奶牛乳房炎的发病机制

吴文学，李秀波，王 瑞，王朋朋，田欣睿，张海燕，焦晓宇，李金祥

(1.中国农业大学动物医学院 , 北京海淀100193 ； 2. 中国农业科学院饲料研究所 , 北京海淀100083 ； 3. 北京市昌平区动物疫病预防控制中心，北京昌平102200 ； 4. 中国农业科学院 , 北京海淀100083)

奶牛乳房炎是指奶牛的乳腺在受到物理、化学、微生物等刺激时所产生的一种炎性变化，常导致产奶量下降，牛奶质量变差，由于发病率较高，给奶牛养殖业带来的巨大经济损失。为了便于兽医工作者和养殖者了解奶牛乳房炎的发病机制，做好乳房炎的防治工作，本文从奶牛乳房生理学、病原入侵、乳腺感染、乳腺组织产生炎症和组织病理变化等方面对常见病原菌的致病机制进行了总结和分析。

1 奶牛乳腺生理学

乳头管是外部病原进入乳房的唯一途径，向上连接乳池，向下在乳头末端开口。在正常生理条件下，乳头管内壁的鳞片状上皮细胞不断剥离和脱落，形成角蛋白，角蛋白沉聚在乳头管的管腔中，封堵管腔，阻止外部的病原侵入。另外，角蛋白中的一些蛋白质和脂类成份也会对某些微生物有抗菌作用。奶牛进入泌乳期后，在挤奶过程中乳汁会冲刷掉一部分沉积在乳头管的角蛋白，但是从乳头管内壁新脱落下来的上皮细胞及细胞成份会沉积下来，替换被冲刷下去的那部分角蛋白。

乳头管腔由纵向平滑肌纤维环绕，这些平滑肌纤维构成乳头括约肌，能够在非泌乳期间保持乳头管的闭合状态，防止乳汁从乳腺中流出来，并且能够紧紧地挤压着乳头管的角蛋白以防止病原侵入。挤奶时，乳头括约肌由收缩变为松弛，牛奶即可流出。如果乳头括约肌软弱无力，会导致乳头“外翻”或“外露”，虽然排乳速度变快了，但也更容易发生乳房炎。

2 病原入侵

一旦细菌等微生物通过乳头管进入乳区，就会在乳头池和乳腺池中定殖，然后向上进入泌乳组织，引起乳腺感染或乳房炎。在不同的饲养和生产阶段，病原可通过不同途径侵入乳房。

2.1 挤奶时入侵 在挤奶过程中，病原微生物可以通过“逆流回冲机制”侵入乳头管。逆流回冲机制是指在挤奶杯内衬滑落下来或其他原因导致短奶管突然进气时，含有细菌的乳滴就会被逆向回吸到集乳器中，再经集乳器辅助入口加速回吸到短奶管末端，在惯性作用下冲向乳头末端，它是老式挤奶器引发乳房炎的常见原因。通过增加短管奶直径和集乳器容积、采用防滑内衬、降低过度挤奶和增加挤奶动作的轻柔程度等改进措施，新型挤奶器性能大幅提高，逆流回冲问题已得到明显改善。

在多数奶业发达的国家，传染性病原引起的乳房感染率不断下降，而环境性病原引起的乳房感染率则显著上升。在挤奶时，乳房皮肤表面的这些环境性病原会粘附到挤奶杯的内衬。脱杯时，内衬上的病原就有可能混入到乳头表面残余的乳汁中，并在重力的作用下汇集到乳头口。脱杯后，乳头管仍会维持扩张状态并且乳头口也会维持开放状态长达1 h或1 h以上[1]，此时的乳头管就像一个毛细吸管，会将乳头口处含有细菌的残留乳汁吸入乳头管内，再吸入到乳腺内。另外，在挤奶后乳头管扩张和开放的这段时间内，如果奶牛躺卧在泥土、粪便或有病原污染的垫料上，病原微生物也会通过乳头管直接侵入乳房。而且每经过一个泌乳期，乳导管都会变粗，病原的入口和通道变大，也使病原入侵的机会增加[2]。因此，挤奶后要及时给乳头消毒和喂料，让奶牛保持站立姿势，这对于防止病原入侵非常重要。

2.2 挤奶间歇期入侵 在2次挤奶的间歇期，乳头会频繁接触环境性致病菌，导致乳头皮肤上的菌量不断增加，病原入侵乳房的机率相应增加。在奶牛运动时，乳头括约肌受到不断变化的多种力的影响，也会促进病菌侵入乳头管，在管腔内增殖，甚至还有可能上行进入乳腺。为了减少乳头皮肤上的环境性致病菌的数量，可在挤奶前对乳头进行药浴，以杀灭和清除大部分细菌[3-4]。

2.3 干乳期入侵 进入干乳期的奶牛，由于不再进行乳房清洗和乳头药浴，乳头皮肤上的病原数量会明显增加。同时，也不再有挤奶时形成的乳流冲刷作用，乳头管腔内的病菌更容易增殖并侵入乳腺[5]。另外，乳房内压上升会使乳头管扩张，也有利于病菌的入侵。到了干乳中期，乳房内压下降，乳头管内会形成角蛋白栓，抵抗病菌入侵的能力增强。

