9.3: Природні засоби захисту від інфекції

Існує два основних способи захисту організму від хвороботворних мікроорганізмів: неспецифічний вроджений імунітет і специфічний адаптаційний імунітет.

Неспецифічний вроджений імунітет

Неспецифічний вроджений імунітет - це система захисних сил в організмі, яка націлена на вторгнення патогенів неспецифічним чином. Його називають «вродженим», тому що він присутній з моменту народження. Неспецифічний вроджений імунітет включає фізичний захист, хімічний захист та клітинний захист. ^[1]

Фізичний захист

Фізичний захист - це найосновніша форма захисту організму від інфекції. 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 людини забезпечує фізичний захист від хвороб, оскільки нормальна флора конкурує з патогенами за поживні речовини та клітинні зв'язки. ^[2]

Шкіра

Одним з найважливіших фізичних бар'єрів організму є шкірний бар'єр, який складається з трьох шарів тісно упакованих клітин. Див. Рис. 9.5 ^[3] для ілюстрації шарів шкіри. Самий верхній шар шкіри під назвою епідерміс складається з клітин, які упаковані кератином. Кератин робить поверхню шкіри механічно жорсткою і стійкою до деградації бактеріями. Інфекції можуть виникнути при порушенні шкірного бар'єру, що дозволяє потрапляти умовно-патогенних мікроорганізмів, які інфікують шкірні тканини, що оточують рану, і, можливо, поширюються на більш глибокі тканини. ^[4]

Малюнок 9.5 Шари шкіри

Слизові мембрани

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 слизовою. Слизова покриває і захищає тендітні клітинні шари під нею, а також затримує сміття, включаючи мікроби. Слизові виділення також містять антимікробні пептиди. ^[5]

У багатьох регіонах тіла механічні дії вимивають слиз (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. Епітеліальні клітини, що вистилають верхні відділи дихальних шляхів, мають волосяні придатки, відомі як вії. Рух війок просуває навантажену сміттям слиз назовні і подалі від легенів. Потім вигнана слиз ковтається і руйнується в шлунку, кашляють або чхають. Цю систему видалення часто називають мукоциліарним ескалатором. Порушення роботи мукоциліарного ескалатора шкідливим впливом куріння може призвести до посилення колонізації бактерій у нижніх дихальних шляхах та частих інфекцій, що підкреслює важливість цього фізичного бар'єру для захисту господаря. ^[6] Див. Рис. 9.6 ^[7] для зображення збільшеного мукоциліарного ескалатора.

Малюнок 9.6 Мукоциліарний ескалатор

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, вкрапленнями з виділенням слизу келихоподібними клітинами. Ця слиз змішується з матеріалом, отриманим зі шлунка, захоплюючи харчові мікроби і сміття, а механічна дія перистальтики (серія м'язових скорочень в травному тракті) переміщує цю суміш через кишечник і виводить її з калом. ^[8] З цієї причини кал може містити мікроорганізми, які можуть спричинити поширення інфекції; тому важлива гігієна рук.

Ендотелія

Епітеліальні клітини, що вистилають сечостатеві шляхи, кровоносні судини, лімфатичні судини та інші тканини, відомі як ендотелія. Ці щільно упаковані клітини забезпечують ефективний фронтовий бар'єр проти загарбників. Ендотелія гематоенцефалічного бар'єру, наприклад, захищає центральну нервову систему (ЦНС) від мікроорганізмів. Зараження ЦНС може швидко привести до серйозних і часто смертельних запалень. Захист гематоенцефалічного бар'єру зберігає спинномозкову рідину, яка оточує головний і спинний мозок, стерильною. ^[9] Див. Рис. 9.7 ^[10] для ілюстрації гематоенцефалічний бар'єр.

Малюнок 9.7 Гематоенцефалічний

Механічні засоби захисту

Крім фізичних бар'єрів, які утримують мікроби, організм має кілька механічних захисних сил, які фізично виводять патогенні мікроорганізми з організму і не дають їм зайняти місце проживання. Наприклад, змивна дія сечі і сліз служить для виведення мікробів з організму. Змивна дія сечі відповідає за нормально стерильне середовище сечовивідних шляхів. Очі мають додаткові 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, вимиваються механічним впливом моргання, яке купає око в сльозах, змиваючи сміття. ^[11] Див. Рис. 9.8 ^[12] для зображення вій немовляти, які запобігають потраплянню пилу на поверхню ока.

