Miễn dịch học ở bò: Ý nghĩa đối với bò sữa

Giới thiệu

Tỷ lệ tử vong ở bê sơ sinh và thai nhi sớm là một trong những nguyên nhân chính làm tăng chi phí sản xuất. Ngoài ra, trong giai đoạn chuyển tiếp (khoảng 3 tuần trước và khoảng 3 tuần sau khi đẻ), bò sữa bị rối loạn miễn dịch và chuyển hóa, khiến chúng rất dễ mắc các bệnh truyền nhiễm và không truyền nhiễm. Mặc dù vắc-xin và hợp chất kháng khuẩn được cung cấp rộng rãi, một số bệnh truyền nhiễm vẫn tiếp tục gây ra tình trạng bệnh tật, tử vong và thiệt hại kinh tế đáng kể cho ngành chăn nuôi gia súc. Để duy trì sức khỏe tối ưu cho đàn gia súc, điều quan trọng là phải hiểu các cơ chế miễn dịch chống nhiễm trùng tự nhiên và cách sử dụng vắc-xin, an toàn sinh học, dinh dưỡng, chăn nuôi và các biện pháp quản lý bê con để duy trì và tăng cường khả năng bảo vệ miễn dịch. Sự ra đời của các công nghệ giải trình tự thông lượng cao mới và việc công bố bộ gen bò hoàn chỉnh (năm 2009) đã thúc đẩy nghiên cứu giúp nâng cao đáng kể kiến ​​thức của chúng ta về phản ứng miễn dịch ở gia súc. Mặc dù kiến ​​thức mới này đang được sử dụng tích cực để nhân giống và lựa chọn gia súc có các đặc điểm về hiệu suất và sức khỏe mong muốn, nhưng vẫn chưa có phương pháp cải thiện khả năng kháng bệnh truyền nhiễm về mặt di truyền ( 1 ).

Nhiễm trùng Mycobacterium và tuyến vú (viêm vú) là hai mối đe dọa chính ảnh hưởng đến sản xuất gia súc toàn cầu và gây thiệt hại hàng năm lên tới 35 tỷ đô la trên toàn cầu ( 2 , 3 ). Nhiễm trùng đường hô hấp thường liên quan đến nhiều tác nhân gây bệnh và do đó được gọi là phức hợp bệnh đường hô hấp ở bò (BRD) ( 4 ). Chúng là nguồn chính gây ra thiệt hại kinh tế đáng kể cho ngành công nghiệp thịt bò và sữa ở Bắc Mỹ. Một số vi khuẩn và vi-rút được biết là có liên quan đến BRD kết hợp với các yếu tố gây căng thẳng khác bao gồm nóng, lạnh, mệt mỏi, thiếu nước hoặc dinh dưỡng, chấn thương hoặc ô nhiễm bụi môi trường ( 4 , 5 ). Tương tự như vậy, một số tác nhân gây bệnh do vi-rút và vi khuẩn được biết là gây ra các bệnh đường ruột nghiêm trọng ở bê và gia súc trưởng thành. Các tác nhân gây bệnh chính liên quan đến bệnh tiêu chảy là vi-rút corona ở bò, vi-rút rota ở bò, vi-rút tiêu chảy do vi-rút ở bò, salmonella spp. (nhiều huyết thanh Dublin, Heidelberg và Newport), Escherichia coli K99, cryptosporidia và Clostridium perfringens ( 6 – 8 ). Với phần lớn vắc-xin chống lại các tác nhân gây bệnh đường ruột có hiệu quả thấp hoặc không có khả năng bảo vệ rộng rãi, mối đe dọa của tình trạng kháng thuốc kháng sinh (AMR) và việc giảm sử dụng thuốc kháng sinh cũng như bản chất thường gặp của bệnh tiêu chảy, việc duy trì đàn vật nuôi khỏe mạnh có thể trở thành một thách thức.

Các tác nhân gây bệnh khác có ý nghĩa quan trọng đối với ngành chăn nuôi gia súc bao gồm vi-rút gây bệnh lở mồm long móng (FMDV) - một trong những loại vi-rút dễ lây lan và lan rộng nhất được biết đến có thể lây nhiễm cho nhiều loài bao gồm cả con người ( 9 ); vi-rút gây bệnh bạch cầu ở bò (BLV), bệnh paratuberculosis, bệnh cryptosporidiosis, bệnh leptospirosis và bệnh brucella ( 10 - 12 ). Bên cạnh việc tác động đến sản xuất gia súc, một số lượng lớn các tác nhân gây bệnh do vi khuẩn (bệnh leptospirosis, bệnh brucella) và một số tác nhân gây bệnh do vi-rút (BCoV, BRV) có liên quan đến các bệnh truyền nhiễm từ động vật sang người có thể gây ra nhiều loại bệnh khác nhau và đôi khi rất nghiêm trọng ở người ( 13 ).

Do đó, việc duy trì sức khỏe của gia súc là vô cùng quan trọng đối với an ninh lương thực quốc gia và toàn cầu cũng như phúc lợi của con người. Bò sữa và bê con chịu ảnh hưởng đáng kể nhất bởi nhu cầu của ngành công nghiệp, theo đó bò con bị tách khỏi bò mẹ ngay sau khi sinh và bò cái được phối giống thường xuyên nhất có thể để tăng sản lượng sữa. Những hoạt động như vậy dẫn đến căng thẳng sinh lý và chức năng miễn dịch dưới mức tối ưu ở bò cái và khả năng dễ bị tổn thương cao ở bê con. Do đó, cần có sự hiểu biết sâu sắc và toàn diện về chức năng miễn dịch của những loài vật nuôi quan trọng này trong bối cảnh các hoạt động quản lý đàn hiện tại.

