F. J. Mueller

Kalmbach Feeds Inc., Upper Sandusky, OH
J. K. Miller, M. H. Campbell
Department of Animal Science
The University of Tennessee, Knoxville
F. C. Madsen
Suidae Technology, Greensburg, IN

巫立新译

介绍

临产前期对奶牛健康是特别重要的。这个时期乳房水肿健康问题的出现是过多的细胞间液在乳房血管外空间和相邻的组织积累的结果。乳房水肿的出现在不同的个体差异很大，对所有产犊牛观察其发生率范围从18%~96%(Al-Ani and Vestweber, 1986)。尽管缺乏特殊的照顾、管理问题和可能的永久性损伤，产后肿胀通常会缩小(Vestweber and Al-Ani, 1983)。

乳房水肿的生理机制

血管内和间隙的液体

一个世纪前，Starling (1896)就描述了液体活动在血管内和邻近组织之间调节的基本原理。在102年之间已经确定：在细胞内和间隙内的液体溶质的相关浓度显著地影响胶质的压力、液体的滞留和水肿(Mobarhan, 1988)。液体在血管和细胞间液之间的活动受流体静压力和渗透压之间平衡的控制(Staub, 1978)。当压力和渗透压两者都正常，内皮的屏障限制液体和溶质在两者之间的转移。Starling’s (1896) 和Vestweber and Al-Ani (1983, 1984)一致的解释显示：液体从血管内转运到细胞间隙受流体静压或血管通透性任何一个控制。

Vestweber and Al-Ani (1983)已经就水肿形成的基本原理做了回顾。降低血浆胶质压力、增加毛细血管血液压力、淋巴液的排放受阻和钠水潴留被认为是普遍的水肿原因。当局部的毛细血管压力增加或淋巴液排放受阻，也可能会引发局部的乳房水肿。

流体静压

头胎牛比经产牛的乳房水肿发生率多且持续时间相对较长，可能的原因是小母牛的血液循环系统还没有发育好(Emery et al., 1969)。血管的突然变化出现在小母牛第一次怀孕稍晚的阶段。在产犊前两周乳腺血流量至少增加三倍(Al-Ani and Vestweber, 1986)。Vestweber 和 Al-Ani (1985)用八头乳房水肿牛与三头对照牛比较牛奶静脉血压。在临产前两周到分娩时，水肿奶牛的静脉血压增加大约35%，但没有水肿的奶牛保持不变。在分娩时，水肿奶牛乳腺血流量平均只有对照组奶牛的85%。看来，升高动脉血流到乳房的量与减少从乳房静脉血流量会提高毛细血管压力。

渗透压

由血清较高的蛋白质含量导致的渗透压与细胞间液（Vestweber和Al-Ani，1984）抑制流体静压有关。如果增加的流量没有被淋巴系统移出，静压增加没有渗透压相应的改变可能增加细胞间液的流量。此外，增加一些损伤内皮屏障的渗透性将使它不限制流体和蛋白质。由于降低血清中相对于间质液蛋白浓度而降低渗透压，可能允许流体静压转移流体到组织中。如果水肿液积聚的静压和渗透压确定，压力或血管通透性任何一个增加都可能导致水肿（vestweber和Al-Ani，1983，1984）。

血管通透性增加，被认为比静压增加对提高间质流体相对血清蛋白更有可能（Staub，1974）。因此，水肿奶牛细胞间液相对较高的血清蛋白，被认为是在乳房水肿的发生进程中对血管通透性变化作用较小的证据（Vestweber和Al-Ani，1984）。在临产前两周和奶牛产犊之间，9头水肿牛和3头非水肿牛的血清蛋白下降是相似的。不幸的是，细胞间质液比之于血清仅见于水肿的奶牛。