Малюнок 9.8 Вії - це механічний захист

Мікробіом

Нормальна флора, яка сприяє мікробіому людини, служить важливим захистом першої лінії від вторгнення патогенів. Завдяки заняттю клітинних сайтів зв'язування та конкуренції за наявні поживні речовини, нормальна флора запобігає раннім етапам приєднання та розповсюдження збудників, необхідних для встановлення інфекції. Наприклад, в піхву нормальна флора конкурує з умовно-патогенними збудниками на кшталт Candida albicans. Ця конкуренція запобігає дріжджовий інфекції, обмежуючи доступність поживних речовин і гальмуючи зростання Candida, тримаючи його населення під контролем. Подібні змагання відбуваються між нормальною флорою і потенційними збудниками на шкірі, у верхніх дихальних шляхах і в шлунково-кишковому тракті. ^[13]

Важливість нормальної флори в захисних силах господаря підкреслюється підвищеною сприйнятливістю людини до інфекційних захворювань при порушенні або усуненні їх мікробіома. Наприклад, лікування антибіотиками може значно виснажити нормальну флору шлунково-кишкового тракту, надаючи перевагу хвороботворним бактеріям, таким як Clostridium difficile (C-diff), для колонізації та спричинення діарейної інфекції. Діарея, викликана C-diff, може бути важкою і потенційно смертельною. Насправді недавньою стратегією лікування рецидивуючих інфекцій С-дифф є трансплантація калу, яка передбачає перенесення фекального матеріалу від донора в кишечник пацієнта як метод відновлення їх нормальної флори. ^[14]

Хімічний захист

Окрім фізичних захисних сил, наша неспецифічна вроджена імунна система використовує кілька хімічних медіаторів, які інгібують мікробних загарбників. Термін хімічні медіатори охоплює широкий спектр речовин, що містяться в різних рідин і тканин по всьому тілу. Наприклад, сальні залози в дермі виділяють масло, яке називається шкірним салом, яке виділяється на поверхню шкіри через волосяні фолікули. Шкірне сало забезпечує додатковий шар захисту, допомагаючи герметизувати пори волосяного фолікула та запобігаючи потраплянню бактерій на поверхні шкіри потових залоз та навколишніх тканин. Фактори навколишнього середовища можуть впливати на ці хімічні захисні сили шкіри. Наприклад, низька вологість взимку робить шкіру більш сухою і сприйнятливою до патогенів, які зазвичай гальмуються низьким рН шкіри. Нанесення зволожуючого крему для шкіри відновлює вологу та ефірні олії на шкірі та допомагає запобігти інфікуванню сухої шкіри. ^[15]

Прикладами інших хімічних захисних сил є ферменти, рівень рН та хімічні медіатори. Ферменти в слині і травному тракті усувають більшість хвороботворних мікроорганізмів, яким вдається пережити кисле середовище шлунка. У сечовивідних шляхах незначна кислотність сечі гальмує ріст потенційних збудників в сечовивідних шляхах. Дихальні шляхи також використовують різні хімічні медіатори в носових ходах, трахеї, легенях, які мають антибактеріальні властивості. ^[16]

Плазмові білкові медіатори

Окрім фізичного, механічного та хімічного захисту, у плазмі, рідкій частині крові є також неспецифічні вроджені імунні фактори, такі як білки гострої фази, білки комплементу та цитокіни. Ці медіатори білків плазми сприяють запальній реакції. ^[17]

Прикладом білка гострої фази є С-реактивний білок. Високий рівень С-реактивного білка вказує на серйозну інфекцію або інший медичний стан, що викликає запалення. ^[18]

Білки комплементу завжди присутні в крові і тканинних рідинях, що дозволяє їм швидко активуватися. Вони допомагають у знищенні патогенів, проколюючи їх зовнішні мембрани (лізис клітин) або роблячи їх більш привабливими для фагоцитарних клітин, таких як макрофаги. ^[19]

Цитокіни - це білки, які впливають на взаємодію і зв'язок між клітинами. Коли збудник потрапляє в організм, перша імунна клітина, яка помітила збудника, схожа на диригента оркестру. Ця клітина направляє всі інші імунні клітини, створюючи та надсилаючи повідомлення (цитокіни) іншим органам або клітинам організму, щоб реагувати та ініціювати запалення. Занадто багато цитокінів може мати негативний ефект і призвести до того, що відомо як цитокінова буря. ^{[20], [21]} Цитокінова буря - це важка імунна реакція, при якій організм занадто швидко викидає занадто багато цитокінів у кров. Цитокінова буря може виникнути в результаті інфекції, аутоімунного стану або іншого захворювання. Ознаки та симптоми включають високу температуру, запалення, сильну втому та нудоту. Цитокіновий шторм може бути сильним або небезпечним для життя і призвести до поліорганної недостатності. Наприклад, багато ускладнень та смертей COVID-19 були спричинені цитокіновим штормом. ^{[22], [23]}

