禽类免疫系统

当人们谈到家禽免疫学,都不自觉地将之与哺乳动物,尤其是人类和小鼠等脊椎动物进行分析、比较和推导。确实,哺乳动物和禽类在应答各种病原(如病毒、细菌、寄生虫和其他微生物)时有很大的相似性,比如主要表现为两者均有先天性免疫和获得性免疫,其中获得性免疫又包括细胞介导免疫和体液免疫;两者均有免疫学记忆等。但是应该看到不仅仅是哺乳动物的基因组特点和免疫学结构要远比禽类复杂和完善,而且哺乳动物免疫学发展的广度和深度要远超家禽免疫学。相比之下,主要作为经济动物而存在的禽类,尤其是鸡的免疫系统要相对简单得多,可是养禽业对家禽免疫学的重视却从来没像目前这样得到广泛关注和重视,其主要原因有:(1)目前全球家禽产业呈“现象级” 增长,预计到2030年,全球禽肉产量将超过猪肉产量,禽类产业大发展未来前景可期;(2)从饲料转化率(FCR)比较来看,鸡的FCR要远远小于猪、牛、羊等经济动物,鸡肉是非常卓越的人类蛋白质食品来源;(3)随着养禽业集约化、规模化和产业化等程度的不断提高,需要有新思维的免疫防疫知识和理念,尤其是在劳动力成本、土地成本、环保和疫病防控压力不断升高的情况下,如何提高非特异性免疫力,如何实现群体免疫、卵内免疫、精准免疫和免疫减负等已成为行业关注的热点和焦点;(4)非洲猪瘟的流行和防控状况也使养禽业未来前景看涨。在目前国内外养禽业发展形势下,有必要重新认识家禽免疫学的基础知识、基本理论和实践,以便更好发挥家禽免疫学在现代动物群体疫病防控中的积极作用。

家禽免疫系统是一个庞大复杂而有机联系的体系,除了包括中枢免疫器官和外周免疫器官组成的淋巴系统之外,还包括由T细胞、B细胞、NK细胞、中性粒细胞、巨噬细胞、树突状细胞等大量免疫细胞;还包括各种免疫球蛋白、细胞因子、趋化因子、补体以及家禽MHC分子等。因篇幅所限,本文先介绍家禽淋巴系统的主要构成。

家禽淋巴系统

家禽淋巴系统主要由中枢免疫器官和外周免疫器官组成。家禽中枢免疫器官主要包括胸腺、法氏囊和骨髓;而外周免疫器官主要包括脾脏和各种黏膜相关组织,如眼相关淋巴组织(哈德氏腺和下眼睑结膜)、鼻相关淋巴组织、支气管相关淋巴组织、生殖相关淋巴组织、肠道相关淋巴组织(食管扁桃体、幽门扁桃体、旁氏结、盲肠扁桃体和米克尔憩室),皮肤相关淋巴组织以及松果腺相关的淋巴组织等。

1、胸腺

家禽胸腺的位置与迷走神经和颈内静脉平行。在颈的两侧,各呈7~8个相对独立的腺叶排列。每个腺叶外包界限清楚的纤维结缔组织被膜,且包埋于脂肪组织中。被膜深入胸腺实质,将腺叶不完全地分为腺小叶。这些“纽扣”大小的腺小叶在鸡3~4月龄时长到最大,直径约为6~12mm。每个腺小叶的胸腺实质包括位于中间的均质的髓质,其髓质外围为分叶皮质。

在禽胚发育过程中,因造血干细胞的定殖使胸腺迅速增大,尤其是在出孵前几天形成了髓质。在胸腺形成过程中,因结缔组织深入形成皮质小叶化,在时间上与T细胞从胸腺迁出相一致。不成熟的T淋巴细胞在上皮原基的包膜下区增殖,在T细胞成熟过程中,也由此迁移到髓质。来自骨髓的淋巴干细胞,在胸腺内经过诱导分化,只有少数转变为成熟T细胞,具免疫活性的T淋巴细胞由髓质经毛细血管后静脉离开胸腺,进入血液,并扩散到全身参与细胞免疫。胸腺上皮细胞表面的一些免疫相关抗原对T细胞的成熟分化起到了选择诱导作用,使这一过程中许多能对自身抗原反应的T细胞得以清除,从而实现成熟T细胞识别自身抗原和异己抗原。

