围产期氧化与炎症状态及其与能量代谢和产奶性能的关联研究

《Journal of Dairy Science》：Periparturient oxidative and inflammatory status and their relation to energy metabolism and performance in transition dairy cows

本研究针对奶牛围产期生理挑战，通过多变量聚类分析揭示了氧化状态（HAA80%/LAA80%）与炎症状态（APR/non-APR）的异质性特征。结果表明抗氧化能力受损的LAA80%组呈现更高血酮（BHBA）水平和更低产奶量，而临床健康但存在急性期反应（APR）的奶牛仍能维持正常生产性能。该研究为通过早期监测氧化/炎症指标预防代谢疾病提供了新视角。

　　

对于高产奶牛而言，从怀孕到泌乳的过渡期（围产期）是一个充满生理挑战的关键阶段。在此期间，奶牛需要应对能量代谢应激、氧化应激以及可能超出正常生理适应范围的炎症反应等多种压力。如果奶牛无法有效适应这些变化，就会增加罹患疾病的风险，不仅影响动物福利，也会降低牧场的经济效益。因此，深入理解围产期奶牛体内复杂的生理状态变化，并找到早期识别高风险个体的方法，对于保障奶牛健康和提高生产效益至关重要。

以往的研究已经分别关注了围产期奶牛的氧化状态或炎症状态。氧化应激是由于活性氧（ROS）的产生与机体抗氧化防御能力之间的失衡所导致的。在奶牛中，围产期普遍存在氧化应激，其特征通常是血浆超氧化物歧化酶（SOD）活性降低，同时氧化应激标志物如丙二醛（MDA）浓度升高。另一方面，炎症反应在临近分娩的奶牛中几乎普遍存在，这可能由组织重塑等非病原性因素或细菌感染等病原性因素引起。急性期反应（APR）是机体对炎症的一种系统性反应，其特征是正急性期蛋白（APP），如结合珠蛋白（Hp）和血清淀粉样蛋白A（SAA）的上调，以及负急性期蛋白如白蛋白的合成减少。这些APP常被用作奶牛系统性炎症的标志物。

然而，无论是抗氧化系统还是炎症系统都非常复杂，很难为“氧化状态升高”或“炎症”设定一个明确的判断阈值。这限制了识别那些具有较高风险出现围产期问题的奶牛的能力。为了解决这个问题，研究人员开始采用能够综合考虑这些生理反应多维性的多变量聚类分析方法。此前，已有研究分别应用聚类方法对奶牛的氧化状态或炎症状态进行分组研究，但尚未有研究在同一数据集上分别基于氧化状态和炎症状态进行聚类，并联合解读它们之间的关系。此外，之前的研究都是在单一牧场进行的，其结果在其他牧场的适用性尚不明确。

为此，发表在《Journal of Dairy Science》上的这项研究，旨在另一个牧场验证先前报道的聚类分析方法，以识别在氧化或炎症状态上存在差异的奶牛。同时，研究还试图探究这些差异在产前是否已经显现，并评估它们与围产期代谢和生产性能的关联。

为了开展这项研究，研究人员在比利时的一家研究牧场进行了动物实验。研究最终纳入了57头经产荷斯坦奶牛（共66个泌乳期）的数据，这些奶牛在产前7天和产后21天均具有完整的氧化和炎症状态相关变量的检测结果。研究团队在产前7天以及产后第3、6、9和21天采集了血液样本，用于分析代谢标志物，包括β-羟丁酸（BHBA）、非酯化脂肪酸（NEFA）和胰岛素。此外，还在产前7天和产后21天检测了氧化变量（红细胞中氧化型谷胱甘肽占总谷胱甘肽的比例[GSSG%]、谷胱甘肽过氧化物酶[GPx]和超氧化物歧化酶[SOD]的活性、丙二醛[MDA]浓度和氧自由基吸收能力[ORAC]）以及急性期蛋白（APP，包括Hp和SAA）和白蛋白与球蛋白的比值（A:G）。

在数据分析方面，研究人员采用了两种关键的聚类技术。首先，他们使用模糊C均值聚类（Fuzzy C-Means Clustering）方法，基于产后21天的5个氧化状态变量（GSSG%、GPx、SOD、MDA、ORAC），将奶牛划分为两个群体：较低抗氧化能力组（LAA_80%, n=27）和较高抗氧化能力组（HAA_80%, n=14），其中80%是设定的聚类成员隶属度阈值。随后，他们使用K中心点聚类（k-medoids Clustering）方法，基于产后21天的3个APP变量（Hp、SAA、A:G），将临床健康的奶牛分为两组：表现出急性期反应的群体（APR, n=13）和无此反应的群体（非APR, n=41）。此外，将在围产期出现一种或多种临床疾病的奶牛（n=12）单独列为疾病组。通过线性混合模型等统计方法，比较了不同组别奶牛在血液生化指标和生产性能上的差异。

