《Journal of Trace Elements and Minerals》：Trace Elements as Strategic Determinants of Dairy Cattle Claw Health - A Targeted Narrative Review
摘要
背景
跛行是奶牛主要的健康与福利问题，主要由蹄底溃疡、白线病和蹄踵糜烂等蹄部病变驱动。微量元素虽然需求量小，但对酶活性、角化、抗氧化防御和组织修复至关重要——这些都是维持蹄完整性的关键。
目的
本针对性叙述性综述旨在评估关键微量矿物质（锌、铜、锰、硒、钴和铁）在蹄部健康中的作用，并评估其在群体健康计划中预防跛行的潜力。
方法
在PubMed、Scopus和Web of Science中对2000年至2024年间发表的研究进行了结构化文献检索。虽然应用了系统性评价的元素（检索策略、预定义的合格标准和质量评估），但本工作并非设计为完全符合PRISMA标准的系统评价。在确定的79项研究中，有20项符合纳入标准并进行了定性分析。提取的数据包括矿物质类型、给药途径、补充时长和报告的蹄部健康结果。
结果
日粮补充有机微量元素，特别是螯合形式，与改善角化、增加蹄硬度和降低病变发生率相关。局部应用，如铜锌蹄浴，在控制趾间皮炎方面产生了多变但充满希望的结果。组织学分析显示，临床康复的蹄部可能仍表现出不完全的结构恢复。
结论
微量矿物质是蹄部发育和韧性的基础。战略性补充（全身性和局部性）可支持跛行的预防和恢复。本综述强调需要进行长期研究，以更好地了解矿物质的生物利用度、组织水平效应以及其与综合性蹄部健康管理的整合。
引言
奶牛养殖主要受经济目标和牲畜生产力的驱动，这决定了人-牛关系在很大程度上是职业性的。确保奶牛的高福利标准不仅是一种伦理责任，而且对于维持动物健康和提高农场效率也至关重要。随着动物福利概念的不断发展，人们越来越认识到奶牛的健康和福祉与奶牛养殖业长期可持续性密切相关。影响牛福利的基本因素包括饲养和营养，这两者都显著影响动物生产性能和乳制品质量。虽然微量元素含量很少，但它们在维持蹄完整性和结构韧性方面起着关键作用。这些矿物质的缺乏直接导致跛行的发生，这是奶牛福利的一个关键指标。
促进奶牛福利不仅是一种伦理义务，也是确保农场效率和维持动物健康的关键因素。跛行仍然是奶牛生产中的一个普遍问题，主要源于蹄部病变。它会降低采食量，损害行动能力，并导致产奶量下降。此外，跛行对繁殖性能产生不利影响，降低受胎率并延长产犊间隔。除了其生物学影响外，跛行还通过增加治疗成本、生产损失和更高的淘汰率带来显著的经济负担。因此，维持蹄部健康（特别是通过充足的微量元素补充）对于预防跛行和提升整体牛群福利都至关重要。
锌（Zn）、铜（Cu）、硒（Se）、锰（Mn）、碘（I）、钴（Co）和铁（Fe）是奶牛营养所需的关键微量元素。这些矿物质作为酶、金属蛋白、辅酶、转录因子和激素的重要组成部分，参与基因表达、氨基酸和蛋白质合成以及细胞信号传导等过程。研究表明，在奶牛日粮中补充有机微量元素可改善蹄部韧性，并降低蹄部病变的发生率，包括白线分离、蹄底出血和趾间皮炎。在这些元素中，锌、铜、锰、钴和硒对蹄部健康尤为重要，因为它们在增强结构完整性、硬度和免疫防御方面发挥作用。
微量元素对牛蹄健康的功能性贡献已在各种研究中得到广泛记载。锌对于蹄硬度和角化至关重要，能显著增强蹄角的 structural integrity 和 resilience。铜同样支持蹄硬度、蛋白质合成和角化，在健康蹄组织的形成和维持中发挥重要作用。锰通过激活角蛋白相关蛋白、促进 robust 蹄结构以及通过蛋白聚糖合成支持关节和肌腱健康来做出贡献。钴参与蛋白质合成，对蹄内组织生长和修复至关重要。硒以其抗氧化防御机制而闻名。总的来说，这些微量元素是奶牛蹄部健康和整体 performance 的基础。