雏禽胸腺也具有一定的外周淋巴器官的功能,主要表现为小鸡出壳后,一些后法氏囊细胞转移至胸腺,产生浆细胞和生发中心。如果此时进行免疫接种,则胸腺内会产生特异的抗体生成细胞。如果早期手术切除或破坏胸腺,会引起循环T细胞显著减少和免疫功能缺陷,使相应的细胞免疫反应缺失,体内的B细胞免疫功能也会因此受到明显影响。

2、法氏囊

形状和大小如板栗的法氏囊是禽类所特有 的淋巴器官,其解剖学位置在泄殖腔和骶骨之间。作为泄殖腔的憩室,其内膜上布满柱状上皮的法氏囊曾被认为是内胚层发育而来,也有研究表明法氏囊实质为外胚层来源。禽类法氏囊的大小在8~10周龄左右到达峰值,大小约为3×2×1cm3,但不同个体有很大差异。然后和胸腺一样会退化,到6~7月龄时,大多数法氏囊已经严重萎缩退化。法氏囊外表有一层厚而光滑的肌肉层,在肌肉收缩时,可压缩法氏囊滤泡,促进髓质内细胞的流动,也促使法氏囊黏膜皱褶轴内的淋巴管清空。法氏囊内腔可形成15~20个纵褶。每个纵褶的表面上皮是由滤泡间上皮(IFE,占90%)和滤泡相关上皮(FAE,占10%)组成。法氏囊皱褶充满扁平化椭圆形的滤泡,直径约为0.2~0.4毫米。每个法氏囊滤泡包括髓质、皮质以及与其结构功能密切相关但非有机组成的FAE。法氏囊的髓质,如同胸腺一样,是典型的淋巴上皮组织。在鸡胚孵化至10~13天时,血源性法氏囊分泌性树突状细胞(BSDC)前体和淋巴细胞进入表面上皮,由此诱导形成朝向间质生长的芽。法氏囊BSDC仅见于髓质。环磷酰胺处理可将法氏囊髓质和皮质中的B细胞完全清除,但是不会影响BSDC。但是B细胞缺失导致BSDC在滤泡中心聚集。至少有98%的法氏囊淋巴细胞为B细胞;而T细胞主要散布于皮质中,很少进入髓质中。B细胞在皮质和髓质中均可增殖。当鸡长到8~10周龄时,髓质内的淋巴细胞数量会开始减少,提示法氏囊将退化,直至6~7月龄。

法氏囊是禽类B细胞发育和分化的主要场所,也是免疫球蛋白基因分化以及基础抗体库形成和扩展所必需的。由法氏囊向其他淋巴器官迁移的淋巴细胞群统称为后法氏囊细胞。这些后法氏囊细胞包括成熟的B细胞和后法氏囊干细胞,前者能对特异性的启动信号做出免疫应答,后者是法氏囊退化后B细胞库自我更新的结构基础。显然法氏囊对维持机体终生的体液免疫功能至关重要。如果通过手术切除或者病理性因素损伤了法氏囊的结构和功能,则会导致不同程度的B细胞缺失,以及导致I-gA和IgG抗体水平的显著下降,并导致严重的免疫抑制。如果越早破坏或损伤法氏囊,则其造成的危害更大,但细胞免疫的功能则未必受明显影响。另外法氏囊除了承担中枢免疫器官之外,还兼有外周免疫器官的功能。更值得注意的是,随着法氏囊中淋巴细胞群的不断成熟和迁移,法氏囊承担外周免疫功能亦更加明显。

