馬運動氧化應激及其營養緩解策略研究進展

馬 巍 芒 來 白東義 張心壯

(內蒙古農業大學動物科學學院,農業農村部馬屬動物種業創新重點實驗室,內蒙古自治區馬屬動物遺傳育種與繁殖重點實驗室,農業農村部馬屬動物遺傳育種與繁殖科學觀測實驗站,內蒙古農業大學馬屬動物研究中心,呼和浩特 010018)

古時馬在交通運輸、傳遞信息、耕地農作、采礦行業等多種生產活動中被廣泛應用。隨著時代的發展,馬業的功能與用途發生了巨大的轉變,逐步向集文化教育、體育賽事、運動競技、休閑娛樂為一體的現代化馬業轉型[1-2],賽馬是其中最具影響力的產業,在美國、日本等發達國家,賽馬已經成為推動社會發展的重要經濟增長點[3]。近幾年,國家開始對我國現代馬產業的發展給予高度關注,并將馬產業確定為畜牧業中的重要組成部分,同時還要求對馬產業進行深入研究,并頒布全國馬產業發展規劃,支持馬競技體育產業發展。國內賽馬在蓬勃發展,據統計,我國目前馬術俱樂部超過2 000家,中國馬業協會每年舉辦場地速度賽馬大獎賽、錦標賽、冠軍賽等運動馬賽事活動百余場。

運動性能是賽馬重要的經濟性狀,大量的研究表明馬在短時間高強度[4]或者長時間的耐力運動[5]后肌酸激酶(CK)、天冬氨酸轉氨酶(AST)和硫代巴比妥酸反應物(TBARS)活性或含量升高,生理上伴隨心率加快、體溫增高現象,發生氧化應激,造成肌肉損傷,降低運動性能,損害動物福利[6]。因此,本文綜述了關于馬在運動過程中的氧化應激發生原因及其影響因素以及緩解馬運動氧化應激的營養策略,以期為提高我國運動馬福利,促進我國運動馬產業標準化和規范化的發展提供一定參考。

1 馬運動生理及氧化應激損傷

在運動過程中,機體由于能量消耗過大,新陳代謝速率不斷加快,導致機體內環境發生變化,產生運動性疲勞。應激是機體內神經、內分泌、免疫等多系統參與的整體反應。應激發生時機體內產生大量的有害激素和細胞因子,使機體代謝水平顯著升高,同時也會影響到各種器官功能的改變,從而導致血液生理生化指標的相應變化。競技馬在運動過程中由細胞內的線粒體呼吸產生ATP為機體提供大量能量。在線粒體呼吸過程中,通過電子鏈傳遞產生氧自由基。馬在運動過程中氧的消耗量可以增加30倍[7],正常生理條件下機體自由基的產生與清除處于動態平衡狀態,但劇烈運動時骨骼肌快速收縮,運動強度增大,線粒體呼吸加劇,短時間內產生大量自由基,超過機體自身清除能力[8],導致體內的氧化還原系統失衡。

運動會引起馬匹體內明顯的短暫生理變化,包括血流量增加、體溫升高、激素水平變化、熱休克蛋白合成、氧化應激、白細胞介素和受體的產生以及與炎癥過程相關的許多其他物質的產生[9],且馬匹在劇烈運動后伴隨心率加快、體溫增高等現象[10]。Binda等[11]選取28匹成年夸特馬進行繞桶比賽(barrel-racing test),運動后馬匹平均心率最大達到(96.5±22.8)次/min,體溫顯著升高至(38.7±0.5) ℃,在運動后120 min基本恢復至初始水平。Mukai等[12]測量了23匹純種馬在1 200 m比賽之前、期間和之后的心率,以及比賽后10 min時的血液乳酸濃度,結果發現,馬在運動后心率顯著增加,比賽期間心率峰值(HRpeak)達到(213.6±1.7)次/min,血液乳酸濃度顯著升高至(22.5±0.6) mmol/L,反映了馬在比賽過程中對厭氧代謝途徑的依賴。劇烈運動還可能導致血常規指標如紅細胞、白細胞數目、淋巴細胞、血小板數目等發生變化。李連浩[13]對12匹蒙古馬進行20 km高強度運動后采集血液樣本進行血常規分析,發現紅細胞、白細胞、淋巴細胞、血小板數目等在運動后均呈先升高后降低趨勢,且在運動20 km時達到最高,在運動后4 h基本恢復至初始水平,該試驗結果表明馬由于劇烈運動導致體內發生炎癥反應,氧化應激失衡?；钚匝?ROS)參與多項細胞活動,包括細胞能量代謝、信號傳導及基因表達的調控等,當氧自由基積累過多,可能會損害DNA、脂質和蛋白質,損傷線粒體功能,從而導致細胞凋亡以及肌纖維損傷,降低馬的運動性能。添加具有抗氧化功能的營養物質如油脂、維生素、微量元素以及植物提取物等可提高馬的抗氧化性能,緩解運動馬的氧化應激。馬運動氧化應激產生機制及營養緩解途徑如圖1所示。

