Tài liệu về Miễn dịch học cá xương.
1 MIỄN DỊCH HỌC CÁ XƯƠNG I. Các Mô và Cơ Quan Tham Gia Vào Hệ Thống Miễn Dịch 1.1 Hàng rào bảo vệ đầu tiên Da của cá là một hàng rào bảo vệ khỏi các tác nhân gây bệnh xâm nhập từ bên ngoài. Nhớt trên da cá có chức năng loại thải những vật lạ, cùng với nhớt mang và ruột, chúng chứa các chất kháng khuẩn như lysozyme, bổ thể, protein C phản ứng (C re-active protein, một chỉ số để nhận biết tình trạng viêm nhiễm của cơ thể; Do gan tiết ra, khi có viêm thì nó được tiết ra nhiều hơn), lectins và các globulin miễn dịch (Fletcher, 1982; Ellis, 1989; Yano, 1996). Một khi đã vượt qua được hàng rào bảo vệ, mầm bệnh phải đối chọi với hệ thống phòng vệ của bạch cầu bao gồm bạch cầu đơn nhân, bạch cầu hạt và các tế bào gây độc không đặc hiệu cùng với bạch huyết bào của hệ tuần hoàn máu trong đáp ứng thể dịch đặc hiệu. Các loại bạch cầu có ở cá nhìn chung tương tự như động vật hữu nhũ mặc dù có một ít khác biệt nhỏ về hình dạng giữa các loài cá khác nhau hoặc giữa cá và động vật hữu nhũ đặc biệt là sự khác biệt về loại bạch cầu hạt hiện diện (Ellis, 1977; Rowley và ctv., 1988; Hine, 1992). Ở cá, tiểu cầu có vai trò trong quá trình đông máu và cầm máu tương tự như ở động vật hữu nhũ. 1.2 Các cơ quan lympho Tương tự như trên động vật hữu nhũ, chúng bao gồm mô tạo máu: mô chứa các tế bào máu trắng (bạch cầu) và tế bào máu đỏ (hồng cầu) được tạo thành từ các tế bào mầm. Vị trí của các cơ quan lympho ở cá có phần không giống với động vật hữu nhũ. Chẳng hạn, ở động hữu nhũ tủy xương là mô tạo máu quan trọng và là cơ quan lympho quan trọng nhất trong sự phát triển các tế bào B. Tuy nhiên cơ quan này không hiện diện ở cá mà thay bằng các cơ quan có chức năng tương tự như lách, thận. Cơ quan lymphô trung ương của động vật có vú bao gồm tuỷ xương, nơi sản xuất ra toàn bộ tế bào lymphô, và tuyến ức, nơi tế bào T trưởng thành và đạt đến giai đoạn phát triển chức năng đầy đủ. Cơ quan và mô lymphô ngoại biên bao gồm hạch bạch huyết, lách, hệ thống miễn dịch da và hệ thống miễn dịch niêm mạc. Cá không có tủy xương và hệ thống hạch bạch huyết. Thay vào đó, chúng có các cơ quan lympho khác như: tuyến ức, thận, lách và các mô miễn dịch niêm mạc. 2 * Cơ quan lympho trung ương (Cơ quan lympho sơ cấp) Tuyến ức Ở tất cả động vật có xương sống có hàm, tuyến ức là cơ quan đóng vài trò quan trọng. Ở cá, sự phát triển của tuyến ức bắt đầu bằng sự dầy lên của mô biểu mô thuộc phần lưng trước hầu. Tuyến ức là cơ quan đầu tiên có được các tế bào lympho trưởng thành trong sự hình thành mô của hệ thống lympho. Điều này có thể thấy được ở cá chép, hồi, rô phi. Tuyến ức đóng vai trò ban đầu, tương tự như ở động vật có xương sống bậc cao, trong việc phóng thích các tế bào lympho trưởng thành từ tuyến ức đến các vùng ngoại biên. * Cơ quan lympho ngoại biên (Cơ quan lympho thứ cấp) Thận Thận trước là cơ quan tạo máu quan trọng và về mặt hình thái thì tương tự như tủy xương của động vật có xương sống bậc cao (Meseguer và ctv., 1995). Thận trước cũng đồng thời là một cơ quan lympho thứ cấp, cơ quan tương tự hạch lympho, đóng vai trò quan trọng trong việc kích thích và phát sinh các đáp ứng miễn dịch (Kaattari và Irwin, 1985). Phần thận