综述：基于嗅觉的生物传感器技术在牛繁殖中的应用：现状与未来展望

《Animal Reproduction Science》：Olfaction-based biosensor technology in cattle reproduction: CurrentStatus and Future Perspectives

　　**马尼卡拉贾·奇丹巴拉姆 | 戈文达拉朱·阿丘南**

**信息来源：**
费罗蒙技术实验室，动物科学系，巴拉蒂达桑大学，620 024，蒂鲁奇拉帕利，印度

**摘要：**
准确检测发情期在牛的繁殖过程中仍是一个主要挑战，这直接影响受孕率和奶牛场的经济效益。在自然条件下，公牛通过嗅觉线索能够高度精确地感知发情期，这突显了化学信号在生殖通信中的重要性。气味结合蛋白（OBPs）在此过程中起着关键作用，它们选择性地结合与发情相关的挥发性化合物，并将其输送到嗅觉受体，从而启动信号转导过程。OBPs具有高配体特异性、结构稳定性和在多种条件下的适应性等优点，使其成为生物传感应用的理想候选者。现有的技术（包括电子鼻）依赖于非特异性传感器阵列，常常存在交叉反应、信号漂移和灵敏度有限的问题，无法实现生物精度。与间接检测方法不同，基于OBPs的系统能够实现发情期的生物精确识别。此外，基于OBPs的系统还能直接识别特定于发情期的信息素。本综述总结了关于化学信号、OBP功能及生物传感器进展的现有知识，并为开发可用于实地检测发情期的OBP诊断工具提供了理论框架，特别是针对那些“无声发情”现象的水牛。

**引言：**
牛的繁殖对维持全球乳制品和畜牧业生产具有重要意义。准确检测发情期是牛繁殖中的关键限制因素，直接影响受孕率并对乳制品行业造成重大经济损失。这一挑战在水牛身上尤为严重，因为水牛的发情期通常“无声”，缺乏明显的行为迹象，导致频繁错过或错误安排授精。然而，在农场动物（尤其是水牛）中，可靠的发情期检测仍然是一个难题。水牛常被称为“无声发情”动物，因为它们通常不会表现出明显的发情行为，如交配行为或阴道分泌物（Danell等人，1984年；Archunan等人，2014年）。由于完全没有视觉线索，现有的基于观察的检测方法对水牛完全无效，因此需要转向更可靠的生理指标。结果，错过或错误检测到的发情事件经常导致受孕率降低和经济损失。化学通信在许多动物物种的生殖行为中起着核心作用。动物产生的小分子疏水性挥发性化合物作为化学信使，传递有关生理和生殖状态的信息（Buck和Axel，1991年；Brennan和Keverne，2004年）。这些化合物通常被称为信息素，有助于同种个体之间的交流，并影响各种行为和生理过程（Dominic，1991年；Rekwot等人，2001年；Tirindelli等人，2009年）。在牛中，信息素通过尿液、粪便、唾液和阴道分泌物等多种途径释放，作为生殖状态的信号（Archunan等人，2014年）。发情期的母牛会释放特定的挥发性化合物，这些化合物可被公牛察觉，引发与交配相关的行为反应。

**先前的研究：**
先前的研究探讨了化学信号在牛繁殖中的作用及其在发情期检测中的潜在应用。我们的研究小组研究了尿液代谢物作为识别水牛发情期的生物标志物。这些研究发现了与发情相关的尿液挥发性化合物——对甲酚和油酸——作为水牛的关键生物标志物（Rajanarayanan和Archunan，2011年）。值得注意的是，对甲酚不仅存在于尿液中，还存在于其他来源，如粪便和唾液中（Karthikeyan等人，2013年和2014年），因此这种独特的化合物可被确认为发情期指标。对甲酚始终与水牛的发情阶段表现出强相关性，并通过引发公牛的生殖反应证明了其行为相关性。类似地，在牛的尿液（Kumar等人，2000年）和粪便（Sankar和Archunan，2008年）中也发现了特定于发情期的挥发性化合物。这些发现为基于分子识别的检测系统的开发提供了直接的生化证据（Archunan等人，2020年）。行为实验进一步证明，与发情相关的挥发性化合物作为性吸引剂，通过刺激公牛的神经内分泌反应来影响其生殖行为（Archunan和Rajanarayanan，2010年）。这些发现为实现能够检测特定于发情期挥发性信号的分子识别系统奠定了生化基础。鉴于公牛的自然发情检测依赖于高度特异性的嗅觉识别，复制这种生物精度是改进人工检测系统的合理策略。在这方面，气味结合蛋白（OBPs）作为能够选择性识别配体的关键分子成分脱颖而出。

**检测机制：**
这些挥发性化学信号的检测通过嗅觉系统完成，该系统可以识别多种气味分子。在脊椎动物中，嗅觉感知涉及OBPs和嗅觉受体（ORs），共同介导气味信号的识别和转导（Pelosi，1994年；Tegoni等人，2000年；Fleischer等人，2009年；Kaupp，2010年）。OBPs是存在于鼻黏液中的小分子可溶性蛋白质，能够结合疏水性气味分子并将其输送到嗅觉感觉神经元上的受体。一旦这些气味分子与ORs相互作用，就会激活信号转导通路，使神经系统能够解读特定的化学信号（Padodara和Ninan，2014年；Isaias和Bettina，2019年）。OBPs属于脂钙蛋白家族，具有结构特性，使其能够以极高的特异性和稳定性结合各种挥发性配体（Karthikeyan等人，2014年；Muthukumar等人，2018a年；Manikkaraja等人，2020a年）。OBPs的显著稳定性和配体结合特异性引起了生物传感器研究的关注。它们对温度、pH值、有机溶剂和蛋白水解条件的变化具有很高的耐受性，使其适合纳入人工传感平台（Pelosi等人，2014年）。与传统依赖间接生理或行为指标的检测方法不同，基于OBPs的系统能够直接识别特定于发情期的信息素，提供生物精确的检测策略。这些特性激发了研究人员将OBPs作为生物识别元件用于设计检测挥发性化合物的生物传感器。因此，人们越来越有兴趣开发模仿自然嗅觉识别机制的生物传感器，以在现场条件下检测特定于发情期的信息素。

**综述内容：**
本文批判性地研究了信息素和气味结合蛋白在牛繁殖中的作用，并评估了当前的发情期检测技术。我们将嗅觉生物学进展与生物传感器工程相结合，提出了开发基于OBPs的诊断工具的概念性和转化框架。重点强调了其在非侵入性、适用于实地环境（尤其是对于“无声发情”水牛）的发情期检测中的潜力。因此，基于OBPs的传感不仅是一种替代方案，而且是实现高精度发情期检测的最具生物学合理性的方法。

**当前发情期检测技术：**
目前的牛发情期检测方法大致可分为三类：（i）行为观察方法；（ii）生理和激素监测技术；（iii）基于传感器的检测系统。尽管经历了广泛的发展，但这些方法大多依赖间接的发情指标，在现场条件下（尤其是对于“无声发情”的水牛）往往无法提供一致的准确性。目前尚无可靠的诊断工具。

**结论与未来展望：**
本综述强调了化学通信和气味结合蛋白在调控牛繁殖过程中的关键作用。尽管发情期检测技术取得了显著进展，现有方法仍受限于对间接指标的依赖性和缺乏生物精度。基于OBPs的生物传感器通过直接识别特定于发情期的信息素，提供了提高检测准确性的可行替代方案。然而，仍需进一步研究以克服某些挑战。

**作者贡献声明：**
Chidhambaram Manikkaraja：负责撰写、审查和编辑以及概念构思。Govindaraju Archunan：负责撰写、审查和编辑以及监督和概念构思。

**致谢：**
我们感谢新德里的大学拨款委员会（UGC）通过授予GA的UGC-BSR教员奖学金（编号F. 18-1/2011（BSR），在2017年1月4日提供的财政支持。

**未引用参考文献：**
Bailey, 2011; Bell, 1996; Campanacci et al., 2001; Iasias and Bettina, 2019; Lu et al., 2015; Muniasamy et al., 2017; Noah, 2020; Pelosi et al., 2006; Riaz et al., 2023; Rosano and Ceccarelli, 2014