Mastitis
Patofizjologia i mechanizm
Mastitis, czyli zapalenie wymienia, to złożona choroba zapalna gruczołu mlekowego u bydła mlecznego, wywoływana głównie przez bakterie takie jak Staphylococcus aureus, Streptococcus agalactiae, Streptococcus dysgalactiae oraz bakterie gram-ujemne z rodziny Enterobacteriaceae. Patogeneza obejmuje adhezję bakterii do nabłonka, inwazję, unikanie odpowiedzi immunologicznej oraz tworzenie biofilmu, co utrudnia leczenie i sprzyja przewlekłości infekcji. W odpowiedzi na infekcję dochodzi do aktywacji zarówno wrodzonego, jak i adaptacyjnego układu odpornościowego, z udziałem neutrofili, makrofagów, cytokin prozapalnych (np. IL-1, IL-6, IL-10) oraz mediatorów zapalnych, które mogą uszkadzać barierę krew-mleko i tkankę gruczołu mlekowego. Mastitis występuje w formie klinicznej (z objawami takimi jak obrzęk, zaczerwienienie, ból i gorączka) oraz podklinicznej, rozpoznawanej głównie na podstawie podwyższonej liczby komórek somatycznych (SCC) w mleku.
Patogeneza mastitis (zapalenia wymienia)
Mastitis (zapalenie wymienia) to złożona choroba zapalna gruczołu mlekowego, która może dotykać wszystkie ssaki w okresie laktacji. Schorzenie to charakteryzuje się stanem zapalnym gruczołu mlekowego i tkanek wymienia, który najczęściej jest spowodowany inwazją drobnoustrojów, choć może też wynikać z urazów mechanicznych, chemicznych lub termicznych 12. Zapalenie wymienia stanowi jedno z najpoważniejszych wyzwań w hodowli bydła mlecznego, powodując ogromne straty ekonomiczne związane ze zmniejszoną produkcją mleka, jego gorszą jakością oraz kosztami leczenia 3.
Drogi zakażenia wymienia
Główną drogą wnikania patogenów do gruczołu mlekowego jest kanał strzykowy. Z nielicznymi wyjątkami, mastitis występuje, gdy mikroorganizmy przedostają się przez kanał strzykowy do gruczołu mlekowego 4. Pierwszą strukturą anatomiczną, z którą kontaktują się bakterie, jest koniec strzyku i kanał strzykowy 5. Zniszczenie warstwy keratynowej kanału strzykowego i rozszerzenie kanału po doju ułatwia wniknięcie mikroorganizmów do wymienia 6.
Zakażenie może nastąpić na dwa główne sposoby 7:
- Przez patogeny zakaźne (kontagiozne) – obecne w zakażonych krowach, przenoszone z krowy na krowę podczas doju (głównie Staphylococcus aureus, Streptococcus agalactiae, Streptococcus dysgalactiae) 8
- Przez patogeny środowiskowe – obecne w otoczeniu krów, przenoszone ze środowiska na krowy między dojami (głównie bakterie z grupy coli, Streptococcus uberis) 8
W przypadku patogenów zakaźnych, transmisja następuje głównie podczas doju, poprzez ręce dojarzy lub kubki udojowe maszyny do dojenia 4. Wyjątkiem są bakterie Mycoplasma spp., które mogą rozprzestrzeniać się drogą aerozolową i infekować wymię po bakteriemii 4.
Patogeny wywołujące mastitis
Niemal każdy mikroorganizm może oportunistycznie zaatakować kanał strzykowy i wywołać mastitis. Jednak większość infekcji powodują 4:
- Różne gatunki paciorkowców (i podobne gram-dodatnie ziarniaki)
- Gronkowce (szczególnie Staphylococcus aureus)
- Bakterie gram-ujemne, zwłaszcza organizmy z rodziny Enterobacteriaceae fermentujące laktozę (określane jako coliformy)
- Niezakaźne Staphylococcus (NAS – non-aureus staphylococci)
- Inne patogeny, takie jak grzyby, drożdże i glony (Prototheca spp.) 9
Staphylococcus aureus stanowi jeden z głównych patogenów powodujących mastitis u bydła, wywołując zarówno kliniczne, jak i podkliniczne zapalenie wymienia 10. Szczególnie niebezpieczne jest to, że infekcje S. aureus mogą przejść w stan chroniczny, co sprawia, że leczenie staje się bardzo trudne 11.
