呼吸道上皮细胞在牛肺炎发病机制中的作用

吕永智,雍康



呼吸道上皮细胞在牛肺炎发病机制中的作用

吕永智,雍康

重庆三峡职业学院, 重庆 404155

牛肺炎的发病机制十分复杂，涉及到多种因素的综合作用。病毒感染、冷空气刺激、空气质量差、运输应激等均可损害呼吸道上皮细胞的防御系统，为细菌感染创造条件。致病因素可以影响呼吸道粘液分泌和纤毛功能；引起Toll样受体和Tim-1表达异常。在牛肺炎的发病机制中，NF-κB信号通路也具有重要作用。

上皮细胞; 防御受损; 肺炎; 发病机制

细菌引起的肺炎在家畜和人类中普遍存在，牛呼吸系统感染性疾病（Bovine respiratory disease，BRD）发生率高，给养牛业带来巨大的经济损失，该类疾病发生机制很复杂，其中，致病因素损害防御系统往往为病原菌的感染创造了条件。BRD的发生常因为长途运输引发肺炎，从而影响牛的生产性能。引起BRD的直接因素包括病原菌如溶血性曼氏杆菌、牛支原体、巴氏杆菌、化脓隐秘杆菌，以及病毒如牛疱疹病毒1型（BHV-1）、牛呼吸道合胞体病毒（BRSV）、牛副流感病毒3（bpiv-3）、牛冠状病毒（BCV），且部分引起肺炎的病原菌在健康动物中也可被检测到。细菌性病原体感染肺，需要逃避或利用呼吸系统的防御失败，其中包括鼻腔、呼吸道的粘液纤毛清除液，抗菌分子，肺泡渗出巨噬细胞和中性粒细胞等。总之，致病因素引起呼吸道上皮细胞的防御受损在肺炎的发病机制中具有重要作用。

1 吸入颗粒清除机制受损

肺对可吸入颗粒物的清除主要与以下因素有关，如吸入颗粒物的性质特别是沉积性质、粘液层状况、纤毛摆动以及纤毛的协调功能等。在肺部的纤维化炎症中，黏液性质的改变是普遍存在的，囊性纤维化跨膜转导调节因子（CFTR）突变与黏液分泌过多进而引起气道阻塞关系密切。粘液的粘度影响吸入物的清除，引起气道阻塞、细菌定植，以及中性粒细胞的迁移和杀菌活性受损[1]。

牛的病毒性感染可以导致呼吸道纤毛功能障碍，BHV-1、BRSV、BPIV-3和BCV是感染呼吸道上皮细胞的重要病毒。BRSV感染后1到2 d（Days post infection，DPI）即可以引起纤毛损失，在感染后4到7 d发生细胞坏死，未分化或未成熟细胞在7 d出现增生，10 d出现修复现象[2]。冷空气对牛粘液纤毛清除功能具有影响作用，小牛在3 ℃时比17 ℃减少24%的鼻腔粘液。冷适应的动物患肺炎的风险不是很大，其适应冷空气的机制以及低温的影响机制是值得深入研究的课题。

颗粒物和外源性物质会影响粘液纤毛的清除功能。在集约化饲养的小牛和猪中，吸入颗粒可能与降低空气质量有关，但对纤毛功能的影响非常复杂，在牛支气管上皮细胞原代培养中，猪源性粉尘提取物可以增加纤毛运动频率，这种作用机制与受体激动剂作用有关。在秋天和冬天拥挤的牛舍中，通风不良，空气中氨气浓度的升高，是肺炎易感性的另一个潜在原因。一项关于猪的研究表明，在解释恶劣的空气质量对生长和饲料转化的影响机制方面，有机颗粒物的影响比氨更明显[3]。

