17.1: 物理防御

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学习目标

描述保护人体免受感染和疾病侵害的各种物理屏障和机械防御
描述微生物群作为抵御感染和疾病的第一线防御的作用

临床重点：第 1 部分

安吉拉（Angela）是急诊室的25岁女性患者，由于呼吸急促，在口头沟通方面遇到了一些困难。一名护士观察到气道收缩和肿胀以及呼吸困难。护士问安吉拉她是否有哮喘或过敏史。安吉拉摇了摇头不，但她的眼中充满了恐惧。她不费吹灰之力地解释说，她的父亲突然死于类似的呼吸道发作，享年27岁，当时她还是个小女孩。根本原因尚未确定。

练习\(\PageIndex{1}\)

气道收缩和肿胀的可能原因有哪些？
一般是什么原因导致人体组织肿胀？

非特异性先天免疫的特征可以说是一个多方面的防御系统，以非特异性的方式针对入侵的病原体。在本章中，我们将构成该系统的众多防御措施分为三类：物理防御、化学防御和细胞防御。但是，重要的是要记住，这些防御措施不是独立运作的，而且类别经常重叠。 \(\PageIndex{1}\)该表概述了本章中讨论的非特异性防御。

表\(\PageIndex{1}\)：非特异性先天免疫防御概述
非特异性先天免疫防御概述
物理防御	物理屏障
	机械防御
	微生物组
化学防御	体液中的化学物质和酶
	抗菌肽
	血浆蛋白介质
	细胞因子
	引发炎症的介质
细胞防御	粒细胞
细胞防御	粒细胞

物理防御是人体最基本的非特异性防御形式。它们包括皮肤和粘膜等微生物的物理屏障，以及物理清除可能造成伤害或感染的身体部位的微生物和碎屑的机械防御。此外，由于正常微生物群的微生物与病原体争夺引起感染所需的营养素和细胞结合位点，因此微生物组提供了一种人身防护措施，以抵御疾病。

物理屏障

物理屏障在防止微生物进入易受感染的组织方面起着重要作用。在细胞层面，屏障由紧密连接的细胞组成，以防止入侵者穿越更深的组织。例如，血管中的内皮细胞具有非常紧密的细胞间连接，阻碍了微生物进入血液。细胞连接通常由细胞膜蛋白组成，这些蛋白可能与细胞外基质或来自邻近细胞的互补蛋白相连。身体各个部位的组织具有不同类型的细胞连接。它们包括紧密交汇点、desmosomes 和间隙交汇点，如图所示\(\PageIndex{1}\)。入侵的微生物可能试图通过化学方式分解这些物质，使用蛋白酶等可能造成结构损伤的酶，为病原体创造切入点。

紧密连接——两层膜与多条线中的许多点焊相连。 Desmosomes — 两条长链的膜将它们编织在一起。间隙连接 — 两层膜有几个点焊缝，每个膜的中心都有一个孔隙。 — 图\(\PageIndex{1}\)：人体组织中有多种类型的细胞连接，其中三种如下所示。紧密连接将两个相邻的电池铆接在一起，防止或限制通过它们之间的空间进行材料交换。 Desmosomes 的中间纤维像鞋带一样起作用，将两个细胞绑在一起，允许小材料穿过由此产生的空间。间隙连接是两个小区之间的信道，允许它们通过信号进行通信。（来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔对作品的修改）

皮肤屏障

人体最重要的物理屏障之一是皮肤屏障，它由三层紧密包装的细胞组成。薄的上层称为表皮。第二层较厚的称为真皮，包含毛囊、汗腺、神经和血管。真皮下有一层称为皮下层的脂肪组织，含有血液和淋巴管（图\(\PageIndex{2}\)）。

