導讀：

      殼聚糖廣泛存在于自然界中，是由蝦、蟹、昆蟲的幾丁質外殼經過不同程度地脫乙酰基而得到的一種無毒聚氨基葡萄糖。殼寡糖（COS）是殼聚糖的降解產物，聚合度（DP）在2~20，分子質量≤3000μ，其生物活性比殼聚糖更強；COS是天然糖中唯一大量存在的堿性氨基寡糖，因具有多元化的生物學作用，使其在醫學研究、生物醫藥和食品科學等領域中受到廣泛關注。目前，隨著國家對抗生素的使用要求越來越嚴格以及養殖環境的變化，如何使動物自身免疫力不斷提高，從而減少對抗生素的依賴、改善藥物殘留所帶來的危害越來越被大家所重視。因此，在畜牧獸醫領域中，COS作為一種天然的免疫增強和炎癥調節活性物質，在增強動物免疫機能和抗炎方面具有較高的研究價值和廣闊的應用前景。

1、COS的理化性質及生物學作用

       COS可完全溶于水，部分溶于甲醇和二甲基亞砜，不溶于丙酮和乙醇。DP為2～4的COS可溶于甲醇，但DP＞5的COS溶解性較差；由于范德華力等低分子間相互作用，低分子質量COS（＜1500ｕ）在較寬pH的范圍內可溶于水。COS自身氨基帶正電荷，是目前發現的自然界中唯一堿性寡糖，無毒，有較好的生物相容性和生物可降解性以及對大分子藥物緩釋等特性。因此，與殼聚糖相比，COS在治療中有更大的應用空間。

       COS在胃腸道中不被分解，很容易通過腸上皮細胞吸收，優先分配到肝臟、脾臟和腎臟，可被動物直接吸收入血作用于靶細胞。COS在血漿、肝臟、腎臟和尿液中被溶菌酶降解，其主要排泄途徑是尿液。目前研究發現，COS具有調節免疫力、抗氧化、抗應激、抗微生物、抑制腫瘤生長、活化腸道有益菌和降低膽固醇等多種生物學作用。還能促進組織再生、增強藥物和DNA傳遞和鈣吸收等功能。

2、COS的免疫增強作用

       COS發揮免疫調節的生物學效應，與其對免疫器官、多種免疫細胞的調節效應及誘導多種細胞因子的分泌密切相關。DP在3～8的COS在體外可顯著增強原代264．7巨噬細胞的增殖活性和對中性紅的吞噬能力，小鼠口服COS后脾臟指數和血清免疫球蛋白（Ig）Ｇ含量增加。口服COS還能顯著升高環磷酰胺（Cy）誘導的免疫抑制小鼠胸腺和脾臟指數、遲發型變態（DTH）反應、巨噬細胞吞噬作用和一些酶活性，并增強細胞因子白細胞介素（IL）-2、IL-12和干擾素－γ（IFN-γ）的產生。與此同時，COS對Ｔ淋巴細胞也產生了明顯的調節作用，給小鼠腹腔注射COS己二酸（20mg/kg）4次，未成熟CD4+、CD8＋胸腺Ｔ細胞的百分比降低，成熟CD4＋、CD8＋胸腺淋巴細胞的百分比增加，COS增加了脾臟CD19＋細胞百分比，而對腸系膜淋巴結CD19＋細胞的百分比無顯著影響。這說明COS促進了胸腺淋巴細胞的成熟和分化，并調節了脾臟Ｂ淋巴細胞和淋巴結Ｔ淋巴細胞的數量。在肉仔雞（1日齡）飼糧中添加不同水平（0、50、100、150mg/kg）的COS，第21天和第42天COS（100mg/kg）添加組仔雞血清IgＧ、IgＡ、IgＭ含量升高，COS同時促進了免疫器官的發育（脾臟、法氏囊、胸腺重量增加）。COS及衍生物還可通過Th1途徑，對接種新城疫活疫苗雞群的抗原特異性細胞免疫發揮輔助作用。

