超聲波技術探測后備母牛乳腺發育的研究進展

文/李 媛 刁其玉 屠 焰*

超聲波技術探測后備母牛乳腺發育的研究進展

文/李 媛 刁其玉 屠 焰*

（中國農業科學院飼料研究所；農業部飼料生物技術重點實驗室）

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

超聲波技術；后備母牛；乳腺發育；研究進展

后備母牛的乳腺發育是奶牛整個乳腺發育過程的關鍵時期，后備母牛乳腺發育的好壞直接關系著后期泌乳量的多少。目前圍繞后備母牛的研究很多，而乳腺發育作為決定后備母牛后期泌乳量的關鍵因素，經常被忽視。乳腺發育的研究一般通過屠宰試驗獲取整個乳腺組織來觀測，而且多數研究集中于乳腺實質組織的研究[1]，但乳腺實質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的組成與后期產奶量的關系，就目前研究結果來看，不能確定乳腺實質的發育一定與泌乳性能相關[2]，所以通過屠宰試驗觀測后備母牛乳腺發育有一定風險。不同于屠宰試驗，超聲波技術作為一種無創性方法可以實現將體內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的發育，從而探究乳腺發育情況與泌乳量的關系，對篩選高產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育及乳腺發育的研究方法做一綜述，旨在為后期采用新型超聲波技術探測乳腺發育，為預測產奶量提供參考。

1 后備母牛乳腺發育特點

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

奶牛乳腺從胚胎期開始發育，出生時乳腺的基本結構和形狀已經發育完全，上皮細胞開始增殖，乳腺導管開始發育[6]。乳腺導管系統從乳頭池開始經過乳池，最后在上皮導管組織匯集[7]。上皮組織和其周邊的組織組成了乳腺的實質；基質是與實質緊連的不含上皮細胞的組織，主要為連接組織、神經組織、淋巴組織及血管，由于基質內脂肪含量較多，因此又被稱為脂肪墊[8]。乳腺的基本結構見圖1。不同階段生長母牛的乳腺實質的發育變化很大，根據其發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，2 月齡～初情期前后備母牛的乳腺發育處于異速生長狀態，此時乳腺實質的發育速度要快于牛體其它部位。乳腺發育最快的時期在3～9 月齡，體重90～230 kg。進入初情期后，發情周期會刺激乳腺實質進一步發育[11]，此時，乳腺DNA濃度與發情周期遵循回歸生長模型，乳腺實質發育仍為異速發育階段。奶牛的乳腺發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，脂肪組織逐漸被導管替代。

出生到初情期是后備母牛乳腺發育的關鍵時期，乳腺上皮細胞迅速增殖[12]，但此階段乳腺發育易受日糧因素影響，研究表明，日糧營養水平，尤其是能量、蛋白水平是后備母牛乳腺發育的主要因素，其主要影響乳腺脂肪墊的發育，但對乳腺實質的影響較小[13～15]。此外，乳腺的發育受到機體內激素和各類作用因子的調控，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育。初情期前后備母牛乳頭的生長與雌激素水平密切相關。雌激素會刺激細胞分裂，促進導管分支及延長，這些都是初情期后備母牛乳腺發育的基礎[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 奶牛乳腺的基本結構

2 后備母牛乳腺發育的評價方法

2.1 乳房外觀

乳房外觀及血液生化指標能夠間接反映首次發情前乳腺的發育程度。犢牛乳房外觀指標與成年后產奶量有較強的相關性。劉正倫等[18]試驗結果表明，犢牛乳腺前寬和長度值與產奶量呈極顯著正相關，體高、體長與產奶量的相關性較為顯著。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育程度的表觀指標。羅漢鵬等[19]在2016年研究表明，乳頭長度對測定日產奶量有顯著影響。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系。乳頭長度是否決定后期泌乳量的研究結果不一，乳頭長度與泌乳量的關系有待進一步驗證。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。觸診內容主要分為體表狀態檢查、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，用另一手放于對側做襯托），輕輕按壓，以感知其內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、大小及硬度等。觸診法是最早期研究乳腺發育的方法，即通過觸摸感覺乳腺實質發育情況。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的發育很困難而且不精確，所以此方法已經逐漸被淘汰。

圖3 觸診法

2.3 超聲波技術

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

乳腺發育是決定奶牛泌乳量和乳品質的基礎。B超成像可明顯地區分乳腺的微觀結構，例如乳腺實質、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及腺體和乳頭發育時一般采用低頻（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構[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，測定結果更準確（圖4）。

