N-乙酰半胱氨酸在水產養殖中的應用

朱 瑞，李登來，張寶媛，尚國俊，王浩彤，劉思影，吳莉芳，秦貴信

(1.吉林農業大學動物科學技術學院，吉林 長春 130118；2.動物生產及產品質量安全教育部重點實驗室，吉林省動物營養與飼料科學重點實驗室，吉林 長春 130118)

N-乙酰半胱氨酸(NAC)是一種硫醇、黏液分解劑，同時也是L-半胱氨酸和還原型谷胱甘肽(GSH)的乙?；绑w，乙?；蛊涓妆晃?，抗氧化性更穩定(Hou 等，2015)。NAC 廣泛存在蔥屬植物中，其中洋蔥中NAC 含量可達45 毫克/千克(林芷昕等，2022)。NAC含有巰基，能與活性氧(ROS)如過氧化氫和羥基自由基相互作用，被認為是有效的自由基清除劑，因此NAC在保護細胞免受氧化應激中起著重要作用(侯永清等，2014)。此外，NAC可以轉化為半胱氨酸、還原型谷胱甘肽、?；撬岬壬锘钚晕镔|。本文綜述NAC的生理功能及在水產養殖中的應用，以期為NAC作為水產新型飼料添加劑提供理論參考。

一、分子結構、理化特性

NAC 為硫醇類化合物，分子式為C5H9NO3S，化學結構包括巰基(-SH)、羧基(-COOH)以及與氨基(-NH2)連接的乙?；?-COCH3)。

二、NAC對水產動物的影響及其作用機制

1.改善水產動物生長性能

生長性能直觀反映動物的生長發育狀態。研究表明，飼料中添加2 克/千克的NAC 顯著改善了尼羅羅非魚的增重率和特定生長率(Xie 等，2016)，同樣添加投喂2 克/千克的NAC 顯著增加了草魚的生長性能(Xie等，2017)。在中華絨螯蟹的研究中，NAC 可有效緩解T-2 毒素(Wang 等，2021)、大豆球蛋白(韓鳳祿，2020)或β-伴大豆球蛋白(Han 等，2020)導致的生長抑制情況。NAC 具有促進氨基酸吸收與轉運、調節脂質代謝、提高免疫功能、增強抗氧化能力、改善腸道健康等功能(Hou 等，2015；林芷昕等，2022；侯永清等，2014)，這可能在一定程度上改善了水產動物生長性能。

2.改善水產動物腸黏膜發育和屏障功能

動物腸黏膜形態結構完整是保證腸道正常生理功能的基礎，絨毛高度、絨毛寬度以及絨毛表面積常用于判斷動物腸道功能和健康狀況(Hou等，2010；2012)。研究表明，飼料中含70 克/千克的β-伴大豆球蛋白導致中華絨螯蟹圍食膜與黏膜皺襞分離以及腸上皮細胞損傷，而0.5～1克/千克的NAC 可消除此負面影響(Han 等，2020)。此外，飼料中添加0.5 克/千克的NAC 可減輕乙酸引起的仔豬潰瘍性黏膜損傷，增加杯狀細胞數量和密度，減少上皮內淋巴細胞的數量和密度(Wang等，2013)。NAC 能促進腸黏膜發育，緩解應激狀態下動物腸絨毛萎縮和隱窩增深，保護腸道形態結構的完整性。NAC對維持腸黏膜屏障完整性也具有重要作用(Hou等，2015；侯永清等，2014)。腸黏膜上皮細胞是機體重要的防御屏障，能夠降低腸腔內病原體入侵機體的可能(L?KKA 等，2016)。二胺氧化酶(DAO)是一種存在于腸上皮細胞中的酶，同時也是一種具有高度活力的細胞內酶，當腸黏膜受損時，DAO被釋放至循環系統中，導致血液中DAO 活性升高、腸黏膜DAO 活性降低(Zhu 等，2021；黎君友等，2000)。NAC 能夠促進水產動物腸道黏膜發育，降低應激狀態下腸黏膜通透性，同時NAC可以通過調節緊密連接蛋白的表達增強動物腸黏膜屏障功能。

