奶牛乳房炎的發病機制

吳文學，李秀波，王 瑞，王朋朋，田欣睿，張海燕，焦曉宇，李金祥

(1.中國農業大學動物醫學院 , 北京海淀100193 ； 2. 中國農業科學院飼料研究所 , 北京海淀100083 ； 3. 北京市昌平區動物疫病預防控制中心，北京昌平102200 ； 4. 中國農業科學院 , 北京海淀100083)

奶牛乳房炎是指奶牛的乳腺在受到物理、化學、微生物等刺激時所產生的一種炎性變化，常導致產奶量下降，牛奶質量變差，由于發病率較高，給奶牛養殖業帶來的巨大經濟損失。為了便于獸醫工作者和養殖者了解奶牛乳房炎的發病機制，做好乳房炎的防治工作，本文從奶牛乳房生理學、病原入侵、乳腺感染、乳腺組織產生炎癥和組織病理變化等方面對常見病原菌的致病機制進行了總結和分析。

1 奶牛乳腺生理學

乳頭管是外部病原進入乳房的唯一途徑，向上連接乳池，向下在乳頭末端開口。在正常生理條件下，乳頭管內壁的鱗片狀上皮細胞不斷剝離和脫落，形成角蛋白，角蛋白沉聚在乳頭管的管腔中，封堵管腔，阻止外部的病原侵入。另外，角蛋白中的一些蛋白質和脂類成份也會對某些微生物有抗菌作用。奶牛進入泌乳期后，在擠奶過程中乳汁會沖刷掉一部分沉積在乳頭管的角蛋白，但是從乳頭管內壁新脫落下來的上皮細胞及細胞成份會沉積下來，替換被沖刷下去的那部分角蛋白。

乳頭管腔由縱向平滑肌纖維環繞，這些平滑肌纖維構成乳頭括約肌，能夠在非泌乳期間保持乳頭管的閉合狀態，防止乳汁從乳腺中流出來，并且能夠緊緊地擠壓著乳頭管的角蛋白以防止病原侵入。擠奶時，乳頭括約肌由收縮變為松弛，牛奶即可流出。如果乳頭括約肌軟弱無力，會導致乳頭“外翻”或“外露”，雖然排乳速度變快了，但也更容易發生乳房炎。

2 病原入侵

一旦細菌等微生物通過乳頭管進入乳區，就會在乳頭池和乳腺池中定殖，然后向上進入泌乳組織，引起乳腺感染或乳房炎。在不同的飼養和生產階段，病原可通過不同途徑侵入乳房。

2.1 擠奶時入侵 在擠奶過程中，病原微生物可以通過“逆流回沖機制”侵入乳頭管。逆流回沖機制是指在擠奶杯內襯滑落下來或其他原因導致短奶管突然進氣時，含有細菌的乳滴就會被逆向回吸到集乳器中，再經集乳器輔助入口加速回吸到短奶管末端，在慣性作用下沖向乳頭末端，它是老式擠奶器引發乳房炎的常見原因。通過增加短管奶直徑和集乳器容積、采用防滑內襯、降低過度擠奶和增加擠奶動作的輕柔程度等改進措施，新型擠奶器性能大幅提高，逆流回沖問題已得到明顯改善。

在多數奶業發達的國家，傳染性病原引起的乳房感染率不斷下降，而環境性病原引起的乳房感染率則顯著上升。在擠奶時，乳房皮膚表面的這些環境性病原會粘附到擠奶杯的內襯。脫杯時，內襯上的病原就有可能混入到乳頭表面殘余的乳汁中，并在重力的作用下匯集到乳頭口。脫杯后，乳頭管仍會維持擴張狀態并且乳頭口也會維持開放狀態長達1 h或1 h以上[1]，此時的乳頭管就像一個毛細吸管，會將乳頭口處含有細菌的殘留乳汁吸入乳頭管內，再吸入到乳腺內。另外，在擠奶后乳頭管擴張和開放的這段時間內，如果奶牛躺臥在泥土、糞便或有病原污染的墊料上，病原微生物也會通過乳頭管直接侵入乳房。而且每經過一個泌乳期，乳導管都會變粗，病原的入口和通道變大，也使病原入侵的機會增加[2]。因此，擠奶后要及時給乳頭消毒和喂料，讓奶牛保持站立姿勢，這對于防止病原入侵非常重要。

