鱼类的免疫功能与免疫组织

鱼类的免疫功能与免疫组织

免疫系统是指对身体进行识别和消除“异常”的防御系统。它的主要功能是防御、本身稳定性和免疫监测。鱼类的免疫系统指鱼类的免疫应答与鱼体器官及细胞之间的一些协调系统的结构与成分,是鱼体执行免疫功能的机构,是产生免疫应答的物质基础,由免疫器官、免疫细胞和体液免疫因子组成。鱼类在进行自身免疫保护时,主要行使特异性和非特异性两大免疫防疫功能。1饲养对免疫器官的作用免疫组织是免疫细胞发生、分化、成熟、定居和增殖以及产生免疫应答的场所。鱼类与哺乳动物在免疫器官组成上的主要区别在于前者没有骨髓和淋巴结。胸腺、肾脏和脾脏是鱼类最主要的免疫器官;鱼类的免疫器官与组织主要指肾脏、脾脏、胸腺以及消化道淋巴组织与小淋巴细胞等;粘膜淋巴组织(MALT)同样是其免疫系统的重要组分。1.1肾组织病理学检测肾脏是鱼类重要的淋巴细胞组织,可分为头肾、中肾和后肾3部分。成年鱼的头肾已失去了排泄功能,却保留了造血和内分泌功能;后肾作为排泄器官,其管间区在造血和免疫方面也具有一定作用。在抗原的刺激下,头肾和中肾细胞增生。头肾有致密的血管网,包括许多造血组织和淋巴细胞丛,以及噬黑色素细胞和淋巴细胞。利用溶血空斑和免疫酶技术已证实前肾和中肾都存在抗体产生细胞,这表明肾脏是硬骨鱼类重要的抗体产生器官,相当于哺乳动物中枢免疫器官及外周免疫器官的双重功能。1.2鱼类前皮的组织结构鱼类胸腺起源于胚胎发育的咽囊,在免疫组织的发生过程中最先获得成熟淋巴细胞,一般认为是鱼类的中枢免疫器官。鱼类胸腺在发育过程中与头肾逐渐靠拢,并伴随有明显的细胞迁移发生。胸腺位于鳃腔背后方,表面有一层上表细胞与咽腔相隔,有效地防止了抗原性或非抗原性物质通过咽腔进入胸腺实质。鱼类胸腺可分为内区、中区和外区,其中内区和中区在组织结构上分别类似于高等脊椎动物胸腺的髓质和皮质。鱼类胸腺是由淋巴细胞、淋巴母细胞、浆母细胞、分泌样细胞以及游离间充质细胞(巨噬细胞、肌样细胞和肥大细胞等)组成,它们分布于由网状上皮细胞形成的基质网孔中。胸腺是鱼类淋巴细胞增殖和分化的主要场所,并向血液和外周淋巴器官输送淋巴细胞,在鱼类免疫应答中的作用可能是参与T淋巴细胞的成熟,主要是承担细胞免疫的功能。另外,鱼类胸腺随着性成熟和年龄的增长或在环境胁迫和激素等外部刺激作用下可发生退化。1.3胰腺的发生机制脾脏是鱼类红细胞、中性血细胞和粒性白细胞生产、贮存和成熟的主要场所,它由红髓和白髓组成,包含有椭圆形的淋巴小泡,内有大量的淋巴细胞、巨噬细胞和噬黑色素细胞。与头肾相比,脾脏在体液免疫反应中处于相对次要的地位,而且受抗原刺激后其增殖反应以弥散的方式发生在整个器官上。脾脏在某些鱼类,特别是软骨鱼类可分为红区、白区即淋巴区。然而,硬骨鱼类的脾脏无此分化,是淋巴系统组织发生中最后一个发生的器官。1.4皮肤、肝胰腺及肠道组织粘膜淋巴组织(MALT)在鱼类体液和细胞免疫中的作用,目前已引起免疫学家的重视,作为MALT,鱼类皮肤、鳃和消化道是病原侵入鱼体的门户,在其上皮组织中存在淋巴细胞、巨噬细胞和各类细胞。当鱼体受到抗原刺激时,巨噬细胞可以对抗原进行处理和呈递,抗分泌细胞会分泌特异性抗体,与粘膜中溶菌酶和补体等非特异性的保护物质一道组成抵御病原微生物感染的有效防线。2细胞免疫反应凡参与免疫应答或与免疫有关的细胞均称为免疫细胞。免疫细胞分为两大类:一类是淋巴细胞,主要参与特异性免疫反应,在免疫应答中起核心作用,另一类是吞噬细胞。鱼类的免疫细胞主要存在于免疫器官和组织以及血液和淋巴液中。2.1骨鱼类的免疫能力T细胞和B细胞是两种淋巴细胞亚群。T细胞具有直接杀伤细胞的作用以及通过分泌细胞因子调节免疫反应的作用,B细胞分泌抗体且在细胞表面有抗体存在。发现鱼类具有这两种淋巴细胞的功能已有多年,然而只是近几年才利用抗IGM单克隆抗体明确地证明硬骨鱼类具有独立的淋巴细胞种群,即相对于哺乳动物的T和B细胞。