炎症和性激素也可能会影响纤毛功能，但这方面的研究证据较少。体外实验表明，慢性暴露于白细胞介素8会减少纤毛运动的频率[4]。黄体酮可以使纤毛运动频率受到抑制，但是可以被雌激素恢复[5]。除此之外，细菌被证实可以阻碍纤毛功能，主要机制是通过分泌细菌毒素和影响纤毛的物理效应来发挥作用。研究表明，肺炎支原体可以通过膜蛋白黏附在呼吸道黏膜的纤毛上皮细胞上[6]，从而进一步导致呼吸道黏膜损伤[7]。资料显示，牛支原体能够侵入牛鼻甲细胞并在这些细胞中繁殖，牛支原体的这种细胞内入侵机制可能代表了该病原体的保护位（Protective niche），有助于其逃避宿主的免疫防御以及逃避抗菌药物的作用[8]。另外，牛支原体23S rRNA的V结构域rrnA操纵子存在单基因突变现象，在逃避抗菌药作用方面十分明显，有利于该病原体的感染[9]。牛支原体对气管的感染可以诱导纤毛停滞，从牛的纤毛相关的呼吸道细菌分离株可以引起气管外植体纤毛的损失。

表 1 致病因素对吸入颗粒清除的影响机制

2 致病因素对表面受体的影响

Toll样受体（TLR）1、2、4、5和6是细胞识别细菌的表面受体，这些受体的基因在牛气道上皮细胞中表达，各种易引起细菌性肺炎的易感因素可以改变这些受体的表达。研究显示，支原体肺炎外周血TLR-2、TLR-4和Tim-1基因过度表达，TLR2、4受体和Tim1、3家族基因在不同类型的支原体肺炎的感染过程中具有重要作用[10]。在BHV-1的急性感染和再感染过程中，TLR mRNA的表达水平存在显著差异，先天性免疫反应的参与引起临床表现，然而TLR的激活机制和TLR介导的信号级联反应有待进一步研究[11]。

TNF-α、IL-4、IL-10、IFN-γ与肺炎的发生有关，研究发现，在牛支原体肺炎病变组织中，TNF -α、IL-4、IL-10和IFNγ的表达上调[12]。相关的研究提示，在牛支原体肺炎感染中，机体可能通过上调TNF -α、IL-4、IL-10和IFNγ的表达来影响TLR2的表达，是机体自我保护机制的一种重要体现。

细菌粘附结合到宿主细胞，影响配体的表达变化从而影响病原菌在肺的定植。但是，是否牛病毒诱导类似的变化仍然未见报道。病毒感染除了上述的直接影响，随之而来的炎症反应可能会改变细菌粘附在呼吸道上皮细胞受体的表达，促进细菌在肺的定植[13]。在小鼠肺炎发生机制中，细菌肽聚糖可以诱导TLR 2依赖的炎症反应[14]，这些研究结果可能与集约化饲养的奶牛和小牛地方流行性肺炎的发病机制具有相关性[3]，短期暴露于冷空气引起的炎症可能有类似的影响。

3 致病因素对信号转导的影响

呼吸道上皮细胞具有复杂的机制，以发现和消除病毒的感染[15]。成功的病原体感染能够发展不同的机制，以逃避这些识别和效应机制，这种逃避机制能够改变肺部细菌感染的免疫炎症反应。几种牛呼吸道病毒可以改变IFN-和IFN-的表达，BHV-1可以编码病毒蛋白ICP0和ICP27，这种蛋白质能够阻碍IFN-基因的诱导表达[16]。BHV-1病毒感染可以激活ERK1／2信号，引起JNK、p38MAPK和c-Jun信号通路的激活[17]。BRSV能抑制I型干扰素反应，病毒对宿主细胞的这种作用会损伤肺对细菌的防御反应，且在肺的炎症和免疫调节中具有更广泛的影响。

在小鼠的铜绿假单胞菌感染发病机制中，核因子（NF）–κB信号通路是保护性的免疫炎症所必需的，病毒感染被证实可以调节这个信号通路[18]，研究发现，铜绿假单胞菌可以通过核细胞表面的TLR4引起炎症反应，其主要作用机制是对NF-κB途径的p65进行磷酸化来发挥作用[19]。病毒感染也可以通过I型干扰素途径影响RIG-I、MDA-5、TLR3诱导的信号转导通路[20]。这些影响会因为不同的病毒，以及感染的时间有所不同。呼吸道合胞病毒(RSV)合并肺炎克雷伯菌(Kp)感染SD大鼠，机体发生炎症细胞浸润和肺泡间隔增厚等病理变化，后期肺泡结构破坏加重，通过TLR4-NF-κB途径诱导肺部炎症反应，释放细胞因子TNF-和IL-1等[21]。研究表明，pten基因的缺乏可以促进tgf-β和-catenin/pdk1/akt信号通路的转导，从而诱导CD4+CD25+Foxp3+Tregs的分化，减轻由LPS引起的肺炎性反应，HMGB1-PTEN信号转导在脓毒症引起ARDS发生机制中发挥重要作用[22]。