Miễn dịch bẩm sinh

Ở gia súc, giống như ở nhiều loài động vật khác, tuyến phòng thủ đầu tiên được thể hiện bằng các rào cản và cơ chế vật lý bao gồm da và niêm mạc, cũng như loại bỏ các vi sinh vật xâm nhập bằng cách ho, hắt hơi, nôn mửa và tiêu chảy. Bên cạnh việc hình thành các rào cản cơ học của đường hô hấp, đường tiêu hóa và đường tiết niệu, các tế bào biểu mô tiết ra một số yếu tố kháng khuẩn, bao gồm các peptide kháng khuẩn và defensin, do đó đóng vai trò quan trọng trong phản ứng miễn dịch bẩm sinh. Các thành phần tế bào quan trọng khác đã biết của hệ thống miễn dịch bẩm sinh ở gia súc bao gồm bạch cầu trung tính; tế bào giết tự nhiên, NK; tế bào dạng sợi, DC; tế bào T gamma delta (γδT); tế bào T bất biến liên quan đến niêm mạc (MAIT); đại thực bào, Mϕ và bạch cầu hạt. Trong khi phần lớn thông tin về sự phát triển và chức năng của chúng đến từ các nghiên cứu trên người và chuột, thì dữ liệu có sẵn cho gia súc lại có nguồn gốc từ các nghiên cứu về bệnh viêm vú, bệnh lao, BVDV, FMDV, BHV-1 và BRSV ( 9 , 14 – 16 ). Chỉ có ở gia súc, bê sơ sinh có số lượng tế bào γδT lưu hành cao bất thường (lên đến 60% nhóm tế bào lympho) và tế bào γδT của động vật nhai lại biểu hiện kháng nguyên WC-1 có chức năng chưa rõ [có thể hoạt động như nhận dạng mẫu vi khuẩn/bệnh nguyên (PPR)] ( 14 ). Đây có thể là phản ứng bù trừ giúp cân bằng sự chưa trưởng thành của chức năng bạch cầu trung tính, đại thực bào và DC ở bê sơ sinh ( 17 ). Ngoại trừ tế bào NK, sự hiện diện của tế bào lympho bẩm sinh (ILC) - một phân nhóm quan trọng khác của tế bào miễn dịch bẩm sinh - cho đến nay vẫn chưa được xác nhận ở gia súc ( 9 ).

Các phân nhóm tế bào miễn dịch đa dạng này được trang bị các phân tử PPR tương tác với các kiểu phân tử liên quan đến mầm bệnh (PAMP) trong giai đoạn đầu của phản ứng miễn dịch ( 14 ). Các đặc điểm đặc trưng nhất trong số các PPR là các thụ thể giống toll (TLR). Mười TLR có ái lực PAMP đa dạng và đôi khi chồng chéo đã được xác nhận ở gia súc ( 18 ). TLR1 nhận biết triacyl lipopeptide của vi khuẩn lao; TLR2 - peptidoglycan của vi khuẩn gram dương và lipoarbinomannan của vi khuẩn lao và zymosan của nấm; TLR3 - dsRNA; TLR4 - lipopolysaccharide, LPS; TLR5 - flagellin; TLR6 - diacyl-lipopeptide của mycoplasma; TLR7 và 8 - RNA sợi đơn (ssRNA); TLR9 - CpG; trong khi chức năng và ái lực của TLR10 vẫn chưa được đánh giá đầy đủ ( 18 ). Trước khi liên kết với TLR4, LPS, một thành phần vi khuẩn của H. somni , M. haemolytica và P. multocida , tương tác với protein liên kết LPS, CD14 hòa tan và đồng yếu tố TLR4 MD2. TLR4 cũng nhận biết và liên kết với protein F của RSV. Ngoài TLR3,7-9, BHV-1, PIV-3, BRSV và BVDV có thể nhận biết và tương tác với các thụ thể nhận dạng tác nhân gây bệnh do vi-rút trong tế bào chất, gen-I do axit retinoic gây ra (RIG-I) và gen-5 liên quan đến biệt hóa u hắc tố (MDA-5). Những tương tác này dẫn đến hoạt hóa độc lập với TLR của NF-kappa B và IRF-3 và -7 thông qua bộ điều hợp tín hiệu kháng vi-rút ty thể (MAVS), chất kích thích khởi động interferon-beta (IPS-1), bộ điều hợp tín hiệu gây ra vi-rút và Cardif ( 14 ).

Khi kích hoạt các tế bào hiệu ứng tại chỗ (tế bào nội mô, tế bào biểu mô, Mϕ và DC) của hệ thống miễn dịch bẩm sinh bằng các cytokine gây viêm [IL1, yếu tố hoại tử khối u alpha (TNFα) và IL6], chúng sản xuất một số cytokine và chemokine thu hút sự di chuyển của bạch cầu trung tính và bạch cầu đơn nhân vào vùng bị ảnh hưởng. Đến lượt mình, chúng báo hiệu để tuyển dụng đến các DC và tế bào NK, T và B. Ngược lại, IL4, IL10 và IL17 tích cực thúc đẩy quá trình giải quyết chuỗi phản ứng viêm ( 19 ).

Tế bào mast ở bò – một nhóm tế bào không đồng nhất trong niêm mạc, da, tuyến vú và các cơ quan khác đóng vai trò quan trọng trong phản ứng dị ứng và viêm bằng cách tiết ra các chất hoạt tính sinh học bao gồm histamine, leukotriene, yếu tố hoạt hóa tiểu cầu (PAF) và prostaglandin ( 20 – 22 ). Trong khi tính không đồng nhất về mặt miễn dịch mô học và chức năng của tế bào mast ở bò chưa được mô tả rõ ràng, người ta biết rằng sự phân bố và tần suất của chúng thay đổi tùy theo vị trí giải phẫu, theo độ tuổi và sức khỏe của động vật. Đánh giá chức năng của tế bào mast liên quan đến sản xuất chymase và tryptase đã xác nhận thêm sự phân chia khoang giải phẫu của chúng ( 20 ).

