先天免疫系统

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总论

  • 先天免疫系统是生物个体与生俱来的，与生活环境无关的对病原体的防御系统。（但动物的防御行为一般排除在外）
  • 病原体是能引起疾病的各类物质，但一般毒素等小分子排除在外，可以是（朊、类、拟）病毒、单细胞生物、多细胞生物（寄生虫）。
  • 先天免疫系统可分为屏障防御（Barrier Defense）和内部防御（Internal Defense）。（细菌一般不作此区分）
  • 本文重点为脊椎动物的先天免疫系统。

屏障防御

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图1：限制因子系统
  • 细菌有限制因子（Restriction Factor）和CRISPR系统抵抗噬菌体感染。（限制因子系统一直保留到高等真核生物，包括人类，但属于内部防御）
  • 植物主要依赖特殊形态（如刺）、分泌的毒素（如生物碱）抵抗病原体。
  • 动物主要依赖上皮屏障、特殊形态（如几丁质外骨骼）、分泌的毒素抵御病原体。
  • 上皮屏障：
    • 上皮细胞间的紧密连接（Tight Junction）能阻止病原体穿透上皮组织。
    • 皮肤能分泌角质层，是一层很厚的屏障。
    • 皮肤的汗腺能分泌脂肪酸、乳酸，能抑制微生物生长。
    • 消化道和呼吸道的上皮细胞能分泌粘液，阻止微生物附着。
    • 呼吸道上皮细胞的纤毛、消化道的蠕动也能阻止微生物附着。
    • 皮肤上和消化道内有大量共生微生物（Commensal Microbe），能与外来病原体抢营养。（大部分是细菌，也有古菌、单细胞真核生物）

模式识别受体

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图2：常见PRR
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图3：Toll类受体
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图4：人体中的Toll类受体
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图5：抗微生物多肽
  • 人体内有一类蛋白，称为模式识别受体（Pattern Recognition Receptor），每一种能专一地与病原体上的一种常见“分子模式”（Pathogen-associated Molecular Pattern，PAMP）结合。
  • PAMP的特征：
    • PAMP只由病原体携带，人体细胞不会产生。
    • PAMP对病原体的生存、繁殖至关重要。
    • PAMP通常由一大类病原体共同携带。
    • 因为病毒的脂双层膜来自宿主的细胞膜，病毒的蛋白质由宿主的核糖体合成，所以PAMP通常不在病毒表面上。
  • PRR既可分泌至胞外，也可附在细胞膜上，还可存在于细胞内。（图2）
  • 细胞外的PRR一般是上皮细胞产生的。
  • Toll类受体（Toll-like Receptor，TLR）：
    • TLR是最早发现的PRR，在果蝇中发现。
    • 植物和动物都有TLR。
    • 人体中TLR存在于巨噬细胞和上皮细胞的细胞膜或内体-溶酶体膜上。
    • TLR由背离细胞质一侧的结合位点亚基和朝向细胞质一侧的信号传导亚基组成。（图3）
    • 结合位点亚基是糖蛋白，富含亮氨酸。
    • 人体中有10种Toll类受体。（图4）
      • 除TLR3,7,8,9外的都在细胞膜上。
      • 细胞内的TLR都被用于识别核酸。（只有TLR9能识别DNA，其余的都识别RNA。）
      • 能识别脂蛋白的：TLR1,2,6,10。
      • 能识别脂磷壁酸的：TLR1,2,6。
      • 能识别预警素的：TLR2,4。
      • 最全能的：TLR2。
      • 能同时识别细菌和病毒的：TLR4,TLR9。（一说TLR9还能识别某些原生生物）
  • NOD类受体（NOD-like Receptor，NLR）：
    • NLR只存在于上皮细胞内。
    • NLR也有富含亮氨酸的亚基。
    • 部分NLR在病原体入侵时，能与衔接蛋白和胱天蛋白酶组成类似凋亡体的结构，称为发炎体（Inflammasome），再激活和释放特定的细胞介素（Cytokine）。
    • 细胞本身受损时，也可能激活发炎体，如关节中的尿酸结晶（Uric Acid Crystal）会引起关节炎（Arthritis），俗称痛风（Gout）。
  • RIG类受体（RIG-like Receptor）实际上是一类RNA解旋酶，只存在于细胞质中，用于识别双链RNA病毒。
  • C型凝集素受体（C-type Lectin Receptor）存在于嗜中性粒细胞的细胞膜上，识别细菌和真菌细胞表面的糖类物质。
  • 有三种PRR，都既可在细胞膜上也可分泌至细胞外，都只识别细菌内毒素，都是TLR4信号通路的辅助激活器。
  • 抗微生物多肽（Antimicrobial Peptide，AMP）：
    • AMP由上皮细胞分泌至上皮组织表面。
    • AMP能识别病毒、细菌、真菌。
    • AMP带大量正电荷，富含疏水氨基酸。
    • 动物细胞中，带负电荷的磷脂集中在内叶，因而与AMP结合很弱。
    • 最主要的AMP是防御素（Defensin）。
  • 上皮细胞分泌的多肽（AMP、胶原凝集素（Collectin）、穿透素（Pentraxin））都具有调理素作用（Opsonization），即与病原体结合后吸引吞噬细胞。

