養殖知識  動物胃腸道菌群與其免疫功能和健康的關係
人、豬、家禽、兔、馬、犬、大鼠、小鼠等單胃動物的消化道中寄居有大量的活細菌。據LucKey估計,人類消化道中含1014細菌細胞(而人體或動物體細胞僅為1013),不管是單胃哺乳動物(如人、豬、兔)或是禽類,其糞便中的細菌含量在5× 109~5×1010/g糞便濕重之間,即糞便濕重的40%以上是細菌細胞。據Gustafsson(1984)研究表明,人體攜帶的微生物總量約為1271g,其中腸道佔1000g,肺20g,皮膚200g,口腔20g,陰道20g,鼻10g,眼1g,即胃腸道的微生物佔人體總微生物量的78.7%。腸道微生物與腸道​​黏膜免疫的關係十分密切,也是近年來免疫學及相關科學研究的熱點問題之一,並取得了重要進展。
1. 動物的免疫系統及功能
1.1 免疫系統構成
動物的免疫器官有一級免疫器官和二級淋巴器官。
    一級(中樞)免疫器官包括骨髓、胸腺、腔上(法氏)囊(哺乳動物無此組織);
    二級淋巴器官有脾臟、骨髓和分散的淋巴組織(相關淋巴組織),如分佈於消化道、呼吸道、泌尿生殖等不同部位的彌散淋巴組織(黏膜免疫系統)。
    這里特別要強調的是長期以來,人們對附著於眼球旁的哈德氏腺和派依爾氏(Peyer’s)結(腸道集合淋巴結)的研究較少,實際上前者是參加點眼免疫反應的主要淋巴組織,後者參加腸道黏膜免疫淋巴組織。
    禽類的血細胞結構與哺乳動物有很大不同,如禽類的所有血細胞都有核,而哺乳動物的紅細胞、血小板無核。
    參加免疫反應的細胞有5大類:
    (1)B細胞,主要參加特異性免疫反應—體液免疫;
    (2)T細胞,主要參加細胞免疫反應,又分為殺傷性或細胞毒T細胞(Tk或Tc)、輔助性T細胞(TH)、抑制性T細胞(Ts);
    (3)既非T細胞也非B細胞的K細胞和NK細胞;
    (4)單核吞噬細胞系統細胞,通過吞噬細胞、巨噬細胞的吞噬和細胞毒參與細胞免疫和體液免疫來發揮效應;
    (5)粒細胞,包括嗜中性粒(白)細胞、嗜鹼性粒(白)細胞、嗜酸性粒(白)細胞和肥大細胞。
    後3類細胞主要參加非特異免疫反應。動物機體通過特異性反應和非特異性反應強度的調節來維持機體的正常防禦機能。
1.2 腸道黏膜免疫
腸道黏膜處於溝通機體內外環境的重要位置,具有消化、吸收、分泌和防禦等重要功能。動物每日攝取的食物都含有大量的微生物,其中也包括大量的病原微生物,但是正常個體的腸道中總是保持正常的菌群狀態,並不發生感染,從而維持腸道的正常結構和功能狀態,其原因除了黏膜的機械屏障作用、常駐菌群形成菌膜屏障、正常菌群對致病菌和“機會”致病菌的製約作用外,腸道黏膜免疫系統起著極其重要的作用。
腸道黏膜免疫系統包括腸道相關淋巴組織(Gut associated lymphoid tissues, GALT)和有關細胞、分子成分,如淋巴細胞、巨噬細胞、各種白細胞、嗜銀細胞和抗體、溶菌酶、抗菌肽等(Bienenstock,1980)。動物體內的呼吸道、胃腸道、泌尿生殖道上都有黏膜,相關淋巴組織是指沿著呼吸道、胃腸道、泌尿生殖道黏膜上皮,並存在於上皮下的淋巴組織。
    腸道有大量豐富的淋巴組織,腸道內壁是機體最大的免疫器官,人的腸淋巴組織的總量與脾的淋巴組織相等佔整個腸道的25%。 Edeiman(1989)指出,腸內的淋巴細胞比任何器官的都多,這也出是與腸道接觸抗原的機會和接觸抗原的表面積是最大的現實情況相適應的。