一部分皮肤的示意图。底层是皮下层，主要由大型圆形细胞（脂肪组织）组成。下一层，最厚的一层是真皮。真皮底部是血管、淋巴管和神经，所有这些都贯穿真皮。汗腺是通向表面的盘绕管。毛囊是含有头发的厚花瓶状结构；油腺附着在毛囊上。顶层是表皮，由多层扁平细胞组成。 — 图\(\PageIndex{2}\)：人体皮肤有三层：表皮、真皮和皮下层，它们在体外微生物和更深层组织之间提供了厚厚的屏障。表皮表面的死皮细胞不断脱落，带走皮肤表面的微生物。（来源：美国国立卫生研究院对作品的修改）

皮肤的最顶层是表皮，由富含角蛋白的细胞组成。这些死细胞作为一层紧密连接、密集的充满蛋白质的细胞壳层保留在皮肤表面。角蛋白使皮肤表面具有机械强韧性，可抵抗细菌酶的降解。皮肤表面的脂肪酸会形成干燥、咸味和酸性的环境，抑制某些微生物的生长，并且对细菌酶的分解具有很强的抵抗力。此外，表皮的死细胞以及可能附着在它们上的任何微生物经常脱落。脱落的皮肤细胞不断被来自下方的新细胞所取代，提供了一个新的屏障，很快就会以同样的方式脱落。

当皮肤屏障受损或破坏时，就会发生感染。伤口可以作为机会性病原体的切入点，这些病原体可以感染伤口周围的皮肤组织，并可能扩散到更深的组织。

每朵玫瑰都有刺

来自南加州的园丁迈克最近注意到他的左前臂上有一个红色的小肿块。最初，他没想太多，但很快它变大了，然后溃疡（打开），变成了延伸到他前臂很大一部分的痛苦病变（图\(\PageIndex{3}\)）。他去了一家急诊机构，医生在那里询问了他的职业。当他说自己是一名园丁时，医生立即怀疑了一例孢子菌病，这是一种被称为玫瑰园丁病的真菌感染，因为它经常困扰园丁和园艺爱好者。

在大多数情况下，真菌不会在健康人身上产生皮肤感染。真菌会长出被称为菌丝的细丝，这种细丝的侵入性不是特别强，皮肤和粘膜的物理屏障很容易阻止。但是，皮肤上的小伤口，例如荆棘造成的伤口，可以为机会主义病原体提供机会，例如 Sporothrix schenkii，一种居住在土壤中的真菌，也是玫瑰园丁病的病原体。一旦突破皮肤屏障，S. schenkii 就会感染皮肤和下层组织，产生像迈克一样的溃疡病变。更复杂的是，其他病原体可能会进入受感染的组织，导致继发细菌感染。

幸运的是，玫瑰园丁的病是可以治愈的。迈克的医生给他开了一些抗真菌药物的处方以及抗继发性细菌感染的抗生素疗程。他的病变最终愈合了，迈克重返工作岗位，对手套和防护服有了新的认识。

一只手臂上有溃烂、流血的划痕和一张玫瑰植物的照片。 — 图\(\PageIndex{3}\)：当真菌 *Sporothrix schenkii* 通过小伤口（例如可能由荆棘造成的）侵入皮肤时，就会发生玫瑰园丁病。（左图：Elisa Self 对作品的修改；右图：疾病控制与预防中心对作品的修改）

粘膜

鼻子、口腔、肺部、泌尿道和消化道内的粘膜为抵御潜在病原体提供了另一种非特异性屏障。粘膜由一层由紧密连接结合的上皮细胞组成。上皮细胞分泌一种称为粘液的潮湿粘稠物质，它覆盖和保护其下方更脆弱的细胞层，并捕获碎片和颗粒物，包括微生物。粘液分泌物还含有抗菌肽。

