17.2: Вроджений імунітет

Хребетна, в тому числі і людська, імунна система являє собою складну багатошарову систему захисту від зовнішніх і внутрішніх загроз цілісності організму. Систему можна розділити на два типи захисних систем: вроджену імунну систему, яка неспецифічна по відношенню до певного виду збудника, і адаптивна імунна система, яка є специфічною (рис. \(\PageIndex{1}\)). Вроджений імунітет не викликається інфекцією або вакцинацією і залежить спочатку від фізичних і хімічних бар'єрів, які діють на всіх збудників, іноді званих першою лінією захисту. Друга лінія захисту вродженої системи включає хімічні сигнали, які викликають реакції запалення та лихоманки, а також мобілізують захисні клітини та інші хімічні захисні сили. Адаптивна імунна система встановлює високоспецифічну реакцію на речовини та організми, які не належать до організму. Адаптивна система потребує більше часу для реагування і має систему пам'яті, яка дозволяє їй реагувати з більшою інтенсивністю, якщо організм знову зустріне збудника навіть через роки.

Малюнок \(\PageIndex{1}\): Існує дві основні частини імунної системи хребетних. Вроджена імунна система, яка складається з фізичних бар'єрів та внутрішніх захисних сил, реагує на всіх збудників. Адаптивна імунна система є високоспецифічною.

Зовнішні та хімічні бар'єри

Організм має значні фізичні бар'єри для потенційних збудників. У шкірі міститься білок кератин, який протистоїть фізичному надходженню в клітини. Інші поверхні тіла, особливо пов'язані з отворами тіла, захищені слизовими оболонками. Клейка слиз забезпечує фізичну пастку для хвороботворних мікроорганізмів, перешкоджаючи їх руху глибше в організм. Отвори тіла, такі як ніс і вуха, захищені волосками, які ловлять хвороботворні мікроорганізми, а слизові оболонки верхніх дихальних шляхів мають вії, які постійно переміщають збудників, що потрапили в слизову оболонку аж до рота.

Шкіра і слизові оболонки також створюють хімічне середовище, вороже для багатьох мікроорганізмів. Поверхня шкіри кисла, що перешкоджає розмноженню бактерій. Слина, слиз і сльози ока містять фермент, який розщеплює бактеріальні клітинні стінки. Шлункові виділення створюють сильно кисле середовище, яка вбиває багато хвороботворних мікроорганізмів, що потрапляють в травну систему.

Нарешті, поверхня тіла та нижня травна система мають спільноту мікроорганізмів, таких як бактерії, археї та гриби, які співіснують, не завдаючи шкоди організму. Є дані, що ці організми дуже корисні для свого господаря, борючись з хвороботворними організмами і випереджаючи їх за поживні ресурси, що надаються організмом господаря. Незважаючи на ці захисні сили, патогени можуть потрапляти в організм через шкірні садна або проколи, або збираючись на поверхнях слизової у великій кількості, які долають захист слизу або вій.

Внутрішні захисні сили

При попаданні збудників в організм вроджена імунна система відповідає різноманітними внутрішніми захисними силами. До них відносяться запальна реакція, фагоцитоз, природні клітини-кілери та система комплементу. Лейкоцити в крові і лімфі розпізнають хвороботворні мікроорганізми чужорідними для організму. Лейкоцити більше, ніж еритроцити, є ядерними і, як правило, здатні рухатися за допомогою амебоїдного руху. Оскільки вони можуть рухатися самостійно, лейкоцити можуть залишати кров, щоб перейти до інфікованих тканин. Наприклад, моноцит - це тип лейкоцитів, який циркулює в крові і лімфі і розвивається в макрофаг після того, як він переміщається в інфіковану тканину. Макрофаг - це велика клітина, яка поглинає чужорідні частинки і хвороботворні мікроорганізми. Огрядні клітини виробляються так само, як і лейкоцити, але на відміну від циркулюючих лейкоцитів огрядні клітини займають місце проживання в сполучних тканинах і особливо тканинах слизової оболонки. Вони несуть відповідальність за вивільнення хімічних речовин у відповідь на фізичні травми. Вони також відіграють певну роль у алергічної реакції, про яку піде мова далі в розділі.