T-AOC:總抗氧化能力 total antioxidant capacity;SOD:超氧化物歧化酶 superoxide dismutase;CAT:過氧化氫酶 catalase;GSH-Px:谷胱甘肽過氧化物酶 glutathione peroxidase;LPO:過氧化脂質 lipid peroxide;TBARS:硫代巴比妥酸反應物 thiobarbituric acid reactive substance;CK:肌酸激酶 creatine kinase;AST:天冬氨酸轉氨酶 aspartate aminotransferase;MDA:丙二醛 malondialdehyde。

2 馬運動氧化應激影響因素

馬在正常生理條件下氧化還原平衡保持在相對穩定的狀態,當經過劇烈運動后,體內氧自由基產生過度,這種平衡就會被打破,從而導致氧化應激的發生。研究發現,有許多因素可以影響馬運動后的氧化應激,如馬的品種、年齡、環境以及運動強度等。這些因素引起的氧化應激可不同程度地影響馬的健康、生產性能和生殖功能,甚至導致馬匹死亡,嚴重損害動物福利。

2.1 品種

不同組織部位的肌肉其收縮速度和強度存在差異,肌纖維可分為慢速收縮型(Ⅰ型)、快速收縮型(Ⅱ型)2個類型,正由于肌纖維類型的不同,馬匹分為速度馬和耐力馬2種,其中速度馬有純血馬、奎特馬、汗血寶馬等,耐力馬有蒙古馬、阿拉伯馬、焉耆馬等。

英國純血馬是世界上跑得最快的馬,速度可達20 m/s,1 000 m賽跑僅用53 s就可以跑完全程,創造和保持著5 000 m以內各種距離速力的世界紀錄。在我國古代汗血寶馬就有日行千里夜行八百的說法,1 000 m賽程僅需67 s即可完成?？涮伛R是美國的一個品種,擅長短距離沖刺,平均時速可以達到70.76 km。Teixeira等[14]對10匹健康、經過調教訓練的夸特馬進行繞桶比賽,夸特馬在運動后平均心率最大達到(58.0±13.6)次/min,血清天冬氨酸轉氨酶(AST)、乳酸脫氫酶(LDH)和肌酸激酶(CK)活性分別達到(293.1±16.1) U/L、(354.0±110.0) U/L、(131.4±20.0) U/L,且血清AST和CK活性在運動后2 h仍高于運動前。Binda等[11]選取28匹經過訓練的夸特馬進行繞桶比賽,運動后馬的平均心率最大達到(96.5±22.8)次/min,血清AST與CK活性在運動后顯著升高且持續至運動后120 min仍高于初始水平。上述結果表明,速度馬在高速運動后機體受到氧化應激損傷且持續時間較長。

蒙古馬是是世界上最具耐力的馬品種之一,在一般的馬術比賽中,參賽的馬種大多數為蒙古馬,賽馬的距離通常在30～100 km。1949年在新巴爾虎左旗舉辦了第1次蒙古馬耐力賽,比賽從新巴爾虎左旗阿木古郎鎮出發到烏爾遜河東岸再返回到阿木古郎鎮,賽跑距離100 km。該比賽從05:00開始,冠軍馬08:00到達終點,證明了蒙古馬具有良好的耐力和持久的運動性能[15]。李連浩[13]對12匹蒙古馬進行20 km的高強度運動后采集血液樣本,測定結果顯示白細胞數目、CK活性呈先升高后降低變化趨勢,在運動后2 h達到最高;甘油三酯(TG)、肌酐(Cr)含量均呈先升高后降低的變化,并分別在運動15、20 km時達到最高;總抗氧化能力(T-AOC)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性從運動前到運動20 km數值逐漸降低,運動后1～6 h逐漸升高;過氧化氫酶(CAT)活性在運動20 km時顯著低于運動前,運動后逐漸升高并在運動后6 h時顯著高于運動20 km時;丙二醛(MDA)含量在運動后逐漸升高,并在運動20 km時達到最高;以上抗氧化酶活性的變化表明馬在劇烈運動后發生氧化應激,運動完成后逐漸恢復;采用透射電鏡對肌纖維進行分析發現,運動后肌纖維氧化受損嚴重,肌節拉伸,邊緣模糊不清,在運動后24 h基本恢復。Cottin等[16]對5匹健康接受過訓練的阿拉伯馬進行60 km耐力賽(小跑:13.0～15.5 km/h,慢跑和疾馳:18.7～25.2 km/h和33.5～36.0 km/h,然后加速至45 km/h,每3 min提升一次速度),運動后心率、呼吸頻率、攝氧量和二氧化碳產量等均逐漸升高。