Запалення

Запалення - це відповідь, викликана каскадом хімічних медіаторів і виникає, коли патогени успішно порушують неспецифічну вроджену імунну систему або коли відбувається травма. Хоча запалення часто сприймається як негативний наслідок травми або захворювання, це необхідний процес, який набирає клітинні захисні сили, необхідні для усунення патогенів, видалення пошкоджених та мертвих клітин та ініціювання механізмів відновлення. Надмірне запалення, однак, може призвести до місцевого пошкодження тканин, а у важких випадках, таких як сепсис, воно може стати смертельно небезпечним. ^[24]

Негайною відповіддю на травму тканин є гостре запалення. Судинозвуження відбувається для мінімізації крововтрати, якщо трапилася травма. Судинозвуження супроводжується розширенням судин з підвищеною проникністю кровоносних судин за рахунок виділення гістаміну огрядними клітинами. Гістамін сприяє появі п'яти спостережуваних ознак запальної реакції: еритема (почервоніння), набряк (набряк), жар, біль і змінена функція. Він також пов'язаний з припливом фагоцитів в місці травми і/або інфекції. Див. Рис. 9.9 ^[25] для ілюстрації запальної реакції, з (а) демонструючи, коли огрядні клітини виявляють пошкодження сусідніх клітин і вивільняють гістамін, ініціюючи запальну реакцію та (б) ілюструючи, де гістамін збільшує приплив крові до місця рани а пов'язана з цим підвищена проникність судин дозволяє рідини, білкам, фагоцитам та іншим імунним клітинам потрапляти в інфіковану тканину. Ці події призводять до набряклості і почервоніння травмованого місця. Посилений приплив крові до травмованого місця змушує його відчувати тепло. Запалення також пов'язане з болем через ці події, що стимулюють нервові больові рецептори в тканині. Зростаюча кількість нейтрофілів потім набирається в область для боротьби з хвороботворними мікроорганізмами. У міру того, як боротьба вирує, лейкоцити набираються в цю область, а гній утворюється від скупчення нейтрофілів, відмерлих клітин, тканинних рідин та лімфи. Зазвичай через кілька днів макрофаги очищають цей гній. ^[26] Під час травми, якщо цей неспецифічний запальний процес успішно не вбиває збудників, відбувається інфікування.

Малюнок 9.9 Запальна відповідь

Лихоманка

Лихоманка є частиною запальної реакції, яка виходить за межі місця зараження і вражає весь організм, в результаті чого відбувається загальне підвищення температури тіла. Як і інші форми запалення, лихоманка підсилює неспецифічний вроджений імунний захист, стимулюючи лейкоцити для знищення патогенів. Підвищення температури тіла також гальмує ріст багатьох хвороботворних мікроорганізмів. Під час лихоманки шкіра пацієнта може здаватися блідою через звуження судин в шкірі, щоб відвести кровотік від кінцівок, мінімізувати втрату тепла та підвищити температуру ядра тіла. Гіпоталамус також стимулює тремтіння м'язів для генерації тепла і підвищення температури ядра. ^[27]

Вважається, що лихоманка низького рівня допомагає людині подолати хворобу. Однак в деяких випадках ця імунна відповідь може бути занадто сильною, спричиняючи пошкодження тканин та органів, а у важких випадках - навіть смерть. Наприклад, золотистий стафілокок і Streptococcus pyogenes здатні виробляти суперантигени, що викликають синдром токсичного шоку і скарлатину відповідно. Обидва ці стани пов'язані з надзвичайно високою лихоманкою, що перевищує 42° C (108° F), яку необхідно керувати, щоб запобігти пошкодженню тканин та смерті. ^[28]

При розриві лихоманки гіпоталамус стимулює розширення судин, в результаті чого відбувається повернення кровотоку до шкіри і подальше виділення тепла з організму. Гіпоталамус також стимулює потовиділення, яке охолоджує шкіру в міру випаровування поту. ^[29]

Специфічний адаптивний імунітет

Тепер, коли ми обговорили кілька неспецифічних вроджених захисних сил проти збудника, давайте обговоримо специфічний адаптивний імунітет. Специфічний адаптивний імунітет - це імунна відповідь, яка активується, коли неспецифічна вроджена імунна відповідь недостатня для контролю інфекції. Існує два типи адаптаційних реакцій: клітинно-опосередкована імунна відповідь, яка здійснюється Т-клітинами, і гуморальний імунний відповідь, який контролюється активованими В-клітинами і антитілами. ^[30]