尽管微量元素缺乏与跛行之间的联系已很明确，但这些元素影响蹄部健康的具体机制仍未得到充分理解。因此，本针对性叙述性综述综合了2000年至2024年间发表的关于关键微量元素（锌、铜、锰、硒、钴和铁）在奶牛蹄部生物学和跛行相关结果中作用的证据。具体来说，我们总结了将矿物质状态与角化、胶原/细胞外基质代谢、抗氧化防御和免疫功能联系起来的机制证据，并批判性评估了报告的干预策略，包括日粮补充（有机/螯合 vs. 无机来源、剂量、时机，重点关注围产期）和局部应用（如铜锌蹄浴）。最后，我们整合研究结果，为群体水平的蹄部健康管理和跛行预防概述了实际考量。
材料与方法
本文是一篇针对性叙述性综述，旨在综合当前关于微量元素在奶牛蹄部健康中作用的证据。为提高透明度和可重复性，我们采用了系统评价典型的结构化元素（数据库检索、预定义的合格标准和偏倚风险评估），但本工作并非旨在或作为完整的PRISMA 2020兼容系统评价或荟萃分析进行。对于结果部分，应用了预定义的排除标准，仅分析了符合纳入标准的研究。
方案： 本文是一篇针对性叙述性综述，旨在综合当前关于微量元素与奶牛蹄部健康的证据。我们使用结构化检索和合格程序以确保透明度，但这并非PRISMA 2020下的完整系统评价。
检索策略： 文献检索在三个主要科学数据库中进行：PubMed、Scopus和Web of Science。考虑了2000年至2024年期间的出版物。使用高级检索功能在每个数据库中应用定制的检索式。
选择过程： 所有参考文献使用Zotero?进行组织。该过程包括标题、摘要和全文筛选，以确保研究选择的客观性和一致性。
合格标准（PICOS框架）：
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对象（P）： 纳入：用于奶牛生产的 Bos taurus（奶牛、青年母牛以及奶牛品种的犊牛、青年母牛或阉牛），当其蹄/爪结果被评估时。任何胎次、泌乳阶段、饲养系统或牛群类型均符合条件。排除：当蹄部结果与奶牛品种生理无关时的肉牛品种；其他物种。
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干预/暴露（I）： 纳入（全身性/日粮）：补充或强化与蹄部生物学相关的微量元素——锌（Zn）、铜（Cu）、锰（Mn）、硒（Se）、钴（Co）和铁（Fe）——以任何形式（无机盐、有机/螯合、氨基酸复合物）、任何剂量和持续时间。纳入（局部）：蹄浴、喷雾或局部方案。纳入（观察性暴露）：量化矿物质状态（如血清、蹄角或瘤胃测量值）与蹄/爪结果相关的研究。
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比较（C）： 标准日粮/安慰剂 vs. 矿物质补充日粮；无机 vs. 有机/螯合来源；不同剂量/比例；存在 vs. 不存在局部处理；受试者内前后设计；或不同矿物质暴露/状态的农场/圈舍间比较。
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结果（O）： 主要结果：跛行发生率/患病率；蹄部病变（如蹄底溃疡、白线病、趾间皮炎）的患病率/发生率或发生时间；病变严重程度或治愈情况。次要结果（机制/结构）：蹄硬度/角化指数；运动/跛行评分；组织学或组织重塑；与蹄部健康相关的抗氧化/氧化应激生物标志物；与蹄部结果相关的血清/蹄矿物质浓度。如果研究报告了至少一个主要结果或一个与蹄部健康明确相关的次要结果，则被纳入。