綜合以上研究結果表明,在劇烈運動中速度馬傾向于更早發生氧化應激且持續時間較長,而耐力馬由于耐力持久,易在短時間高強度運動時發生氧化應激且恢復所用時間較短。

2.2 年齡

年齡可以影響馬匹對急性運動的反應以及各種系統對訓練的適應性反應程度。例如,已有研究確定了年齡對馬心血管運動反應的影響,發現年齡較大的馬[(22±0.4)歲]的最大耗氧量比年輕的馬[(5.3±0.8)歲]低24%[17-18];與年輕馬[(6.8±0.4)歲]、青年馬[(15.2±0.4)歲]相比,年齡較大的馬[(27.0±0.2)歲]在較低速度下達到的最大心率和最大攝氧量較低,并且從運動測試中恢復的時間較長[19]。Williams等[20]的研究表明,年老馬[(22±2)歲]與成年馬[(12±2)歲]運動后在抗氧化狀態和氧化應激方面沒有明顯區別,但就免疫功能來說,年老馬在運動后免疫力下降,更容易感染疾病。Latham等[21]對馬駒[(9.7±0.7)月齡]與老年馬[(22±5)歲]運動訓練12周后的肌纖維類型和大小、衛星細胞豐度和檸檬酸合成酶(CS)活性(線粒體體積密度)、細胞色素c氧化酶(CCO)活性(線粒體功能)進行對比,結果證明運動改善了年輕和老年馬的線粒體功能,但相較于年輕馬,老年馬在運動后表現出更高程度的線粒體功能受損且對運動訓練的適應程度較差。綜上所述,相較于老齡馬(20歲以上),青年馬(10～15歲)更能適應高強度運動引起的氧化應激反應。

2.3 環境

運動中的氧化應激發生也受環境影響,如運動場地、溫濕度以及供氧量等。馬運動對于環境的適應性訓練表明,相較于在沙道上訓練,在草道上訓練能顯著提高伊犁馬1 000 m速度賽成績,提高運動前后血漿SOD、GSH-Px活性及T-AOC,并降低全血中乳酸的堆積[22]。

動物體內存在著一系列的生理調控機制,在一定的溫度范圍內,動物體內的各種生理功能和生產性能都保持穩定。溫度、濕度的增加(30 ℃、80%相對濕度)會使動物體內的新陳代謝加快,使ROS過度積累,進而損害動物的身體健康,降低動物的生產性能等。Mills等[23]的試驗結果表明,馬在短時間高強度運動下,與對照組相比,溫度(20～30 ℃)和濕度(40%～80%相對濕度)的增加導致血漿中脂質氫過氧化物和溶血物中氧化型谷胱甘肽(GSSG)的含量升高,運動誘導脂質氫過氧化物、次黃嘌呤和尿酸含量顯著增加,這些變化表明馬在運動后產生氧化應激,并且在高溫和潮濕的環境中加劇了這種情況。Mukai等[24]在常壓低氧(15.0%吸入氧氣)和常氧(20.9%吸入氧氣)條件下對8匹成年健康純種馬進行高強度訓練(馬先以4 m/s的速度小跑3 min,然后分別以1.7、4、6、8、10、12、13和14 m/s的速度慢跑,每次2 min,直到馬無法繼續在跑步機上運動),結果發現在運動后,低氧組的動脈血氧飽和度(SaO2)、混合動靜脈血氧飽和度(SvO2)、動脈血氧濃度(CaO2)、混合動靜脈血氧濃度(CvO2)、動脈血氧分壓(PaO2)均低于常氧組;對于運動表現和有氧能力的影響,低氧組的最大耗氧量、心輸出量以及心搏量均顯著高于常氧組;這些結果表明,在常壓低氧條件下的高強度訓練比在常壓常氧條件下的相同訓練方案更大程度上提高了馬的運動表現和有氧能力。后續該作者又對低氧方案進行了進一步研究,研究了中度缺氧(16%吸入氧氣)、輕度缺氧(18%吸入氧氣)以及常氧(21%吸入氧氣)對同一運動訓練方案后馬的反應,結果表明中度低氧訓練比正常低氧訓練能取得更好的成績并提高運動性能,并且低氧訓練的效果在缺氧后的2周訓練中保持不變[25]。綜上可知,高溫高濕(30 ℃、80%相對濕度)似乎對馬運動機制有不利影響,適度低氧環境(16%吸入氧氣)有利于抑制馬運動后的氧化應激。

