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奶牛乳腺的防御机制与乳腺炎病理学

2010-7-29 02:00| 发布者: admin| 查看: 1473| 评论: 0

摘要: 摘 要:乳头管的结构和内衬的角质蛋白是乳腺抵御微生物侵入的物理性屏障,角蛋白中的低级脂肪酸、阳离子蛋白质对侵入的病原微生物具有抗性;环境性致病菌是引起机体免疫应答的主要因子,巨噬细胞、单核细胞、中性粒 ...

摘 要:乳头管的结构和内衬的角质蛋白是乳腺抵御微生物侵入的物理性屏障,角蛋白中的低级脂肪酸、阳离子蛋白质对侵入的病原微生物具有抗性;环境性致病菌是引起机体免疫应答的主要因子,巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞和淋巴细胞之间的相互协调组成了自然的免疫系统,它们通过分泌细胞因子、抗体和吞噬作用等活动来灭杀、清除侵入机体的病原体;乳中的可溶性因子具有免疫调节作用,对细菌的结构具有破坏性;妊娠期及围产期奶牛由于内分泌的变化而导致免疫抑制,结果造成临床型和亚临床型乳腺炎的发病率相对较高;牛奶体细胞计数对亚临床型乳腺炎的监控具有参考性。

关键词:乳腺;防御机制;乳腺炎病理学

20世纪80年代初,乳制品的生产量在西欧、北美、大洋洲和亚洲都有了快速的增长,奶牛养殖业主也在试图增加原料奶的产量以提高经济效益。但多项研究表明,高产奶牛总是处于感染各种疾病的危险之中[1]。在奶牛的疾病中,临床型乳腺炎是引起奶牛业经济损失的最主要原因,该病所造成的经济损失包括降低牛奶的产量和质量、增加奶牛的淘汰率、炎症的治疗费以及额外的劳动支出。乳腺对侵入的微生物所产生的免疫反应,对维持奶牛机体的健康极为重要,了解乳腺免疫反应这一基本的要素,对于指导疾病的防治有着重要的意义。本文旨在阐明奶牛乳腺受感染后机体的免疫机制和乳腺炎的病理学,以提高临床型乳腺炎的防治效果。

1 乳头管的屏障作用

乳头管是乳腺预防病原微生物感染的第一道有效屏障,乳头管壁呈条纹状,内衬角质蛋白,它来自于乳头管的上皮细胞,这种角质蛋白是一种硬质蛋白,呈网状结构,充塞在开放的乳头管处,阻碍病原菌由此进入乳池。在角蛋白中,含有高浓度的脂肪[CM2222]酸,这样的物质构成极大地提高了角蛋白对病原微生物感染的抵抗作用。研究发现,在角蛋白中,十二碳脂肪酸、十四碳脂肪酸和软脂酸含量高的个体比角蛋白中硬脂酸、亚油酸、十八烯酸含量高的个体对病原微生物的抗性高。那么,在以后的育种工作中,对角蛋白中脂肪酸含量高的个体所具有的遗传力的应用,有可能作为一种新的途径,培育出对病原微生物感染产生非特异性抵抗力的个体。美国佛蒙特大学的遗传学家Kevin Wells等在20003月培育出一头名叫安呢的奶牛,2002年开始产奶,并接受乳腺炎症抵抗力的测试。

另一研究发现,如果角蛋白不能从上皮细胞上分离或分离的数量少,血液中角蛋白的含量低,则该乳腺极易受到病原微生物的感染。角蛋白还含有阳离子的蛋白质(泛激素),这些阳离子蛋白质与金黄色葡萄球菌、无乳链球菌的细胞壁结合,破坏细菌调节渗透的机制,引起细菌结构的破坏,使其死亡。

乳腺导管括约肌对乳腺抗感染也起到重要的屏障作用。研究表明,开放性的乳头容易受到环境病原菌尤其是大肠埃希菌的入侵,乳头导管在挤乳后大约2 h才能恢复到正常的关闭状态,因此,挤乳后,要立即饲喂和给水,使其具有充沛的体力和精力,使奶牛保持站立状态,同时牛床和护栏也要保持清洁,以免奶牛卧下后乳头受到病原微生物的感染。此外,长时间过度挤奶、不适当治疗或者挤奶设备质量差,都可引起乳头导管的损伤,从而增加新的感染机会。

