17.1: Фізичний захист

Цілі навчання

• Опишіть різні фізичні бар'єри та механічні захисні сили, які захищають організм людини від інфекції та хвороб
• Охарактеризуйте роль мікробіоти як захисту першої лінії від інфекції та хвороб

Клінічна спрямованість: Частина 1

Анжела, 25-річна пацієнтка у відділенні невідкладної допомоги, має певні проблеми з спілкуванням усно через задишку. Медсестра спостерігає звуження і набряк дихальних шляхів і утруднене дихання. Медсестра запитує Анжелу, чи є у неї в анамнезі астма або алергія. Анжела трясе головою немає, але в очах є страх. З деякими труднощами вона пояснює, що її батько раптово помер у віці 27 років, коли вона була ще маленькою дівчинкою, від подібного респіраторного нападу. Основна причина ніколи не була виявлена.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

1. Які можливі причини звуження і набряку дихальних шляхів?
2. Що викликає набряк тканин тіла в цілому?

Неспецифічний вроджений імунітет можна охарактеризувати як багатогранну систему захисних сил, яка неспецифічним чином націлена на вторгнення патогенів. У цьому розділі ми розділили численні захисні сили, що складають цю систему, на три категорії: фізичний захист, хімічний захист та клітинний захист. Однак важливо мати на увазі, що ці захисні сили не функціонують самостійно, а категорії часто перетинаються. У таблиці\(\PageIndex{1}\) наведено огляд неспецифічних засобів захисту, розглянутих у цьому розділі.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Огляд неспецифічних вроджених імунних захисних сил

Огляд неспецифічних вроджених імунних захисних сил
Фізичні захисні сили	Фізичні бар'єри
	Механічні засоби захисту
	Мікробіом
Хімічний захист	Хімічні речовини та ферменти в рідинях організму
	Антимікробні пептиди
	Плазмові білкові медіатори
	Цитокіни
	Медиатори, що викликають запалення
Клітинні захисні сили	гранулоцити
	Агранулоцити

Фізичні захисні сили забезпечують найосновнішу форму неспецифічного захисту організму. Вони включають фізичні бар'єри для мікробів, такі як шкіра та слизові оболонки, а також механічні захисні сили, які фізично видаляють мікроби та сміття з ділянок тіла, де вони можуть завдати шкоди чи інфекції. Крім того, мікробіом забезпечує міру фізичного захисту від хвороб, оскільки мікроби нормальної мікробіоти конкурують з патогенами за поживні речовини та клітинні зв'язки, необхідні для спричинення інфекції.

Фізичні бар'єри

Фізичні бар'єри відіграють важливу роль у запобіганні потраплянню мікробів до тканин, схильних до інфекції. На клітинному рівні бар'єри складаються з клітин, які щільно з'єднані, щоб запобігти перетину загарбників в більш глибокі тканини. Наприклад, ендотеліальні клітини, які вистилають кровоносні судини, мають дуже щільні з'єднання між клітиною і клітиною, блокуючи мікроби від отримання доступу до кровоносного русла. Клітинні з'єднання, як правило, складаються з білків клітинної мембрани, які можуть з'єднуватися з позаклітинним матриксом або з комплементарними білками сусідніх клітин. Тканини в різних ділянках тіла мають різні типи клітинних з'єднань. До них відносяться щільні з'єднання, десмосоми та розриви, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\). Вторгнення мікроорганізмів може намагатися розщепити ці речовини хімічним шляхом, використовуючи ферменти, такі як протеази, які можуть спричинити структурні пошкодження, щоб створити точку входу для патогенів.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Існує кілька типів клітинних з'єднань в тканині людини, три з яких показані тут. Щільні з'єднання склепують дві сусідні осередки разом, запобігаючи або обмежуючи обмін матеріалом через проміжки між ними. Десмосоми мають проміжні волокна, які діють як шнурки, пов'язуючи дві клітини разом, дозволяючи дрібним матеріалам проходити через отримані простори. Зазорні переходи - це канали між двома осередками, які дозволяють їх зв'язок за допомогою сигналів. (кредит: модифікація роботи Маріани Руїс Вільярреал)