Mechanizm zapalenia wymienia
Fazy infekcji i czynniki wirulencji
Proces patogenezy mastitis bakteryjnego można podzielić na kilka kluczowych etapów 12:
- Adhezja – przyczepianie się bakterii do komórek nabłonkowych i macierzy pozakomórkowej, co zapobiega wypłukiwaniu ich z wymienia przez przepływ mleka. W przypadku S. aureus wykorzystywane są tu komponenty powierzchniowe rozpoznające cząsteczki adhezyjne macierzy (MSCRAMM), takie jak białko A, białka wiążące elastynę, białko wiążące kolagen, a także otoczka, peptydoglikan i kwasy tejchojowe 12.
- Inwazja – ekspresja czynników wirulencji umożliwiających wniknięcie do komórek gospodarza i tkanek. S. aureus wytwarza wtedy hemolizyny (alfa, beta, gamma, delta), leukocydynę, leukocydynę Panton-Valentine, enterotoksyny, toksyny epidermolityczne i toksynę zespołu wstrząsu toksycznego (TSST-1) 13.
- Unikanie odpowiedzi immunologicznej – bakterie wytwarzają różne czynniki wirulencji, które pomagają im nie tylko uniknąć, ale także modulować odpowiedź immunologiczną gospodarza na ich korzyść. Czynniki te celują głównie w neutrofile i makrofagi, kluczowe komórki zaangażowane w odporność wymienia 13.
Istotnym elementem patogenezy jest tworzenie biofilmu, który utrudnia penetrację antybiotyków i zmniejsza skuteczność leukocytów w zwalczaniu infekcji 14. Proces tworzenia biofilmu jest związany z obecnością operonu adhezji międzykomórkowej (ica), który pośredniczy w produkcji polisacharydu/adhezyny (PS/A) i polisacharydu adhezji międzykomórkowej (PIA) 15.
U S. aureus pochodzącego od bydła występują specyficzne dla przeżuwaczy czynniki wirulencji, takie jak leukotoksyna LukMF i wariant czynnika wiążącego czynnik von Willebranda kodowany przez wyspę patogenności (SaPIvWFbp) 16. Wysoka cytotoksyczność LukMF może wynikać z wysokiej skuteczności podjednostki LukM w wiązaniu się z receptorami na leukocytach, neutrofilach i makrofagach bydlęcych 17.
Reakcja zapalna i odpowiedź immunologiczna
Gdy patogeny pokonają barierę kanału strzykowego, inicjowana jest wrodzona odpowiedź immunologiczna 18. Włącza ona zarówno obronę komórkową (neutrofile, makrofagi, komórki NK, komórki dendrytyczne, komórki nabłonka gruczołu mlekowego), jak i humoralną (układ dopełniacza, cytokiny, laktoferyna, transferyna, lizozym, białka ostrej fazy oraz reaktywne formy tlenu i peptydy przeciwdrobnoustrojowe) 18.
Proces zapalny charakteryzuje się przemieszczaniem leukocytów i białek surowicy z krwi do miejsca infekcji 3. Obecność patogenów jest wykrywana przez neutrofile, które wnikają do pęcherzyków mlecznych. Podczas tego procesu wypierają one komórki wydzielnicze, co prowadzi do zwiększenia liczby komórek somatycznych w mleku 19.
Agregacja leukocytów i czynników krzepnięcia krwi tworzy skrzepy, które utrudniają wypływ mleka z wymienia i powodują bliznowacenie oraz proliferację tkanki łącznej 19. Jeśli mikroby zostaną wyeliminowane, organizm wraca do zdrowego stanu homeostazy. Jeśli nie, aktywowany zostaje adaptacyjny układ odpornościowy, za pośrednictwem limfocytów T i B 18.
Odpowiedź immunologiczna podczas mastitis jest zróżnicowana w zależności od patogenu. Badania wykazały m.in. wyższą ekspresję genu IL-10 u krów z zapaleniem wymienia w porównaniu do zdrowych krów, co sugeruje, że zwierzęta z mastitis rozwijają preferowaną komórkową odpowiedź immunologiczną 20.