2 乳腺的免疫应答反应

与大多数传染性疾病相似,奶牛乳腺炎的发生率有赖于接触病原微生物、乳腺的防御机能和环境致病因子三方面的因素。乳腺天然具有的防御机制对保护乳腺的健康起着重要作用。在非感染的情况下,乳腺中的体细胞群包括多形核中性粒细胞(polymorphonuclear neutrophilsPMN)、巨噬细胞、淋巴细胞和上皮细胞,其中巨噬细胞大约占60%,淋巴细胞大约占30%PMN大约占10%,而上皮细胞仅占约2% [2],体细胞计数通常低于50 000/mL。统计学研究表明,在95%的可信区间内,除最后一个泌乳月外,95%的健康牛乳中体细胞数低于100 000/mL[3]

巨噬细胞、单核细胞和PMN等组成机体自然免疫防御系统,一旦病原微生物侵入乳池,它们将组成第一道免疫防线。免疫细胞利用其非特异性的识别机制,去结合、吞噬和破坏病原微生物。乳腺一旦被感染,在淋巴细胞释放的细胞因子的作用下,PMN通过细胞因子的化学诱导聚集于被感染部位。在乳腺处于炎症状态下,粒性白细胞群大约90%PMN,它通过吞噬作用杀灭侵入乳腺的病原微生物。但是在乳汁中,PMN的免疫功能也会受到抑制,这是由于乳环境限制了细胞的能量来源,细胞因子的浓度也降低,而PMN的免疫功能主要是由细胞因子介导的,同时乳脂和乳蛋白也能干扰PMN的吞噬功能。奶牛产前并发症也会抑制PMN和淋巴细胞的免疫功能,阻碍其向炎症部位募集。研究表明,巨噬细胞在乳腺防御机制的生理功能中起着重要的作用[4]。巨噬细胞可吞噬病原微生物、异物和细胞碎片,但是更为重要的作用是在与主要组织相溶性复合体(MHC)结合的过程中对抗原的加工和递呈[4]。此外,巨噬细胞可产生细胞因子和少量的炎性介质,特别是炎性介质,在病原微生物侵入后炎症反应的初期起着重要作用。

淋巴细胞具有维持机体稳定的免疫反应状态的功能[4],在健康奶牛的乳汁中,T细胞约占60%B细胞约占20%,大多数T细胞是CD8(细胞毒性T细胞)CD4(Th细胞)数量相对较少[5]。这些淋巴细胞产生大量的细胞因子,对维持机体的免疫平衡和抵抗外源微生物的入侵具有重要的作用。此外,细胞因子所形成的化学梯度,其主要作用是维持中性粒细胞的趋化运动。淋巴细胞也具有清除衰老细胞的功能。T细胞主要分布在乳腺黏膜的表面。

在炎症反应的过程中,所有定位于乳腺的免疫细胞形成一个有序的整体,彼此协调地消除炎症。在炎症反应的早期,它们吞噬和杀伤病原体,并分泌细胞因子来诱导其他的免疫细胞趋向炎症部位,PMN是第一批进入炎性部位的免疫细胞,当病原体存在的情况下,CD4 T细胞优先进入,因为该类细胞依赖于病原体的介导[4-5]

尽管抗体在初乳中的浓度范围是30 mg/mL50 mg/mL,但是在正常乳腺中的浓度却不到1 mg/mL,只有在感染的状态下血管的屏障受到破坏,才引起乳腺中Ig水平升高。Ig具有选择转移的特性,只有IgGIgMIgA才出现在乳腺的分泌物中。IgG的主要功能是调理细胞的吞噬作用,在细胞吞噬的过程中,IgG与病原体结合,通过PMN的吞噬或摄食,增强对病原体的破坏作用。IgA不具有调理作用,但是具有阻止病原菌与乳腺组织上皮的黏附,抑制细菌的增殖,中和细菌毒素和凝集细菌的作用。

病原菌侵入机体后,粒性白细胞可立即识别并试图清除病原体。如果最初的免疫反应不能解决感染的问题,在感染大约4 h12 h后,乳腺的防御系统将启动感应性免疫反应。不管引起最初感染的细菌种类如何,在乳腺中定位的PMN的数量和效能对乳腺的防御功能都是极为重要的[6]。细菌和粒性白细胞在炎症部位所产生的物质(如细胞因子)大多数是循环系统中性粒细胞所释放的,可介导PMN快速从循环血流中移向感染的部位。如果病原菌被破坏,PMN向乳腺中募集将停止。

在非正常状态下,被感染乳腺的防御机制可能会疏于对侵入细菌的免疫抑制作用,这样可能由于大量的可溶性因子(如细胞因子等)的产生而导致临床型乳腺炎的发生。一些细胞因子,如IL-1TNF,可以触发严重的全身性炎症反应,引起体温升高,免疫细胞动员,血流量增加和休克,这些症状在多数情况下都是由内毒素介导的,当然内毒素并不是惟一的介导因素。

