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[學(xué)術(shù)天地]禽流感、腸道菌群和免疫之間的關(guān)系

禽流感、腸道菌群和免疫之間的關(guān)系




AIV 的分類、形態(tài)和組成

AIV 屬于正粘病毒科,它們是單鏈八節(jié)負(fù)義 RNA ( -ssRNA ) 病毒,編碼至少十種病毒蛋白。該家族分為 A、B 和 C 型流感的三個主要屬和另外兩個未知屬,isisavirus和thogotovirus 。在其他流感病毒中,屬于甲型流感病毒屬的 AIV 傳播最為廣泛,其成員感染了禽類和哺乳動物物種。AIV 在形態(tài)上是可變的,這種可變性由基質(zhì)蛋白 M1 控制。

病毒是多形的,大致呈絲狀,長度為幾微米或球形,大小為 80 至 120 nm(圖 1)。任何形態(tài)形式的病毒粒子都被來自宿主細(xì)胞的脂質(zhì)包膜包裹著,具有球狀刺突或膜蛋白突起(圖 1)。盡管基因組大小很小,但 AIV 已經(jīng)進化出各種分子方法來表達來自單個基因片段的幾種病毒蛋白。

圖 1:(A) IAV 的病毒體結(jié)構(gòu)和 (B) 基因組組織

AIV 的八個 RNA 片段應(yīng)該編碼十種蛋白質(zhì)(Kang 等人,2021 年)。


甲型流感病毒根據(jù)其包膜蛋白、神經(jīng)氨酸酶 ( NA ) 和血凝素( HA )進一步根據(jù)毒株或亞型進行分類。


目前,已知 NA 和 HA 分別有 9 種 (N1-N9) 和 16 種 (H1-H16) 亞型 。HA 和 NA 都可以引發(fā)亞型特異性免疫反應(yīng),防止由相同亞型引起的感染,并部分防止由不同亞型引起的感染 。


AIV的腸嗜性

禽流感是一種世界范圍的人畜共患病,通常伴隨著家禽業(yè)的嚴(yán)重破壞以及流行病和大流行。眾所周知,低致病性禽流感(LPAI)的家禽腸嗜性高于高致病性禽流感(HPAI),而高致病性禽流感(HPAI)與呼吸道上皮細(xì)胞的聯(lián)系更密切。然而,由 HPAI H5N1 引起的感染對遷徙的大天鵝的腸道微生物群或糞便細(xì)菌群落的影響導(dǎo)致了 GIT微生物群的破壞結(jié)構(gòu)由乳酸桿菌和氣單胞菌等細(xì)菌屬的優(yōu)勢修飾介導(dǎo)。糞便微生物組的這種組成和特征變化可能是由于腸道相關(guān)感染加劇疾病傳播的有害影響。

此外,高致病性禽流感 2016 H5N8 病毒對野鴨腸道上皮細(xì)胞的附著程度與低致病性禽流感 H4N5 病毒相當(dāng)。2016 年 H5N8 可能獲得了與低致病性禽流感 LPAI 病毒平行的腸嗜性,而不會失去鵝/廣東譜系的舊高致病性禽流感 HPAI 病毒的嗜肺性。

2016 H5N8 的腸嗜性升高意味著該病毒在野生水禽宿主中存在較長時間(Caliendo 等人,2020 年)。

此外,H9N2 是對公共健康的重大威脅,因為它可能在以前沒有馴化過的哺乳動物細(xì)胞中繁殖,并在人類中繁殖 HPAI 病毒被證明具有來自禽 H9N2 病毒的內(nèi)源基因 。LPAI H9N2 亞型已達到人畜共患比例,導(dǎo)致火雞、雞、家鴨、鴕鳥和野雞感染。因此,為了提高禽類的生產(chǎn)力和健康,減少和控制 H9N2 爆發(fā)可以在減少哺乳動物接觸病毒方面具有關(guān)鍵優(yōu)勢。