Rola cytokin i mediatorów zapalnych
Odpowiedź zapalna jest kluczowym czynnikiem w procesie rozwoju mastitis. Produkcja i uwalnianie cytokin odgrywa wiodącą rolę w procesie odpowiedzi zapalnej 21. Zarówno ostre, jak i przewlekłe reakcje zapalne powodują uwalnianie cytokin, a ich nadmierne wydzielanie może nasilić proces zapalny i przyspieszyć rozwój choroby.
Różne czynniki endogenne lub egzogenne, takie jak inwazja bakterii, stres mechaniczny czy nowotwory, mogą aktywować wzorce molekularne związane z uszkodzeniem (DAMPs) na powierzchni błony komórkowej, np. receptory toll-podobne, lub bezpośrednio aktywować inflammasomy, takie jak NLRP3, AIM2 i NLRP1, prowadząc do uwolnienia cytokin zapalnych 21.
W infekcji S. aureus lipoproteiny bakteryjne mogą nasilać odpowiedź zapalną poprzez aktywację szlaków sygnałowych MAPKs i NF-κB za pośrednictwem TLR2, TLR4 i NLRP3, prowadząc do wydzielania mediatorów zapalnych, w tym PGE2, w bydlęcych makrofagach pochodnych szpiku kostnego (bBMMs) 22.
Cytokiny prozapalne uwalniane przez komórki immunologiczne mogą również niszczyć barierę krew-mleko w gruczole mlekowym. IL-6, IL-1 i inne cytokiny prozapalne mogą aktywować receptory komórek nabłonka gruczołu mlekowego, np. IL-1RI, a następnie aktywować szlak sygnałowy NF-κB, JNK i p38, powodując zapalne uszkodzenie tych komórek 23.
Patofizjologia mastitis
Zmiany w gruczole mlekowym
Tkanka gruczołu mlekowego i przewody w całym wymieniu mogą zostać uszkodzone przez toksyny bakteryjne, co czasami prowadzi do trwałego uszkodzenia wymienia 1. Gdy wymię zostanie zainfekowane bakteriami, uważa się, że nigdy nie staje się całkowicie wolne od organizmu 1.
Choroba charakteryzuje się zmianami fizycznymi, chemicznymi i bakteriologicznymi w mleku oraz patologicznymi zmianami w tkance gruczołowej 24. Kliniczne mastitis objawia się wyraźnymi widocznymi zewnętrznymi objawami, takimi jak obrzęk, zaczerwienienie i/lub ból wymienia, oraz ogólnoustrojową gorączką 25.
Podkliniczne mastitis jest inną formą zapalenia wymienia, ale nie daje zauważalnych objawów ani oznak, takich jak zewnętrzne zmiany w wymieniu lub mleku 25. Jest ono rozpoznawane głównie poprzez badanie liczby komórek somatycznych (SCC) w mleku 26.
Bariera krew-mleko
Istotnym elementem patofizjologii mastitis jest naruszenie integralności bariery krew-mleko. Nieuszkodzona bariera krew-mleko nie tylko zapewnia skuteczną wymianę składników odżywczych między mlekiem a krwią, ale działa również jako bariera immunologiczna chroniąca przed inwazją patogenów 27.
Badania wykazały, że S. aureus zaburza integralność bariery krew-mleko, charakteryzującą się zwiększeniem poziomu albuminy w świetle pęcherzyków, co może być markerem zwiększonej przepuszczalności tej bariery 28. S. aureus obniża ekspresję białek ścisłych połączeń (TJs), w tym ZO-1, okludyny i klaudyny-3, co narusza funkcję barierową 28.
Komórki nabłonka gruczołu mlekowego są ważnymi grupami komórek, które utrzymują normalną funkcję fizjologiczną gruczołu mlekowego i tworzą barierę krew-mleko. W procesie mastitis nadmierne uwalnianie cytokin poważnie niszczy te komórki 23.
Formy mastitis i ich patofizjologia
Mastitis może występować w różnych formach, z których każda ma swoją specyficzną patofizjologię 29:
- Mastitis kliniczne – charakteryzuje się widocznie nieprawidłowym mlekiem (np. zmiana koloru, skrzepy fibryny) oraz objawami ogólnoustrojowymi. Prowadzi do zmniejszenia produkcji mleka.
- Mastitis podkliniczne – brak widocznych objawów, ale zwiększona liczba komórek somatycznych (SCC) w mleku.
