超聲波技術(shù)探測后備母牛乳腺發(fā)育的研究進展

文/李 媛 刁其玉 屠 焰*

超聲波技術(shù)探測后備母牛乳腺發(fā)育的研究進展

文/李 媛 刁其玉 屠 焰*

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所；農(nóng)業(yè)部飼料生物技術(shù)重點實驗室）

后備母牛的乳腺發(fā)育是決定后期泌乳量的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到牛場的收益。目前有關(guān)后備母牛乳腺發(fā)育的研究多通過屠宰試驗采集乳腺進行測定，導(dǎo)致不能分析乳腺發(fā)育與后期產(chǎn)奶量間的關(guān)系，研究一直處于空白。因此，采用無創(chuàng)技術(shù)長期觀測后備母牛乳腺發(fā)育成為有待研究的重點。超聲波儀目前已經(jīng)廣泛用于牛場妊娠檢測，就如何利用現(xiàn)有的超聲波儀探測后備母牛乳腺發(fā)育做一綜述，為后期超聲波探測乳腺發(fā)育技術(shù)的發(fā)展提供依據(jù)。

超聲波技術(shù)；后備母牛；乳腺發(fā)育；研究進展

后備母牛的乳腺發(fā)育是奶牛整個乳腺發(fā)育過程的關(guān)鍵時期，后備母牛乳腺發(fā)育的好壞直接關(guān)系著后期泌乳量的多少。目前圍繞后備母牛的研究很多，而乳腺發(fā)育作為決定后備母牛后期泌乳量的關(guān)鍵因素，經(jīng)常被忽視。乳腺發(fā)育的研究一般通過屠宰試驗獲取整個乳腺組織來觀測，而且多數(shù)研究集中于乳腺實質(zhì)組織的研究[1]，但乳腺實質(zhì)與泌乳組織有明顯的不同，屠宰后不能觀測后備母牛乳腺實質(zhì)的組成與后期產(chǎn)奶量的關(guān)系，就目前研究結(jié)果來看，不能確定乳腺實質(zhì)的發(fā)育一定與泌乳性能相關(guān)[2]，所以通過屠宰試驗觀測后備母牛乳腺發(fā)育有一定風(fēng)險。不同于屠宰試驗，超聲波技術(shù)作為一種無創(chuàng)性方法可以實現(xiàn)將體內(nèi)難以接觸到的部位以成像的形式觀測，做到長期觀測乳腺實質(zhì)的發(fā)育，從而探究乳腺發(fā)育情況與泌乳量的關(guān)系，對篩選高產(chǎn)后備母牛及提升牛場效益具有重大意義。本文對后備母牛乳腺發(fā)育及乳腺發(fā)育的研究方法做一綜述，旨在為后期采用新型超聲波技術(shù)探測乳腺發(fā)育，為預(yù)測產(chǎn)奶量提供參考。

1 后備母牛乳腺發(fā)育特點

后備母牛的后期泌乳量更多地取決于早期組織的發(fā)育程度，而不是后期的飼喂管理[3]，后期營養(yǎng)不能彌補先天缺陷。奶牛的泌乳量是指從第一次泌乳到最后一次泌乳的整個泌乳生理過程的產(chǎn)奶量。但是乳腺的發(fā)育只在奶牛生命早期進行，所以后備母牛的乳腺發(fā)育是奶牛整個泌乳周期的基礎(chǔ)。牛奶中體細胞的數(shù)量是決定牛奶質(zhì)量好壞的一個重要因素[4]，牛奶中體細胞數(shù)量越多，質(zhì)量越差，而牛奶中的體細胞數(shù)量直接與乳腺上皮細胞的凋亡有關(guān)。隨著泌乳的進行，細胞的程序性死亡和凋亡增加，上皮細胞的數(shù)量越來越少，泌乳量逐漸下降[5]。所以乳腺上皮細胞數(shù)量而不是乳房的大小是決定奶牛泌乳性能的關(guān)鍵因素。