3、骨髓

鸡的骨髓可作为实体器官而存在,是鸡体内重要的造血器官,骨髓中的多能干细胞可作为红细胞、粒细胞、淋巴细胞和巨噬细胞等的前体细胞。当骨髓中的淋巴干细胞进入胸腺,在胸腺内被诱导分化为成熟的淋巴细胞,即为T淋巴细胞(T细胞);而骨髓中的另一些淋巴干细胞进入法氏囊后,被诱导分化为B淋巴细胞(B细胞)。尤其是当鸡的胸腺和法氏囊退化后,骨 髓是淋巴细胞自我更新的主要来源。鸡的骨髓可分两个相对独立的部分,血管内室很可能主要负责生成红细胞和血小板,而血管外室主要生成髓细胞、单核细胞和淋巴细胞。待鸡孵出后,许多骨髓窦逐渐被不成熟的红系细胞所填满。骨髓窦内皮细胞呈扁平的不连续分布,可在两个窦室之间进行细胞迁移。骨髓窦内皮附近分布有许多不成熟红细胞,而成熟的红细胞则往往分布于骨髓窦中心。和哺乳动物不同,鸡的骨髓窦因其有许多活跃增殖的细胞群(其中多数是红细胞和或血小板前体)而常见细胞的有丝分裂现象。

造血干细胞通过不对称细胞分裂分化形成髓系前体细胞和淋巴系前体细胞,其中有部分子代细胞滞留于造血干细胞池,而其他子代细胞则进一步分化为髓系前体细胞和淋巴系前体细胞。由于鸡的红细胞和血小板主要在骨髓窦形成,因此其中一些骨髓窦为鸡体内的造血微环境提供了临时性的血循环限速的可能。

对于哺乳动物(如人类和小鼠而言),骨髓是抗体形成的主要位点,因其是许多长寿浆细胞的独特小生境。而家禽骨髓到底能否促进抗体形成还未完全清楚。曾有人在骨髓中检测到大量的Ig分泌细胞,也有人用免疫组化仅检测到少量带有IgM的骨髓细胞,而未检测到带有表面IgY和IgA的骨髓细胞。DeGeus等用ELISPOT技术在鸡骨髓中检测能产生IgM+,I-gY+和IgA+的细胞。Russell&Koch用新城疫病毒经点眼滴鼻途径和静脉注射致敏鸡,结果导致在骨髓中产生的原发性和继发性Ig分泌细胞应答要低于哈德氏腺,但与脾脏的强度相当。经禽流感病毒(AIV)原发性和继发性感染后,与NDV感染组相比,骨髓中病毒特异性Ig分泌细胞的数量显著增加;AIV感染鸡的骨髓中 Ig分泌细胞的数量与肺脏的数量有相关性,而与脾脏中Ig分泌细胞的数量无相关性。前述两个研究都强调了鸡Ig分泌细胞的应答并都不是如小鼠一样主要以脾脏为中心。因此骨髓的正常功能不仅关系到细胞免疫功能,而且还可能与体液免疫有密切关系。

4、脾脏

鸡的脾脏呈圆形或椭圆形,直径约1.5cm左右,位于腺胃的背侧或左侧。在鸡胚入孵到48小时,已开始以间充质细胞团块呈现为脾脏原基。入孵至第11天,脾脏内已开始有红细胞形成。与哺乳动物不同,通常不认为鸡脾脏是红细胞的储存器,以使红细胞快速释放到血液中。尽管脾脏不是淋巴细胞抗原依赖的分化和增殖的主要位点,但脾脏在胚胎淋巴系统发育中起到重要作用,因为脾脏中的B细胞前体在定殖于法氏囊之前已经历了Ig基因的重排。而到鸡孵出时,脾脏已发育为鸡外周免疫器官,为淋巴和非淋巴细胞的互作提供了不可缺少的微环境。相较于哺乳动物而言,家禽因其没有发育良好的淋巴管和淋巴结,因此脾脏的重要性更加凸显。