2.2 擠奶間歇期入侵 在2次擠奶的間歇期，乳頭會頻繁接觸環境性致病菌，導致乳頭皮膚上的菌量不斷增加，病原入侵乳房的機率相應增加。在奶牛運動時，乳頭括約肌受到不斷變化的多種力的影響，也會促進病菌侵入乳頭管，在管腔內增殖，甚至還有可能上行進入乳腺。為了減少乳頭皮膚上的環境性致病菌的數量，可在擠奶前對乳頭進行藥浴，以殺滅和清除大部分細菌[3-4]。

2.3 干乳期入侵 進入干乳期的奶牛，由于不再進行乳房清洗和乳頭藥浴，乳頭皮膚上的病原數量會明顯增加。同時，也不再有擠奶時形成的乳流沖刷作用，乳頭管腔內的病菌更容易增殖并侵入乳腺[5]。另外，乳房內壓上升會使乳頭管擴張，也有利于病菌的入侵。到了干乳中期，乳房內壓下降，乳頭管內會形成角蛋白栓，抵抗病菌入侵的能力增強。

2.4 給藥時入侵 在乳房灌注給藥過程中，也有可能將微生物帶入乳頭管。盡管擠奶后乳頭末端看起來很干凈，但乳頭口和乳頭管一般都會被乳房炎致病菌污染。如果在給藥前不對乳頭口周圍消毒，注藥管就會將病菌經乳頭管帶入到乳腺池中，當這些細菌對注入的抗生素產生耐藥性，就會在已有感染的基礎上產生新的感染。因此，在灌注給藥前，必須用酒精棉對乳頭末端進行消毒。此外，注藥時，如果將注藥管全部插入，則會導致乳頭管管腔擴張，將保護性角蛋白層擠壓到管腔側壁，甚至延伸到乳池內，極易誘發細菌感染[6]。因此，建議只將注藥管的一部分插入乳頭管，使其進入乳頭管末端2～3 mm，以保護乳頭末端的組織結構，減少細菌的入侵。

3 乳腺感染的形成機制

侵入乳頭的病菌會通過各種機制抵抗乳流的機械性沖刷清除作用和宿主的免疫清除作用，定植在乳腺內皮組織，形成乳腺感染。對乳腺內皮組織的粘附作用，直接影響病菌在乳腺中的存活能力。無乳鏈球菌和金黃色葡萄球菌能夠很好地粘附在乳池內皮組織上，而大腸桿菌粘附力較差，但它在體細胞數較低的乳區中能夠快速增殖[7]。入侵的細菌與牛乳中的白細胞(血液白細胞或體細胞)之間的相互作用也會影響感染的形成以及感染的進程。白細胞的功能之一是吞噬和殺傷細菌，如果白細胞消滅了所有的細菌，即可清除感染。但是，如果不能全部消滅細菌，存活的細菌就會形成慢性感染。在泌乳期間，在體細胞數較低的乳區內，侵入的大腸菌會無限制地生長，因此，這種乳區的大腸菌感染最為常見。

入侵的細菌與脫落的乳腺上皮組織碎片、乳汁中的白細胞等會凝聚成團塊，堵塞泌乳導管，有助于將感染限制在一定區域。然而，如果堵塞的泌乳導管被疏通，細菌就會傳播到乳腺的其他區域。通過這種方式，就會在不同的泌乳區之間形成持續的循環感染。有些情況下，細菌也可能從膿腫中逃逸出來并感染周圍組織。