- Mastitis zgorzelinowe – może wystąpić, gdy podkliniczne, przewlekłe infekcje S. aureus stają się poważne w okresach dysfunkcji immunologicznej (np. przy porodzie).
Bakterie koliformne, takie jak E. coli, często wywołują objawy kliniczne przez endotoksemię (endotoksyna uwalniana z martwych bakterii), co zwykle wiąże się z objawami ogólnoustrojowymi 1. Z kolei infekcje bakteriami zakaźnymi wywołują odpowiedź immunologiczną (neutrofilia), z tendencją do odgradzania, prowadzącą do przewlekłej infekcji 1.
Niektóre organizmy, np. S. aureus, wytwarzają toksyny powodujące zgorzel 8. Obecność specyficznych genów enterotoksyn została powiązana z ostrym i klinicznym zapaleniem wymienia u bydła 17.
Czynniki ryzyka i predyspozycje
Wiele czynników wpływa na etiologię mastitis. Ciężkość i zakres choroby zależą od równowagi między gospodarzem, gospodarstwem i patogenami 25.
Czynniki związane z gospodarzem
Wysoka częstość występowania zapalenia wymienia jest silnie skorelowana z immunosupresją, której doświadczają krowy w okresie okołoporodowym 25. Szczególnie wrażliwy na nowe zakażenia wewnątrzwymieniowe jest okres zasuszenia w cyklu laktacji 30.
Podłoże genetyczne zwierzęcia może również determinować podatność na choroby 31. Badania wykazały, że bydło mleczne ze wzmocnioną i zrównoważoną odpowiedzią immunologiczną ma niższą częstość występowania chorób, w tym mastitis 32.
Główny kompleks zgodności tkankowej (MHC) odgrywa istotną rolę w indukcji i regulacji odpowiedzi immunologicznej 32. Zidentyfikowano również polimorfizmy pojedynczego nukleotydu (SNP) w innych genach kandydujących związanych z odpornością lub podatnością na mastitis 32.
Czynniki związane ze środowiskiem
Ściółka używana do hodowli bydła jest głównym źródłem patogenów środowiskowych. Jednak zanieczyszczone płyny do dippingu strzyków, infuzje wewnątrzwymieniowe, woda używana do przygotowania wymienia przed dojeniem, zbiorniki wodne lub błotniste dziury, uszkodzenia skóry, urazy strzyków i muchy były również wskazywane jako źródła infekcji 33.
Patogeny związane z zapaleniem wymienia środowiskowym rozwijają się w warunkach wysokiej wilgotności, w gromadzącej się wodzie i gnojowicy 34. Zarówno E. coli, jak i Strep. uberis mogą przetrwać miesiące w zanieczyszczonych mokrych, zabrudzonych obszarach na pastwisku 34.
Stres w środowisku krów ma różnorodny wpływ na zapalenie wymienia środowiskowe 35. Dlatego zmniejszenie stresu jest ważne w zapobieganiu mastitis.
Czynniki związane z zarządzaniem
Utrzymująca się obecność choroby może być przypisana złym praktykom, które obejmują niehigieniczne warunki, niewłaściwe praktyki dojenia, wadliwy sprzęt do dojenia, brak leków weterynaryjnych, złe warunki mieszkaniowe, a także strategie hodowlane nastawione na ciągłe zwiększanie wydajności mleka 24.
Czynnikiem zapanym mechanicznym, wpływającym na transmisję zakażeń, może być działanie dojarki mechanicznej. Badania wykazały, że konwencjonalna dojarka może stanowić mechanizm przenoszenia bakterii wywołujących infekcje. Naprzemienne pulsacje tworzą działanie posuwisto-zwrotne w obrębie kolektora, powodując spłukiwanie mleka w kierunku strzyków, co w połączeniu ze ściskaniem gumy strzykowej stwarza działanie polegające na wypychaniu bakterii w górę kanału strzykowego 36.
W przypadku patogenów zakaźnych, dorosłe krowy w laktacji są najbardziej narażone na infekcję. Głównym rezerwuarem infekcji jest gruczoł mlekowy; transmisja następuje podczas dojenia, gdy ręce dojarzy lub sprzęt do dojenia działają jako wektory 29.
