1 维生素B6的来源和代谢
维生素B6是一种水溶性维生素,有6种异构体,包括吡哆醛(pyridoxal,PL)、吡哆醇(pyridoxine,PN)、吡哆胺(pyridoxamine,PM)及其相对应的3种5’-磷酸化形式——PLP、磷酸吡哆醇(PNP)、磷酸吡哆胺(PMP)。维生素B6在肉类、奶制品、谷物、坚果和多种水果蔬菜中含量较多。PLP和PMP是维生素B6在动物产品中的主要存在形式,植物产品中以PN和PNP为主。微生物以5-磷酸脱氧木酮糖和4-磷酸羟基-L-苏氨酸或3-磷酸甘油醛和5-磷酸核酮糖为前体,合成PLP[4]。肝脏和肠道是维生素B6代谢的主要部位,摄入的磷酸化形式的维生素B6先被肠道磷酸酶去磷酸化为PL、PN、PM,而后主要在空肠和回肠中以被动扩散的方式被吸收,PL、PN、PM通过门静脉运输到肝脏,在肝脏中在吡哆醛激酶(pyridoxal kinase,PDXK)的催化下重新磷酸化,PMP和PNP在磷酸吡哆醇氧化酶(pyridoxine phosphate oxidase,PNPO)的催化作用下转化为PLP,PLP释放到血液与白蛋白结合,通过血液循环运送到其他的组织器官[5]。4-吡哆酸(4-pyridoxic acid,4-PA)是维生素B6的主要代谢产物,随尿液排出。
2 维生素B6的生物学功能
2.1 代谢功能
维生素B6对维持机体正常生长、发育和细胞代谢至关重要。PLP是维生素B6的生物活性形式,作为辅酶因子参与了细胞中140多种生化反应,包括关键的代谢反应,如氨基酸的合成、相互转化和降解,碳水化合物、脂类、核酸的代谢以及血红素的合成过程[6-7]。维生素B6的缺乏影响蛋白质和氨基酸的正常代谢,降低蛋白质在机体内的吸收利用效率,最终导致动物出现厌食、生长迟缓、神经失调以及贫血等症状。Mayengbam等[8]指出,与对照组和高水平维生素B6组相比,维生素B6缺乏组大鼠的体重、采食量和体脂率显著降低,血清代谢产物中维生素B6代谢、赖氨酸降解以及烟酸和烟酰胺代谢受到干扰。Martinez等[9]利用同位素标记法证实了维生素B6摄入不足会导致大鼠肝脏中S-腺苷甲硫氨酸含量减少,丝氨酸羟甲基转移酶活性降低,机体蛋白质周转率降低。在脂肪酸代谢中,PLP依赖性酶催化必需多不饱和脂肪酸的合成,对维持细胞完整性、信号转导、免疫调节功能的脂质代谢物的产生和机体的健康发育至关重要[10⇓-12]。
2.2 神经调节功能
维生素B6是肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺、5-羟色胺和γ-氨基丁酸等神经递质合成过程中的辅助因子,对机体维持神经系统的正常发育和功能非常重要[13]。5-羟色胺可以调节认知、情绪、睡眠,常见于镇定剂、抗抑郁、抗焦虑的药物中。氨基丁酸是一种抑制性神经递质,具有镇定作用。维生素B6通过调节神经递质的合成,影响机体的心理健康和认知能力,具有神经保护作用[14-15]。维生素B6的缺乏与多种神经系统类疾病的发生有关[16-17]。ATP门控嘌呤能P2X7受体(ATP-gated purinergic P2X7 receptor,P2X7)是脑内的炎症开关,介导中枢和外周神经系统的快速兴奋性神经递质的释放,促进星形胶质细胞和小胶质细胞的分裂,增加促炎细胞因子和其他炎症介质释放,引发癫痫发作,被认为是治疗包括癫痫在内的一系列神经疾病的新药物靶点[18]。研究发现,维生素B6是P2X7受体的拮抗剂,具有抑制癫痫发作和神经保护作用[19-20]。
2.3 抗氧化功能
维生素B6的吡啶环上包含羟基和胺基基团,能直接与活性氧(reactive oxygen species,ROS)自由基发生反应,被认为是一种有效的抗氧化剂。Ehrenshaft等[21]首次报道了维生素B6的抗氧化能力,他们观察到维生素B6表现出与维生素C和维生素E相似的氧自由基清除率。Kannan等[22]研究报道,维生素B6可以降低过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)处理的血管内皮细胞的超氧自由基含量和脂质过氧化水平。维生素B6是谷胱甘肽抗氧化防御系统中的辅酶,还是超硫反应中必不可缺的辅酶,能够促进同型半胱氨酸转化为半胱氨酸,而半胱氨酸又是合成谷胱甘肽的重要底物[23]。因此,维生素B6可能直接或间接参与抗氧化防御。