水肿的原因

虽然乳房水肿的确切原因尚未确定，一些生理因素和管理因素与其发生相关。易患病体质导致的水肿可能是遗传的、减少增加奇偶性和在年龄大的第一胎母牛更可能。临产期过量的能量摄入、钠或钾也可能增加水肿的可能性。这些因素的相关研究已被广泛审核（Al-Ani和Vestweber，1986；Vestweber和Al-Ani，1983），将不会在这里重复。当然，我们提出了有关乳房水肿与氧化应激假设。

氧化应激

在代谢中氧的部分还原

尽管氧是生命所必需的，它可以在一定的条件下有毒害作用。动物不是用饲料直接用于维持和生产的目的，而是首先转换成三磷酸腺苷（ATP），这是释放能量作为需求的形式。该过程如同从银行存款或取款，ATP即类似能量货币银行（Gutteridge and Halliwell，1994）。ATP通过氧化磷酸化过程产生，来自饲料的代谢产生的电子驱动该过程。这些电子的能量释放，是由动物细胞中的酶链来产生ATP。在链的末端，电子与氧结合形成完全还原的代谢产物水。呼吸空气的动物用氧气以这种方式接受电子取得了巨大的能量效率。

当氧气不完全还原成水时，问题可能会上升。据估计，有2至5%的电子可以从链的中间载体逃离，部分减少的氧变成自由基和超级氧化物（Levine and Kidd，1985）。其他来源的超氧阴离子（O2-）包含的机制：使用氧解毒身体的外来物质、其他的氧化酶和生物分子自发的非酶氧化物。任何增加代谢率或氧化酶的活性，可以增加氧气消耗量和转移电子数。快速增长、高的牛奶生产或过度暴露于黄曲霉毒素等会增加O2-的产生。超氧化物歧化酶可以进一步降低过氧化氢（HOOH）。O2-和HOOH是正常的代谢过程中不可避免的产物，如果代谢正常并不总是有害的。既不是O2-也不是HOOH充分地反应自行启动过氧化氢链，所以伤害他们被认为会导致其转换成更多的羟基自由基。正是这种转换，催化过渡元素尤其是铁，被认为具有氧化代谢的有害影响(Gutteridge and Halliwell, 1994)。

铁在氧化问题上扮演的角色

铁在控制生物氧化单电子转移的能力，我们知道这是生命必需的，但铁也起到了有害氧化反应的关键作用。铁通常是安全的、复杂的络合特定分子，它可以减少最初部分还原的氧代谢产物O2-和HOOH。在日粮不平衡、损伤或者伴随着产犊应激的状况下，催化铁的释放可能更多(Madsen et al., 1990)。过量摄入安全捆绑态的饱和铁也可能带来问题。当催化铁与O2-和HOOH接近时，O2-使Fe3+ 减少变成Fe2+分裂成一个氢氧根离子和一个非常具活性的羟基自由基。

羟基自由基的产生引起两种显著类型的危害(Gutteridge and Haliwell, 1994)。当羟基自由基在血浆中或在“自由池”其他地方生产，它可能成为过氧化物酶链的焦点破坏细胞和亚细胞膜。相比之下，催化铁与重要分子的非特异性有关，如酶，铁可能催化酶降解破坏分子的羟基自由基。

有效的氧结构防御作用

幸运的是，动物拥有非常有效的抗氧化体系，保护他们免受来自催化铁的活性氧代谢产物及其毒性的产物直接或间接导致的危害（Gutteridge and Halliwell,1994）。首先，O2-和HOOH被超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶转换成不与催化铁发生反应的形式。第二，铁被血浆铜蓝蛋白、复合安全的铁传递蛋白和乳铁传递蛋白氧化为活性较低的形式，以防止与O2-和HOOH发生潜在的反应而可能产生羟基自由基。第三，Zn2 +有一个外层电子类似物构造以防止重要的分子可能被催化铁变成Fe2+，但不参与电子转移（Bray and Bettger, 1990; Oteiza et al., 1995）。没有什么是完美的，所以尽管有上述的保护系统，一些O2 -和HOOH可能逃脱酶的控制，一些催化铁可能存在产生羟基自由基。 第四个层面的保护是由终止链式反应的分子构成的。蛋白质、主要的白蛋白（清蛋白）可能负责血浆中过氧化氢基团总量中一半的清除(Wagner et al., 1987)。其他的清除自由基物质包括：脂溶性α-生育酚、β-胡萝卜素、视黄酸及水溶性酚、抗坏血酸、尿酸(Gutteridge and Halliwell, 1994; Machlin and Bendich, 1987)。第五，当脂类被醛脱氢酶降解而分解为细胞毒素醛。一个案例是黄嘌呤氧化酶也帮助保持Fe在较低活性的三价铁结构(Emery, 1991)，由此保护减少等量的α-生育酚和其他抗氧化剂。