Các chemokin gây viêm bao gồm IL8 (CXCL8), GCP-2 (CXCL6), ENA-78 (CXCL5), Gro (CXCL1-3), IP-10 (CXCL10), I-Tac (CXCL11), RANTES (CCL5), MIP-alpha (CCL3) và -beta (CCL4), MCP 1-5 (CCL7, 8, 12, 13) và eotaxin 1-3 (CCL24, 26) tùy thuộc vào kích thích với các thụ thể bao gồm CXCR1, 2 và 3 và CCR1, 2, 3 và 5. Các tế bào lympho có mô niêm mạc sử dụng một bộ chemokine khác (ví dụ, các tế bào ngây thơ biểu hiện CCR1-10, CSCR1-3 và các tế bào nhớ biểu hiện CCR8-10, CSCR1, 2, 4 và 5). Chemerin hoạt động như một yếu tố hướng động cho DC và đại thực bào.

Oxylipid là một lớp quan trọng khác của các phân tử miễn dịch có nguồn gốc từ lipid tế bào, điều chỉnh sự khởi phát, cường độ, thời gian và sự giải quyết của phản ứng viêm. Oxylipid được tổng hợp từ các axit béo không bão hòa đa [axit n-6 (omega-6) linoleic và arachidonic hoặc axit n-3 eicosapentaenoic và docosahexaenoic] ( 23 ). Các chất nền axit béo này được oxy hóa không bằng enzym bởi các loài oxy phản ứng (ROS) hoặc bằng enzym bởi các cyclooxygenase, lipoxygenase và cytochrome P450 khác nhau tạo ra nhiều loại oxylipid bao gồm prostaglandin, thromboxane, leukotriene và lipoxin ( 24 ).

Ab tự nhiên (NAb) là thành phần dịch thể quan trọng của miễn dịch bẩm sinh. Chúng chủ yếu là Ab IgM (và một số IgG và IgA) được sản xuất mà không có sự kích thích kháng nguyên của tế bào B1-B và đóng vai trò thiết yếu trong phản ứng miễn dịch nguyên phát ( 25 ). Tỷ lệ cao các NAb liên kết với PAMP với ái lực tương đối thấp. Hoạt hóa bổ thể theo con đường cổ điển là một trong những chức năng quan trọng nhất của NAb.

Bổ thể là một cơ chế quan trọng khác của hệ thống phòng thủ miễn dịch bẩm sinh. Nó bao gồm một nhóm protein (C1-C9) có trong huyết thanh ở dạng không hoạt động được kích hoạt bởi phức hợp kháng nguyên-Ab (con đường cổ điển) hoặc bởi một số carbohydrate (con đường lectin) hoặc bởi nhiều bề mặt không được bảo vệ bởi chất ức chế tự nhiên (con đường thay thế). Con đường cổ điển được bắt đầu bằng sự hoạt hóa của C1 và con đường thay thế bởi C3, theo thứ tự chuỗi enzyme ( 26 ). Việc phủ các tế bào bị nhiễm vi khuẩn hoặc vi-rút bằng các mảnh của các thành phần C3 và C4 dẫn đến việc chúng bị các tế bào thực bào có thụ thể cho các opsonin này nuốt vào ( 27 ). Ngoài tác dụng kháng khuẩn trực tiếp, bổ thể duy trì Ig ở dạng hòa tan bằng cách hạn chế sự hình thành các phức hợp miễn dịch có hại và sự kết tủa Ig.

Do đó, mặc dù có nhiều điểm tương đồng với các loài khác, hệ thống miễn dịch bẩm sinh của bò sở hữu một số đặc điểm độc đáo, cùng với cấu tạo giải phẫu riêng biệt của động vật nhai lại, có thể góp phần tạo nên sức đề kháng (dạ cỏ) hoặc tăng khả năng mắc các bệnh do vi khuẩn và chuyển hóa.

Phản ứng miễn dịch thích ứng

Tế bào plasma ở bò sản xuất ít nhất năm lớp chuỗi nặng (IgM, IgG, IgA, IgD và IgE), với ba phân lớp IgG (IgG1, IgG2 và IgG3), hai phân lớp IgM (IgM1 và IgM2) và hai loại chuỗi nhẹ (λ và κ) ( 28 ). Trong khi chức năng của các phân tử IgM, IgA, IgG1 và IgG2 đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, thì chức năng của IgG3 và IgD vẫn chưa được đánh giá sâu do chúng được phát hiện muộn hơn. Không giống như nhiều loài động vật khác, gia súc chỉ biểu hiện một số lượng hạn chế các đoạn gen Ig biến đổi và người ta cho rằng sự đa dạng của Ig đạt được thông qua sự tái tổ hợp thường xuyên và các đột biến nội sinh trong vùng CDR3 ( 29 ). Ngoài ra, một CDR3 dài bất thường dẫn đến "các nếp gấp nhỏ" cho phép Ig ở bò liên kết với các kháng nguyên mà nếu không thì sẽ không thể tiếp cận được ( 30 ). Chức năng của immunoglobulin bao gồm kháng thể trung hòa (Ab, hoạt hóa bổ thể, thực bào qua trung gian thụ thể Fc và độc tính tế bào phụ thuộc Ab. Có sự khác biệt giữa các giống gia súc khác nhau liên quan đến số lượng immunoglobulin ( 31 ). IgG1 và IgG2 rất quan trọng, trong đó IgG1 có nhiều nhất trong sữa non của bò. IgG rất quan trọng đối với quá trình trung hòa vi-rút và độc tố, cũng như quá trình kết dính và opsonin hóa vi khuẩn. Ở gia súc, IgG1 được biết là một opsonin ít mạnh hơn IgG2 ( 32 ). IgM là một phân tử năm phân tử quan trọng đối với quá trình kết dính vi khuẩn, cố định bổ thể và opsonin hóa và bị hạn chế hơn ở các không gian nội mạch do kích thước của nó. IgA chiếm ưu thế trong nhiều chất tiết, nhưng có số lượng nhỏ trong huyết thanh bò ( 31 ). Nó quan trọng đối với khả năng phòng vệ chống vi-rút ở đường hô hấp trên và đường tiêu hóa.

