牛血清素代谢物的瘤胃代谢研究

《Domestic Animal Endocrinology》：Ruminal metabolism of serotonin metabolites in cattle

　　

摘要
肠道微生物对5-羟色胺（5-HT）的代谢已在多个物种中得到证实。然而，关于瘤胃微生物群对5-HT代谢的信息仍然有限。本研究旨在评估牛口服5-羟色氨酸（5-HTP）后，5-HT相关代谢物的瘤胃代谢及其循环浓度的后续变化。研究人员通过体外孵育瘤胃液与5-HTP（100 μM）、5-HT（100 μM）或5-羟基吲哚乙酸（5-HIAA；100 μM），评估这些化合物的降解与代谢转化。在体内实验中，奶牛经口给予0或10 mg/kg体重的5-HTP，并在给药后多个时间点收集瘤胃液和血液样本。体外孵育中，5-HTP快速消失，60 min后显著减少，480 min时完全消失，但5-HT浓度并无相应增加；然而，5-HIAA浓度有所升高。瘤胃液中孵育5-HT仅引起5-HIAA浓度的轻微且短暂升高。口服5-HTP增加了瘤胃中色氨酸、5-HTP、5-HT和5-HIAA浓度的曲线下面积（AUC）。摄入5-HTP提高了瘤胃中5-HT和5-HIAA的浓度。此外，血清5-HT和5-HIAA浓度的AUC亦有所增加。瘤胃微生物可快速代谢游离5-HTP，导致5-HT生成效率较低；然而，这一过程仍对宿主体内循环5-HT浓度具有显著贡献。

**论文解读：牛血清素代谢物的瘤胃代谢研究**

**一、研究背景与科学问题**

血清素（5-羟色胺，5-HT）是一种在生物体内广泛分布的重要生物活性胺，参与调控包括行为、采食量、能量平衡、炎症反应、矿物质稳态和胃肠道运动在内的多种生理过程。内源性5-HT的合成始于色氨酸经色氨酸羟化酶催化转化为5-羟色氨酸（5-HTP），随后由芳香族氨基酸脱羧酶将5-HTP脱羧生成5-HT。由于色氨酸羟化酶活性的限速特性以及色氨酸向其他代谢途径的分流，直接补充色氨酸并非提高5-HT生成的最有效策略。相比之下，5-HTP作为5-HT的直接且唯一前体，不参与其他生化途径，因此被认为是调控5-HT代谢的理想药理学或营养学干预手段。

已有研究表明，调控5-HT在反刍动物中可产生健康和生产效益，包括影响采食量、泌乳期肝脏适应、预防低钙血症、改善生长性能、能量代谢及肉品质等。然而，关于5-HT前体5-HTP经口服给药后在瘤胃环境中的代谢命运及其潜在相互作用，尚未完全阐明。除动物体内合成外，5-HT广泛存在于植物、真菌和细菌中，肠道微生物群能够代谢色氨酸，从而参与5-HT及其他生物活性代谢物的合成。来自人类和实验动物的证据表明，肠道微生物群组成的变化可影响5-HT信号通路。然而，关于反刍动物瘤胃微生物对5-HT的代谢及其相应宿主反应的信息仍十分有限。因此，本研究旨在评估牛口服5-HTP后，5-HT相关代谢物的瘤胃代谢情况以及循环浓度的后续变化。

**二、主要技术方法**

本研究采用体外与体内相结合的实验策略。体外实验中，研究人员以3头装有瘤胃瘘管的泌乳荷斯坦奶牛作为瘤胃液供体，采集瘤胃内容物制备孵育液，分别添加5-HTP、5-HT、5-HIAA及其混合物（终浓度均为100 μM），在39 °C、CO₂饱和条件下进行厌氧振荡孵育，于0、30、60、120、240和480 min时间点取样，采用高效液相色谱（HPLC）配荧光检测器测定代谢物浓度。体内实验中，采用3头装有瘤胃瘘管的经产泌乳荷斯坦奶牛（体重757.3 ± 37.0 kg，泌乳天数150 ± 30天，产奶量29.8 ± 8.9 kg/d），按转换设计进行两轮重复实验，每轮间隔14天。奶牛经口饲喂0或10 mg/kg体重的5-HTP（与100 g精料混合后撒于全混合日粮表面），于给药后多个时间点采集瘤胃液和尾根静脉血样，同样采用HPLC进行代谢物定量分析。统计方面，体外数据采用包含处理、时间及交互效应的混合模型分析，体内数据采用包含处理、时间、时期、动物和实验随机效应的混合模型分析，处理间比较采用Fisher最小显著差数（LSD）法，显著性水平设定为P ≤ 0.05。