另一种情况下,更多的慢性反应可能发生,细菌的增殖和免疫系统的反应是连续的生理活动,当乳腺处于慢性感染的状态时,可导致长期的乳汁体细胞数增加。Daley等研究表明,乳腺发生慢性感染时,细菌多处于细胞内寄生,造成乳中体细胞数增加。

3 免疫细胞的趋化性、吞噬和杀菌作用

血液中性粒细胞进入感染乳腺的能力称为细胞的趋化性。研究表明,这种趋化性可作为乳腺的免疫系统攻克病原菌感染的基本参数[7]PMN的趋化性与乳腺受感染的程度具有相关性,可通过连续的细菌计数得到证实。白细胞从血管移出或外渗进入炎症部位的机制,依赖于趋化物质介导的细胞间黏附的交互作用。

黏附分子E-选择素(E-selectin)在血管内皮细胞上表达,该分子的细胞外区域朝向于血管的内壁,表达在白细胞上的整合素,如CD11a/CD18CD11b/CD18将形成细胞间黏附分子-1(ICAM-1),它们互为受体,白细胞能黏在血管内皮细胞上并在其上滚动,同时,在趋化物质的影响下,白细胞从血管渗入乳腺组织,这一环节与共同表达在白细胞和血管内皮细胞上的CD31密切相关。但是在感染前白细胞所表达CD11aCD11b的量与乳腺炎的严重程度无关[8],这一特性可能由于整合素在发生感染后表达上调所致[9]。另一研究发现,在感染12 h后趋化运动消失,同时CD18表达上调,表明了PMN延迟向炎症部位募集,导致了最初免疫细胞对病原菌识别和炎症介质产生的障碍(Shuster等,1997)

因此,感染后整合素表达上调与乳腺的防御能力有着密切的关系[7],此外,在免疫测定试验中发现另一类物质,如氢化可的松,可诱导CD18受体数量的减少,可能调整泌乳期奶牛乳腺对急性炎症的反应[10]

乳腺的吞噬细胞主要是PMN,它们通过特异性的调理作用、吞噬作用和杀伤机制来清除侵入体内的病原体。清除病原体的效能与乳腺中吞噬细胞的数量和能力有关,病原体被PMN吞噬后,将受到破坏,其中有两种机制,一是赖氧性杀菌机制,二是非赖氧性杀菌机制。机体中生物活性氧化剂形成一个抗菌体系,能够非特异性地抑制侵入乳腺的全部病原菌,抗菌物质是在乳中获得抗菌活性的,研究表明,如果奶牛机体中PMN鲁米诺化学发光效应不足,与之相反的健康组相比,乳腺炎的发生率就相对较高[11]。因此,活性氧族的产生也与乳腺的炎症程度有关[12]

4 其他可溶性因子

乳中的过氧化物酶、硫氰酸盐和H2O2,具有抑制、杀灭金黄色葡萄球菌、大部分链球菌和大肠埃希菌的作用。H2O2由链球菌刺激乳过氧化物酶催化硫氰酸盐的氧化而产生,H2O2可破坏细菌的细胞壁导致细菌死亡。乳腺中的溶菌酶也可通过断裂细菌的细胞壁破坏细菌。乳汁和初乳中的乳铁蛋白是细菌的抑制剂,在化学性质上是一种铁的螯合物,可以抑制大肠埃希菌、链球菌以及其他病原菌的生长,乳铁蛋白也可能涉及调节巨噬细胞、淋巴细胞和PMN的活性。

5 围产期奶牛乳腺炎

由条件性环境病原菌(链球菌属和大肠埃希菌类)引起的奶牛临床和亚临床型乳腺炎在泌乳早期的发生率最高,而感染经常发生在干奶期,由环境病原菌引起的新感染在干奶期的前2周和分娩之后2周最高。

奶牛在干奶期乳腺感染率比其他各个泌乳期约高2倍~12倍。干奶期感染常常延续到产后,而且在产后的60 d内常会发展成为临床型乳腺炎。由大肠埃希菌引起的临床型乳腺炎发病率在产后的第2周、第4周和第8周分别为25%45%60%。对于卫生条件差和干奶期营养不良的牛群更易被条件性致病菌感染。在妊娠期,感染率的增加并不局限于泌乳系统,泌尿、生殖、呼吸和其他器官系统通常感染的频率也较高。

条件性致病菌的感染与宿主的防御机制有关,尤其与围产期奶牛机体的免疫抑制相关。研究表明,PMN的机能障碍可严重影响其趋化和吞噬作用。淋巴细胞的机能也由于免疫球蛋白的产生受到抑制而抑制,尽管引起这种现象的原因尚未完全清楚,但在妊娠期特别是接近分娩的时期,基本内分泌的变化是主要的影响因素。性腺激素作用于免疫系统可改变TB细胞的表型和功能,从而影响Ig和细胞因子的合成与释放,这是一种特殊、广泛的围产期动物抗原特异性免疫抑制现象。