Mặc dù các phương pháp phân tích thành phần vô tính của tế bào T đã được sử dụng rộng rãi để hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng của tế bào T ở người và chuột, nhưng kiến ​​thức này lại hạn chế hơn đối với tế bào T ở bò ( 33 ). Tính đặc hiệu kháng nguyên của tế bào T CD4+ và CD8+ được xác định bởi thụ thể tế bào T αβ, liên kết với các peptide liên kết với các phân tử MHC lớp II và lớp I tương ứng ( 34 ). Hầu hết các tế bào lympho T CD4+ có chức năng thúc đẩy miễn dịch qua trung gian tế bào và sản xuất Ab, trong khi một số tế bào lympho Th CD4+ có khả năng phân hủy các tế bào đích nhạy cảm thích hợp. Hầu hết các tế bào lympho T CD8+ hoạt động như các tế bào hiệu ứng của quá trình phân hủy tế bào đích trực tiếp và được gọi là tế bào lympho T gây độc tế bào cổ điển (CTL), nhưng một số có thể hoạt động như các tế bào ức chế không phân hủy ( 35 , 36 ). Các phân nhóm tế bào T α/β chính được tìm thấy ở các loài khác cũng được xác định ở gia súc. Chúng bao gồm: tế bào T sát thủ (CD8+), tế bào T hỗ trợ (CD4+, Th1, Th2 và Th17) và tế bào T điều hòa (CD4+/CD8+CD25+), và chức năng của chúng đã được nghiên cứu liên quan đến một số bệnh nhiễm trùng và phản ứng miễn dịch sau tiêm vắc-xin ( 37 , 38 ). Dữ liệu trước đó cho thấy rằng sự điều hòa do cytokine trung gian của phản ứng tế bào Th1/Th2 ở bò có thể phức tạp hơn và khác biệt hơn so với điều hòa được quan sát thấy ở chuột ( 39 ). Cụ thể, tế bào Th đặc hiệu ký sinh trùng ở bò sản xuất IL4 và IFNγ, trong khi biểu hiện IL2 và IL10 không chỉ giới hạn ở các tế bào sản xuất IFNγ hoặc IL4. Ngoài ra, IL4/IL10 và IL12 không chọn lọc tác dụng ức chế hoặc kích thích của chúng lên các tế bào giống Th1. Tuy nhiên, một số nghiên cứu đã chứng minh rằng sự phát triển và duy trì phản ứng Th1 IFNγ có thể liên quan đến khả năng kiểm soát tốt hơn một số bệnh nhiễm trùng ( M. bovis ) ( 40 ).

Bên cạnh vai trò quan trọng của chúng trong việc định hình phản ứng tế bào B, một số nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của phản ứng tế bào T ở bò góp phần loại bỏ nhiễm trùng (ví dụ Cryptosporidium parvum ) khi không có phản ứng dịch thể/Ig ( 41 ). Điều đáng chú ý là tế bào T CD4+, CD8+ và γδ được phát hiện ở bê khi có Ab của mẹ ngay cả khi không có phản ứng Ab hoạt động ( 38 ).

Do đó, phản ứng miễn dịch thích ứng của bò được thúc đẩy bởi sự kết hợp giữa các khía cạnh chung và riêng cần được xem xét khi xây dựng các chiến lược phòng ngừa và điều trị theo từng độ tuổi và đàn.

