魚類的免疫功能與免疫組織

免疫系統是指對身體進行識別和消除“異常”的防御系統。它的主要功能是防御、本身穩定性和免疫監測。魚類的免疫系統指魚類的免疫應答與魚體器官及細胞之間的一些協調系統的結構與成分,是魚體執行免疫功能的機構,是產生免疫應答的物質基礎,由免疫器官、免疫細胞和體液免疫因子組成。魚類在進行自身免疫保護時,主要行使特異性和非特異性兩大免疫防疫功能。1飼養對免疫器官的作用免疫組織是免疫細胞發生、分化、成熟、定居和增殖以及產生免疫應答的場所。魚類與哺乳動物在免疫器官組成上的主要區別在于前者沒有骨髓和淋巴結。胸腺、腎臟和脾臟是魚類最主要的免疫器官;魚類的免疫器官與組織主要指腎臟、脾臟、胸腺以及消化道淋巴組織與小淋巴細胞等;粘膜淋巴組織(MALT)同樣是其免疫系統的重要組分。1.1腎組織病理學檢測腎臟是魚類重要的淋巴細胞組織,可分為頭腎、中腎和后腎3部分。成年魚的頭腎已失去了排泄功能,卻保留了造血和內分泌功能;后腎作為排泄器官,其管間區在造血和免疫方面也具有一定作用。在抗原的刺激下,頭腎和中腎細胞增生。頭腎有致密的血管網,包括許多造血組織和淋巴細胞叢,以及噬黑色素細胞和淋巴細胞。利用溶血空斑和免疫酶技術已證實前腎和中腎都存在抗體產生細胞,這表明腎臟是硬骨魚類重要的抗體產生器官,相當于哺乳動物中樞免疫器官及外周免疫器官的雙重功能。1.2魚類前皮的組織結構魚類胸腺起源于胚胎發育的咽囊,在免疫組織的發生過程中最先獲得成熟淋巴細胞,一般認為是魚類的中樞免疫器官。魚類胸腺在發育過程中與頭腎逐漸靠攏,并伴隨有明顯的細胞遷移發生。胸腺位于鰓腔背后方,表面有一層上表細胞與咽腔相隔,有效地防止了抗原性或非抗原性物質通過咽腔進入胸腺實質。魚類胸腺可分為內區、中區和外區,其中內區和中區在組織結構上分別類似于高等脊椎動物胸腺的髓質和皮質。魚類胸腺是由淋巴細胞、淋巴母細胞、漿母細胞、分泌樣細胞以及游離間充質細胞(巨噬細胞、肌樣細胞和肥大細胞等)組成,它們分布于由網狀上皮細胞形成的基質網孔中。胸腺是魚類淋巴細胞增殖和分化的主要場所,并向血液和外周淋巴器官輸送淋巴細胞,在魚類免疫應答中的作用可能是參與T淋巴細胞的成熟,主要是承擔細胞免疫的功能。另外,魚類胸腺隨著性成熟和年齡的增長或在環境脅迫和激素等外部刺激作用下可發生退化。1.3胰腺的發生機制脾臟是魚類紅細胞、中性血細胞和粒性白細胞生產、貯存和成熟的主要場所,它由紅髓和白髓組成,包含有橢圓形的淋巴小泡,內有大量的淋巴細胞、巨噬細胞和噬黑色素細胞。與頭腎相比,脾臟在體液免疫反應中處于相對次要的地位,而且受抗原刺激后其增殖反應以彌散的方式發生在整個器官上。脾臟在某些魚類,特別是軟骨魚類可分為紅區、白區即淋巴區。然而,硬骨魚類的脾臟無此分化,是淋巴系統組織發生中最后一個發生的器官。1.4皮膚、肝胰腺及腸道組織粘膜淋巴組織(MALT)在魚類體液和細胞免疫中的作用,目前已引起免疫學家的重視,作為MALT,魚類皮膚、鰓和消化道是病原侵入魚體的門戶,在其上皮組織中存在淋巴細胞、巨噬細胞和各類細胞。當魚體受到抗原刺激時,巨噬細胞可以對抗原進行處理和呈遞,抗分泌細胞會分泌特異性抗體,與粘膜中溶菌酶和補體等非特異性的保護物質一道組成抵御病原微生物感染的有效防線。2細胞免疫反應凡參與免疫應答或與免疫有關的細胞均稱為免疫細胞。免疫細胞分為兩大類:一類是淋巴細胞,主要參與特異性免疫反應,在免疫應答中起核心作用,另一類是吞噬細胞。魚類的免疫細胞主要存在于免疫器官和組織以及血液和淋巴液中。2.1骨魚類的免疫能力T細胞和B細胞是兩種淋巴細胞亞群。T細胞具有直接殺傷細胞的作用以及通過分泌細胞因子調節免疫反應的作用,B細胞分泌抗體且在細胞表面有抗體存在。發現魚類具有這兩種淋巴細胞的功能已有多年,然而只是近幾年才利用抗IGM單克隆抗體明確地證明硬骨魚類具有獨立的淋巴細胞種群,即相對于哺乳動物的T和B細胞。