利用单克隆抗体可以区分细胞表面抗体阳性或阴性的淋巴细胞及其生物活性,然而到目前为止,还没有能用来区分T细胞的单克隆抗体。Miller研究出的单抗可与一种鲶鱼的T细胞发生反应,但它同时又与中性粒细胞和凝血细胞发生交叉反应,鱼类的胸腺依赖性即T淋巴细胞的存在尚需要更进一步的研究证实,但是毫无疑问,鱼类至少具有功能性的T细胞和B细胞。鲤在孵化后几周内,T细胞在胸腺中达到70%,在头肾中也有分布。但是以后除胸腺外,其余的免疫器官中的T细胞逐渐减少甚至消失;孵化后第2周B细胞在头肾中出现,随后出现在脾和血液中,但是在胸腺和肠道中却很少。在大菱鲆和海鲈的肠粘膜和粘膜下层分布有较多的T细胞,而B细胞主要在固有层参与粘膜免疫应答。2.2嗜酸性细胞和嗜酸性细胞鱼类吞噬细胞除作为辅佐细胞具有特异性免疫功能以外,也是组成非特异性防御系统的关键成分,在抵御微生物感染的各个阶段发挥重要作用,粘膜吞噬细胞构成抗感染的第一道屏障;单核细胞和粘细胞等血细胞作为第二道防线可以破坏出现在循环系统中的病原微生物;最后,器官和组织中具有吞噬活性的细胞能够摄取和降解微生物及其产物。鱼类的吞噬细胞主要有粒细胞、巨噬细胞和单核细胞。鱼类的粒细胞依据颗粒的染色特征,可分为嗜碱性、嗜酸性和中性粒细胞。但是,不是所有的鱼类都具有这3种粒细胞,如鲑鳟鱼类循环系统中只有中性粒细胞,但有的鲑鳟类组织中的一种粒细胞可被曙红染色,并被称作嗜酸性粒细胞,是一种与哺乳动物肥大细胞相似的免疫细胞。在炎症反应中,通常表现为双向反应,即粒细胞先于巨噬细胞接近病原。嗜酸性粒细胞也具有吞噬能力,在寄生虫长期感染的情况下能够聚集在寄生部位,参与机体抵御寄生虫的免疫反应。鱼类是否同时具有嗜酸性和嗜碱性粒细胞,争议较大。徐豪等认为嗜碱性粒细胞在制片过程中极易解离,因此很难观察到嗜碱性粒细胞。鱼类的巨噬细胞具有杀伤细菌及寄生虫幼虫的作用。对于灭鲑产气菌,这种杀伤能力取决于吞噬作用引起的对这种细胞的吞入以及氧化物的产生。氧化物的产生受制于一种结合在细胞膜上的与哺乳动物吞噬细胞NADPH氧化酶相似的酶,这种酶可引起分子氧的减少,并诱生O2-,而超氧化离子可转化为多种更强的杀伤细菌的氧化物,包括过氧化氢、受激单重态氧、羟基。现在已经发现多种物质,包括干扰素,某些多肽和蛋白质,脂多糖等,可使巨噬细胞形态特征改变、分泌物增多、吞噬和胞饮能力增强。单核细胞存在于所有硬骨鱼血液中。徐豪等观察到正常鱼和病鱼血液中单核细胞数量不同,特别是感染寄生虫、环境污染及其它疾病都能引起鱼类血液中单核细胞增多。这可能与鱼的内分泌系统如肾上腺皮质的功能有关。与哺乳动物的相似,鱼类单核细胞也有较多的胞质突起,细胞内含有较多的泡液和吞噬物,可进行活跃的变形运动,具有较强的粘附和吞噬能力,能够在血液中对异物和衰老的细胞进行吞噬消化。3体免疫因素3.1真骨鱼类的免疫分析方法软骨鱼可产生两种大小的抗体。最大的分子与人类的IGM相同(分子量为90Kda,19S),同样在IGM巨球蛋白开始产生后接着就产生了类似IGM的分子(分子量18Kda,7S)。真骨鱼类产生单一族的抗体,它类似于哺乳动物的IGM。鱼类的IGM由重链和轻链组成,在血清中通过J链连接形成一个四聚体,但是另外一些鱼类IGM可能缺少J链,其沉降除了16S和19S外还存在7S和6.4S的单9聚体IGM类型。真骨鱼类抗体的轻链分子量一般为19Kda,但也存在着22Kda、24Kda和26Kda3种异型。鱼类血液中的IGM的相对水平较哺乳动物高。鱼类的IGM还存在于皮肤、肠粘液、胆汁和卵中。粘液是鱼类免疫系统的重要组成部分,也产生抗体。Lobb和Clem等提出了鱼类存在分泌型免疫系统的假说,指出鱼类皮肤和胆汁中存在着一种由局部产生的分泌型免疫球蛋白(IGS),其结构与血清中的免疫球蛋白有较大的区别。