病毒可以诱导宿主的免疫炎症反应出现缺陷，从而促进肺部细菌的存活和增殖，病毒干扰宿主反应也可能加剧细菌感染的免疫炎症反应。例如，流感病毒感染可以诱导糖皮质激素，IL-10和转化生长因子（TGF）-，诱发细菌感染；支气管上皮BHV-1感染可以诱导IL-1、IL-8、TNF-的表达。在小鼠感染流感病毒和嗜肺军团菌的病例中，组织修复生长因子的产生发生缺陷，从而引起气道和肺泡上皮细胞的损伤和死亡率增加[23]。研究表明，小牛在RSV感染的过程中具有强烈的IL-17反应，在BRD的发病机制中，IL-17和Gamma Delta T细胞的作用是一个值得深入研究的问题[24]。IL-17A能够作用于NF-κB通路，引起p65的磷酸化，发挥促炎效应[25]。通过基因敲除技术证实，敲除IL-17R基因的小鼠对肺炎克雷伯菌易感性明显增高，其死亡率高达100%。

表 2 IL-17A在呼吸道细菌抗感染免疫中的作用[26]

引起肺炎的细菌也可以调节上皮细胞信号通路。卡他莫拉氏菌、脑膜炎奈瑟菌的毒力因子可以影响气道上皮细胞的癌胚抗原相关的细胞粘附分子1（CEACAM1），这种相互作用对TLR2信号通路具有干扰作用[26]。N-酰基高丝氨酸内酯由铜绿假单胞菌产生，具有群体感应功能，但这种细菌的小分子也能够通过抑制激酶来干扰NF-kB诱导的先天免疫反应[27]。唾液链球菌抑制上皮细胞NF-κB的反应，当上皮细胞暴露于病原体铜绿假单胞菌时，中性粒细胞趋化因子的产生受到抑制。

表 3 致病因素对上皮细胞信号转导的影响机制

4 展望

复杂的相互作用在牛细菌性肺炎的发病机制中具有重要作用，断奶应激、细菌性支气管肺炎、运输和群体破坏，不利的气候条件，空气质量差，以及病毒和支原体感染，最终引起宿主BRD的发生。BRD的易感因素影响肺的防御机制是十分复杂的，早期的研究往往较多的关注对粘液纤毛清除和吞噬细胞的影响，认为这些影响更为重要。近年来，肺的防御机制研究取得了很大的发展，进而引起人们思考，这样一个复杂的系统为什么会产生防御失败。肺上皮细胞防御机制的深入研究，将进一步阐明复杂的致病因素是如何引起防御受损从而导致BRD的发生，这将为生产实践中对BRD的预防与控制提供参考。

未来的研究热点有望在防御损害的分子机制方面得到进一步聚焦。有研究表明，健康动物呼吸系统存在着致病菌，这应该引起研究者的足够重视。同时，其他动物的研究为牛肺炎发病机制的研究也可以提供新的思路。例如，猪支原体肺炎的发生具有明显的品种间敏感性差异，先天性免疫缺陷调控通路、Toll样受体信号通路及类固醇代谢通路在猪支原体肺炎感染炎症反应调控过程中具有重要作用[28]。另外，不同毒力的猪肺炎支原体对宿主细胞的黏附作用存在差异，资料显示，猪肺炎支原体野毒株XLW-1导致猪气管上皮细胞严重病变及纤毛损伤、脱落；J株仅能引起猪气管上皮细胞轻微病变；168疫苗株不引起猪气管上皮细胞病变和纤毛损伤[29]。病毒与细胞的分子作用机制在肺炎发生中的作用应该引起研究者的足够重视。这些研究思路对于牛肺炎的发病机制研究具有重要的启发意义。

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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

重庆市教委新技术推广项目:治疗肉牛急性肺炎新型中药制剂肺炎康的研制及推广(GZTG201610)

吕永智(1978-),男,硕士,副教授,主要从事动物病理与新药评价研究. E-mail:freeally2005@126.com