trước là nơi sản xuất kháng thể chủ yếu và sự tích tụ các đại thực bào sắc tố đen (melanomacrophages) của các mô mềm có khả năng giữ kháng nguyên trong một thời gian dài sau khi được tiêm chủng vaccine (Lamers và de Haas, 1985; Herraez và Zapata, 1986; Tsujii và Seno, 1990; Brattgjerd và Evensen, 1996), điều này cho thấy thận trước có thể có vai trò trong ghi nhớ miễn dịch. Lách Lách được chia thàng 2 phần: phần tủy đỏ và phần tủy trắng. Phần tủy đỏ chiếm phần lớn lách (Grace và Manning, 1980; Secombes và Manning, 1980), chứa mạng các tế bào lưới hỗ trợ các mao mạch hình sin (sinusoids) chứa đầy máu, các mao mạch hình sin này giữ lại nhiều loại tế bào khác nhau như đại thực bào và bạch cầu. Phần tủy trắng thường ít phát triển và được chia thành 2 khoang: khoang tích đọng các đại thực bào sắc tố đen và khoang khối hình bầu dục. Các trung tâm của đại thực bào sắc tố đen của thận là những vùng chính của sự phá hủy hồng cầu và thường được xem như là các kho trao đổi chất. Khả năng giữ kháng nguyên của trung tâm đại thực bào sắc tố đen trong một thời gian dài, ở trạng thái phức hợp miễn dịch, được so sánh với các trung tâm mầm ở động vật có xương sống bậc cao. Khoang khối hình bầu dục có chức năng chuyên dụng trong việc lọc huyết thanh và bắt giữ các kháng nguyên (vật lạ) đến từ máu, đặc biệt là các phức hợp miễn dịch (Ellis, 1980; Secombes và Manning, 1980; Espenes và ctv., 1995b). Các kháng nguyên đến từ máu được giữ lại tại vị trí vách của khối bầu dục và được thu giữ bởi các quần thể đông đúc các đại thực bào xung quanh các mao mạch của khối bầu dục này. 3 1.3 Các tổ chức/mô lympho liên kết niêm mạc Mô liên kết niêm mạc ở cá xương bao gồm mô niêm mạc ruột, da và mang. Các mô niêm mạc này, với lớp nhầy và mạng lưới các cơ chế phòng vệ không đặc hiệu, được phơi bầy ra môi trường bên ngoài và tạo thành hàng rào ban đầu ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân gây bệnh (Dalmo và ctv., 1997). Cá xương không có các mô lympho liên kết niêm mạc ruột có tổ chức như các phiến Peyer của động vật hữu nhũ nhưng mô lympho liên kết niêm mạc ruột cá xương chứa quần thể các bạch cầu, bao gồm các đại thực bào, tế bào lympho, tế bào hạt/tế bào mast/dưỡng bào (mast cell), bạch cầu hạt (granulocyte) và các tế bào huyết tương (tương bào) (Georgopoulou và Vernier, 1986). Ở cá Chép, đoạn ruột sau chứa nhiều đại thực bào nội biểu mô hơn đoạn ruột trước. Vị trí này được coi là là vùng miễn dịch quan trọng ở cá xương (Rombout và Van den Berg, 1989). Các kháng nguyên khi đến phần ruột sau sẽ được chuyển đến các đại thực bào nội biểu mô. Điều này cho thấy niêm mạc ruột có chức năng trình diện và sản xuất kháng nguyên. Những nghiên cứu gần đây trên cá Hồi cho thấy phần ruột trước có khả năng hấp thu các đại phân tử và phóng thích chúng vào trong vòng tuần hoàn (O’Donnell và ctv., 1994; Dalmo và Bøgwald, 1996). Bạch cầu và các tương bào cũng hiện diện ở niêm mạc da và mang. Các kháng nguyên cũng được giữ lại bởi các biểu bô của các cơ quan này (Lobb, 1987; Iger và Wendelaar Bonga, 1994; Davidson và ctv., 1997; Lin và ctv., 1998; Moore và ctv., 1998). Tuy nhiên, khả năng xử lý kháng nguyên của niêm mạc da và mang chưa được nghiên cứu nhiều