6 免疫抑制与乳腺炎的发病机理

白细胞向组织募集,是机体免疫系统监视病原体的重要环节,也是细胞介导的整体免疫反应的组成部分。在感染部位,致敏的淋巴细胞(B)将移行到二级淋巴组织(淋巴结)去抑制最初感染部位的病原体。各种类型的白细胞与循环系统血管内皮细胞之间的交互作用是白细胞从血管中渗出和移行的基本前提。白细胞渗出和移行是复杂、多级的过程,涉及到多种与细胞的黏附和向炎症部位移行相关的细胞因子和调节基因,但是这些过程可以被许多包括分娩在内的应激因素所改变。

在乳腺重要的防御机制中,PMN的吞噬和杀菌机制与体液因素密切相关。处于围产期的奶牛,PMN的免疫机能降低,此时循环的PMN数减少,对炎症反应能力的降低,PMN微生物血症功能也由于分娩应激而受损,淋巴细胞的功能此时也由此而受到抑制,淋巴细胞和PMN产生细胞因子激活巨噬细胞和PMN的功能也受到抑制,其中可能有改变免疫功能的生理学因素。

神经内分泌也可能是免疫机能障碍的成因,在妊娠期,血浆内源性阿片类物质水平的增加可导致免疫功能的降低。一般来说,随着妊娠期进展,细胞介导的免疫受到抑制,而体液免疫将加强。雌激素和孕激素都具有这种生理功能,孕激素的水平与妊娠期密切相关,可降低淋巴细胞的功能,干扰素和IL-2的产量也极大地减少。在分娩过程中,雌激素的水平急剧增加,不仅抑制了PMN的功能,也可能使免疫细胞对孕激素免疫抑制的影响更加敏感。

淋巴细胞的功能也可能由于催乳素、生长素和胰岛素等激素在血液中水平的正常增加而改变。妊娠期免疫细胞对激素的敏感性是一种正常的生理状态,免疫机能的改变对母体和胎儿都是一种生理性的保护。代谢的改变与分娩应激有着密切的关系,泌乳也可能促成免疫功能受损和免疫抑制。美国国家动物疾病中心(NADC)的研究表明,泌乳也是产后免疫抑制的主要因素,研究人员将产后1周奶牛的乳腺切除,发现免疫机能很快恢复[13],而与之对照的奶牛至少需要2周~3周才能恢复其免疫机能。严重的能量及蛋白质负平衡会加剧免疫抑制。子宫炎、呼吸系统疾病和乳热等并发症也将促成免疫机能障碍。与炎症反应相关的内源性皮质激素的释放对免疫功能也有负面影响,对TB细胞的功能都具有抑制作用。

7 乳汁体细胞计数水平和临床型乳腺炎

奶牛群慢性感染的数量低时,乳汁体细胞计数的水平通常也是低的,这样的牛群慢性感染的病例少于急性短期感染的病例。

据报道[14],在牛群中临床型乳腺炎增多的情况下,乳汁体细胞计数水平下降。Green等报道,乳汁体细胞计数(Somatic cell countSCC)低的牛群,其临床型乳腺炎发病率却有所增加,他们还观察到,发生临床型乳腺炎并有全身症状的牛群,其乳汁SCC比无临床症状牛群的乳汁SCC

8 小结

对乳腺内部感染的免疫应答是奶牛免疫系统的正常功能,其生物学特征已被广泛研究和报道。当乳腺被感染时,如果乳腺的免疫应答足以消除感染,乳腺则恢复到正常的非感染状态,否则必须加以治疗,尤其重要的是要领会乳腺正常的免疫反应,对非正常的免疫反应也要做出正确的诊断。奶牛乳腺的免疫机制是极其复杂的,而且受多种因素的影响,这些因素包括妊娠、泌乳、营养状态和并发症。外界因素包括环境因素、圈舍条件、免疫接种后的健康管理、饲养管理、营养状况以及牛群的疾病情况。健康奶牛的免疫反应能使乳腺有效地抑制和消除感染。

围产期奶牛的免疫抑制是乳腺炎发病的主要成因,尤其在干奶期由条件性环境病原微生物感染的发病率更高。在泌乳早期(100 d)的感染经常是临床型的,或者是引起体细胞计数增多,围产期免疫功能的变化是乳腺固有的生理机能,提示在该时期,要采取有效的措施去保护乳腺免受感染。围产期奶牛乳腺炎及其他疾病通常发生在产后早期,较高的兽医技术水平,提供适当而丰富的营养可降低发病率,对牛群的管理必须有全面、明确的记录。

参考文献(略)


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