譚 健 余詩(shī)強(qiáng) 趙玉超 蔣林樹
(北京農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,奶牛營(yíng)養(yǎng)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)
在外界環(huán)境變化的刺激下,動(dòng)物會(huì)通過(guò)迅速改變體內(nèi)糖皮質(zhì)激素水平來(lái)應(yīng)對(duì)多種應(yīng)激源,這種反應(yīng)引發(fā)的生理和行為變化對(duì)于應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)至關(guān)重要[1]。糖皮質(zhì)激素是一類由腎上腺產(chǎn)生的維持機(jī)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的小脂質(zhì)激素,循環(huán)至血液后與靶細(xì)胞結(jié)合發(fā)揮作用,對(duì)動(dòng)物機(jī)體發(fā)揮多效性作用[2],其水平高低反映了動(dòng)物的健康程度[3]。皮質(zhì)醇是糖皮質(zhì)激素的主要表現(xiàn)形式,并作為反芻動(dòng)物主要的應(yīng)激激素[4-5],在動(dòng)物遭受應(yīng)激過(guò)程中可以緊急調(diào)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,合成分泌相關(guān)激素及增強(qiáng)機(jī)體代謝,且奶牛遭受熱應(yīng)激后生產(chǎn)性能、免疫能力、繁殖效率的下降和感染疾病風(fēng)險(xiǎn)的上升常伴隨著奶牛體內(nèi)皮質(zhì)醇水平的顯著改變[6-7]。此外,糖皮質(zhì)激素藥物如氫化可的松、地塞米松等,可在體內(nèi)發(fā)揮抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用,已被廣泛用作免疫抑制劑和抗炎劑來(lái)治療多種自身免疫和炎癥性疾病[8]。因此,糖皮質(zhì)激素作為奶牛應(yīng)激反應(yīng)的主要生物學(xué)標(biāo)志物,研究其對(duì)奶牛熱應(yīng)激條件下免疫功能影響的調(diào)控作用機(jī)制,對(duì)緩解奶牛熱應(yīng)激、改善奶牛健康狀況、維持機(jī)體熱應(yīng)激免疫代謝穩(wěn)態(tài)具有重要意義。基于此,本文綜述了糖皮質(zhì)激素與熱應(yīng)激奶牛免疫系統(tǒng)互作機(jī)制的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,旨在為下一步的深入研究提供理論支撐。
反芻動(dòng)物發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)會(huì)促進(jìn)體內(nèi)糖皮質(zhì)激素釋放,促進(jìn)免疫細(xì)胞凋亡并干擾其免疫系統(tǒng)功能[9]。免疫系統(tǒng)反應(yīng)是應(yīng)對(duì)抵御挑戰(zhàn)的重要機(jī)制,熱應(yīng)激通過(guò)影響奶牛體內(nèi)糖皮質(zhì)激素分泌,誘導(dǎo)機(jī)體免疫反應(yīng),產(chǎn)生不同的細(xì)胞因子[10]。表1列舉了不同生理或生長(zhǎng)階段奶牛遭受熱應(yīng)激后血液皮質(zhì)醇水平和免疫指標(biāo)的變化。糖皮質(zhì)激素通過(guò)與2種受體結(jié)合發(fā)出信號(hào),即Ⅰ型鹽皮質(zhì)激素受體(type Ⅰ mineralocorticoid receptors,MRs)和Ⅱ型糖皮質(zhì)激素受體(type Ⅱ glucocorticoid receptors,GRs)。MRs位于海馬、杏仁核、皮層、腦干處細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中,對(duì)糖皮質(zhì)激素有著較高的親和力,在其濃度較低時(shí)幾乎與糖皮質(zhì)激素完全結(jié)合[11-12]。GRs則在整個(gè)大腦和機(jī)體組織中廣泛表達(dá),包括垂體前葉和下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)軸活性區(qū)域[13]。GRs在正常生理狀態(tài)下與糖皮質(zhì)激素的親和力較低,但機(jī)體遭受熱應(yīng)激體內(nèi)糖皮質(zhì)激素水平升高后,GRs被激活并增強(qiáng)與糖皮質(zhì)激素的結(jié)合[14]。