在雞中,腸道和呼吸系統(tǒng)中的蛋白酶使 LPAI 和 HPAI 復(fù)制成為可能,而在鴨子中,它們的腸道是 LPAI 復(fù)制和脫落的主要器官,而呼吸道是 HPAI 復(fù)制和脫落的主要場所。


AIV 的發(fā)病機制

通過氣溶膠飛沫通過呼吸道感染或通過口糞途徑感染 GIT,AIV 在宿主細(xì)胞中引發(fā)感染和復(fù)制。HPAI 通過血流和淋巴管引起人和動物的全身性疾病,并可能攻擊神經(jīng)系統(tǒng)。從雞和其他雞類鳥類的血管內(nèi)皮、心臟、胰腺、大腦和腎上腺中分離出的 HPAI H5N1 病毒由于內(nèi)皮激活和破壞導(dǎo)致心血管損傷、白細(xì)胞激活伴隨全身細(xì)胞因子釋放、心肺衰竭和多器官損傷。

病理學(xué)和臨床發(fā)現(xiàn)因幾個決定因素而異,雞和火雞的 LPAI 感染通常伴有輕度呼吸窘迫和產(chǎn)蛋量減少。有時可以觀察到氣管炎、鼻竇炎、氣囊炎、腎炎、卵巢炎和輸卵管病變伴卵子腹膜炎。HPAI 感染的臨床癥狀可能在超急性疾病形式中不存在。還可能出現(xiàn)呼吸急促、咳嗽、打噴嚏、梳子和肉錘發(fā)紺、小腿出血、鼻孔出血、腹瀉、盤旋、抽搐和死亡。病理性病變可能包括心包積水、腸系膜和心包漿膜出血、肺水腫、氣管粘液、胃腺點狀出血、體腔漿液性滲出物、胰腺壞死和非化膿性腦損傷。


AIV、腸道微生物群和雞免疫反應(yīng)

AIV 成功侵入粘液層,主要針對呼吸道和腸道上皮細(xì)胞,導(dǎo)致受感染細(xì)胞的快速殺死。病毒 RNA 由先天免疫系統(tǒng)的不同模式識別受體 ( PRR ) 識別,導(dǎo)致產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子,例如 I 型干擾素 ( IFN )、趨化因子和類花生酸。如果先天免疫系統(tǒng)未能檢測到 AIV,導(dǎo)致感染,則適應(yīng)性免疫反應(yīng)會對抗感染。

至少三類 PRR 識別 AIV 的病原體相關(guān)分子模式 ( PAMP ),這些分子模式要么在病毒上發(fā)現(xiàn),要么在感染過程中產(chǎn)生。這些受體是視黃酸誘導(dǎo)基因 I ( RIG-I )、TLR 和核苷酸寡聚結(jié)構(gòu)域 ( NOD ) 樣受體 ( NLR ) 。在 TLR7 識別 ssRNA 的情況下,病毒復(fù)制是不必要的,因為該受體可以識別基因組 ssRNA,導(dǎo)致骨髓分化初級反應(yīng) 88 ( MyD88 ) 介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子核因子-κB ( NF-κB ) 或干擾素的激活調(diào)節(jié)因子 7; 這種激活導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子和 I 型 IFN 的表達 。此外,TLR7 促進 B 細(xì)胞介導(dǎo)的針對 AIV 感染的抗體反應(yīng)。目前,TLR8 在 AIV 感染中的意義尚不清楚。