超聲波檢測法利用超聲波可穿透組織探測體內結構的特點，通過探針發出不同頻率的聲波，聲波反射使探針內的晶體產生共鳴，最后把晶體的共鳴結果以圖像形式呈現，所以超聲波儀可以根據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化為不同亮度[31]，圖像會以不同灰度的形式呈現。B超技術已經應用于探測乳頭厚度，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構，發現乳頭管的回聲特點。Ayadi等[32]在2003年利用超聲波技術發現了泌乳牛的乳池，泌乳區與實質區緊鄰，泌乳區為低反射區成像較暗，實質區為高反射區成像較亮。Nishimura等[33]在2011年應用超聲波技術探測了2.2～25.2月齡的后備母牛的乳腺發育情況，結果表明，2月齡的后備母牛乳腺實質已經可觀測到，成像圖為一個橢圓形的低回聲區，5 月齡時橢圓形回聲區域消失，超聲波圖呈現均一的回聲區，中間伴隨不規則的低回聲區；初情期前乳腺超聲波圖中低回聲區由表皮向中間呈輻射狀擴散；懷孕期的成像圖中，低回聲區擴散的更深入，表明隨著后備母牛的生長，乳腺導管逐漸延伸分支；懷孕后期超聲波圖像中只有小部分低回聲的導管區域。隨著后備母牛的生長，超聲波成像圖中高回聲區逐漸增減增加。但是隨著后備母牛日齡的增長，由于上皮導管的發育和分支滲入脂肪墊，導管區域增加（圖5）。此外，Nishimura[33]還指出，隨著日齡的增加，無回聲的導管區更難辨別。通過對比后備母牛乳腺的超聲波成像圖和解剖結構，發現成像圖與解剖面的結構相一致，表明超聲波檢測技術探測后備母牛乳腺結構有極高的準確性，所以超聲波技術可以作為探測后備母牛乳腺發育的有效手段。

圖4 超聲波探測山羊乳腺發育掃描方法圖[30]

超聲波成像圖可以根據不同的亮度區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育情況，并沒有把超聲波圖譜中的回聲區量化，如果能將圖譜量化，計算不同發育階段后備母牛乳腺實質及導管結構的含量，超聲波技術會成為一種優于屠宰試驗的監測斷奶前后備母牛乳腺發育的手段。Strzetelski等[34]在2004年嘗試量化初產牛成像中乳腺實質的含量，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系，但是現在超聲波檢測結果與屠宰后的對照試驗較少，未得到準確的分析結果，組織含量的準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

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

[1] Meyer M J，Capuco A V，Ross D A，et al.Developmental and nutritional regulation of the prepubertal bovine mammary gland：II.epithelial cell proliferation，parenchymal accretion rate，and allometric growth[J].Journal of Dairy Science. 2006， 89（11）： 4298-4304.

[2] Albino R L， Guimar?es S E， Daniels K M，et al. Technical note：mammary gland ultrasonography to evaluate mammary parenchymal composition in prepubertal heifers[J]. Journal of Dairy Science，2017，100（2）：1588-1591.

[3] Daniels K M，Advisor C，Moeller S J，et al. Ultrasonographic monitoring of mammary parenchyma growth in preweaned Holstein Heifers[D]. Ohio：The Ohio State University，2012.

[4] Boutinaud M，Shand J H，Park M A，et al.A quantitative RT-PCR study of the mRNA expression profile of the IGF axis during mammary gland development[J]. Journal of Molecular Endocrinology，2004，33（1）：195.

[5] Berry S D K，Jobst P M，Ellis S E，et al. Mammary epithelial proliferation and estrogen receptor alpha expression in prepubertal heifers：effects of ovariectomy and growth hormone[J]. Journal of Dairy Science，2003，86（6）： 2098-2105.

[6] Rowson A R， Daniels K M， Ellis S E，et al. Growth and development of the mammary glands of livestock： a veritable barnyard of opportunities[J]. Seminars in Cell & Developmental Biology，2012，23（5）：557.

[7] 李慶章. 奶牛乳腺發育與泌乳生物學[M]. 科學出版社，2014.

[8] Esselburn K M，O'Diam K M，Hill T M，et al. Intake of specific fatty acids and fat alters growth，health，and titers following vaccination in dairy calves[J]. Journal of Dairy Science，2013，96（9）：5826-5835.

[9] Caruolo E V, Mochrie R D. Ultrasonograms of Lactating Mammary Glands 1，2[J].Journal of Dairy Science，1967，50（2）：225-230.

[10] Sejrsen K， Foldager J. Mammary growth and milk production capacity of replacement Heifers in relation to diet energy concentration and plasma hormone levels[J]. Acta Agriculturae Scandinavica，2009，42（2）：99-105.

[11] Sinha Y N， Tucker H A. Mammary development and pituitary prolactin level of Heifers from birth through puberty and during the Estrous Cycle[J]. Journal of Dairy Science，1969，52（4）： 507-512.

[12] Purup S，Sejrsen K，Foldager J，et al. Effect of exogenous bovine growth hormone and ovariectomy on prepubertal mammary growth，serum hormones and acute invitro proliferative response of mammary explants from Holstein heifers[J]. Journal of Endocrinology，1993，139（1）：19-26.