    在腸淋巴組織中,腸集合淋巴小節、固有膜淋巴細胞和上皮內淋巴細胞對機體的防衛都具有重要的功能。腸黏膜淋巴細胞道、乳腺、生殖道部位的淋巴細胞相關,故認為腸黏膜和這些部位有著黏膜免疫系統。例如動物體細菌性抗原從腸道吸收後可在乳腺產生特異性IgA,在支氣管致敏的細胞可遊走至腸黏膜固有層,鼻咽部接觸的某抗原可以同時在直腸、呼吸道、陰道產生IgA和IgG。 GALT的細胞包括B淋巴細胞、T淋巴細胞、漿細胞、巨噬細胞等,其中以淋巴細胞和漿細胞最多。固有膜中的B細胞70%~80%可以產生IgA,15%產生IgM,2%產生IgE,但缺乏產生IgG的細胞。
sIgA是黏膜體液免疫的主要效應因子。腸道抗原(蛋白質、顆粒物、病菌、病毒、寄生蟲)被M細胞攝取並穿行M細胞,傳遞給PP節(Peyer’s Patches),由那裡的樹突狀細胞獲得,經處理後和MHCⅡ類分子形成複合物,呈遞給特殊的T細胞,激活免疫反應(Liu LD等, 1997)。 T細胞被激活後,促使未成熟的B細胞進行型轉換進而形成抗原特異性的IgA+B細胞。這些受刺激的淋巴細胞離開淋巴結,流經淋巴管和腸系膜淋巴結進行體循環,最後回歸腸固有層和其它黏膜效應部位。此時B細胞在T細胞(主要是CD4+T細胞)的作用下,進行最終的分化。
除體液免疫外,腸道黏膜還存在細胞免疫。參與細胞免疫的細胞有毒性淋巴細胞(CTL)、ADCC細胞和NK細胞。黏膜固有層內及 GALT中均含有細胞毒性淋巴細胞,病毒感染細胞被這些T細胞所溶解。最近的研究表明,上皮內淋巴細胞(IEL)在誘導和調節黏膜免疫應答中起著重要作用。 IEL分為兩個亞群,一種具有抗原特異性細胞毒功能,另一種具有NK功能,顯示抗原特異性的溶解細胞能力。
在抵抗病原微生物入侵方面,腸道黏膜的體液免疫和細胞免疫均發揮著十分重要的作用。但除了以克隆選擇為基礎的獲得性免疫外,腸道還存在另一種重要的防禦機制——天然免疫系統。天然免疫在發生學上是最古老的抗感染防禦系統,是相對於高等動物的高度特異性和獲得性免疫系統而提出來的。在無脊椎動物如節肢動物和軟體動物中,由於缺乏相應的高度特異和記憶性免疫系統,抗菌蛋白(肽)是主要的機體防禦屏障。而在高等脊椎動物中,抗菌肽作為適應性免疫系統的早期防禦反應,在獲得性免疫系統響應之前發揮其防禦功能。
    無論是植物還是動物,這些抗菌分子都由基因編碼並能較快地表達和傳遞。與以克隆選擇為基礎的典型免疫防禦機制不同,抗菌肽產生的免疫防禦作用不是通過記憶獲得的,所以它的作用現在統稱為天然免疫。天然免疫能在宿主被感染後極短的時間內控制、延緩、甚至阻止細菌的生長(Boman,1995)。研究還發現,在皮膚、口腔、腸道和生殖道等不同部位,可維持一定的抗菌肽濃度,使共生的自然菌落處於穩定狀態(Boman,1996; Cole等,1997; Zhao C等,1995) 。 Fang等(1997)認為是天然免疫肽單獨完成的,可能還有其它的分子參與。研究發現,在宿主免疫防禦過程中,有機體產生的防禦作用必須快於細菌和病原體繁殖的速度,才能使宿主免受傷害,因而需要各種防禦機制協同作用。在昆蟲主要是由各種抗菌肽來完成。在哺乳動物,除小分於的抗菌肽外,天然免疫可能還包括巨噬細胞、嗜中性細胞、T細胞和 NK細胞等細胞的吞噬作用和細胞毒性作用。這些作用涉及到許多信號分子,如 NO、碳酸、 IL-1、腫瘤壞死因子等(Anderson等,1995)。雖然對這些作用分子的信號途徑還不完全了解,但它們的誘導轉錄因子完全一樣。研究發現,細菌表面物質脂多醣可同時引起高等動物的體液和細胞免疫反應。大多數情況下,天然免疫可能是單獨完成免疫應答的。但在天然免疫不能完全抑制病原菌對有機體的損害時,需要兩者共同作用(Saberwal等,1994)。
2. 原籍菌和過路菌及其免疫反應
2.1 原籍菌、過路菌(外籍菌)與宿主的關係
高等動物的胚胎通常是無菌的,出生後數小時內,便可在胎兒的腸道中檢出大腸桿菌、腸球菌、葡萄球菌、棒狀桿菌、酵母菌等需氧菌和兼性厭氧菌。隨後厭氧菌逐漸取代需氧菌和兼性厭氧菌,最終佔腸道細菌總數的90%,甚至99%以上。