禽类脾脏的基本结构和哺乳动物较为相似,分为红髓和白髓两个部分,但是其界限并不十分清楚。禽脾脏的红髓约占40%~45%;其余为白髓。红髓是生成和储存红细胞的地方,大量毛细血管进入红髓,然后进入脾窦。红髓中还有淋巴细胞和非淋巴细胞,如CD8+,TCRγδ+等。一旦其造血功能停止,则红髓切换功能为过滤血循环中衰老红细胞的作用。白髓中没有红细胞,主要由淋巴细胞所占据。脾脏白髓包围着脾脏血管树,鸡的脾脏白髓包括几个形态学独特的区域,分别为包裹中央动脉的小动脉周围淋巴鞘(PALS)以及包裹脾内毛细血管的椭球周围白髓(PWP)。根据淋巴细胞和非淋巴细胞在脾内的定位,PALS似乎主要参与适应性免疫力,而椭球和椭球周围白髓则与先天性和获得性免疫应答有关。因此脾脏能有效诱发先天性免疫和适应性免疫应答,是一个具免疫调节能力的脏器。

5、眼相关淋巴组织

家禽主要的眼相关淋巴组织在哈德氏腺 (HG)和下眼睑的结膜处,在泪腺和眼睛周围的其他结缔组织中也能找到分散存在的淋巴细胞和浆细胞。常规养殖的家禽都有结膜相关淋巴组织(CALT),而对于无特定病原(SPF)鸡而言,只有极少数鸡能找到结膜相关淋巴组织。

HG是位于眼眶内的外分泌管状腺,主要起到维持和保护瞬膜的作用。HG的淋巴组织可分为两个不同区域:头部和躯体部;前者主要包括淋巴组织中的FAE和生发中心(GC)。腺体的头部和躯体部中含有大量处于不同发育阶段的浆细胞。腺体头部呈典型的外周淋巴器官的结构,包括B细胞依赖性GC、FAE以及零星分布有T细胞和巨噬细胞的T细胞依赖叶间区。腺体躯体部有大量的B淋巴细胞和浆细胞。HG中有大量能原位增殖的浆细胞,6~8周龄鸡的浆细胞增殖速度最明显。

对于HG中B细胞能表达的Ig类型种类还有些争议,但是HG已公认为鸡IgA、IgY+浆细胞的重要来源,可向泪液中分泌释放大量的IgA、IgY+,每毫升泪液中含有的IgM、IgA、IgY的含量分别可达0.8毫克、0.2毫克和2.3毫克,但是这些眼泪中的Ig抗体仅限于眼睛的局部作用。

对于家禽眼部对环境抗原的摄取、加工和递呈以及形成泪液中体液免疫抗体的机制还不是十分清楚。有人认为是HG的免疫应答是由HG腺管向瞬膜开口处的淋巴组织触发启动的,也有人认为抗原的递呈主要发生在下眼睑处,抗原的加工在结膜相关淋巴组织,然后递呈给HG中的浆细胞。

6、肠道相关淋巴组织(GALT)

哺乳动物有淋巴结,而鸡没有典型的淋巴结,但是淋巴组织在鸡体内广泛分布,尤其是鸡的肠道内分布着大量的肠道相关淋巴组织(GALT)。构成GALT的淋巴组织和淋巴细胞不仅在肠道上皮层、肠道固有层有分布,也分布在肠道内相对明确界限的淋巴结构,它们有的呈弥散状,有的呈小结状,有的呈孤结状,有的呈集结状,还有的呈淋巴集结,比如食管扁桃体、盲肠扁桃体(CT)、幽门扁桃体、旁氏结(PP)、米克尔憩室等;咽顶、盲肠尖和泄殖腔等区域还有淋巴样积聚物分布。绝大多数GALT在小鸡孵出前已经发育形成,但是其成熟需要抗原的进一步刺激,其中有些还能形成生发中心(GC)。

GALT是构成鸡体内免疫系统的重要元件,其含有的免疫细胞数量要远大于其他免疫器官,GALT相关结构为不同免疫相关细胞提供了共定位的场所,具有启动和调节体内免疫的功能,也有利于不同肠道免疫结构与骨髓和脾脏等免疫器官之间的细胞转运。GALT中多个结构清晰的淋巴结构也是免疫诱导位点,可诱导产生相应免疫应答(如B细胞分泌产生IgA免疫球蛋白)。