糖皮質(zhì)激素的分子作用包括與GRs結(jié)合直接調(diào)控一些細(xì)胞因子mRNA轉(zhuǎn)錄來(lái)影響細(xì)胞因子的合成,包括白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1、IL-2、IL-3、IL-4、IL-5、IL-6、IL-8、IL-12、IL-18、粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor,GM-CSF)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)[15]。此外,糖皮質(zhì)激素可以導(dǎo)致機(jī)體淋巴細(xì)胞的凋亡[16],也能通過(guò)細(xì)胞因子和趨化因子受體促進(jìn)T細(xì)胞和B細(xì)胞的存活、重新分布和反應(yīng),并增強(qiáng)對(duì)某些感染的免疫反應(yīng)[17]。
表1 不同生理或生長(zhǎng)階段奶牛遭受熱應(yīng)激后血液皮質(zhì)醇水平和免疫指標(biāo)的變化
當(dāng)動(dòng)物處在穩(wěn)定的生理狀態(tài)時(shí),糖皮質(zhì)激素的產(chǎn)生受晝夜節(jié)律控制[17]。白天活動(dòng)的動(dòng)物血液中糖皮質(zhì)激素水平在清晨達(dá)到頂峰值,在夜間達(dá)到最低值,而在夜間活動(dòng)的動(dòng)物如嚙齒類動(dòng)物中則相反。當(dāng)動(dòng)物處在應(yīng)激狀態(tài)時(shí),體內(nèi)糖皮質(zhì)激素分泌量激增。在熱應(yīng)激期間,奶牛HPA軸被激活,以對(duì)熱應(yīng)激刺激做出反應(yīng),維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)[26]。奶牛遭受熱應(yīng)激時(shí),體內(nèi)HPA軸、下丘腦-垂體-甲狀腺(hypothalamic-pituitary-thyroid,HPT)軸和下丘腦-垂體-性腺(hypothalamic-pituitary-gonad,HPG)軸被刺激啟動(dòng),其中HPA軸的激活在緩解奶牛熱應(yīng)激影響中至關(guān)重要[27]。下丘腦腦室旁核(paraventricular nucleus,PVN)作為HPA軸的起點(diǎn),在受到外界刺激時(shí)其神經(jīng)元釋放促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(corticotropin releasing hormone,CRH)和精氨酸加壓素(arginine vasopressin,AVP),釋放的CRH與垂體前葉的CRH受體結(jié)合,激活前阿片皮質(zhì)激素(proopiomelanocortin,POMC)的產(chǎn)生,然后將其轉(zhuǎn)化為促腎上腺皮質(zhì)激素(adrenocorticotropic hormone,ACTH)釋放到循環(huán)中[28]。ACTH通過(guò)全身循環(huán)進(jìn)入腎上腺皮質(zhì)并與腎上腺皮質(zhì)束狀帶中的特定細(xì)胞表面G蛋白耦聯(lián)受體,即黑素皮質(zhì)素-2型受體(melanocortin type-2 receptor,MC2R)結(jié)合后,糖皮質(zhì)激素類固醇生成被激活[29]。在腎上腺皮質(zhì)束狀帶細(xì)胞內(nèi)線粒體中,膽固醇受到一系列類固醇生成調(diào)節(jié)劑的酶促修飾,最終合成糖皮質(zhì)激素釋放到全身[30]。同時(shí),糖皮質(zhì)激素可以在下丘腦和垂體前葉進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié),減少CRH和ACTH的分泌,抑制HPA軸應(yīng)激活性[31]。圖1為熱應(yīng)激期間奶牛體內(nèi)糖皮質(zhì)激素分泌的示意圖。根據(jù)奶牛遭受熱應(yīng)激的持續(xù)天數(shù),熱應(yīng)激可分為短期熱應(yīng)激和長(zhǎng)期熱應(yīng)激。短期熱應(yīng)時(shí)期,奶牛HPA軸被激活,糖皮質(zhì)激素合成釋放增加,體內(nèi)皮質(zhì)醇水平升高,對(duì)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生刺激作用[32]。長(zhǎng)期熱應(yīng)激時(shí)期,奶牛HPA軸被長(zhǎng)期激活受損,糖皮質(zhì)激素合成釋放減少,造成體內(nèi)皮質(zhì)醇水平降低,并產(chǎn)生免疫抑制[33-34]。