在干乳早期，吞噬細胞的主要作用是清除殘余的牛奶組分和細胞碎片，對細菌的吞噬能力減弱，因此，干乳早期發生新感染的機率最大。在干乳中期，由于白細胞濃度和非特異性抗菌因子增加等原因，奶牛對乳房炎的抗病力增加，發生新感染的機率降低。在母牛開始產犢并分泌初乳時，乳腺分泌物中非特異性免疫因子的濃度降低，初乳中干擾白細胞功能的組份增加[5]。同時，分娩還會引起生理性應激反應。因此，盡管初乳中白細胞的濃度升高，分娩后早期奶牛的乳腺仍然比較容易發生新的病原感染。另外，大多數干乳期新發生的病原感染會持續到下一個哺乳期，并且在分娩時或分娩后不久即會誘發臨床型乳房炎。

4 泌乳組織病理反應機制

4.1 炎癥反應的產生 感染初期，細菌只對大的集乳導管和乳池的內皮組織產生較小面積的組織損傷。在顯微鏡下檢查這些受損部位時，可以在組織內表面發現有穿孔，也可以見到正通過穿孔處的多核嗜中性粒細胞(PMN)和奶中的凝塊。隨后，通過不斷增殖和奶牛運動時產生的乳流，病菌會進入小導管和乳腺下端的腺泡區，通過分泌毒素和其他刺激物質，引起泌乳組織腫脹和死亡。發生病變的泌乳組織會產生一些物質，引起乳房血管的通透性增加，促進PMN穿過血管壁進入到感染部位[8]。大腸桿菌等革蘭陰性菌在死后釋放出來的內毒素，也會促使PMN快速進入乳汁。PMN是炎癥早期乳腺中的主要細胞，具有吞噬細菌的作用。在健康奶牛的乳腺白細胞中，PMN含量約占10%，但在患乳房炎的奶牛乳腺白細胞中，PMN含量可高達90%[9]。PMN、血清補體、血液和組織液進入乳腺后，會引起炎癥反應。炎癥有時比較輕微，有時則會產生明顯的臨床癥狀。發生嚴重炎癥時，乳汁中的血液蛋白成份增加，隨著大量PMN進入乳腺，可能會導致乳房發紅、腫脹或水腫、乳汁呈水樣并含有凝塊和血紅細胞等癥狀。血液流通不暢也會導致乳房的局部對病原微生物的抵抗力下降，更容易發生感染，加劇乳房炎癥反應和機能障礙[10-11]。

在泌乳早期，PMN進入乳房的速度很慢，是導致重度大腸菌乳房炎的發病率比較高的原因之一。另外，有些腺泡雖然充滿了PMN，但并未出現嚴重的炎癥反應，這是因為大量PMN和其他血液成份進入感染區域后，常常可以消滅細菌，這也是多數乳腺感染能夠很快被清除的原因。但是，如果初期的炎癥反應和PMN滲入不能清除入侵的細菌，就會發展成慢性大腸菌乳房炎。

4.2 瘢痕的形成 在穿過血管、腺泡、導管和乳池部位的內皮組織并移行到感染部位的過程中，PMN會釋放出一些酶，損害局部泌乳細胞，使腺泡變成永久性的瘢痕組織(纖維化)。瘢痕組織由巨噬細胞和成纖維細胞組成，巨噬細胞起到限制和殺死細菌的作用，成纖維細胞產生膠原蛋白或結締組織。形成瘢痕組織是機體的一種有效防御機制，它可以將細菌感染限制在一個部位，但它也會阻止藥物進入感染灶而無法發揮抗菌或殺菌作用，這也是抗生素對金黃色葡萄球菌感染等的治愈率比較低的原因[12]。如果感染部位始終有細菌存在，而PMN又無法限制其增殖，周圍的組織就會不斷受到侵害。這種情況下，動物機體會啟動隔離機制，由大量白細胞包圍病灶，使瘢痕組織發展成膿腫，導致感染區域的乳腺組織喪失產乳功能。有時，細菌也會從這些膿腫中逃逸出來并感染周圍的乳腺組織，導致更多的膿脹和不可逆的乳腺組織損傷。隨著病灶的不斷增多，會有更大面積的正常乳腺組織被瘢痕組織所取代，并永久地失去了正常的生理功能。有時，膿腫變大，甚至發展成組織腫塊，觸摸乳房側壁就可以感覺到。