研究发现,与对照组相比,缺乏维生素B6的大鼠肝组织抗氧化潜能(antioxidant potential,AOP)以及超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、谷胱甘肽硫转移酶(glutathione-S-transferase,GST)活性与谷胱甘肽(glutathione,GSH)含量显著降低,而谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)活性、丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量显著升高[24]。这些结果表明,维生素B6缺乏会导致抗氧化防御能力减弱和氧化应激加重。然而,Lima等[25]研究表明,饲粮维生素B6缺乏反而增加了肝脏GSH含量。因此,GSH含量和维生素B6状态之间的具体关联还有待进一步研究。多项研究表明,补充维生素B6可提高GST、GSH-Px和过氧化氢酶(catalase,CAT)等抗氧化酶的活性[2,26-27]。Abdullah等[28]研究发现,在四氧嘧啶诱导的糖尿病大鼠中,补充维生素B6可显著降低氧化应激参数和ROS产生量,改善大鼠肝脏和肾脏的病理损伤,从而缓解蛋白质、脂质和核酸等生物大分子的氧化损伤。
2.4 免疫调节和抗炎功能
维生素B6是维持先天和适应性免疫系统功能的重要化合物,特别是抗炎免疫反应所必需的[37]。研究发现,维生素B6的缺乏会影响细胞免疫和体液免疫反应,导致机体的免疫能力下降,如淋巴结、淋巴器官及脾脏萎缩,淋巴细胞数量减少,血液中抗体[免疫球蛋白G(IgG)、免疫球蛋白M(IgM)]产生量减少,细胞因子产生量改变[38⇓-40]。同样,Zheng等[41]研究指出,饲料中缺乏维生素B6降低了草鱼幼鱼肠道中先天免疫成分如溶菌酶和酸性磷酸酶活性、补体和抗菌肽含量以及适应性免疫成分如免疫球蛋白的含量,并下调抗炎细胞因子表达,上调促炎细胞因子表达,最终损草鱼肠道免疫功能。相反,适量补充维生素B6有助于增强免疫功能,也有助于细胞因子和趋化因子之间的相互作用达到免疫稳态[42]。维生素B6还具有抗炎特性。此前有研究报道,在脂多糖诱导的巨噬细胞中,维生素B6可通过抑制核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信号通路的激活以降低一氧化氮合成酶(nitric oxide synthase,iNOS)和环氧合酶-2(cyclooxygenage-2,COX-2)的mRNA和蛋白的表达水平[43]。维生素B6还可以干扰NOD样受体蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)信号通路的激活,从而抑制白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)和白细胞介素-18(interleukin-18,IL-18)的成熟分泌[44]。在脂多糖诱导的小鼠急性肺炎中,维生素B6下调了炎症因子IL-1β、白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)的mRNA表达水平,缓解炎症损伤[45]。然而维生素B6抗炎作用的确切机制尚不清楚,需要进一步研究。
2.5 抗肿瘤功能
3 维生素B6在炎症下的动员
血浆PLP水平是衡量组织维生素B6状态的最常用、最敏感的指标,可以反映肝脏PLP水平和存储。多项临床研究结果表明,血浆PLP的低水平状态与新冠肺炎[49]、心血管疾病[29]、癌症[50]、炎症性肠病[51]、类风湿性关节炎[52]等多种炎症性疾病的患病风险的增加有着密切的联系;而且血浆PLP水平与多种炎症标志物的含量呈负相关,这些炎症标志物包括C-反应蛋白、IL-1β、TNF-α含量以及白细胞数量、犬尿氨酸/色氨酸比值等[53⇓-55]。目前研究表明,维生素B6状态与炎症标志物的反向关联可能不是由维生素B6摄入量不足或过度代谢造成,而更可能是因为肝脏和血浆中的PLP被动员到炎症部位,被炎症过程中PLP依赖性的酶和代谢途径利用,在免疫反应中发挥重要作用[56]。然而,随着炎症期间维生素B6的周转和利用增加,可能导致炎症状态下维生素B6的耗竭和缺乏,并可能进一步以正反馈的方式驱动免疫-炎症反应,导致与维生素B6相关的炎症通路功能异常。