模式,是系统动物营养学科体系内动物营养工程技术家族的新成员。

动物健康管理营养工程技术体系涉及的具体营养策略技术措施包括以下内容:
1) 将动物健康作为四大饲养决策目标中核心目标,与其他3项决策目标进行统筹,实现饲养决策目标总体优化;
2) 在坚持并充分调动动物营养自我调控功能和积极发挥内外源营养活性物质调节功能的前提下,通过饲粮优化设计技术实施营养物质供给技术干预;
3) 通过营养管理技术实施包括营养健康管理技术在内的营养管理技术干预;
4) 对动物健康状况进行全面、实时检测,科学地按照由自由基稳衡态失衡主导的三方联动效应科学理念对氧化应激—炎症—免疫功能失调链进行健康管理干预;
5) 利用营养工程技术的系统集成、动态优化技术特征对动物健康管理营养技术所涉及的营养策略进行实时预测和动态优化,进行“体系”作战,利用营养工程技术的“导弹智能化”动态优化功能达到精准营养效果。
动物健康管理营养工程技术体系的具体运行模式如图 1。
图 1 动物健康管理营养工程技术体系系统集成运行模式
Fig. 1 Integrated operation mode of animal health management nutrition engineering technology system

4.3 牧场动物健康管理技术
牧场动物健康管理技术包括以下4个方面内容:
1) 牧场动物健康状况档案信息采集。档案信息内容包括种畜健康状况、全场健康检验检查报告、健康处置和治疗记录等。
2) 全场动物健康状况评估预测。由兽医和营养专家组成的专家组共同对全场饲养动物健康状况及未来3~5年出现健康问题的危险程度与其相关的危险因素分析和预测。
3) 牧场动物健康管理的保护。设计动物健康指导方案;对牧场动物提供健康状况跟踪与干预服务。
4) 牧场健康管理的评估。从车间到牧场和个体到群体2个层次对上述全面系统的健康管理服务进行评估,帮助牧场改善不合理的饲养管理方式,降低危险因素,从而有效地预防疾病,改善全场科学饲养水平,全面提升动物健康水平和养殖效应。
牧场动物健康管理重点关注的4个群体有:幼畜、种公畜、高产母畜,特别是围产期母畜和特殊健康问题畜群或个体。

5、小结

健康养殖是现代养殖业实现可持续发展的前提,而科学的营养策略是保障动物健康和预防疾病发生的根本技术手段,是生产动物源性食品的理想技术方案。实现健康养殖关键在于转变观念,在于确立健康养殖技术的系统观,树立并根植现代多元饲养科学决策观。

卢德勋在汲取Adams博士提出的NbH技术策略的科学内涵基础上,运用系统科学思维方式,对健康养殖的营养技术策略进行了重大创新,取得了跨越性发展成果。在动物营养学领域,卢德勋首次提出一系列动物健康营养理论的新理念,特别是开创性提出要把健康营养干预的重点放在导致动物亚健康态的核心机制即由自由基稳衡态失衡主导的氧化应激—炎症—免疫失衡链三方联动反应进行对疾病,特别是非传染性疾病预防和治疗方面,为健康养殖的营养理论和实践奠定了科学基础。卢德勋首次提出通过动物营养工程技术体系,进行“体系”作战的动物健康管理营养工程技术模式。这一重大的创新成果进一步丰富和发展了卢德勋创立的系统动物营养学理论和技术体系,具有重大的理论和实践价值。它指明了实现健康养殖的战略决策目标的正确方向,提出了一个科学的健康养殖的营养解决方案,是一项具有开创性价值的贡献。本文介绍的这项成果的主要创新点是:
1) 动物健康营养理论和技术体系是系统营养学中动物营养工程技术家族的新成员。它的提出是动物营养学创新发展在战略方向上的重大突破。
2) 动物健康营养理论和技术体系的核心理念实现了由“三方联动论”第1版(2018)向“三方联动论”第2版(2020)升级。首次提出由自由基稳态失衡为主导三方联动效应揭开了病理条件下营养代谢基本特征,为健康干预技术提供了正确的方向。
3) 将传统的营养物质功能由底物功能和调节功能扩展为包括防御功能在内的三大功能。
4) 首次将饲粮营养活性物质主效因子测定和分析列入饲粮优化设计。
5) 首次将健康干预技术列入动物健康营养理论和技术体系内。
6) 打通了传染性疾病和非传染性疾病联系通道,建立起全方位健康管理的营养理论框架。
7) 首次提出要“充分调动机体自我防御功能, 维护动物健康第1关”的重要论述。
8) 动物健康营养理论和技术体系的提出为从根本上解决长期困扰现代养殖业随着生产水平提高畜产品品质下降的世纪难题创造了可能。
最后需要特别指出的是目前本人推出的动物健康管理营养工程体系仍然属于框架性技术成果,所涉及的技术内容需要在实践中不断创新、不断充实和完善。我们完全深信,这一战略方向上的创新成果在未来一定会大放异彩。

参考文献:略
来源:动物营养学报

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