       另外，斷奶應激可導致血清抗體和細胞因子水平降低，而COS可使早期斷奶仔豬空腸黏膜和淋巴結IL-1β基因的表達升高，同時增加了血清IL-1β、IL-2、IL-6、IgＡ、IgＧ和IgＭ含量。由此可以看出，COS可能通過調節細胞因子和抗體的產生提高動物機體細胞介導的免疫反應。因此，COS作為飼料添加劑在家禽和豬的營養方面得到廣泛應用。還有學者研究了皮下植入COS對犬巨噬細胞和多核細胞激活的影響，結果發現5和10mg/kgCOS植入術后24～96ｈ體內，中性粒細胞數量顯著增加，巨噬細胞活性增強；20mg/kgCOS植入組直到術后120ｈ巨噬細胞仍然保留高活性，這提示COS可以作為一種有效的免疫增強劑用于術后免疫抑制的預防。COS是以分子質量依賴的方式通過巨噬細胞發揮免疫調節活性，因此，COS作為一種新型的免疫抑制性疾病治療劑顯示出巨大的潛力。

      由先天免疫和獲得性免疫組成的免疫系統在消除病原體和外來物質方面起著重要作用。藥物或營養保健品對免疫功能的增強可能對免疫功能喪失或衰退的人（如老年人）特別有益。通過體外和體內模型現已證明COS有望增強先天免疫和獲得性免疫。產生免疫增強作用的COS的體外劑量為10～100μg/mL，體內劑量為100～500mg/（kg·d）。它可刺激巨噬細胞分泌腫瘤壞死因子－α（TNF-α）和IL-1。此外，COS處理可導致巨噬細胞中誘導型一氧化氮合酶（iNOS）表達和一氧化氮（ＮＯ）的產生增加。COS是通過與巨噬細胞上的膜受體相互作用而發揮這種免疫刺激作用，而且已有研究證明COS在巨噬細胞中的免疫刺激作用依賴于Toll樣受體4（TLR4）的調節。此外，COS可通過c-Jun氨基末端激酶（JNK）-c-Jun/活化蛋白（AP）-1信號通路刺激Caco-2細胞中IL-8（嗜中性粒細胞趨化因子）以及其他趨化因子配體及其受體［包括趨化因子配體20及趨化因子受體6（CCR6）和趨化因子配體17及趨化因子受體8（CCR8）］的表達。以上研究表明COS可以增強腸上皮細胞的免疫應答，這是防止病原體侵入的第1道防線。

       COS的免疫增強作用也已在動物體內得到證明。在小鼠試驗中，口服COS能使脾臟指數和血清免疫球蛋白含量增加，這表明COS可增強獲得性免疫。此外，在COS處理后，血清中單核細胞的比例和IL-6以及IFN-γ的含量也顯著增加；重要的是，COS能顯著降低金黃色葡萄球菌感染小鼠的死亡率（從90％至0）。在平均年齡為80歲的老年人中，口服COS（5.1g/d，持續8周）與血清IL-12和IFN-γ含量的升高有關，它們是已知的Ｔ細胞分化刺激劑。所有這些研究表明COS對先天和獲得性免疫系統功能具有增強作用（表1）。

3、COS的抗炎活性

       炎癥是一種涉及多種類型的免疫和非免疫細胞的生物反應，它可以保護機體免受有害刺激造成的損傷。通常，炎癥反應是由外源性物質和組織損傷產物所激發，伴隨著促炎細胞因子的產生、免疫細胞的募集和活化以及自由基的產生。正常情況下，這些炎癥過程能清除異物和病原體并促使組織的再生。然而，在某些疾病過程中，炎癥反應變得過度，會引起急性或慢性的炎癥反應和相關的組織/器官損傷。已報道的COS在體外和體內試驗顯示出抗炎作用的劑量分別為20μg/mL～1mg/ｍＬ和10～100mg/（kg·d）。巨噬細胞是存在于所有組織中的免疫細胞，它們通過吞噬作用清除病原體或細胞碎片。已有研究表明，COS在巨噬細胞中可抑制脂多糖（LPS）誘導的炎癥反應，包括促炎介質［TNF-α、IL-6、iNOS、環氧合酶－2（COX-2）、前列腺素E2（PGE2）和NO］的表達和釋放。有趣的是，在這種細胞模型中，COS脫乙酰度（DD）的增加與抗炎活性的增加相關。現已證實COS可降低LPS誘導的敗血癥小鼠模型的死亡率、抑制全身性炎癥反應（由血清中TNF-α和IL-1的含量所指示）和減少對肝臟、腎臟和肺臟的損傷。COS可顯著降低LPS誘導的這些受損器官中中性粒細胞的浸潤和脂質過氧化反應。COS還可以抑制嗜堿性粒細胞、嗜中性粒細胞和淋巴細胞的活化。嗜堿性粒細胞和嗜中性粒細胞是炎癥急性期涉及到的主要粒細胞。嗜堿性粒細胞在哮喘等過敏性疾病的發病過程中發揮著重要作用，而嗜中性粒細胞是細菌感染的一線應答者并且參與大多數炎癥性疾病。同樣，COS可抑制已活化的中性粒細胞活性氧的產生、脫顆粒和黏附，這表明它可抑制嗜中性粒細胞的激活。重要的是，COS在變態反應性疾病治療中的潛在應用已在卵白蛋白誘導的過敏性肺炎小鼠模型（哮喘小鼠模型）上有了研究。口服COS［16mg/（kg·d）］抑制了小鼠變態反應過程中促炎性細胞因子［即肺組織和支氣管肺泡灌洗液中IL-4、IL-13和TNF-α］的產生。