    各種動物建立起較穩定和完善的正常菌群所需的時間不等,與各種動物發育的特點及飼養管理密切相關,通常至斷奶一段時間才完成。正常菌群一旦建立,雖然不同生態區內細胞的種類和數量會隨著食物的不同和年齡的增長等生理因素而有所改變。但正常菌群的種類,每種細菌的數量及所佔的比例,不同細菌所定居的部位等在每一種動物則是相對穩定的。正常菌群中的各種細菌依據其特性及其與宿主形成的適應性,定位於不同生態多系統的生境、微生境中,形成各自的群落。
    有的細菌經常能從宿主體內分離到,而且數量較多,被稱為常住菌。反之,不能經常從動物和人體分離出來,稱為過路菌(外籍菌)。
過路菌通常不定植或僅短時間在宿主的上皮或黏膜細胞表面,與宿主細胞的關係不密切,而常住菌則常與宿主細胞緊密接觸,關係穩定。根據正常菌群與宿主細胞關係的不同,美國哈佛大學獸醫學院的Dubos(1965)將正常菌群分為原籍菌群和外籍菌群。他認為:原籍菌群是長期進化過程中形成的,與宿主的關係極為密切和穩定,對宿主是有益的,故又稱之為固有菌群。他同時指出:任何腸道內都同時存在兩類性質不同的生物群落,即原籍菌群和外籍菌群。
在腸道內有的細菌生活在腔道內,有的生活在黏膜上皮細胞表面,有的生活在隱窩內,因此,腸道生境可分為:① 腔道類型、② 上皮類型③和隱窩類型。這是3個完全不同的微生物群。定植於宿主黏膜上皮細胞表面和隱窩微生境內的菌群(當然絕大多數是原籍菌群)與宿主的胃腸黏膜細胞有著極為密切的關係,上世紀初就曾觀察到一些微生物,如螺旋體和乳桿菌等與正常動物的胃腸上皮細胞表面緊密相連。用掃描電鏡觀察後表明,在小鼠和大鼠胃的非分泌性磷狀上皮細胞表面有大量的乳桿菌,有的似乎根植於上皮細胞內,只有半截留在外面。類似的情況還見於雞、豬、羊、猴和人的胃腸道。用電子顯微鏡觀察表明,在細菌黏附到上皮細胞表面後,多數上皮細胞並不發生形態學變化。雖然細菌黏附部位的上皮細胞膜依然是完整的,但黏附細胞的形態卻發生了明顯的改變,細胞漿特異性地包圍著插入的菌體。螺旋體和螺旋菌也使恒河猴的結腸上皮細胞發生超顯微結構的改變。菌體一端插入上皮細胞膜後,在上皮細胞表面形成一個小窩,定植部位的微絨毛被破壞,刷狀體末端網狀結構減少。
進一步的研究表明,大部分細菌的細胞壁與宿主細胞膜不直接接觸,它們之間有幾十皮米的距離,其間充滿來源於細菌的細胞壁和宿主上皮細胞的纖絲狀物。這些絲狀物長5~8μm,寬3~5μm。細菌和細胞通過這些絲狀物保持著密切的接觸。最近的研究表明,在上述絲狀物中,除部分為細菌的菌毛外,其中還有某些化學物質。這種化學物質呈纖維狀,從細胞伸向細胞的周圍,似將細菌包圍起來,故稱糖須或糖被(glycocalyx)。糖須或糖被同時存在於細菌和宿主細胞表面,是以細胞膜表面延伸出來的一種多聚體,包括有蛋白質、蠟質、多醣、葡萄糖、醛酸、唾液酸等,帶有強烈的陰性電荷。現在認為糖須或糖被有利於細菌黏附到細胞表面,並在糖須或糖被的保護下發展各自的種群,形成微菌落,避免不同細菌間過度的混雜和競爭。包容於糖須或糖被內的細菌與宿主的腸道黏膜上皮細胞緊密黏附在一起,比較固定,很少遷移。這些細菌的生理和代謝活動與細胞的生理和代謝活動密切相關,甚至溶為一體。現在還發現一些正常的細菌甚至可長期寄居在宿主的組織和細胞內而不對宿主產生有害作用。
現已證實,並非所有的病毒均對宿主有致病作用。許多病毒的致病作用都是在一定條件下發生的。可以肯定,更多的病毒屬於正常病毒群,雖然它們在宿主體內長期存在,但對宿主非但無害,而且具有促進生長發育、細胞成熟和提高免疫機能的作用。動物體內的許多正常病毒群是以前病毒的形式存在於宿主細胞的核酸鏈中。這些病毒可以自然釋放出來,也可以人工誘導出來,在這種情況下,這些前病毒和宿主細胞間的平衡就被打破,病毒就可能對宿主致