В-клітини дозрівають в кістковому мозку. В-клітини роблять Y-подібні білки, звані антитілами, які є специфічними для кожного збудника і фіксуються на його поверхні і позначають її для руйнування іншими імунними клітинами. П'ять класів антитіл - IgG, IgM, IgA, IgD та IgE. Вони також перетворюються в осередки пам'яті В. ^[31]

Т-клітини дозрівають в тимусі. Т-клітини класифікуються на три класи: допоміжні Т-клітини, регуляторні Т-клітини та цитотоксичні Т-клітини. Helper T-клітини стимулюють В-клітини виробляти антитіла і допомагають клітинам-кілерам розвиватися Кілери Т-клітини безпосередньо вбивають клітини, які вже були заражені збудником. Т-клітини також використовують цитокіни як молекули месенджера для надсилання хімічних інструкцій до решти імунної системи для посилення її реакції. ^[32]

Специфічний адаптивний імунітет також створює клітини пам'яті для кожного конкретного збудника, що забезпечує господареві тривалий захист від повторного зараження цим збудником. При повторному опроміненні ці клітини пам'яті полегшують ефективну та швидку імунну відповідь. Наприклад, коли людина одужує від вітряної віспи, організм виробляє пам'ять про вірус вітряної віспи, який спеціально захистить його від повторного зараження, якщо він знову піддається впливу вірусу. ^[33]

Див. Рис. 9.10 ^[34] для ілюстрації вродженого імунітету і специфічного адаптаційного імунітету, що виникає у відповідь на потрапляння збудника в організм через ніс.

Малюнок 9.10 Вроджений імунітет та специфічний адаптивний імунітет

---

1. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [1]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
   
2. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [2]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
   
3. «OSC_Microbio_17_02_Skin.jpg» від OpenStax ліцензується відповідно до CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою https://openstax.org/books/microbiology@9.8/pages/17-1-physical-defenses. ⁃
   
4. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [3]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
   
5. Консорціум дослідницької мережі інтегративного HMP (iHMP). Проктор, Л.М., Creasy, H., та ін. Інтегративний проект мікробіома людини. Природа, 569, 641—648. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1238-8 сільське господарство
   
6. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [4]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
   
7. «Bronchiolar_epithelium_3_-_SEM.jpg» Чарльза Дагліана ліцензується CC0 ⟩
   
8. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [5]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
   
9. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [6]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
   
10. «Protective_barriers_of_the_brain.jpg» Стоп Г.Б., Лідделлов С.А., Са-Перейра І., Дзєгелевська К.М., і Сондерс Н.Р. має ліцензію CC BY-SA 3.0 ⟩
    
11. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [7]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
12. «Eyelashes_of_a_2-month-old_baby_boy.png» від Karthik.Yerramilly ліцензується відповідно до CC BY-SA 4.0
    
13. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [8]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
14. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [9]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
15. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [10]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
16. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [11]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
17. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [12]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
18. Цей твір є похідним від Поняття біології - 1st Канадське видання Molnar & Gair і ліцензовано під CC BY 4.0. ⁃
    
19. Спростон, Н.Р., і Ешворт, Дж. Роль С-реактивного білка в місцях запалення та інфекції. Межі в імунології, 9, 754. https://doi.org/10.3389/fimmu.2018.00754 сільське господарство
    
20. Доповнення. У Британіці. https://www.britannica.com/science/complement-immune-system-component сільське господарство
    
21. Аранго Дуке, Г., & Деското, А. (2014). Макрофагові цитокіни: участь в імунітеті та інфекційних захворюваннях. Межі в імунології, 5, 491. https://doi.org/10.3389/fimmu.2014.00491 сільське господарство
    
22. Національний інститут раку (н.д.) Словник термінів раку NCI. https://www.cancer.gov/publications/dictionaries/cancer-terms/def/cytokine-storm сільське господарство
    
23. Ходжіо, С., Учіда М., Танака, К., та ін. (2020). Як COVID-19 викликає цитокіновий шторм з високою смертністю. Запалення і регенерація, 40 (37). https://doi.org/10.1186/s41232-020-00146-3 сільське господарство
    
24. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [13]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
25. «OSC_Microbio_17_06_Erythema.jpg» від OpenStax ліцензується відповідно до CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою https://openstax.org/books/microbiology@9.8/pages/17-5-inflammation-and-fever. ⁃
    
26. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [14]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
27. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [15]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
28. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [16]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
29. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [17]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
30. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [18]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
31. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [19]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
32. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [20]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
33. Ця робота є похідною від мікробіології OpenStax і ліцензована під CC BY 4.0. Доступ безкоштовно за адресою [21]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    
34. «2211_Cooperation_Between_Innate_and_Immune_Responses.jpg» від OpenStax ліцензується відповідно до CC BY 3.0. ⁃