利用單克隆抗體可以區分細胞表面抗體陽性或陰性的淋巴細胞及其生物活性,然而到目前為止,還沒有能用來區分T細胞的單克隆抗體。Miller研究出的單抗可與一種鯰魚的T細胞發生反應,但它同時又與中性粒細胞和凝血細胞發生交叉反應,魚類的胸腺依賴性即T淋巴細胞的存在尚需要更進一步的研究證實,但是毫無疑問,魚類至少具有功能性的T細胞和B細胞。鯉在孵化后幾周內,T細胞在胸腺中達到70%,在頭腎中也有分布。但是以后除胸腺外,其余的免疫器官中的T細胞逐漸減少甚至消失;孵化后第2周B細胞在頭腎中出現,隨后出現在脾和血液中,但是在胸腺和腸道中卻很少。在大菱鲆和海鱸的腸粘膜和粘膜下層分布有較多的T細胞,而B細胞主要在固有層參與粘膜免疫應答。2.2嗜酸性細胞和嗜酸性細胞魚類吞噬細胞除作為輔佐細胞具有特異性免疫功能以外,也是組成非特異性防御系統的關鍵成分,在抵御微生物感染的各個階段發揮重要作用,粘膜吞噬細胞構成抗感染的第一道屏障;單核細胞和粘細胞等血細胞作為第二道防線可以破壞出現在循環系統中的病原微生物;最后,器官和組織中具有吞噬活性的細胞能夠攝取和降解微生物及其產物。魚類的吞噬細胞主要有粒細胞、巨噬細胞和單核細胞。魚類的粒細胞依據顆粒的染色特征,可分為嗜堿性、嗜酸性和中性粒細胞。但是,不是所有的魚類都具有這3種粒細胞,如鮭鱒魚類循環系統中只有中性粒細胞,但有的鮭鱒類組織中的一種粒細胞可被曙紅染色,并被稱作嗜酸性粒細胞,是一種與哺乳動物肥大細胞相似的免疫細胞。在炎癥反應中,通常表現為雙向反應,即粒細胞先于巨噬細胞接近病原。嗜酸性粒細胞也具有吞噬能力,在寄生蟲長期感染的情況下能夠聚集在寄生部位,參與機體抵御寄生蟲的免疫反應。魚類是否同時具有嗜酸性和嗜堿性粒細胞,爭議較大。徐豪等認為嗜堿性粒細胞在制片過程中極易解離,因此很難觀察到嗜堿性粒細胞。魚類的巨噬細胞具有殺傷細菌及寄生蟲幼蟲的作用。對于滅鮭產氣菌,這種殺傷能力取決于吞噬作用引起的對這種細胞的吞入以及氧化物的產生。氧化物的產生受制于一種結合在細胞膜上的與哺乳動物吞噬細胞NADPH氧化酶相似的酶,這種酶可引起分子氧的減少,并誘生O2-,而超氧化離子可轉化為多種更強的殺傷細菌的氧化物,包括過氧化氫、受激單重態氧、羥基。現在已經發現多種物質,包括干擾素,某些多肽和蛋白質,脂多糖等,可使巨噬細胞形態特征改變、分泌物增多、吞噬和胞飲能力增強。單核細胞存在于所有硬骨魚血液中。徐豪等觀察到正常魚和病魚血液中單核細胞數量不同,特別是感染寄生蟲、環境污染及其它疾病都能引起魚類血液中單核細胞增多。這可能與魚的內分泌系統如腎上腺皮質的功能有關。與哺乳動物的相似,魚類單核細胞也有較多的胞質突起,細胞內含有較多的泡液和吞噬物,可進行活躍的變形運動,具有較強的粘附和吞噬能力,能夠在血液中對異物和衰老的細胞進行吞噬消化。3體免疫因素3.1真骨魚類的免疫分析方法軟骨魚可產生兩種大小的抗體。最大的分子與人類的IGM相同(分子量為90Kda,19S),同樣在IGM巨球蛋白開始產生后接著就產生了類似IGM的分子(分子量18Kda,7S)。真骨魚類產生單一族的抗體,它類似于哺乳動物的IGM。魚類的IGM由重鏈和輕鏈組成,在血清中通過J鏈連接形成一個四聚體,但是另外一些魚類IGM可能缺少J鏈,其沉降除了16S和19S外還存在7S和6.4S的單9聚體IGM類型。真骨魚類抗體的輕鏈分子量一般為19Kda,但也存在著22Kda、24Kda和26Kda3種異型。魚類血液中的IGM的相對水平較哺乳動物高。魚類的IGM還存在于皮膚、腸粘液、膽汁和卵中。粘液是魚類免疫系統的重要組成部分,也產生抗體。Lobb和Clem等提出了魚類存在分泌型免疫系統的假說,指出魚類皮膚和膽汁中存在著一種由局部產生的分泌型免疫球蛋白(IGS),其結構與血清中的免疫球蛋白有較大的區別。