**三、研究结果**

**3.1 体外代谢评估**

对照处理（不含瘤胃液的孵育体系）中，5-HTP、5-HT和5-HIAA在480 min内未发生可检测的降解，表明这些化合物在中性pH、CO₂饱和及避光条件下具有稳定性，因此孵育过程中代谢物的变化可归因于微生物活动。空白瘤胃液中5-HTP、5-HT和5-HIAA的平均浓度分别为2.62、2.74和2.38 μM。将5-HTP添加至瘤胃液后，其浓度迅速下降，60 min时显著低于对照，480 min时降至与空白处理相似的水平。然而，5-HTP的消失并未伴随5-HT浓度的相应升高；相反，5-HIAA浓度在120 min后开始增加，240 min后达到平台期。将5-HT添加至瘤胃液后，5-HTP浓度未发生改变；5-HT浓度在240 min前与对照相似，480 min后出现下降；5-HIAA浓度在孵育120 min前出现轻微升高，240 min后恢复至基线水平。将5-HIAA添加至瘤胃液后，5-HTP和5-HT浓度均未受影响，而5-HIAA浓度随时间持续下降，480 min时降至基线浓度的61.4%。

**3.2 瘤胃代谢**

口服5-HTP增加了瘤胃液中色氨酸、5-HTP、5-HT和5-HIAA浓度的曲线下面积（AUC）。色氨酸浓度在给药后升高，两种处理均在约60 min时达到峰值，但5-HTP处理组表现出更为显著的升高幅度和更缓慢的下降趋势。瘤胃5-HTP浓度在采食后30 min达到峰值，120 min后迅速下降，360 min时恢复至基线水平。瘤胃5-HT浓度在5-HTP摄入后60 min开始升高，120 min达到峰值，随后缓慢下降，在480 min观察期内始终保持高于基线水平。5-HIAA浓度在给药后15 min即开始升高，120 min达峰，360 min时恢复至与对照处理相似的水平。

**3.3 血液代谢物**

血清色氨酸和5-HTP的AUC未受5-HTP添加的显著影响。相比之下，血清5-HT和5-HIAA浓度的AUC在给予5-HT前体后显著增加。处理与时间之间对血清5-HTP和5-HIAA浓度存在交互作用。240 min时，5-HTP处理组血清5-HTP浓度高于对照组，但在480 min时两组间差异消失；而5-HIAA浓度在5-HTP处理组持续保持较高水平。血清色氨酸浓度在两组间无显著差异。5-HTP处理组血清5-HT和5-HIAA浓度升高，且在480 min后仍维持较高水平。

**四、讨论与结论**

本研究证明，瘤胃微生物群在血清素代谢中发挥重要作用，进而影响宿主体内循环代谢物的谱型。体外实验中5-HTP的快速消失表明其被微生物迅速代谢，但未伴随5-HT浓度的显著增加，提示瘤胃环境中存在与5-HT生物合成相互竞争的替代生化途径。5-HIAA在5-HTP添加后的升高以及5-HT的缺乏显著变化，表明氧化途径可能参与了瘤胃中5-HTP的转化。瘤胃微生物对5-HT的降解速率相对较低，这种有限的微生物降解可能使一部分5-HT保留下来供宿主吸收。5-HIAA在瘤胃条件下消失缓慢，提示该代谢物既未被大量利用也未被快速氧化。

口服5-HTP后瘤胃色氨酸浓度的升高可能与5-HT合成途径的反馈抑制有关：瘤胃中升高的5-HTP可能触发色氨酸羟化酶的反馈抑制，减少日粮色氨酸向5-HTP的转化，从而导致色氨酸在瘤胃中的积累。与动物体内仅约1–2%的膳食色氨酸转化为5-HT不同，瘤胃微生物可能将更大比例的色氨酸用于5-HT相关代谢。

血清5-HTP AUC未发生改变而仅在240 min观察到浓度显著升高，表明5-HTP经瘤胃上皮的吸收有限或可忽略。绕过瘤胃的5-HTP可能在小肠中被转化为5-HT。血清5-HT的持续升高时间超过瘤胃中的升高持续时间，可能与体内的生理保护机制有关——5-HT被隔离到细胞内囊泡（尤其是血小板和肠嗜铬细胞）中，从而避免被单胺氧化酶（MAO）快速降解。

与Valente等（2021a）报道的经皱胃灌注1 mg 5-HTP/kg BW后血清5-HT AUC增加98%相比，本研究以10倍剂量口服给药仅使血清5-HT AUC增加72%，表明瘤胃微生物会导致未受保护的5-HTP大量降解，从而显著降低其全身利用率。血清5-HIAA AUC的增加幅度远大于血清5-HT的增加幅度，且与瘤胃中这些代谢物的浓度一致，提示瘤胃来源的5-HIAA可能被肠道吸收并进入循环。

研究结论：瘤胃微生物可快速代谢游离5-HTP，导致5-HT生成效率较低；然而，这一过程仍能对宿主体内循环5-HT浓度产生显著贡献。5-HTP的微生物分解代谢似乎涉及次要途径，从而最大限度地减少了5-HT的形成。