2.4 運動強度

長時間的劇烈運動會導致免疫功能各方面的暫時性抑制,誘發類似炎癥的疾病[26],具體取決于運動的強度和持續時間。適當強度的運動訓練可以抑制機體的活性需氧物種的形成,從而減少機體氧化反應水平。運動強度的增加可細化為運動速度的增加和運動距離的延長。據報道,參與高強度運動訓練的馬由于體內ROS產生過度,極易受到高水平氧化應激的影響[27];而進行適度運動的馬似乎不容易出現體內ROS含量升高的情況[28-29]。Mills等[23]選取6匹健康的純種馬比較了長時間可變強度(步行10 min,3.7 m/s小跑10 min,10.7 m/s疾馳2 min,3.7 m/s小跑20 min,1.7 m/s步行10 min,然后9.2 m/s慢跑8 min)和短期高強度運動(1.7 m/s步行10 min,然后分別以6和8 m/s的速度慢跑1 min,之后每分鐘速度增加1 m/s直到12 m/s或者直到馬跟不上跑步機的速度)對氧化應激指標的影響,結果發現,與在較冷環境條件下進行長時間可變強度運動相比,短期高強度運動中脂質氫過氧化物和GSSG含量的最大值更高,表明產生了ROS和脂質膜過氧化。李連浩[13]研究了不同運動距離對氧化應激發生的影響,結果發現,當馬運動5 km時,心率最大達到127.00次/min,血清中TG和Cr含量分別在運動15和20 km時最高。Williams等[30]的研究表明,馬在80 km的運動后出現氧化應激。Hargreaves等[31]的研究同樣表明馬在80和160 km的運動后都出現氧化應激,且氧化應激程度隨著距離的延長而增加。綜上可知,馬運動強度越大,氧化應激反應越明顯。

3 馬運動氧化應激損傷

3.1 血液生化指標變化

機體組織、器官等發生病理學改變時,相應血液生化指標也會隨之改變,血液生化指標是有效判斷機體代謝、評價動物健康狀況、機體內環境平衡穩態的核心指標,也是疾病診斷及監控的重要評估手段。血液中相關酶的活性可以有效反映組織細胞損傷或者細胞膜通透性改變的程度,如SOD、GSH-Px活性的降低以及MDA含量升高可反映機體受氧化應激情況,LPO和TBARS分別是脂質氧化過程中的中間產物和終產物,其含量可反映脂質氧化程度,CK活性可反映運動過程中肌肉損傷程度等。何愛紅等[32]對60匹2歲左右的蒙古馬進行30.5 km耐力賽,以CK、骨骼肌型肌酸激酶(CK-MM)、LDH、白細胞介素-6(IL-6)等指標的變化情況評價肌肉損傷,結果表明,馬在耐力運動后總體運動性能下降,血清中SOD和GSH-Px活性顯著降低,MDA含量升高;血清中CK、CK-MM、LDH活性和IL-6含量均升高,表明馬在經過長距離耐力賽后肌肉受損,發生了氧化應激。Williams等[30]研究表明,馬經過21、56和80 km的長距離運動后,血清中LPO含量與運動前相比顯著增加,且隨著運動距離的延長而增加。Ott等[10]研究發現,當馬進行了標準化中等強度運動后,血清中TBARS含量較于運動前有顯著增高。White等[33]將30匹馬分為接受訓練和未接受訓練2組進行120 min高強度比賽,運動結束后,接受訓練的馬的肌肉GSH-Px和SOD活性大于未接受訓練的馬,且血清CK活性較低,表明接受訓練的馬肌肉損傷較小;同時,接受訓練的馬血漿LPO和肌肉MDA含量在運動的第2階段顯示出比未接受訓練的馬降低的趨勢;上述結果表明,運動訓練可以減輕急性長時間運動后的肌肉損傷和改善抗氧化防御。White等[34]對未經訓練的12匹純種馬進行短期高強度運動訓練后評估血液和骨骼肌中的酶活性,在運動后血清CK活性和LPO含量顯著升高,紅細胞中GSH-Px活性立即降低。同樣有研究顯示,血清中GSH-Px、SOD活性升高與MDA含量降低,能夠改善賽馬后的恢復功能,減緩運動過程中的疲勞現象,提高馬的運動成績[35]。綜上可知,劇烈運動使馬發生氧化應激,可導致體溫、心率明顯增加,血液中抗氧化酶SOD、GSH-Px活性下降以及脂質過氧化物MDA含量以及LPO、TBARS含量和CK活性增加,降低運動性能。