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研究设计（S）： 纳入：随机对照试验（个体或整群随机）、非随机对照试验/田间试验、纵向研究、实验研究、前瞻性或回顾性队列研究、病例对照研究以及报告合格结果的横断面研究。排除：叙述性综述、系统评价、荟萃分析、社论、无完整数据的会议摘要、未经同行评审发表的学位论文、无比较组或无合格结果的病例报告/系列。
通过数据库检索初步获得79条记录。去除不合格记录后，剩余69条。然后排除重复条目，得到48篇独特文章。应用了三阶段筛选过程：标题筛选排除了6篇文章（n=42），摘要筛选进一步排除了22条记录（n=20），全文评估确认了20篇符合合格标准的同行评审研究。因此，最终有20项研究被纳入定性综合。
偏倚风险评估： 使用两种经过验证的工具评估纳入研究的方法学质量和偏倚风险。随机对照试验使用ROB 2工具（Cochrane随机试验偏倚风险工具）进行评估，观察性研究使用纽卡斯尔-渥太华量表（NOS）进行评估。
结果
表2总结了20篇涉及奶牛跛行和蹄部健康的同行评审研究。随机对照试验（n=10）和实验设计（n=5）是主要采用的方法学。大多数研究评估了微量元素的日粮补充，而局部给药方法（如蹄浴和喷雾）仅在三项研究中报告。纳入研究的样本量差异很大，从少于50头动物的小规模试验到涉及超过4000头牛的大型田间研究。日粮补充主要通过随机对照试验进行评估，而局部干预更常使用实验或田间研究设计进行调研。大多数纳入的研究在2010年之后发表，表明近期对基于微量元素的干预措施管理奶牛群蹄部健康和跛行的兴趣增加。
表3展示了调查局部应用微量元素（特别是铜和锌，通过蹄浴或喷雾）的研究。螯合铜锌化合物是最常用的配方。该表总结了应用方式、化合物组成、频率和报告的结果。
表4突出了文献中报告的特定微量元素与奶牛各种病变之间的关联。
基于所综述的文献，微量元素对蹄部健康的功能性贡献已被系统分类并在表5中呈现。
偏倚风险评估
对本综述中所有纳入的研究进行了全面的偏倚风险评估。随机对照试验和实验研究使用ROB2工具进行评估，而观察性、田间的和纵向研究使用纽卡斯尔-渥太华量表进行评估。
使用两种独立的评估工具可以根据研究设计进行适当评估，确保证据的质量和可靠性得到准确反映。总体而言，偏倚风险评估表明一些研究存在某些局限性，这些局限性在证据强度部分有所呈现。这些评估为解释研究结果提供了背景，并突出了方法学改进可以加强未来研究的领域。
对于随机研究，使用ROB-2工具在五个领域进行了偏倚风险评估。在领域1（随机化过程）中，大多数研究（n=11）被评为存在一些担忧，而三项研究被判定为高风险，仅有一项研究被认为是低风险。在领域2（偏离预期干预）中，许多研究（n=11）被评为低风险，而三项研究被归类为高风险，一项研究显示出一些担忧。对于领域3（缺失结果数据），几乎所有研究（n=13）都表现出低风险，仅有两项研究被归类为高风险。领域4（结果测量）被发现问题更多；九项研究被评为高风险，五项为低风险，一项研究存在一些担忧。在领域5（报告结果的选择）中，七项研究显示出一些担忧，五项研究被判定为高风险，三项研究为低风险。
关于总体偏倚风险，六项研究被归类为存在一些担忧，五项为高风险，仅四项为低风险。这些发现表明，虽然某些领域，特别是缺失结果数据，通常控制良好，但其他领域如结果测量和选择性报告引起了相当大的方法学担忧。
所有纳入的研究（n=5）在这三个领域均被评为低偏倚风险。因此，观察性研究的总体偏倚风险一致被判定为低，表明纳入的观察性研究方法学质量高，系统偏倚的可能性低。
讨论
跛行仍然是奶牛福利和生产力的重大挑战，主要由蹄部病变如蹄底溃疡、白线病和蹄踵糜烂引起。本综述强调了微量元素在维护蹄部完整性和降低跛行风险方面的多样化和相互依存的作用。微量矿物质对一系列生理过程（包括角化、胶原合成、酶活性、免疫调节和氧化应激控制）至关重要，所有这些都有助于维持蹄部健康。特别是，锌和铜因其在蹄组织内的结构和催化功能而被广泛研究。锌指蛋白在角质形成细胞分化中起关键作用，而铜促进角蛋白丝间二硫键的形成，从而增强机械韧性。这些微量元素的缺乏与劣质蹄角、病变发生率增加和蹄病恢复延迟有关。