4.3 泌乳的停止 入侵的病菌會損壞泌乳組織，導致其泌乳功能減退或完全喪失。金黃色葡萄球菌可以釋放有害毒素和其他細胞代謝副產物，對泌乳組織的損害程度比無乳鏈球菌更大。感染區域的組織碎片、白細胞和細菌會形成的凝塊，堵塞泌乳組織的泌乳導管。匯集在腺泡中的乳汁對泌乳細胞產生壓力，使泌乳細胞轉變為靜止狀態，不再泌乳。主要感染乳區底部泌乳導管的無乳鏈球菌，還會造成導管內壁增厚，加重導管的堵塞程度，使乳汁無法流出，即無乳。如能及時采用有效的抗生素進行治療，消滅病菌，炎癥在幾天內就會消退。另外，如能在擠奶過程中保證乳房得到正確的刺激和徹底排空，凝塊就會被清除，導管被疏通后，牛奶組分即會恢復正常。急性大腸桿菌感染偶爾也會導致感染乳區完全停止泌乳，但是這些乳區進入下一個泌乳期時，泌乳功能也可能會恢復正常。受損乳區恢復泌乳能力的機制可能包括受損的泌乳細胞的自我修復、靜止的泌乳細胞重新泌乳、健康乳腺組織增強乳汁合成能力以補償受損組織泌乳能力等途徑。

4.4 壞疽的形成 在感染乳腺后，產α毒素的金黃色葡萄球菌有時會迅速增殖，它們釋放的α毒素能夠引起血管收縮，并形成大量血凝塊，切斷感染灶的血液供應，造成組織壞死。壞死組織經腐敗菌分解后產生硫化氫，硫化氫與血紅蛋白中分解出來的鐵結合后形成硫化鐵，使壞死組織呈黑色，即壞疽。臨床檢查可見患區皮膚出現藍斑，皮溫變涼，皮膚滲出血清。出現壞疽的特急性乳房炎不僅會導致乳區功能喪失，有時還會引起奶牛死亡。感染過金黃色葡萄球菌的牛會產生特異性抗體，進入乳汁中的抗體通常能預防壞疽性乳房炎，但是不能消除感染。

4.5 全身反應 大腸桿菌、克雷伯菌等革蘭陰性菌產生的內毒素在誘發乳房炎的同時，通常也會導致奶牛發熱和全身反應，偶爾也會導致死亡，發病程度主要取決于細菌的毒力和乳腺的抗病力[13]。對于超急性乳房炎病例，如果內毒素和其他炎癥因子(細胞因子)進入了血液循環，就可能發生全身反應(毒血癥)，牛奶呈水樣、黃色，奶中有絮片和凝塊，產奶量大幅下降[14]。

5 小結

奶牛乳房炎病原菌突破乳頭管屏障感染乳腺后，會誘發乳房炎，導致腺泡上皮細胞的泌乳能力和產量奶下降。奶牛的PMN會聚集至病原菌感染部位，通過吞噬作用殺滅病菌以遏制感染，但有時也無法抑制細菌的繼續增殖。凝乳酶陰性葡萄球菌對泌乳組織的致病力低于金黃色葡萄球菌，但是凝乳酶陰性葡萄球菌的流行非常廣泛，而且會導致體細胞數顯著升高。無乳鏈球菌感染可以損害泌乳組織，導致產奶量顯著下降，而且很容易在牛場內傳播，但是該菌對大多數乳房灌注的藥物敏感，因此比較容易凈化[15]。大腸菌容易感染體細胞數低的乳區，所以在努力降低牛場體細胞數的同時一定要特別注意預防大腸菌性乳房炎。