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猪胃肠道粘膜免疫

发布时间:2018-11-04   来源:中国种猪信息网  内容举报

    摘要:胃肠道是机体最大的免疫器官之一。GIT除必须吸收营养物质外,还要维持适当应对不同日粮抗原和微生物抗原的能力。由于GIT中含有不同类型的抗原成分,依赖固有的和后天获得性免疫免疫防御的共同作用,逐渐形成了复杂的黏膜免疫系统。这种协作性的免疫机制既能使机体免受有害病原体的危害又能耐受日粮抗原和正常的微生物群。有关猪黏膜免疫的知识对于理解GIT的生理学、免疫学及固定菌群之间的关系非常重要。本篇文章的目的是为GIT的免疫和粘膜免疫系统的组成提供描述性的综述并阐明其在猪及其他哺乳动物之间的区别。
关键词:肠相关淋巴组织、肠上皮细胞、粘膜免疫、猪
引言:免疫系统最主要的功能之一是识别并清除病原菌;但是对于GIT的免疫功能来说,在免疫耐受及免疫应答之间建立自体调节平衡也是同等重要的。对于脊椎动物来说免疫系统被细分为先天性免疫防御和后天获得性免疫免疫防御。从广义上讲,先天性免疫系统包括解剖学、生理学、噬菌作用的、炎症性屏障。上述屏障使先天性免疫系统成为防御传染病的第一道防线。先天性免疫组成部分与后天获得性免疫免疫组成部分相互作用来引导后天获得性免疫免疫反应,后天获得性免疫免疫反应的特征是针对特异性抗原并有免疫记忆。GIT有巨大的表面积且经常暴露于共生病原微生物,因此在过去的几年里GIT的粘膜免疫引起人们的极大兴趣。GIT的粘膜表面与肠腔形成复杂的联合体。由日粮抗原和GIT内多种微生物菌群形成的多变环境,促进了不断进化了的精细的粘膜免疫形成的需要。粘膜免疫中起主要作用的是肠上皮细胞。肠单层上皮细胞提供组织和生理屏障来维持GIT内的体内稳定。总的来说,GIT必须实现其基本的吸收功能,肠粘膜免疫系统不仅要有效地辨别无害的日粮抗原或来自共生生物的抗原并对其作出合适的反应还要能识别肠道病原菌并作出合适的反应。不能对抗原刺激作出合适的反应会导致慢性炎症,消化功能降低,生长速率减慢。
  考虑到肠内淋巴细胞的数量超过1012,抗体密度比机体其他任何部位都大,因此粘膜免疫的重要性显而易见。粘膜免疫系统合理配置针对有害病原菌产生保护性免疫反应,同时对普遍存在的日粮抗原及正常的微生物群具有耐受性并能维持营养物质的吸收。哺乳动物的肠道免疫系统,猪的免疫系统及针对猪的胃肠道免疫系统的有关评论已见报道。此外,研究人员开始应用基于基因组学的方法加深对猪肠道免疫知识的理解。因此本文的目的是对猪粘膜免疫及粘膜免疫系统组成部分进行描述并阐明猪与其他哺乳动物粘膜免疫系统的区别。
粘膜免疫
  面对大量抗原,免疫系统面临相当大的挑战来维持肠粘膜内局部组织平衡。例如,GIT内分布有400余种细菌组成的大约1014个细菌。粘膜免疫系统必须阻止这些潜在的有害微生物的扩散与增殖,同时保持肠的关键结构和功能。为实现这一巨大任务,肠粘膜,及单层上皮细胞,对肠道内存在的共生致病菌形成一道屏障。除上皮细胞提供的物理屏障外,粘膜免疫系统还利用其他的肠相关淋巴组织来保护有机体并传达之后的固有粘膜免疫及后天获得性免疫免疫反应。粘膜免疫的特点之一是派氏结诱导免疫反应,然后固有膜内的B淋巴细胞分泌IgA。Falk强调微生物区,肠上皮细胞及GALT之间的相互作用十分重要,他认为肠生态系统的组成部分之间存在“三人谈”。
  粘膜免疫系统之间的联系通过GIT内组织和细胞广泛和高度特化的聚集来实现。事实上,肠被认为是最大的淋巴器官所含免疫细胞比脾脏及肝脏等其他任何器官都多。GIT中肠粘膜相关淋巴组织内的免疫细胞高度分区并分为以下几个部分。
GALT