mặc dù có sự hiện diện của các tế bào có khả năng đáp ứng miễn dịch ở các cơ quan này (Rombout và ctv., 1993). II. Các Đáp ứng Miễn Dịch Không Đặc Hiệu 2.1 Sự phòng vệ của tế bào Sự viêm và thực bào Phản ứng viêm với sự tham gia của bạch cầu hạt, bạch cầu đơn nhân/đại thực bào và tế bào lympho xảy ra ở cá như một sự phản ứng lại các thương tổn gây ra bởi sự nhiễm trùng do vi khuẩn, virus, nấm, nguyên sinh động vật và ký sinh trùng. Trạng thái đầu tiên của phản ứng viêm bao gồm sự gia tăng việc cung cấp máu đến chỗ bị tổn thương, theo sau bằng việc gia tăng tính thấm của của mao mạch và sự di chuyển của bạch cầu từ máu đến các mô xung quang vùng bị tổn thương. Bạch cầu hạt trung tính (neutrophil) là các tế bào đầu tiên tập trung đến đây, theo sau là sự đổ vào (influx) của bạch cầu đơn nhân và tế bào lympho. Sự tập trung của các bạch cầu trung tính tại vị trí viêm xảy ra rất nhanh, trong vòng 1 giờ sau khi nhận được những kích thích đầu tiên, và đạt cực đại sau khoảng 2 giờ. Sự gia tăng số lượng các bạch cầu này có được là do sự tập trung từ các nguồn và và trí khác nhau chứ không phải do các tế bào phân chia. Các hoạt động kháng khuẩn của các thực bào (bạch cầu trung tính và đại thực bào) tạo ra các phản ứng tức thời của vật chủ đối với sự xâm nhập của các tác nhân gây bệnh tiềm tàng, do đó tạo nên môi trường chống vi khuẩn giúp cho việc loại bỏ hoặc giới hạn sự lan rộng của tác nhân 4 gây bệnh. Thực bào ở cá có khả năng tiêu diệt vi khuẩn rất cao (Whyte và ctv., 1989). Cả bạch cầu trung tính (MacArthur và Fletcher, 1985) và đại thực bào hoạt động như những tế bào thực hiện hiệu quả trong việc tiêu diệt trực tiếp các mầm bệnh. Đại thực bào đồng thời cũng đóng vai trò kết hợp với tế bào lympho trong việc trình diện kháng nguyên và tiết cytokine. Cách thức các thực bào ở cá được kích hoạt rất giống ở động vật xương sống bậc cao. Quá trình thực bào được tiến hành qua các giai đoạn: nhận diện kháng nguyên lạ; gắn kết với kháng nguyên; bao vây (engulfment) kháng nguyên; tiêu diệt và tiêu hóa. Quá trình thực bào ở cá được tăng cường bởi các opsonin như lectin, protein C phản ứng, bổ thể và các kháng thể. Các chất này sẽ bao phủ lên các vi sinh vật giúp cho các đại thực bào, mang các thụ thể có khả năng gắn kết các opsonin, dễ dàng tiêu hóa chúng (Sakai, 1992). Các tế bào gây độc không đặc hiệu (Non-specific cytotoxic cells) Được phát hiện trong máu, dịch màng bụng, tuyến ức, lách và thận. Chúng là các tế bào có kích thước nhỏ và không có tính thực bào với ít tế bào chất và không chứa hạt tế bào chất. Chúng có chức năng tượng tự như các tế bào giết tự nhiên (Natural killer cells) ở động vật hữu nhũ bao gồm việc tiêu diệt các tác nhân gây bệnh là nguyên sinh động vật mà không cần quá trình tiếp xúc trước đó. 2.2 Các yếu tố dịch thể không đặc hiệu Ở cá, một số các yếu tố thể dịch không đặc hiệu tham gia vào việc tăng cường khả năng kháng bệnh tự nhiên của cá. Chúng hoạt động theo nhiều cách khác nhau với mục đích kiềm chế sự tăng trưởng và lan truyền của các tác nhân gây bệnh. Một trong số những yếu tố được nghiên cứu nhiều nhất là một loạt các protein có trong huyết thanh hay còn được biết như là các bổ thể. Bổ thể Bổ thể chịu trách