Heat stress:熱應(yīng)激;PVN:下丘腦腦室旁核 paraventricular nucleus;CRH:促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素 corticotropin releasing hormone;ACTH:促腎上腺皮質(zhì)激素 adrenocorticotropic hormone。
非特異性免疫又稱先天性免疫或固有免疫,是機(jī)體暴露于感染或免疫時(shí)立即起作用的第1道防線,包括物理屏障、固有免疫細(xì)胞和固有免疫因子。當(dāng)機(jī)體的物理屏障無(wú)法消除病原體時(shí),免疫系統(tǒng)會(huì)通過(guò)促進(jìn)中性粒細(xì)胞、血液中的單核細(xì)胞和組織中的巨噬細(xì)胞等轉(zhuǎn)移到感染部位來(lái)做出反應(yīng)[35]。白細(xì)胞是免疫系統(tǒng)的主要組成部分,可分為中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、淋巴細(xì)胞,不同種類的白細(xì)胞以不同的方式參與機(jī)體防御反應(yīng),其主要功能是保護(hù)機(jī)體免受細(xì)菌、病毒、真菌和寄生蟲等入侵的傳染性病原體的侵害。研究表明,短暫的急性熱應(yīng)激會(huì)改變初生犢牛的白細(xì)胞總數(shù)和免疫功能[36]。吞噬細(xì)胞(中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞)介導(dǎo)的非特異性免疫反應(yīng)直到妊娠晚期才發(fā)育完全,臨近分娩時(shí),胎兒體內(nèi)皮質(zhì)酮水平升高,導(dǎo)致中性粒細(xì)胞的吞噬和殺菌能力下降[37]。奶牛的白細(xì)胞數(shù)量在熱應(yīng)激條件下受到影響,與其他季節(jié)相比,夏季荷斯坦奶牛血液中白細(xì)胞總數(shù)顯著降低[38]。干奶期遭受過(guò)熱應(yīng)激的奶牛,在泌乳早期的平均白細(xì)胞計(jì)數(shù)和中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)顯著降低,所產(chǎn)犢牛的血清中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)、淋巴細(xì)胞百分比顯著下降,皮質(zhì)醇水平與單核細(xì)胞百分比顯著上升[18]。
中性粒細(xì)胞是多形核和顆粒狀白細(xì)胞,是先天免疫系統(tǒng)抵御入侵微生物的第1道防線[39]。體內(nèi)激素水平或代謝功能變化會(huì)導(dǎo)致奶牛免疫功能下降,并進(jìn)一步導(dǎo)致不同程度的免疫抑制,造成奶牛中性粒細(xì)胞趨化性、跨上皮遷移的速度和吞噬作用下降[40]。奶牛臨近產(chǎn)犢時(shí),由于胎兒皮質(zhì)醇水平的升高,中性粒細(xì)胞的吞噬和殺菌能力下降[37]。Narayan等[41]研究表明,遭受夏季熱應(yīng)激的奶牛血液內(nèi)中性粒細(xì)胞數(shù)量顯著降低。然而,糖皮質(zhì)激素調(diào)節(jié)中性粒細(xì)胞凋亡的機(jī)制尚不清楚。糖皮質(zhì)激素介導(dǎo)中性粒細(xì)胞凋亡的機(jī)制可能包括上調(diào)凋亡B細(xì)胞淋巴瘤-2凋亡基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)和凋亡抑制劑家族成員。例如,地塞米松可以通過(guò)中性粒細(xì)胞中的磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)和p38絲裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)誘導(dǎo)存活,并增強(qiáng)Bcl-2家族的促凋亡成員髓樣細(xì)胞白血病-1(myeloid cell leukemia-1,MCL-1)表達(dá)[42]。糖皮質(zhì)激素可以促進(jìn)巨噬細(xì)胞吞噬凋亡的白細(xì)胞,并使其快速降解,且不會(huì)引起促炎性反應(yīng)[43]。此外,糖皮質(zhì)激素可以抑制中性粒細(xì)胞的在體內(nèi)的活化與遷移。Ricci等[44]研究發(fā)現(xiàn),糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)亮氨酸拉鏈(glucocorticoids-induced leucine zipper,GILZ)通過(guò)控制膜聯(lián)蛋白A1的表達(dá)來(lái)抑制中性粒細(xì)胞的遷移。GILZ還能通過(guò)抑制MAPK途徑和中性粒細(xì)胞分泌促炎因子,抑制中性粒細(xì)胞向炎癥部位的活化與遷移[45]。糖皮質(zhì)激素可以降低細(xì)胞因子、趨化因子和黏附因子的表達(dá),抑制白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用,導(dǎo)致中性粒細(xì)胞的黏附與轉(zhuǎn)移能力下降[46]。