流感感染會刺激巨噬細(xì)胞、呼吸道上皮細(xì)胞和肥大細(xì)胞中的 RIG-I。具有非功能性 RIG-I 變體的宿主表現(xiàn)出顯著弱的抗病毒反應(yīng),表明 RIG-I 是宿主對抗 AIV 感染的主要途徑之一。雞缺乏RIG-I受體;盡管如此,雞中的 MDA5 可以識別與 RIG-I 相同的配體。NLR 主要在胞質(zhì)溶膠中表達并與不同的 PAMP 反應(yīng),導(dǎo)致絲裂原活化蛋白激酶、NF-κB 和 MAVS-IRF3 依賴性途徑中的炎癥反應(yīng)。NLR 上響應(yīng)流感病毒 NLRX1 的含有 Pyrin 結(jié)構(gòu)域的蛋白 3 或 cryopyrin (NLRP3)、含有 NLR 家族 CARD 的蛋白 2 (NLRC2 或 NOD2) 是主要的 NLR。NLRP3 刺激 pro-IL-1β 和 pro-IL-18 的產(chǎn)生,NLRC2 和 NLRX1 都刺激 I 型 IFN 的合成。


由微生物群的選擇性成員釋放的微生物配體,例如LPS,通常通過 TLR、IL-1R 或 TNF 受體刺激 pro-IL-18 和 pro-IL-1β(信號 1)的翻譯和轉(zhuǎn)錄激活。在流感感染的細(xì)胞中,病毒產(chǎn)生信號 2,這是形成NLRP3 炎性體和刺激 caspase-1 所必需的,后者將 pro-IL-18 和 pro-IL-1β 切割成成熟形式。盡管據(jù)我們所知,尚未鑒定出與 NLRP3 相互作用的特定 PAMP,但流感病毒的配體,如 PB1-F2、M2 和病毒 RNA,以及正常微生物組的配體會啟動 NLRP3 的激活。


通過先天受體識別病毒之后,會快速刺激抗病毒效應(yīng)反應(yīng),例如巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞分泌 IL-6、IL-1β 和 TNF-α 。先天的抗病毒反應(yīng)觸發(fā)病毒感染細(xì)胞分泌 I 型干擾素 。I 型 IFN 是抑制病毒復(fù)制和刺激參與先天免疫的細(xì)胞(尤其是樹突狀細(xì)胞)所必需的抗病毒效應(yīng)物,從而促進適應(yīng)性免疫的刺激。受體-IFN 結(jié)合導(dǎo)致Janus 激酶的刺激以及轉(zhuǎn)錄通路的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和激活因子,導(dǎo)致數(shù)百個干擾素刺激基因 (ISG) 受到刺激。ISG 包括粘病毒抗性蛋白、IFN 誘導(dǎo)的跨膜蛋白、核糖核酸酶 L、2'-5'-寡腺苷酸合酶和 RNA 活化蛋白激酶、毒蛇素和蘇氨酸,在針對 AIV 的免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。


為 AIV、腸道微生物群和雞免疫反應(yīng)之間的相互作用實施雞模型


AIV、GIT 微生物組和雞免疫反應(yīng)之間的相互作用如圖 4 所示。

圖 4 :
(A) 生機勃勃;一種平衡的環(huán)境“生態(tài)系統(tǒng)”表達了不同類型腸道微生物群的存在,共同提供腸道完整性并限制致病病原體如大腸桿菌的附著.
(B) 生態(tài)失調(diào);解釋在感染 AIV 期間,腸道微生物群的數(shù)量顯著減少,而繼發(fā)性病原菌的數(shù)量增加。此外,促炎細(xì)胞因子 IFN-?、IFN-α、IL-1β、IL-6、IL-22 和 IL-17A 的基因表達顯著增加,而 MUC、ZO-1、Claudin 3、Occludin、 TFF2 和 Muc2(負(fù)責(zé)腸粘蛋白層和腸黏膜健康)顯著降低,導(dǎo)致腸黏膜噴發(fā),繼發(fā)感染大腸桿菌,可能導(dǎo)致全身感染。