另外，COS［10～20mg/（kg·d）］可降低5％葡聚糖硫酸鈉（DSS）或4％醋酸誘導的小鼠急性結腸炎模型的死亡率和腸道炎癥反應，并降低結腸組織中核因子-kB（NF-kB）活化以及TNF-α、IL-6的含量，COS對小鼠炎癥性腸病（IBD）治療作用可能是通過抑制腸上皮細胞NF-KB的信號轉導和細胞凋亡實現的。COS還降低了血清促炎性細胞因子（TNF-α和IL-6）含量，并通過抑制炎癥細胞中髓過氧化物酶（MPO）活性以及NF-KB、COX-2和iNOS活性而阻止結腸黏膜炎癥反應。另外，COS還能平衡Ｔｈ1細胞因子，減少TNF-α和IL-6的產生、下調CD44和TLR4的表達和抑制Ｔ淋巴細胞增殖，從而減輕塵螨類引起的小鼠氣道炎癥反應。如果將COS按小劑量和高劑量每天給自身免疫性前色素層炎（EAAU）大鼠腹腔注射，COS呈劑量依賴性的顯著減弱睫狀體損傷的臨床評分和白細胞浸潤，COS有效地減少了炎癥介質［TNF-α、iNOS、單核細胞趨化蛋白1（MCP-1）、趨化因子（RANTES）和細胞間黏附分子－1（ICAM-1）］的表達。另有研究發現，給21日齡斷奶仔豬接種產腸毒素大腸桿菌，然后飼糧中添加300mg/kgCOS飼喂21ｄ，與對照組（基礎飼糧組）相比，斷奶后仔豬腹瀉率、鈣調蛋白水平與TLR4蛋白表達均顯著降低，添加COS增強了空腸黏膜IL-1β、IL-6的mRNA表達。飼糧中添加300mg/kgCOS可有效減輕腸道炎癥并提高細胞介導的免疫反應，作為飼料添加劑，殼聚糖與金霉素緩解仔豬腸道炎癥的作用相當，但其影響機制可能不同。目前，殼聚糖及COS在犬體內的抗炎作用研究報道甚少，而主要應用于骨缺損的修復。綜觀以上文獻，通過口服或注射途徑給予COS均可對動物機體的免疫和炎癥反應產生調節作用，所以COS在動物免疫抑制和炎癥性疾病中的應用具有廣闊前景（表2）。

