17.2: 先天免疫

脊椎动物，包括人类免疫系统，是一个复杂的多层系统，用于抵御对身体完整性的外部和内部威胁。 该系统可以分为两种类型的防御系统：先天免疫系统，它对特定类型的病原体没有特异性，以及特异性的适应性免疫系统（图\(\PageIndex{1}\)）。 先天免疫不是由感染或疫苗接种引起的，最初依赖于对所有病原体起作用的物理和化学屏障，有时也称为第一道防线。 先天系统的第二道防线包括产生炎症和发烧反应的化学信号，以及动员保护细胞和其他化学防御能力。 适应性免疫系统对不属于体内的物质和生物产生高度特异的反应。 适应性系统需要更长的时间才能做出反应，并且具有记忆系统，即使在几年后人体再次遇到病原体，它也可以更强地做出反应。

图\(\PageIndex{1}\)：脊椎动物免疫系统有两个主要部分。 由物理屏障和内部防御组成的先天免疫系统对所有病原体有反应。 适应性免疫系统具有很高的特异性。

外部和化学屏障

人体对潜在病原体有明显的物理屏障。 皮肤含有蛋白质角蛋白，可抵抗细胞的物理进入。 其他身体表面，尤其是与身体开口相关的表面，受到粘膜的保护。 粘稠的粘液为病原体提供了物理陷阱，阻止它们进入体内更深处。 人体的开口，例如鼻子和耳朵，受到感染病原体的毛发的保护，而上呼吸道的粘膜有纤毛，纤毛会不断将困在粘液涂层中的病原体转移到口腔。

皮肤和粘膜还会形成对许多微生物不利的化学环境。 皮肤表面呈酸性，可防止细菌生长。 唾液、粘液和眼泪含有一种分解细菌细胞壁的酶。 胃分泌物形成高酸性环境，杀死许多进入消化系统的病原体。

最后，身体表面和下消化系统有一个微生物群落，例如细菌、古细菌和真菌，它们在不伤害人体的情况下共存。 有证据表明，这些生物对宿主非常有益，可以对抗致病生物，并在宿主体提供的营养资源方面胜过它们。 尽管有这些防御能力，但病原体仍可能通过皮肤擦伤或穿刺进入人体，或者大量聚集在粘膜表面，从而克服粘液或纤毛的保护。

内部防御

当病原体进入人体时，先天免疫系统会通过各种内部防御作出反应。 这些包括炎症反应、吞噬作用、自然杀伤细胞和补体系统。 血液和淋巴中的白细胞将病原体识别为人体异物。 白细胞比红细胞大，成核，通常能够使用变形虫运动移动。 因为它们可以自行移动，所以白细胞可以离开血液进入受感染的组织。 例如，单核细胞是一种白细胞，它在血液和淋巴中循环，并在进入受感染组织后发展成巨噬细胞。 巨噬细胞是吞没外来颗粒和病原体的大细胞。 肥大细胞的产生方式与白细胞相同，但与循环的白细胞不同，肥大细胞居住在结缔组织，尤其是粘膜组织中。 它们负责释放化学物质以应对人身伤害。 它们还在过敏反应中起作用，本章后面将对此进行讨论。

当病原体被识别为异物时，就会释放出称为细胞因子的化学物质。 细胞因子是一种化学信使，它调节细胞分化（形式和功能）、增殖（产生）和基因表达，从而产生各种免疫反应。 人类中存在大约40种细胞因子。 除了在病原体识别后从白细胞中释放出来外，细胞因子还会被感染的细胞释放出来，并与附近的未感染细胞结合，诱导这些细胞释放细胞因子。 这种正反馈回路导致细胞因子产生激增。

干扰素是一类早效细胞因子，干扰素由受感染的细胞释放，作为对附近未受感染细胞的警告。 干扰素是一种小蛋白质，可向其他细胞发出病毒感染信号。 干扰素刺激未感染的细胞产生干扰病毒复制的化合物。 干扰素还会激活巨噬细胞和其他细胞。

炎症反应和吞噬作用

最早产生的细胞因子会刺激炎症、局部发红、肿胀、发热和疼痛。 炎症是对身体创伤的反应，例如割伤或打击、化学刺激和病原体（病毒、细菌或真菌）感染。 触发炎症反应的化学信号进入细胞外液并导致毛细血管扩张（膨胀），毛细血管壁变得更具渗透性或渗漏。 毛细血管泄漏的血清和其他化合物会导致该区域肿胀，进而导致疼痛。 各种各样的白细胞被吸引到炎症区域。 到达发炎部位的白细胞类型取决于损伤或感染病原体的性质。 例如，中性粒细胞是一种早期到达的白细胞，它吞没和消化病原体。 中性粒细胞是免疫系统中最丰富的白细胞（图\(\PageIndex{2}\)）。 巨噬细胞跟随中性粒细胞并接管吞噬功能，参与发炎部位的分解，清理细胞碎片和病原体。