炎症状况下或者应激激素存在会降低体内维生素B6水平。研究发现,热应激导致家兔粪便中的4-PA、犬尿氨酸(kynurenine,Kyn)、多巴胺的水平增加,PL的水平降低,这些差异代谢物说明热应激影响家兔肠道维生素B6和色氨酸代谢[57]。相似地,Allen等[58]研究发现,压力应激引起小鼠胃肠道色氨酸代谢紊乱,显著降低结肠内容物中维生素B1、维生素B3、维生素B5和维生素B6含量。这些结果表明,在炎症或应激状况下,机体免疫系统对维生素B6的需要量可能会增加。本文总结了与维生素B6相关的炎症途径和具有免疫调节作用的代谢物,如色氨酸代谢、1-磷酸鞘氨醇(sphingosine 1-phosphate,S1P)代谢和NLRP3炎症信号通路。
4 维生素B6的抗炎机制
4.1 维生素B6和色氨酸代谢
色氨酸及其代谢物具有提高采食量、神经调节、免疫调节和肠道稳态等多种生理功能,对动物机体健康非常重要。色氨酸代谢失调会引起其代谢中间产物的产生失衡,这与多种疾病如神经类疾病、癌症、炎症性肠病、心血管疾病等的发生机制有关[59]。因此,明确调节色氨酸通量的交叉点对疾病的治疗具有重大的意义。维生素B6的活性形式PLP,是色氨酸主要代谢途径——犬尿氨酸途径的犬尿氨酸酶(kynureninase,KYNU)和犬尿氨酸转氨酶(kynurenine aminotransferase,KAT)的辅酶(图1 )。KYNU催化水解Kyn转化为邻氨基苯甲酸(anthranilic acid,AA)和3-羟基犬尿氨酸(3-hydroxykynurenine,3-HK)转化为3-羟基邻氨基苯甲酸(3-hydroxyanthranilic acid,3-HAA)。KAT将Kyn转化为犬尿喹啉酸(kynurenic acid,KA)和3-HK转化为黄尿酸(xanthurenic acid,XA)[60]。这些犬尿氨酸相关的代谢物被认为具有积极的免疫调节作用。然而,在维生素B6缺乏的情况下,色氨酸分解代谢为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)的过程被阻碍,NAD+的生成受阻,造成能量产生减少和抗应激能力减弱;与此同时,研究证实,在维生素B6缺乏的情况下,尿中XA、Kyn和3-HK的浓度升高[61-62]。尿XA排泄量和血浆HK/XA比值也成为反映维生素B6状态的功能标志物[63]。Kyn浓度的增加会降低自然杀伤细胞活性和阻碍T细胞增殖,导致细胞死亡增加;3-HK具有神经毒性作用[64]。另外,PLP也是色氨酸的5-羟色胺途径和微生物代谢途径中的辅酶[65]。5-羟色胺对正常的肠道运动很重要,是一种调节情绪和认知的重要的神经递质[66]。研究发现,皮下注射600 mg/kg维生素B6干预犬尿氨酸途径的激活,改善神经化学和神经炎症参数,从而改善脓毒症大鼠的认知功能[67]。这些结果表明,色氨酸代谢依赖于维生素B6。因此,维生素B6可能通过调节色氨酸通量和选择性生成色氨酸代谢物,调控机体的炎症反应进程。
4.2 维生素B6与炎症小体
炎症小体是细胞质内的多蛋白复合物,在各种生理或病理刺激下,能够招募和激活促炎蛋白酶半胱天冬酶-1(Caspase-1),导致促炎因子IL-1β和IL-18的成熟释放[68]。目前,NLRP3炎症小体是所有炎症小体中研究最为广泛深入的一种,它能通过独特的模式识别受体,响应多种外源性(包括脂多糖、细菌鞭毛等)和内源性危险信号分子(包括ROS、K+外流、Ca2+内流和溶酶体损伤等)的刺激。NLRP3炎症小体的激活与各种自身炎症性疾病的发病机制有关,包括痛风、动脉粥样硬化和2型糖尿病等[69]。适度的炎症小体激活是天然免疫系统的关键组成部分,可以清除病原微生物,修复受损组织。然而,过度激活可能发展为宿主的过度炎症损伤和细胞死亡。研究报道,维生素B6可以通过抑制多种外源危险信号分子(脂多糖、ATP)诱导的NLRP3炎症小体的激活,来减少促炎因子IL-1β和IL-18的分泌,此外,还显著减少了巨噬细胞中ROS的产生,ROS也是一种常见的NLRP3炎症小体激活物[44]。这些结果揭示了维生素B6可能通过抑制炎症小体的组装和功能,干扰炎症细胞因子的分泌,发挥其抗炎特性。
4.3 维生素B6与S1P代谢