奶牛乳腺從胚胎期開始發(fā)育，出生時乳腺的基本結(jié)構(gòu)和形狀已經(jīng)發(fā)育完全，上皮細胞開始增殖，乳腺導(dǎo)管開始發(fā)育[6]。乳腺導(dǎo)管系統(tǒng)從乳頭池開始經(jīng)過乳池，最后在上皮導(dǎo)管組織匯集[7]。上皮組織和其周邊的組織組成了乳腺的實質(zhì)；基質(zhì)是與實質(zhì)緊連的不含上皮細胞的組織，主要為連接組織、神經(jīng)組織、淋巴組織及血管，由于基質(zhì)內(nèi)脂肪含量較多，因此又被稱為脂肪墊[8]。乳腺的基本結(jié)構(gòu)見圖1。不同階段生長母牛的乳腺實質(zhì)的發(fā)育變化很大，根據(jù)其發(fā)育情況大致可以分為5 個階段：斷奶前（0～2 月齡）、初情期前（3～9 月齡）、妊娠前、懷孕期、泌乳期[9，10]。在0～2 月齡后備母牛的乳腺與體重處于等速生長狀態(tài)，2 月齡～初情期前后備母牛的乳腺發(fā)育處于異速生長狀態(tài)，此時乳腺實質(zhì)的發(fā)育速度要快于牛體其它部位。乳腺發(fā)育最快的時期在3～9 月齡，體重90～230 kg。進入初情期后，發(fā)情周期會刺激乳腺實質(zhì)進一步發(fā)育[11]，此時，乳腺DNA濃度與發(fā)情周期遵循回歸生長模型，乳腺實質(zhì)發(fā)育仍為異速發(fā)育階段。奶牛的乳腺發(fā)育主要集中在妊娠期，受母體激素的影響，乳腺上皮細胞開始大量的增殖分化，脂肪墊慢慢退化，脂肪組織逐漸被導(dǎo)管替代。

出生到初情期是后備母牛乳腺發(fā)育的關(guān)鍵時期，乳腺上皮細胞迅速增殖[12]，但此階段乳腺發(fā)育易受日糧因素影響，研究表明，日糧營養(yǎng)水平，尤其是能量、蛋白水平是后備母牛乳腺發(fā)育的主要因素，其主要影響乳腺脂肪墊的發(fā)育，但對乳腺實質(zhì)的影響較小[13～15]。此外，乳腺的發(fā)育受到機體內(nèi)激素和各類作用因子的調(diào)控，研究表明，生長激素、催乳素、雌激素、胰島素生長因子等都能促進犢牛的乳腺發(fā)育。初情期前后備母牛乳頭的生長與雌激素水平密切相關(guān)。雌激素會刺激細胞分裂，促進導(dǎo)管分支及延長，這些都是初情期后備母牛乳腺發(fā)育的基礎(chǔ)[12]。Heinrichs等[16]在1999年指出，雌激素會促進乳頭的生長；Capuco等[17]在2012年也指出，雌激素可促進乳腺干細胞的增殖。

圖1 奶牛乳腺的基本結(jié)構(gòu)

2 后備母牛乳腺發(fā)育的評價方法

2.1 乳房外觀

乳房外觀及血液生化指標(biāo)能夠間接反映首次發(fā)情前乳腺的發(fā)育程度。犢牛乳房外觀指標(biāo)與成年后產(chǎn)奶量有較強的相關(guān)性。劉正倫等[18]試驗結(jié)果表明，犢牛乳腺前寬和長度值與產(chǎn)奶量呈極顯著正相關(guān)，體高、體長與產(chǎn)奶量的相關(guān)性較為顯著。Capuco等[17]在2012年也指出，雌激素可促進乳腺干細胞的增殖，因此雌激素對乳頭長度的影響可用來間接觀測乳腺上皮細胞的發(fā)育。長期以來，乳頭長度一直作為一個被用來評價后備母牛乳腺發(fā)育程度的表觀指標(biāo)。羅漢鵬等[19]在2016年研究表明，乳頭長度對測定日產(chǎn)奶量有顯著影響。但Whitlock等[20]在2002年研究表明乳頭長度與分泌組織沒有直接關(guān)系。乳頭長度是否決定后期泌乳量的研究結(jié)果不一，乳頭長度與泌乳量的關(guān)系有待進一步驗證。圖2為5～6 月齡后備母牛乳頭。