Hệ thống miễn dịch niêm mạc

Niêm mạc bao gồm 4 thành phần chính riêng biệt: (1) hệ vi sinh vật; (2) lớp niêm mạc, (3) hàng rào biểu mô niêm mạc và (4) tế bào miễn dịch của mô lymphoid liên quan đến niêm mạc [MALT; lớp niêm mạc (LP), mảng Peyer (PP) trong ruột và tế bào lympho niêm mạc khuếch tán] ( 42 , 43 ). Hệ vi sinh vật rất quan trọng đối với sự phát triển miễn dịch của bê con cũng như khả năng phòng vệ miễn dịch và duy trì sức khỏe của gia súc ở mọi lứa tuổi ( 43 ). Mặc dù vai trò của dạ cỏ trong khả năng miễn dịch của niêm mạc vẫn chưa được làm rõ, nhưng người ta đã xác định rằng sự phong phú và đa dạng của vi khuẩn là cao nhất so với tất cả các phần ruột khác ( 42 , 44 ). Axit mật (BA) trong ruột non đại diện cho một cơ chế quan trọng khác của cơ chế phòng vệ ruột ( 45 ) và hệ vi sinh vật đường ruột đóng vai trò trong quá trình chuyển hóa của chúng. Axit mật vô hiệu hóa vi-rút có màng bao và một số vi khuẩn gây bệnh đường ruột; tuy nhiên, enterococci và Bacteroides spp. có thể phân hủy chúng, trong khi vi khuẩn cộng sinh chuyển hóa BA trong ruột kết ( 45 ). Hàng rào niêm mạc bao gồm chất nhầy và mucin (do tế bào Goblet tiết ra), peptide kháng khuẩn (AMP; defensin, REGIII, lactoferricin), cũng như IgG và IgA tiết (được vận chuyển từ LP). Các tế bào biểu mô (EC; tế bào ruột trong ruột và EC có lông mao trong phổi) lót đường tiêu hóa (GIT), sinh sản (RepT), tiết niệu (UT) và hô hấp (RespT) và biểu hiện các protein liên kết chặt tạo thành biểu mô niêm mạc (ME). Nếu các liên kết chặt bị phá vỡ, biểu mô sẽ bị rò rỉ dẫn đến viêm toàn thân. Tình trạng này được biết đến nhiều nhất là "ruột bị rò rỉ" nhưng có thể được quan sát thấy ở RepT và RespT. Bên cạnh việc cung cấp sự phân tách cơ học, các chức năng của ME bao gồm tiết và hấp thụ (trong ruột), phát triển thai nhi (trong tử cung), trao đổi oxy và thanh thải các chất lạ và mầm bệnh (trong RespT) và phản ứng miễn dịch bẩm sinh. EC ở bò biểu hiện toàn bộ các TLR ( 1 – 10 , 46 ). Dựa trên các kích thích trong lòng, EC có thể sản xuất ra các cytokine tiền viêm (IL1α, IL8 và TNFα) hoặc các cytokine điều hòa (IL10 và TGFβ) ( 42 , 47 ). Các thành phần vi khuẩn kích thích ME sản xuất ra amyloid A huyết thanh, kích thích DC kích hoạt các tế bào Treg niêm mạc quan trọng khác, tế bào Th17 sản xuất ra lượng lớn IL17A và IL và lượng vừa phải IL22 và IFNγ ( 48 , 49 ). Các chất sau rất quan trọng đối với việc bảo vệ và sửa chữa niêm mạc cũng như đối với việc sản xuất defensin (ví dụ, REGIIIγ và REGIIIβ) ( 42 ).

Trong khi thông tin liên quan đến các mô lymphoid liên quan đến dạ cỏ còn hạn chế, thì quần thể bạch cầu dịch dạ cỏ (bao gồm các tế bào đơn nhân, tế bào T và B) có khả năng đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa các thông số miễn dịch và sinh hóa ở gia súc ( 50 ). Vì vậy, biểu hiện gen CD45 trong dịch dạ cỏ (chỉ ra sự thâm nhiễm bạch cầu) có mối tương quan tiêu cực với độ pH dạ cỏ, trong khi tần suất tế bào B (cũng như số lượng tổng IgG và IgM) bị ảnh hưởng tiêu cực bởi độ pH dạ cỏ và nồng độ cao của các axit béo dễ bay hơi. Ngoài ra, các rối loạn sức khỏe dạ cỏ (ví dụ như nhiễm toan dạ cỏ bán cấp) đã được chứng minh là gây ra chứng loạn khuẩn dạ cỏ, phá vỡ hàng rào biểu mô và dẫn đến tình trạng viêm ( 51 ).

MALT có tổ chức – vị trí cảm ứng miễn dịch niêm mạc – phân bố rộng rãi trong niêm mạc khắp cơ thể, cho phép lấy mẫu kháng nguyên từ bề mặt niêm mạc. Nó bao gồm các mô lymphoid liên quan đến ruột (GALT), các mô lymphoid liên quan đến phế quản (BALT), các mô lymphoid liên quan đến mũi (vòm họng) (NALT) và các mô lymphoid trong RepT, UT, tuyến vú, tuyến lệ và tuyến nước bọt. Các tập hợp hoặc nang tế bào lympho này (còn được gọi là nang lymphoid [LF] hoặc PP trong ruột) của tế bào B, tế bào T và DC và các tế bào trình diện kháng nguyên (APC) của đại thực bào được bao phủ bởi các tế bào biểu mô chuyên biệt gọi là tế bào vòm hoặc tế bào M [có trong BALT, GALT và trong tử cung] ( 52 – 54 ). GALT là cơ quan lymphoid lớn nhất và là bề mặt cơ thể lớn nhất tiếp xúc với nhiều loại kháng nguyên thực phẩm và vi khuẩn. Các tế bào M (có trong MALT) pinocytose kháng nguyên và vận chuyển chúng qua ME, tại đây chúng được xử lý bởi APC và trình diện cho tế bào lympho T và B ( 54 , 55 ). Sau đó, các tế bào T trưởng thành và tế bào B được kích thích bởi kháng nguyên hoạt động cùng nhau để sản xuất IgA. Một số trong số chúng biểu hiện các phân tử đặc biệt trong màng của chúng (thụ thể hướng về) và rời khỏi mô lymphoid dưới niêm mạc và đi vào máu; chúng có thể thoát ra khỏi máu thông qua các tiểu tĩnh mạch nội mô cao và chuyển đến LP. Cuối cùng, sự kích thích tại chỗ này dẫn đến các tế bào T và B nhớ có thể di chuyển đến các mô niêm mạc gần và xa cùng các mô khác, được gọi là "hệ thống miễn dịch niêm mạc chung" ( 42 ). Một phần của "hệ thống miễn dịch niêm mạc chung" này - liên kết ruột-vú ở bò (hoặc trục ruột-vú) rất quan trọng đối với sự sống còn và sức khỏe của bê sơ sinh ( 45 ). Con đường ruột-vú nội sinh này không chỉ cho phép tế bào lympho di chuyển đến tuyến vú mà còn vận chuyển một số thành phần vi khuẩn trong thời kỳ cho con bú ở bò ( 56 ).

Hiểu rõ hơn về phản ứng miễn dịch niêm mạc và đánh giá có hệ thống về hiệu quả của vắc-xin ở bò dựa trên đường tiêm chủng sẽ giúp xác định các tác nhân gây bệnh có thể được loại bỏ hiệu quả hơn bằng vắc-xin niêm mạc so với vắc-xin đường tiêm.