巨噬細(xì)胞是由血液中的單核細(xì)胞穿出血管后分化而成,不僅在非特性免疫中發(fā)揮作用,還充當(dāng)連接非特異性免疫和特異性免疫的橋梁,具有激活T細(xì)胞和B細(xì)胞的作用[47]。糖皮質(zhì)激素受體激活,可以刺激單核細(xì)胞分化為抗炎組織吞噬細(xì)胞[48]。Joo等[49]研究發(fā)現(xiàn),處于夏季熱應(yīng)激的荷斯坦奶牛,外周血液?jiǎn)魏思?xì)胞數(shù)量呈下降趨勢(shì)。另一項(xiàng)研究表明,體外暴露于高溫環(huán)境下的奶牛外周血單核細(xì)胞凋亡增加,同時(shí)細(xì)胞活力降低[50]。熱應(yīng)激條件下,糖皮質(zhì)激素對(duì)奶牛體內(nèi)單核細(xì)胞的外滲調(diào)節(jié)作用尚不明確。而低水平糖皮質(zhì)激素對(duì)巨噬細(xì)胞功能(如黏附、轉(zhuǎn)化、吞噬和細(xì)胞因子產(chǎn)生)有免疫刺激作用,高水平糖皮質(zhì)激素對(duì)巨噬細(xì)胞有免疫抑制作用[51-52]。Dong等[53]研究表明,高水平皮質(zhì)醇通過(guò)調(diào)節(jié)核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)和MAPK信號(hào)通路,減弱了RAW264.7巨噬細(xì)胞系中脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。糖皮質(zhì)激素藥物地塞米松可以誘導(dǎo)GRs向Krüppel樣轉(zhuǎn)錄因子9啟動(dòng)子聚集,增加線粒體活性氧(reactive oxygen species,ROS)產(chǎn)生,導(dǎo)致巨噬細(xì)胞線粒體依賴性凋亡[54]。
特異性免疫由細(xì)胞免疫和體液免疫組成,又稱獲得性免疫或適應(yīng)性免疫,主要由免疫球蛋白和免疫淋巴細(xì)胞與抗原結(jié)合引起特異性免疫[55]。淋巴細(xì)胞主要由B細(xì)胞和T細(xì)胞組成,參與各種免疫功能,如免疫球蛋白的產(chǎn)生和細(xì)胞因子的產(chǎn)生對(duì)免疫應(yīng)答的調(diào)節(jié)[56]。T細(xì)胞主要參與細(xì)胞免疫,B細(xì)胞在體液免疫中發(fā)揮重要作用。許多研究發(fā)現(xiàn),在夏季高溫或熱應(yīng)激發(fā)生時(shí),奶牛體內(nèi)淋巴細(xì)胞的數(shù)量顯著降低[57-59]。
熱應(yīng)激通過(guò)增加綿羊體內(nèi)皮質(zhì)醇水平而損害細(xì)胞免疫反應(yīng),皮質(zhì)醇與DNA結(jié)合,抑制參與T細(xì)胞活化和細(xì)胞因子產(chǎn)生的基因表達(dá)[60-61]。當(dāng)動(dòng)物受到應(yīng)激時(shí),糖皮質(zhì)激素可以抑制T細(xì)胞前體細(xì)胞在胸腺成熟和誘導(dǎo)淋巴細(xì)胞凋亡的途徑,使血液中淋巴細(xì)胞的數(shù)量降低[62]。輔助性T細(xì)胞(helper T cells,Th細(xì)胞)是T細(xì)胞的一種,是特異性免疫的重要參與者。熱應(yīng)激期間奶牛淋巴細(xì)胞功能受損可能與細(xì)胞免疫降低有關(guān),這會(huì)影響Th-1細(xì)胞和Th-2細(xì)胞平衡,有利于Th-2細(xì)胞因子的分泌,最終影響淋巴細(xì)胞增殖[63]。糖皮質(zhì)激素可以優(yōu)先抑制Th-1細(xì)胞和Th-17細(xì)胞的反應(yīng),同時(shí)保留甚至促進(jìn)Th-2細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的功能[46]。體外研究表明,熱應(yīng)激會(huì)對(duì)有絲分裂原刀豆球蛋白A(concanavalin A,Con A)刺激的奶牛外周血單核細(xì)胞產(chǎn)生影響,對(duì)淋巴細(xì)胞的增殖具有抑制作用[59]。Xing等[64]提出,糖皮質(zhì)激素可以誘導(dǎo)活化T細(xì)胞中的程序性死亡細(xì)胞-1(programmed cell death-1,PD-1)表達(dá),并抑制T細(xì)胞受體(T cell receptor,TCR)介導(dǎo)的T細(xì)胞增殖和IL-2、IFN-γ和TNF-α等細(xì)胞因子產(chǎn)生。地塞米松可以抑制細(xì)胞因子的分泌并誘導(dǎo)其凋亡,從而影響T細(xì)胞活性[65]。糖皮質(zhì)激素對(duì)于T細(xì)胞的免疫抑制包括其抑制T細(xì)胞增殖和細(xì)胞因子產(chǎn)生以及對(duì)細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo)[66]。