S1P是一种具有生物活性的鞘脂类代谢物,具有调节炎症和免疫反应的作用,如细胞生长、生存、分化、淋巴细胞运输、内皮屏障的完整性以及细胞因子和趋化因子的产生[70]。维生素B6是丝氨酸棕榈酰转移酶和S1P裂合酶(sphingosine 1-phosphate lyase,SPL)的辅酶,分别作用于S1P的合成和分裂,直接调节S1P的活性。来自胸腺和外周淋巴器官中的淋巴细胞(特别是T细胞)的成熟和转运都依赖于S1P的活性梯度,而这种梯度则需通过维生素B6依赖性的SPL对S1P的不可逆降解来实现[71]。研究发现,服用维生素B6拮抗剂4’脱氧吡啶后,小鼠免疫器官中的SPL活性被抑制,导致成熟淋巴细胞在胸腺和炎症部位中累积滞留,不能进入血液循环,造成淋巴细胞减少和免疫抑制;而通过在饲粮中补充维生素B6可以逆转这些情况[72]。Kunisawa等[73]研究发现,S1P也调节B细胞运输进入肠间隔以产生肠道IgA的过程。因此,维生素B6可能通过调节脂质介质S1P的代谢,在维持肠道免疫屏障功能中发挥重要作用。
此外,S1P还是维持上皮细胞和内皮细胞屏障功能的重要信号分子,通过调节黏附连接、紧密连接的形成来维持上皮细胞和内皮细胞屏障功能[74]。当PLP受限时,失调的S1P循环可能经某几种S1P受体介导,造成内皮屏障渗漏性增加、炎症组织内液体滞留增加。另外,S1P可激活NF-κB和转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3),这2种转录调节因子在炎症和致癌过程中起主开关作用,引起细胞内级联反应,导致细胞因子过量产生和炎症组织损伤[75]。Du等[76]研究发现,补充维生素B6可通过提高SPL活性来减少S1P的积累,并通过抑制NF-κB信号通路的激活降低促炎因子的表达,从而显著抑制脂多糖诱导的小鼠急性炎症。因此,我们猜测炎症引起的肠道损伤与维生素B6缺乏引起的S1P代谢失调有关,维生素B6可能通过恢复S1P循环系统的稳态,以平衡肠道免疫屏障和机械屏障功能而维持机体的正常生理功能,其中的具体机制还有待研究。
5 维生素B6在饲粮中的应用
动物的健康生长都离不开维生素B6,然而哺乳动物和家禽自身不能从头合成维生素B6,而微生物合成量不足,因此通常需要通过外源补充以满足机体生理需要。盐酸吡哆醇是动物饲粮中维生素B6常见的添加形式。畜禽对维生素B6的需要量一般为每千克饲粮1~3.5 mg,鱼类为3~6 mg。但随着饲粮蛋白质水平、动物生长阶段、环境温度及应激条件等因素的变化,动物对维生素B6的需要量也随之改变。近年来,维生素B6在水产动物饲料中的应用研究较多,在家禽和猪饲粮中的应用研究较少。
对于水产动物而言,维生素B6主要影响动物生长、存活率、酶活性、蛋白质和氨基酸代谢及免疫功能等[77]。刘坤[78]研究发现,维生素B6是鲶鱼生长中必要的营养素,饲喂缺乏维生素B6的饲料显著降低鲶鱼的生长性能,升高鲶鱼死亡率。在鳙鱼饲料中添加4 mg/kg维生素B6,可以改善鳙鱼生长性能、血液学指标,显著提高溶菌酶、碱性磷酸酶活性[79]。Huang等[80]研究发现,与对照组相比,在幼金鲳鱼幼鱼饲料中添加维生素B6显著提高幼鱼的增重率、生长速率和饲料转化率。在家禽生产中,维生素B6缺乏会导致鸡只出现食欲丧失、产蛋率和孵化率降低、皮炎、脱羽、肌胃糜烂和瘫痪等症状[81]。研究发现,在蛋鸡饲粮中添加维生素B6可以提高蛋黄中脂肪酸的含量,提高蛋重[82-83]。在妊娠母猪饲粮中补充1 mg/kg维生素B6可增加窝产仔数和断奶仔猪数,改善断奶仔猪的生长性能,提高日增重和采食量[84]。另一项研究表明,随着断奶仔猪饲粮中维生素B6添加量的增加,断奶仔猪的平均日增重和平均日采食量有增加趋势,其中,断奶后0~14 d补充3.3 mg/kg的维生素B6可改善仔猪的生长性能[85]。
6 小结
维生素B6是维持正常代谢和免疫反应所必需的,具有代谢功能、神经调节、抗肿瘤、抗氧化功能和抗炎等生物学功能。越来越多的证据表明,维生素B6状态与炎症性疾病密切相关,低浓度的血浆PLP与患病风险呈正相关。维生素B6可能通过直接或间接参与抗氧化防御以及调节平衡色氨酸代谢,细胞因子的分泌和信号转导,淋巴细胞的运输、数量和功能,内皮屏障完整性,起到缓解氧化应激和炎症损伤的作用。然而,不同生理或病理状况下动物对维生素B6的需要量以及维生素B6的关键抗炎机制有待深入研究。