  GALT是机体中非特异性防御的主体,并且含有的免疫细胞最多。GALT是粘膜免疫系统集合部位被大致分为感应器和效应器这两个功能区。感应器包括粘膜表面的抗原抽样,效应器是含有能在免疫反应中能辨别并防护机体的淋巴细胞的部位。组成GALT的结构和组织分区有不符的地方这是因为各功能部分没有绝对的划分。因此,GALT的感应器包括阑尾、孤立淋巴结、派尔氏结。由派尔氏结外的细胞组成的粘膜固有层通常被认为是GALT的效应器。
  一般地,GALT是B淋巴细胞和T淋巴细胞与肠内抗原作用的部位。但是,在抗原到达GALT之前,抗原必须侵入GALT与肠腔之间的肠单层上皮细胞。肠单层上皮细胞对抗潜在的有害病原菌及抗原的固有及外来屏障。固有机制依靠高度密集的单层肠上皮细胞形成的物理屏障,此物理屏障有利于肠腔内容物选择性进入GALT。粘膜表面一层上皮细胞通过分泌具有抑制潜在病原体与肠粘膜相互作用的蛋白质(例如,粘蛋白、抗菌肽、免疫球蛋白) 来发挥外来机制。可是,抗原与病原微生物通常能绕过IEC形成的物理屏障。例如,派尔氏结滤泡相关上皮内的M细胞能吞噬抗原。此外,树突状细胞打开IEC之间的紧密连接将树状突起伸展到肠腔内能直接抽样调查抗原,特定种类的病原菌通过一定的入侵策略,如ⅲ型分泌系统能打破此上皮屏障,穿过上皮细胞屏障的肠腔内的抗原及病原体最终与吞噬细胞(如巨噬细胞、树突状细胞)及GALT内的B淋巴细胞和T淋巴细胞发生作用。这些相互作用为后天获得性免疫免疫反应及其效应机制的发生提供必要信号。效应细胞进入肠系膜淋巴结发生免疫放大效应。活化的淋巴细胞通过胸导管进入血流到达肠内发生特异效应。总之,肠单层上皮细胞及GALT相结合发生非特异免疫反应和特异免疫反应。接下来会提到GALT的诱导及效应器,并尽量重点研究他们对家养猪的功能的重要性及特定属性。
GALT感应器
阑尾及盲肠 盲肠是大肠的起始部,结肠的一部分,位于小肠末端的袋状结构,以回盲瓣与升结肠及回肠为界  。阑尾含有丰富的血管和淋巴组织,同GALT一样能产生免疫细胞。据推测,盲肠具有内分泌、外分泌及神经肌肉功能。但是,缺乏证据证明阑尾最主要的功能是胃肠免疫系统方面的。阑尾的功能尚不明确,阑尾发生突出作用的时期为胎儿期及新生动物时期。由于猪的胃肠结构中没有阑尾,因此阑尾的的重要性与其无关。
派尔氏结  小肠上由B淋巴细胞和T淋巴细胞构成的离散或有序的淋巴组织被称为派尔氏结,这一观点得到广泛认同。与周围的吸收上皮不同,派尔氏结的表面是特异化的滤泡相关上皮。滤泡相关上皮有毛刷状缘多糖蛋白复合物但缺乏膜相关吸收上皮细胞所特有的水解酶。此外,滤泡相关上皮含有特异化的相互交叉M细胞,此细胞特化的能抽样调查抗原。GIT的免疫监督作用是M细胞的一项重要功能。滤泡相关上皮下面是大的B细胞及邻近的T细胞区域包围着次级淋巴中心,它是由树突状细胞组成的。一般来说,派尔氏结是抽样调查抗原的位点并在粘膜免疫反应中起作用。然而,据报道不同物种的派尔氏结在形成、结构及功能方面存在差异。
  派尔氏结在猪中派尔氏存在于小肠(空肠、回肠)和大肠(盘旋的结肠)内。在猪小肠内,派尔氏结散布在空肠和上段回肠在沿末端回肠呈明显的连续分布。虽然回肠和空肠上的派尔氏结在形态上具有相似性,但Pabst et al认为与空肠内的派尔氏结相比,回肠内的派尔氏结产生淋巴细胞的速率较快,总的原始淋巴结较多,滤泡的平均直径较大。此外,虽然在人和小鼠的空肠派尔氏结被确立为次级淋巴器官,但有证据表明羊牛猪的回肠派尔氏结与初级B细胞淋巴器官的功能一致。考虑到物种不同,B淋巴细胞、T淋巴细胞分布、数量及功能的不同,派尔氏结是一个复杂的多功能的淋巴结集合体。通过M细胞的选择性摄取,派尔氏结减少抗原在粘膜上皮的移动,并有助于辨别腔内抗原并指导之后的免疫学反应。