呼吸道上皮細胞在牛肺炎發病機制中的作用

呂永智,雍康

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呼吸道上皮細胞在牛肺炎發病機制中的作用

呂永智,雍康

重慶三峽職業學院, 重慶 404155

牛肺炎的發病機制十分復雜，涉及到多種因素的綜合作用。病毒感染、冷空氣刺激、空氣質量差、運輸應激等均可損害呼吸道上皮細胞的防御系統，為細菌感染創造條件。致病因素可以影響呼吸道粘液分泌和纖毛功能；引起Toll樣受體和Tim-1表達異常。在牛肺炎的發病機制中，NF-κB信號通路也具有重要作用。

上皮細胞; 防御受損; 肺炎; 發病機制

細菌引起的肺炎在家畜和人類中普遍存在，牛呼吸系統感染性疾病（Bovine respiratory disease，BRD）發生率高，給養牛業帶來巨大的經濟損失，該類疾病發生機制很復雜，其中，致病因素損害防御系統往往為病原菌的感染創造了條件。BRD的發生常因為長途運輸引發肺炎，從而影響牛的生產性能。引起BRD的直接因素包括病原菌如溶血性曼氏桿菌、牛支原體、巴氏桿菌、化膿隱秘桿菌，以及病毒如牛皰疹病毒1型（BHV-1）、牛呼吸道合胞體病毒（BRSV）、牛副流感病毒3（bpiv-3）、牛冠狀病毒（BCV），且部分引起肺炎的病原菌在健康動物中也可被檢測到。細菌性病原體感染肺，需要逃避或利用呼吸系統的防御失敗，其中包括鼻腔、呼吸道的粘液纖毛清除液，抗菌分子，肺泡滲出巨噬細胞和中性粒細胞等。總之，致病因素引起呼吸道上皮細胞的防御受損在肺炎的發病機制中具有重要作用。

1 吸入顆粒清除機制受損

肺對可吸入顆粒物的清除主要與以下因素有關，如吸入顆粒物的性質特別是沉積性質、粘液層狀況、纖毛擺動以及纖毛的協調功能等。在肺部的纖維化炎癥中，黏液性質的改變是普遍存在的，囊性纖維化跨膜轉導調節因子（CFTR）突變與黏液分泌過多進而引起氣道阻塞關系密切。粘液的粘度影響吸入物的清除，引起氣道阻塞、細菌定植，以及中性粒細胞的遷移和殺菌活性受損[1]。

牛的病毒性感染可以導致呼吸道纖毛功能障礙，BHV-1、BRSV、BPIV-3和BCV是感染呼吸道上皮細胞的重要病毒。BRSV感染后1到2 d（Days post infection，DPI）即可以引起纖毛損失，在感染后4到7 d發生細胞壞死，未分化或未成熟細胞在7 d出現增生，10 d出現修復現象[2]。冷空氣對牛粘液纖毛清除功能具有影響作用，小牛在3 ℃時比17 ℃減少24%的鼻腔粘液。冷適應的動物患肺炎的風險不是很大，其適應冷空氣的機制以及低溫的影響機制是值得深入研究的課題。

顆粒物和外源性物質會影響粘液纖毛的清除功能。在集約化飼養的小牛和豬中，吸入顆粒可能與降低空氣質量有關，但對纖毛功能的影響非常復雜，在牛支氣管上皮細胞原代培養中，豬源性粉塵提取物可以增加纖毛運動頻率，這種作用機制與受體激動劑作用有關。在秋天和冬天擁擠的牛舍中，通風不良，空氣中氨氣濃度的升高，是肺炎易感性的另一個潛在原因。一項關于豬的研究表明，在解釋惡劣的空氣質量對生長和飼料轉化的影響機制方面，有機顆粒物的影響比氨更明顯[3]。

炎癥和性激素也可能會影響纖毛功能，但這方面的研究證據較少。體外實驗表明，慢性暴露于白細胞介素8會減少纖毛運動的頻率[4]。黃體酮可以使纖毛運動頻率受到抑制，但是可以被雌激素恢復[5]。除此之外，細菌被證實可以阻礙纖毛功能，主要機制是通過分泌細菌毒素和影響纖毛的物理效應來發揮作用。研究表明，肺炎支原體可以通過膜蛋白黏附在呼吸道黏膜的纖毛上皮細胞上[6]，從而進一步導致呼吸道黏膜損傷[7]。資料顯示，牛支原體能夠侵入牛鼻甲細胞并在這些細胞中繁殖，牛支原體的這種細胞內入侵機制可能代表了該病原體的保護位（Protective niche），有助于其逃避宿主的免疫防御以及逃避抗菌藥物的作用[8]。另外，牛支原體23S rRNA的V結構域rrnA操縱子存在單基因突變現象，在逃避抗菌藥作用方面十分明顯，有利于該病原體的感染[9]。牛支原體對氣管的感染可以誘導纖毛停滯，從牛的纖毛相關的呼吸道細菌分離株可以引起氣管外植體纖毛的損失。