魚類免疫球蛋白的半衰期受溫度的影響,如果少量抗原持續刺激魚體而使免疫球蛋白不斷合成,其半衰期就長得多。魚類的抗體昌盛細胞不僅存在于腎臟和脾臟,且分布于腸道、心臟和血液。與哺乳動物相比,魚類抗體形成期較長,抗體滴度增高緩慢,冷水魚更是如此。3.2蛋白質和糖蛋白分子在魚類的體液、組織和卵中存在多種非特異性免疫球蛋白的蛋白質和糖蛋白分子,它們在魚類非特異性防御機制中發揮著重要作用。根據它們對入侵病原微生物的效應可以將這些免疫因子分為以下幾點。3.2.1旁路激活系統補體是機體抵抗微生物感染的重要成分,由存在于體液中的數十種具有酶活性的球蛋白組成。C3是補體系統的主要成分,它可以通過經典或旁路途徑激活七鰓鰻的C3,僅通過旁路激活,而且其補體系統的主要作用是促進吞噬作用,而不是細胞溶解。隨著有頜魚類的進化和免疫球蛋白的出現,出現了補體的經典激活途徑,即利用補體參與靶細胞溶解和調理作用。對軟骨魚類補體系統的研究證明了板鰓類的免疫球蛋白和補體在功能上可相互作用。在鯊魚已經證明的6種補體中,有3種在功能上和哺乳動物C1、C8和C9相似。虹鱒的補體可通過經典和旁路途徑激活,具有與哺乳動物C3和C5結構和功能上相似的補體,表明硬骨魚類的補體系統基本上和高等脊動物相似。3.2.2殼多糖酶和殼二糖酶細胞溶解作用可以通過本系統介導,也可以通過單一的細胞溶素來完成。魚類的細胞溶素有水解酶、蛋白酶和一些非特異性溶素。魚類組織和分泌物中具有3類水解酶,分別是溶菌酶、殼多糖酶和殼二糖酶。它們作用于微生物表面的糖苷部分。溶菌酶可以破壞細菌細胞壁并對真菌細胞壁和昆蟲的外骨骼進行有限的水解。殼多糖酶和殼二糖酶可以破壞外膜具有殼多糖的微生物或寄生蟲。魚類皮膚粘液以及鰓和腸的表皮和上皮細胞層中都檢測到蛋白酶,它們具有類似胰蛋白酶的活性,能夠破壞革蘭氏陰性細菌。魚類血清中存在一種天然溶血素分子,它可能是一種酶,能夠溶解異源紅細胞和各種細菌。在環境脅迫時,某些熱帶海洋魚類粘液中發現有毒素釋放,屬于膽堿酯、小肽或低分子量堿性蛋白,可能具有抗寄生蟲的作用。3.3.3tf結構及功能微生物生長抑制物能夠奪取微生物生長所需的基本養分,或在細胞內阻斷其代謝路徑,從而可以干擾病原微生物的代謝作用。魚類微生物生長抑制物包括轉鐵蛋白、血漿銅藍蛋白、金屬硫蛋白和干擾素等。魚類血清轉鐵蛋白(Tf,又稱為鐵傳遞蛋白、運鐵蛋白)是魚類血清中一種非血紅素結合鐵的β-球蛋白,分子量70000~80000,是魚體內鐵的運輸者。不同種屬魚類的Tf有不同的物理、化學和免疫特性,但均有2個三價鐵離子結合位點。在多種酶或CHBr的作用下,Tf均可降解為兩個30000~40000的片段,即Tf的N-端半分子和Tf的C-端半分子。每個半分子含有一個鐵離子,即Tf的兩個鐵離子位點分別位于Tf的N-端結構域和C-端結構域。Tf是由兩個結構相似的分別位于N-端和C-端的球形結構域組成的單一肽鏈,含有600~700個氨基酸殘基,多個Cys形成的二硫鍵。二硫鍵不僅可以穩定二級和三級的肽鏈內部結構,而且可以介導肽鏈間四級結構的形成。魚類血清Tf的主要生理功能是把鐵離子從吸收和儲存的地方運輸到成紅細胞供給成血紅蛋白用,或輸送到機體的其它需鐵部位。鐵是微生物代謝和繁殖所必需的基本元素。轉鐵蛋白具有很高的鐵結合能力,因此當它存在時,微生物的生長和繁殖便會受到抑制。另外,轉鐵蛋白的抗菌活性還表現在直接作用于病原菌的膜蛋白而實現殺菌作用。血漿銅藍蛋白是由單一多肽鏈組成的藍蛋白,可以螯合銅和其它的二價陽離子。血漿銅藍蛋白又稱為亞鐵氧化酶,因為它可以將亞鐵離子氧化為高鐵離子,后者將結合到轉鐵蛋白上;在此過程中,血漿銅藍蛋白可以加速周圍鐵的轉運,從而降低微生物獲取的機會。金屬硫蛋白是一種低分子量、熱穩定的蛋白質,含有豐富的半胱氨酸用以結