由于难于建立合适的体外模型,M细胞识别病原菌的作用尚未被充分阐明。例如,Tyrer et al 证明模板识别受体(如toll样受体)对于M细胞识别革兰氏阴性菌并诱导适宜的粘膜免疫反应具有重要作用。由于建立的人上皮细胞与小鼠的派尔氏结细胞共同培养体外模型所得观察结果未必适用于猪。并且Shimosato et al.和 Tohno et al.的研究结果证明Toll样受体在猪M细胞上表达且有助于特异性配基胞吞作用,这与派尔氏结诱导免疫反应的假设是一致的。
孤立的淋巴结和淋巴细胞造血祖积累 
  在人和小鼠中,聚集在小肠对系膜缘的淋巴组织被称为孤立淋巴结。与派尔氏结相似,孤立淋巴结包括分散的B淋巴细胞和T淋巴细胞形成的次级淋巴小结,表面是滤泡相关上皮细胞和M细胞。孤立淋巴结在粘膜免疫反应中是特异性抗原的感应器。Kanamori et al 认为,小鼠淋巴细胞造血祖积累是小肠和大肠固有膜中小的淋巴细胞的集合体。该淋巴细胞造血祖积累以负系细胞为特点并表达干细胞因子-酪氨酸激酶。Suzuki et al.有证据表明淋巴细胞造血祖积累是原始T细胞的分化为淋巴细胞的的部点。最近,Pabst et al.对分散的孤立的淋巴滤泡及淋巴细胞造血祖积累集合体提出异议。他们的最近工作成果表明仅在小鼠中发现了淋巴细胞造血祖积累,而在人、大鼠、猪的肠道内未发现。
GALT效应器
固有膜  免疫诱导之后,固有膜调控肠道内的免疫反应。胃肠道固有膜是由平滑肌细胞、纤维母细胞、血管、淋巴管形成的高等血管层,其下层是疏松结缔组织,上层为粘膜上皮。固有层还包括巨噬细胞、树突状细胞、中性粒细胞、肥大细胞及参与固有膜效应功能的淋巴细胞组成。派尔氏结被诱导之后,成熟的B淋巴细胞和TB淋巴细胞通过淋巴循环到达肠系膜淋巴结点然后到达固有膜直接消除病原体产生细胞因子和免疫球蛋白(如IgA).关于猪淋巴组成部分和抗体发育在此不做详细论述,但是请关注Butler et al.关于猪免疫学方面的优秀看法。在人体中,大多数固有膜T细胞是CD4+,且表达αβ T细胞受体。固有膜T细胞与周围T细胞的不同在于它们有更大的活性临界值,产生的受到刺激时产生的细胞因子的浓度更大,并表现出免疫记忆。此外,绝大多数物种表达CD25和亚型CD45,分别与抗原识别与免疫记忆相一致。不同的物种,固有膜中淋巴细胞的数量分布不均且这些细胞的组织随机划分。总之,这些特点与固有膜中淋巴细胞的免疫监视和对潜在抗原作出积极应答的效应功能相一致。
  人与猪固有膜中淋巴细胞的重要不同点与这些被划分的细胞的功能有关。在猪小肠中,淋巴细胞分为弥散型的和集中型的。大多数物种中上皮淋巴细胞和固有膜内的淋巴细胞是弥散型的。与此相反,猪小肠粘膜中集中分布的淋巴细胞比啮齿动物和人的要多。例如,Vega-Lopez et al.发现浆细胞优先扩散到肠隐窝,T细胞优先扩散到肠绒毛。,Vega-Lopez et al还发现肠绒毛固有膜的CD4+和CD8+细胞之间有空隙。此外,研究人员还发现猪和小鼠固有膜的被激活的T细胞分泌的细胞因子与人的不同。在猪中,这种不同的重要性尚未被充分阐明。据表明,固有膜淋巴细胞及其效应功能在免疫调节中也发挥一定作用。但是,直到最近才研究固有膜中T细胞的调节作用,之前一直未引起关注。
上皮淋巴细胞 