炎症反应

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图6：肿瘤坏死因子
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图7：趋化因子
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图8：CC型趋化因子
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图9：其它趋化因子
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图10：吞噬细胞会包围在病原体周围
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图11：肥大细胞释放的细胞介素
图12：Birbeck囊泡
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图13：白细胞变形运动
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图14：杀手细胞引起细胞凋亡
  • 病原体被PRR识别后，会引起特定细胞启动炎症反应（Inflammation）。
  • 立刻被激活的细胞有四类：巨噬细胞（Macrophage）、树突状细胞（Dendritic Cell）、上皮细胞（Epithelium）、肥大细胞（Mast Cell）。
  • 炎症反应的主要症状：局部血管舒张，毛细血管通透性变大，血浆中的蛋白质和其它物质涌入局部组织，组织红肿，组织液凝集。
  • 直接引起炎症反应的物质有：组胺（Histamine，大部分来自肥大细胞，嗜碱性/嗜酸性粒细胞中也有）、缓激肽（Bradykinin，由凝血因子HMWK酶切形成）、5-羟色胺（Serotonin，色氨酸衍生物）、前列腺素（Prostaglandin，脂质，类花生酸，几乎所有细胞都能产生）、细胞介素（Cytokine，蛋白质，见下文）。

巨噬细胞

  • 巨噬细胞来源于单核细胞，是一种白细胞。
  • 巨噬细胞从骨髓进入血液时，体积较小，还是不成熟的。
  • 巨噬细胞会移动至各类组织中，然后膨胀（直径可增大五倍）。
  • 皮肤中的称为组织细胞（Histiocyte）；肝血窦中的称为枯否细胞（Kupffer Cell，又名库普弗细胞）；脑和脊髓中的称为微胶质细胞（Microglia）；淋巴结、肺泡、脾、骨髓肿也有巨噬细胞。
  • 巨噬细胞是各种细胞介素的主要来源。
  • 细胞介素的主要类别：肿瘤坏死因子（Tumor Necrosis Factor）、干扰素（Interferon）、白细胞介素（Interleukin）、趋化因子（Chemokine）。
  • 不是所有的细胞介素都直接引起炎症，能引起炎症的称为前炎症因子（Pro-inflammatory Factor）。
  • 干扰素分为α、β、γ三类，其中α和β统称I型干扰素，γ称为II型干扰素。
  • I型干扰素用于抗病毒：
    • 它激活一种RNA水解酶，降解细胞中全部单链RNA
    • 它磷酸化抑制翻译启动因子eIF2。
    • 它激活杀手细胞（Natural Killer，见下文），使被感染细胞在其帮助下凋亡。
  • 巨噬细胞的另一功能是胞吞和毁灭病原体。
  • 巨噬细胞用溶菌酶（Lysozyme）和酸水解酶（Acid Hydrolase）破坏细菌细胞壁。
  • 巨噬细胞会突然消耗大量氧气（称为呼吸爆发，Respiratory Burst），同时产生大量活跃氧自由基，如超氧化物、过氧化氢、氢氧自由基，主要由NADPH氧化酶（NADPH Oxidase）产生。
  • 氧自由基会快速氧化病原体的有机物，杀死病原体。
  • 巨噬细胞在一次吞噬后通常能活下来。
  • 若病原体太大，巨噬细胞（以及其它有吞噬功能的细胞）会聚集在病原体周围，将上述物质释放至胞外，杀死病原体。（图10）