Шкірний бар'єр

Одним з найважливіших фізичних бар'єрів організму є шкірний бар'єр, який складається з трьох шарів тісно упакованих клітин. Тонкий верхній шар називається епідермісом. Другий, більш товстий шар, званий дермою, містить волосяні фолікули, потові залози, нерви та кровоносні судини. Шар жирової тканини під назвою гіподерма лежить під дермою і містить кровоносні та лімфатичні судини (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Шкіра людини має три шари: епідерміс, дерму та гіподерму, які забезпечують товстий бар'єр між мікробами поза тілом і більш глибокими тканинами. Омертвілі клітини шкіри на поверхні епідермісу постійно линяють, захоплюючи з собою мікроби на поверхні шкіри. (кредит: модифікація роботи Національними інститутами охорони здоров'я)

Самий верхній шар шкіри, епідерміс, складається з клітин, які упаковані кератином. Ці відмерлі клітини залишаються у вигляді щільно пов'язаного, щільного шару наповненої білками клітинної лушпиння на поверхні шкіри. Кератин робить поверхню шкіри механічно жорсткою і стійкою до деградації бактеріальними ферментами. Жирні кислоти на поверхні шкіри створюють сухе, солоне і кисле середовище, яке гальмує ріст деяких мікробів і має високу стійкість до розпаду бактеріальними ферментами. Крім того, відмерлі клітини епідермісу часто линяють разом з будь-якими мікробами, які можуть чіплятися за них. Пролиті клітини шкіри постійно замінюються новими клітинами знизу, забезпечуючи новий бар'єр, який незабаром буде пролитий таким же чином.

Інфекції можуть виникати, коли шкірний бар'єр порушений або порушений. Рана може служити точкою входу для умовно-патогенних мікроорганізмів, які можуть інфікувати шкірні тканини, що оточують рану, і, можливо, поширюватися на більш глибокі тканини.

Кожна троянда має свій шип

Майк, садівник з південної Каліфорнії, недавно помітив невелику червону шишку на лівому передпліччі. Спочатку він мало про це думав, але незабаром він збільшився, а потім виразковий (розкрився), ставши болючим ураженням, яке поширювалося на значну частину передпліччя (рис.\(\PageIndex{3}\)). Він звернувся до закладу невідкладної допомоги, де лікар запитав про його заняття. Коли він сказав, що він ландшафтний дизайнер, лікар негайно запідозрив випадок споротрихозу, типу грибкової інфекції, відомої як хвороба садівника троянди, оскільки вона часто вражає озеленювачів та любителів садівництва.

За більшості умов гриби не можуть виробляти шкірні інфекції у здорових людей. Гриби ростуть нитки, відомі як гіфи, які не є особливо інвазивними і можуть бути легко утримані фізичними бар'єрами шкіри та слизових оболонок. Однак невеликі рани на шкірі, такі як ті, що спричинені шипами, можуть забезпечити отвір для умовно-патогенних мікроорганізмів, таких як Sporothrix schenkii, ґрунтовий грибок та збудник хвороби садівника троянди. Після того, як він порушує шкірний бар'єр, S. schenkii може інфікувати шкіру і підлеглі тканини, виробляючи виразкові ураження, такі як у Майка. складаючи речовини, інші патогени можуть потрапити в інфіковану тканину, викликаючи вторинні бактеріальні інфекції.

На щастя, хвороба садівника троянди піддається лікуванню. Лікар Майка написав йому рецепт на деякі протигрибкові препарати, а також курс антибіотиків для боротьби з вторинними бактеріальними інфекціями. Його ураження зрештою зажили, і Майк повернувся до роботи з новою вдячністю за рукавички та захисний одяг.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Хвороба садівника троянди може виникнути, коли грибок Sporothrix schenkii порушує шкіру через невеликі порізи, наприклад, можуть бути нанесені шипами. (кредит ліворуч: модифікація роботи Elisa Self; кредитне право: модифікація роботи Центрів контролю та профілактики захворювань)

Слизові оболонки

Слизові оболонки, що вистилають ніс, рот, легені, сечовивідні та травні шляхи, забезпечують ще один неспецифічний бар'єр проти потенційних патогенів. Слизові оболонки складаються з шару епітеліальних клітин, пов'язаних щільними переходами. Епітеліальні клітини виділяють вологу липку речовину, звану слизом, яка покриває і захищає більш крихкі клітинні шари під нею і затримує сміття та тверді частинки, включаючи мікроби. Слизові виділення також містять антимікробні пептиди.