  上皮淋巴细胞是存在于多种组织上皮层的大的不同的亚型T细胞。功能上,一系列证据表明人和小鼠上皮淋巴细胞具有溶解细胞和免疫调节功能迅速集中来维持上皮的完整性以及保护宿主免受感染性寄生物的危害。上皮内T淋巴细胞与循环着的及固有膜内的T淋巴细胞不同。例如,循环着的T细胞可分为CD4+T细胞群CD8+T细胞群,两者所占比例大致相等,但绝大多数上皮淋巴细胞是CD8+。并且,上皮淋巴细胞是αβ和 γδ T细胞的阳性受体,γδ T细胞能表达大量CD88αα二聚体。在鸟类和鼠科动物中,与循环中的聚合物相比,上皮淋巴细胞中γδ细胞所占比例更大。上皮内淋巴细胞的一个典型特点是能结合肠上皮细胞中上皮钙粘素,αEβ7整合素的表达有利于这种结合。研究人员还认为根据形态、大小及沉降密度等特点可将非均质性淋巴细胞分为IEL。
  由于上皮内淋巴细胞群内的这种异质性Hayday et al.认为上皮内淋巴细胞可分为两个亚组:a型和b型。 a型上皮内淋巴细胞是胸腺依赖性的,在外周循环内被活化,能表达αβ T细胞受体,主要的组织相容性复合物Ⅰ和复合物Ⅱ存在的时能识别抗原。b型上皮内淋巴细胞是胸腺依赖性的,能够表达T细胞受体如γδ+, γδ+CD8αα+, or αβ+CD8αα+。这两种类型都是能分泌细胞因子和趋化因子介质溶细胞效应器。但是Hayday et al.推断a型上皮内淋巴细胞较多指示后天获得性免疫免疫反应,Havran总结认为b型上皮内淋巴细胞指示上皮内γδ+T细胞参与组织修复,被损害上皮内细胞的溶解,炎症细胞的补充。与上皮内淋巴细胞的异质性一致,有证据表明不同物种的上皮内淋巴细胞的种类不同。与人和小鼠相似,猪上皮内淋巴细胞表达CD2且含有更多的CD8+细胞。但是,初生猪的主要为CD2-CD4-CD8-,并且在发育成熟的动物中才能见到CD8+上皮内淋巴细胞。Vega-Lopez et al在上皮内淋巴细胞观测到了相似的发育过程,这与仔猪对疾病有较高的感染性有一定关系。关于上皮内淋巴细胞尤其在家养动物中需要研究的还很多,肠上皮的上皮内淋巴细胞是免疫调控者,在腔表面的上皮内淋巴细胞是免疫效应器。
肠上皮细胞-粘膜免疫的的效应器
   Kagnoff的理论认为由于肠腔内的多样环境,IEC逐步形成一种机制,这种机制构成在结构上的和免疫活性上的有效屏障。IEC屏障的机制之一是固有的通过模式识别受体如Tolllike受体家族识别寄生者和病原菌相关分子模式。在GIT 内IEC是分化出来的,尤其是小肠内,不同数量的IEC形成滤泡绒毛轴。在大多数物种中,滤泡绒毛轴包括茎细胞、杯状细胞、外分泌腺、内分泌细胞和潘氏细胞。肠绒毛包括吸收性肠细胞,杯状细胞,肠隐窝内包含有潘氏细胞。除IEC基本的吸收功能外,GIT不仅要识别寄生菌和病原菌并作出合适的反应,还要对食物抗原进行识别并作出合适的反应。如果不能合理的处理抗原刺激,会导致慢性炎症并降低消化功能。在此,我们重点对猪上皮的IEC的免疫学方面做简要回顾。
  IEC和上皮内淋巴细胞组成肠的上皮层,其下层为固有膜上层为基膜。肠腔内的串华,IEC,固有膜提供信息来调节粘膜免疫系统。除单层IEC提供的物理屏障外,Christ and Blumberg 认为IEC的免疫学功能可大致分为以下几类:1)分泌可溶性蛋白因子2)免疫监视作用3)调控免疫反应4)效应器的靶部位。单层IEC的这些免疫学功能在下面会做进一步讨论。
  上皮结构中的紧密连接是实现屏障作用的关键组成部分。紧密连接有助于单层IEC的高选择性的发挥,参与上皮细胞极化为顶部和基底部。因此,紧密连接的形成和单层IEC粘膜与肠腔内物质分开至关重要,同时保持吸收功能。除紧密连接外,排列在GIT上的mucinrich多糖-蛋白质复合物及镶嵌在其中的抗菌肽也能加强屏障作用,但是在猪中,粘膜层没有此特点。因此,单层IEC表面覆盖着由杯状细胞分泌的粘液,形成非特异性物理 屏障,阻止GIT内寄生菌和病原菌的入侵。IEC除了具有屏障作用外,还是可溶性蛋白因子的重要来源。例如,趋化因子和细胞因子的分泌需要巨噬细胞,淋巴细胞和白细胞的补充,进一步引起非特异性和后天获得性免疫免疫反应。