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乳腺炎严重影响乳业发展，为探究其感染时免疫细胞变化，美国农业部研究人员利用慢性金黄色葡萄球菌（S. aureus）感染模型和单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术开展研究。结果识别出多种免疫细胞类型，发现乳汁富集粒细胞基因特征。这为乳腺炎防治提供新方向。
在乳业生产的大舞台上，乳腺炎如同一个顽固的 “反派”，给奶牛养殖带来了巨大的困扰。它不仅让养殖户承受着高昂的兽医费用，还导致牛奶产量大幅下降，每年仅在美国，就给乳业造成约 20 亿美元的损失。而金黄色葡萄球菌（S. aureus）作为引发乳腺炎的常见 “元凶”，常常引发慢性感染，治疗难度大，治愈率低。
在乳腺炎感染过程中，粒细胞（主要是中性粒细胞）是身体免疫系统派出的 “先遣部队”，它们迅速响应，奔赴感染现场，对病原体进行识别和清除。然而，以往对这些细胞在乳腺炎感染时的研究并不充分，尤其是在单细胞层面，存在诸多空白。为了填补这些空白，深入了解乳腺炎感染时的免疫机制，美国农业部国家动物疾病中心（National Animal Disease Center）的研究人员挺身而出，开展了一项具有重要意义的研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为乳腺炎的防治带来了新的曙光。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，构建慢性 S. aureus 感染模型，选用三只多胎次泌乳期荷斯坦奶牛，通过乳房内注射约 150CFU 的 S. aureus（Newbould 株）使其感染。其次，采用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术，对感染奶牛血液和乳汁中的免疫细胞进行分析，获取细胞的转录信息。此外，运用流式细胞术，对 scRNA-seq 分析得到的细胞类型比例进行验证 。
研究结果如下：
- 细胞类型鉴定：通过 scRNA-seq，研究人员从血液和乳汁样本中总共获得 35,338 个细胞，并识别出 62 个具有不同转录特征的细胞簇，最终确定了 6 种主要免疫细胞类型，包括粒细胞、单核细胞 / 巨噬细胞 / 常规树突状细胞（cDCs）、B 细胞和抗体分泌细胞（ASCs）、T 细胞和先天淋巴细胞（ILCs）、浆细胞样树突状细胞（pDCs）以及非免疫细胞。他们根据各细胞类型特异性基因表达谱，确定了保守的标志性基因，如粒细胞表达 CSF3R 等基因，但缺乏单核细胞 / 巨噬细胞 /cDCs 的一些关键标记基因。
- 细胞组成差异：对乳汁和血液样本中细胞组成差异的研究发现，不同细胞类型在乳汁和血液中的分布存在显著差异。B 细胞 / 抗体分泌细胞（B/ASC）、T 细胞 / 先天淋巴细胞（T/ILC）和浆细胞样树突状细胞（pDC）在血液中更为丰富；非免疫细胞在乳汁中占比更高；粒细胞和单核细胞 / 巨噬细胞 /cDCs 在乳汁和血液中的分布则呈现出混合特征，且这些结果通过流式细胞术得到了进一步验证。
- 粒细胞基因特征：在对粒细胞的深入研究中，研究人员发现了一个与乳腺炎局部免疫反应相关的重要基因特征。通过对所有粒细胞簇进行层次聚类分析，发现 c30 和 c46 簇在高分类水平上形成一个单独的节点，该节点主要由乳汁来源的细胞组成。进一步分析得到 210 个基因的特征集，基因集富集分析表明，这个基因特征集在乳汁来源粒细胞比例较高的簇中富集程度更高，且乳汁来源的粒细胞比血液来源的粒细胞对该基因特征集的富集程度更高。基因本体（GO）分析显示，该基因特征集显著富集于 65 个生物学过程，涵盖 “先天免疫反应”“粒细胞趋化性”“对细菌的反应” 等多个与免疫相关的功能组。
研究结论与讨论部分指出，本研究首次利用 scRNA-seq 技术对奶牛乳腺炎感染时血液和乳汁中的免疫细胞进行了全面分析，清晰地识别出多种免疫细胞类型及其在不同组织中的分布差异。尤其是对粒细胞的深入研究，发现了其在乳腺局部的独特基因特征和功能，这为理解乳腺炎感染时的免疫反应机制提供了重要依据。
虽然研究存在一定局限性，如缺乏未感染牛奶细胞的 scRNA-seq 数据，且仅研究了慢性实验感染，但这仍是利用 scRNA-seq 技术研究乳腺炎的重要一步。未来，对急性感染、多种病原体感染和共感染的研究将为乳业提供更多有价值的信息。该研究成果为开发乳腺炎的预防和治疗新技术奠定了基础，有望通过针对粒细胞的成熟、迁移和激活等过程，制定出更有效的防治策略，从而减少乳腺炎对乳业的危害，推动乳业健康发展。