聚类基于氧化状态

研究结果显示，通过模糊C均值聚类成功地将奶牛区分为HAA_80%和LAA_80%两组。在产后21天，HAA_80%组表现出显著更高的ORAC水平和更低的MDA浓度，这表明该组奶牛具有更强的整体抗氧化能力和更低的脂质过氧化程度。值得注意的是，在产前7天，HAA_80%组中的第二胎奶牛就已经显示出比LAA_80%组同胎次奶牛更高的ORAC，提示抗氧化能力的差异可能在产前就已存在，并且与胎次有关。

不同抗氧化能力组奶牛的炎症状态

分析不同抗氧化能力组奶牛的炎症指标发现，在产后21天，HAA_80%组和LAA_80%组之间的APP（Hp, SAA）和A:G比值总体上没有显著差异。然而，存在一个显著的组别与胎次的交互作用：在第二胎奶牛中，HAA_80%组的Hp浓度有高于LAA_80%组的趋势，而在胎次≥3的奶牛中则观察到相反的趋势。这表明氧化状态与炎症状态的关系可能受到胎次的影响，但两者在系统水平上的直接关联相对较弱。

k-中心点聚类基于炎症状态

通过K中心点聚类，研究人员成功地从临床健康的奶牛中识别出APR组和非APR组。正如预期，在产后21天，非APR组表现出最低的SAA和Hp浓度以及最高的A:G比值，而APR组则表现出显著的急性期反应特征（高SAA、高Hp、低A:G）。疾病组的APP水平介于两者之间或与APR组相似。更重要的是，在产前7天，非APR组的SAA浓度就已经显著低于APR组和疾病组，这表明产前的炎症状态（特别是SAA水平）可能对产后炎症状态和健康状况具有预测价值。

不同炎症状态和疾病组奶牛的氧化状态

当比较不同炎症状态组和疾病组的氧化指标时，发现在产后21天，疾病组的GPx活性显著高于APR组和非APR组。GPx活性在围产期通常会因氧化应激而升高，并在产后逐渐恢复。疾病组在产后21天仍保持较高的GPx活性，可能暗示其抗氧化系统受损或恢复延迟。此外，在产前7天，APR组的ORAC水平显著高于非APR组，其原因尚不完全清楚，可能反映了机体在炎症启动前的某种代偿性准备。

不同组别奶牛的代谢状态

代谢指标的分析揭示了重要的发现。在基于氧化状态的分组中，LAA_80%组在整个围产期的血液BHBA浓度显著高于HAA_80%组，这表明抗氧化能力较低的奶牛经历了更严重的能量负平衡和脂肪动员。然而，在临床健康但炎症状态不同的奶牛中（APR vs. 非APR），BHBA和NEFA浓度没有显著差异。这意味着非病原性引起的炎症（如组织重塑）可能是围产期代谢适应的正常组成部分，只要不发展为临床疾病，未必会直接导致严重的代谢紊乱。相比之下，疾病组则表现出最高的BHBA浓度，明确了临床疾病与严重代谢应激的关联。

不同组别奶牛的生产性能

生产性能的结果颇具启发性。在氧化状态分组中，HAA_80%组在产后5至21天的产奶量显著高于LAA_80%组，并且LAA_80%组的乳脂率更高，这与该组更高的BHBA水平（常与酮病相关）相一致。在炎症状态分组中，尽管APR组存在明显的炎症反应，但其产奶量与non-APR组没有显著差异，并且两者都显著高于疾病组。这表明，只要奶牛保持临床健康，即使存在一定程度的系统性炎症，仍然可能维持较好的产奶性能。APR组奶牛在产后6天左右出现数值上更高的BHBA峰值，并持续较高，这可能是一种策略性的体脂动员，以将葡萄糖更多地用于泌乳，是一种生理性适应。当然，疾病组则表现出最低的干物质采食量（DMI）和产奶量。

综上所述，这项研究成功地在另一个牧场验证了多变量聚类分析方法可用于识别围产期奶牛在氧化状态和炎症状态上的异质性。研究发现，产前较高的SAA水平可能与产后较高的炎症状态和疾病风险相关。更重要的是，研究揭示了氧化状态和炎症状态对奶牛健康和生产性能的不同影响模式：抗氧化能力受损（LAA_80%）与更明显的能量代谢应激（高BHBA）和较低的产奶量直接相关；而临床健康但存在急性期反应（APR）的奶牛，虽然显示了炎症激活，但其代谢指标和生产性能并未受到显著影响，暗示机体可能对此有一定的适应能力。当然，一旦发展为临床疾病，则各项指标均显示恶化。

这些发现具有重要的实践意义。首先，它强调了同时监测氧化和炎症状态的必要性，因为它们提供了互补的信息。其次，研究提示，针对抗氧化能力的支持（例如通过营养干预）可能对改善能量代谢和提升产奶量有直接帮助。而对于那些表现出炎症但无临床症状的奶牛，需要更细致的观察和管理，以预防其向临床疾病发展。最后，产前SAA等炎症标志物的监测可能有助于早期识别高风险个体，从而实现精准管理和干预。由于所有奶牛饲喂相同的日粮，未来研究可以探索通过日粮策略（如增加抗氧化物质供应）、密切监测采食量以及对高危奶牛进行针对性的抗氧化补充，来帮助缓解围产期代谢应激，支持生产性能。