图\(\PageIndex{2}\)：皮肤割伤后，白细胞（白细胞）会释放化学物质以刺激炎症反应。

细胞因子还会向神经系统的细胞发送反馈，以引起感觉不适的整体症状，包括嗜睡、肌肉疼痛和恶心。 细胞因子还会增加核心体温，导致发烧。 发烧温度升高会抑制病原体的生长并加快细胞修复过程。 出于这些原因，对发烧的抑制应仅限于高危发烧。

概念在行动

观看这段 23 秒的定格动画视频，该视频展示了一个中性粒细胞在过去 79 分钟的时间内搜寻并吞没真菌孢子。

自然杀伤细胞

淋巴细胞是含有大细胞核的白细胞（图\(\PageIndex{3}\)）。 大多数淋巴细胞与适应性免疫反应有关，但受感染的细胞会被自然杀伤细胞识别和破坏，自然杀伤细胞是先天免疫系统中唯一的淋巴细胞。 自然杀伤（NK）细胞是一种淋巴细胞，可以杀死感染了病毒（或癌细胞）的细胞。 NK 细胞通过受感染细胞表面主要组织相容性类 (MHC) I 分子表达的改变来识别细胞内感染，尤其是来自病毒的感染。 MHC I 类分子是所有有核细胞表面的蛋白质，可在任何给定时间提供细胞内部环境的样本。 不健康的细胞，无论是感染的还是癌性的，其细胞表面都会显示出改变的 MHC I 类补体。

图\(\PageIndex{3}\)：淋巴细胞，例如 NK 细胞，其特点是其活性吸收 Wright 染色的大细胞核，因此在显微镜下呈深色。 （来源：来自 Matt Russell 的比例尺数据）

在 NK 细胞检测到受感染细胞或肿瘤细胞后，它会诱导程序性细胞死亡或凋亡。 然后，吞噬细胞出现并消化留下的细胞碎片。 NK 细胞不断在人体内巡逻，是控制潜在感染和预防癌症进展的有效机制。 各种类型的免疫细胞如图所示\(\PageIndex{4}\)。

图\(\PageIndex{4}\)：参与先天免疫反应的细胞包括肥大细胞、自然杀伤细胞和白细胞，例如单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞。

补充

由大约20种蛋白质组成的阵列，称为补体系统，也被适应性免疫系统细胞的感染或活性激活，并起到摧毁细胞外病原体的作用。 肝细胞和巨噬细胞持续合成非活性形式的补体蛋白；这些蛋白质在血清中含量丰富，能够对感染的微生物立即作出反应。 补体系统之所以这样命名，是因为它与先天和适应性免疫系统互补。 补体蛋白与微生物表面结合，特别被适应性免疫系统标记的病原体所吸引。 这种 “标记” 涉及将称为抗体的特定蛋白质（稍后将详细讨论）附着在病原体上。 当它们附着时，抗体会改变形状，为其中一种补体蛋白提供结合位点。 在前几个补体蛋白结合后，随之而来的是特定蛋白质序列中的一系列结合，其中病原体迅速被补体蛋白包裹。

补体蛋白具有多种功能，其中之一是作为标志物，表明存在吞噬细胞的病原体并增强吞噬。 某些补体蛋白可以结合在微生物细胞膜中打开毛孔并导致细胞裂解。

摘要

先天免疫系统首先由感染的物理和化学屏障组成，包括皮肤和粘膜及其分泌物、纤毛表面和体毛。 第二道防线是内部防御系统，旨在对抗绕过人体物理和化学屏障的致病威胁。 先天免疫系统结合使用细胞和分子反应，识别病原体的性质，并通过炎症、吞噬作用、细胞因子释放、NK 细胞破坏或补体系统作出反应。

词汇表

补体系统

由大约20种固有免疫系统可溶性蛋白组成的阵列，可增强吞噬作用，在病原体中钻孔并招募淋巴细胞

细胞因子

一种调节细胞分化、增殖和基因表达以影响免疫反应的化学信使

炎症

白细胞通过打开的毛细血管运动到感染部位所导致的局部发红、肿胀、发热和疼痛

先天免疫力

一种由于遗传因素或生理学原因而自然产生的免疫力，不是由感染或疫苗接种引起的

干扰素

一种抑制病毒复制的细胞因子

淋巴细胞

一种白细胞，包括先天免疫系统的自然杀伤细胞和适应性免疫系统的B和T细胞

巨噬细胞

吞没外来颗粒和病原体的大型吞噬细胞

主要组织相容性等级 (MHC) I

存在于所有有核细胞表面的一组蛋白质，它向免疫细胞发出信号，无论该细胞是正常的、被感染的还是癌性的；它还提供适当的位点供淋巴细胞识别抗原

肥大细胞

一种产生炎症分子（例如组胺）以应对大型病原体的白细胞

单核细胞

一种在血液和淋巴中循环并在进入受感染组织后分化为巨噬细胞的白细胞

自然杀伤 (NK) 细胞

一种可以杀死感染病毒或肿瘤细胞的细胞的淋巴细胞

中性粒细胞

吞没和消化病原体的吞噬白细胞

白细胞

血液中发现的一种有核细胞，是免疫系统的一部分；也称为白细胞

贡献者和归因

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