У багатьох регіонах тіла механічні дії служать для вимивання слизу (разом із захопленими або мертвими мікробами) з організму або подалі від потенційних місць інфекції. Наприклад, в дихальну систему інгаляції можуть занести в організм мікроби, пил, спори цвілі та інше дрібне повітряне сміття. Це сміття потрапляє в слиз, що вистилає дихальні шляхи, шар, відомий як мукоциліарна ковдра. Епітеліальні клітини, що вистилають верхні частини дихальних шляхів, називаються миготливими епітеліальними клітинами, оскільки вони мають волосяні придатки, відомі як вії. Рух війок просуває навантажену сміттям слиз назовні і подалі від легенів. Вигнана слиз потім ковтається і руйнується в шлунку, або кашляють, або чхають (рис.\(\PageIndex{4}\)). Цю систему видалення часто називають мукоциліарним ескалатором.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Ця скануюча електронна мікрофотографія показує війкові та немиготливі епітеліальні клітини з трахеї людини. Мукоциліарний ескалатор відштовхує слиз з легенів разом з будь-яким сміттям або мікроорганізмами, які можуть бути захоплені в липкій слизу, і слиз рухається вгору до стравоходу, де її можна видалити, ковтаючи.

Мукоциліарний ескалатор є настільки ефективним бар'єром для мікробів, що легені, самий нижній (і найбільш чутливий) ділянку дихальних шляхів, здавна вважалися стерильним середовищем у здорових осіб. Лише недавно дослідження припустили, що здорові легені можуть мати невелику нормальну мікробіоту. Порушення роботи мукоциліарного ескалатора шкідливим впливом куріння або таких захворювань, як муковісцидоз, може призвести до посилення колонізації бактерій у нижніх дихальних шляхах та частих інфекцій, що підкреслює важливість цього фізичного бар'єру для захисту господаря.

Як і дихальні шляхи, травний тракт є порталом входу, через який мікроби потрапляють в організм, а слизові оболонки, що вистилають травний тракт, забезпечують неспецифічний фізичний бар'єр проти потрапляючих мікробів. Кишковий тракт вистелений епітеліальними клітинами, перемежованими слизосекретирующими келихоподібними клітинами (рис.\(\PageIndex{5}\)). Ця слиз змішується з матеріалом, отриманим зі шлунка, захоплюючи харчові мікроби і сміття. Механічна дія перистальтики, низка м'язових скорочень в травному тракті, переміщує замутнену слиз і інший матеріал через кишечник, пряму кишку і задній прохід, виводячи матеріал з калом.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Келихоподібні клітини виробляють і виділяють слиз. Стрілки на цій мікрофотографії вказують на виділяють слиз келихоподібні клітини (збільшення 1600) в епітелії кишечника. (Кредитна мікрофотографія: Мікрофотографія, надана регентами Медичної школи університету Мічигану © 2012)

Ендотелія

Епітеліальні клітини, що вистилають сечостатеві шляхи, кровоносні судини, лімфатичні судини та деякі інші тканини, відомі як ендотелія. Ці щільно упаковані клітини забезпечують особливо ефективний фронтовий бар'єр проти загарбників. Ендотелії гематоенцефалічного бар'єру, наприклад, захищають центральну нервову систему (ЦНС), яка складається з головного і спинного мозку. ЦНС - одна з найбільш чутливих і важливих областей організму, так як мікробна інфекція ЦНС може швидко привести до серйозних і часто смертельних запалень. Клітинні з'єднання в кровоносних судинами, що подорожують через ЦНС, є одними з найжорсткіших і найжорсткіших в організмі, запобігаючи потраплянню будь-яких минущих мікробів у кровоносному руслі в ЦНС. Це зберігає спинномозкову рідину, яка оточує і купає головний і спинний мозок стерильною в нормальних умовах.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

1. Опишіть, як функціонує мукоциліарний ескалатор.
2. Назвіть два місця, де ви знайдете ендотелію.

Механічні засоби захисту

Крім фізичних бар'єрів, які утримують мікроби, організм має ряд механічних захисних сил, які фізично виводять патогенні мікроорганізми з організму, не даючи їм зайняти місце проживання. Ми вже обговорювали кілька прикладів механічних захисних сил, включаючи осипання клітин шкіри, вигнання слизу через мукоциліарний ескалатор і виведення калу через перистальтику кишечника. Інші важливі приклади механічних захисних сил включають змивну дію сечі та сліз, які обидва служать для виведення мікробів з організму. Змивна дія сечі багато в чому відповідає за нормально стерильне середовище сечовивідних шляхів, яка включає нирки, сечоводи та сечовий міхур. Сеча, що виходить з організму, вимиває минущі мікроорганізми, не даючи їм зайняти місце проживання. Очі також мають фізичні бар'єри і механічні механізми профілактики інфекцій. Вії та повіки запобігають потраплянню пилу та повітряних мікроорганізмів на поверхню ока. Будь-які мікроби або сміття, які проходять повз цих фізичних бар'єрів, можуть бути вимиті механічним впливом моргання, яке купає око в сльозах, змиваючи сміття (рис.\(\PageIndex{6}\)).