3.2 線粒體功能受損

線粒體與動物的生長發育、代謝、疾病、衰老、死亡、生物進化等密切相關,既是能量供應和代謝的中心,又是許多外源毒性物質的首選靶點[36],故其在多種病理條件下容易發生不同程度的結構與功能損傷。當致病因素誘導導致自由基水平升高,會使抗氧化防御體系作用降低,機體內出現自由基代謝紊亂,氧化應激水平增強,線粒體功能受損。

細胞損傷時,線粒體的變化主要表現為數量、大小及其結構上的變化。線粒體呼吸鏈已經被廣泛證明為ROS物種形成的重要源頭,而內源性抗氧化劑以及相關酶,如果不能有效去除過多的過氧化物,就會引起線粒體的氧化應激破壞和功能障礙,進而導致細胞凋亡和各種疾病。研究發現,ROS在啟動和調節細胞凋亡的過程中扮演著重要的角色,ROS的積累可以導致線粒體膨大[37]。Owen等[38]采用高分辨率呼吸測量(HRR)法[39]分析了氧化磷酸化和電子轉移能力,結果表明,馬匹經過12周運動訓練后,線粒體體積密度(CS活性)、功能(CCO活性)、抗氧化和電子轉移能力從第1周到第12周均顯著增加,說明馬通過訓練可以緩解運動后產生的氧化應激,提高運動性能。Henry等[40]選取6匹純種馬經過每周6 d(前3 d在高速跑步機鍛煉,20 min/d;后3 d步行,30 min/d)的鍛煉計劃后,用高分辨率呼吸測量法測定線粒體呼吸能力,結果顯示,在對線粒體體積密度沒有影響的情況下,運動后三羧酸(TCA)循環酶利用NADH和琥珀酸脫氫酶增強電子轉移能力減弱。以上結果表明,馬在劇烈運動后耗氧量增加,電子轉移能力下降,線粒體功能受損。

3.3 肌肉損傷

馬匹經過長時間高強度競技運動,會造成肌纖維結構受損,產生肌肉疾病,降低馬的運動性能。對177名馴馬師的調查中收集了2 345匹標準賽馬數據,結果發現由于肌肉骨骼問題導致馬運動性能下降的發生率(10%)高于不明原因導致馬運動性能下降的發生率(6%)[41]。馬在高強度運動過程中,機體內會產生大量的內源性自由基,從而導致體內抗氧化酶系統功能失調,清除自由基的能力大大減弱,致使體內自由基堆積過多產生過度氧化,進而影響機體正常的肌肉運動以及在運動結束后機體的功能快速復原。肌肉損傷程度可以通過肌纖維形態、血液中CK、AST活性以及肌肉相關疾病等進行反映。