圖2 5～6 月齡后備母牛乳頭

2.2 觸診法

觸診法是利用觸覺及視覺結(jié)合的檢查法，通常用檢查者的手或者是借助工具去實施。觸診內(nèi)容主要分為體表狀態(tài)檢查、組織器官檢查、腹部觸診，既可對動物淺表組織進行觸診，也可檢查動物腹壁緊張度、有無壓痛和反跳痛、腹部包塊、液波感及肝脾等腹內(nèi)臟器情況。一手平放于被檢部位（檢查中、小動物時，用另一手放于對側(cè)做襯托），輕輕按壓，以感知其內(nèi)容物的性狀與敏感性（圖3）。此外，也可以利用掌指運動，上下左右滑動觸摸觸及的部位，了解其形態(tài)、大小及硬度等。觸診法是最早期研究乳腺發(fā)育的方法，即通過觸摸感覺乳腺實質(zhì)發(fā)育情況。Donoho等[21]在1955年的研究表明，觸診法和卡尺測量法是觀測乳腺發(fā)育的一種可行手段，但后期研究證明觸診法檢測奶牛乳腺實質(zhì)的發(fā)育很困難而且不精確，所以此方法已經(jīng)逐漸被淘汰。

圖3 觸診法

2.3 超聲波技術(shù)

超聲波成像技術(shù)作為一種無創(chuàng)性、可長期觀測的技術(shù)在動物疾病診斷及繁殖方面已應(yīng)用多年[22]。早期學(xué)者成功應(yīng)用X射線斷層攝影技術(shù)[16]及山羊乳腺核磁共振成像技術(shù)[23]探測動物的乳腺發(fā)育情況。但由于核磁共振技術(shù)成本很高，奶牛體型大，耗資多，所以核磁共振技術(shù)后期未應(yīng)用于奶牛乳腺發(fā)育的觀測。X射線斷層攝影技術(shù)的成本也很高，并且數(shù)據(jù)可靠性不大，目前已很少使用。Caruolo等[9]在1967年開始應(yīng)用超聲波技術(shù)（A超、振幅超聲波技術(shù)）探索乳腺的結(jié)構(gòu)和泌乳導(dǎo)管的發(fā)育情況。Ruberte等[24]在1994年，提升技術(shù)，使用B超探測山羊的乳腺形態(tài)，并通過屠宰試驗和成像技術(shù)的對比，證實采用B超技術(shù)探測乳腺結(jié)構(gòu)的結(jié)果是可靠的。

乳腺發(fā)育是決定奶牛泌乳量和乳品質(zhì)的基礎(chǔ)。B超成像可明顯地區(qū)分乳腺的微觀結(jié)構(gòu)，例如乳腺實質(zhì)、腺體、乳頭池、乳頭壁、乳頭管等[25]。超聲波檢測反芻動物乳腺實質(zhì)及腺體和乳頭發(fā)育時一般采用低頻（5～8MHZ）的凸面線型或扇型傳感器測定[26，27]，分為直接探測法、隔離探測法和水浴法。直接探測法是指將乳腺浸用酒精擦拭后抹上傳感膠，傳感器直接接觸乳腺，探針直接橫向或縱向掃描，從而探測乳腺的橫向和縱向結(jié)構(gòu)[28]；隔離探測法是將乳頭浸入充滿乳液的膠套中，探針通過接觸膠套探測乳腺發(fā)育情況[29]；水浴法是指將乳頭放入裝滿30～35 ℃溫水的塑料杯中[30]，用探測器在杯子外進行測定。相較于前2 種方法，水浴法在測定過程中能維持乳頭或乳腺的原有形狀，不受探針擠壓，測定結(jié)果更準(zhǔn)確（圖4）。