Коли збудник визнаний чужорідним, виділяються хімічні речовини, звані цитокінами. Цитокін - це хімічний месенджер, який регулює диференціацію клітин (форму та функцію), проліферацію (виробництво) та експресію генів для отримання різноманітних імунних реакцій. Приблизно 40 видів цитокінів існує у людини. Окрім вивільнення з лейкоцитів після розпізнавання збудника, цитокіни також вивільняються зараженими клітинами та зв'язуються з сусідніми незараженими клітинами, спонукаючи ці клітини вивільняти цитокіни. Ця петля позитивного зворотного зв'язку призводить до сплеску виробництва цитокінів.

Одним з класів цитокінів ранньої дії є інтерферони, які вивільняються інфікованими клітинами як попередження для сусідніх незаражених клітин. Інтерферон - це невеликий білок, який сигналізує про вірусну інфекцію іншим клітинам. Інтерферони стимулюють незаражені клітини виробляти сполуки, що перешкоджають реплікації вірусів. Інтерферони також активують макрофаги та інші клітини.

Запальна реакція і фагоцитоз

Перші цитокіни, що виробляються, заохочують запалення, локалізоване почервоніння, набряк, тепло та біль. Запалення - це реакція на фізичні травми, такі як поріз або удар, хімічне подразнення та зараження хвороботворними мікроорганізмами (вірусами, бактеріями або грибками). Хімічні сигнали, що викликають запальну реакцію, потрапляють у позаклітинну рідину і змушують капіляри розширюватися (розширюватися), а стінки капілярів стають більш проникними або протікають. Сироватка та інші сполуки, що витікають з капілярів, викликають набряк області, що, в свою чергу, викликає біль. В область запалення притягуються різного роду лейкоцити. Види лейкоцитів, які надходять на запалене місце, залежать від характеру травми або зараження збудника. Наприклад, нейтрофіл - це рано надходить лейкоцити, які поглинають і перетравлюють хвороботворні мікроорганізми. Нейтрофіли - найбільш рясні лейкоцити імунної системи (рис. \(\PageIndex{2}\)). Макрофаги слідують за нейтрофілами і беруть на себе функцію фагоцитозу і беруть участь у вирішенні запаленої ділянки, очищення залишків клітин і патогенів.

Малюнок \(\PageIndex{2}\): Білі кров'яні клітини (лейкоцити) виділяють хімічні речовини для стимуляції запальної реакції після порізу шкіри.

Цитокіни також надсилають відгуки клітинам нервової системи, щоб викликати загальні симптоми поганого самопочуття, які включають млявість, біль у м'язах та нудоту. Цитокіни також підвищують температуру тіла ядра, викликаючи лихоманку. Підвищені температури лихоманки гальмують ріст хвороботворних мікроорганізмів і прискорюють процеси відновлення клітин. З цих причин придушення лихоманки повинно обмежуватися тими, які небезпечно високі.

ПОНЯТТЯ В ДІЇ

Перегляньте це 23-секундне відео стоп-руху, на якому показано нейтрофіл, який шукає та поглинає спори грибів протягом часу, що минув 79 хвилин.

Природні клітини-вбивці

Лімфоцит - це біла кров'яна клітина, яка містить велике ядро (рис. \(\PageIndex{3}\)). Більшість лімфоцитів пов'язано з адаптивним імунною відповіддю, але інфіковані клітини ідентифікуються і знищуються природними клітинами-кілерами, єдиними лімфоцитами вродженої імунної системи. Природна клітина вбивці (NK) - це лімфоцит, здатний вбивати клітини, заражені вірусами (або раковими клітинами). Клітини NK ідентифікують внутрішньоклітинні інфекції, особливо від вірусів, за зміненою експресією основних молекул гістосумісності (MHC) I на поверхні інфікованих клітин. Молекули класу MHC I - це білки на поверхнях всіх ядерних клітин, які забезпечують зразок внутрішнього середовища клітини в будь-який момент часу. Нездорові клітини, інфіковані чи ракові, демонструють змінене доповнення класу MHC I на своїх клітинних поверхнях.

Малюнок \(\PageIndex{3}\): Лімфоцити, такі як NK-клітини, характеризуються своїми великими ядрами, які активно поглинають пляму Райта і тому під мікроскопом виглядають темно забарвленими. (кредит: дані шкали від Метта Рассела)

Після того, як NK-клітина виявляє заражену або пухлинну клітину, вона індукує запрограмовану загибель клітин, або апоптоз. Потім фагоцитарні клітини приходять разом і перетравлюють залишки клітин, що залишилися позаду. NK-клітини постійно патрулюють організм і є ефективним механізмом контролю потенційних інфекцій і запобігання прогресування раку. Різні типи імунних клітин показані на рис \(\PageIndex{4}\).