以蒙古馬為例,在高強度的比賽中會發生輕度運動性肌肉疲勞,進而影響到運動反應能力和康復狀態[42]。李連浩[13]在試驗中對蒙古馬進行了短期高強度運動,通過透射電鏡觀察肌纖維變化發現,運動后肌纖維受損嚴重,邊緣模糊,肌節不清,運動后24 h有明顯恢復。AST主要分布在心臟、肝臟及骨骼肌的胞質和線粒體中,參與了多種氨基酸的生物合成,其活性是判斷細胞是否損傷的一項敏感參數。CK活性是反映肌肉功能狀態、生理狀態及病理狀況的重要指標,任何導致肌肉損傷和干擾肌肉能量生產或使用的情況都可能導致CK活性增加。Williams等[43]對12匹阿拉伯馬進行55 km耐力運動測試(EET),結果發現,運動后細胞凋亡率顯著增加,CK和AST活性均增加,表明馬在耐力賽后發生了肌肉損傷。類似的研究,Williams等[44]對46匹耐力馬進行80 km的運動訓練,運動后血漿中CK和AST活性升高,血漿中LPO活性和紅細胞、白細胞中總谷胱甘肽(GSH-T)含量顯著增加,紅、白細胞中GSH-Px活性顯著降低;White等[4]對44匹純種馬以最大速度進行(1 000±200) m賽跑,運動后血漿中CK活性和TBARS含量顯著增加,表明運動后馬的肌肉有一定程度的損傷。

劇烈運動過后,如馬匹身體不適或操作不當,可能伴有肌肉痙攣、抽筋、肌肉攣縮(由肌節直接縮短引起)等情況。運動肌肉功能的輕微紊亂會影響力量輸出、協調性、耐力和運動時的工作欲望。適度運動可能導致輕微肌肉損傷,但當運動強度超過承受限度,可能產生肌肉疾病。有相關調查表明,肌肉骨骼疾病發生的可能性是運動性能下降的1.7倍[置信區間(CI)=1.2～2.3,P<0.001][41]。勞損性肌病,如1型多糖貯積肌病(PSSM1)、夸特馬的2型多糖貯積肌病(PSSM2)、惡性高熱、阿拉伯馬的復發性勞損性橫紋肌溶解(RER)和肌纖維性肌病(MFM),其特征是橫紋肌溶解和血清CK活性升高[45]。急性橫紋肌溶解的表現很容易被識別,并且可以通過評估血清CK和AST活性的變化來診斷。Williams等[43]對12匹馬進行55 km耐力賽,其中1匹馬在完成賽程后由于后軀肌肉僵硬,被診斷出患有運動性橫紋肌溶解癥,該馬匹在55 km時血清CK活性達到7 717 U/L,AST活性在恢復18 h后最高,達到849 U/L。

4 緩解馬運動氧化應激的營養策略

生物體內有酶類和非酶類2種抗氧化系統,酶類系統包括SOD、CAT、GSH-Px等抗氧化酶,非酶類系統包括維生素C、維生素E、α-硫辛酸、類胡蘿卜素、谷胱甘肽(GSH)、褪黑素以及微量元素銅(Cu)、鋅(Zn)、硒(Se)等。在動物生產中,當機體發生氧化應激時,可以通過添加抗氧化物質,如油脂、維生素、微量元素和植物提取物等,調節動物機體的氧化還原平衡。

4.1 油脂

Klein等[46]給進行了12周輕度運動的馬匹補充共軛亞油酸(CLA),與對照組(補充豆油)相比,血清CCO活性(線粒體功能的標志)升高;血清中SOD、GSH-Px活性在運動后顯著升高,血清CK活性(肌肉損傷的標志)從第1周到第12周呈現先顯著下降后顯著增加的趨勢,表明補充CLA可能導致線粒體適應,并防止輕度運動馬的骨骼肌肌纖維損傷。過氧化物酶體增殖物激活受體共激活因子-1α(PGC-1α)通常被稱為線粒體生物發生的“主調節因子”,是啟動線粒體擴張的主要蛋白[47]。據報道,補充CLA增強了體外和體內PGC-1α蛋白的表達[48-49]。此外,CLA通過激活核呼吸因子1(Nrf1)和線粒體轉錄因子A(Tfam)放大線粒體DNA的轉錄和翻譯[48-50]。Mélo等[51]給訓練和保養期馬補充富含n-3、n-6多不飽和脂肪酸的混合物,結果表明,連續8周補充富含n-3、n-6多不飽和脂肪酸的混合物可提高保養期馬血液中SOD活性,提高訓練馬血液中GSH-Px、SOD活性和尿酸含量。Sembratowicz等[52]用亞麻籽油(FO)替代大豆油(SO)飼喂馬,馬體內血漿葡萄糖、低密度脂蛋白膽固醇、TG含量以及總膽固醇/高密度脂蛋白比值顯著降低,同時MDA含量也顯著降低;此外,亞麻籽油還促進了血液中紅細胞、淋巴細胞數目和溶菌酶活性升高,證明飼糧中添加亞麻籽油有助于改善馬的血液學參數,增強抗氧化防御機制。