旁氏结(PP)是肠道散在分布的淋巴集结或一组淋巴滤泡,是构成肠黏膜免疫系统的重要组成部分。PP中的淋巴滤泡由B细胞和T细胞(CD4+为主)组成,在其表面覆盖有一层微皱褶细胞,即M细胞。它能识别肠道内呈现的多种抗原,可吞噬家禽多种病毒和肠道病原菌,递呈吞入的肠腔内抗原转交给免疫细胞,免疫细胞可对致病抗原进行加工、转运、呈递。在此过程中被激活的免疫细胞经过循环归巢的过程回到肠黏膜固有层,成为分泌IgA为主的浆细胞和效应T细胞,参与肠道局部免疫反应。小鸡出壳时PP结构并不明显,但是生长到2周龄时已是肉眼可见,并随着日龄而逐渐增大。

盲肠扁桃体(CT)位于鸡盲肠的近端,是目前研究最为清楚的鸡GALT,其结构与PP相似,但显然是更大的淋巴集结,有生发中心(GC),有多个淋巴滤泡,其上覆盖富含M细胞的上皮层。小鸡一周龄时CT内的淋巴数量大量增加,生发中心出现于2周龄。有研究表明:肠道菌群对于刺激CT中GC的完全发育至关重要。

7、呼吸道相关淋巴组织

尽管禽类的呼吸过程和哺乳动物相似,也包括肺的通气、气体在肺和组织中的交换以及气体在血液中运输等过程。但是禽类呼吸系统的构成与哺乳动物存在明显不同,比如家禽没有横膈肌,但是有9个气囊,这也导致家禽应有其独特呼吸生理和免疫学的特点。

7.1鼻相关淋巴组织(NALT)

鼻部黏膜是鸡呼吸时最先接触气溶胶及微生物的部位。在鼻黏膜上皮和固有层内分布有大量的CD8+细胞,而CD4+细胞主要分布于上皮下层中的淋巴滤泡集合,即鼻相关淋巴组织(NALT)。鸡NALT的主要特征是有特定B细胞区域形成,偶尔还能见到生发中心(GC),其外覆盖了一层CD4+T细胞。这些淋巴滤泡表面有一层无纤毛的上皮。鸡NALT分布有IgB+细胞,如同CD8+细胞散布于整个上皮层,此处Ig免疫球蛋白表型以IgY最多,IgM+细胞相对少见,I-gA+细胞数量更少。研究显示,养殖环境对鸡NALT发育似乎影响不大。

7.2支气管相关淋巴组织(BALT)

鸡支气管不仅有支气管相关淋巴组织(BALT),而且其数量要多于其他动物。BALT主要见于一级支气管的联结点和次级支气管的尾端以及气囊口。小鸡刚孵出时,这些部位几乎没有淋巴细胞,待长到3~4周龄时才可见结构清楚的BALT。6周龄时可形成发育良好的BALT,环绕于次级支气管的开口处。成熟的BALT覆盖一层独特的上皮细胞层,即滤泡相关上皮(FAE),内有大量的淋巴细胞。根据发育阶段不同,FAE由数量不等的带纤毛和不带纤毛的细胞组成;有些FAE细胞在其肠腔面有不规则的微绒毛,可能与PP的M细胞同源。6~8周龄鸡的BALT中有大量的B细胞滤泡,主要是IgM+细胞,而IgY+细胞和IgA+细胞数量较少。大多数鸡BALT中有生发中心,被CD4+T细胞层覆盖。有研究表明:鸡BALT的发育受到年龄和环境刺激物的影响。

结语

在养禽业逐步趋向集约化、规模化、智能化和全产业链化的新时期,应重新认识家禽免疫学的基础知识和基本特点,以凸显能发挥和应发挥的作用。家禽有其独特的免疫系统组成,深入了解家禽免疫系统的主要组成和研究进展有利于更好探索、分析和利用家禽免疫学,使其更好地服务和保障养禽业的健康发展。

作者:曹伟胜1刘红2廖明1*(1.华南农业大学兽医学院,广州510642;2.默沙东动物保健品(上海)有限公司,上海200233)

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