3.提高水產動物抗氧化能力

細胞中過高ROS 蓄積會氧化脂質、蛋白質和DNA，引起后續細胞損傷和死亡(王靖雯等，2022)。而NAC 作為抗氧化劑，本身含有巰基，可以通過提供1 個電子與自由基結合，或通過給出1 個或2 個電子作為親核試劑來發揮直接抗氧化作用(Zafarullah等，2003；Hoey等，1986)。NAC中游離的巰基還能與重金屬離子結合形成螯合物，促進其排出，從而降低重金屬離子的細胞毒性(Hou 等，2015；林芷昕等，2022)。Balaji 等(2013)研究發現，NAC能通過結構中的巰基還原高鐵血紅蛋白，提高紅細胞的抗氧化能力。NAC還可以代謝生成半胱氨酸、GSH等發揮間接抗氧化作用(田新強等，2008；羅景慧等，2011)。同時，GSH可作為谷胱甘肽過氧化物酶、谷胱甘肽-S-轉移酶等的輔助因子或底物來增強機體抗氧化能力(Hou等，2015；侯永清等，2014)。Xie 等(2017)研究指出，飼料中添加0.2%的NAC 增加了草魚肝胰臟GSH水平，降低脂質過氧化，并增強機體抗氧化能力。同時在含有8%大豆球蛋白的飼料中添加NAC，顯著降低了中華絨螯蟹腸道丙二醛含量，提升了過氧化氫酶活性和GSH 含量(韓鳳祿，2020)。此外，在歐洲鰻(PE?A-LLOPIS 等，2003)、羅非魚(GUTIéRREZ-PRAENA 等，2012)和 虹 鱒(Alak 等，2019)的研究中也揭示了NAC 能改善水生動物機體抗氧化狀態。因此，NAC具有良好的抗氧化特性。

4.提高水產動物抗炎能力

促炎細胞因子如TNF-α、IL-1β、IL-6 等是一類重要的免疫調節因子，其介導的炎癥反應在動物免疫調節過程中起重要作用(Zhu 等，2022)，而NAC 可通過多種信號途徑調節炎癥的發生(Hou等，2015；林芷昕等，2022)。有研究指出，NAC 能夠清除ROS、抑制IKKβ 和NF-κB 的核易位來抑制NF-κB 活化，從而抑制下游TNF-α、IL-1β、IL-6等的表達(侯永清等，2014)。NF-κB激活可以促進TNF-α 表達，反之TNF-α 又可作為NF-κB 信號通路的激活因子加劇炎癥反應(Zhu等，2022)。而NAC可調節TNF-α與TNF受體1、受體2 的相互作用，降低TNF-α 與其受體的結合，從而抑制NF-κB 信號通路激活(Wang 等，2018)。在羅非魚的研究中表明，飼料中添加NAC顯著下調了海豚鏈球菌攻毒后頭腎組織中IL-1b的相對表達量(Xie 等，2016)。NAC 也下調了脂多糖攻毒下中華絨螯蟹促炎細胞因子(TNF-α、EsRelish和白細胞介素2 增強子結合因子2)的表達(Han 等，2020)。此外，NAC可以有效緩解LPS誘導的腸炎和鼠膠原誘導的關節炎(Wang 等，2013；KR?GER 等，1997)。孫磊等(2018)認為NAC 可能通過抑制NFκB 下游NLRP3 的激活來減輕其介導的炎癥反應，從而減輕LPS 誘導的大鼠急性肺損傷。因此，NFκB 信號通路是NAC 緩解炎癥的重要介導途徑。此外，NAC 還可以抑制誘導型一氧化氮合成酶分泌，降低一氧化氮以及IL-6 的產生，從而發揮抗炎作用(Li 等，2007)。同樣，在仔豬的研究中發現，NAC 還可以通過Toll 樣受體途徑降低腸炎發生，NAC 通過抑制LPS 刺激下腸黏膜TLR4 mRNA 表達，進而降低血清和小腸黏膜TNF-α 濃度和腸道NFκB p65蛋白豐度(Hou等，2013)。

NAC還可以通過調控MAPK信號通路來調節炎癥的發生。MAPK 信號通路是體內重要的介導炎癥因子釋放、氧化應激和啟動凋亡的信號轉導途徑，也是激活NF-κB 信號通路的主要上游位點(Osaki等，2013)。在大鼠的研究中發現，氣管內滴注PM2.5 增加了肺組織中p-ERK1/2 MAPK、p-JNK1/2 MAPK 和p-p38 MAPK 的蛋白質表達，而經NAC 處理后，PM2.5暴露大鼠的MAPK磷酸化蛋白表達顯著減少(Fen 等，2019)。NAC 還能通過影響大鼠p38 MAPK信號通路而拮抗順鉑的腎臟毒性作用，NAC抑制了p38 MAPK 激活，減少下游與凋亡相關的細胞因子表達水平(羅景慧等，2011)，這為臨床探索解決藥物性腎臟損害提供了理論依據。譚利平等(2010)研究發現NAC 可通過抑制p38 MAPK 信號通路的激活對高氧肺損傷起保護作用。此外，NAC顯著抑制了TNF-α 誘導的p38 MAPK 和MAPKK3/MAPKK6 激活，從而抑制下游IL-8 表達(Hou 等，2018；Rasheduzzaman等，2019)。NAC調控動物炎癥涉及多條信號途徑，但目前NAC對水產動物炎癥反應的影響機制有待進一步研究。