4.2 維生素

維生素是人體及動物體內可自行合成或從食品中獲取的微量有機物,其中一些維生素因其較強的抗氧化活性而被廣泛應用于人體及動物體內。維生素C和維生素E是主要的非酶抗氧化劑。維生素E作為一種抗氧化劑,具有很強的捕獲自由基的能力,其通過保護組織脂質損傷來預防組織氧化。Nemec等[53]對40匹馬進行了14 d補充維生素E[1.8 IU/(kg·d)]、輔酶Q10(CoQ10,800 mg/d)以及兩者的組合,對研究了上述添加物對未進行運動訓練的馬在急性中度運動(10 min步行、5 min慢速小跑、10 min快速小跑和15 min疾馳后進行15～20 min步行)中氧化應激參數的影響,結果表明,補充安慰劑(2.6 mL/d石蠟油)和CoQ10的馬運動后血漿MDA含量顯著增加,且補充安慰劑的馬血漿MDA含量在運動后24 h仍顯著升高,而添加維生素E或維生素E+CoQ10的馬在運動后血漿GSH-Px活性均顯著升高。這些結果表明維生素E單獨或與CoQ10聯合使用均可防止未經訓練的馬在急性中度運動中的脂質過氧化。Fagan等[54]將18匹馬分為3組,分別補充1 000 IU/d合成醋酸生育酚(SYN-L組)、4 000 IU/d合成醋酸生育酚(SYN-H組)和4 000 IU/d膠束RRR生育酚(為天然維生素E,NAT-H組),經過7 d的適應期后,馬匹進行為期6周的高強度運動,與SYN-L組或SYN-H組相比,運動后NAT-H組馬的血漿MDA含量較低,標準運動測試后2 h的血清AST活性顯著降低。上述結果表明,天然維生素E對提高血清α-生育酚濃度和潛在地減少運動馬氧化應激和肌肉損傷具有有益作用。Mularczyk等[55]從患代謝綜合征(EMS)的馬中分離出脂肪衍生的脂肪基質干細胞(ASC),測試蝦青素是否可以保護ASC免受細胞凋亡、線粒體功能障礙和氧化應激,結果表明,蝦青素處理通過改變促凋亡途徑的標準化半胱天冬酶活性,顯著降低了細胞凋亡;此外,蝦青素通過調控相關主因子SOD1、SOD2、泛素蛋白連接酶(PARKIN)、PTEN誘導假定激酶1(PINK1)和線粒體融合蛋白1(MFN1)的表達,緩解了代謝綜合征引起的氧化應激和線粒體動力學衰竭;蝦青素通過刺激與氧化磷酸化(OXPHOS)機制相關的標記物恢復線粒體氧化磷酸化。綜上可知,蝦青素能抑制氧化應激,從而改善患有代謝綜合征的馬ASC的整體代謝狀態。維生素C、維生素E和類胡蘿卜素等抗氧化劑可以減少導致炎癥和組織損傷的自由基的產生,對于降低氧化應激具有有益的作用。在飲食中添加抗氧化劑有助于預防疾病,有益于馬匹的健康和維護,并可能提供治療靶點[56]。

4.3 微量元素

微量元素參與抗氧化酶的活性構成,通過改變抗氧化酶的活性改變機體的抗氧化能力。硒主要以硒蛋白形式參與生命活動。當硒缺乏時,含硒抗氧化酶活性降低,動物易發生氧化應激反應。常見的抗氧化酶如GSH-Px、甲狀腺素脫碘酶(Dios)和硫氧還蛋白還原酶(TrxR)等都屬于硒蛋白家族[57]。硒作為抗氧化劑對馬的影響是基于硒對GSH-Px的影響,它有助于馬將脂質過氧化物還原為無毒脂質醇[58]。馬匹經過運動訓練后發現,與肌肉GSH-Px活性相比,血液GSH-Px活性不受訓練的影響,但與在訓練中接受0.1 mg/kg DM硒的馬相比,接受0.3 mg/kg DM硒的馬的全血GSH-Px活性更高,表明攝入一定量的硒可以緩解馬匹運動過程中的氧化應激[33]。White等[34]給12匹經過短期高強度運動的馬分別補充0.1和0.3 mg/kg DM硒后測定其基因表達和抗氧化酶活性變化,當馬在靜息狀態下進行評估時,與NRC(2007)推薦的0.1 mg/kg DM硒相比,向成年馬補充0.3 mg/kg DM硒沒有顯著優勢,但在運動狀態下骨骼肌中SOD2和TrxR1的表達水平以及紅細胞和骨骼肌中GSH-Px活性因高水平硒的補充而得到改善,表明補充硒能夠改善馬在高強度運動后產生的氧化應激。綜上所述,添加微量元素硒可以顯著地、特異性地抑制馬力竭運動后引起的氧化應激。