Miễn dịch toàn thân

Trong khi phản ứng miễn dịch niêm mạc quan trọng hơn đối với việc thanh thải hầu hết các tác nhân gây bệnh (đặc biệt là đường ruột và đường hô hấp), đối với một số tác nhân do vi-rút và vi khuẩn liên quan đến nhiễm trùng hệ thống, mãn tính hoặc nhiễm trùng cơ quan lymphoid, khả năng miễn dịch bảo vệ và thanh thải tác nhân gây bệnh là không thể đạt được nếu không có phản ứng miễn dịch hệ thống mạnh mẽ. Các tác nhân gây bệnh này bao gồm (nhưng không giới hạn ở): Staphylococcus aureus , FMDV, BRSV, Haemophilus somnus và Mycoplasma bovis ( 57 – 60 ). Các nghiên cứu về phản ứng miễn dịch đối với các tác nhân gây bệnh này đã xác định được một số điểm chung cũng như các phản ứng hệ thống riêng biệt. Phản ứng IgG1 và IgG2 Ab chiếm ưu thế trong huyết thanh (ngược lại với IgA trong nhiều dịch tiết niêm mạc khác nhau), cũng như phản ứng tế bào T CD4+ và CD8+ và IFN loại I mạnh và cân bằng trong các cơ quan miễn dịch hệ thống và máu, có liên quan đến khả năng bảo vệ được cải thiện. Một tác nhân gây bệnh khác phổ biến ở gia súc, Leptospira interrogans (L. interrogans) xâm nhập vào vật chủ qua da hoặc niêm mạc bị trầy xước và sau đó được phát tán vào máu, có khả năng dẫn đến nhiễm trùng thận ( 61 ). Khi bệnh khởi phát, các triệu chứng không đặc hiệu dẫn đến việc bệnh không được chẩn đoán đầy đủ và kiểm soát kém bằng vắc-xin. Việc tiêm mồi trong phúc mạc bằng chất chủ vận TLR2/NOD2 đã được chứng minh là có thể tạo ra phản ứng miễn dịch bẩm sinh toàn thân bảo vệ kéo dài, đặc trưng bởi sự gia tăng sản xuất cytokine tiền viêm, chemokine và oxit nitric bởi các đại thực bào, không phụ thuộc vào sự hiện diện của tế bào B và T ( 62 ).

Trong khi hầu hết dữ liệu gần đây cho thấy tầm quan trọng của phản ứng miễn dịch toàn thân trong một số bệnh nhiễm trùng, thì cũng rõ ràng là phản ứng miễn dịch đặc hiệu mô có thể đóng vai trò quan trọng đối với từng tác nhân gây bệnh, điều này cần được đánh giá thêm.

Các tác nhân gây bệnh liên quan đến bệnh lý miễn dịch

Một số tác nhân gây bệnh quan trọng ở bò đã phát triển các cơ chế cho phép chúng phá hoại hệ thống miễn dịch và thiết lập các bệnh nhiễm trùng dai dẳng. Các cơ chế này rất đa dạng và chưa được hiểu đầy đủ khiến việc sử dụng vắc-xin cổ điển và các phương pháp tiếp cận khác để kiểm soát các tác nhân gây bệnh này trở nên khó khăn và đôi khi là không thể. Dưới đây, chúng tôi sẽ tóm tắt các chiến lược được một số tác nhân gây bệnh này sử dụng để ngăn chặn phản ứng miễn dịch của vật chủ, cũng như các cơ chế mà chúng sử dụng để tự sửa đổi hoặc vị trí của chúng trong vật chủ để ngăn chặn sự nhận diện của hệ thống miễn dịch của vật chủ.

BVDV đã phát triển các cơ chế độc đáo để thiết lập tình trạng nhiễm trùng dai dẳng được đặc trưng bởi khả năng dung nạp miễn dịch của biến thể không gây bệnh tế bào (ncp) ( 63 ). Do tác dụng ức chế miễn dịch đối với cả hệ thống miễn dịch bẩm sinh và thích nghi, BVDV hoạt động như một yếu tố tiền thân chính cho BRD. Điều thú vị là ncpBVDV ức chế sản xuất IFN loại I và các cytokine tiền viêm trong đại thực bào phế nang ở bò trong khi đối tác gây bệnh tế bào của nó kích hoạt phản ứng này. Sự ức chế này dẫn đến giảm hoạt động thực bào. Ngoài ra, các tế bào bị nhiễm ncpBVDV cũng kháng lại sự cảm ứng interferon của dsRNA, một chất cảm ứng mạnh của IFN loại I. Hơn nữa, nhiễm trùng trong ống nghiệm của đại thực bào có nguồn gốc từ tế bào đơn nhân bằng cả tế bào gây bệnh và ncpBVDV ức chế khả năng đáp ứng với các phối tử TLR2, TLR3, TLR4 nhưng không phải TLR7 ( 64 ). Vì sản xuất IFNα rất quan trọng đối với việc khởi đầu phản ứng miễn dịch thích ứng, nên việc bất hoạt nó bởi ncpBVBDV có thể đại diện cho cơ chế chính ảnh hưởng đến cả miễn dịch bẩm sinh và thích ứng. Tương tự như các phát hiện trong ống nghiệm , nhiễm BVDV trong cơ thể sống cũng điều chỉnh khả năng của các tế bào đơn nhân và đại thực bào để phản ứng thông qua TLR4 ( 65 ).