肥大细胞

  • 肥大细胞由嗜碱性粒细胞分化而来，属于白细胞。
  • 肥大细胞离开骨髓时也是不成熟的，进入组织后才成熟。
  • 不成熟的细胞核分叶，成熟的不分叶，核仁不明显，异染色质也很少。
  • 肥大细胞有大量囊泡，能释放组胺（Histamine）、肝素（Heparin）、白细胞三烯（Leukotriene）、血小板激活因子、蛋白酶、肿瘤坏死因子α（TNFα）、白细胞介素8（IL-8）。（只有肥大细胞在发炎时立即释放TNFα和IL-8，但主要来源仍是巨噬细胞）
  • 肥大细胞都有类胰蛋白酶（Tryptase）；根据是否含类糜蛋白酶（Chymase）将肥大细胞分为T型（无）和TC型（有）。

上皮细胞

  • 上皮细胞主要通过TLR受体发现病原体，释放一些细胞介素。（功能较小）
  • 角化细胞有甘露糖感受器，在防御真菌中有用。
  • 小肠上皮细胞的TLR受体在常态下会被共生的细菌激活，但不会发炎，此反应在维持小肠上皮稳态中有重要作用。

杀手细胞

  • 杀手细胞是一种淋巴细胞（Lymphocyte），属于白细胞，也能释放细胞介素。
  • 杀手细胞通过识别细胞表面的I型MHC复合体来识别被感染的细胞。
  • 多数病毒进化出了避免自己的蛋白被制成抗原，在MHC上展示的机制，故杀手细胞专门识别表面MHC复合体减少的细胞。
  • 一部分T细胞会失去部分受体，变成杀手T细胞。
  • 杀手T细胞不是通过MHC复合体激活，而是被脂质和糖脂通过CD1d受体激活。
  • 杀手细胞主要通过Fas和TRAIL信号通路引起细胞凋亡，以及分泌穿孔素（Perforin）和颗粒酶（Granzyme）。
  • 杀手细胞与被感染细胞接触后，形成类似神经突触的结构（Immunological Synapse）。（图14）
  • 杀手细胞分泌的囊泡既可先进入突触空间，再进入被感染细胞（需要穿孔素），亦可直接从两个细胞接触的部分进入。
  • 穿孔素引起细胞凋亡，包括穿孔素A和穿孔素B。
  • 穿孔素A主要降解细胞核中的蛋白质，加速DNA断裂。
  • 穿孔素B能切割激活细胞质中的BID蛋白，它通过细胞色素c引起细胞凋亡。

树突状细胞

  • 树突状细胞是先天免疫与适应免疫（Adaptive Immunity）相连的桥梁。
  • 树突状细胞也有吞噬功能，也能释放细胞介素。
  • 常见的树突状细胞有三类：mDC（又名cDC）、pDC、朗格汉斯细胞（Langerhans Cell，注意不是胰岛）。
  • mDC和pDC来自相同的干细胞，属于白细胞。
  • mDC形态上和单核细胞最为接近，pDC形态上和浆细胞最为接近，但分子生物学上每组都有较大区别。
  • mDC和pDC来自共同的干细胞（髓系祖细胞，Common Myeloid Progenitor）。
  • mDC和pDC离开骨髓时，是不成熟的，对病原体高度敏感，但不能激活淋巴细胞。（遇到病原体后，迅速成熟并通过血液移动至淋巴结）
  • 朗格汉斯细胞的来源没有研究清楚，似是在胚胎期就已分化完成。
  • 朗格汉斯细胞有特殊的Birbeck囊泡，形如杆状或网球拍状。（图12）
  • 能吞噬病原体的细胞一般都能激活淋巴细胞，但只有树突状细胞能激活原始T细胞（Naive T Cell），故它被称为“专业抗原展示细胞”（Professional Antigen-presenting Cell）。