nhiệm điều hòa các phản ứng viêm, opsonin hóa các tiểu thể và phân giải màng tế bào. Bổ thể thứ 3 (C3) trong loạt các bổ thể là thành phần quan trọng của hệ thống bổ thể. Bổ thể C3 hiện diện ở tất cả các động vật có xương sống. Sự kích hoạt bổ thể này có thể được thực hiện hoặc bằng con đường trao đổi lựa chọn (Alternative pathway) hay còn được gọi là con đường độc lập với kháng thể (Antibody-independent pathway) hoặc bằng con đường cổ điển (Classical pathway), tức là phụ thuộc vào kháng thể. Hệ thống bổ thể ở cá về cơ bản là giống với hệ thống bổ thể của động vật có xương sống bậc cao. Hệ thống bổ thể ở cá hồi có sự hiện diện của cả hai con đường kích hoạt này và chúng chứa các thành phần tương tự với C3 và C5 ở động vật hữu nhũ về mặt cấu trúc và chức năng (Nonaka và ctv., 1981; Koppenheffer, 1987). C3b là yếu tố kích thích sự thực bào (opsonin) chủ yếu ở cá cũng như ở động vật hữu nhũ và các thụ thể của bổ thể đã được chứng minh trên đại thực bào và bạch cầu trung tính của nhiều loài cá xương (Yanno, 1996). Một số nghiên cứu cho thấy quá trình opsonin hóa bị tác động bởi chỉ một mình bổ thể trong khi một số nghiên cứu khác cho thấy sự hiện diện của kháng thể là cần thiết (Matsuyana và ctv., 1992). Cũng giống như ở động vật hữu nhũ, hệ thống bổ thể ở cá xương tạo nên một phức hợp tấn công màng tận cùng (Terminal membrane attack complex) để gây nên sự phân giải tế bào đích (Nonaka và ctv., 1984). 5 Phức hợp này đã được miêu tả trong những nghiên cứu trên cá nheo Mỹ với việc sử dụng kính hiển vi điện tử. Những nghiên cứu này cho thấy phức hợp này được tạo ra thông qua con đường bổ thể trao đổi lựa chọn, có lẽ do bởi các thành phần hoạt động trễ (late-acting components) C5b đến C9 dẫn đến sự phân giải tế bào (Jenkins và ctv., 1991). Các yếu tố dịch thể không đặc hiệu khác Các yếu tố thể dịch không đặc hiệu của hệ miễn dịch cá xương bao gồm cytokines và các chất hòa tan: - Lysozyme: là enzyme tìm thấy trong huyết thanh, dịch nhầy và trứng cá. Enzyme này cũng được liên kết với các bạch cầu và các mô chứa nhiều bạch cầu. Bạch cầu và các mô chứa nhiều bạch cầu được cho là nguồn lyzozyme (Fletcher và White, 1973a). Lysozyme tác động lên thành phần peptidoglycan của thành tế bào vi khuẩn, đặc biệt là ở vi khuẩn G+, gây nên sự phân giải bởi hoạt động của enzyme muramidase (một loại lysozyme). Nó cũng có thể hoạt động giống như một opsonin (Salton, 1957). Trong trường hợp vi khuẩn G-, lysozyme có thể trở nên có hiệu lực sau khi bổ thể và các enzyme khác đã phá vỡ màng tế bào bên ngoài làm phơi bầy lớp peptidoglycan bên trong. - Protein C phản ứng: là một protein phổ biến trong huyết thanh, hàm lượng protein này sẽ gia tăng đáng kể khi có sự phơi nhiễm với nội độc tố của vi khuẩn. Nó là một protein pha cấp tính (Acute-phase protein) liên hệ với các đáp ứng ban đầu đối với sự tổn thương của mô hoặc sự nhiễm trùng. Đặc điểm của protein này là khả năng liên kết phụ thuộc ion Ca2+ của nó với các phân tử chứa phosphocholine. Những phân tử này thường thấy ở thành tế bào của các vi sinh vật lạ xâm nhập. Protein này sử dụng chức năng phòng vệ của nó thông qua khả năng gắn kết lên bề mặt của vi khuẩn và khởi sự quá trình kích hoạt của hệ thống bổ thể. Vd: chúng hoạt động như một opsonin (Nakanishi và ctv., 1991) - Lectins: liên quan đến sự ngưng kết vi sinh vật hoặc sự kết tủa các chất hòa tan. Chúng là các protein hoặc glycoprotein có nguồn gốc không có tính miễn dịch và được nhận biết bởi khả năng tương tác với các carbohydrate. Với đặc điểm này, chúng được xem là các phân tử nhận diện (Yano, 1996). Ở cá, lectins hiện diện ở trứng và nhớt da, nơi mà chúng hoạt động như một hàng rào bảo vệ đối với sự xâm nhập bề mặt của vi khuẩn. Chúng cũng hiện diện trong huyết thanh (Haeagglutinins), tuy nhiên chức năng của chúng trong trường hợp này chưa được hiểu rõ, mặc dù trong huyết thanh động vật hữu nhũ thì chúng hoạt động như những opsonin. - Transferrin: là 1 glycoprotein liên kết với sắt. Sắt là một nguyên tố quan trọng cần thiết cho sự tăng trưởng của vi sinh vật và do đó transferrin hoạt động bằng cách sử dụng khả năng liên kết mạnh của chúng với sắt để ức chế sự phát triển của vi sinh vật bằng cách cô lập chất dinh dưỡng thiết yếu này. - Anti-proteases: là những chất ức chế enzyme, hoạt động theo cách trung hòa các ngoại độc tố protease được tạo ra bởi vi sinh vật. Các anti-protease được tìm thấy ở cá 6 bao gồm chất đồng đẳng của α2-macroglobulin trên động vật hữu nhũ được phân lập từ cá Bơn (Starkey và ctv., 1982) và một protein tương tự α1-antitrypsin ở cá Tuyết (Hielmeland, 1983). Trên cá Hồi, α2-macroglobulin cho thấy có khả năng ức chế hoạt động phân giải protein của protease ở vi khuẩn Aeromonas salmonicida, điều này cho thấy vai trò của α2-macroglobulin trong việc phòng vệ chống lại sự lây nhiễm của vi khuẩn này (Ellis, 1987). - Interferins: tạo nên một họ protein không đồng dạng để tạo nên sự bảo vệ chống lại sự lây nhiễm của virus. Chúng gồm 3 nhóm: interferon α, β và γ. Interferon α và β được tạo ra trong các tế bào nhiễm virus và có thể là bất kỳ loại tế bào nào có khả năng sản sinh ra chúng. Trong khi đó, sự sản xuất interferon γ thì độc với các tế bào trên, interferon γ là một cytokine được tạo ra bởi các tế bào T. Interferon α và β có thể được tổng hợp ở cá, hoặc bằng con đường in vivo hoặc bằng cách nuôi cấy tế bào, sau khi bị nhiễm bởi các loại virus gây bệnh khác nhau (De Sena và Rio, 1975; De Kinkelin và ctv., 1982; Dorson và ctv., 1992). Các interferon hiện diện để tham gia vào các cơ chế dẫn đến sự loại thải sự nhiễm bệnh do virus (Renault và ctv., 1991) - Eicosanoids: bao gồm prostaglandin, thromboxane và leukotriene. Eicosanoids được phóng thích bởi các bạch cầu của cá bao gồm đại thực bào, bạch cầu trung tính và tiểu cầu. Chúng có những tác động gây viêm mạnh (potent proinflammatory) và tham gia vào nhiều quá trình sinh lý bao gồm sự cầm máu, điều hòa miễn dịch và sự viêm. Leukotriene và lipoxin có thể làm gia tăng sự thực bào và hoạt động như các chất hấp dẫn hóa học đối với các bạch cầu trung tính (Rowley, 1991; Secombes, 1996). . Thực bào ở cá có khả năng tiêu diệt vi khuẩn rất cao (Whyte và ctv., 1989). Cả bạch cầu trung tính (MacArthur và Fletcher, 1985) và đại thực bào hoạt động. (Classical pathway), tức là phụ thuộc vào kháng thể. Hệ thống bổ thể ở cá về cơ bản là giống với hệ thống bổ thể của động vật có xương sống bậc cao. Hệ