在身体的许多部位，机械作用可以将粘液（以及被困或死亡的微生物）冲出体外或远离潜在的感染部位。例如，在呼吸系统中，吸入会将微生物、灰尘、霉菌孢子和其他空气中的小碎片带入体内。这些碎片被困在呼吸道内的粘液中，这种粘液被称为粘膜纤毛毯。呼吸道上部的上皮细胞被称为纤毛上皮细胞，因为它们有被称为纤毛的头发状附属物。纤毛的运动将充满碎片的粘液从肺部排出并远离肺部。排出的粘液随后被吞下并在胃中消失，或者咳嗽或打喷嚏（图\(\PageIndex{4}\)）。这种去除系统通常被称为粘膜纤毛自动扶梯。

表面看起来像海绵状，有一簇长发。每根头发长约 5 微米；每簇的直径约为 10 微米。 — 图\(\PageIndex{4}\)：这张扫描电子显微照片显示了来自人体气管的纤毛和非纤毛上皮细胞。粘液纤毛自动扶梯将粘液以及可能被困在粘稠粘液中的任何碎屑或微生物从肺部推开，然后粘液向上移动到食道，在那里可以通过吞咽将其清除。

粘膜纤毛自动扶梯是阻挡微生物的有效屏障，因此肺部是呼吸道的最低（也是最敏感）的部分，长期以来一直被认为是健康个体的无菌环境。直到最近，研究才表明健康的肺部可能有少量的正常微生物群。吸烟或囊性纤维化等疾病的破坏性影响会破坏粘膜纤毛自动扶梯，可能导致细菌在下呼吸道中的定植增加和频繁感染，这凸显了这种物理屏障对宿主防御的重要性。

与呼吸道一样，消化道是微生物进入人体的入口，消化道内的粘膜为抵御摄入的微生物提供了非特异性物理屏障。肠道内衬上皮细胞，穿插着分泌粘液的高脚杯细胞（图\(\PageIndex{5}\)）。这种粘液与从胃中吸收的物质混合，捕获食源性微生物和碎屑。蠕动的机械作用是消化道中的一系列肌肉收缩，它使脱落的粘液和其他物质通过肠道、直肠和肛门，排出粪便中的物质。

图 a 是单个高脚杯单元的示意图。细胞很高，略呈沙漏状。细胞底部充满了细胞核。顶部显示了高尔基仪器（膜褶皱）、粗糙的内质网（带点的膜褶皱）、含有粘蛋白的分泌囊泡（大气泡）和微绒毛（顶部的手指状突起）。图 b 是一排上皮细胞内两个高脚杯细胞的显微照片。上皮细胞是矩形的，大细胞核可见。杯状细胞更薄，顶部有透明（无色）。 — 图\(\PageIndex{5}\)：杯状细胞产生和分泌粘液。这张显微照片中的箭头指向肠道上皮中分泌粘液的高脚杯细胞（放大倍数为1600）。（信用显微照片：密歇根大学医学院摄政官提供的显微照片 © 2012）

内皮

泌尿生殖道、血管、淋巴管和某些其他组织内的上皮细胞被称为内皮细胞。这些密集的细胞为抵御入侵者提供了特别有效的前线屏障。例如，血脑屏障的内皮保护中枢神经系统（CNS），中枢神经系统（CNS）由大脑和脊髓组成。中枢神经系统是人体最敏感和最重要的部位之一，因为中枢神经系统的微生物感染可迅速导致严重且往往是致命的炎症。穿过中枢神经系统的血管中的细胞连接是人体中最紧密、最坚硬的连接处，可防止血液中的任何短暂微生物进入中枢神经系统。这可以使大脑和脊髓周围和沐浴的脑脊液在正常条件下保持无菌状态。

练习\(\PageIndex{2}\)