2.4 给药时入侵 在乳房灌注给药过程中，也有可能将微生物带入乳头管。尽管挤奶后乳头末端看起来很干净，但乳头口和乳头管一般都会被乳房炎致病菌污染。如果在给药前不对乳头口周围消毒，注药管就会将病菌经乳头管带入到乳腺池中，当这些细菌对注入的抗生素产生耐药性，就会在已有感染的基础上产生新的感染。因此，在灌注给药前，必须用酒精棉对乳头末端进行消毒。此外，注药时，如果将注药管全部插入，则会导致乳头管管腔扩张，将保护性角蛋白层挤压到管腔侧壁，甚至延伸到乳池内，极易诱发细菌感染[6]。因此，建议只将注药管的一部分插入乳头管，使其进入乳头管末端2～3 mm，以保护乳头末端的组织结构，减少细菌的入侵。

3 乳腺感染的形成机制

侵入乳头的病菌会通过各种机制抵抗乳流的机械性冲刷清除作用和宿主的免疫清除作用，定植在乳腺内皮组织，形成乳腺感染。对乳腺内皮组织的粘附作用，直接影响病菌在乳腺中的存活能力。无乳链球菌和金黄色葡萄球菌能够很好地粘附在乳池内皮组织上，而大肠杆菌粘附力较差，但它在体细胞数较低的乳区中能够快速增殖[7]。入侵的细菌与牛乳中的白细胞(血液白细胞或体细胞)之间的相互作用也会影响感染的形成以及感染的进程。白细胞的功能之一是吞噬和杀伤细菌，如果白细胞消灭了所有的细菌，即可清除感染。但是，如果不能全部消灭细菌，存活的细菌就会形成慢性感染。在泌乳期间，在体细胞数较低的乳区内，侵入的大肠菌会无限制地生长，因此，这种乳区的大肠菌感染最为常见。

入侵的细菌与脱落的乳腺上皮组织碎片、乳汁中的白细胞等会凝聚成团块，堵塞泌乳导管，有助于将感染限制在一定区域。然而，如果堵塞的泌乳导管被疏通，细菌就会传播到乳腺的其他区域。通过这种方式，就会在不同的泌乳区之间形成持续的循环感染。有些情况下，细菌也可能从脓肿中逃逸出来并感染周围组织。

在干乳早期，吞噬细胞的主要作用是清除残余的牛奶组分和细胞碎片，对细菌的吞噬能力减弱，因此，干乳早期发生新感染的机率最大。在干乳中期，由于白细胞浓度和非特异性抗菌因子增加等原因，奶牛对乳房炎的抗病力增加，发生新感染的机率降低。在母牛开始产犊并分泌初乳时，乳腺分泌物中非特异性免疫因子的浓度降低，初乳中干扰白细胞功能的组份增加[5]。同时，分娩还会引起生理性应激反应。因此，尽管初乳中白细胞的浓度升高，分娩后早期奶牛的乳腺仍然比较容易发生新的病原感染。另外，大多数干乳期新发生的病原感染会持续到下一个哺乳期，并且在分娩时或分娩后不久即会诱发临床型乳房炎。

4 泌乳组织病理反应机制

4.1 炎症反应的产生 感染初期，细菌只对大的集乳导管和乳池的内皮组织产生较小面积的组织损伤。在显微镜下检查这些受损部位时，可以在组织内表面发现有穿孔，也可以见到正通过穿孔处的多核嗜中性粒细胞(PMN)和奶中的凝块。随后，通过不断增殖和奶牛运动时产生的乳流，病菌会进入小导管和乳腺下端的腺泡区，通过分泌毒素和其他刺激物质，引起泌乳组织肿胀和死亡。发生病变的泌乳组织会产生一些物质，引起乳房血管的通透性增加，促进PMN穿过血管壁进入到感染部位[8]。大肠杆菌等革兰阴性菌在死后释放出来的内毒素，也会促使PMN快速进入乳汁。PMN是炎症早期乳腺中的主要细胞，具有吞噬细菌的作用。在健康奶牛的乳腺白细胞中，PMN含量约占10%，但在患乳房炎的奶牛乳腺白细胞中，PMN含量可高达90%[9]。PMN、血清补体、血液和组织液进入乳腺后，会引起炎症反应。炎症有时比较轻微，有时则会产生明显的临床症状。发生严重炎症时，乳汁中的血液蛋白成份增加，随着大量PMN进入乳腺，可能会导致乳房发红、肿胀或水肿、乳汁呈水样并含有凝块和血红细胞等症状。血液流通不畅也会导致乳房的局部对病原微生物的抵抗力下降，更容易发生感染，加剧乳房炎症反应和机能障碍[10-11]。

在泌乳早期，PMN进入乳房的速度很慢，是导致重度大肠菌乳房炎的发病率比较高的原因之一。另外，有些腺泡虽然充满了PMN，但并未出现严重的炎症反应，这是因为大量PMN和其他血液成份进入感染区域后，常常可以消灭细菌，这也是多数乳腺感染能够很快被清除的原因。但是，如果初期的炎症反应和PMN渗入不能清除入侵的细菌，就会发展成慢性大肠菌乳房炎。