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Сльози змивають мікроби з поверхні ока. Сеча вимиває мікроби з сечовивідних шляхів у міру проходження; в результаті сечовидільна система в нормі стерильна.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Назвіть дві механічні засоби захисту, які захищають очі.

Мікробіом

У різних регіонах тіла резидентна мікробіота служить важливим захистом першої лінії від вторгнення патогенів. Завдяки заняттю клітинних сайтів зв'язування та конкуренції за наявні поживні речовини, резидентна мікробіота запобігає критичним раннім етапам приєднання та розповсюдження збудників, необхідних для встановлення інфекції. Наприклад, в піхву члени резидентної мікробіоти конкурують з умовно-патогенними збудниками на кшталт дріжджів Candida. Ця конкуренція запобігає інфекціям, обмежуючи доступність поживних речовин, тим самим гальмуючи зростання Candida, тримаючи її населення під контролем. Подібні змагання відбуваються між мікробіотою і потенційними збудниками на шкірі, у верхніх дихальних шляхах і в шлунково-кишковому тракті. Як буде розглянуто далі в цьому розділі, резидентна мікробіота також сприяє хімічному захисту вроджених неспецифічних захисних сил господаря.

Важливість нормальної мікробіоти в захисних силах господаря підкреслюється підвищеною сприйнятливістю до інфекційних захворювань при порушенні або усуненні мікробіоти. Лікування антибіотиками може значно виснажити нормальну мікробіоту шлунково-кишкового тракту, надаючи перевагу хвороботворним бактеріям колонізувати і викликати діарейну інфекцію. У разі діареї, викликаної Clostridium difficile, інфекція може бути важкою і потенційно смертельною. Однією зі стратегій лікування інфекцій C. difficile є трансплантація калу, яка передбачає перенесення фекального матеріалу від донора (скринінгу на потенційні збудники) в кишечник пацієнта-реципієнта як метод відновлення нормальної мікробіоти та боротьби з С. difficile. інфекцій.

У таблиці\(\PageIndex{2}\) наведено резюме фізичних захисних засобів, розглянутих у цьому розділі.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Фізичні захисні сили неспецифічного вродженого імунітету

Оборона	Приклади	Функція
Клітинні бар'єри	Шкіра, слизові оболонки, ендотеліальні клітини	Заборонити потрапляння патогенів
Механічні засоби захисту	Осипання клітин шкіри, мукоциліарна підмітання, перистальтика, промивна дія сечі та сліз	Видаліть патогенні мікроорганізми з потенційних місць зараження
Мікробіом	Резидентні бактерії шкіри, верхніх дихальних шляхів, шлунково-кишкового тракту та сечостатевого тракту	Конкурувати з патогенами за клітинні сайти зв'язування і поживні речовини

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Перерахуйте два способи захисту резидентної мікробіоти від патогенів.

Ключові поняття та резюме

• Неспецифічний вроджений імунітет забезпечує першу лінію захисту від інфекції, неспецифічно блокуючи потрапляння мікробів і націлюючи їх на знищення або виведення з організму.
• Фізичні захисні сили вродженого імунітету включають фізичні бар'єри, механічні дії, що видаляють мікроби і сміття, і мікробіом, який конкурує з хвороботворними мікроорганізмами і гальмує їх зростання.
• Шкіра, слизові оболонки та ендотелія по всьому тілу служать фізичними бар'єрами, які перешкоджають потраплянню мікробів до потенційних місць зараження. Щільні з'єднання клітин в цих тканині перешкоджають проникненню мікробів.
• Мікроби, що потрапили в мертві клітини шкіри або слиз, видаляються з організму механічними діями, такими як пролиття клітин шкіри, мукоциліарне підмітання, кашель, перистальтика та промивання тілесних рідин (наприклад, сечовипускання, сльози)
• Резидентна мікробіота забезпечує фізичний захист, займаючи доступні сайти клітинного зв'язування та конкуруючи з патогенами за наявні поживні речовини.