[13] Meyer M J，Capuco A V，Boisclair Y R，et al. Estrogen-dependent responses of the mammary fat pad in prepubertal dairy heifers[J]. Journal of Endocrinology，2006，190（3）：819.

[14] Brown E G，Vandehaar M J，Daniels K M，et al. Effect of increasing energy and protein intake on mammary development in Heifer calves[J]. Journal of Dairy Science，2005，88（2）：595-603.

[15] Daniels K M，Capuco A V，Mcgilliard M L，et al. Effects of milk replacer formulation on measures of mammary growth and composition in Holstein heifers[J]. Journal of Dairy Science，2009，92（12）：5937-5950.

[16] Heinrichs A J，Buckmaster D R，Lammers B P. Processing，mixing，and particle size reduction of forages for dairy cattle[J]. Journal of Animal Science，1999，77（1）：180-186.

[17] Capuco A V，Choudhary R K，Daniels K M， et al. Bovine mammary stem cells： cell biology meets production agriculture[J].Animal，2012，6（3）： 382-393.

[18] 劉正倫，唐宗南，蔣炯琳. 犢牛乳腺生長發育和外貌性狀與產乳量的相關研究[J]. 中國奶牛，1984（1）：8-14.

[19] 羅漢鵬，武俊達，邱文卿，等. 奶牛乳頭長度與泌乳性能相關性的初步探究[J]. 畜牧與獸醫，2016，48（6）：67-69.

[20] Whitlock B K，Vandehaar M J，Silva L F P，et al. Effect of dietary protein on prepubertal mammary development in rapidly growing dairy Heifers[J]. Journal of Dairy Science，2002，85（6）：1516-1525.

[21] Donoho H R. Association of immature bovine udder evaluations and subsequent milk and butterfat production[D]. Ohio：The Ohio State University，1955.

[22] Franz S，Floek M，Hofmannparisot M，et al. Ultrasonography of the bovine udder and teat[J]. Veterinary Clinics of North America Food Animal Practice， 2009，25（3）：669-685.

[23] Nudda A，Pulina G，Vallebella R，et al.Ultrasound technique for measuring mammary cistern size of dairy ewes[J].Journal of Dairy Research，2000，67（1）： 101.

[24] Ruberte J，Carretero A，Fernández M，et al. Ultrasound mammography in the lactating ewe and its correspondence to anatomical section[J]. Small Ruminant Research，1994，13（2）：199-204.

[25] Franz S，Hofmannparisot M，Baumgartner W，et al. Ultrasonography of the teat canal in cows and sheep[J]. Veterinary Record，2001，149（4）：109-112.

[26] Fl?ck M，Winter P. Diagnostic ultrasonography in cattle with diseases of the mammary gland[J]. Veterinary Journal，2006，171（2）：314-321.

[27] Szymanowska A，Szymanowski M. Application cistern size measurement in dairy goats（short communication）[J]. Archiv Fur Tierzucht Archives of Animal Breeding，2006，49（4）：382-388.

[28] Franz S，Hofmannparisot M，Gutler S，et al. Clinical and ultrasonographic findings in the mammary gland of sheep[J]. New Zealand Veterinary Journal，2003， 51（5）：238-243.

[29] Rambabu K，Sreenu M，Kumar R V S，et al. Ultrasonography of the udder and teat in buffaloes[J]. Buffalo Bulletin，2009，28（1）：5-10.

[30] Fasulkov，Yotov，Atanasov，et al.Evaluation of different techniques of teat ultrasonography in goat[J]. Istanbul Universitesi Veteriner Fakultesi Dergisi，2013，39（1）：33-39.

[31] Robinson P A， Rennie C J， Wright J J.Propagation and stability of waves of electrical activity in the cerebral cortex[J].Physical Review E Statistical Physics Plasmas Fluids & Related Interdisciplinary Topics，1997，56（1）：826-840.

[32] Ayadi M，Caja G，Such X，et al. Use of ultrasonography to estimate cistern size and milk storage at different milking intervals in the udder of dairy cows[J].Journal of Dairy Research，2003，70（1）：1-7.

[33] Nishimura M，Yoshida T，El-Khodery S，et al. Ultrasound imaging of mammary glands in dairy heifers at different stages of growth[J]. Journal of Veterinary Medical Science，2011，73（1）：19-24.

[34] Strzetelski J，Bilik K，Niwinska B，et al.Ultrasound evaluation of the mammary gland tissue structure in preparturient heifers vs performance of first calvers[J].Journal of Animal Feed Science，2004，13：7-10.

奶牛產業技術體系北京市創新團隊（BAIC06-2017）]

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

*通信作者：屠焰，研究員，博士生導師，研究方向為動物營養與飼料科學。

2017-09-20）