抗氧化剂的来源

乳铁传递蛋白、血浆铜蓝蛋白、血清白蛋白、抗氧化酶由内源生产，谷胱甘肽依赖于氨基酸吸收转化。一种氨基酸的充足供应又是依赖于瘤胃降解（氮和硫）和借助于能量供给而产生足够数量的逃逸蛋白以及适当的平衡。同时内源性的抗氧化剂也来源于辅酶Q和抗坏血酸，以及饮食必须提供的足够量和平衡的纤维和非铁碳水化合物。饮食必须提供对免疫功能有效的维生素A、α-生育酚（维生素E）、β-胡萝卜素，铜、锌、锰超氧化物歧化酶、硒谷胱甘肽过氧化物酶、铁过氧化氢酶、铁和钼黄嘌呤脱氢酶，Zn可取代催化铁，镁和锌可以稳定和维持细胞膜的完整性。

氧化应激和疾病

Pitzen（1993）采用促氧化剂-抗氧化剂比（PAR）评估最小化氧化应激及奶牛的相关问题。当促氧化剂如铁超过抗氧化剂和辅助因子如维生素E、β-胡萝卜素β、铜、锌、硒和锰等PAR随之而增加。Pitzen的（1993）的方法是可能摄入较低的促氧化剂，但这是困难的，如常常有铁的情况下，可能需要增加抗氧化剂的浓度来抵消过度的促氧化剂。

当补充抗氧化营养素，如维生素E和硒时，由于奶牛氧化应激引起的某些疾病病因如胎衣滞留(Harrison等, 1984)和乳腺炎（Smith等，1984；Weiss等，1997）的发生率即减少。从61000头以上奶牛的记录分析表明，乳房水肿可能与胎盘、乳腺炎病因相同（Gröhn等，1989）。我们的假设是，氧化应激可以增加或直接损伤膜或间接通过改变类固醇而产生乳房水肿。

氧化应激和乳房水肿可能的关联

氧化应激和薄膜损伤

(Larson and Hays, 1958; Larson and Kendall, 1957; Vestweber and Al-Ani, 1984)报告：当奶牛接近分娩时，蛋白和血液球蛋白的浓度下降，可能引起蛋白血管通透性增加，血浆蛋白明显地浸入静脉引起乳房水肿(Larson and Hays, 1958)。这些观察引导Mueller等，(1989)就薄膜内的维生素E和重要抗氧化剂对减少初产奶牛严重乳房水肿有效性的调查。40头小母牛饲喂羊茅和果园干草自由选择添加商业奶牛精料3.6kg/天，从分娩前六周开始，一直持续到产犊日，给一半的小母牛饲喂含1000 IU的维生素E和 Dα-醋酸生育酚明胶胶囊，其余的小母牛作为对照。使用商业试剂盒测定血清中的总蛋白质和球蛋白浓度。(Total Protein No. 540 and Total Globulin No. 560, Sigma Chemical Co., St. Louis, MO)。