粒细胞

  • 血液中的粒细胞感受到趋化因子后，会通过白细胞变形运动（Diapedesis）从血液移动至受感染组织。（图13）
  • 血液中最多的粒细胞是嗜中性粒细胞，它也是最先运动至感染部位的细胞。
  • 发炎产生的物质会通过血液移动至骨髓，促进嗜中性粒细胞分化，引起血高嗜中性粒细胞（Neutrophilia）。
  • 粒细胞有吞噬功能，但吞噬后一般会死亡，其尸体化为“脓”（Pus）的一部分。
  • 血液中的单核细胞也会移动至组织，变为巨噬细胞，但数量很少。

补体系统

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图14：补体系统有三条激活途径
  • 补体系统（Complement System）由约30种血液中的蛋白组成，能帮助吞噬细胞识别降解病原体。（即有调节素的功能；它也参与适应性免疫）
  • 核心通路中的蛋白有14种，调控蛋白约10种，其它细胞上的相关受体有7种。
  • 补体蛋白一般由肝细胞产生。
  • 补体系统有三条激活途径，最终结果都是切割激活C3蛋白。
  • 补体激活通路中，部分蛋白切割后产生两部分：能吸引嗜中性粒细胞的多肽；能与病原体的细胞膜结合的蛋白。
  • C3切割产生的C3b能和病原体细胞膜共价结合。
  • 第一条途径称为经典途径（Classical Pathway），主要在适应性免疫中起作用，被与病原体结合的IgM和IgG激活。（IgM比IgG活性更强）
  • 第二条途径称为交替途径（Alternative Pathway），在先天性免疫中起作用。
    • 交替途径开始于C3自发水解。
    • 水解的C3需要与因子B（Factor B）结合后被因子D（Factor D）切割才能有活性。
    • 人体自身的细胞的细胞膜上的唾液酸能结合因子H（Factor H），阻止因子B和C3结合。
    • 能激活交替途径的病原体，细胞膜上唾液酸很少，而甘露糖和N-乙酰葡糖胺较多，称为激活表面（Activator Surface）。
    • 有些药物通过模仿激活表面，能激活补体系统。
  • 第三条途径称为凝集素途径（Lectin Pathway），在先天性免疫总起作用。
    • 在无脊椎动物中发现了类似的蛋白质，因此认为此途径是最古老的途径。
    • 该途径始于MBL蛋白，属于上皮细胞分泌的一种胶原凝集素（Collectin，一种PRR）。
    • Ficolin H、L、M蛋白也能激活此途径。
    • MBL和Ficolin蛋白都激活一种丝氨酸蛋白酶（MASP）。

炎症反应的调控

  • 炎症反应的调控分为诱导调控（Inducible）和本构调控（Constitutive）。

诱导调控

  • 诱导调控指在发炎时才激活的调控机制。
  • 各种细胞分泌的物质在引起炎症反应的同时，也有部分会抑制炎症反应。
  • 肺泡中的巨噬细胞能抑制树突状细胞成熟，从而抑制炎症。
  • 巨噬细胞被病原体激活时，抑制树突状细胞的功能被抑制。
  • 巨噬细胞激活后能分泌IL-10、TGFβ、前列腺素E2，用于抑制巨噬细胞和树突状细胞，从而抑制炎症。

本构调控

  • 本构调控指随时都在运行的调控机制。
  • 巨噬细胞能极高效地清除凋亡的细胞。（每天约有1011个细胞凋亡而不会引起炎症）
  • 巨噬细胞吞噬凋亡细胞时也会释放IL-10、TGFβ、前列腺素E2，抑制炎症。
  • 巨噬细胞通过识别凋亡细胞特有的分子标记（Apoptotic Cell-associated Molecular Pattern，ACAMP，类似于PAMP）清除凋亡细胞，补体蛋白C1q和胶原凝集素能辅助这一过程。
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