超聲波檢測法利用超聲波可穿透組織探測體內(nèi)結(jié)構(gòu)的特點，通過探針發(fā)出不同頻率的聲波，聲波反射使探針內(nèi)的晶體產(chǎn)生共鳴，最后把晶體的共鳴結(jié)果以圖像形式呈現(xiàn)，所以超聲波儀可以根據(jù)回聲反射的時間實時成像[31]。在B超方法中，不同反射波的振幅會被傳感器轉(zhuǎn)化為不同亮度[31]，圖像會以不同灰度的形式呈現(xiàn)。B超技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于探測乳頭厚度，用于檢測乳腺炎或其它因素引起的泌乳障礙癥。Franz 等[25]通過對比超聲波圖像與屠宰結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)乳頭管的回聲特點。Ayadi等[32]在2003年利用超聲波技術(shù)發(fā)現(xiàn)了泌乳牛的乳池，泌乳區(qū)與實質(zhì)區(qū)緊鄰，泌乳區(qū)為低反射區(qū)成像較暗，實質(zhì)區(qū)為高反射區(qū)成像較亮。Nishimura等[33]在2011年應(yīng)用超聲波技術(shù)探測了2.2～25.2月齡的后備母牛的乳腺發(fā)育情況，結(jié)果表明，2月齡的后備母牛乳腺實質(zhì)已經(jīng)可觀測到，成像圖為一個橢圓形的低回聲區(qū)，5 月齡時橢圓形回聲區(qū)域消失，超聲波圖呈現(xiàn)均一的回聲區(qū)，中間伴隨不規(guī)則的低回聲區(qū)；初情期前乳腺超聲波圖中低回聲區(qū)由表皮向中間呈輻射狀擴散；懷孕期的成像圖中，低回聲區(qū)擴散的更深入，表明隨著后備母牛的生長，乳腺導(dǎo)管逐漸延伸分支；懷孕后期超聲波圖像中只有小部分低回聲的導(dǎo)管區(qū)域。隨著后備母牛的生長，超聲波成像圖中高回聲區(qū)逐漸增減增加。但是隨著后備母牛日齡的增長，由于上皮導(dǎo)管的發(fā)育和分支滲入脂肪墊，導(dǎo)管區(qū)域增加（圖5）。此外，Nishimura[33]還指出，隨著日齡的增加，無回聲的導(dǎo)管區(qū)更難辨別。通過對比后備母牛乳腺的超聲波成像圖和解剖結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)成像圖與解剖面的結(jié)構(gòu)相一致，表明超聲波檢測技術(shù)探測后備母牛乳腺結(jié)構(gòu)有極高的準(zhǔn)確性，所以超聲波技術(shù)可以作為探測后備母牛乳腺發(fā)育的有效手段。

圖4 超聲波探測山羊乳腺發(fā)育掃描方法圖[30]

超聲波成像圖可以根據(jù)不同的亮度區(qū)分為脂肪組織和分泌組織。Nishimura等[33]只觀測了不同生長階段后備母牛乳腺的發(fā)育情況，并沒有把超聲波圖譜中的回聲區(qū)量化，如果能將圖譜量化，計算不同發(fā)育階段后備母牛乳腺實質(zhì)及導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的含量，超聲波技術(shù)會成為一種優(yōu)于屠宰試驗的監(jiān)測斷奶前后備母牛乳腺發(fā)育的手段。Strzetelski等[34]在2004年嘗試量化初產(chǎn)牛成像中乳腺實質(zhì)的含量，他們的目的是通過分析得到乳腺各組織的含量和泌乳量間的關(guān)系，但是現(xiàn)在超聲波檢測結(jié)果與屠宰后的對照試驗較少，未得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果，組織含量的準(zhǔn)確性有待進一步驗證。

圖5 后備母牛乳腺外觀、超聲波成像圖、解剖面圖的對比[33]

3 小結(jié)

通過活體觀測初情期奶牛乳腺實質(zhì)發(fā)育與后期泌乳量的相關(guān)性是最完美的方法。現(xiàn)在犢牛乳腺發(fā)育的指標(biāo)評定多為活體采樣或屠宰采樣，不能實現(xiàn)長期追蹤觀察。如果超聲波技術(shù)可以用于追蹤乳腺實質(zhì)的發(fā)育，就可以避免屠宰，降低成本。目前超聲波技術(shù)已廣泛用于探測母牛的懷孕或發(fā)情情況，如果其可以發(fā)展為一種監(jiān)測斷奶前后備母牛乳腺實質(zhì)發(fā)育的有效手段，就可以用牛場現(xiàn)有設(shè)備確定后期奶牛的生產(chǎn)潛能，大大降低成本。目前沒有準(zhǔn)確定量分析奶牛乳腺發(fā)育及泌乳量關(guān)系的方法。如果通過超聲波技術(shù)探測斷奶前乳腺實質(zhì)的發(fā)育，并用于后期乳腺發(fā)育的檢測，并且分析其與后期泌乳量的相關(guān)性，牛場可以在斷奶前篩選出優(yōu)質(zhì)母牛，大大降低飼養(yǎng)成本，增加收益。所以如何利用超聲波技術(shù)探測后備母牛乳腺發(fā)育情況，并量化乳腺實質(zhì)發(fā)育與后期泌乳量的關(guān)系，是未來篩選優(yōu)質(zhì)后備牛降低飼養(yǎng)成本的有效手段。C

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奶牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團隊（BAIC06-2017）]

李媛（1993-），女，河北唐山人，在讀碩士，研究方向為動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)。

*通信作者：屠焰，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)。

2017-09-20）