研究表明，蹄内微量元素分布因解剖区域和病变恢复的不同阶段而异。据报道，健康蹄的白线区域锌浓度最高，表明该区域对锌的结构稳定性存在局部依赖性。锰水平在再生蹄组织中趋于上升，可能反映了其在软骨和蹄角形成中的作用。观察到在蹄部病变愈合过程中微量元素水平存在波动，健康牛和病牛血清中锌、铜、铁和锰的浓度存在显著差异。值得注意的是，锌和铜水平在恢复的特定阶段有所增加。然而，尽管临床有所改善，组织病理学发现显示再生蹄组织的结构质量仍然不理想，这意味着可能需要更长的恢复期才能实现蹄部的完全完整性。
这些发现表明，仅靠补充可能不够；还必须考虑微量元素的生物利用度、代谢利用和系统分布。有机微量元素，特别是锌、铜和锰的螯合形式，在减少氧化应激和增强蹄部韧性方面已显示出积极效果。几项研究报告，与接受无机矿物质的动物相比，接受有机微量元素的动物表现出改善的蹄硬度、降低的病变患病率和更低的跛行评分。然而，文献中存在不一致之处，一些研究发现尽管进行了补充，但在运动评分或蹄状况方面没有显著改善。这些差异强调了环境条件、基线矿物质状况、饲养策略和微量元素形式对补充方案有效性的影响。
虽然奶牛在临床上似乎从跛行中康复，但组织学分析揭示了新形成的蹄组织中持续存在的结构异常，包括细胞增多和角化减少。这种临床和组织学恢复之间的不匹配表明，即使在症状缓解后，蹄组织可能在生物力学上仍然受损，容易再次受伤。这些观察结果表明，参与快速再生的蹄细胞可能表现出次优的分化和功能。这些发现强调需要超越解决临床症状的治疗策略。延长补充期、提高微量元素生物利用度和严格的蹄部管理方案可能对于实现完全的组织学恢复和预防复发性病变至关重要。未来的研究应评估有机微量元素补充的长期疗效，注意优化吸收和评估恢复后的组织质量。此外，微量元素与其他影响蹄部生理的日粮成分之间潜在的相互作用值得进一步研究。
尽管多项研究表明微量元素缺乏与常见蹄部病变（如蹄底溃疡和白线病）直接相关，但这些元素贡献于蹄部结构和韧性的精确机制仍不清楚。研究结果的变异性可能源于个体动物差异、环境影响和整体日粮背景。如表5所总结，微量元素在多种生物学领域（包括代谢调节、免疫调节、酶活性和结构维持）发挥作用，强调了它们在蹄部完整性中的关键作用。虽然表4展示了几种微量元素与病变的关联，但因果关系可能并非总能推断。然而，这些模式反映了有意义的关联，在营养规划和临床决策中值得密切关注。
本综述出现的主要见解之一是，与相对广泛的日粮补充文献相比，对局部微量元素应用（如局部治疗）的关注有限。虽然螯合铜锌蹄浴已显示出令人鼓舞的结果，但其长期疗效和最佳应用方案仍未得到充分探索。此外，研究设计、样本量和补充方案的差异使得直接比较有机和无机微量元素来源具有挑战性。这突出表明需要精心控制的研究来区分矿物质形式和递送方法的效果。几项研究强调了有机微量元素，特别是氨基酸复合物，具有更高的生物利用度，可能为蹄部强度和全身健康提供更优的利益。在围产期（产犊前后）优化微量元素摄入可能为蹄部完整性和整体奶牛群生产性能带来长期优势。
鉴于观察性设计占主导地位、样本量可变以及研究周期和随访持续时间存在异质性，本综述总结的关联不应解释为因果关系的证据。未来的研究应采用标准化的方法学，以最小化影响微量元素吸收、生物利用度和临床有效性的混杂变量。阐明微量元素在调节蹄组织内免疫反应和调节氧化应激中的具体作用尤为关键，因为它们很可能有助于预防蹄部病变。此外，探索微量元素补充与补充性管理策略（如蹄浴、优化饲养和地面系统）之间的潜在协同效应，可能会产生更全面、更有效的奶牛蹄部健康方法。