5.調控水產動物細胞凋亡

NAC具有抗細胞凋亡作用。細胞凋亡是機體為維持內環境穩態而存在的細胞自主、有序的死亡方式，可以被炎性細胞因子、ROS 等啟動(Novitsky等，2008)。半胱氨酸蛋白酶在細胞凋亡過程中發揮重要作用，其調控細胞凋亡的發生與發展過程，Caspase-3、Caspase-6和Caspase-7主要參與細胞因子介導的炎癥反應并執行細胞凋亡，其中Caspase-3 最為關鍵，直接決定細胞的凋亡(Joseph等，2004)。NAC抗凋亡作用可能是通過調節動物機體Caspase的表達來實現的。在中華絨螯蟹的研究中發現，NAC 下調了肝胰腺組織中Caspase-3、Caspase-8 和p53 基因的表達，以及Bax/Bcl2 的比值(Wang 等，2021)，從而緩解T2 毒素誘導的細胞凋亡。在陸生動物中，NAC可以緩解慢性肝病導致的小鼠骨骼肌細胞凋亡，具體表現為降低ROS、Caspase-3 和Caspase-9 含量(Abrigo 等，2020)。同樣，在輻射條件下，NAC 可通過抑制Caspase-3 表達來避免大鼠海馬細胞的凋亡(Li等，2015)。此外，NAC 能通過影響MAPK 信號通路抑制小鼠肝缺血再灌注損傷誘導的自噬和細胞凋亡，其機制可能涉及通過清除ROS 和抑制MAPK 信號通路，間接增加Bcl2 水平以拮抗半胱氨酸蛋白酶(Wang等，2014)。綜上，NAC可以抑制應激狀態下Caspase-3的表達，緩解細胞凋亡，從而減輕水產動物機體損傷。

6.抗菌能力

在尼羅羅非魚的研究中表明，飼料中補充NAC投喂后顯著提高了海豚鏈球菌攻毒下尼羅羅非魚的抗氧化能力、免疫功能和存活率，這表明NAC 能有效提高動物機體的抗菌能力(Xie 等，2016)。在小鼠的研究中表明，相較于對照組，NAC 組腸道乳酸桿菌、雙歧桿菌和腸球菌豐度增加，而大腸桿菌豐度降低，表明NAC能改變小鼠腸道菌群結構(包健等，2014)。NAC可通過調節細胞內信號轉導和細胞代謝來發揮抗菌作用(Yi 等，2017)。在體外試驗中證實，12.5 毫克/毫升的NAC能夠顯著抑制痤瘡丙酸桿菌和表皮葡萄球菌的生物膜發育(Eroshenko 等，2017)；并且NAC 可通過降解生物膜的胞外多糖基質從而提高環丙沙星滅殺大腸桿菌的效果(El-Feky等，2009)。以上研究表明，NAC能夠通過影響細菌生物膜結構來發揮抑菌作用，這可能歸功于NAC與鈣、鎂的螯合或與細菌生物膜中關鍵成分的相互作用(Zhao 等，2010)。此外，NAC 作為一種弱有機酸，可以引起動物腸道環境pH 變化，有研究指出NAC 誘導的pH變化是其抗細菌生物膜活性的重要途徑(Chang等，2013)。NAC 的抗菌作用并不依賴單一的途徑，可能是改變環境pH、抑制細菌生物膜發育、調控細胞內信號轉導和細胞代謝等功能的協同作用。

7.調控生殖功能

NAC具有調控生殖的作用。在水生動物中，慢性鎘暴露導致河南華溪蟹(Sinopotamon henanense)卵巢氧化應激和組織損傷，而NAC的補充改善了這些不利影響，證實NAC對鎘誘導的生殖毒性具有緩解作用(陳紅苗等，2017)。

三、小結與展望

N-乙酰半胱氨酸具有改善動物生長性能和腸黏膜發育、提高抗炎和抗氧化能力、調控細胞凋亡和生殖以及抗菌等功能，在養殖生產中具有廣泛的應用前景。NAC的生理功能也符合水產新型綠色添加劑的開發要求。由于養殖環境存在差異，陸生動物中的灌服和注射等手段并不適用于水生動物；消化生理結構差異也導致水生動物對NAC的生理響應與陸生動物可能存在差異。此外，水生動物物種特異性，發育階段、養殖環境和飼料配方組成差異等因素導致機體對NAC 需求量不一致，有待進一步研究。NAC在水產動物中的應用研究處于起步階段，研究證實NAC能夠改善水產動物生長和健康。在飼料中添加投喂是NAC在水產動物生產中應用的發展趨勢，需要進一步研究NAC的作用機制和適宜添加劑量，為開發新型綠色飼料添加劑提供參考。