Малюнок \(\PageIndex{4}\): Клітини, що беруть участь у вродженій імунній відповіді, включають огрядні клітини, природні клітини-кілери та лейкоцити, такі як моноцити, макрофаги та нейтрофіли.

Доповнення

Масив приблизно 20 типів білків, званих системою комплементу, також активується інфекцією або діяльністю клітин адаптивної імунної системи і функціонує для знищення позаклітинних патогенів. Клітини печінки і макрофаги синтезують неактивні форми білків комплементу безперервно; ці білки в достатку знаходяться в сироватці крові і здатні негайно реагувати на зараження мікроорганізмів. Система комплементу названа так тому, що вона доповнює вроджену та адаптивну імунну систему. Білки комплементу зв'язуються з поверхнями мікроорганізмів і особливо притягуються до патогенів, які вже позначені адаптивною імунною системою. Це «мічення» передбачає приєднання до збудника специфічних білків, званих антитілами (детально розглянуті далі). Коли вони прикріплюються, антитіла змінюють форму, забезпечуючи місце зв'язування одного з білків комплементу. Після того, як перші кілька білків комплементу зв'язуються, слід каскад зв'язування в певній послідовності білків, в якому збудник швидко покривається білками комплементу.

Білки комплементу виконують кілька функцій, одна з яких - служити маркером для вказівки на наявність збудника до фагоцитарних клітин і посилення поглинання. Деякі білки комплементу можуть поєднуватися, щоб відкрити пори в мембранах мікробних клітин і викликати лізис клітин.

Резюме

Вроджена імунна система складається спочатку з фізичних та хімічних бар'єрів для інфекції, включаючи шкіру та слизові оболонки та їх виділення, війчасті поверхні та волосся на тілі. Друга лінія оборони - це внутрішня захисна система, призначена для протидії патогенним загрозам, які обходять фізичні і хімічні бар'єри організму. Використовуючи комбінацію клітинних і молекулярних реакцій, вроджена імунна система ідентифікує природу збудника і відповідає запаленням, фагоцитозом, вивільненням цитокінів, руйнуванням NK-клітинами або системою комплементу.

Глосарій

система комплементу

масив приблизно 20 розчинних білків вродженої імунної системи, які посилюють фагоцитоз, отвори в патогенних мікроорганізмів і набирати лімфоцити

цитокінів

хімічний месенджер, який регулює диференціювання клітин, проліферацію та експресію генів для впливу імунних реакцій

запалення

локалізоване почервоніння, набряк, тепло та біль, що виникають внаслідок руху лейкоцитів через відкриті капіляри до місця інфекції

вроджений імунітет

імунітет, що відбувається природним шляхом через генетичні фактори або фізіології, і не викликані інфекції або вакцинації

інтерферон

цитокін, який пригнічує вірусну реплікацію

лімфоцитів

тип білих кров'яних клітин, що включає в себе природні клітини-вбивці вродженої імунної системи і B і T клітин адаптивної імунної системи

макрофагів

великий фагоцитарних клітин, що поглинає чужорідних частинок і патогенів

основний клас гістосумісності (MHC) I

Група білків, знайдених на поверхні всіх ядерних клітин, що сигналізує до імунних клітин, чи є клітини нормальним або інфікованих або ракових; він також забезпечує відповідні сайти, в яких антигени можуть бути завантажені для розпізнавання лімфоцитів

тучна клітина

лейкоцитарний, який виробляє запальні молекули, такі як гістамін, у відповідь на великих патогенів

моноцитарний

тип білих кров'яних клітин, що циркулює в крові і лімфи і диференціює в макрофагів після того, як він рухається в інфікованої тканини

Клітка природного вбивці (NK)

лімфоцитів, які можуть вбивати клітини, інфіковані вірусами або пухлинні клітини

нейтрофілів

фагоцитарної лейкоцитарної, яка поглинає і перетравлює патогенів

лейкоцити

ядерні клітини, знайдені в крові, яка є частиною імунної системи; також називається лейкоцити

Дописувачі та атрибуції

• Template:ContribOpenStaxConcepts