表 1 致病因素對吸入顆粒清除的影響機制

2 致病因素對表面受體的影響

Toll樣受體（TLR）1、2、4、5和6是細胞識別細菌的表面受體，這些受體的基因在牛氣道上皮細胞中表達，各種易引起細菌性肺炎的易感因素可以改變這些受體的表達。研究顯示，支原體肺炎外周血TLR-2、TLR-4和Tim-1基因過度表達，TLR2、4受體和Tim1、3家族基因在不同類型的支原體肺炎的感染過程中具有重要作用[10]。在BHV-1的急性感染和再感染過程中，TLR mRNA的表達水平存在顯著差異，先天性免疫反應的參與引起臨床表現，然而TLR的激活機制和TLR介導的信號級聯反應有待進一步研究[11]。

TNF-α、IL-4、IL-10、IFN-γ與肺炎的發生有關，研究發現，在牛支原體肺炎病變組織中，TNF -α、IL-4、IL-10和IFNγ的表達上調[12]。相關的研究提示，在牛支原體肺炎感染中，機體可能通過上調TNF -α、IL-4、IL-10和IFNγ的表達來影響TLR2的表達，是機體自我保護機制的一種重要體現。

細菌粘附結合到宿主細胞，影響配體的表達變化從而影響病原菌在肺的定植。但是，是否牛病毒誘導類似的變化仍然未見報道。病毒感染除了上述的直接影響，隨之而來的炎癥反應可能會改變細菌粘附在呼吸道上皮細胞受體的表達，促進細菌在肺的定植[13]。在小鼠肺炎發生機制中，細菌肽聚糖可以誘導TLR 2依賴的炎癥反應[14]，這些研究結果可能與集約化飼養的奶牛和小牛地方流行性肺炎的發病機制具有相關性[3]，短期暴露于冷空氣引起的炎癥可能有類似的影響。

3 致病因素對信號轉導的影響

呼吸道上皮細胞具有復雜的機制，以發現和消除病毒的感染[15]。成功的病原體感染能夠發展不同的機制，以逃避這些識別和效應機制，這種逃避機制能夠改變肺部細菌感染的免疫炎癥反應。幾種牛呼吸道病毒可以改變IFN-和IFN-的表達，BHV-1可以編碼病毒蛋白ICP0和ICP27，這種蛋白質能夠阻礙IFN-基因的誘導表達[16]。BHV-1病毒感染可以激活ERK1／2信號，引起JNK、p38MAPK和c-Jun信號通路的激活[17]。BRSV能抑制I型干擾素反應，病毒對宿主細胞的這種作用會損傷肺對細菌的防御反應，且在肺的炎癥和免疫調節中具有更廣泛的影響。

在小鼠的銅綠假單胞菌感染發病機制中，核因子（NF）–κB信號通路是保護性的免疫炎癥所必需的，病毒感染被證實可以調節這個信號通路[18]，研究發現，銅綠假單胞菌可以通過核細胞表面的TLR4引起炎癥反應，其主要作用機制是對NF-κB途徑的p65進行磷酸化來發揮作用[19]。病毒感染也可以通過I型干擾素途徑影響RIG-I、MDA-5、TLR3誘導的信號轉導通路[20]。這些影響會因為不同的病毒，以及感染的時間有所不同。呼吸道合胞病毒(RSV)合并肺炎克雷伯菌(Kp)感染SD大鼠，機體發生炎癥細胞浸潤和肺泡間隔增厚等病理變化，后期肺泡結構破壞加重，通過TLR4-NF-κB途徑誘導肺部炎癥反應，釋放細胞因子TNF-和IL-1等[21]。研究表明，pten基因的缺乏可以促進tgf-β和-catenin/pdk1/akt信號通路的轉導，從而誘導CD4+CD25+Foxp3+Tregs的分化，減輕由LPS引起的肺炎性反應，HMGB1-PTEN信號轉導在膿毒癥引起ARDS發生機制中發揮重要作用[22]。