4.4 植物提取物

李連浩[13]試驗發現,添加高濃度桑葉黃酮可以通過Nrf2信號通路調控下游抗氧化酶基因表達,進而促進抗氧化酶生成,提高蒙古馬機體抗氧化性能,緩解蒙古馬運動氧化應激導致的肌纖維損傷。曹迪[59]研究表明,向運動馬飼糧中添加桑葉黃酮后,其通過Nrf2-ARE信號通路介導骨骼肌衛星細胞中的抗氧化基因SOD1、SOD2、GSH-Px1、GSH-Px3和TrxR1表達,進而提高抗氧化酶SOD和GSH-Px的活性,降低MDA的含量,并通過提高細胞線粒體呼吸能力,最終緩解運動馬骨骼肌衛星細胞的氧化損傷。在飼糧中添加氨基酸也可以緩解運動后的氧化應激。Bourebaba等[60]研究了從C.glomerata(一種絲狀淡水綠色大型藻類)中提取得到的甲醇藻類提取物在馬脂肪衍生的ASC上的離體抗氧化和抗炎潛力,結果顯示,用過氧化氫(H2O2)處理ASC 1 h,使用顯微鏡評估細胞形態發現,活細胞數量顯著減少,應激細胞形狀出現不規則收縮,細胞表面以質膜的火山口狀變形為主,使細胞具有多孔外觀,細胞連接被縮回;用1%和5%的甲醇藻類提取物對ASC進行預處理,可以有效減少過氧化氫的毒性作用,具有明顯更高的細胞匯合度,細胞顯示出清晰的邊緣。綜上可知,甲醇藻類提取物可降低氧化應激,提高馬脂肪來源的ASC的活力。Streltsova等[61]將9匹健康且未經訓練的標準種母馬分為3組,分別給予2 L水(W組)、橙皮提取物(O組)和紅茶提取物(T組)對馬進行增量運動測試(馬在高速跑步機上以4 m/s的速度跑2 min,然后速度增加到6 m/s,后續每60 s增加1 m/s,直到馬達到疲勞狀態),測定橙皮提取物和紅茶提取物對馬運動性能和炎癥細胞因子的影響,結果顯示,橙皮提取物顯著縮短了馬運動后的耗氧量恢復時間[W組:(112±7) s;O組:(86±6) s;T組:(120±11) s];與W組和T組相比,O組的馬血漿總蛋白含量有顯著變化;與W組相比,T組和O組的馬血細胞中γ-干擾素(IFN-γ)mRNA表達水平均較低,而IL-6 mRNA表達水平各組間無顯著變化。以上這些結果表明,橙皮提取物和紅茶提取物可能調節了細胞因子對劇烈運動的反應,橙皮提取物減少了馬運動后的恢復時間,并可能潛在地提高了馬進行后續高強度運動的能力。

5 小 結

馬在劇烈運動過程中由于所需能量增多,線粒體呼吸加快產生過量的氧自由基使機體發生氧化應激,嚴重影響馬匹機體健康和運動性能,損害動物福利。馬在運動過程中的氧化應激受品種、年齡、環境以及運動強度等因素的影響,適度的低氧訓練有助于緩解馬的氧化應激,且隨著年齡的增加以及運動強度的增大,氧化應激表現更劇烈或傾向于更早發生。飼糧中添加抗氧化劑如油脂、維生素、微量元素、植物提取物等可以幫助緩解氧化應激對馬匹造成的損害,其中亞麻籽油、共軛亞油酸、維生素C、維生素E、硒、橙皮提取物、紅茶提取物、桑葉黃銅等緩解氧化應激具有明顯效果。目前我國對于馬的運動和氧化應激研究較少,后續工作應著重于科學訓練與補充抗氧化劑相結合,并針對抗氧化劑具體用量和方法及其調控機理進行深入研究,為緩解馬運動氧化應激提供理論依據,促進我國馬產業競技賽事標準化和規范化發展。