B細(xì)胞是來(lái)源于骨髓的多能干細(xì)胞,在抗原的刺激下可分化為記憶細(xì)胞和產(chǎn)生抗體(免疫球蛋白)的漿細(xì)胞來(lái)執(zhí)行機(jī)體的體液免疫,漿細(xì)胞分泌的免疫球蛋白可以分為5類:免疫球蛋白G(IgG)、免疫球蛋白M(IgM)、免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白E(IgE)、免疫球蛋白D(IgD),通常檢測(cè)IgG、IgM、IgA含量來(lái)判斷機(jī)動(dòng)物的體液免疫功能。Godden[67]研究發(fā)現(xiàn),奶牛在妊娠后期遭受熱應(yīng)激會(huì)降低初乳質(zhì)量,IgG、IgA含量顯著降低,總蛋白、酪蛋白、乳清蛋白、乳脂肪和乳糖含量減少。干奶期遭受熱應(yīng)激的經(jīng)產(chǎn)荷斯坦奶牛,在產(chǎn)犢后90 d內(nèi)的產(chǎn)奶量以及乳中IgG含量顯著降低[68]。遭受熱應(yīng)激的犢牛血清中IgG含量也低于涼爽環(huán)境中的犢牛[19]。遭受熱應(yīng)激的母牛在在妊娠后期血液中IgG含量升高,非熱應(yīng)激組的小母牛由于血液中的抗體轉(zhuǎn)移到初乳中,IgG含量降低,這可能表明熱應(yīng)激對(duì)奶牛母體免疫球蛋白向初乳的轉(zhuǎn)移有負(fù)面影響[69]。處于熱應(yīng)激狀態(tài)的奶牛體內(nèi)皮質(zhì)酮水平升高,誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的溶解反應(yīng),使得奶牛體內(nèi)免疫球蛋白合成量降低,最終導(dǎo)致免疫功能下降[10]。
GRs存在于從動(dòng)物骨髓和脾臟分離出來(lái)的B細(xì)胞群體中,單日多次注射氫化可的松可以調(diào)節(jié)B細(xì)胞的產(chǎn)生[70],且單日多次注射地塞米松可以調(diào)節(jié)骨髓中的未成熟B細(xì)胞數(shù)量,但不會(huì)影響體內(nèi)成熟B細(xì)胞的數(shù)量[71]。動(dòng)物應(yīng)激相關(guān)的B細(xì)胞減少是由于高水平的糖皮質(zhì)激素導(dǎo)致前體B細(xì)胞從骨髓中產(chǎn)生時(shí)發(fā)生凋亡[72],糖皮質(zhì)激素可以調(diào)節(jié)成熟B細(xì)胞在血液和骨髓之間的每日交換,且血液中B細(xì)胞數(shù)量與糖皮質(zhì)激素水平呈負(fù)相關(guān)[73]。此外,糖皮質(zhì)激素可在體內(nèi)和體外增強(qiáng)B細(xì)胞中IgE的產(chǎn)生,而無(wú)需抗原挑戰(zhàn),在B細(xì)胞中具有選擇性免疫刺激作用[74]。目前,糖皮質(zhì)激素對(duì)B細(xì)胞功能影響的研究較少,多數(shù)集中于糖皮質(zhì)激素對(duì)動(dòng)物遭受應(yīng)激反應(yīng)后體內(nèi)球蛋白的影響,而遭受熱應(yīng)激的奶牛體液免疫功能的變化與糖皮質(zhì)激素水平升高的相關(guān)機(jī)制值得進(jìn)一步研究。
糖皮質(zhì)激素通過(guò)與不同受體結(jié)合影響奶牛的非特異性免疫和特異性免疫,在維持奶牛免疫功能中發(fā)揮重要作用。奶牛遭受不同程度的熱應(yīng)激可造成體內(nèi)糖皮質(zhì)激素水平改變,短期熱應(yīng)激奶牛體內(nèi)糖皮質(zhì)激素水平升高對(duì)奶牛產(chǎn)生免疫刺激作用,長(zhǎng)期熱應(yīng)激奶牛免疫系統(tǒng)被遭受破壞,體內(nèi)糖皮質(zhì)激素水平下降可引發(fā)免疫抑制作用。因此,體內(nèi)糖皮質(zhì)激素有可能作為奶牛熱應(yīng)激狀態(tài)的生物學(xué)標(biāo)志物,有待進(jìn)一步驗(yàn)證。未來(lái)通過(guò)體內(nèi)外試驗(yàn)探究糖皮質(zhì)激素與免疫系統(tǒng)的相互作用,可為營(yíng)養(yǎng)調(diào)控改善熱應(yīng)激對(duì)奶牛免疫功能提供新思路。
動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)2023年9期