增強禽腸道微生物群

長期以來,肉雞行業(yè)一直依賴于通過日糧在雞體內(nèi)使用抗生素生長促進劑 (AGP) ,以提高飼料轉(zhuǎn)化率并確保動物體重增加以及由于臨床和亞臨床感染導(dǎo)致的低發(fā)病率和死亡率 。AGP 的好處部分是由于在減少 GIT 中的總細(xì)菌負(fù)荷和抑制潛在病原體后調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)。然而,抗菌素耐藥性的日益蔓延(對抗生素的多重耐藥性)和對公共衛(wèi)生的相關(guān)威脅促使政府限制在農(nóng)場使用 AGP。


有許多安全、天然的物質(zhì)已被證明有效,它們已被用于通過與雞體內(nèi)的各種病原體競爭來促進腸道健康和促進腸道微生物組的活動,包括草藥提取物、精油、氨基酸、益生元、益生菌、合生元、外源酶、有機酸和通過綠色合成合成的納米顆粒。


這些天然物質(zhì)刺激雞群的生長,提高它們的生產(chǎn)力和免疫力,促進病原體抵抗力,并確保生產(chǎn)具有高營養(yǎng)價值的有機禽類產(chǎn)品; 這些物質(zhì)對人類食用是安全。


益生元是未消化通過 GIT 近端部分的化合物,可以誘導(dǎo)后腸定殖的有益微生物的生長或活動,從而改善宿主生理機能。大多數(shù)益生元屬于低聚半乳糖、低聚果糖、棉子糖家族低聚糖和低聚甘露糖,并且不能被宿主消化。然而,腸道微生物群可以分解它們以產(chǎn)生短鏈脂肪酸,例如丙酸鹽、乙酸鹽和丁酸鹽。


益生菌是用作飼料添加劑,當(dāng)以足夠的量給藥以促進 GIT 中存在的微生物成員之間的良好平衡時,它們會對健康產(chǎn)生有益影響。


有機酸及其鹽因其營養(yǎng)價值和抗菌特性而廣受歡迎,可對生長性能產(chǎn)生積極影響;它們可以以簡單的一元羧酸(甲酸、乙酸、丙酸和丁酸)、帶羥基的羧酸(乳酸、蘋果酸、酒石酸和檸檬酸)或含有雙鍵的短鏈羧酸(富馬酸和山梨酸)的形式存在酸);它們作為植物或動物細(xì)胞的正常成分廣泛分布于自然界。有機酸有時以鈉鹽、鉀鹽或鈣鹽的形式出現(xiàn),它們是飼料生產(chǎn)過程中的首選形式,因為它們比揮發(fā)性更強的酸形式更穩(wěn)定、無味且更易于處理。


通過綠色合成合成的草藥提取物、納米制劑和納米顆粒通常被加入到家禽的飲食或飼料中,以提高它們的性能。這些化合物對腸道疾病、胃腸道完整性、營養(yǎng)物質(zhì)消化率、免疫力和生產(chǎn)力的影響已在雞身上進行了全面綜述。


結(jié)論

腸道菌群,包括不同種類的乳酸桿菌、布勞蒂亞雙歧桿菌、糞桿菌、XlVa梭菌和厚壁菌門的成員,在預(yù)防和控制 AIV 和其他感染方面發(fā)揮著重要作用。


在 AIV 感染期間,促炎細(xì)胞因子如 IFN-γ、IFNα、IL-17A 和 IL-22 的表達顯著增加。TFF2、MUC、ZO-1、claudin 3 和occludin的表達顯著降低,導(dǎo)致黏膜完整性降低和炎癥反應(yīng)增加,導(dǎo)致嚴(yán)重的腸道損傷和生態(tài)失調(diào)。


病原體可以侵入腸道,引起全身反應(yīng)。因此,在飼料中使用含有益生菌、益生元、合生元、草本提取物、精油、必需氨基酸、有機酸和外源酶的飼料補充劑可增強腸道局部免疫力,確保腸道黏膜健康,減少感染腸道菌群的機會以及減少H9N2 AIV 等病原體。


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