另一个需要进一步研究的关键领域是蹄部健康对微量元素补充的长期反应。本综述纳入的大多数研究侧重于短期结果，限制了我们对持续补充如何影响长期蹄部完整性的理解。跨多个泌乳期监测个体动物的纵向研究将为识别微量元素干预的持久性和累积效益提供宝贵的见解。与这些空白一致，针对蹄部病变的治疗性研究相对于预防性研究仍然有限。支持这一空白的是，蹄部病变（特别是蹄底溃疡和白线病）通常需要较长的治疗时间，这表明在恢复过程中评估组织水平反应和微量元素动态可能为了解蹄部愈合机制提供有价值的见解。为了解决这些缺点，针对特定蹄部状况的、记录详实的病例报告或病例系列可能有助于阐明微量元素应用的局部和长期影响。据我们所知，这是为数不多的整合奶牛微量元素与蹄部健康证据的针对性叙述性综述之一。虽然纳入了系统性元素以增强透明度和可重复性，但研究设计和结果的异质性阻碍了进行完整的系统评价或荟萃分析。
证据的整体确定性/强度
在所有结果中，确定性部分因几项对照试验样本量小、随访时间短以及干预措施和结果定义的异质性而降低。所综述研究的整体证据确定性被评为“存在一些担忧”至“低”，主要是由于研究设计、样本量和外部效度的局限性。许多研究样本量小或统计功效有限，这降低了效应估计的精确度和可靠性。常见的短期暴露期和研究持续时间限制了检测长期或延迟结果的能力。一些研究在单一农场进行，仅观察特定蹄部区域（蹄壁 vs. 蹄底）或特定物种，这限制了结果应用于其他群体的程度。额外的方法学问题包括动物分配程序、微量元素可利用性、围场效应和可能的观察者偏倚，这可能在结果评估中引入系统误差。一些结果也与现有文献中的结果相冲突，增加了不确定性。总的来说，这些因素强调，虽然研究结果提供了有价值的见解，但在解释时需要谨慎，结果的外部效度可能有限。
实践意义
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在日粮中定期使用有机微量元素（如螯合锌、铜、锰）可以增强蹄部强度，降低病变风险，并有助于预防跛行。
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除了饲料补充剂，局部治疗如铜锌蹄浴可以进一步支持蹄部健康并减少趾间皮炎。
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即使奶牛看起来健康，蹄部组织也可能未完全愈合。需要更长的补充和随访以实现完全恢复。
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确保产犊前后有足够的矿物质对于蹄部生长、愈合和牛群生产性能非常重要。
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最佳结果来自将矿物质与适当的饲养、地面、卫生和修蹄实践结合使用。
结论与未来展望
总之，虽然微量元素需求量小，但它们对蹄部健康的影响是深远且多方面的。推进我们对最佳补充策略（包括适当的剂量、化学形式和递送方法）的理解可以显著减少跛行，改善蹄部完整性，并提高动物福利和农场生产力。解决当前关于局部应用、长期结果和个体动物反应的知识空白对于优化奶牛群的微量元素营养至关重要。作为生物学上必不可少但经常被忽视的因素，微量元素代表了蹄部健康的关键决定因素，值得深入研究和针对性管理。
除了结构作用外，微量元素还可能通过调节氧化应激、调节免疫反应和支持组织再生来影响蹄部健康。目前的证据是零散的，因为研究结果常常受到环境条件、日粮和个体动物差异的影响。为了应对这些挑战，未来的研究应使用标准化方案和多学科方法，结合营养、管理和饲养因素。研究微量元素补充如何与预防和治疗措施协同工作，以更全面地改善蹄部健康，也将是重要的。长期的、群体水平的研究，跟踪奶牛跨越多个泌乳期，对于识别持久效益和制定基于证据的跛行预防策略尤其有价值。