Znaczenie dla profilaktyki i leczenia
Zrozumienie patogenezy mastitis i jego wpływu na układ odpornościowy gospodarza jest niezwykle ważne dla opracowania skutecznych szczepionek w celu zapobiegania rozwojowi zakażeń wewnątrzwymieniowych, chorobie klinicznej oraz związanym z tym stratom produkcyjnym 10.
Strategie zapobiegania
Na podstawie wiedzy o patogenezie mastitis opracowano różne strategie zapobiegania 30:
- Właściwa higiena i zarządzanie dojem
- Leczenie antybiotykami w okresie zasuszenia w celu zmniejszenia ryzyka nowych infekcji środowiskowych
- Szczepienia przeciwko określonym patogenom mastitis
- Selekcja genetyczna w kierunku wzmocnionej odpowiedzi immunologicznej (technologia HIR – High Immune Response)
- Redukcja stresu w środowisku krów
- Brakowanie przewlekle zakażonych krów
W przypadku patogenów zakaźnych ważne jest zapobieganie przenoszeniu bakterii między krowami podczas dojenia. Jednak w przypadku patogenów środowiskowych samo zarządzanie dojem nie wyeliminuje mastitis środowiskowego, ponieważ nie walczy z drogą od źródła środowiskowego do krowy 37.
Podejścia terapeutyczne
Zrozumienie fenotypowych i genotypowych wymagań dla tworzenia biofilmu jest niezbędne do opracowania skutecznego leczenia przeciwko zapaleniu wymienia gronkowcowemu 38. Białka, które zidentyfikowano jako istotne dla wirulencji, mogą stać się komponentami szczepionek zapobiegających temu bolesnemu schorzeniu 39.
Opracowano różne metody leczenia mastitis, w tym 40:
- Antybiotyki (najczęściej stosowane, ale prowadzące do rozwoju wielolekoopornych bakterii)
- Peptydy przeciwdrobnoustrojowe
- Terapia bakteriofagowa
- Probiotyki
- Leczenie oparte na nanocząstkach
- Tradycyjne ziołowe preparaty medyczne
Interesującym podejściem jest wykorzystanie niskocząsteczkowego białka serwatkowego (LMW-WP), które indukuje fagocytozę przez makrofagi i produkcję czynnika martwicy nowotworów (TNF-α). Aktywacja makrofagów przez LMW-WP może indukować dwa rodzaje różnicowania makrofagów: najpierw w makrofagi typu M1 w miejscu infekcji w tkance wymienia, wykazujące działanie przeciwbakteryjne, a następnie w makrofagi typu M2 o funkcjach przeciwzapalnych i immunosupresyjnych, które kończą reakcję uszkodzenia tkanki i naprawiają tkankę 41.
Nowe kierunki badawcze
Zastosowanie metod molekularnych lub opartych na DNA w badaniach i diagnostyce mastitis przyczyniło się do zwiększenia zrozumienia epidemiologii i opcji kontroli zapalenia wymienia 42. Dzięki wykorzystaniu narzędzi genomicznych i proteomicznych możliwe będzie dalsze badanie, jak różne subpopulacje patogenów różnią się mechanizmami powodowania chorób i transmisji 43.
Bardziej zaawansowane zrozumienie patogenezy i epidemiologii bydlęcego zapalenia wymienia zapewni nowe podejścia mające na celu poprawę kontroli mastitis 43. Szybkie, skuteczne i coraz bardziej opłacalne metody sekwencjonowania genomów patogenów już przyczyniły się do poszerzenia wiedzy na temat interakcji gospodarz-patogen w zapaleniu wymienia 43.
Badania genetyczne i genomiczne, w tym badania asocjacyjne całego genomu (GWAS), mogą dostarczyć istotnych informacji na temat genów związanych z odpornością lub podatnością na mastitis 44. Idealne rozwiązania mające na celu poprawę odporności na mastitis to prawdopodobnie te, które skupiają się na dużej liczbie genów, wykorzystując informacje z GWAS lub selekcję w oparciu o wartości hodowlane odpowiedzi immunologicznych 44.
Kolejne rozdziały
Zapraszamy do dalszego czytania naszego leksykonu.
Wybierz kolejny rozdział z menu poniżej, aby otworzyć nową podstronę kompedium wiedzy i uzyskać szczegółowe informację o leku, substancji lub chorobie.