4、COS對絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）和NF-kB信號通路的影響

目前，COS調節免疫功能和炎癥反應的確切作用機制尚不清楚，從現有的研究報道來看，COS可能通過MAPK和NF-kB信號通路對機體免疫和炎癥產生影響。NO作為體內重要的生物信息分子在免疫調節中起著重要作用，COS能顯著提高巨噬細胞NF-KB蛋白水平，特異性抑制劑阻斷NF-kB可導致NO、TNF-α水平的降低，這表明NF-KB在COS誘導巨噬細胞產生NO和TNF-α中起著潛在的作用。COS抑制巨噬細胞NO和炎癥因子TNF-α、IL-6產生，還依賴于NF-kB激活的MAPK通路的控制。LPS是革蘭氏陰性細菌細胞壁的組成成分，參與了多種炎癥相關疾病的病理過程，LPS結合TLR-4，促進NF-kB向細胞核內移位，誘導促炎基因的轉錄從而引發炎癥反應。COS在多種細胞和動物模型中已被廣泛證明可通過以上途徑抑制LPS或其他刺激物誘導的炎癥反應。COS通過NF-kB抑制因子－α（IkB-α）的降解，阻止ｐ65亞基向核內移位并導致NF-kB/DNA結合活性的降低，從而導致LPS誘導的炎癥因子TNF-α、IL-6釋放減少。然而，這一過程還依賴于NF-KB激活的MAPK通路的控制。MAPK由3種下游介質組成，包括ｐ38MAPK、細胞外信號調節激酶1/2（ERK1/2）和應激活化蛋白激酶1/2（JNK1/2）。這3種介質促進ＡＰ-1向核內移位，誘導促炎基因的轉錄。現有研究表明，COS是通過抑制NF-KB和MAPK信號通路來緩解LPS誘導的炎癥，給小鼠腹腔注射COS（10mg/kg）可減少視網膜缺血再灌注損傷炎癥介質（TNF-α、MCP-1、iNOS、ICAM-1）的表達，這種作用的發揮可能是通過阻斷NF-kB、JNK和ERK的活化和促進p38的激活實現的。在給EAAU模型大鼠每天腹腔注射小劑量COS（5μmg/kg）和高劑量COS（10μmg/kg）的研究中，COS有效地減少了炎癥介質的表達，其機制可能是COS降低了IKB的降解和ｐ65在虹膜/睫狀體中的存在，導致NF-kB/DNA結合活性的降低。COS能使LPS誘導的豬髂動脈誘導內皮細胞ICAM-1和Ｅ－選擇素mRNA的表達降低，是通過抑制p38MAPK/ERK1/2和NF-KB細胞信號轉導級聯反應實現的，COS通過抑制ｐ38MAPK和ERK1/2途徑，進而抑制了LPS誘導的NF-kBp65移位。所以，COS可能是通過抑制MAPK的磷酸化和激活NF-KB來下調LPS誘導的PIEXs中Ｅ－選擇素和ICAM-1的表達，從而證實了COS的抗炎作用。此外，COS還可抑制LPS誘導的人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）IL-6的表達，但其機制可能受2條平行的信號通路所調節：即通過p38MAPK通路而不依賴NF-KB的激活以及通過ERK1/2通路依賴于NF-KB的激活。由以上可以看出，COS對炎癥反應的調節作用可能是通過抑制IKB的降解，阻止p65亞基向核內移位，降低了NF-kB/DNA結合活性而發揮抗炎和免疫調節作用，但這種作用的發揮可能還與ERK、JNK、p38MAPK的磷酸化水平密切相關，其具體機制和相互之間的聯系仍需進一步研究。

5、COS對動物生產性能的影響

COS在奶牛生產實踐中具有廣闊的應用前景，不僅可以改變瘤胃內菌群結構，降低甲烷的產生，還能使微生物蛋白質的合成和纖維的分解增加，并可提高奶牛生產性能、免疫功能、抗氧化能力及改善后腸道菌群結構。與此同時，COS作為新型的無害添加劑，有著良好的抗氧化性、免疫調節能力、改善腸道微生態平衡等作用，且不會對動物機體產生毒副作用、安全可靠，使其在養豬生產中得到了廣泛應用。研究表明，飼糧中添加COS降低了仔豬的腹瀉率，減少腸道黏膜的損傷和改善腸道微生態平衡，同時可顯著提高日增重，從而提高仔豬的生長性能。另有研究報道，蛋雞飼糧中添加COS，提高了蛋雞的產蛋率、雞蛋的質量以及蛋雞的免疫力。由此表明，COS在維持動物健康、提高動物生產性能、改善畜產品品質等方面具有很大的利用和開發價值。

6、小結和展望

COS代表了一類天然聚合物，不僅具有水溶性和低黏度等理化特性，而且有良好的藥理學作用和安全性以及多種有益的生物學活性，使其在動物疾病防治中具有較大的應用前景。COS對AMPK的激活和炎性信號傳導通路的抑制（包括NF-kB和MAPK通路）被認為是其發揮抗炎和免疫增強作用的主要機制。然而，目前研究使用的是COS混合物，且主要集中在細胞和動物模型上對其生物活性和毒性進行研究。因此，未來還需使用化學特性更為明確的純化COS在動物體內進一步完善其作用途徑和機制，并在實際生產中驗證和評價COS對動物常發疾病的預防、治療效果及安全性，從而為在動物生產中的推廣和有效利用COS提供理論指導。

來源：動物營養學報；作者：張華，童津津，張肇南，蔣林樹