初生牛犊与母牛在一起24小时。在犊牛移出后的第1、2、3、7、14天下午挤奶，记录奶产量、水肿得分和乳房尺寸。每头奶牛在挤奶前用0(没有水肿)-4（严重水肿）分评估记录得分。在下午挤奶前、后测量乳房底部区域面积以确定乳房水肿的严重性。在挤奶前、后用纸贴在湿的乳头上(Seykora and McDaniel, 1986)，用一个对角线连接两个点，剩余的两个点与该对角线绘制垂直线以确定四点区域（如图1）。计算四个直角三角形的面积之和。然后，挤奶后确定乳房底部面积的比例。假定有严重的乳房水肿，挤奶后乳房底部面积将减少的较少。

图1. 测量乳房底部面积。用纸快速地触及湿的乳头端得到A、B、C、D四个点

在前三次（1、2、3天）测量时，添加维生素E的较对照组乳房水肿奶牛，挤奶后的乳房底部面积较多地减少（表1），这3天在统计上差异显著（4天的产奶量）。前3天添加维生素E的较对照组相应的产奶量也高，第7和14天也倾向于较高。在前12周泌乳期，添加维生素E与没有添加的牛奶平均产量分别为25.56kg和21.06kg(P < 0.01)。这表明，在泌乳早期的关键时期乳房水肿不完全消除，可反映在整个哺乳期的牛奶产量较低。

14头有轻度至重度水肿的小母牛比26头无水肿小母牛，分娩时的血清总蛋白和球蛋白的浓度较低（表2）。与此相反，早期的9头水肿奶牛和3头没有水肿奶牛在这些测量值上比较没有差异(Vestweber and Al-Ani, 1984)。水肿奶牛低浓度的血清蛋白与血管通透性增加蛋白渗漏到组织间隙是协调一致的，这可以减少渗透力抵制血管内流体静压和允许水肿液积聚。

乳房水肿一般出现在预产前两周到产犊时期，这个时期流进乳房的血液量增加3倍(Al-Ani and Vestweber, 1986)。我们建议增加氧气的供应，以使迅速发育的乳腺在这么短的时间内可能产生适应于缺血-再灌注损伤类似的状态。缺血-再灌注损伤伴随着整修组织血流量减少或堵塞(Simpson et al., 1987)。组织损伤在堵塞期间不会导致更多的氧废止，在此时期伴随着血液循环的整修，汹涌的氧化血液产生自由基反应。噬中性粒细胞浸润组织，增加氧刺激黄嘌呤氧化酶产生O2-和HOOH，这是脂质过氧化作用的强诱导剂，产生羟基自由基(Simpson et al., 1987)。在细胞膜里的多元不饱和脂肪酸的过氧化反应损伤他们的完整性。类似的反应，接近分娩的奶牛伴随着乳腺血流量增加可能导致水肿。

氧化应激和类固醇生成的改变

    所有的类固醇激素是由酶依赖于细胞色素P-450修饰胆固醇而产生的。这些类固醇生成酶的脂质过氧化易感性(Staats et al., 1988; Takayanagi et al., 1986)在氧化应激下可以改变类固醇激素的合成。羟化酶特定的细胞色素P-450显现在他们易受自由基攻击的不同。

当肾上腺微粒体耗尽来自体外的维生素E，17α-羟化酶和17,20 -裂解酶，其中的多数酶易受影响直至失活(Takayanagi et al., 1986)。胎儿的肾上腺皮质醇在分娩前显著增加(Casey et al., 1985)对胎盘起作用以增加17α-羟化酶和17,20 -裂解酶的活力。17α-羟化酶对皮质醇的合成是必须的，17α-羟化酶和17,20 -裂解酶需要两个途径产生17β-雌二醇。

虽然这一点上是假设，在氧化应激下特殊的类固醇合成酶的脆弱性不平等可能导致乳房水肿(Miller et al., 1993)。通过不同的途径和类固醇一个途径的关键酶不足可能会误导反应(Bhagavan, 1978)。例如，如果17α-羟化酶和17,20 -裂解酶被破坏超过21-羟化酶(Takayanagi, 1986)，相比盐皮质激素的合成，肾上腺脂质过氧化作用可以更多地抑制皮质醇、雌激素和雄激素。在合成皮质醇的一个缺陷是促肾上腺皮质激素（ACTH）的合成增加，可能会引发皮质酮和11-去氧皮质酮生产过剩(Yanase et al., 1991)。这可能会导致钠潴留和血量扩张。