鱼类免疫球蛋白的半衰期受温度的影响,如果少量抗原持续刺激鱼体而使免疫球蛋白不断合成,其半衰期就长得多。鱼类的抗体昌盛细胞不仅存在于肾脏和脾脏,且分布于肠道、心脏和血液。与哺乳动物相比,鱼类抗体形成期较长,抗体滴度增高缓慢,冷水鱼更是如此。3.2蛋白质和糖蛋白分子在鱼类的体液、组织和卵中存在多种非特异性免疫球蛋白的蛋白质和糖蛋白分子,它们在鱼类非特异性防御机制中发挥着重要作用。根据它们对入侵病原微生物的效应可以将这些免疫因子分为以下几点。3.2.1旁路激活系统补体是机体抵抗微生物感染的重要成分,由存在于体液中的数十种具有酶活性的球蛋白组成。C3是补体系统的主要成分,它可以通过经典或旁路途径激活七鳃鳗的C3,仅通过旁路激活,而且其补体系统的主要作用是促进吞噬作用,而不是细胞溶解。随着有颌鱼类的进化和免疫球蛋白的出现,出现了补体的经典激活途径,即利用补体参与靶细胞溶解和调理作用。对软骨鱼类补体系统的研究证明了板鳃类的免疫球蛋白和补体在功能上可相互作用。在鲨鱼已经证明的6种补体中,有3种在功能上和哺乳动物C1、C8和C9相似。虹鳟的补体可通过经典和旁路途径激活,具有与哺乳动物C3和C5结构和功能上相似的补体,表明硬骨鱼类的补体系统基本上和高等脊动物相似。3.2.2壳多糖酶和壳二糖酶细胞溶解作用可以通过本系统介导,也可以通过单一的细胞溶素来完成。鱼类的细胞溶素有水解酶、蛋白酶和一些非特异性溶素。鱼类组织和分泌物中具有3类水解酶,分别是溶菌酶、壳多糖酶和壳二糖酶。它们作用于微生物表面的糖苷部分。溶菌酶可以破坏细菌细胞壁并对真菌细胞壁和昆虫的外骨骼进行有限的水解。壳多糖酶和壳二糖酶可以破坏外膜具有壳多糖的微生物或寄生虫。鱼类皮肤粘液以及鳃和肠的表皮和上皮细胞层中都检测到蛋白酶,它们具有类似胰蛋白酶的活性,能够破坏革兰氏阴性细菌。鱼类血清中存在一种天然溶血素分子,它可能是一种酶,能够溶解异源红细胞和各种细菌。在环境胁迫时,某些热带海洋鱼类粘液中发现有毒素释放,属于胆碱酯、小肽或低分子量碱性蛋白,可能具有抗寄生虫的作用。3.3.3tf结构及功能微生物生长抑制物能够夺取微生物生长所需的基本养分,或在细胞内阻断其代谢路径,从而可以干扰病原微生物的代谢作用。鱼类微生物生长抑制物包括转铁蛋白、血浆铜蓝蛋白、金属硫蛋白和干扰素等。鱼类血清转铁蛋白(Tf,又称为铁传递蛋白、运铁蛋白)是鱼类血清中一种非血红素结合铁的β-球蛋白,分子量70000~80000,是鱼体内铁的运输者。不同种属鱼类的Tf有不同的物理、化学和免疫特性,但均有2个三价铁离子结合位点。在多种酶或CHBr的作用下,Tf均可降解为两个30000~40000的片段,即Tf的N-端半分子和Tf的C-端半分子。每个半分子含有一个铁离子,即Tf的两个铁离子位点分别位于Tf的N-端结构域和C-端结构域。Tf是由两个结构相似的分别位于N-端和C-端的球形结构域组成的单一肽链,含有600~700个氨基酸残基,多个Cys形成的二硫键。二硫键不仅可以稳定二级和三级的肽链内部结构,而且可以介导肽链间四级结构的形成。鱼类血清Tf的主要生理功能是把铁离子从吸收和储存的地方运输到成红细胞供给成血红蛋白用,或输送到机体的其它需铁部位。铁是微生物代谢和繁殖所必需的基本元素。转铁蛋白具有很高的铁结合能力,因此当它存在时,微生物的生长和繁殖便会受到抑制。另外,转铁蛋白的抗菌活性还表现在直接作用于病原菌的膜蛋白而实现杀菌作用。血浆铜蓝蛋白是由单一多肽链组成的蓝蛋白,可以螯合铜和其它的二价阳离子。血浆铜蓝蛋白又称为亚铁氧化酶,因为它可以将亚铁离子氧化为高铁离子,后者将结合到转铁蛋白上;在此过程中,血浆铜蓝蛋白可以加速周围铁的转运,从而降低微生物获取的机会。金属硫蛋白是一种低分子量、热稳定的蛋白质,含有丰富的半胱氨酸用以结