细胞炎性因子IL8, 单核蛋白- 1、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子和肿瘤坏死因子α。猪IEC系IPEC-J2表达mRNA,产生IL6,IL7 IL12p40,IL18, ,肿瘤坏死因子α, 粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子,CCL20,巨噬细胞游走抑制因子,骨桥蛋白,同时它也是高极化IL-8分泌的一个突出的来源。
  IEC对抗肠入侵性细菌抗原的中心调控者是信号转导途径包括IκB激酶和下游活化转录因子 、核转录因子。NFκB的激活当表达介质时达到高潮,包括但不限于炎性细胞因子。例如,Hyland et al. 观察到在猪回肠派尔氏结中检测到得沙门氏菌血清变型霍,CXCL2,IL-1β, 和IL-8 mRNA的表达,迅速增加。
  IEC除能分泌细胞因子和趋化因子外,还能分泌抗菌肽。据Gan说,派尔氏结细胞中含有大量的防御素,防御素是人体中抗菌肽最突出的团体。但是,猪体内是否有派尔氏结细胞尚有争议。在猪体内,13种亚型的β防御素已经被描述,并且主要是原始上皮。除防御素外,在猪体内还发现其他的抗菌肽如cathelicidins 和protegrins Sang and Blecha对此作出审核。
     至于免疫监视 ,IEC对细胞因子,趋化因子和抗菌肽的合成和分泌依赖于其从肠周围环境接受解密信息的能力。IEC功能的很大程度上通过Toll样受体来实现。在猪体内,Toll样受体1-10已被描述,且在别处得到验证。Toll样受体对细菌和细菌产物的的识别引起的信号级联在NF-Κb被激活促炎性细胞因子被转录时达到顶点。与细胞因子和趋化因子介质相似,抗菌肽的表达也与Toll样受体介导的信号通讯相关。IEC的免疫监视作用的实现不是仅限于Toll样受体。NOD样受体是附加的模式识别受体家族,能够识别细胞内病原体相关分子模式。在猪体内,两种NOD样受体被发现,即NOD1、 NOD2。但猪IEC中未出现主要的细胞相容性复合物。因此,至少在猪体内IEC没有抗原呈递功能。
  作为免疫反应的调节者,有证据表明IEC能够避免有害的免疫反应同时保持调停适宜免疫反应的能力。 如前所述,IEC时常与寄生菌和病原菌相浸润。Toll样受体的识别和表达模式有利于肠对GIT内负载抗原的耐受。能够说明这一点的一个例子,是Toll样受体5的特异性及其表达。Toll样受体5对细菌鞭毛蛋白具有特异性,它的表达在IEC基膜表 面高度极化。因此,不仅仅是Toll-like受体5与特定的配体结合,而且配基和受体之间的相互作用也可能只出现在上皮损伤或细菌入侵。总之,Toll样受体(及其它的模式识别受体)是主要的非特异性识别和粘膜免疫受体,有助于免疫调控,导致后天获得性免疫免疫反应的引发。
  关于IEC作为免疫效应器的靶部位,这种功能在保持免疫平衡中被描述并在别处被核实。简单地说,IEC的功能为它不仅在机体正常时与白细胞存在复杂的双向关系来促进体内平衡,在感染疾病时也是如此。
对生长肥育猪的推测
  有关粘膜免疫中感应器和效应器的复杂知识,对猪来讲尤为重要,因为这些部位随着猪的成熟而逐渐发育。但是仔猪在第四周龄时才有完全免疫功能。因此,从出生到断奶的这一段时期是猪的关键时期。因此,在这期间,猪暴露于膳食与环境刺激 ,一定要增强对膳食和环境抗原的合适免疫反应或耐受能力。粘膜免疫包括GALT的感应器和效应器对于引导合适且有效地免疫反应来维持肠内平衡非常重要。不仅肠平衡的维持对于仔猪的发育非常重要,也是猪的整个肥育时期的健康和性能的重要分支。