Một ví dụ khác về phản ứng miễn dịch bệnh lý liên quan đến tác nhân gây bệnh do virus ở bò là virus gây bệnh bạch cầu ở bò (BLV). Bệnh này đặc trưng bởi số lượng tế bào Treg CD4+CD25+Foxp3+ tăng lên, sản xuất ra mức TGFβ cao hơn, dẫn đến giảm sản xuất IFNγ và TNFα bởi tế bào T CD4+ và suy giảm chức năng tế bào NK ( 12 , 66 ). Những suy giảm miễn dịch này dẫn đến tăng nguy cơ mắc các bệnh nhiễm trùng cơ hội. Ngoài ra, sản xuất cytokine kháng vi-rút (bao gồm IFNγ, IL2 và IL12) bởi tế bào lympho và khả năng tăng sinh của chúng để đáp ứng với BLV cũng giảm đáng kể ở gia súc mắc bệnh lymphocytosis dai dẳng ( 67 ). Ngược lại, người ta đã chứng minh rằng phản ứng Th1 bảo vệ chống lại Mycobacterium avium giảm dần sau đó trong quá trình nhiễm trùng, trong khi phản ứng Th2 không bảo vệ trở nên nổi bật. Dữ liệu gần đây đã chứng minh rằng tình trạng không đáp ứng của tế bào T, chứ không phải hoạt động của Treg, đang thúc đẩy sự thay đổi miễn dịch từ Th1 sang Th2 này ( 68 ).

Các nghiên cứu gần đây đã cải thiện hiểu biết của chúng ta về sự kiệt sức và rối loạn chức năng của tế bào T đặc hiệu kháng nguyên trong các bệnh truyền nhiễm mãn tính ở gia súc. Họ chứng minh rằng việc điều hòa tăng biểu hiện bề mặt của các thụ thể ức chế miễn dịch, chẳng hạn như chết theo chương trình 1 (PD-1), gen hoạt hóa tế bào lympho 3 (LAG-3), immunoglobulin tế bào T và protein chứa miền mucin 3 (Tim-3) và kháng nguyên tế bào lympho T gây độc tế bào 4 (CTLA-4) của tế bào T ở bò đóng vai trò quan trọng trong sự kiệt sức miễn dịch và tiến triển của bệnh trong trường hợp nhiễm BLV, bệnh Johne (do Mycobacterium avium gây ra ) và bệnh sốt rét ở bò ( 11 , 69 – 72 ).

Điều đáng quan tâm là trong khi một số động vật nhai lại bị nhiễm FMDV có thể loại bỏ vi-rút trong vòng 1-2 tuần, một số vẫn bị nhiễm dai dẳng tới 3 năm ( 73 ). Sự phân đôi này và cách FMDV trốn tránh phản ứng của tế bào T gây độc vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Do đó, cần có thêm các nghiên cứu để hiểu điều này và xác định cách thức tình trạng mang mầm bệnh và điều biến miễn dịch liên quan đến FMDV có thể ảnh hưởng đến khả năng mắc các mầm bệnh khác của gia súc.

Các tác nhân gây bệnh này có thể làm tổn hại thêm sức khỏe của gia súc, khiến chúng dễ bị nhiễm trùng thứ cấp do suy giảm miễn dịch. Các biện pháp an toàn sinh học nghiêm ngặt (bất cứ khi nào có thể) kết hợp với vắc-xin và can thiệp dinh dưỡng cần được thực hiện để giảm sự phổ biến của các tác nhân gây bệnh này.

Hệ thống miễn dịch và hệ vi sinh vật

Giống như hầu hết các loài động vật có vú khác, hệ vi sinh vật đường ruột ở bò bị chi phối bởi 5 ngành sau: Firmicutes (phổ biến nhất, 63,84%-81,90%), Bacteroidetes (8,36%-23,93%), Proteobacteria (3,72%-9,75%), Fusobacteria (0,76%-5,67%) và Actinobacteria (1,02%-2,35%) ( 74 ). Tương tự như những phát hiện từ các loài khác, sự đa dạng của hệ vi sinh vật đường ruột ở gia súc có liên quan đến chế độ ăn, độ tuổi, tình trạng bệnh tật và tốc độ tăng trưởng, và sự gia tăng số lượng Faecalibacterium spp. được cho là có thể thúc đẩy sức khỏe và tăng trưởng ( 74 ).

Sự phát triển và thiết lập hệ vi sinh vật đường ruột là một quá trình động có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố bên trong và bên ngoài. Các yếu tố bên trong (=liên quan đến vật chủ) bao gồm sự trưởng thành về mặt chức năng của ruột và hệ thống miễn dịch, tiết mật và danh mục các thụ thể niêm mạc vi khuẩn ( 75 , 76 ). Danh sách các yếu tố bên ngoài rộng hơn bao gồm mọi thứ trong môi trường bê con bao gồm tình trạng dinh dưỡng của bê con, thành phần vi khuẩn âm đạo, phân và sữa của bò, việc sử dụng kháng sinh, v.v. ( 43 ). Khi bê con lớn lên, thành phần vi khuẩn đường ruột phát triển nhanh chóng, đạt đến đỉnh điểm trong một cộng đồng "đỉnh cao" duy trì môi trường kỵ khí ( 77 ).

Dạ cỏ – một dạ dày trước kỵ khí và sinh metan – là nơi chứa một hệ vi sinh vật phong phú và phức tạp (~10 10 –10 11 tế bào/ml và hơn 200 loài) chịu trách nhiệm cho khả năng đáng chú ý của gia súc trong việc chuyển hóa khối lượng thực vật không tiêu hóa thành các chất dinh dưỡng thiết yếu ( 78 ). Vi khuẩn là vi khuẩn phong phú nhất trong dạ cỏ và thành phần của chúng được xác định bởi một số yếu tố bao gồm chế độ ăn, nhu cầu năng lượng và khả năng chống lại một số sản phẩm phụ chuyển hóa có độc đối với một số loài. Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng vi khuẩn dạ cỏ của động vật được cho ăn chế độ ăn nhiều thức ăn thô hoặc nhiều ngũ cốc chủ yếu bao gồm vi khuẩn Gram âm hoặc Gram dương (bao gồm cả Lactobacillus) , trong khi tỷ lệ ngô ủ chua tăng dẫn đến tăng Prevotella và giảm số lượng động vật nguyên sinh ( 79 , 80 ). Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng một thành phần vi khuẩn lớn vẫn chưa được nuôi cấy, trong khi những khác biệt cơ bản do chế độ ăn uống gây ra đã được ghi nhận trong hàm lượng glycoside hydrolase ( 81 ). Một nghiên cứu gần đây khác nhấn mạnh tầm quan trọng của hệ vi sinh vật dạ cỏ và cho rằng các giống bò sữa khác nhau có các đặc điểm chuyển hóa, miễn dịch và hiệu suất khác nhau ( 82 ).