描述粘膜纤毛自动扶梯的工作原理。
列举两个你会发现内皮的地方。

机械防御

除了阻止微生物进入的物理屏障外，人体还有许多机械防御措施，可以从物理上清除体内的病原体，阻止它们居住。我们已经讨论了几个机械防御的例子，包括皮肤细胞脱落、通过粘液纤毛自动扶梯排出粘液以及通过肠道蠕动排出粪便。机械防御的其他重要例子包括尿液和眼泪的冲洗作用，两者都有助于将微生物带离人体。尿液的冲洗作用是造成尿路通常无菌环境的主要原因，包括肾脏、输尿管和膀胱。排出体外的尿液会冲洗掉短暂的微生物，阻止它们居住。眼睛还有物理屏障和机械机制来预防感染。睫毛和眼皮可防止灰尘和空气中的微生物到达眼睛表面。任何通过这些物理屏障的微生物或碎片都可能被眨眼的机械作用冲走，眨眼会让眼睛流下眼泪，冲走碎屑（图\(\PageIndex{6}\)）。

一个人的图表。眼睛上的箭头指向显示睫毛、眼睑和泪管的较大图像。来自腹部的箭头显示输尿管的肾脏较大。腹股沟区域的箭头显示尿道较大。 — 图\(\PageIndex{6}\)：眼泪将微生物从眼睛表面冲走。尿液会在微生物通过尿路时将其冲出尿道；因此，泌尿系统通常是无菌的。

练习\(\PageIndex{3}\)

列举两种保护眼睛的机械防御。

微生物组

在身体的各个部位，常驻微生物群是抵御入侵病原体的重要第一线防御。通过占据细胞结合位点和争夺可用营养素，常驻微生物群阻止了发生感染所需的病原体附着和增殖的关键早期步骤。例如，在阴道中，常住微生物群的成员与酵母念珠菌等机会性病原体竞争。这种竞争通过限制营养素的供应来防止感染，从而抑制念珠菌的生长，控制其种群。皮肤、上呼吸道和胃肠道中的微生物群和潜在病原体之间也存在类似的竞争。正如本章稍后将讨论的那样，常驻微生物群也有助于先天非特异性宿主防御的化学防御。

当微生物群被破坏或消灭时，对传染病的敏感性增加，这突显了正常微生物群在宿主防御中的重要性。抗生素治疗可以显著消耗胃肠道的正常微生物群，为致病细菌定植并引起腹泻感染提供了优势。对于由艰难梭菌引起的腹泻，感染可能很严重，可能致命。治疗艰难梭菌感染的一种策略是粪便移植，它涉及将粪便物质从捐赠者（筛选出潜在病原体）转移到受体患者的肠道中，以此作为恢复正常微生物群和对抗艰难梭菌的一种方法感染。

\(\PageIndex{2}\)该表汇总了本节中讨论的物理防御。

表\(\PageIndex{2}\)：非特异性先天免疫的物理防御能力
防御	示例	函数
细胞屏障	皮肤、粘膜、内皮细胞	拒绝病原体入境
机械防御	皮肤细胞脱落、粘膜纤毛清扫、蠕动、尿液和眼泪的冲洗作用	从潜在的感染部位清除病原体
微生物组	皮肤、上呼吸道、胃肠道和泌尿生殖道的常驻细菌	与病原体竞争细胞结合位点和营养素

练习\(\PageIndex{4}\)

列出常驻微生物群抵御病原体的两种方法。

关键概念和摘要

非特异性先天免疫通过非特异性阻断微生物进入并将其作为目标进行破坏或从体内清除，从而为抵御感染提供了第一道防线。
先天免疫的物理防御包括物理屏障、去除微生物和碎片的机械作用以及与病原体竞争并抑制病原体生长的微生物组。
全身的皮肤、粘膜和内皮是阻止微生物到达潜在感染部位的物理屏障。这些组织中的紧密细胞连接会阻止微生物通过。
被困在死皮细胞或粘液中的微生物通过机械作用从体内清除，例如皮肤细胞脱落、粘液纤毛扫描、咳嗽、蠕动和体液冲洗（例如排尿、流泪）
常驻微生物群通过占据可用的细胞结合位点并与病原体竞争可用的营养素来提供物理防御。