受独特的17α-羟化酶和17,20 -裂解酶先天性不足折磨而变成水肿，但不会发展为性别的不同(Yanase et al., 1991)。这似乎是合理的：这些受氧化应激相关损伤的酶能导致乳房水肿。就此而论，有趣的是乳房水肿评分与血浆17β-雌二醇呈负相关(Malven et al., 1983)。饮食中过量的钾可由肾素-血管紧张素系统，通过增加钾排泄并伴随钠和水潴留加重水肿(Sanders and Sanders, 1981)。

我们用38头临近分娩的小母牛测试我们的假设，即：氧化应激通过改变类固醇生成而导致乳房水肿。如前面描述的，在所有小母牛乳房底部测量的基础上平均分成乳房水肿更严重或不严重的两组。产犊时的血浆样品化验抗氧化剂活力(Glazer, 1988)、孕酮、17β-雌二醇，和皮质酮(Diagnostic Products Corp., Los Angeles, CA)。

与乳房水肿的相关性，血浆的抗氧化状态、皮质酮、17β-雌二醇（E2）和孕酮（P4）采用比值评估(Fletcher et al., 1988)。在这个测试中，在平均血浆抗氧化状态之上的小母牛只有21%，与低于平均测量值的小母牛类似（表3）。抗氧化状态与血浆中的皮质酮、E2或P4不相关。然后，分别计算每个小母牛的皮质酮（C）与17β-雌二醇（E2）或孕酮（P4）的比值。抗氧化状态与皮质酮（C）和孕酮（P4）的比值是不相关的。然而，抗氧化状态平均水平之上与低于平均水平的相比，只有16%的皮质酮（C）与17β-雌二醇（E2）比值与平均水平之上的类似。有乳房水肿的小母牛的C/E2比值几乎是抗氧化状态平均水平之上的小母牛的四倍（表3）。应该记住17β-雌二醇（E2），但不是皮质酮（C）或孕酮（P4）。17α-羟化酶和17,20 -裂解酶(Yanase et al., 1991)是最容易受到氧化应激攻击的两种酶(Takayanagi et al., 1986)。由于这些结果，间接的证据支持这个在概念：氧化应激可能通过对类固醇合成酶选择性损伤而导致乳房水肿。

维生素E和锌作为抗氧化剂

56头初次妊娠的小母牛，与先前描述的管理相同，分成七组每组8头到母牛预产期。8个处理被随机分配到每组，在预产期最后的6周每天饲喂胶囊。处理组包含维生素E、Zn、和Fe以2*2*2因子排列。添加剂每日剂量为：来自2 g D，Lα-醋酸生育酚的1000IU的维生素E；800mg Zn，一半来自4g的蛋氨酸锌，另一半来自1.13g的ZnSO4；12g Fe来自FeSO4•7H2O；500kg的小母牛消耗体重1.8%的日粮，这些数量的干物质采食量提供90ppm的Zn和1300ppm的Fe。

如同前述的方法测量乳房底部面积。产犊时收集血浆分析α-生育酚(Hidiroglou, 1989)和使用商业试剂盒的材料和方法分析不饱和铁的结合能力（UIBC）(Sigma Diagnostics, St. Louis, MO)。

小母牛组根据是否补充维生素E或锌，或过量的铁的存在或缺乏进行比较（图2）。每个小母牛组织水肿程度被确定以比较与平均水平的关系。该假设是严格的，在挤奶后水肿比没有水肿的乳房尺寸将减少的较少，较少的乳房底部面积减少表示乳房水肿严重。联合促氧化剂（Fe）、抗氧化剂（Zn和VE）、血浆α-生育酚、UIBC和乳房水肿比值的测量更有优势(Fletcher et al., 1988)。统计上比值大于1表示积极的显著相关，小于1表示负相关关系。举例，两组小母牛，一组添加VE，另一组不添加。在每一组中都有乳房水肿比平均更严重或不严重的小母牛。一个来自四组小母牛数字为0.22比值表明：补充VE母牛组只是未添加组乳房水肿几率的22%，未添加组的乳房水肿比平均水平更严重。