Các cơ quan trung tâm (ví dụ, tủy xương và tuyến ức) và ngoại vi (ví dụ, hạch bạch huyết, lá lách và MALT) của hệ thống miễn dịch bê phát triển trong thời kỳ trước sinh và sau sinh, trong đó hệ vi khuẩn đường ruột của mẹ và bê đóng vai trò quan trọng trong cả hai thời kỳ ( 43 , 83 ). Trong 24-36 giờ đầu tiên của cuộc đời, tính thấm ruột bê giảm đáng kể do sự gia tăng biểu hiện của các protein liên kết chặt (TJ) (occludin, claudin, zonula occludens và các phân tử kết dính liên kết). Mặc dù cơ chế chính xác vẫn chưa được biết, nhưng sự tương tác giữa ME và một số vi khuẩn (ví dụ, Lactobacillus spp và Bifidobacterium spp) hoặc các chất chuyển hóa của vi khuẩn làm tăng biểu hiện TJ, thúc đẩy tính toàn vẹn của hàng rào ruột ( 84 ). Việc sản xuất chất nhầy - một hàng rào phòng thủ miễn dịch khác - được kích thích bởi sự hiện diện của vi khuẩn cộng sinh ( 85 ). Theo tóm tắt của Gomez và các đồng nghiệp, các bằng chứng khác tích lũy được trong nhiều mô hình động vật khác nhau chỉ ra rằng hệ vi khuẩn cộng sinh kích thích sự thay đổi tế bào ruột và hoạt động trao đổi chất, tăng cường sản xuất AMP bởi tế bào ruột và tế bào Paneth và sản xuất IgA tiết ( 43 ). Nồng độ IgA tiết thấp có liên quan đến sự phát triển của vi khuẩn dẫn đến viêm toàn thân và/hoặc tiêu chảy ( 86 ). Trong khi sự phát triển quá mức của Enterobacteriaceae spp có liên quan đến tiêu chảy ở bê ( 87 ), vai trò của tiết IgA trong tình trạng này vẫn chưa được biết rõ và cần được nghiên cứu thêm. Hơn nữa, biểu hiện của TLR2 và TLR6 bị giảm theo độ tuổi ở bê, điều này có liên quan đến sự gia tăng lượng chất tiêu hóa và tổng số vi khuẩn và vi khuẩn axit lactic liên quan đến mô ( 88 ). Biểu hiện của TLR trong ruột của bê cũng bị ảnh hưởng bởi vùng ruột, đến lượt nó có thể là do sự thay đổi theo vùng về mật độ cộng đồng vi khuẩn ( 88 ). Cũng có khả năng là việc xâm chiếm ruột bê bằng Lactobacillus spp và Bifidobacterium spp thúc đẩy phản ứng miễn dịch điều hòa (tăng tiết IL10) do đó tránh được phản ứng viêm trầm trọng hơn đối với hệ vi khuẩn cộng sinh ( 89). Mặc dù hiện nay có những nghiên cứu so sánh đánh giá phản ứng miễn dịch toàn thân ở bê không có mầm bệnh và bê thông thường, nhưng ngày càng có nhiều bằng chứng liên quan cho thấy những thay đổi liên quan đến hệ vi sinh vật trong chức năng miễn dịch được quan sát thấy ở ruột và toàn thân. Ví dụ, căng thẳng khi trộn lẫn, vận chuyển, cai sữa và những thay đổi đột ngột khác trong chế độ ăn cũng làm thay đổi thành phần vi khuẩn trong ruột, có thể dẫn đến tình trạng loạn khuẩn đường ruột. Tình trạng loạn khuẩn đường ruột và những thay đổi miễn dịch liên quan đến tình trạng này có thể khiến bê dễ mắc nhiều bệnh truyền nhiễm khác nhau, bao gồm bệnh Johne (bệnh lao) ( 90 ). Một ví dụ khác về điều hòa miễn dịch toàn thân do vi khuẩn đường ruột là từ một nghiên cứu trong đó điều trị bằng lysozyme, axit lactic và glycopeptide (phân lập từ Lactobacillus spp) làm giảm số lượng tế bào T hỗ trợ, nhưng không phải tế bào CD8+, số lượng tế bào CD25+, CD38+, cũng như tế bào CD69+ và CD95+ và tăng tần suất tế bào biểu hiện thụ thể IL2 trong máu bò. Những thay đổi đó có liên quan đến sự gia tăng đáng kể số lượng tế bào soma và giảm số lượng vi khuẩn gây bệnh trong sữa của những con bò được điều trị ( 91 ).

Những dữ liệu này cho thấy chứng loạn khuẩn đường ruột và các bệnh truyền nhiễm hoặc chuyển hóa liên quan ở bò sữa có thể là một thách thức đáng kể cần được giải quyết thông qua việc điều chỉnh dinh dưỡng hoặc điều trị bằng men vi sinh.

Hệ thống miễn dịch và dinh dưỡng

Xem thêm tại đây...