4.2 瘢痕的形成 在穿过血管、腺泡、导管和乳池部位的内皮组织并移行到感染部位的过程中，PMN会释放出一些酶，损害局部泌乳细胞，使腺泡变成永久性的瘢痕组织(纤维化)。瘢痕组织由巨噬细胞和成纤维细胞组成，巨噬细胞起到限制和杀死细菌的作用，成纤维细胞产生胶原蛋白或结缔组织。形成瘢痕组织是机体的一种有效防御机制，它可以将细菌感染限制在一个部位，但它也会阻止药物进入感染灶而无法发挥抗菌或杀菌作用，这也是抗生素对金黄色葡萄球菌感染等的治愈率比较低的原因[12]。如果感染部位始终有细菌存在，而PMN又无法限制其增殖，周围的组织就会不断受到侵害。这种情况下，动物机体会启动隔离机制，由大量白细胞包围病灶，使瘢痕组织发展成脓肿，导致感染区域的乳腺组织丧失产乳功能。有时，细菌也会从这些脓肿中逃逸出来并感染周围的乳腺组织，导致更多的脓胀和不可逆的乳腺组织损伤。随着病灶的不断增多，会有更大面积的正常乳腺组织被瘢痕组织所取代，并永久地失去了正常的生理功能。有时，脓肿变大，甚至发展成组织肿块，触摸乳房侧壁就可以感觉到。

4.3 泌乳的停止 入侵的病菌会损坏泌乳组织，导致其泌乳功能减退或完全丧失。金黄色葡萄球菌可以释放有害毒素和其他细胞代谢副产物，对泌乳组织的损害程度比无乳链球菌更大。感染区域的组织碎片、白细胞和细菌会形成的凝块，堵塞泌乳组织的泌乳导管。汇集在腺泡中的乳汁对泌乳细胞产生压力，使泌乳细胞转变为静止状态，不再泌乳。主要感染乳区底部泌乳导管的无乳链球菌，还会造成导管内壁增厚，加重导管的堵塞程度，使乳汁无法流出，即无乳。如能及时采用有效的抗生素进行治疗，消灭病菌，炎症在几天内就会消退。另外，如能在挤奶过程中保证乳房得到正确的刺激和彻底排空，凝块就会被清除，导管被疏通后，牛奶组分即会恢复正常。急性大肠杆菌感染偶尔也会导致感染乳区完全停止泌乳，但是这些乳区进入下一个泌乳期时，泌乳功能也可能会恢复正常。受损乳区恢复泌乳能力的机制可能包括受损的泌乳细胞的自我修复、静止的泌乳细胞重新泌乳、健康乳腺组织增强乳汁合成能力以补偿受损组织泌乳能力等途径。

4.4 坏疽的形成 在感染乳腺后，产α毒素的金黄色葡萄球菌有时会迅速增殖，它们释放的α毒素能够引起血管收缩，并形成大量血凝块，切断感染灶的血液供应，造成组织坏死。坏死组织经腐败菌分解后产生硫化氢，硫化氢与血红蛋白中分解出来的铁结合后形成硫化铁，使坏死组织呈黑色，即坏疽。临床检查可见患区皮肤出现蓝斑，皮温变凉，皮肤渗出血清。出现坏疽的特急性乳房炎不仅会导致乳区功能丧失，有时还会引起奶牛死亡。感染过金黄色葡萄球菌的牛会产生特异性抗体，进入乳汁中的抗体通常能预防坏疽性乳房炎，但是不能消除感染。

4.5 全身反应 大肠杆菌、克雷伯菌等革兰阴性菌产生的内毒素在诱发乳房炎的同时，通常也会导致奶牛发热和全身反应，偶尔也会导致死亡，发病程度主要取决于细菌的毒力和乳腺的抗病力[13]。对于超急性乳房炎病例，如果内毒素和其他炎症因子(细胞因子)进入了血液循环，就可能发生全身反应(毒血症)，牛奶呈水样、黄色，奶中有絮片和凝块，产奶量大幅下降[14]。

5 小结

奶牛乳房炎病原菌突破乳头管屏障感染乳腺后，会诱发乳房炎，导致腺泡上皮细胞的泌乳能力和产量奶下降。奶牛的PMN会聚集至病原菌感染部位，通过吞噬作用杀灭病菌以遏制感染，但有时也无法抑制细菌的继续增殖。凝乳酶阴性葡萄球菌对泌乳组织的致病力低于金黄色葡萄球菌，但是凝乳酶阴性葡萄球菌的流行非常广泛，而且会导致体细胞数显著升高。无乳链球菌感染可以损害泌乳组织，导致产奶量显著下降，而且很容易在牛场内传播，但是该菌对大多数乳房灌注的药物敏感，因此比较容易净化[15]。大肠菌容易感染体细胞数低的乳区，所以在努力降低牛场体细胞数的同时一定要特别注意预防大肠菌性乳房炎。