当Fe没有超量，补充VE母牛组只是未添加组乳房水肿的19%，未添加组的乳房水肿比平均水平更严重（图2）。当Fe没有超量时，添加Zn没有显示减少乳房水肿的严重性。相比之下，当Fe超量时，VE对减少严重水肿没有效果，但小母牛补充锌与未添加相比只有17%大于平均的乳房水肿严重程度。不论Fe的采食量如何，添加VE或Zn相比，添加VE可以减少严重的乳房水肿，但Zn不明显。

图2. 比值（*P < .05)描述在预产前期小母牛采食Fe、Zn、VE、血浆α-生育酚和UIBC与乳房水肿的相关性(J.K. Miller, Univ. of Tennessee; unpublished) 

寓意

Al-Ani and Vestweber (1986)研究回顾和Vestweber and Al-Ani (1983)建议：通过管理实践以减少乳房水肿最小发生率的措施包括：限制在预产前期采食盐和高K的饲料，避免预产前期过度应激。严重的乳房水肿增加也可能源自促氧化剂如Fe的超量，但抗氧化剂如VE和Zn可以减少乳房水肿。现代管理实践可能使奶牛遭受过度的氧化，所以抗氧化剂的需求可能比通常公认的认知水平要高。抗氧化营养素足以有效地控制氧化与抗氧化平衡，需求量可能超过平均饲料摄入量。所有已知的营养添加剂需求数量用于适当的抗氧化防卫和平衡是有益的。

最佳用量的蛋白质和能量以满足氨基酸的需求，也用于铁络合剂的制造和其他内源性抗氧化剂的产生，这是基本的重要性。潜在的促氧化因素，包括：黄曲霉毒素、农药和饲料产品的产热损伤，过量的Fe和Mo应尽可能避免。最后，矿物质和维生素的补充是必要的。

基于目前的奶牛知识，在一般的条件下，日粮干物质中至少还要加0.3 ppm的硒，20 ppm的铜，各60 ppm的锌和锰，0.25%的Mg， 1000 IU的维生素E /天似乎是适当的，但成本效率也要考虑。细胞氧化-还原作用平衡可能依赖于环境、日粮、疾病和其他因素，据此调整这些营养的数量也可能是必须的。

摘要

乳房水肿是通过流体在乳腺血管外空间过度积累和在周围组织形成的。最小化问题常用的建议包括在产犊前避免过多的盐和钾。氧化应激增加也可能导致乳房水肿。氧化应激导致在正常的代谢中部分地减少氧代谢物的产生和强氧化剂的增加，比如过量的Fe，超出奶牛的抗氧化抵御机能。当活性氧代谢不能被安全控制，脂质过氧化作用损害关键的分子，最终可能导致疾病状态。可能变成乳房水肿的相关因素包括：细胞膜的完整性损伤，或损害了特殊的类固醇酶，由此改变了类固醇激素的合成。当合理地添加所有已知营养需求的抗氧化剂用以抵制和逃避潜在的强氧化剂是如此的重要。日粮中必须提供VE、VA和β-胡萝卜素，VC和谷胱甘肽可能是内生的或来自于日粮。多数其他的抗氧化剂分子是内生的，但日粮营养必不可少的包括：蛋白质（N和S）、能量、铜、锌、锰、硒和镁。Fe和Mo也必不可少，但过量时可能是强氧化剂。

鸣谢

感谢Zinpro公司(Eden Prairie, MN)和BASF公司(Mt. Olive, NJ)对我们研究的支持！

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