病毒可以誘導宿主的免疫炎癥反應出現缺陷，從而促進肺部細菌的存活和增殖，病毒干擾宿主反應也可能加劇細菌感染的免疫炎癥反應。例如，流感病毒感染可以誘導糖皮質激素，IL-10和轉化生長因子（TGF）-，誘發細菌感染；支氣管上皮BHV-1感染可以誘導IL-1、IL-8、TNF-的表達。在小鼠感染流感病毒和嗜肺軍團菌的病例中，組織修復生長因子的產生發生缺陷，從而引起氣道和肺泡上皮細胞的損傷和死亡率增加[23]。研究表明，小牛在RSV感染的過程中具有強烈的IL-17反應，在BRD的發病機制中，IL-17和Gamma Delta T細胞的作用是一個值得深入研究的問題[24]。IL-17A能夠作用于NF-κB通路，引起p65的磷酸化，發揮促炎效應[25]。通過基因敲除技術證實，敲除IL-17R基因的小鼠對肺炎克雷伯菌易感性明顯增高，其死亡率高達100%。

表 2 IL-17A在呼吸道細菌抗感染免疫中的作用[26]

引起肺炎的細菌也可以調節上皮細胞信號通路。卡他莫拉氏菌、腦膜炎奈瑟菌的毒力因子可以影響氣道上皮細胞的癌胚抗原相關的細胞粘附分子1（CEACAM1），這種相互作用對TLR2信號通路具有干擾作用[26]。N-酰基高絲氨酸內酯由銅綠假單胞菌產生，具有群體感應功能，但這種細菌的小分子也能夠通過抑制激酶來干擾NF-kB誘導的先天免疫反應[27]。唾液鏈球菌抑制上皮細胞NF-κB的反應，當上皮細胞暴露于病原體銅綠假單胞菌時，中性粒細胞趨化因子的產生受到抑制。

表 3 致病因素對上皮細胞信號轉導的影響機制

4 展望

復雜的相互作用在牛細菌性肺炎的發病機制中具有重要作用，斷奶應激、細菌性支氣管肺炎、運輸和群體破壞，不利的氣候條件，空氣質量差，以及病毒和支原體感染，最終引起宿主BRD的發生。BRD的易感因素影響肺的防御機制是十分復雜的，早期的研究往往較多的關注對粘液纖毛清除和吞噬細胞的影響，認為這些影響更為重要。近年來，肺的防御機制研究取得了很大的發展，進而引起人們思考，這樣一個復雜的系統為什么會產生防御失敗。肺上皮細胞防御機制的深入研究，將進一步闡明復雜的致病因素是如何引起防御受損從而導致BRD的發生，這將為生產實踐中對BRD的預防與控制提供參考。

未來的研究熱點有望在防御損害的分子機制方面得到進一步聚焦。有研究表明，健康動物呼吸系統存在著致病菌，這應該引起研究者的足夠重視。同時，其他動物的研究為牛肺炎發病機制的研究也可以提供新的思路。例如，豬支原體肺炎的發生具有明顯的品種間敏感性差異，先天性免疫缺陷調控通路、Toll樣受體信號通路及類固醇代謝通路在豬支原體肺炎感染炎癥反應調控過程中具有重要作用[28]。另外，不同毒力的豬肺炎支原體對宿主細胞的黏附作用存在差異，資料顯示，豬肺炎支原體野毒株XLW-1導致豬氣管上皮細胞嚴重病變及纖毛損傷、脫落；J株僅能引起豬氣管上皮細胞輕微病變；168疫苗株不引起豬氣管上皮細胞病變和纖毛損傷[29]。病毒與細胞的分子作用機制在肺炎發生中的作用應該引起研究者的足夠重視。這些研究思路對于牛肺炎的發病機制研究具有重要的啟發意義。

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The Role of Respiratory Epithelial Cells in the Pathogenesis of Bovine Pneumonia

LV Yong-zhi, YONG Kang

404155,

The pathogenesis of bacterial pneumonia in cattle is very complicated, which involves many factors. Virus infection, cold air stimulation, poor air quality, transport stress and other factors can damage the respiratory epithelial cell defense system, so as to create conditions for the infection of bacterial pathogens. Pathogenic factors can affect mucus secretion and cilia function in the respiratory tract, also cause abnormal expression of Toll like receptors and Tim-1. NF- kappa B signaling pathway also plays an important role in the pathogenesis of bovine pneumonia.

Epithelial cells; defense damage; bacterial pneumonia; pathogenesis

S858.23

A

1000-2324(2019)01-0103-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.023

2016-01-10

2017-11-02

重慶市教委新技術推廣項目:治療肉牛急性肺炎新型中藥制劑肺炎康的研制及推廣(GZTG201610)

呂永智(1978-),男,碩士,副教授,主要從事動物病理與新藥評價研究. E-mail:freeally2005@126.com